FR3045009A1 - Procede et systeme permettant de maintenir un drone en position quasi stationnaire - Google Patents

Abstract

Système permettant de maintenir en position un drone, le drone comportant au moins un dispositif de communication avec une station de base, une base Ultra Large Bande (31), un module de vol, un calculateur, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants : • Au moins quatre transpondeurs, chaque transpondeur est adapté à transmettre un signal de réponse suite à une interrogation émise par une base UWB disposée au niveau du drone, • Le drone comportant un calculateur adapté à traiter les réponses des différents transpondeurs et à partir de ces réponses de déterminer les valeurs de dérives en position à corriger pour rester dans une position quasi stationnaire.

Description

PROCEDE ET SYSTEME PERMETTANT DE MAINTENIR UN DRONE EN POSITION QUASI STATIONNAIRE L’invention concerne un procédé et un système permettant le maintien d’un drone en position stationnaire ou quasi stationnaire au-dessus d’un point de référence, ce dernier pouvant être mobile et de position connue à tout moment.

Les drones sont de plus en plus utilisés pour différents types d’application et comportent pour cela des charges utiles ou payload adaptées. L’une des applications la plus classique consiste à embarquer une caméra pour une mission d’observation ou de surveillance. Dans ce cas, la charge utile est composée, outre d’une caméra, d’un modem pour transmission à distance et en temps réel des images recueillies. Parmi les moyens modernes de transmission, on peut citer le modem LTE (4G) encore appelé équipement utilisateur UE, ce dernier étant raccordé à une station de base distante (eNodeB). D’autres applications sont possibles, notamment celle qui consiste à définir la station à drone captif en un terminal de transmission, par exemple de type très haute fréquence VHF ou ultra haute fréquence UHF, raccordé à un réseau. Il est possible d’embarquer le poste radio VHF ou UHF sous le drone, mais l’exploitation à travers les périphériques dédiés à la phonie et aux données militent pour garder le poste radio au sol, si celui-ci est d’un poids incompatible de la capacité d’emport du drone, et pour embarquer uniquement l’antenne et le câble coaxial de raccordement au poste resté au sol, selon deux schémas, par exemple : • Emport de l’antenne de poste radio VHF avec câble coaxial raccordé au poste resté au sol, • Emport de l’antenne de poste radio UHF avec câble coaxial raccordé au poste resté au sol.

Un autre type d’application consiste à embarquer sur un drone captif une station de base LTE, si le poids le permet, de façon à permettre le raccordement de terminaux utilisateurs UE dans un rayon de plusieurs kilomètres autour du drone captif.

Le brevet FR 2 278 571, figure 1, décrit un système dans lequel le drone 1 est un engin captif de par la présence d’un câble d’attache 2 relié à une station sol 3 qui permet d’alimenter le drone en énergie et de le maintenir en place lorsque les conditions atmosphériques ne sont pas excessives.

La figure 2 schématise un exemple de station de base en version split embarquée 20 sur un drone 21. Il est possible, pour des raisons de minimisation du poids à embarquer, de constituer la charge utile par la pure partie radio d’une station de base de type 2G,.., 4G, 22. Cette partie radio est appelée RRH pour Remote Radio Head. Elle se trouve connectée à la partie numérique appelée bande de base ou BB 23, partie de la station de base comprenant la pile logicielle, par une fibre optique 24. Dans ce cas, l’ombilic est composé non seulement des conducteurs en cuivre 25 permettant d’alimenter le drone captif mais aussi de la fibre optique 24 pour acheminer les échantillons des signaux d’émission et de réception entre la partie radio RRH 22 et la bande de base 23. Parmi les possibilités, on distingue la partie radio RRH monovoie RF et la partie radio RRH multivoies RF, cette dernière permettant de choisir la bande de fréquences, parmi plusieurs voies RF de la partie RRH, en fonction de contraintes de déploiement dans la zone concernée. L’amélioration des capacités d’intégration physique des stations de base fait qu’il devient même possible d’embarquer une station de base complète, car miniaturisée, sur un drone captif même de petite taille. Ainsi, la mise en charge utile d’une station de base LTE ou d’une station relais miniaturisée est connue. Une liaison locale à très haut débit, par exemple une fibre optique entre la station embarquée et un réseau local de type LAN au sol, peut être utilisée. L’ombilic peut être composé d’un câble spécifique dédié à l’énergie nécessaire au drone captif pour voler, comme cela est le cas pour l’emport de terminaux UE 4G ou de stations de base eNodeB 4G miniaturisées ou en version split. Une fibre optique peut être ajoutée pour assurer la liaison de données avec le réseau LAN local.

