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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 Etudes Spatiales Département de Construction Aéronautique MEMOIRE DE FIN D’ETUDE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME MASTER EN AÉRONAUTIQUE Option : Avionique Thème : ETUDE DYNAMIQUE, SIMULATION ET REALISATION D’UN QUADRIROTOR Réalisé par : Encadré par : KEDDAR Manel Dr CHEGRANI Ahmed MERAZKA Sarah Dr KERMA Mokhtar Promotion: 2014/2015 I Mes chers parents qui m’ont tout donné sans réserve et qui n’ont vécu que pour me voir réussir dans ma vie et avoir un bon statut social A Mon cher frère et Ma chère sœur A toute ma famille A tous mes amis A Tous les enseignants du département de Construction Aéronautique … Manel II Je dédie ce travail à mes chers parent pour leur Amour, encouragements, et sacrifices A mes frères, mes sœurs A toute ma famille A tous mes amis qui m’ont soutenu durant tout mon cursus universitaire et avec lesquels j’ai partagé des moments inoubliables A tous ceux et celles dont les noms ne sont pas cités … Sarah III REMERCIMENT Tout d’abord nous remercions le bon Dieu puissant de la bonne santé, la volonté, et la patience qu’il nous a donné tout au long de nos études. Nous tenons à exprimer nos vifs remerciements à notre Co- promoteur Dr KERMA Mokhtar pour avoir proposé ce sujet, son aide et ses précieux conseils pour la réalisation de ce modeste travail, nos remerciements s’adressent également à notre promoteur Mr CHEGRANI Ahmed pour son suivi, sa patience, ses conseils et son aide, tout le long de ce travail. 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 modeste travail. On termine par un grand remerciement à nos parents ainsi qu’à nos familles. IV : الخالصه في هذه األطروحة, قمنا بربط بين الدراسة النظرية و التطبيقية لطائرة من دون طيار ذو أربع.مراوح أين اعتمدنا على ديناميكية هده اآللة ما للقي .بنمذجة و محاكاة هيئتها على طول مسار معرف مسبقا تطبيق الدراسة النظرية كان مكرسا للتعريف بالعوامل االيروديناميكية و اإللكترونيك المركبة المتحكمة في تغذية محركات الطائرة. من اجل استقرارية الطائرة بدون طيار قمنا بوضع في البطاقة المضمنةPID مراقب من نوع . ،االلكترونيك المركبةPID الكلمات المفتاحية : طائرة ذو أربع مراوح ،نموذج ميكانيكي ،استقرار، مراقب Résumé : Dans ce mémoire, nous avons effectué une liaison entre la théorie et la pratique de la commande d’un drone de type quadrirotor. On se basant sur la dynamique de vol de l’engin, une modélisation, le contrôle ainsi qu’une simulation de son attitude le long d’une trajectoire prédéfinie ont été faite. 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 sert a alimenté les moteurs de ce dernier. Afin de stabilisé l’attitude du drone, on a implémenté une commande PID dans une carte embarqué. Mots clés : quadrirotor, drone, stabilisation, commande PID, électronique embarquée. Abstract: In this dissertation we made a link between the theory and the practice of a type quadrotor UAV control. It based on the dynamics of flight of the apparatus modeling, control and simulation of their attitude along a predefined path. The practical implementation of theoretical study is devoted to the identification of aerodynamic parameters, and electronics onboard aircraft serving powered engines of the latter. In order to stabilize the attitude of the drone has incorporated a PID control in a card embedded. Key words: quadrotor, UAV, stabilisation, PID Controller, electronics onboard. V Sommaire Dédicace ……………………………………………………………...…………………….. I Remerciement ……………………………………………………………………….……... II Résumé ……..………………………………………………………………….……….. IV Sommaire ………...……………………………………………………………......……. V Table des figures ………………………………………………………………………….. VIII Nomenclature …………….…...…………………………………………………………... XI Liste des abréviations et tableaux ……………………………………..…………………. XIV Introduction générale ……………………………………………………………...…….. 