Soutenances de thèse ISAE-SUPAERO, école doctorale Aéronautique Astronautique (AA)

Léandro LUSTOSA, ISAE-ONERA EdyF et ISAE-ONERA CSDV
"Un drone multi-tâches convertible pour des missions de reconnaissance complexes"
le 14 novembre 2017 à 10h30, salle des thèses ISAE-SUPAERO

Emilien DUBOIS ENAC/LII et CREA
"Optimisation de la formation des pilotes par l’éducation du comportement oculaire"
le 17 novembre 2017 à 14h00, salle des thèses ISAE-SUPAERO

Summary L. Lustosa : Remote building intrusion missions in complex urban environments call for micro air vehicles (MAVs) capable of switching between long-endurance and hover flight modes. Traditionally, long-endurance missions are performed by fixed-wing architectures which advantage from lift generation due to aerodynamic surfaces. This yields high-speed stable flight even under adverse wind conditions. On the other hand, hovering platforms (e.g., multi-rotor platforms, helicopters) cannot benefit from air to vehicle relative movement and calls for energetically expensive propulsion methods that precludes long-distance missions but allows for sustained low-speed unstable indoor flight. This thesis is built around a hybrid architecture based on the tilt-body tail-sitting concept, called MAVion, that is capable of balancing aerodynamic and propulsion design parameters to deliver a solution to the remote building intrusion problem. Since their debut in the 50s, vertical take-off and landing (VTOL) aircraft would only be flown by the most experienced pilots. Recent advances on low-cost inertial sensors, embedded computing and control technology — on the other hand — support stability augmentation systems (SAS) in mitigating unstable dynamic modes and allowing for inexperienced (or even autonomous) flight. Nearly all autopilot design techniques, however, rely on accurate mathematical descriptions of novel and thus unfamiliar architectures (e.g., number and positioning of propellers, number and positioning of fixed/variable aerodynamic surfaces). While a large and growing body of literature has investigated underlying modeling, control and planning issues to specific hybrid vehicles, an unified approach to addressing arbitrary architectures is practically non-existent. The present thesis establishes an unified framework, namely the phi-theory, for assessing hybrid vehicles handling qualities and, moreover, designing appropriate stabilizing control laws. This study sets out to establish a tractable model for tail-sitting vehicles in view of control design and qualitative dynamics analysis. The proposed phi-theory not only yields a numerically advantageous model but also extends our comprehension of tail-sitting vehicles. In sharp contrast with existent literature, the proposed model is globally non-singular, polynomial-like and bypasses the use of aerodynamic angles of attack and sideslip (both free-stream and propwash-induced !). Nevertheless, even if mathematically elegant, a mathematical model has practical use only if consistent with reality. This thesis shows this is the case by means of wind tunnel data and flight experiments. I strongly believe phi-theory provides a fitting balance between model complexity and controller design simplicity. I prove this point by tuning MAVion’s controller in simulation and test-flying it in reality – with a novel aided inertial navigation technique – without resorting to further exhausting experimental tuning campaigns.

Résumé E. Dubois : Une des difficultés fréquemment rapportées par les instructeurs-pilotes et les moniteurs-simulateurs de l’Armée de l’air concerne l’enseignement du « bon » comportement oculaire chez les élèves-pilotes en début de formation. Un « bon » comportement oculaire permet généralement de visionner rapidement et régulièrement un ensemble d’instruments du cockpit tout en surveillant l’environnement extérieur. Or, il est fréquent de voir les jeunes élèves-pilotes rester focalisés de longues secondes à l’intérieur du cockpit au détriment notamment, de la surveillance du ciel (i.e. voir et éviter les dangers extérieurs) Cette thèse s’intéresse à la manière d’optimiser l’apprentissage du pilotage par l’amélioration de l’éducation du comportement oculaire. Dans divers domaines (e.g., médical, aéronautique), différentes méthodes d’éducation du comportement oculaire ont démontré leur efficacité quant à leur capacité à optimiser le temps d’apprentissage d’une tâche. En effet, à durée d’entraînement égale, les personnes qui ont bénéficié d’une éducation de leur comportement oculaire ont montré une supériorité dans la performance, l’efficience ou la résistance au stress lors de la réalisation des tâches concernées. Toutefois, l’éducation du comportement oculaire n’a reçu que très peu de validation empirique dans le domaine de la formation au pilotage (Ziv, 2016). Notre analyse de la littérature révèle que cela pourrait être dû à des difficultés de mise en œuvre technique et méthodologique (e.g., analyse en temps-réel du regard) inhérentes à la nature dynamique et complexe de l’activité de pilotage (Eyrolle, Mariné & Mailles, 1996). Cette thèse pluridisciplinaire (i.e., Interactions Homme-Machine & Facteurs Humains) propose une nouvelle approche visant à essayer de dépasser ces limites. Dans le but d’éduquer le comportement oculaire des élèves-pilotes, nous avons tout d’abord cherché à modéliser les caractéristiques du comportement oculaire à adopter. Puis nous avons conçu, développé et validé expérimentalement un premier outil spécifique, le PilotGazeTrainer (un logiciel informatique), permettant de mettre en œuvre une nouvelle méthode d’éducation du comportement oculaire. Cette méthode est basée sur deux principes essentiels : l’analyse permanente du regard du participant, et l’affichage en temps-réel de feedbacks visuels ou sonores en fonction des résultats de l’analyse oculaire. Afin d’évaluer cette nouvelle méthode, nous avons réalisé plusieurs expérimentations sur un simulateur de vol. Nous avons également développé un micromonde de pilotage, l’AbstractFlyingTask, dans le but de pouvoir aussi étudier notre méthode sur une population de non-pilote. Les premiers résultats montrent que notre méthode permet, en très peu de temps, une modification durable du comportement oculaire. Ces résultats comportementaux ont également révélé le potentiel des outils développés – le micromonde AbstractFlyingTask et le PilotGazeTrainer – pour éduquer le comportement oculaire dans des domaines dont la nature de l’activité est reconnue comme dynamique et complexe (e.g. conduite automobile).