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Projet Dirigeable

Le Laboratoire Systèmes Complexes est l’un des premiers laboratoires en France à s'être investi dans l’étude des plateformes volantes autonomes. Parmi ces plateformes on trouve "les plus légers que l’air", appelées aussi aérostats.

Vu leur autonomie, les dirigeables présentent un grand intérêt dans quelques applications telles que le surveillance des forêts, des zones maritimes et routières, où les avions et les hélicoptères sont beaucoup trop contraints (consommation énergétique, sécurité, endurance ,…) voir Table1. Par ailleurs, plusieurs projets ambitieux sont en cours afin de développer des plateformes dirigeables capables d’opérer en stratosphère, leur objectif est d’embarquer des équipements de communication ou d’observation météorologique.

Dans la plupart des applications existantes à ce jour, les dirigeables sont pilotés soit par un pilote à bord soit par un opérateur humain via une liaison radio. En vu de donner une autonomie à cette plateforme, il est nécessaire d’automatiser les fonctions de pilotage et de planification de tâches qui sont généralement basées sur la connaissance à priori du modèle dynamique du dirigeable.

Besoins	Avions	hélicoptère	Dirigeable
Coût de l’opération	√ √	√	√ √ √
Longue endurance	√ √	√	√ √ √
Capacité du vol plané	√	√ √ √	√ √ √
Rapport charge utile/poids	√ √	√	√ √ √
Manoeuvrabilité	√ √	√ √ √	√
Faible turbulence et perturbation	√	√	√ √ √
Décollage atterrissage verticale	√	√ √ √	√ √ √
Faible consommation	√ √	√	√ √ √
Faible vibration	√ √	√	√ √ √

Table 1

Présentation de la plateforme dirigeable LSC

Le dirigeable du LSC est un AS200 fabriqué par Airspeed. Il est constitué d’une enveloppe, appelée aussi carène, de longueur 7m et diamètre maximal de 1.5m, permettant l’emprisonnement d’un volume de 8m³ du gaz utilisé pour assurer sa sustentation. La forme géométrique de l’enveloppe est constitué de trois partie, une ellipse, un cylindre et une autre ellipse plus allongée. Cette forme peut être approximée facilement à une seule ellipse. A l’intérieur de cette enveloppe, nous trouvons deux ballonnets qui se remplient d’air grâce à des prises d’air sur l’axe des moteurs. Ces ballonnets permettent de garder un volume constant de l’enveloppe.

Elle permet de contenir jusqu’à 8m³ d'Hélium (gaz inerte et ininflammable). Le nez de la carène est la partie la plus sensible à la déformation. Pour augmenter sa rigidité, une baleine est placée sur l'avant du dirigeable (voir figure).

Afin d'embarquer les différents éléments du dirigeable, une nacelle est fixée en bas de l’enveloppe. Cette dernière sert en particulier comme support pour les moteurs de propulsion et aussi pour embarquer l’électronique nécessaire pour le contrôle de l’appareil. De plus, elle offre une meilleure stabilité asymptotique en roulis du dirigeable (voir figures 1 et 2). Enfin, en vu d’assurer une bonne stabilité en tangage et en lacet de l’engin, quatre ailerons sont placés à l’arrière, sur lesquels sont fixés quatre gouvernes rendant le dirigeable plus manoeuvrable (voir figure 3).

D'un point de vue scientifique, la plateforme dirigeable affiche certaines complexités à savoir une dynamique à caractère non linéaire, un sous actionnement et une faible manoeuvrabilité. Contrairement "aux plus lourd que l’air", c.à.d. les avions et les hélicoptères, les masses ajoutées dues au déplacement de l’air, pour les dirigeables, ne sont pas négligeables, ce qui augmente le couplage entre la dynamique de translation et la dynamique de rotation.

Figure 1 plateforme dirgeable

Figure 2 nacelle et moteurs

Figure 3 carène et aillerons

Figure 4 : Partie frontale du dirigeable

Travaux de recherches réalisés

Les travaux de recherche menés au sein du LSC sur le dirigeable, se focalisent sur le développement d’une plateforme dotée d’une grande autonomie. Comme tout système automatique, il est crucial de connaître l’état de l’engin grâce notamment à l’embarcation de quelques capteurs tel que une centrale inertielle, des caméras, etc. Les informations fournies par ces derniers permettent de calculer les commandes en vu de corriger le comportement de l'appareil.

Afin de bien maîtriser le fonctionnement du dirigeable, il est primordial de connaître son modèle dynamique régissant son comportement. En considérant l’hypothèse de rigidité de la carène, un modèle dynamique qui inclut les phénomènes mécaniques et aérodynamiques a été établi. Par ailleurs, afin de vérifier l'hypothèse de rigidité de la carène, nous nous sommes intéressés à l'étude des phénomènes de flexibilité introduits par le tissu de cette dernière.

Le fonctionnement autonome de cette plateforme nécessite l’élaboration des algorithmes de contrôle et de planification des tâches. Le planificateur des tâches calcule les trajectoires nécessaires pour une exécution sécurisée de la tâche demandée telle que rejoindre une position donnée dans un environnement avec obstacles. Une fois la trajectoire planifier, le contrôleur assure son exécution en présence des perturbations extérieures (vent…), ou intérieurs (erreur de modélisation).

Publications

Revues :

· Y. Bestaoui & S. Hima, "Some Insights in Path Planning of Small Autonomous Airships". Archives of Control Sciences, Polish Academy of Sciences, Volume 11 (XLVII) 2001,N° 3-4, pp. 139-166.

Conférences :

· S. Hima & Y. Bestaoui, "Time-Optimal Path Planning For Lateral Navigation of an Autonomous Airship", AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit. Austin, Texas, USA, August 2003.

· Y. Bestaoui, S. Hima & C. Sentouh, "Motion Planning of a Fully Actuated Unmanned Air Vehicle", AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit. Austin, Texas, USA, August 2003.

· S. Hima & Y. Bestaoui,"Motion Generation on Trim Trajectories for an Autonomous Underactuated Airship", 4^th International airship conference, Cambridge, England, july 2002.

· Y. Bestaoui & S. Hima, "Caractérisation of Some Generalized Helices for Blimps Path Generation", EUROMECH 427, France, September 2001.

· Y. Bestaoui & S. Hima, "Trajectory Tracking of Dirigeable in a High Constant Altitude Flight", 5^th IFAC symposium on Nolinear Control Systems (NOLCOS2001), saint Petersburg, Russia, July 2001