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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 SAAD DAHLEB DE BLIDA 1 Institut d’Aéronautique et des études spatiales Département de construction Aéronautique MEMOIRE DE FIN D’ETUDE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME MASTER EN AÉRONAUTIQUE Option : Avionique Thème : Présenté par : Encadré par : • MOHAMMEDI Feriel Mr CHEGRANI • IRBAH Nouria Mme BENNAOUI Promotion : 2018/2019 Conception d’un autopilote pour un drone léger type quadri-rotor Dédicace À mes chers parents, aucune dédicace ne saurait exprimer mon respect, mon amour et ma considération pour les sacrifices que vous avez fait pour mon éducation et mon bien être. Je vous remercie pour tout le soutien et l’amour que vous me portez depuis mon enfance et j’espère que votre bénédiction m’accompagne toujours. Que Dieux puisse vous accorder santé, bonheur et longue vie. À mon grand et unique frère Nazim, qui est mon exemple dans la vie et que malgré la distance, il est toujours là pour moi, que dieu te garde pour nous. À la mémoire de mon oncle Lamine, qui m’encourageait toujours pour aller loin dans mes études, mais parti avant de me voir ingénieur, tu seras toujours dans mon cœur khali, que dieu t’accueille dans son vaste paradis. À binôme Nouria, avec qui j’ai passé mes quatre ans et qu'on en a vu de toutes les couleurs, je te souhaite la réussite et le bonheur dans ta vie. À mes ami(e)s que j’ai connu grâce à AIESEC. À la meilleure promo Avionique 2019. À ma familles, mes proches qui me donnent chaque jour du courage et l’amour, que dieu vous bénisse et vous protège. À mes ami(e)s, qui m’ont soutenue tout au long de cette période et à qui je souhaite plus de succès. À toutes les personnes qui ont contribué de près ou de loin. Feriel Dédicace Avec l’expression de ma reconnaissance, je dédie ce modeste travail à ceux qui, quels que soit les termes embrassés, je n’arriverais jamais à leur exprimer mon amour sincère. À mes parents qui m’ont doté d’une éducation digne, leur amour a fait de moi ce que je suis aujourd’hui. À mes frères et sœurs, qui n’ont pas cessé de me conseiller, encourager et soutenir tout au long de mes études. Que dieu les protège et leurs offre la chance et le bonheur. À mes belles sœurs, pour leurs soutiens moral et mes très chers neveux et nièces qui savent toujours comment procurent la joie et le bonheur pour toute la famille. À la mémoire de ma grand-mère, j’espère que, du monde qui sienne maintenant, elle apprécie cette humble geste. Puisse dieu, le tout puissant, l’avoir en sa sainte miséricorde ! À ma très chère Sabrina et toutes mes amies Dihia, Thiziri, Sabria, Faina, Numidia, Amira, Khaoula et Houda avec qui j’ai partagé des moments inoubliables. À tous mes collègues. Sans oublier mon binôme Feriel pour son soutien moral, sa patience et sa compréhension tout au long de ce projet. Nouria 4 Remerciement Nous tenons tout d’abord à remercier Dieu le tout puissant, qui nous a donné la force, la volonté et la patience d’accomplir ce modeste travail. On adresse nos profonds remerciements et reconnaissances à notre promoteur Mr CHEGRANI Ahmed pour ses précieux conseils, ses orientations, sa confiance et sa patience tout au long de notre travail. On tient à remercier tout particulièrement Mme BENOUI Nora notre Co- promotrice au Centre de Recherche en Technologie Industrielles, pour son accueil, son attention, sa confiance et sa gentillesse, qui ont fait de ces trois mois un moment très plaisant et intéressant. On est très reconnaissantes pour le temps qu’elle nous a consacré et son aide tout au long de notre expérience, sachant répondre à toutes nos questions et sans oublier son encadrement et sa participation au cheminement de notre travail. On remercie également le directeur du Centre de Recherche en Technologie Industrielles Mr KECHIDA Ahmed pour l'opportunité et la chance qui grâce à lui nous a été donné pour faire notre stage au sein du centre, sans oublié également toute l’équipe : Billel, Hanna, Hichem, Akram, Madjid, Noureddine, Hafida. Nous remercions les membres du jury pour l’honneur qu’ils nous ont fait en acceptant d’examiner notre travail. Ainsi, tous nos remerciements à toutes les personnes qui ont contribué de près ou de loin à l’aboutissement de ce mémoire. On termine par un grand remerciement à nos parents ainsi qu’à nos familles pour leurs soutiens et leurs aides durant nos études. 5 Résumé Ce mémoire se décompose en deux parties importantes : D'une part, la première partie est consacrée à l'établissement du modèle dynamique du quadrirotor pour étudier sa stabilité et son contrôle sous MATLAB. D'autre part, la deuxième partie est réservée à la réalisation d’une carte autopilote pour le quadrirotor en liaison avec autre carte de développement Arduino MEGA. Cette dernière doit être capable d’acquérir et de traiter les informations issues des capteurs MPU6050 et GPS en temps réel, de commander et de contrôler le quadrirotor. Les résultats obtenus par les capteurs doivent être affichés sur une interface graphique représentant la station sol. Mots-clés : UAV, quadrirotor, autopilote, Arduino MEGA, GPS, MPU6050, station sol, temps réel, MATLAB. Abstract This dissertation is divided into two important parts: the first part is dedicated to the establishment of the dynamic quadrotor model to study its stability and control under MATLAB. The second part is reserved for the realization of an autopilot card for the quadrotor that should be compatible with Arduino MEGA development board. This card must be able to acquire and process information from the MPU6050 and GPS sensors in real time, to order and control the quadrotor. The results obtained by the sensors must be displayed on a graphical interface representing the ground station. Keywords: UAV, quadrotor, autopilot, Arduino MEGA, GPS, MPU6050, ground station, real time, MATLAB. ملخص تنقسم هذه األطروحة إلى قسمين مهمين :من ،ناحية يخصص الجزء األول إلنشاء نموذج رباعي ديناميكي لدراسة ثباته والتحكم به في. MATLAB من ناحية أخرى ، يتم تخصيص الجزء الثاني لتحقيق بطاقة الطيار اآللي للرباعي بالتزامن مع بطاقة تطوير Arduino MEGA .يجب أن ت كون البطاقة قادر ة على الحصول نع المعلومات من أجهزة االستشعار MPU6050 و GPS ومعالجتها في الوقت ،الفعلي ل قيادة و تحكم في ال رباعي الديناميكي .يجب عرض النتائج التي حصلت عليها أجهزة االستشعار على واجهة رسومية تمثل المحطة األرضية. الكلمات المفتاحية :الطائرات بدون ،طيار رباعي ديناميكي، الطيار ،اآللي Arduino MEGA ، GPS ، MPU6050 ، المحطة ،األرضية في الوقت الفعلي، MATLAB . 6 Table des matières Dédicace …………………………………………………………….…………………..… 02 Remerciement …………………………………………………………………………..….. 04 Résumé ………………………………..………………………………………………….. 05 Table des matières ………………………………………………………………………... 06 Table des figures …………………………………………………………………………... 09 Liste des abréviation et tableaux ……….…….………………………………………….. 13 Nomenclature ….………………………………………………………………………….. 15 Introduction générale .……………………………………………………….…………….. 17 CHAPITRE 1 : État d’art sur les drones et les autopilotes. ....................................... 18 1.1 Introduction ........................................................................................................................ 