En revanche, l’ombilic, dans le cas d’un câble coaxial d’antenne pour postes VHF ou UHF restés au sol, transporte sur ce câble coaxial l’alimentation du drone. L’un des problèmes actuels posé par un drone captif est de pouvoir rester en position stationnaire ou quasi stationnaire au-dessus d’un point ou d’une zone de référence sans détériorer ses moyens de liaison avec une station sol.

Une solution pour résoudre ce problème est d’utiliser une caméra visant une cible de référence au sol, la caméra pouvant être installée au niveau du drone et reliée à un dispositif embarqué. Les résultats de mesure de la caméra seront utilisés par un contrôleur qui va agir sur les moteurs du drone pour rectifier d’éventuelles dérives en position de façon à maintenir le drone dans une position quasi stationnaire. L’idée de la présente invention repose sur une nouvelle approche utilisant les ondes Ultra Large Bande ou UWB afin de garder sensiblement dans une même position le drone, jusqu’à une certaine limite de vitesse de vent, de conserver une possibilité de rotation autour de cette position pour, soit orienter une caméra, soit focaliser une antenne dans une direction donnée. L’invention concerne un système permettant de maintenir en position un drone, le drone comportant au moins un dispositif de communication avec une station de base, une base Ultra Large Bande, UWB, un module de vol, un calculateur, caractérisé en ce qu’il comporte au moins les éléments suivants : • Au moins quatre transpondeurs, chaque transpondeur étant adapté à transmettre un signal de réponse suite à une interrogation émise par une base UWB disposée au niveau du drone, • Le drone comportant un calculateur adapté à traiter les réponses des différents transpondeurs, à déterminer la distance Di d’un transpondeur Ti au drone et, à partir de ces réponses et des valeurs de distance Di d’un transpondeur au point de référence D, à déterminer les valeurs de dérives du drone en position et à corriger ces dérives afin de conserver le drone dans une position quasi stationnaire.

Les quatre transpondeurs étant, par exemple, disposés à une même distance OT d’un point 0 dans un repère cartésien, on calcule les dérives Ex, Ey dans le plan horizontal P d’un repère cartésien et on corrige la dérive en hauteur Δζ de la hauteur z = (x2 - Ex2 - Ey2)1/2 par rapport au plan P passant par les quatre transpondeurs avec ΔΖ = (consigne en z) - z, la valeur de consigne étant une valeur fixée ou définie en temps réel.

Les transpondeurs étant situés à des distances OTi quelconques par rapport à un point de référence O, les coordonnées relatives des transpondeurs sont, par exemple, définies par rapport à un transpondeur de référence.

Le système peut comporter un filtre de Kalman adapté à filtrer et à déterminer un vecteur d’état pour le drone à un instant k donné en utilisant le vecteur d’état de l’instant précédent k-1, un vecteur d’état étant défini par les positions et les vitesses sur les axes x, y et z du repère orthonormé formé par le jeu de transpondeurs au sol, et le calculateur est adapté à agir sur le vecteur vitesse pour ramener le drone vers sa position initiale.

Le système peut comporter un module adapté à tester si le drone est à droite, à gauche, devant ou derrière la position de référence, et à transmettre ces informations au module contrôleur générant des commandes conduisant à déclencher un pitch négatif ou positif, et/ou un roll positif ou négatif.

Le système peut comprendre un drone principal, maintenu en position quasi stationnaire et un ou plusieurs drones secondaires asservis en position par rapport au drone principal au moyen d’un système de positionnement de type GPS.

Le système peut aussi comprendre un drone principal maintenu en position quasi stationnaire et un ou plusieurs drones secondaires maintenus en position par rapport au drone principal au moyen d’un système de positionnement multipoints utilisant la technologie UWB. L’invention concerne aussi un procédé pour maintenir en position quasi stationnaire un drone par rapport à un point donné caractérisé en ce qu’il comporte au moins les étapes suivantes : • Emettre un signal Ultra Large Bande, UWB, Suwb, du drone vers un ou plusieurs transpondeurs, • A partir du signal de réponse Su, St2, Sj3, ST4 émis par le ou les transpondeurs, de la distance Di entre un transpondeur Ti et le drone obtenue à partir du signal réponse, déterminer les dérives éventuelles en position du drone, • Corriger ces dérives afin de maintenir le drone en position quasi stationnaire.

