Autonomous navigation of flying robot

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    13-Feb-2017
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    Engineering

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  • MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

    -

    UNIVERSITE FERHAT ABBAS -SETIF

    Facult de Technologie

    : Dpartement Dlectrotechnique

    Mmoire de Master No. Rf. : MAI/05/2015

    Prsent au Dpartement dlectrotechnique

    Domaine : Sciences et Technologie Filire : Automatique Spcialit : Automatique Industrielle

    Ralis par :

    M.Doukhi Oualid

    Thme

    Commande et navigation autonome d'un drone

    Quadrirotor

    Soutenu le 16/06/2015 devant la commission dexamen compose de :

    M. Khaber Farid lUniversit de Stif Prsident

    M. SID Mohamed Amine lUniversit de Stif Directeur du Mmoire

    M. Aouina Abdenoure lUniversit de Boumerdes co-encadrant

    M. Aggoune Lakhder lUniversit de Stif Examinateur

  • Rsum

    Lobjectif de ce travail est de dvelopper une approche de commande linaire,et de lappliquer sur un vhicule arien sans pilote nomm quadrirotor. Aprs untat de lart sur ce type de vhicules, nous avons labor le modle complet duquadrirotor qui permet dtudier son comportement dans des diffrents rgimes defonctionnement. Pour pouvoir valider notre modle, plusieurs tests ont t ralisspar simulation sous Matlab/simulink. Nous avons prsent galement les fonde-ments thoriques de la technique de commande par PID, et cela, pour pouvoirlimplmenter la suite dans un calculateur distant. Pour atteindre ce but, nousavons utilis le langage C++ et lenvironnement de dveloppement ROS tout ense basant sur les mesures en provenance de la centrale inertielle (IMU). Une foisnotre commande programme, nous lavons implmente et teste sur le banc detest parrot ardrone 2.0. Les rsultats obtenus ont t trs satisfaisants du point devue performance de commande et robustesse vis--vis les perturbations externes.

    Mots cls : commande linaire, drone quadrirotor , Proportionnel intgral d-riv(PID) , C + + ,Robot operating system (ROS) , parrot ardrone

    i

  • Remerciements

    Mes remerciements vont, tout dabord, au Grand Allah qui ma guid dansle bon chemin et qui ma donn toute cette force physique et mentale afindaccomplir, au mieux, ce prsent travail.Je tiens surtout assurer ma sincre reconnaissance, mon plus grand respect et

    ma totale gratitude Mr.Sid Mohamed Amine, mon encadrant et docteur delUniversit de stif , pour tous les efforts, laide, le soutien et les encouragementsquil a montr tout au long de ce travail et aussi pour tant de comprhension, etdisponibilit dont il a fait preuve.Je tiens aussi exprimer mes remerciements Mr. Aouina Abde annoure

    mon co-encadrant et docteur de lUniversit de boumerdes, davoir bien voulu deme faire profiter pleinement de ces comptences scientifiques et de ses ides pourlaccomplissement de ce travail.Je remercie vivement, galement, les membres de jury pour avoir accept de lire

    mon mmoire et juger mon travail.Un grand merci aussi, mes parents, pour leurs conseils prcieux et soutien

    constant tout le long de la ralisation de mon mmoire.Je remercier, tous les enseignants que jai eu lhonneur davoir durant les cinq

    annes de mon cursus universitaire, et qui mont permis, par leurs enseignements,dacqurir des connaissances solides dans le domaine de lautomatique.Jadresse un remerciement tout spcial au doctorant Nadjib Benaouda et toute

    personne mayant apport le moindre appui au cours de la ralisation de montravail .Enfin jadresse mes remerciements tous ceux que jaurais pu omettre de citer

    et qui de prs ou de loin mont aid et soutenu.

