Modelization and flight control of a flapping-wing Micro Air Vehicle

Modélisation et contrôle du vol d'un microdrone à ailes battantes

Thomas Rakotomamonjy (1, 2)

1 ONERA - The French Aerospace Lab [Châtillon]
2 LSIS - Laboratoire des Sciences de l'Information et des Systèmes

Recent progress made in the domain of microtechnologies allow the design of very small-sized Micro Air Vehicles (MAVs), whose wingspan is inferior than 15 cm, suitable for observation or intervention in hazardous environments. The ability to fly among obstacles or indoor requires both a great agility at low speed and silent displacements, for which the concept of flapping wings – inspired by the flight of insects and hummingbirds – seems to be the most promising. During this thesis, a flight-dynamics-oriented simulation model has been programmed, based upon previous results about the unsteady aerodynamics of insect flight. An optimization of the flapping kinematics through heuristical methods has then been performed, as well as a closed-loop control of this nonlinear and naturally unstable system. A backstepping-based approach has given very good performances for both static and dynamic domains.

Les récents progrès des microtechnologies permettent le développement de drones d'envergure inférieure à 15 cm, susceptibles de réaliser des missions d'observation ou d'intervention en milieu risqué. La possibilité de vol en présence d'obstacles ou en espace fermé nécessite une grande agilité à basse vitesse et des capacités de déplacement silencieux, pour lesquelles un concept à ailes battantes – inspiré du vol des insectes et du colibri – semble être le plus prometteur. Dans le cadre de cette thèse, nous avons donc développé un modèle de simulation de type mécanique du vol d'un tel engin, à partir de résultats antérieurs concernant l'aérodynamique du vol des insectes. Nous avons ensuite déterminé les cinématiques de battement optimales à l'aide d'algorithmes heuristiques, avant de chercher à commander en boucle fermée ce système non linéaire naturellement instable. Une technique inspirée du backstepping a permis d'obtenir de très bonnes performances, en statique comme en dynamique.

Mots clés: Micro Air Vehicle; flapping wings; modelization; unsteady aerodynamics; optimization; nonlinear control

Mots clés: microdrone; ailes battantes; modélisation; simulation; aérodynamique instationnaire; optimisation; commande non-linéaire

Domaines: Automatique / Robotique

Thomas Rakotomamonjy. Modélisation et contrôle du vol d'un microdrone à ailes battantes. Automatique / Robotique. Université de droit, d'économie et des sciences - Aix-Marseille III, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00011565⟩