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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES «HOUARI BOUMEDIENE» FACULTE D’ELECTRONIQUE ET D’INFORMATIQUE MEMOIRE Présenté pour l’obtention du diplôme de Master 2 EN : CONTROLE DE PROCESSUS ET ROBOTIQUE Sujet : COMMANDE D’UN DRONE TYPE MINI-HELICOPTERE Présenté par : Encadré par : AMAINI Rafik Mr. HADJLARBI BOUKHARI Mohamed Ryad Devant le jury: • President: Mr. FERGANE. • Examinateur: Mme. RACHEDI. JUIN 2014 A l’achèvement de notre travail aussi modeste qu’il soit, je remercie le tout puissant ALLAH, pour nous avoir donné force et courage pour arriver à la concrétisation de notre projet, ensuite je remercie infiniment notre encadreur Mr. HADJLARBI, pour son accueil, ses conseils précieux, et son bienveillante bonté ; sous sa houlette nous avons pu épanouir nos connaissances dans le domaine des drones. Aussi il convient de saluer l’apport de Mr. MAMERI pour son aide dans le domaine de l’électronique. A la fin je tiens à saluer tout mes amis et les proches intimes qui m’ont soutenu dans toute ma vie d’étudiant. Mohamed Ryad Remerciement Remerciement Remerciement Remerciements s s s Nous tenons à remercier tout d’abord le bon Dieu bon Dieu bon Dieu bon Dieu de nous avoir donné le courage et la volonté pour réaliser ce travail. Je remercie ma mère qui m’a soutenu tout ou long de ma formation et qui a était une source de motivation dans mes études ou dans ma vie en général Nos vifs remerciements s’adressent à notre Promoteur Monsieur HADJ EL HADJ EL HADJ EL HADJ EL ARBI ARBI ARBI ARBI pour son aide précieuse, son disponibilité, ces remarques et ces encouragements. Nous tenons à manifester nos sincères gratitudes à tous les professeurs qui ont contribué à notre formation à l’université. Grâce à eux, nous avons acquis de précieux outils et concepts qui nous ont fortement aidés à résoudre les problèmes auxquels nous avons été confrontés lors la réalisation de notre projet. Enfin, que toute personne ayant contribué de près ou de loin à l’élaboration de notre mémoire trouve ici l’expression la plus sincère de notre gratitude. RAFIK AMAINI Le sommaire i) Remerciements ii) Liste des figures iii) Liste des tableaux Introduction générale…………………………………………………………………………(1) Chapitre I : Définitions et Généralités I.1 La présentation de notre projet……………………………...…………………...………..(2) I.2 Définition d’un drone ………………………………………………………...…...……..(2) I.3 classification des drones ……... ……………………………………………………….....(2) I.4 Choix de la structure de notre hélicoptère……………………………………...…………(2) I.4.1 Définition d’un hélicoptère……………………………………………………………..(2) I.4.2 Différents types d’hélicoptères…………………...……………………………….……(2) I.5 Principe de vol des birotors coaxiaux………………………………………...…………..(4) I.5.1 Les articulations de pales du birotor coaxial……………………………………………(5) I.5.2 Vol dans le plan horizontal…………………………………….……………………….(5) I.6 Conclusion……………………………………………………………………………..…(6) Chapitre II : Modélisation II.1 introduction……………………………………………………………………………....(7) II.2 Synthèse du modèle……………………………………………………..……………….(7) II.2.1 Repère et système d’axe……………………………………………………………….(7) II.2.2 Paramètres cinétiques et cinématiques………………………………………..……….(8) II.2.2.1 Paramètres cinématiques………………………………………………………..…..(8) II.2.2.2 Paramètres cinétiques………………………………………………………………..(8) II.2.3 La poussée des deux rotors……………………………………………………………(8) II.2.4 Matrice de passage………………………………………………………………..….(10) II.2.5 La cinématique de rotation…………………………………………………………..(11) II.2.6 Développement du modèle…………………………………………………………..(12) II.3 Conclusion…………………………………..………………………………………….(15) Chapitre III : La Loi de Commande III.1 Introduction……………………………………………………………………………(16) III.2 Définition de la loi du mode glissant………………………………………………….