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Présentation du système embarqué de contrôle
stabilité pour le véhicule dinspection des
lignes de transport délectricité
Groupe Vortex - 10 février 2000
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Objectifs de la rencontre
Présenter les concepts de contrôle stabilité
pour la réalisation du véhicule aérien
dinspection

• Explication du contrôle du vol
• Modélisation du véhicule (équations du mvt.)
• Contrôleur embarqué
• Réalisation du contrôleur embarqué
• Simulation essais des systèmes

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• Introduction
• Modélisation dynamique
• Équations du mouvement
• Commandes de vol
• Système de contrôle du vol
• Architecture hardware
• Système dexploitation
• Simulation
• Conclusion

Présentation
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Introduction
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Résumé du projet
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Tâches dinspection

• Les différentes tâches dinspection pouvant être
  effectuées par le véhicule sont les suivantes 
• Prise dimage par caméras 
• Manchons
• Brins cassés
• Chaînes disolateurs
• structure du pylône
• etc.
• Mesure disolation des isolateurs
• Montée dune charge utile (câble de service)
• Éventuelles méthodes de déglaçage déquipement
  de ligne
• Inspection de léquipement de poste
• Mesure de leffet de pointe (Corona scope)
• Mesure de résistance des manchons (points chauds)

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Caractéristiques du véhicule
Le concept de véhicule retenu est constitué de
quatre rotors coplanaires. Les caractéristiques
de vol recherchées pour le véhicule dinspection
sont  une excellente capacité de vol
stationnaire, une excellente stabilité, des
déplacements de précision, une capacité de
décollage et atterrissage vertical et une
capacité de vol à basse altitude.
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Caractéristiques du véhicule
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Mission typique du véhicule

• Afin de bien évaluer la manoeuvrabilité
  nécessaire, il est important de rappeler la
  mission de base du véhicule
• Décollage
• Ascension jusquà 60 m
• Effectuer des tâches dinspection (prise
  dimages sur pylônes et fils) sur une portée (600
  m)
• Revenir sur 600 m
• Descente de 60 m
• Atterrissage

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Manoeuvrabilité du véhicule

• Le véhicule ne doit pas voler à de grandes
  vitesses et ne subira ainsi pas de grandes
  accélérations. Il sagira surtout dun véhicule
  stable et qui pourra se déplacer avec une bonne
  précision. Le véhicule aura la capacité de
  manoeuvres suivante 
• Capacité de vol vertical à basse vitesse
  (ascensions, décollage, atterrissage)
• Mouvement de tangage Vol longitudinal et
  stabilisation suite à une perturbation
• Mouvement de roulis Vol latéral et
  stabilisation suite à une perturbation
• Mouvement de lacet pour contrôle directionnel

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Manoeuvrabilité du véhicule
Sur la configuration 4 rotors, toutes ces
manoeuvres sont créées en faisant varier la
poussée générée par les rotors en rotation, par
le biais dun contrôle collectif sur langle
dattaque des pales. Les mécanismes de variation
de langle dattaque des pales sont actionnés par
des servos linéaires. Lutilisation de servos
nous permet un excellent temps de réaction du
système à la commande. On verra la réalisation
des manœuvres en détail plus loin dans la
présentation.
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Modélisation
RÉFÉRENCES McCormick, Barnes. Aerodynamics,
Aeronautics, and Flight Mechanics. 1995. Ch. 10
11 Prouty, Raymond J. Helicopter Performance,
Stability, and Control. 1990.
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Objectifs de la modélisation

• Trouver les équations du mouvement
• Mode longitudinal (tangage)
• Mode latéral - directionel (roulis lacet)
• Intégrer la dynamique du véhicule au contrôleur
  embarqué
• Simuler le contrôleur et optimiser les gains
• Optimiser la stabilité statique dynamique du
  système

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Considérations de vol

• Ascension / Descente
• Vol avant à vitesse constante
• Vol stationnaire
• Vol latéral
• Déplacements en lacet

Hypothèses

• L étude est faite dans l axe x-y-z du véhicule
• La théorie des angles d Euler est utilisée

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Diagramme des corps libres variables
X  force totale selon x Y  force totale selon
y Z  force totale selon z U  vitesse du C.M.
en x V  vitesse du C.M. en y W  vitesse du C.M.
en z L  moment de roulis M  moment de
tangage N  moment de lacet P  taux de
roulis Q  taux de tangage R  taux de lacet
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Bilan des forces sur le véhicule
X Traînée (Dx) Y Traînée (Dy) Z 4 forces de
poussée (F1 - F4), Poids (GW), Traînée (Dz)
Bilan des moments sur le véhicule
L (F1 F3)a - (F2 F4)a M (F1 F2)a -
(F3 F4)a N Couple aérodynamique 4 rotors
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Commandes de vol
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Manoeuvres du véhicule