    OUALID

    iii

  • Table des matires

    Rsum i

    Remerciements iii

    Table des matires v

    Table des figures ix

    Introduction gnrale 1

    1 Historique et domaines dapplication des quadrirotors 31.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Lhistoire des quadrirotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Les application des quadrotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    1.3.1 Surveillance et collecte dinformations . . . . . . . . . . . . . 61.3.2 tudes scientifiques et surveillance des systmes distribus . 61.3.3 Recherche et sauvetage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.4 Missions dangereuses (dtection de gaz toxiques, radiations) 71.3.5 La livraison des colis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    2 Modlisation et commande dun quadrirotor 112.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2 Modlisation dynamique du quadrirotor . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    2.2.1 Fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.2 Les mouvement du quadrirotor . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.2.2.1 Au long de laxe z . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.2.2 Autour des axes x et y (roulis et tangage ) . . . . 132.2.2.3 Autour de laxe z ( lacet ) . . . . . . . . . . . . 14

    v

  • TABLE DES MATIRES

    2.2.3 Modle dynamique du quadrirotor . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.3.1 Hypothses du modle . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.3.2 Dfinition des repres . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.3.3 Les angles dEuler . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.3.4 Les vitesses linaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.3.5 Les vitesses angulaires . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.3.6 Les forces et les moments agissant sur le quadriro-

    tor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.3.7 Lquation de Newton-Euler . . . . . . . . . . . 192.2.3.8 La reprsentation dtat du systme . . . . . . . . 21

    2.3 Conception de lalgorithme de commande . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.1 Contrleur PID : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    2.3.1.1 Contrleur daltitude : . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3.1.2 Contrleur dattitude . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3.1.3 Contrleur de position : . . . . . . . . . . . . . . . 26

    2.3.2 Rsultats de simulation : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    3 Implmentation exprimentale du loi de commande sur un banc dessai(Parrot Ardronne 2.0 ) 353.1 Prsentation de lAR.Drone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2 Prsentation de lenvironnement ROS . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    3.2.1 Une aperue sur lenvironnement ROS . . . . . . . . . . . . 393.2.2 Nuds, messages, topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    3.2.2.1 Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2.2.2 Les nuds : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    3.3 Architecture matriel du quadrirotor . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3.1 Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3.2 Rception de donnes en provenance des capteurs . . . . . . 40

    3.4 Implmentation de lalgorithme de commande . . . . . . . . . . . . 413.4.1 Commande de laltitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.4.2 Commande de langle de Lacet . . . . . . . . . . . . . . . . 433.4.3 Commande de la position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    3.5 conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    Conclusion et perspectives 47

    Annexes 49

    A modlisation 51

    vi

  • TABLE DES MATIRES

    Bibliographie 57

    vii

  • Table des figures

    1.2.1 Brguet Richet Gyro1- 1907 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.2 Oemichen 1920 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.3 Le Quadrirotor de Bothezat1922. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.4 Convertawings Model A 1956 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.1 surveillance de la Maison Blanche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3.2 rseaux surveills . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.3 Sauvetage des personnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.4 Dtection de gaz et radiations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3.5 Livraison des colis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    2.2.1 Structure gnrale dun quadrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.2 Translation selon laxe z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.3 Mouvement de roulis et tangage . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.4 Mouvement de lacet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.5 Systme daxe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.6 Les forces et les moment ajissant sur le quadrirotor . . . . . . . . . 182.2.7 Les entrer et les sortie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.1 Contrleur PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3.2 Commande daltitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3.3 Commande dattitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.3.4 Commande de la position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.3.5 Les signaux de refrence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3.6 Altitude et langle de rolice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3.7 Angle de lcet et tangage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.3.8 Vitesses moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.3.9 Commande de la position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    3.1.1 Ardrone 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2.1 Archtecteur gnrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2.2 Plateformes supportes par ROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2.3 Configuration capteur actionneure avec ROS . . . . . . . . . . . . 38

    ix

  • TABLE DES FIGURES

    3.3.1 Les topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.3.2