Projet Oiseau Artificiel

L’objet du projet oiseau artificiel est de construire un drone à ailes battantes capable de procurer des prises de vues en temps réel à des opérateurs au sol. A l'origine sujet de recherche au Centre Automatique et Systèmes de MINES ParisTech, ce projet s'est engagé dans le concours ONERA/DGA comme projet étudiant.

Exposé du 22 septembre 2010 par Y. Lenoir

Après bientôt de 10 ans de travaux, la réalisation d'un oiseau artificiel a atteint un stade avancé. La version en cours d'achèvement est conçue pour reproduire artificiellement le comportement en vol de croisière d'un oiseau de grande taille. Rétrospectivement il apparaît qu'on a effectué une longue opération de reverse engineering (rétro-ingéniérie). Un rapide rappel historique situe ce projet aux côtés des plus remarquables ayant été menés au cours de l'Histoire. On traitera d'emblée la question de l'optimisation énergétique du vol, un point qui distingue fondamentalement le vol battu des oiseaux de celui des ornithoptères ("oiseaux" artificiels). On décrira les principales caractéristiques qualitatives du vol battu permettant de tendre vers cet optimum. Les éléments techniques, voilure et transmission, seront présentés. Leur fonctionnement conjoint au banc de test sera comparé avec une séquence montrant un cygne chanteur en vole de croisière (on a choisi de reproduire la trajectoire du battement et la géométrie alaire de cet oiseau). Le principe de l'algorithme calculant le réglage a priori des commandes du cycle de battement sera présenté. Cet algorithme permet d'établir hors ligne le calcul des fonctions de feed forward des contrôles du gauchissement de la voilure, et de la fréquence (minimale) du battement et de l'assiette en fonction de la vitesse-air, de l'accélération horizontale de consigne sous la contrainte du maintien d'une portance moyenne égale au poids de l'engin. Le schéma du contrôle de vol sensé assister le pilote est le suivant. Ce dernier n'a à sa disposition que les commandes d'un avion classique : profondeur, direction, ailerons et manette des gaz (cette dernière commande est interprétée comme une consigne de vitesse-air). Le contrôle de vol est constant sur la durée d'un cycle. A partir des mesures (effectuées à haute fréquence) de l'accélération verticale on détecte, cycle après cycle, les points-morts haut et bas du battement et la portance moyenne. Par ailleurs l'anémomètre (tube de Pitot) fournit en permanence la vitesse air. Ces données permettent d'agir, d'une part, sur la durée de l'abaissée (partie active du cycle) pour corriger l'écart entre vitesse-air et demande du pilote et, d'autre part, sur l'assiette pour que la portance reste en moyenne cyclique égale au poids de l'oiseau. Les tests numériques ont montré un quasi découplage entre ces deux commandes. Le facteur de forme du cycle (rapport entre les durées de l'abaissée et de la remontée des ailes) est assuré en ajustant progressivement la valeur de la commande du moteur durant la phase de remontée.
On a introduit un ensemble discret de fonctions de feed forward, chacune d'entre elle étant déterminée pour fournir, en fonction de la vitesse de vol actuelle, les consignes de contrôle du gauchissement, de fréquence de battement minimale et d'assiette sensées assurer une accélération (ou décélération) donnée à portance moyenne égale au poids. Le choix d'un feed forward dépend de l'écart entre vitesse-air et vitesse demandée par le pilote : plus grand l'écart, plus forte l'accélération. Pour aller du simple au compliqué, on a d'abord testé ce schéma en supposant que l'assiette reste constante durant le cycle de battement. L'action du pilote est simulée par un contrôle proportionnel et dérivé de l'altitude du vol. Les feed forward ont donc été calculés en supposant cette fixité de l'assiette. On a complété le modèle avec la modélisation des oscillations d'assiette engendrées par le battement et amorties par l'empennage. A ce stade on a conservé les feed forward calculés en supposant l'assiette fixe. La relative robustesse du schéma de contrôle a pu être ainsi empiriquement établie : on a simulé une accélération de 7 m/s à environ 12 m/s avant que la commande n'explose.

Perspectives :

une électronique embarquée a été développée autour d'une avionique µNAV100 et d'un enregistreur série. Une maquette logicielle a été mise au point qui d'ores et déjà comprend la saisie des données de radio commande, détecte les points morts haut et bas (tant en Z qu'en X), en déduit les durées des phases d'abaissée et de remontée et, sur un exemple, réalise un filtrage conditionnel de la consigne de vitesse air.

L'achèvement des travaux en cours, avant essai en vol de la nouvelle version, comprend :

- finition des ailes (amélioration du réglage mécanique de la longueur des ligaments du gauchissement, protection d'atterrissage des saumons et entoilage) ;
- modélisation du Slowhawk pour valider le logiciel par comparaison avec les données enregistrées durant les vols d'essai ;
- reprise du modèle de l'oiseau en tenant compte de ses caractéristiques définitives ; calcul des feed forward avec les oscillations d'assiette et simulation de vols contrôlés ; établissement des fonctions simplifiées approchées de ces feed forward (compatibles avec la taille de la mémoire de programme du µNAV100)
- fin de la programmation du µNAV100 ;
- tests approfondis.

Film de l'exposé scientifique de Y. Lenoir 22 sept 2010

Article scientifique CIFA 2010

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zone réservée

Logiciels

contact: nicolas.petit@mines-paristech.fr

 

 

 

 

 

Yves Lenoir, Jean-Louis Naudin, 22 Sept 2010 devant le prototype.

 

 

 


Prototype 1. Septembre 2005


Vol d'essais aux intruments septembre 2005


Principes du battement et réalisation mécanique (cliquez sur l'image pour un film)


Site du concours >>
http://concours-drones.onera.fr/


Aile gauchissante contrôlée


Visée tête haute en télémesure

 
 

4ème prix au Concours International de Drones Miniatures ONERA/DGA Sep. 2005
Communiqué officiel

 

 

Liste des personnels
MINES ParisTech
Yves Lenoir
Nicolas Petit
Philippe Martin
Pilote
Jean-Louis Naudin
Stagiaires
Jérémy Garreau (IUT de Fontainebleau Option Informatique)
Ahmed Koula (BTS Electronique Lycée technique de Champagne)
Alexandre Bourrieau (IUFM Créteil Option Electronique)
Laurent Carcaud (AFPA Grenoble)
Armel Jéhannot de Penquer (IUT de Fontainebleau Option Informatique)
Yann Polet (BTS Electronique Lycée technique de Champagne)

Doctorant
David Vissière (DGA)
Etudiants 2004-2005
Christoph Forster
Olivier Gavouyère
Pierre Guérin
Aymen Khammari
Aymen Lazreg
Mathieu Morvan
Robert-Jean Walckenaer (chef de projet)

Etudiants 2003-2004
Yassine Baaziz
Anne-Cécile Baudouard
Stéphane Guernier
Mostafa Il Idrissi
Gautier Lanciaux
Romain Luel
Tédédé Joris Olympio
Julien Perret
David Rouzeyrol (chef de projet)
Suraj Amar Sujanani
Cyrille Vidy
Arne Weckend

Etudiants 2002-2003
Philippe Bérard
Jean-François Bertolino
Jean-Baptiste Brachet
Nicolas Dalverny
Thanh-Phong Dao
Mehdi Idir
Christian Nassif
Alfred Pari (chef de projet)
Grégory Savidand
Vincent Scherrer

 

 
2010 ENSMP