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ROBOTIQUE AERIENNE

Etude et mise en oeuvre de robots aériens, contrôle et perception embarquée

Référent(s) scientifique(s) : Nicolas MARCHAND, Ahmad HABLY, Amaury NEGRE
Responsable technique : Jonathan DUMON

La plateforme de robotique aérienne regroupe les moyens techniques du Gipsa-lab pour la conception, la fabrication et l'étude des robots volants.

Elle est exploitée principalement par les groupes de recherche Drone@Gipsa et EOFLY.

Elle comprend les éléments suivants :

 

Prototypage de robots volants

Nous développons de nombreux robots volants sur mesure pour répondre aux différents besoins liés aux projets de recherche réalisés au Gipsa-lab, de quelques grammes et jusqu’à 2 kg. En plus des travaux sur les multicoptères classiques que nous avons équipés de roues ou d’un bras articulé, nous avons développé des modèles de robots à aile battantes, ainsi que des cerfs-volants robotisés, tractés grâce à un treuil instrumenté au niveau du sol. Une passerelle de communication a également été développée pour pouvoir envoyer des messages aux standards de l’aéromodélisme (DSM, FrSky,…) et ainsi commander les drones et récepteurs commerciaux. Ces prototypes sont développés conjointement avec le pôle de prototypage mécatronique du laboratoire qui assure tout ou partie de la conception mécanique et électronique.

 

Logiciels embarqués

Afin d'implanter les systèmes de perception et de contrôle sur les robots volants, nous développons nos propres logiciels embarqués sur les cartes contrôleur de vol ainsi que sur des PC embarqués telles que des cartes Nvidia Jetson ou raspberry pi. Le système mis en place permet également de contrôler les robots volant depuis un PC déporté relié au système de capture de mouvement.

L'architecture logicielle est basée sur l'intergiciel ROS (http://wiki.ros.org/) pour le PC embarqué ou déporté et le logiciel « rosflight » (http://rosflight.org/) pour le contrôleur de vol. Des outils de simulations, basée sur Gazebo/ROS sont également disponibles pour tester les algorithmes de navigation. Un environnement complet de simulation pour l'évaluation et l'analyse comparative est disponible en open source sur github https://github.com/Gipsa-lab-PFP/BOARR.

 

 

 

MOCA: Volière intérieure pour drones

La volière mesure 5.6mx6.6m sur 2.9m de hauteur. Elle est équipée d’un système de capture de mouvement multi-caméras VICON qui reconstruit en temps réel la position et l’orientation des objets.

A cet outil est connecté un système de contrôle temps réel de robots volants basé soit sur Matlab/Simulink temps réel, soit sur ROS. Un deuxième système de capture de mouvement mobile, composé de 12 caméras Optitrack/Flex13, permet d’équiper facilement et de manière temporaire d’autres espaces (soufflerie, couloirs, …)

MOCA

Système de capture de mouvement Vicon(c)

Les caméras reconstruisent la position des objets grâce à des marqueurs passifs qui relfechissent la lumière (proche infra-rouge) envoyée par les projecteurs.

Caractéristiques:

12 caméras T40s : capture marqueurs de Ø1,5mm à Ø14mm , 515i/s, 4Mpx

1 caméra Bonita vidéo 721 :1Mpx , 120i/s

Acquisition données analogiques 64 canaux

L'espace de capture mesure 5.6mx6.6m sur 2.9m de hauteur.

 

Soufflerie

windtunnel

Une soufflerie de 3.6kW développée au Gipsa-lab permet de générer jusqu’à 8.5m/s de vent sur une veine d’aire de 0.9mx0.9m.

 

Moyens d’essais en extérieur

Les prototypes sont testés en conditions réels à l’extérieur grâce aux moyens et protocoles mis en place, avec la DGAC, le CNRS et certaines mairies. 3 personnes du laboratoire ont une licence de pilotage et sont habilités à télé-opérer des drones expérimentaux à l’extérieur.

 

 

 

Quelques publications

BOARR : A Benchmark for quadrotor Obstacle Avoidance based on ROS and RotorS

Thibaut Tezenas Du Montcel, Amaury Negre, Jose-Ernesto Gomez-Balderas, Nicolas Marchand. BOARR : A Benchmark for quadrotor Obstacle Avoidance based on ROS and RotorS. 2019. ⟨hal-02142571⟩

 

An Egocubemap Based Algorithm for Quadrotors Obstacle Avoidance Using a Single Depth Camera

Thibaut Tezenas Du Montcel, Amaury Nègre, Matthieu Muschinowski, Jose-Ernesto Gomez-Balderas, Nicolas Marchand. An Egocubemap Based Algorithm for Quadrotors Obstacle Avoidance Using a Single Depth Camera. 10th Workshop on Planning, Perception and Navigation for Intelligent Vehicles at 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Oct 2018, Madrid, Spain. ⟨hal-01910732⟩

