Sujet de thèse CIFRE : Techniques d’estimation et de commande non
linéaires augmentées d’un projectile guidé soumis à des incertitudes
paramétriques non bornées
Entreprise : KMW+Nexter Defense Systems (KNDS)
Laboratoire : Laboratoire des Signaux et Systèmes (L2S)
Durée de la thèse : 3 ans à partir d’Octobre-Novembre 2023
Mots-clés : Commande non linéaire, estimation, incertitudes non bornées,
guidage, navigation
Contexte et motivation : Les munitions traditionnelles ne sont pas pilotées pendant le vol. Par conséquent, il n’est pas possible d’améliorer la précision quant à l’atteinte de la cible une fois le tir effectué. Afin d’impacter la cible, la division d’artillerie assure un nombre maximum de coups pour causer les dégâts [1]. Une des conséquences est l’augmentation considérable des dommages collatéraux. En tant que principal fabricant d’armes en France et dans le monde, le groupe KNDS, en réponse à cette problématique, se concentre sur le développement des munitions intelligentes avec la définition d’algorithmes de guidage, de navigation et de contrôle nécessaires pour commander la trajectoire des munitions lors du vol pour atteindre la cible avec précision.
Le pilotage traditionnel basé sur des lois de commande classiques (e.g. commande PID) permet d’obtenir dans une certaine mesure des performances intéressantes en simulation [2],[3]. En revanche, les conditions réelles peuvent très souvent être différentes des conditions de simulation car les bornes sur les valeurs des paramètres du système ne sont pas bien connues [4]. De plus, différents effets tels que l’effet Magnus et l’effet de couplage croisé provoqués par la vitesse de roulis ou encore le retard induit par les actionneurs sont négligés lors de la détermination des coefficients aérodynamiques en laboratoire, ce qui rend, là encore, les conditions de vol réelles assez différentes de la simulation [4].
Afin de tenir compte de l’évolution des paramètres, les industries aérospatiales contemporaines produisant des missiles et des fusées ont testé des stratégies fondées sur un modèle linéaire à paramétres variants (LPV et Quasi-LPV) pour la commande et pour l’analyse [2]. Ces stratégies satisfont les critères de performance et de stabilité lorsque les incertitudes du système sont bien bornées avec un bon niveau de confiance connu. Dans le cas des munitions, les limites d’incertitude sont rarement connues et le mouvement du canard (système d’ailettes permettant de corriger les écarts longitudinaux et latéraux) est non linéaire, ce qui rend les stratégies de commande linéaire assez difficiles pour obtenir les performances requises [5]. Afin de résoudre ce problème et d’obtenir des performances satisfaisantes, une étude approfondie doit être menée sur une structure d’estimateur augmentée pour fournir un maximum d’informations à la commande pour contrer les larges indéterminations caractérisant de l’incertitude
Dans une deuxième étape, une nouvelle structure de commande doit être étudiée, en proposant une commande multivariable non linéaire pour suivre correctement la trajectoire de vol souhaitée en cas d’incertitudes non bornées. A titre d’exemple, plusieurs études dans la littérature montrent de bonnes performances obtenues avec la commande par modes glissants, ainsi que des inconvénients de telles méthodes liés au phénomène de « chattering » et à la gestion de la saturation de l’angle canard, afin d’être implémentable à bord [4],[7]. Ce type d’approche pourra faire partie des axes d’étude à investiguer dans les travaux.
Objectif : La thèse proposée doit permettre de développer des stratégies de commande avancées pour le contrôle en vol d’un projectile. Il s’agira en particulier, d’une part, de considérer les fortes non linéarités au niveau des actionneurs et du mouvement de l’engin, et, d’autre part, de garantir la robustesse du pilotage vis-à-vis d’incertitude potentiellement non bornées. La prise en compte de ces incertitudes nécessitera le développement d’estimateurs augmentés.