19 1.2 Classification des drones .................................................................................................... 19 1.1.1 Classification selon P.A.E ...................................................................................... 19 1.1.2 Classification selon la configuration aérodynamique ............................................ 20 1.3 Définition d’un quadrirotor ................................................................................................ 22 1.3.1 Constitution d’un quadrirotor ...................................................................................... 22 1.3.2 Les applications d’un quadrirotor ................................................................................ 25 1.4 Description du l’autopilote ................................................................................................. 26 1.4.1 Structure d’un autopilote : ........................................................................................... 26 1.4.2 Constitution d’un pilote automatique .......................................................................... 26 1.4.3 Les Autopilotes existants ............................................................................................. 27 1.4.4 Les pilotes automatiques existants développés par les universités .............................. 29 CHAPITRE 2 : Généralité, équation du mouvement et modélisation quadrirotor. 31 2.1 Introduction : ...................................................................................................................... 32 2.2 Description générale du mouvement d’un quadrirotor ...................................................... 32 2.3 Définitions des repères ....................................................................................................... 35 2.4 Relation cinématique .......................................................................................................... 36 2.4.1 Paramètre cinématique ................................................................................................ 36 2.4.2 Cinématiques de translation ......................................................................................... 37 2.4.3 Cinématique de rotation............................................................................................... 37 2.5 Modélisation dynamique par la méthode Newton-Euler .................................................... 38 2.5.1 Équation des forces ...................................................................................................... 39 2.5.2 Équations des moments ............................................................................................... 39 2.6 Développement du modèle mathématique selon Newton-Euler ........................................ 41 2.6.1 Equation de mouvement de translation ....................................................................... 42 2.6.2 Equation de mouvement de rotation ............................................................................ 42 7 2.7 La représentation d’état du système ................................................................................... 44 2.8 Conclusion .......................................................................................................................... 45 CHAPITRE 3 : Équipements et logiciels. ..................................................................... 46 3.1 Introduction ........................................................................................................................ 47 3.2 Cahier des charges .............................................................................................................. 47 3.3 Constitution d’une carte autopilote .................................................................................... 48 3.3.1 Partie hard .................................................................................................................... 48 3.3.2 Partie soft ..................................................................................................................... 54 3.4 Conclusion .......................................................................................................................... 57 Chapitre 4 : Simulation sous Matlab ............................................................................ 59 4.1 Introduction : ...................................................................................................................... 60 4.2 Résolution numérique du modèle mathématique (équation non linéaire) .......................... 60 4.2.1 Comparaison avec les autres méthodes ....................................................................... 60 4.2.2 Méthode de Rung Kutta d’ordre 4 ............................................................................... 61 4.2.3 Algorithme du RK4 ..................................................................................................... 62 4.2.4 Simulation sous MATLAB .......................................................................................... 62 4.2.5 Résultats de simulation : .............................................................................................. 63 4.3 Résolution numérique du modèle mathématique (équation linéaire) ................................. 68 4.3.1 Linéarisation ................................................................................................................ 68 4.3.2 Simulation MATLAB .................................................................................................. 71 4.4 Étude du système ................................................................................................................ 72 4.4.1 La stabilité ................................................................................................................... 72 4.4.2 La contrôlabilité ........................................................................................................... 73 4.4.3 L’observabilité ............................................................................................................. 73 4.4.4 Les résultats obtenus :.................................................................................................. 73 4.5 Control du système : ........................................................................................................... 74 4.5.1 Placement des pôles : ................................................................................................... 74 4.5.2 Les résultats par MATLAB : ....................................................................................... 75 4.6 Contrôleur PID : ................................................................................................................. 81 4.6.1 Définition : ................................................................................................................... 81 4.6.2 Description : ................................................................................................................ 82 uploads/Geographie/ conception-d-x27-un-autopilote-pour-un-drone-leger-type-quadri-rotor.pdf