 

Power Curve Analysis Of On-ground Airborne Wind Energy Systems

Yashank Gupta, Jonathan Dumon, Ahmad Hably. Power Curve Analysis Of On-ground Airborne Wind Energy Systems. IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT 2019), Feb 2019, Melbourne, Australia. ⟨hal-01973326⟩

 

In-flight estimation of the aerodynamic characteristics of a Magnus effect-based airborne wind energy system

Eduardo Schmidt, Yashank Gupta, Jonathan Dumon, Ahmad Hably. In-flight estimation of the aerodynamic characteristics of a Magnus effect-based airborne wind energy system. International Conference on Renewable Energies for Developing countries (REDEC 2018), Nov 2018, Beyrouth, Lebanon. ⟨hal-01895342⟩

 

Distributed Reconfigurable Formation Generator for Mini Aerial Vehicles

Lara Brinon Arranz, Muschinowski Matthieu, Jonathan Dumon, Nicolas Marchand. Distributed Reconfigurable Formation Generator for Mini Aerial Vehicles. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Oct 2018, Madrid, Spain. ⟨hal-01910699⟩

 

Control of a Magnus Effect-Based Airborne Wind Energy System

Ahmad Hably, Jonathan Dumon, Garrett Smith, Pascal Bellemain. Control of a Magnus Effect-Based Airborne Wind Energy System. Roland Schmehl. Airborne Wind Energy. Advances in Technology Development and Research, Springer, pp.277-301, 2018, Green Energy and Technology, 978-981-10-1946-3. ⟨10.1007/978-981-10-1947-0_12⟩. ⟨hal-01759173⟩

 

Modeling and Control of Magnus Effect-Based AWE Systems

Yashank Gupta, Jonathan Dumon, Ahmad Hably. Modeling and Control of Magnus Effect-Based AWE Systems. The 7th International Airborne Wind Energy Conference (AWEC 2017), Oct 2017, Freiburg, Germany. ⟨hal-01644366⟩

 

AWE Systems in an Innovation Course

Ahmad Hably, Jonathan Dumon, Aurélie Catel, Karine Samuel. AWE Systems in an Innovation Course. The 7th International Airborne Wind Energy Conference (AWEC 2017), Oct 2017, Freiburg, Germany. ⟨hal-01644378⟩

 

A Study on Wind Power Evolutions

Abdelhadi Aliouat, Ysoline Lopez, Estelle Payan, Aissa Saidi, Jonathan Dumon, et al.. A Study on Wind Power Evolutions. The 7th International Airborne Wind Energy Conference (AWEC 2017), Oct 2017, Freiburg, Germany. ⟨hal-01644370⟩

 

Modeling and control of a Magnus effect-based airborne wind energy system in crosswind maneuvers

Yashank Gupta, Jonathan Dumon, Ahmad Hably. Modeling and control of a Magnus effect-based airborne wind energy system in crosswind maneuvers. 20th IFAC World Congress (IFAC WC 2017), Jul 2017, Toulouse, France. ⟨hal-01514058⟩

 

Control of an airborne wind energy system with a Magnus effect

Ahmad Hably, Jonathan Dumon, Garrett Smith. Control of an airborne wind energy system with a Magnus effect. American Control Conference (ACC 2016), Jul 2016, Boston, United States. ⟨hal-01272253⟩

 

A. Manecy, J. Diperi, M. Boyron, N. Marchand and S. Viollet, Proceedings of 2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2016.

 

Biomimetic-Based Output Feedback for Attitude Stabilization of Rigid Bodies: Real-Time Experimentation on a Quadrotor

J.F. Guerrero Castellanos, H. Rifai, N. Marchand, R. Cruz-José, S. Mohammed, W.F. Guerrero Sanchez and G. Mino-Aguilar, Special issue on "Next Generation MEMS-Based Navigation—Systems and Applications", Micromachines, Vol. 6(8), pp. 993-1022, 2015. 

 

Position Control of a Quadrotor under External Constant Disturbance

J. Colmenares-Vazquez, N. Marchand, J.E. Gomez-Balderas, P. Castillo, J.J. Téllez-Guzmán, J. Álvarez-Muñoz and J. Dumon, Proc. of the Workshop on Research, Education and Development of Unmanned Aerial Systems (RED-UAS), pp. Cancun, Mexico, 2015. 

 

Velocity control of mini-UAV using a helmet system

 J. J. Téllez-Guzmán, Jose-Ernesto Gomez-Balderas, Nicolas Marchand, Pedro Castillo, J Colmenares Vazquez, et al.. , Workshop on Research, Education and Development of Unmanned Aerial Systems (RED-UAS), Nov 2015, Cancun, Mexico.

