Institut Commun pour drones Autonomes multi-éneRgiEs – ICARE

Axe 1 : GESTION OPTIMALE DE L’ENERGIE A BORD DURANT LE VOL DU DRONE
Une étape clé du projet consiste à dégager des solutions optimales pour le dimensionnement et la gestion d’énergie, principalement sur des critères d’efficacité énergétique et d’endurance. Pour cela, nous souhaitons procéder en deux étapes. Premièrement, à partir des solutions hybrides existantes chez XSun et sur la base de stratégies de gestion optimales hors ligne dites acausales (programmation dynamique, MILP, etc.), il sera possible de fournir un résultat optimum absolu, fournissant ainsi un indicateur de référence à atteindre. Il sera alors proposé dans un second temps des solutions de gestion causales et implémentables en temps réel. L’objectif sera alors de dégager les techniques de gestions les plus efficaces, permettant de se rapprocher de la solution acausale.

Axe 2 : MODELISATION ET OPTIMISATION DE LOIS DE CONTROLE DE VOL
Le vol du drone passe par 3 phases : décollage, atterrissage (fonctionnement en mode quadricopter) et une phase de vol de croisière (fonctionnement avion), ce qui complexifie le contrôle du vol, surtout pendant les phases de transition. Les comportements dynamiques du drone lors de ces trois phases sont complètement différents ce qui se traduit par des modèles non linéaires différents. Ainsi, les commandes classiques disponibles sur le marché, de type PID à paramètres fixes, sont limitées et réduisent ainsi les performances du drone et les conditions de son utilisation. Pour répondre à ces problématiques la commande prédictive de type MPC est la plus adaptée face au comportement non linéaire du drone, aux couplages entre les différents axes ainsi qu’aux perturbations environnementales. La maîtrise de ce type de contrôle demande la mise en place de modèles qui reflètent parfaitement le comportement dynamique du drone.

Axe 3 : METHODE D’OPTIMISATION DU SYSTEME ENERGETIQUE MULTI-SOURCES D’UN DRONE VTOL
Aujourd’hui, l’optimisation énergétique du drone est menée de façon empirique. Bien que fonctionnelle, cette approche trouve ses limites face à la diversification des besoins clients et l’ajout des contraintes liées au décollage et atterrissage vertical.
Il s’agit donc ici d’élaborer une méthode d’optimisation qui s’appuie sur des modèles de dimensionnement de tous les sous-systèmes composant le drone, ceux-ci pouvant être de nature différentes (la propulsion, les sources d’énergie, l’avionique, le câblage,…).
Il s’agira donc, une fois les modèles établis, d’élaborer la méthode d’optimisation capable de prendre en en compte les missions cibles. La méthode mise en œuvre devra être suffisamment flexible pour pourvoir s’adapter à différentes architectures de drone.
Au terme du projet, l’outil d’optimisation devra pouvoir être utilisé dans les premiers stades de développement d’un nouveau produit. Cet outil sera central dans le processus de développement et accompagnera XSun dans tous ces futurs programmes.

Travaux Axe 1 : Gestion optimale de l’énergie
A l’issue de l’année 1, le travail a porté sur l’établissement des modèles de batteries électrochimiques (batteries Li-ion) et de pile à hydrogène. Il s’agit de modèles de dimensionnement de type analytique permettant de décrire le comportement électrique des dispositifs en fonction de leur état (état de charge pour les batteries), de la température, etc. L’identification des paramètres a été effectué à partir de données constructeurs puis validés par des essais expérimentaux.

Travaux Axe 2 : Modélisation et optimisation de lois de contrôle de vol
A l’issue de l’année 1, le travail a porté sur la modélisation comme prévu dans la feuille de route initiale.
Un travail de modélisation d’un drone à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) à ailes fixes a donc été mené. Il s’agit d’un modèle aux petites variations (modèle linéaire) basé sur les lois de la mécanique newtonienne, capable de prédire avec précision les mouvements longitudinaux, latéro-directionnels, ainsi que les mouvements VTOL lors des différentes manœuvres de vol. Différentes techniques d’identification des paramètres du modèle établi ont ensuite été testées puis validées à l’aide du simulateur de vol X-Plane. La validation montre une excellente capacité de prédiction pour l’ensemble des états du système. De plus, l’application de l’identification sur plusieurs points d’équilibre et plusieurs manœuvres montre la flexibilité ainsi que la robustesse de l’approche.

L’objectif de ces travaux qui ont été mené pendant l’année 1 a pour but de valider les stratégies de commandes en simulation qui vont faire l’objet des travaux durant l’année 2.

Partenaire académique :
Le montage d’une plateforme d’essais simulant la chaine énergétique complète du drone devrait être opérationnelle au laboratoire IREENA au début du second semestre de l’Année 2. Le retard, dû aux difficultés rencontrées dans le recrutement du premier Post-Doctorant devrait être rattrapé en année 2.

Pas de production scientifique au terme de la première année.

Le marché des drones connaît actuellement une forte croissance avec l’avancée récente de technologies hautes performances (stockage d’énergie à haute densité, matériaux légers à hautes tenue mécanique,...). Il est donc possible d’envisager une exploitation commerciale pour ces drones avec, en perspective, un nombre important d’applications assurées aujourd’hui par des technologies onéreuses et polluantes, comme les satellites de surveillance ou les aéronefs classiques (avions, hélicoptères, …). Forte de ce constat, la société XSun, localisée à Guérande (Loire Atlantique), conçoit et réalise depuis 2016 des drones capables d’assurer des missions de longue durée, grâce principalement à l’énergie solaire, pour toute une classe de missions autour de la surveillance terrestre ou maritime, de l’agriculture de précision...
XSun a la volonté de proposer des drones aux performances ultimes, pour maintenir un leadership dans un secteur très concurrentiel. Cela implique le recours à des technologies de rupture. L’objectif de ce LabCom entre la société XSun et le laboratoire IREENA vise à constituer un cadre propice au développement des outils scientifiques et des solutions opérationnelles recherchés. Les problématiques que nous souhaitons traiter dans le LabCom ICAREnotre projet portent principalement sur l’optimisation énergétique du drone, qui intégrera une hybridation solaire/hydrogène et le décollage vertical, couplée à l’optimisation sur profils de missions de la commande des actionneurs .
Pour atteindre ces objectifs, plusieurs verrous doivent être levés. Premièrement, il est nécessaire d’établir une formulation du problème de dimensionnement du système qui intègre les stratégies de pilotage et de gestion énergétique, celles-ci devant tenir compte des effets de contre-réaction vers les performances aérodynamiques du drone, de part l’influence des masses, du profil de vol et des contraintes de charges « embarquables ». Deuxièmement, l’émergence continue de nouvelles solutions technologiques implique une très grande flexibilité des outils proposés. Cette flexibilité concerne la capacité à intégrer les spécificités et caractéristiques énergétiques de ces nouvelles solutions, mais également leurs différentes interactions avec les autres organes du système énergétique et leurs potentielles contraintes de fonctionnement (contraintes thermique, limites de fonctionnement dynamique, etc.).
Enfin, l’ensemble des actions d’optimisation, tant au niveau de la gestion énergétique que des profils de missions et du pilotage des actionneurs de vol, implique une parfaite connaissance des caractéristiques aérodynamiques du drone. Or, dans sa phase de conception, cette connaissance reste relativement faible. Une solution pour pallier ce problème consiste de plus en plus à développer une approche HIL (Hardware In the Loop), notamment par le développement d’une plateforme d’émulation aérodynamique, couplée au système d’autopilotage des actionneurs et au système énergétique en vue de vérifier les performances des lois de commande proposées.