Modelling and Control of a 2 DOF laboratory helicopter. Hardware-in-the-loop interface with RTWT Simulink toolbox.

1. Commande d’un hélicoptère à
échelle réduite à 2 ddl
Stage au sein du laboratoire Commande et Systèmes
11 décembre 2013

2. L’hélicoptère CE150: quelques
caractéristiques






Maquette d’hélicoptère à 2 degrés de liberté (élévation et
azimut)
Système dynamique couplé
Commandé par 2 moteurs DC munis d’hélices
Equipé de deux capteurs de position (encodeurs)
Centre de gravité peut-être ajusté grâce au déplacement
d’une masse commandé par un servomoteur
Interface de Simulink vers la Carte d’acquisition grâce à la
toolbox Real Time Windows Target (système de type
hardware-in-the-loop)

3. Architecture Hardware
PWM
Simulink
(RTWT)
Carte
d’acquisition
et commande
(MF624)
PWM
Unité centrale
(hacheurs +
alimentation)
Volt


Angles en Machine Unit [-1;1]
Butées: - élévation [-0.3;0.3]
- azimut [-0.7;0.7]
Hélicoptère

4. Modélisation dynamique du système


2 axes de rotation, 2 équations de moment
Axe horizontal (élévation):
Moment d’inertie de l’hélicoptère autour de
l’axe horizontal [kg.m²]
α Angle d’élévation [rad]
Couple du rotor principal [N.m]
Couple centrifuge [N.m]
Couple gyroscopique [N.m]
Couple gravitationnel [N.m]
Couple de frottement

5. Modélisation dynamique du système
Axe vertical (azimut):
Moment d’inertie de l’hélicoptère autour de
l’axe vertical [kg.m²]
β Angle d’azimut [rad]
Couple du moteur secondaire
Couple résultant du moteur principal
Couple de frottement

6. Modélisation simulink du système
Modèle non
linéaire
Modèle linéaire

7. Comparaison des modèles linéaire et non
linéaire

On constate une erreur entre les 2 modèles -> nécessité
d’implémenter une correction

8. Comparaison des modèles linéaire et non
linéaire
-4
3
Elevation
x 10
Azimut
0.05
Modele non lineaire
Modele lineaire
2
1.5
1
0.5
0.03
0.02
0.01
0
0
-0.5
Modele non lineaire
Modele lineaire
0.04
Azimuth angle (MU)
Elevation angle (MU)
2.5
0
2
4
6
8
10
Time(s)
12
14
16
18
20
-0.01
0
2
4
6
8
10
Time(s)
12
14
16
18
20
Erreur en
élevation
Gain en
azimuth

9. Modèle simulink de commande du système
réel
2 échelons en entrée
8 variables mesurées

10. La toolbox RTWT






Période d’échantillonage Ts: 0.01>Ts>0.001
RTWT permet le mode «external» (génère code C,
compile et démarre l’exécution du système en temps réel
sur l’hardware)
Avant de démarrer la simulation, compiler le modèle
(CTRL+B ou «Build model»)
Connecter exécutable à l’hardware «Connect to target»
ou juste «Run» si mode «normal»
Lancer exécution sur «Run»
Pour connaître la performance du système, taper la
commande rtwho et vérifier le pourcentage «MATLAB
performance»

11. Réponses indicielles du système réel
Elevation
0.2
control
encoder
0.15
Tps de réponse=3s
Elevation angle (MU)
0.1
Dépassement=50%
0.05
0
Effet de
couplage
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
-0.25
0
10
20
30
40
50
Time(s)
Azimuth
60
70
80
90
100
1.5
Tps de
réponse=2s
control
encoder
Azimuth angle (MU)
1
Dépassement=0
0.5
0
-0.5
-1
0
10
20
30
40
50
Time(s)
60
70
80
90
100

12. Commande des moteurs avant et après
scaling
Moteurs avant Scaling
18
Elevation Motor
Azimuth Motor
16
14
PWM Motors
12
10
8
6
4
On remarque
que le scaling
ajoute un offset
et fait une
symétrie de la
commande
d’azimut
2
0
-2
0
10
20
30
40
50
Time(s)
60
70
80
90
100
Moteurs
10
Elevation Motor
Azimuth Motor
8
PWM Motors
6
4
2
0
-2
-4
0
10
20
30
40
50
Time(s)
60
70
80
90
100

13. Réponses du système réel
Elevation
0.25
control
encoder
0.2
0.15
0.1
Elevation angle (MU)
Perte de
contrôle
aléatoire
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
-0.25
0
20
40
60
80
100
Time(s)
120
140
160
180
200
Azimuth
1.5
control
encoder
Effet de
couplage
Azimuth angle (MU)
1
0.5
0
-0.5
-1
0
20
40
60
80
100
Time(s)
120
140
160
180
200

14. Commande des moteurs avant et après
scaling
Moteurs avant Scaling
5
Elevation Motor
Azimuth Motor
0
-10
-15
-20
-25
-30
0
20
40
60
80
100
Time(s)
120
140
160
180
200
Moteurs
2
Elevation Motor
Azimuth Motor
0
-2
-4
PWM Motors
Perte de
contrôle
aléatoire
PWM Motors
-5
-6
-8
-10
-12
-14
0
20
40
60
80
100
Time(s)
120
140
160
180
200

15. Implémentation d’autres fonctions sur le
modèle de commande
Switch
« d’ atterrissage »
Commande du
switch
Curseur de
position du CdG
Switch
d’urgence

16. Implémentation d’une interface hommemachine sur le modèle virtuel

Addition d’un bloc input joystick pour piloter le modèle
virtuel (virtual reality) -> possibilité de passage sur le
modèle réel (non aboutie)
Joystick input
Curseur de commande de position

17. Conclusion: Problèmes rencontrés, apport
personnel et axes de développement





Correcteurs du système non optimaux ni robustes -> voie
d’amélioration
Problème de perte de contrôle aléatoire persiste
->possibilité de passage à un système de commande différent
Projet enrichissant qui m’a permis de découvrir le monde de la
recherche (contact avec des enseignants-chercheurs,
doctorants, labos…)
Approfondissement sur la modélisation et la commande de
systèmes dynamiques
Découverte des systèmes discrets et hardware-in-the-loop

18. Avez-vous des questions?
Selon les théories actuelles, le bourdon ne peut
pas voler, heureusement, le bourdon ne les
connaît pas et vole quand même.
Igor Sikorsky, contructeur d’hélicoptères