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ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC
MÉMOIRE PRÉSENTÉ À
L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE
COMME EXIGENCE PARTIELLE
À L’OBTENTION DE LA
MAÎTRISE EN GÉNIE
M.Ing.
PAR
Nicolas BOËLY
MODÉLISATION NON LINÉAIRE ET CONTRÔLE LINÉAIRE PAR RETOUR
ENTRÉE-SORTIE LINÉARISANT D’UN DRONE SOUS-MARIN QUADRI HÉLICES À
POUSSÉE VECTORIELLE
MONTREAL, LE 31 MAI 2010
© Tous droits réservés, Nicolas Boëly, 2010

PRÉSENTATION DU JURY
CE MÉMOIRE A ÉTÉ ÉVALUÉ
PAR UN JURY COMPOSÉ DE
Mme Ruxandra Botez, directrice de mémoire
Département de génie de la production automatisée à l’École de technologie supérieure
M. Guy Gauthier, président du jury
Département de génie de la production automatisée à l’École de technologie supérieure
M. Mohamed Herda, examinateur externe
Ingénieur en contrôle, Honeywell Ltd.
IL A FAIT L’OBJET D’UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC
LE 27 MAI 2010
A L’ECOLE DE TECHNOLOGIE SUPERIEURE

REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier Madame Ruxandra Botez pour son support dans ce projet précurseur au
laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité. Je voudrais
aussi remercier Dr Ioana Triandaf de l’US Naval Research Laboratories pour avoir initié ce
projet.
Je remercie Julien Gobeaut pour son étude préliminaire de l’architecture. Je remercie
également Quentin Bourgeteau pour son assistance dans le travail de recherche ainsi que sa
contribution personnelle sur la modélisation des sonars et l’évitement d’obstacle.
Je tiens à remercier toutes les personnes qui m’ont soutenu tout au long du projet.

MODÉLISATION NON LINÉAIRE ET CONTRÔLE LINÉAIRE PAR RETOUR
ENTRÉE-SORTIE LINÉARISANT D’UN DRONE SOUS-MARIN QUADRI
HÉLICES À POUSSÉE VECTORIELLE
Nicolas BOËLY
RÉSUMÉ
Le sujet de ce mémoire porte sur la recherche de la modélisation des drones sous-marins qui
concernent les interactions hydrodynamiques, les forces de pesanteur et d’Archimède ainsi
que les forces de propulsion.
La précision du comportement d’un drone sous-marin en simulation numérique dépend de
son degré de modélisation. Ce mémoire fonde une modélisation non linéaire (six degrés de
liberté) de l’engin afin de conserver les interactions entre les modes longitudinaux et les
modes latéraux.
Les applications de cette modélisation sont doubles. Premièrement, elle permet de mieux
comprendre le comportement et l’attitude des véhicules immergés. La seconde application
permet de mieux contrôler le drone dans des buts de furtivité ou d’économie d’énergie.
On présente ici la formulation par étape d’une modélisation non linéaire globale du drone
quadri hélices à poussée vectorielle, en expliquant les relations étroites entre les choix
architecturaux et les impacts de modélisation.
Des correcteurs Proportionnel Intégral Dérivé sont implémentés à l’aide d’un retour entrée-
sortie linéarisant afin de tester la maniabilité et les capacités du drone en espace restreint.
Une étude de robustesse aux bruits de mesure et les contrôles internes de chaque actionneur
et chaque moteur permettent de déterminer les limites de cette étude et les recommandations
des travaux futurs.
Mots clés : drone sous-marin, modélisation non linéaire, quadri hélices, poussée vectorielle,
retour entrée-sortie linéarisant.

MODÉLISATION NON LINÉAIRE ET CONTRÔLE LINÉAIRE PAR RETOUR
ENTRÉE-SORTIE LINÉARISANT D’UN DRONE SOUS-MARIN QUADRI
HÉLICES À POUSSÉE VECTORIELLE
Nicolas BOËLY
ABSTRACT
The subject of this project shows the research in the modeling of unmanned underwater
vehicles more precisely on the hydrodynamic interactions, gravity and buoyancy effects and
propulsion forces.
The accuracy of the unmanned underwater vehicle simulation is directly linked to its
modeling accuracy. This project establishes a nonlinear six degrees of freedom model with
the aim to keep the interactions between longitudinal and lateral dynamics modes.
There are two applications of this nonlinear modeling. The first application of a nonlinear
model allows to better understand and analyze the dynamics of immersed vehicles. The
second application allows to control it better in order to get it stealthier or to consume a
minimal amount of energy.
We present here the formulation, step by step, of a global nonlinear model of the thrust-
vectored vehicle, explaining the interactions between the design and the modeling of the
four-propeller vehicle.
Proportional Integral Derivative regulators are implemented with an input-output feedback
linearization to observe unmanned underwater vehicle capacities.
A study of white noise robustness and actuators and motors inner-loop controls defines the
limits of this thesis and the future research areas of this project.
Keywords : Unmanned underwater vehicle, nonlinear model, thrust-vectored vehicle, four-
propeller vehicle, input-output feedback linearization.