Modélisation et Commande d’un Dirigeable Gros Porteur Dédié au Transport de Matières Premières

Abstract

L’objectif de notre travail est la modélisation et la commande d’un dirigeable.

La première étape concerne le développement d’un modèle incluant la cinématique et la dynamique du dirigeable. La cinématique est présentée en utilisant la méthode des angles d’Euler, qui décrit l’orientation d’un corps rigide par rapport à un système de coordonnées fixes. La modélisation dynamique consiste à la dérivation du modèle mécanique de vol non linéaire du dirigeable. Il incorpore les lois classiques de la mécanique newtonienne utilisées pour la dérivation des équations du mouvement. Considéré comme un corps rigide, le modèle du dirigeable est composé de six degrés de liberté (6DOF), trois translations et trois rotations.

Le contrôle du dirigeable a été traité selon deux différentes approches. La première approche consiste à concevoir un correcteur linéaire basé sur une approximation linéaire du modèle non linéaire. La deuxième approche repose sur des changements de variables au niveau des variables d’états et des entrées permettant d’obtenir un modèle linéaire. Un contrôleur utilisant la technique de backstepping basé sur la théorie de Lyapunov et sur une boucle de rétroaction pour la stabilisation avec planification de trajectoire pour le ballon dirigeable a été conçu. La robustesse du contrôleur a été étudiée en présence de perturbations en utilisant une commande PI-backstepping.

Des simulations ainsi que des analyses portant sur les résultats obtenus ont été effectuées pour les deux types de commande. Le pouvoir de contrôle des surfaces de contrôle et les temps de réponses des modèles d’état longitudinal et latéral ont été décelés. Les performances du contrôleur par backstepping ainsi que l’effet de l’action intégrale ajoutée ont été mis en évidence.

Alternate abstract:

The goal of our work is the modeling and control of an airship.

The first step concerns the development of a model including the kinematics and dynamicsof the airship. The kinematics are presented using Euler angles approach, which describes the orientation of a rigid body with respect to a fixed coordinate system. Dynamic modeling consists of the derivation of the nonlinear flight mechanical model of the airship. It incorporates the classical laws of Newtonian mechanics used for derivation of equations of motion. Considered as a rigid body, the model of an airship should consist of six degrees of freedom (6DOF) three translations and three rotations.

Control of the airship was handled according to two different approaches. The first approach is to design a linear controller based on a linear approximation of the nonlinear model. The second approach is based on change of coordinates at the level of state variables and inputs to obtain a linear model. A controller using the Lyapunov theory-based backstepping technique and a feedback loop for trajectory stabilization for the airship has been designed. The robustness of the controller has been studied in the presence of disturbances using a PI-backstepping command.

Simulations and analysis of the results obtained were carried out for both approaches. The control surface control power and the response times of longitudinal and lateral state models were detected. The performance of the controller by backstepping as well as the effect of the added integral action have been highlighted.