• Tangage (avance)
• Roulis (latéral)
• Lacet (rotation autour de l axe z)
• Monter, descendre (altitude)

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État de repos
Commande de vol
Manette
3 axes
Throttle (sol)
Monter
Descendre
Vue de côté
Vue de derrière
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État de repos
Réaction du véhicule
Vue de derrière
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Tangage (avance)
Commande de vol
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Tangage (avance)
Réaction du véhicule
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Roulis (latéral)
Commande de vol
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Roulis (latéral)
Réaction du véhicule
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Lacet
Commande de vol
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Lacet
Réaction du véhicule
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Monter, descendre
Commande de vol
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Monter, descendre
Réaction du véhicule
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Système de contrôle du vol
RÉFÉRENCES Levine, William S. The Control
Handbook. CRC Press. 1996 Dorf, Richard C.
Bishop, Robert H. Modern Control Systems.
Addison-Wesley. 1996 Paillard, Bruno. Système de
contrôle déquilibre du vélo. Document personnel
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Schéma général
Traitement des consignes du pilote. Contrôleur
1er niveau
Contrôleurs 2e niveau
Dynamique du véhicule
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1er niveau de contrôle
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Structure des contrôleurs PI
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Multiplexeur addition pondérée
? Il y aura 12 gains à déterminer (modélisation
essais)
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Architecture Hardware
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Comparaison des divers types darchitecture
1) Plusieurs microcontrôleurs 2) PC/104 avec
modules externes 3) PC/104 avec modules externes
et plusieurs microcontrôleurs
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1) Plusieurs microcontrôleurs
Avantages  Coût (très abordable) Dimensions
très petites Puissance de consommation très
basse Inconvénients  Puissance de calcul
limitée Outils de développements de bas
niveau Peu de support disponible Peu de
modules commerciaux tout faits
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2) PC/104 avec modules externes
Avantages  Grosse puissance de calculs
Dimensions très petites Très haute fiabilité
Puissance de consommation très basse Outils de
développement de haut niveau Beaucoup de
support disponible Plusieurs modules sont
disponibles selon les besoin Inconvénients 
Coût Centralisation de toutes les tâches sur un
processeur Concurrence
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3) PC/104 avec modules externes et plusieurs
microcontrôleurs
Avantages  Mêmes avantages que larchitecture
antérieure Distribution des tâches Les
modules microcontrôleurs sont déjà tout faits
pour nos besoins Support disponible pour les
microcontrôleurs Inconvénient 
Synchronisation entre les processeurs
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Choix final
PC/104 avec modules externes et plusieurs
microcontrôleurs
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Description des modules PC/104
CPU module (CMM7686GX233)  Contrôleur de
classe Pentium CPU de 233 MHz. 32 Meg de
SDRAM 8 Meg de FLASH 16 KB de cache
interne Coprocesseur mathématique Circuit de
protection Très résistant au bruit 15 bornes
dinterruption 2 contrôleurs  watchdog  2
ports séries
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Description des modules PC/104
Module dentrées (DM6210)  16 entrées
analogues Convertisseur analogue/digital de 12
bits Borne dentrées /- 5V, /- 10V, 0-10V 3
compteurs/Cronos de 16 bit 25 micro secondes de
temps conversion A/D (multiplexage) 16 lignes
digitales dE/S
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Description des modules PC/104
Module de sorties (DM6816)  9 sorties PWM de 8
bits Horloge de 8 MHz programmable
(divisible) 3 compteurs/Cronos de 16 bit 9
lignes digitales dE/S
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Description des modules microcontrôleur
Module de stabilités (3 MC68HC11)  Une
entrée PWM provenant du module de sortie Une
entrée analogue provenant du gyromètre Une
sortie PWM pour le module de démultiplexage
Filtre anti-repliement
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Description des modules microcontrôleur
Module de démultiplexage (MC68HC11)  3 entrées
PWM provenant de chaque module de stabilité 4
sorties PWM pour chaque angle de pale Une
entrée digitale provenant du CPU module pour un
ajustement en altitude
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Description des fonctionnalités
CPU module  Corrige lerreur de dérive des
MC68HC11 Capte les données digitales du module
dentrée (télécommande, capteurs dassiettes,
altimètre) Évalue les données reçues Envoie
les nouvelles valeurs de la position au module de
sortie Module dentrées  Contrôle
lacquisition de plusieurs entrées analogues
(télécommande, capteurs dassiette, altimètre)
Effectue les transformations A/D Envoie les
données transformées au CPU module
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Description des fonctionnalités
Module de sortie  Transforme les données
reçues en signal PWM au module de stabilité
approprié Module de stabilité Asservissement
PI logiciel Contrôle lacquisition dune entrée
PWM et dun gyromètre Évalue les données reçues
et asservies le gyromètre Envoie les nouvelles
valeurs PWM au module de démultiplexage
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Description des fonctionnalités
Module de démultiplexage  Contrôle
lacquisition des 3 entrées PWM pour un
ajustement en x, y, z (lacet, roulis, tangage)
Contrôle lacquisition dune entrée digitale pour
un ajustement en altitude Transforme ces
données en 4 sorties PWM pour chaque angle
dattaque des 4 pales
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Diagramme de larchitecture
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Description des gyromètres
Tokin
Sensibilité 1.1 20 mv/deg/sec Dimensions
8 x 20 x 8 (mm) Consommation 5 mA _at_ 5VDC
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Description des servos
S9001 Coreless Ball Bearing
Torque _at_ 4.8V 54.2 oz Vitesse de transit
0.22 sec / 60 deg. Dimension 79 x 1.54 x 1.47
in
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Description des inclinomètres
HAI2000
Plus petite lecture Haut lt 0.29 mm / m
Bas lt 0.025 mm / m Plus petite lecture
Haut lt 1 Arc-min Bas lt 5 Arc-sec
Consommation 18mA _at_ 12 VDC
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Gyro Inclinomètre 68HC11E9 Pc-104
Trans. caméra
3 X 5 mA _at_ 5 VDC 2 X 18 mA _at_ 12 VDC 4 X
100 mA _at_ 12 VDC 1 X 801 mA _at_ 5 VDC 1 X 100 mA
_at_ 12 VDC
0.075 W 0.432 W 4.8 W 4.005 W 1.2
W
Consommation électrique
TOTAL
? 20 W
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Système d'exploitation
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Besoins