01 Chapitre I Etat de l’art I.1. Introduction ..…………………………..…………………………..……….…............ 03 I.2. L’historique du quadrirotor …………………..…………………………..………........ 03 I.3. Classification des Drones ………………………..……………………..……………..... 06 I .3.1. Classification selon la masse et l’altitude …………………………..…….......... 06 I.3.2. Classification selon la configuration aérodynamique ………………………….. 09 I.4. Règlementation.…………………………..…………………………..………..…..……. 12 I.5. Les applications des quadrirotors ……………..……………………………….……… 13 I.5.1. Plate-forme de recherche ………………………………………………………. 13 I.5.2. Surveillance du territoire National …………………………………………….. 13 I.5.3. Besoins commerciaux ………………………………………………………….. 13 I.6. Les projets récents ………………………………………………………………….. 14 I.6.1. European Aeronautic Defense and Space Company ………………………... 14 I.6.2. Université d'état de Pennsylvanie ………………………………………………. 15 I.6.3. Université de Cornell …………………………………………………………… 16 I.6.4. Institut Fédérale de Technologie, Suisse ……………………………………… 17 I.6.5. Université de technologie de Compiègne, France ……………………………… 18 I.6.6. Université de Stanford ………………………………………………………….. 19 I.7. Avantages et inconvénients …………………………………...………………………. 19 Chapitre II Présentation et modélisation du Quadrirotor II.1. Introduction .…………………………………………………………………………. 21 VI II.2. Présentation du drone ………………………………………………………………… 21 II.2.1. Description d'un quadrirotor ………………………………………………….. 21 II.1.2. Sens de rotation et mouvements possibles ……………………………………. 23 II.2. Modélisation du Quadrirotor ………………………………………………………… 26 II.2.1. Repères et systèmes d’axes ……………………………………………………. 27 II.2.2. Les angles d’Euler……………………………………………………………… 28 II.3.2.1. Matrices de passage …………………………………………………. 29 II.3.3. Model cinématique …………………………………………………………… 30 II.3.3.1. Paramètres cinématiques ……………………………………………. 30 II.3.3.2. Cinématiques de translation ………………………………………... 30 II.3.3.3. Cinématique de rotation …………………………………………… 31 II.3.4. Modélisation dynamique selon l’approche Newton-Euler ……………………. 32 II.3.4.1. Equations des forces …………………………………………………. 33 II.3.4.2. Equation des moments …………………………………………….... 36 II.3.5. La représentation d’état du système ….………….…………………………. 39 II.3.5.1. Vecteur d’état ……………………………………………………….. 39 II.3.5.2. Vecteur de commande ………………………………………………. 40 II.4. Conclusion ……………………………………………………………………………. 42 Chapitre III Contrôle et Simulation III.1. Introduction …………………………………………………………………………. 43 III.2. Approche linéaire …………………………………………………………………….. 43 III.2.1. Le contrôleur PID …………………………………………………………… 43 III.2.1.1. Description du régulateur PID …………………………………….. 44 III.2.2. Simulation …...…………………………………………………………….... 50 III.2.2.1. Simulation en boucle ouverte ……………………………………….50 III.2.2.2. Résultats de simulation …………………………………………… 51 III.2.2.3. Simulation d’attitude du Quadrotor par un régulateur PID ………... 55 III.2.2.4. Résultat de simulation …………………………………………… 56 III.3. Conclusion ………………………………………………………………………….. 58 VII Chapitre IV Conception et Réalisation IV.1. Introduction …………………………………………………………………………. 59 IV.2. Etude du prototype ……………..…………………………………………………… 59 IV.2.1. Structure ……………………………………………………………………… 59 IV.2.2. Composants …………………………………………………………………. 60 IV.3. Conception du quadrirotor ………………………………………………………….. 67 IV.3.1. Montage …………………………………………………………………….. 67 IV.3.1. Branchements de la MultiWii SE …………………………………………… 68 IV.3.2. Logiciels …………………………………………………………………….. 70 IV.4. Caractérisation du prototype ……………………………………………………….. 76 IV.4.1. Identification des paramètres du quadrirotor ……………………………….. 77 Conclusion générale et perspectives ..................................................................................... 81 Bibliographie ……………………………………………………………………………... 83 Annexe A …………………………………………………………………………………. 87 Annexe B …………………………………………………………………………………. 