Selon une variante, le procédé comprend une étape de filtre des mouvements du drone au moyen d’un filtre de Kalman, en prédisant l’état du drone à l’instant k connaissant l’état du drone à un instant précédent (k-1), le vecteur d’état tenant compte des positions et des vitesses du drone repérées dans un repère orthonormé formé par le jeu des transpondeurs.

Selon une autre variante, on maintient en position un drone principal et on asservit un ou plusieurs drones secondaires en utilisant un module GPS équipant chacun des drones secondaires ou à l’aide d’un système de positionnement point multipoints utilisant la technologie UWB. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d’exemples illustratifs et non limitatifs, annexée des figures qui représentent : • La figure 1, un exemple de drone captif selon l’art antérieur, • La figure 2, un exemple d’application de base 4G, • La figure 3, un premier exemple de système de maintien selon l’invention, • La figure 4, une architecture fonctionnelle des éléments du système, le drone, les transpondeurs et une station sol, • La figure 5, un exemple des étapes pour les algorithmes mis en œuvre par le procédé selon l’invention, • La figure 6, une deuxième variante de réalisation avec des motifs quelconques au sol, • La figure 7, une variante de réalisation pour un essaim de drones, et • La figure 8, une variante de la figure 7.

La figure 3 représente un premier exemple de système selon l’invention comprenant un drone 30 équipé d’une base UWB 31 (émetteur/récepteur UWB) et de plusieurs transpondeurs Ti=321, Ï2=322, T3=323, T4=324, dans l’exemple quatre transpondeurs UWB, répondant aux interrogations de la base UWB 31 située en dessous du drone 30, par exemple.

La figure 4 illustre les éléments constituant le drone 1 et les liaisons entre les éléments du système selon l’invention. Le drone 1 comporte, par exemple, une charge utile 33 comprenant une carte LTE 331 permettant la liaison avec une station sol 40, un poste radio 332, une antenne 333 et éventuellement une caméra d’observation 334. La carte LTE 331 est en liaison avec un dispositif de contrôle 34 comprenant un émetteur/récepteur 35e, 35r pour communication de service entre le drone et le sol. Cette liaison peut être de type filaire par l’intermédiaire d’une fibre optique, ou sans fil, selon le débit et la latence nécessaire, ou encore servir de liaison entre une station sol et le drone pour permettre d’effectuer des réglages au cours du vol. La carte LTE est adaptée à récupérer les trames des données de vol afin de les transmettre à la station sol.

Le drone comporte aussi un calculateur de bord 36. Le calculateur de bord 36 sert de liaison entre la base UWB 31, un module de vol 37 et la carte LTE 331 ayant notamment pour fonction de traduire et de transmettre les données entre le module de vol et la carte LTE. C’est le calculateur 36 qui récupère les résultats de la base UWB 31 pour les traduire en ordres de direction envoyés au module de vol 37 qui va lui-même transmettre des ordres au dispositif de contrôle 38 du moteur 39.

La station sol 40 comprend, par exemple, une ou plusieurs balises UWB 41 qui dialoguent avec la base UWB 31 positionnée au niveau du drone et un dispositif de contrôle 42 qui dialogue avec le contrôleur du drone, via des liaisons de type fibre optique ou sans fil, comme par exemple une télécommande opérée par un opérateur.

Le drone peut aussi être équipé d’un ou de plusieurs sonars, 45. Leur nombre est choisi par exemple en fonction du nombre de drones suiveurs dépendants d’un drone asservi, selon un schéma décrit plus loin dans la description.

Un module de positionnement, par exemple un dispositif GPS (Global Positioning System) 46, permettra de transmettre au calculateur du drone des informations sur la position du drone maître et des drones suiveurs éventuellement. Le dispositif GPS peut notamment être adapté à tester si le drone se trouve à droite, à gauche, devant ou derrière la position de référence et transmettre cette information au module de contrôle 34 qui déterminera des commandes conduisant à déclencher un pitch négatif ou positif, et/ou un roll positif ou négatif. Une caméra 47, telle qu’une caméra CCD, sert au vol du drone en complément des mesures pour des conditions de fonctionnement considérées comme anormales.

La base UWB détermine sa position exacte par rapport aux transpondeurs restés au sol en effectuant la triangulation des mesures de distance entre chaque transpondeur et elle-même, par exemple.

Il existe actuellement deux possibilités de contrôle annexe du drone.