• Possibilités temps réel
• Programmation concourante
• Communication entre les tâches
• Simplicité dutilisation et outils de
  développement
• Bonne documentation
• Pas de services superflus

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Systèmes disponibles

• Dos/Win32 DOS
• Windows 95/NT
• RTOS Publiques (RTEMS, RT Linux)
• Windows CE
• vxWorks
• QNX

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Comparaison


Légende P Doivent être programmées 0 Inclus
de base 1 très faible 5 très bien
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Notre Choix
QNX


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Architecture de QNX


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Fonctions du micro noyau

• Cédule les processus
• Communication entre processus
• Gestion des interruptions (redirection)
• Interface réseau à bas niveau

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Autres services du OS
Les autres services tels systèmes de fichier,
gestion des processus et pilotes bas niveau sont
donnés par des processus indépendants du micro
noyau. Ces services peuvent donc être arrêtés si
nous nen avons pas besoin. Ces services sont
accédés en utilisant le service du micro noyau de
communication entre les processus.


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Notre architecture


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Langage utilisé

C

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Pourquoi le C

• Permettre une meilleure modularité de notre code
• Les classes permettront dencapsuler facilement
  les communications inter processus entre les
  applications et les pilotes

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Simulation
RÉFÉRENCE Levine, William S. Control system
design using Matllab CRC Press. 1996
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Buts visés

• Déterminer les valeurs des gains à utiliser pour
  le contrôle embarqué
• Vérifier la stabilité du système en boucle
  ouverte et en boucle fermée
• Évaluer les constantes physiques (temps de
  réaction, dépassement, erreur finale, etc.) du
  système
• Comparer avec des valeurs expérimentales
  éventuelles

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Logiciel utilisé Matlab

• Logiciel reconnu et très utilisé
• Programmation facile et rapide
• Présence de nombreux outils de conception de
  boucles de contrôle en mode analogique et
  numérique
• Interface de simulation conviviale avec Simulink
• Excellente documentation

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Conception des contrôleurs PI

• Conception classique et analyse de stabilité avec
  le lieu de Bode, la méthode de Ziegler-Nichols et
  la localisation des racines

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Exemple avec Matlab
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Modélisation du système

• Vue globale du système avec plusieurs entrées /
  sorties (MIMO)
• Vérification de la conception faite avec Matlab
• Comparaison avec déventuels résultats
  expérimentaux et ajustement des constantes pour
  se rapprocher de la réalité

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Exemple avec Simulink
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Conclusion
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Essais

• Présentement, des tests de portance sont en
  cours. (facteurs de variation T vs. ?, Q vs. ?,
  etc.)
• Phases suivantes construction dun véhicule
  grandeur réelle pour essais statiques.
• Validation du système de contrôle
• Tests des sous-composantes
• Simulation des boucles (Matlab)
• Tests statiques avec véhicule (en fixant des DDL)

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Essais

• Tests statiques avec véhicule (en fixant des
  DDL)

• Validation des boucles X, Y, Z
• Réponse du système aux perturbations

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Essais en vol

• Les premiers tests en vol se feront de façon
  graduelle, avec des dispositifs de sécurité
  (harnais)
• Nous visons 3 mois d essais en vol.
• La présentation du véhicule final se fera le 4
  décembre 2000

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Questions ?
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(No Transcript)