91 VIII Table des figures Chapitre I Etat de l’art Figure I.1. Breguet-Richet Gyroplane NO.1 ……………………………………………... 04 Figure I.2. Ochmichen No.2 ……………………………………………………………… 05 Figure I.3. Le quadrirotor de Convertawings Model A 1956 .…………………………… 05 Figure I.4. Global Hawk ……………….. ………………………………………………. 06 Figure I.5. Predator ……………… ……………………………………………………… 06 Figure I.6. Le LUNA …………………………………………………………………….. 07 Figure I.7. L’Aérostar ……………………………………………………………………. 07 Figure I.8. Mini drones …………………………………………………………………… 07 Figure I.9. Micro drones ……………………………………………………………….… 08 Figure I.10. Les catégories des drones ……………………………………………………. 08 Figure I.11. Drone aile battante …………………………………………………………… 09 Figure I.12. Drone a voilures fixes ……………………………………………………….. 09 Figure I.13. Les mono-rotors ……………………………………………………………… 10 Figure I.14. Les birotors …………………………………………………………………... 10 Figure I.15. Les tri-rotors …………………………………………………………………. 11 Figure I.16. Les quadrirotors ……………………………………………………………… 11 Figure I.17. Exemple d'un quadrirotor commercial ……………………………………….. 14 Figure I.18. Le Quattrocopter …………………………………………………………….. 15 Figure I.19. Le Quadrirotor Scott réalisé à l’Université d'état de Pennsylvanie ………….. 15 Figure I.20. Dragan Flyer ...……………………………………………………………….. 16 Figure I.21. Quadrotor AFV ………………………………………………………………. 16 Figure I.22. Le quadrirotor OS43 …………………………………………………………. 17 Figure I.23. Le quadrirotor Dragan fly Innovations Inc …………………………………… 18 Figure I.24. Le quadrirotor STARMAC II ………………………………………………… 19 Chapitre II Présentation et modélisation du Quadrirotor Figure II.1. La structure générale d'un quadrirotor ………………………………………. 21 Figure II.2. Quad "+" et Quad "X" ………………………………………………………. 22 Figure II.3. Illustration du mouvement vertical ………………………………………... 24 Figure II.4. Illustration du mouvement de lacet ……………………………………….. 25 IX Figure II.5. Illustration du mouvement de tangage ……………………………………… 25 Figure II.6. Illustration du mouvement de lacet ………………………………………… 26 Figure II.7. Repères et systèmes d’axes du Quadrirotor ………………………………… 27 Figure II.8. Représentation des Angles d’Euler ………………………………………… 28 Chapitre III Contrôle et Simulation Figure III.1. Schéma fonctionnel d'un correcteur PI ……………………………………… 45 Figure III.2. Correction proportionnelle intégrale ………………………………………… 46 Figure III.3. Schéma fonctionnel d'un correcteur PD ……………………………………… 47 Figure III.4. Structure de régulation par PID en cascade …………………………………. 49 Figure III.5. Caractéristiques de la réponse d'un système ………………………………... 50 Figure III.6. Modèle du quadrirotor sous Simulink ……………………………………….. 50 Figure III.7. Le mouvement vertical en BO (attitude) ……………….……………………. 51 Figure III.8. Le mouvement vertical en BO (position) ……………………………………. 52 Figure III.9. Le mouvement de lacet en BO (attitude) …………………………………….. 52 Figure III.10. Le mouvement de roulis en BO (attitude) ………………………………… 53 Figure III.11. Le mouvement de tangage en BO (attitude) ………………………………. 53 Figure III.12. Modèle Simulink du quadrirotor avec correcteur PID ……………………… 55 Figure III.13. Réponse d’attitude d’un contrôleur PID sous Simulink ……………………. 56 Figure III.14. Réponse d’attitude d’un contrôleur PID (deuxième méthode) ……………… 57 Chapitre IV Conception et Réalisation Figure IV.1. Structure du quadrirotor ……………………………………………………. 59 Figure IV.2. Moteur Brushless SunnySky Angel A2212 980KV …..…………………… 61 Figure IV.3. Contrôleur de vitesse FunFly 30A ……………………………………….. 62 Figure IV.4. Batterie LiPo 11.1V 30C 5000 mAh ……………………………………... 63 Figure IV.5. Hélice 10x4.5 ……………………………………………………………… 63 Figure IV.6. La MultiWii SE …………………………………………………………… 64 Figure IV.7. La Radio commande ………………………………………………………. 66 Figure IV.8. Montage de la structure ……………………………………………………. 67 Figure IV.9. uploads/Geographie/ etude-dynamique-simulation-et-realisation-d-x27-un-quadrirotor-theme 1 .pdf