 

Nonlinear control of a nano-hexacopter carrying a manipulator arm

J.U. Álvarez-Muñoz, N. Marchand, J.F. Guerrero Castellanos, A.E. López-Luna and S. Durand

IEEE/RJS Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 

 

Integral Backstepping Control for Trajectory Tracking of a Hybrid Vehicle

J. Colmenares-Vazquez, P. Castillo, N. Marchand and J.E. Gomez-Balderas

International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), 2015 

 

Descriptor Approach for Attitude Estimation

Aida Makni, Alain Kibangou, hassen FOURATI

IEEE Multi-Conference on Systems and Control 2015

 

Event-triggered attitude control for flying robots using an event approach based on the control

J.F. Guerrero Castellanos, N. Marchand, S. Durand, A. Vega-Alonzo and J.J. Téllez-Guzmán

IEEE International Conference on Event-based Control, Communications & Signal Processing, 2015 


X4-MaG: a low-cost open-source micro-quadrotor and its Linux-based controller

A. Manecy, N. Marchand, F. Ruffier and S. Viollet

International Journal of Micro Air Vehicles, Vol. 7(2), pp. 89-109, 2015 

 

Attitude Stabilization of a Quadrotor by Means of Event-Triggered Nonlinear Control

J.-F. Guerrero Castellanos, J.J. Téllez-Guzmán, S. Durand, N. Marchand, J. Álvarez-Muñoz and V. González-Díaz

Journal of Intelligent and Robotic Systems, Vol. 73, pp. 123-135, 2014 

 

Hovering by Gazing: a Novel Strategy for Implementing Saccadic Flight-Based Navigation in GPS-Denied Environments

A. Manecy, N. Marchand and S. Viollet

International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 11(66), 2014

 

Improving control of quadrotors carrying a manipulator arm

J.U. Álvarez-Muñoz, N. Marchand, F. Guerrero-Castellanos, S. Durand and A.E. Lopez-Luna

XVI Congreso Latinoamericano de Control Automático (CLCA 2014), 2014 

 

Event-Based Control for Embedded and Networked System: Application to a Mini Quadrotor Helicopter using Motion Capture
Durand,Sylvain and Dumon,Jonathan and Marchand,Nicolas and Guerrero castellanos,Fermi

Proceedings of the IEEE ICUAS - 2014 IEEE International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS 2014) US 2014-05-2 

 

RT-MaG: an open-source SIMULINK Toolbox for Real-Time Robotic Applications

A. Manecy, N. Marchand and S. Viollet

Int. Conf. on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2014), 2014 

 

Event-triggered nonlinear control for attitude stabilization of a quadrotor

F. Guerrero Castellanos, J.J. Téllez-Guzmán, S. Durand, N. Marchand and J.U. Álvarez-Muñoz

International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), 2013 

 

Reverse pumping: theory and experimental validation on a multi-kites system

Lozano,Rogelio jr and Dumon,Jonathan and Hably,Ahmad

17th International Conference on System Theory, Control and Computing Joint Conference RO 2013-10-11 - [Best student paper award] - 

 

Kite Generator System Periodic Motion Planning Via Virtual Constraints

Ahmed,M. and Hably,Ahmad and Bacha,Seddik

Proceedings of IECON 2013 - 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON 2013) AT 2013-11-10 

 

Energy production control of an experimental kite system in presence of wind gusts
Lozano,Rogelio jr and Dumon,Jonathan and Hably,Ahmad and Alamir,Mazen

Proceedings of the 2013 IEEE/RSJ - IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2013) JP 2013-11-03 

 

Reverse pumping: theory and experimental validation on a multi-kites system
Lozano,Rogelio jr and Dumon,Jonathan and Hably,Ahmad

17th International Conference on System Theory, Control and Computing Joint Conference RO 2013-10-11  - [Best sutdent paper award]  

 

Observer-based control of a tethered wing wind power system : indoor real-time experiment
Hably,Ahmad and Lozano,Rogelio Jr and Alamir,Mazen and Dumon,Jonathan Accepted to ACC 2013 

 

 Control of a wind power system based on a tethered wing
Lozano,Rogelio Jr and Alamir,Mazen and Dumon,Jonathan and Hably,Ahmad

FAC EGNCA, bangalore : India (2012) 

 

High Altitude Wind Power Systems: A Survey on Flexible Power Kites

Ahmed,Mariam and Hably,Ahmad and Bacha,Seddik

XXth International Conference on Electrical Machines (ICEM'2012), Marseille : France (2012)  

 

Power Maximization of a Closed-orbit Kite Generator System

Ahmed,Mariam and Hably,Ahmad and Bacha,Seddik

50th IEEE Conference on Decision and Control and European Control Conference (IEEE CDC-ECC 2011) US  

 

Grid-connected Kite Generator System: Electrical Variables Control with MPPT
Ahmed,Mariam and Hably,Ahmad and Bacha,Seddik

37th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON 2011) AU 

 

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