La première est l’utilisation d’une radiocommande couplée à un récepteur 35r du module 34 sur le drone 1. L’avantage de cette solution est d’avoir un contrôle direct et précis des mouvements du drone (translations et rotations sur les axes X, Y et Z) par un pilote au sol (ou télépilote). Mais l’inconvénient reste l’insécurité de la liaison entre le drone et la radiocommande, celle-ci pouvant être facilement brouillée ou interceptée.

La deuxième solution consiste à utiliser un système de télémétrie, que ce soit sans-fil ou au contraire passant par l’ombilic. Cette solution est basée sur l’utilisation d’un émetteur/récepteur 35e, 35r sur le drone 1 pouvant transmettre les informations de positionnement du drone vers une station sol et recevoir des ordres depuis cette dernière (repositionnement, décollage, atterrissage). Cette solution permet, en outre, d’utiliser la technologie UWB pour communiquer entre la station sol et le module de vol du drone. Pour cela, les trames de communication entre le sol et le drone sont encapsulées dans le signal UWB entre un transpondeur sol et la base UWB du drone selon des méthodes d’encapsulation connues de l’homme du métier. La liaison et l’échange de données s’effectueront au moyen d’une fibre optique, par exemple.

De manière plus générale, les liaisons pourront être les suivantes : • Un canal traditionnel RC, radiocommande de modèle réduit par exemple, • Un canal via la charge utile LTE (UE ou eNB), • Un canal via les balises UWB, • Un canal filaire pour des applications captives au travers d’un ombilic.

Selon une variante de réalisation, les transpondeurs T-i=321, T2=322, T3=323, T4=324 (figure 3) sont disposés par exemple sur le sol ou encore sur une partie d’un véhicule 50 dédié au déploiement vertical du drone. Les transpondeurs 321, 322, 323, 324 sont interrogés tour à tour selon une séquence S connue du drone 1. L’émetteur UWB 31e du drone transmet un signal d’interrogation Suwb, les signaux de réponse en retour, Sn, ST2, St3, Sj4, émis par les quatre transpondeurs dans cet exemple sont reçus par le récepteur UWB du drone. Chaque interrogation fournit une valeur de distance D-ι, D2, D3, D4, entre un transpondeur 321, 322, 323, 324 et la base UWB 31. Par exemple, la cadence des mesures sera de 62.5 ms. A noter que la mesure d’une distance de 200m ne nécessite, en principe, que 2x200x3ns = 1.2ps de temps, soit très peu par rapport à la récurrence citée ci-avant. Sur la base UWB, plusieurs trames de mesures sont possibles : • Dans le cas le plus simple, la base UWB interroge tour à tour chacun des transpondeurs au sol, récurrence par récurrence, soit un transpondeur interrogé par récurrence, ce qui dans le cas de quatre transpondeurs au sol revient à obtenir une mesure de distance avec chaque transpondeur toutes les 250ms (quatre par seconde), • Dans le cas le plus performant, la base UWB interroge tous les transpondeurs à chaque récurrence, en séparant les interrogations pour chaque transpondeur interrogé, ce qui permet d’obtenir seize jeux de mesure par seconde avec chaque transpondeur.

Sur la figure 3, les transpondeurs sont disposés en « croisillon » par rapport à un point central O. Leur position à chacun est repérée par rapport à ce point O de coordonnées géographiques, géodésiques connues. Ce point correspond au point de référence pour le maintien en position du drone.

Le calcul de l’écart par rapport au point central O, en considérant des coordonnées cartésiennes Ox, Oy, Oz, est déterminé par les formules suivantes : OT2 + x2 - 2 x OTx xxx cos(7\OD) = D2 OT2 + x2 - 2 x OT2 xxx cos{T20D) = D22 ΟΊf +x2 -2x0Zj xxxco s(:m-TxOD)=Dl OT2 + x2 - 2 x OT4 x x x cos(l 80-T2OD) = D] x est la distance entre le drone et le point O, connue initialement, dans cet exemple de réalisation, Di : la distance entre le drone D et un tag ou transpondeur Ti, TiOD : l’angle fait au point O entre la position d’un tag Ti et la position de référence D du drone.

Dans le cas où les transpondeurs sont tous disposés à une même distance du point O, OTi=OT2=OT3=OT4=OT, on a : x2-2 xOTx cos(7\OD) = D2 - OT2 x2-2 xOTx cos(T2OD) = D2 - OT2 x2 + 2 x OT x cos(7]OD) = D2 - OT2 x2+2 xOTx cos (T2OD) = D2 - OT2

Soit : 2xx2 =D2 +D2 -2xOT2 2xx2=D2+D24-2xOT2.

