Communications internationales
2.5 Approches et architectures
2.5.2 Problème de conception des manipulateurs aériens
Pour le transport des charges lourdes, les chercheurs ont conçu des engins volants capables d’atteindre une masse très importante. Pour cela, sont utilisés soit des hélicoptères [71] avec une puissance de décollage très grande ou bien des multirotors de type héxacoptère [185].
Dans [136], l’auteur a utilisé un système composé d’un bras manipulateur et de deux multirotors, l’un pour générer la force de la portée et l’autre pour commander et limiter les couples générés par l’angle de lacet, ainsi que pour maintenir le centre de gravité dans des espaces de stabilité pour tout le système. Un point très important a été bien étudié dans la conception des manipulateurs aériens, c’est le mouvement du bras manipulateur qui induit des couples et des perturbations sur le multirotor, entraînant une perte de stabilité. C’est pour cela que le déplacement du centre de masse des systèmes a été lar-gement considéré dans la modélisation dynamique, soit par compensation dans la partie commande ou dans l’architecture du système elle-même.
Le problème du déplacement du centre de gravité par rapport au centre de géométrie du système lors du mouvement du manipulateur a été traité dans [5]. Le problème de la sta-bilisation du multirotor et le suivi de la trajectoire ont créé des modifications dynamiques du centre de gravité du multirotor. L’auteur a compensé ces modifications dynamiques du centre de gravité avec une commande prédictive [159].
Un nouveau mécanisme est introduit dans le but de déplacer la batterie du multirotor pour compenser les mouvements du bras manipulateur [173]. Les auteurs ont ajouté un
2.5. Approches et architectures 33 actionneur pour la batterie qui joue le rôle d’un contrepoids pour assurer que le CoG du système (UAV+ manipulateur+ charge+ contrepoids) soit le plus proche possible du centre géométrique du Quadrotor Figures (2.25a)(2.25b). Les effets statiques du manipu-lateur sur l’UAV sont estimés et compensés par la force de traînée et les couples avec une architecture de contrôle multi-couches.
(a) Architecture du système avec bras 6-DDL.
(b) Principe du mouvement de la batterie et le centre de masse.
Figure 2.25 – Multirotor avec mouvement de la batterie proposé dans ARCAS.
Afin de surmonter les limites mécaniques du mécanisme, le mouvement statique résiduel induit par le centre de gravité du manipulateur sur le multirotor est compensé par la force de poussée des hélices. Cette architecture, du point de vue de la conception, pose beaucoup de problèmes pour satisfaire toutes les contraintes qui existent. La vitesse du déplacement de la batterie ne peut atteindre la vitesse du manipulateur pour des missions de saisie, la charge saisie par le manipulateur entraine une accélération de 9.8m/s2 pour 1kg ajouté. Cette vitesse ne peut être réalisable pour les actionneurs du chariot de la batterie. La distance du déplacement de la batterie est limitée, donc un intervalle d’intervention de ce mécanisme limitera le contrepoids pour des masses et pour des configurations du bras manipulateurs bien déterminées.
Le mouvement de la batterie représente un facteur additionnel pour l’économie d’énergie. Cette consommation limitera le temps de vol et la manipulation du système sans qu’il y ait un effet direct sur la configuration désirée du bras manipulateur. De plus la stabilité du système est toujours assurée et compensée avec un mouvement de la batterie pour une configuration du bras manipulateur donnée, même à vide sans aucune charge dans l’organe terminal et sans mission envisagée. Ce mécanisme n’est valable qu’avec un multi-rotor déjà conçu avec cette technique de déplacement de la batterie. Si nous voulons fixer le bras sur un autre engin volant, toute la conception et la programmation du contrôle est à modifier, d’où la limitation de cette technique pour un matériel bien spécifique et propre à cette architecture.
Dans [1], les auteurs ont utilisé un contrepoids fixé à une extrémité et un outil de préhen-sion à l’autre. Le manipulateur est inspiré de mécanisme pantographe, qui agit comme un mécanisme de compensation actif du centre de gravité. Ce mécanisme est destiné à être attaché sous un multirotor pour résoudre le problème de décalage du CoG pendant le fonctionnement du manipulateur, voir Figure (2.26).
Figure 2.26 – Mécanisme basé sur le principe de la pantographe.
L’inconvénient est l’ajout d’une masse inutile qui cause une consommation d’énergie sup-plémentaire et un grand changement au niveau de l’inertie du système sans avoir un vrai rôle dans la manipulation et les taches envisagées.
Pour résoudre tous ces problèmes liés à la conception, la commande et le non compatibi-lité avec d’autres multirotors, nous avons conçu un nouveau manipulateur aérien qui peut surmonter toutes les contraintes liées au déplacement du centre de gravité (CoG) et la sta-bilité envisagée du manipulateur aérien. Ce mécanisme qui peut être monté sur n’importe quel engin volant sans modifier son architecture et sans être en mesure de consommer plus d’énergie de la batterie est appelé Q-PRR. Ce système est capable de résoudre tous les problèmes de [173] et de [73] en conservant la configuration du manipulateur désirée. Nous avons changé le déplacement de la batterie par l’ajout d’une articulation de type prismatique entre le multirotor et le bras manipulateur. Ce déplacement va conserver le centre de gravité du multirotor dans son état initial proche de l’axe vertical, en passant par le centre géométrique du multirotor, et la recherche du CoM du système se fait par le déplacement du bras sur la glissière en gardant la même configuration désirée. Dans le chapitre suivant, une étude détaillée sur le Q-PRR, allant de la conception jusqu’à la modélisation tout en décrivant ses avantages, est proposée.
2.6. Conclusion 35
2.6 Conclusion
Dans ce chapitre, une large recherche bibliographique sur les manipulateurs aériens et les architectures conçu dans le domaine est présentée. Une citation des laboratoires et les groupes de recherche répartis sur les centres de recherche et les universités sont cités. La difficulté rencontrée pour spécifier et focaliser la recherche sur un type défini de manipu-lateur aérien nous a donné l’idée de classer les différents systèmes et les engins volants en utilisant une expression généralisée, qui unifie sous une formule symbolique l’ensemble de ces structures. Cette méthode nous permet d’identifier et de repérer chaque système en connaissant le type, le nombre du multirotor utilisé et le manipulateur attaché, ainsi la nature de ses articulations. La formule proposée est une contribution importante dans le domaine de la robotique aérienne. Quelques exemples d’application sur les systèmes exis-tant dans la littérature montrent l’efficacité et la simplicité d’application de cette formule. Dans le chapitre suivant nous allons d’abord détailler les principaux composants du sys-tème conçu, ensuite une définition des outils mathématiques utilisés et une modélisation géométrique du système seront abordées.
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