(16) III.3 La surface de glissement…………………………………………...………………….(17) III.4 La synthèse de la commande…………………………………………………………..(17) III.5.1 Application de la loi de commande………………………………………………….(17) III.5.2 Le développement des commandes………………………………………………….(18) III.6 Simulation……………………………………………………………………………..(19) II.7 Conclusion………………………………………………………...……………………(23) Chapitre IV : IV.1 Introduction………………………………………………………………………...….(24) IV.2 Stratégie à adopter………………………………………………………..……………(24) IV.3 La contrainte de conception mécanique……………………………………………….(24) IV.4 Identification du CX MODE…………………………………………………………..(25) IV.4.1 Le coefficient de poussée b………………………………………………………….(25) IV.4.2 Le coefficient de trainée d…………………………………………………………...(29) IV.4.3 La matrice d’inertie………………………………………………………………….(32) IV.5 Les moteurs du plateau cyclique………………………………………………………(33) IV.6 La contrainte de l’électronique embarquée……………………………………………(33) IV.6.1 Les spécifications techniques de la carte STM32f3discovery………………………(34) IV.6.1.1 Le microcontrôleur STM32F303VCT6………………………………...…………(35) IV.6.1.2 L’accéléromètre/campas ST MEMS LSM303DLHC………………………...…...(35) IV.6.1.3 Le gyroscope L3GD20…………………………………………………………….(36) IV.6.2 La carte de puissance………………………………………………………...………(36) IV.7 L’utilisation des capteurs…………………………………………………………..….(39) IV.7.1 Le filtrage de Kalman………………………………………………………………..(40) IV.7.1.1 Historique du filtre de Kalman……………………………………………...……..(40) IV.7.1.2 Présentation du filtre de Kalman………………………………………..…………(41) IV.7.1.3 La théorie du filtre de Kalman…………………………………...………………..(41) IV.7.1.4 Application du filtre dans l’estimation d’état de l’accéléromètre………………....(42) IV.7.1.5 Application du filtre dans l’estimation d’état du gyroscope………………………(44) IV.8 Algorithme général………………………………………………………………….…(46) IV.9 Conclusion ………………………………………………………………………...…..(47) Conclusion générale………………………………………………………………………...(47) Résumé : Dans ce mémoire, nous avons jeté un pont entre la théorie et la pratique de la commande d’un drone de type mini hélicoptère. La connaissance des bases de l’aéronautique est primordiale pour se prononcé sur un choix de la structure à utiliser, et cela suivant la dynamique de vol de l’engin qu’on va par suite le modélisé et simulé son attitude le long d’une trajectoire prédéfinie. La mise en pratique de l’étude théorique est consacrée à l’identification des paramètres aérodynamiques, et à l’électronique embarquée sur l’aéronef qui alimentera les moteurs de ce dernier. Le filtrage de Kalman est appliqué pour éliminé les bruits des capteurs dues aux vibrations des moteurs et de la structure. Les résultats du filtrage ont données des résultats probants qui nous ont fiabilisé les données capteurs. Abstract : Liste des figures Figure (I.1): exemple d’hélicoptère. Figure (I.2): exemple de birotor coaxial. Figure (I.3): exemple d’hélicoptère en tandem. Figure (I.4) : Articulations des pales du rotor inférieur du birotor coaxial. Figure (I.5) : le vol de translation du birotor coaxial. Figure (II.1) : repère et système d’axe de l’aéronef. Figure (II.2) : rotation d’angles Cx et Cy. Figure (II.3) : représentation des angles d’Euler. Figure (III.1) : illustration de la sliding mode. Figure (III.2) : La trajectoire désirée de l’aéronef en 3D. Figure (III.3) : La trajectoire réelle en comparaison avec celle désirée. Figure (III.4) : Les erreurs des états du système non perturbé. Figure (III.5) : Les commandes du système non perturbé. Figue (III.6) : la trajectoire désirée et celle enregistrée avec perturbation. Figure (III.7) : les erreurs sur les états du système perturbé. Figure (III.8) : les commandes du système perturbé. Figure (IV.1) : L’environnement d’évolution. Figure (IV.2) : Le birotor coaxial CX MODE. Figure (IV.3) : Schéma électrique de la manipulation de détermination de vitesse. Figure (IV.4) : interface graphique de lecture des données. Figure (IV.5) : Vitesse (tr/min) en fonction de la PWM (% « cycle duty ») du Moteur inférieur. Figure (IV.6) : Vitesse (tr/min) en fonction de la PWM (% « cycle duty ») du Moteur supérieur. Figure (IV.7) : manipulation de lecture du courant. Figure (IV.8) : Le birotor coaxial CX MODE sous SolidWorks. Figure (IV.9) : La carte STM32f3discovery. Figure (IV.10) : Le microcontrôleur STM32F303VCT6. Figure (IV.11) : L’accéléromètre/compas ST MEMS LSM303DLHC. Figure (IV.12) : Le gyroscope L3GD20. Figure (IV.13) : Le MOSFET IRF 3205. Figure (IV.14) : Schéma électrique de la carte de puissance. Figure (IV.15) : Schéma électrique du pont-H des moteurs du plateau cyclique. Figure (IV.16) : le circuit imprimé. Figure (IV.17) : Le circuit imprimé réalisé. Figure (IV.18) : donnée brute de l’accéléromètre. Figure (IV.19) : Donnée brute du gyroscope. Figure (IV.20) : Le filtrage des données de l’accéléromètre. Figure (IV.21) : Le filtrage des données du gyroscope. Figure (IV.22) : logo KEIL. Liste des tableaux Tableau (IV.1) : Les résultats de l’expérience de la force. Tableau (IV.2) : Les résultats de l’expérience de la vitesse. Tableau (IV.3) : Le calcul du coefficient b. Tableau (IV.4) : Les courants à vide et en charge des deux moteurs. Tableau (IV.5) : Calcul du coefficient de trainé d. Introduction Générale 1 Introduction générale De nos jour, la robotique aérienne connait un engouement sans cesse grandissant, tant chez des constructeurs privés, que dans les laboratoires de recherche. L’intérêt accordé aux Véhicules Sans Pilote (VSP), est encouragé par l’avènement des nouvelles technologies performantes et à des coûts pour le moins abordables, rendant ainsi la conception de structures douées de réelle capacité de navigation autonome possible. Les applications des VSP sont nombreuses. En premier lieu on les trouve dans le domaine sécuritaire (surveillance de l’espace aérien, du trafic routier), la gestion des risque de la nature, la protection de l’environnement, l’intervention dans les sites hostiles ou à haut risque (milieux radioactives, zones de déminage), la gestion des infrastructures grandiose (les lignes de pipelines, les grands barrages à eau), ou bien encore dans l’agriculture. Mener à bien le déroulement de toutes ces applications, nécessite un contrôle performant et robuste de l’appareil, et par conséquent des informations précises sur son évolution dans l’environnement de travail. Contrairement aux robots mobiles terrestres pour lesquels il est souvent possible de se limiter à un modèle cinématique, la commande des robots aériens requiert la connaissance d'un modèle dynamique. Les effets de la gravité et des forces aérodynamiques en sont les principales causes. Le travail entrepris et expliqué dans ce mémoire répond au cahier de charges suivant : • Stabilisé le vol de l’hélicoptère, par l’apport de la loi de commande par mode glissant • Filtrage des données capteurs par un filtre performant et adéquat. Ce mémoire est organisé de la manière suivante : − Dans le premier chapitre, on va faire un choix de la structure de l’hélicoptère à utiliser et avoir aussi une idée sur son fonctionnement. − Dans le second chapitre, on va détailler les différentes étapes qui vont nous permettre d’avoir le modèle dynamique de notre engin. − Dans le troisième chapitre, nous allons aborder la loi de commande, suivit des tests de simulation. − Dans le quatrième chapitre, nous allons parler du travail pratique uploads/Geographie/ commande-dun-drone-par-mode-glissant-pdf.pdf