On détermine en conséquence les valeurs des angles et donc les valeurs des écarts, des dérives par rapport à la position de maintien souhaitée de la façon suivante : x2 = % (D-ι2 + D22 + D32 + D42 - 4xOT2) cos C^OD) = (D32 - Ü!2) / 4 OT cos (T2OD) = (D42 - D22) / 4 OT Ex (écart suivant l’axe TiOT3) = x cos(T-iOD)

Ey (écart suivant l’axe T2OT4) = x cos(T2OD).

La position réelle en hauteur z par rapport au plan des transpondeurs (en prenant comme hypothèse que les quatre transpondeurs sont dans un même plan) est calculée de la façon suivante : z2 = x2 - Ex2 - Ey2 D’où z = (x2 - Ex2 - Ey2)%

La correction en z est en conséquence : ΔΖ = (consigne en z) - z.

Les distances Di sont mesurées et la distance OT est connue.

La hauteur de consigne est indiquée par configuration initiale, par exemple, ou à tout moment, par modification en temps réel par un opérateur au sol.

Il est nécessaire de filtrer les mouvements du drone, celui-ci devant rester stationnaire par rapport à un point de référence.

En basant ce maintien en position stationnaire sur un filtre de Kalman, le vecteur d’état peut être le suivant :

où Ex, Ey, Ez, Vx, Vy, Vz représentent respectivement les positions et les vitesses sur les axes x, y et z du repère orthonormé formé par le jeu de transpondeurs au sol.

La prédiction de l’état du drone à l’instant k, connaissant l’état à l’instant précédent (k-1) est la suivante :

Xk/k-i = F Xk-i/k-i où F est une matrice de transition d’état posée ci-dessus, ΔΤ la période d’échantillonnage considérée, par exemple égale à une constante par simplicité.

En tenant compte d'une tentative de correction des composantes de vitesse pour ramener le drone à sa position de référence, par exemple, l’annulation des écarts cités précédemment :

Xk/k-1 = F Xk-i/k-1 + B Uk + Wk avec Uk un vecteur de commande de vitesse, et Wk un vecteur de composantes de bruit et de covariance Qk :

La mesure effectuée est la suivante, pour la dérive en hauteur :

avec Vk un vecteur de composantes de bruit d’observation et de covariance Rk,

Zk = H Xk + Vk avec H qui est une matrice d’observation 3x6 dans cet exemple, elle sert à prélever les trois premières composantes de Xk auxquelles se rajoute le bruit de mesure par l’intermédiaire de Vk.

En résumé :

Xk/k-1 = F Xk-i/k-1 + B Uk + Wk Zk = H Xk + Vk Yk = Zk-H Xk/k-1

Yk étant l’erreur résiduelle de prédiction, Xk/k devant tendre vers 0 pour toutes ses composantes si le système est bien stabilisé.

La résolution fait appel aux équations suivantes :

Prédiction de la covariance estimée :

Pk/k-1 = F Pk-1/k-1 FT + Qk Erreur résiduelle de prédiction:

Yk = Zk - H Xk/k-i Covariance résiduelle :

Sk = H Pk/k-i HT + Rk Gain de Kalman :

Kk = Pk/k-1 HT Sk'1 Etat estimé mis à jour :

Xk/k = Xk/k-1 + KkYk

Mise à jour de la covariance estimée :

Pk/k = (I Kk H) Pk/k-1.

Cette forme est la plus simple à mettre en œuvre. Il est possible d’ajouter des composantes d’accélération dans le vecteur d’état. De même, pour prendre en compte l’orientation, il est possible d’ajouter dans le vecteur d’état un angle d’azimut dans le plan xOy avec une mesure d’un capteur de compas magnétique dans le vecteur mesure.

Il est aussi possible d’associer au paramètre hauteur (consigne en z), des paramètres d’écart en x, y, considérés dans un diagramme cartésien x, y, z. Autrement dit, le drone peut être écarté volontairement de la verticale du point de référence. Sans sortir du cadre de l’invention, il est possible de travailler en coordonnées polaires.

La figure 5 représente un exemple illustratif et non limitatif de diagramme d’asservissement possible en position. Les actions sont à considérer par rapport à une position initiale ou de référence du drone.

