Identification de modèle et commande d'un engin de vol convertible – MICA

Un premier problème, qui sera abordé au cours de ce projet, est la modélisation des phénomènes aérodynamiques. Nous allons examiner trois phases du vol: (a) vol stationnaire (à vitesse faible), (b) vol de croisière (à grande vitesse), et (c) la transition du vol stationnaire au vol de croisière (et vice versa). Bien que des recherches aient déjà été faites dans la modélisation pendant les phases (a) (voir multi-coptères classiques) et (b) (voir avions conventionnels) il existe très peu de résultats concernant la modélisation en phase (c). Cependant, ceci est un aspect très important que nous allons aborder dans la première phase du projet.

Dans une deuxième phase, nous allons travailler sur la conception d'algorithmes autonomes de commande tolérante aux défauts. L'objectif sera de permettre à l'aéronef convertible de voler, sans intervention d'un pilote humain, en suivant une trajectoire minimisant la consommation d'énergie. Un aspect important du vol autonome est la sécurité. Dans aucun cas l'aéronef convertible ne doit poser un risque de sécurité pour des personnes, d'autres aéronefs ou pour lui-même. C'est la raison pour laquelle pendant cette phase du projet nous allons travailler sur la conception d'algorithmes de contrôle tolérants aux défauts. Un aspect important sera la minimisation d'énergie consommé pendant la phase de transition de vol.

Pour compléter la partie conception d'algorithmes de commande tolérante aux défauts, la détection de défauts sera aussi étudiée pendant ce projet. Parmi les éventuels défauts, nous allons considérer la perte d'actionneurs (moteurs avec hélices) ou de capteurs (centrale de mesure inertielle).

Un premier résultat porte sur la platitude d'un modèle mathématique d'engin convertible.

Nous sommes en train de construire un convertible de type aile delta pour démontrer expérimentalement notre approche.

Conférences internationales :
1. Tudor-Bogdan Airimitoaie, Gemma Prieto Aguilar, Loïc Lavigne, Christophe Farges, and Franck Cazaurang, Convertible aircraft dynamic modelling and flatness analysis, 9th Vienna International Conference on Mathematical Modelling, Vienna, Austria, February 21 – 23, 2018.
2. Tudor-Bogdan Airimitoaie, Loïc Lavigne, Christophe Farges, Kelly Cohen, and Franck Cazaurang, Model Identification and control of a Convertible Aircraft (MICA). ANR young researcher program, AIAA 42nd Dayton-Cincinnati Aerospace Sciences Symposium, Sinclair Conference Center, Downtown Dayton, March 1, 2017.

Il est évident que l'impact de la civilisation humaine sur l'environnement devra être réduit dans les prochaines décennies, afin de le préserver. L'utilisation des ressources naturelles telle qu'elle est faite aujourd'hui devra cesser. Une part importante (près d'un tiers) de la consommation mondiale d'énergie est dédiée aux transports. Une solution pour réduire l'énergie consommée de cette façon et limiter les dommages environnementaux est de développer de nouveaux concepts de systèmes de transport.

Au cours de ce projet, nous allons étudier un nouveau concept d'avion qui est l'aéronef convertible, en mettant l'accent sur la conception de méthodes de suivi de trajectoire autonomes. Un aéronef convertible désigne une machine volante capable de décoller et d’atterrir verticalement, mais qui se comporte comme un avion classique en vol de croisière à haute vitesse. Le concept d'aéronef convertible qui sera utilisé pour la validation des méthodes proposées pendant ce projet, devra assurer ces deux objectifs en utilisant des ailes (pour le vol horizontal) et des moteurs à hélices (atterrissage/décollage vertical et propulsion).

L'intégration à terme de ces engins dans des espaces avec une forte densité de population nécessite de garantir un niveau de sécurité élevé en particulier durant les phases de décollage et d'atterrissage. Cela nécessite donc de mettre en place des systèmes de contrôle de trajectoires robustes aux perturbations, tolérants aux défauts, et capables de générer des trajectoires d’urgence en dernier recours garantissant la sécurité des personnes et des habitations. Ce projet a pour objectif de contribuer à ces attentes avec la réalisation d'une brique technologique capable de gérer et de maintenir l'engin sur des trajectoires de transition sécuritaires (en mode nominal et en mode de secours) et répondre ainsi aux futures exigences des réglementations aériennes nationales et internationales.

Un premier problème, qui sera abordé au cours de ce projet, est la modélisation des phénomènes aérodynamiques. Nous allons examiner trois phases du vol: (a) vol stationnaire (à vitesse faible), (b) vol de croisière (à grande vitesse), et (c) la transition du vol stationnaire au vol de croisière (et vice versa). Bien que des recherches aient déjà été faites dans la modélisation pendant les phases (a) (voir multi-coptères classiques) et (b) (voir avions conventionnels) il existe très peu de résultats concernant la modélisation en phase (c). Cependant, ceci est un aspect très important que nous allons aborder dans la première phase du projet.

Dans une deuxième phase, nous allons travailler sur la conception d'algorithmes autonomes de commande tolérante aux défauts. L'objectif sera de permettre à l'aéronef convertible de voler, sans intervention d'un pilote humain, en suivant une trajectoire minimisant la consommation d'énergie. Un aspect important du vol autonome est la sécurité. Dans aucun cas l'aéronef convertible ne doit poser un risque de sécurité pour des personnes, d'autres aéronefs ou pour lui-même. C'est la raison pour laquelle pendant cette phase du projet nous allons travailler sur la conception d'algorithmes de contrôle tolérants aux défauts. Un aspect important sera la minimisation d'énergie consommé pendant la phase de transition de vol.

Pour compléter la partie conception d'algorithmes de commande tolérante aux défauts, la détection de défauts sera aussi étudiée pendant ce projet. Parmi les éventuels défauts, nous allons considérer la perte d'actionneurs (moteurs avec hélices) ou de capteurs (centrale de mesure inertielle).

Une plate-forme expérimentale servira pour valider les algorithmes proposés au cours de ce projet. Deux solutions sont envisagées, la première est de la construire, la deuxième est d’acheter un aéronef convertible auprès d’un partenaire industriel. La redondance des actionneurs et des capteurs devrait permettre de valider nos algorithmes pour différents types de défauts.