Parmi les approches envisagées, l’un des objectifs de la thèse sera d’être à même de piloter le modèle balistique complet non linéaire à 6 degrés de liberté à partir d’un modèle de guidage simplifié supposé parfait à 3 degrés de liberté. En particulier, L’un des principaux problèmes de commande de la munition actionné par des canards, est sans doute le couplage entre l’axe de lacet et de tangage via la vitesse de roulis Par conséquent, une commande multivariable à deux axes pourrait permettre d’améliorer les performances de guidage de la tête de la munition en direction et en vitesse.
L’objectif principal de la thèse sera ainsi la définition d’une stratégie de navigation étendue du modèle à l’aide d’algorithmes de contrôle non linéaires étendus (portant plus spécifiquement sur l’accélération, la vitesse et la position, i.e. l’angle d’attaque) dans le cas de variations de paramètres non-bornées. Les problématiques de précision et de convergence temporelle des algorithmes développées seront tout particulièrement investigués dans le cadre du problème de la stabilité en vol.
Enfin, il est prévu de tester la structure de commande via des tests hardware-in- the-loop, au moins pour les comportements du canard, avec et sans charge, afin de valider la stratégie proposée.
Déroulé envisagé pour les travaux
– Première année : état de l’art du domaine et des méthodes de commande de munitions et développement d’une stratégie de commande de modèle étendu de munitions sans navigation
– Deuxième année : développement d’une stratégie de commande de modèle étendu de munitions avec navigation (6 mois)
– Troisième année : validation des travaux via HWIL et rédaction du mémoire de thèse
Profil recherché :
– Ingénieur.e en automatique, interressé.e par les systèmes aéronautiques
(missiles, fusées, aviation ou encore satellite)
– Une première expérience en GNC (Guidance Navigation Controle) serait
appréciée
– Algorithmes avancés d’estimation et de commande linéaires (LQ, LQG,
Hinfini, LPV etc.)
– Des connaissances sur les algorithmes de commande non linéaires seront
appréciées
– Bonnes bases en modélisation stochastique et mathématiques appliquées
attendues
– Très motivé pour la recherche et le développement
References:
1. S. Theodoulis, Y. Morel, P. Wernert, “Trajectory-based accurate linearization of the 155mm spin-stabilized projectile dynamics”, AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference, Chicago, 2009
2. J. Spagni, S. Theodoulis, P. Wernert, “Flight control for a class of 155 mm spin-stabilized projectile with reciprocating canards”, AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, Minneapolis, 2012
3. S. Theodoulis, P. Wernert, V. Gassmann, “Guidance and control design for a class of spin-stabilized fin-controlled Projectiles”, Journal of Guidance,
Control and Dynamics, vol. 36, no.2, 2013
4. X. Zhao, K. Yi, Z.-M. Tan, G.-Q. Wu, Y. Li, S.-M. Song, “Finite-time sliding mode tracking control for guided projectile”, Chinese Control conferences, Guangzhou, 2019
5. G. Mattei, S. Monaco, “Nonlinear autopilot design for an asymmetric missile using robust backstepping control”, Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 27, no. 5, 2014
6. Q. Chen, X. Wang, J. Yang, Z. Wang, “Acceleration tracking control for a spinning glide guided projectile with multiple disturbances”, Chinese Journal of Aeronautics, vol. 33, no. 20, pp. 3405-3422, 2020.
7. Y. Shen, J. Yu, G. Luo, , X. Ai, Z. Jia, F. Chen, “Observer-based adaptive sliding mode backstepping output-feedback DSC for spin-stabilized canard-controlled projectiles”, Chinese Journal of Aeronautics, vol. 30, no. 3, pp. 1115-1126, 2017.
Contact :
s.arefin@nexter-group.fr
guillaume.sandou@centralesupelec.fr
Dossier soumission : CV, lettre de motivation, lettre de recommandation, relevés
de notes
Date limite de candidature : 1er juin 2023