Les mesures de distance étant réalisées et les coordonnées de la position du drone à un instant donné calculées, le calculateur teste 51 si le drone est trop d’un côté (en x et en y) de la position de référence, si oui, alors il va tester si le drone est devant la position de référence, 52, si oui le calculateur transmet des données sous forme d’une trame qui contient des paramètres de commande conduisant à déclencher un roll négatif (RN, PN) et un pitch négatif, 53. Dans le cas contraire, le calculateur regarde si le drone est derrière 54, si oui, il transmet des paramètres de commande vers le module de vol, paramètres qui vont être relayés vers le contrôle moteur. Les données transmises contiennent les informations roll négatif RN, pitch positif PP, 55. Sinon, 56, il envoie une commande correspondant à déclencher un roll négatif, RN.

Dans le cas où le drone est trop à gauche, 57 on va de façon similaire tester si le drone est devant 60, si oui, alors le calculateur transmet des informations de commande roll positif RP, pitch négatif PN, 61, sinon si le drone est derrière 62, alors les données transmises 63 contiennent les informations roll positif, pitch positif, sinon les données transmises contiennent les informations roll positif, 64.

Dans le cas où le drone n’est pas trop à gauche, on teste s’il est trop devant, 65, si oui le calculateur va transmettre des données sous forme de trames, pitch négatif 66. Sinon, le calculateur va tester si le drone est trop derrière, 67, si oui il transmet des ordres de commande pitch positif, 68, sinon 69 il retourne à la première étape de test drone trop à droite.

Les étapes illustrées sont un exemple de mise en oeuvre données à titre illustratif et nullement limitatif. Toute modification de direction doit prendre en compte une orientation d’assiette du drone non plane (c’est-à-dire Rx=0, Ry=0, Rz=0), par exemple si le drone penche vers la gauche, une commande de correction vers la droite doit être envoyée. Dans le cas où le drone est à plat mais dérive du point central, il est nécessaire de corriger axe/axe. Toujours en exemple, si le drone est trop à gauche et en arrière, il sera nécessaire de corriger vers la droite et, en même temps ou juste après, une correction vers l’avant. Donc dans tous les cas, il faut éventuellement vérifier chaque axe avant de corriger la trajectoire.

La figure 6 représente un deuxième exemple de réalisation qui schématise le cas d’applications où les transpondeurs seront disposés de façon quelconque, lancés manuellement ou automatiquement, les distances OTi sont quelconques. Dans ce cas, le système comporte un transpondeur 70 positionné au niveau du point 0 qui désigne la marque au sol au-dessus de laquelle on souhaite maintenir le drone.

Dans cet exemple d’application, les transpondeurs sont des interrogateurs/répondeurs adaptés à lancer des interrogations et à mesurer les distances entre eux. Par exemple, le transpondeur Ti est adapté à déterminer les distances T-îj entre le transpondeur T| et les autres transpondeurs Tj, où j est la référence d’un autre transpondeur du système.

De cette façon, on peut déterminer les coordonnées relatives des transpondeurs par rapport au transpondeur de référence. En effet, si l’on considère un ensemble de transpondeurs jetés à la volée sur le sol autour du transpondeur de référence To, il est possible d’obtenir dans une phase initiale tout ou partie des mesures Tj,j, N est le nombre de transpondeurs, ce qui permet d’aboutir à la matrice suivante :

Cette matrice est symétrique et l’inversion de celle-ci permet d’obtenir une représentation en trois dimensions. Les différents transpondeurs sont alors placés dans un repère, par exemple orthonormé dont le point de référence est le transpondeur T0.

Selon une variante de réalisation, on cherchera à ajouter une possibilité d’orienter le drone de façon telle que l’antenne directive équipant le drone se trouve dans une position optimale de fonctionnement. Ceci est particulièrement avantageux dans le cas : • De l’établissement d’une liaison point-à-point du type faisceau hertzien, l’un des points du faisceau étant le drone captif, au-dessus de toute végétation et autorisant ainsi un gain système important même avec une antenne directive de gain modéré. Le drone, dans ce cas, peut optimiser en temps réel l’orientation de l’antenne directive et la pointer en permanence vers le point distant du faisceau, • De l’emport d’un terminal 4G (UE pour User Equipment), celui-ci devant se raccorder à une station de base (eNodeB) distante. La distance entre le terminal et l’eNodeB est d’autant plus importante que l’antenne directive connectée au terminal possède un gain important et que le drone captif est capable de la maintenir pointée de façon optimale, • De l’emport d’un relais eNodeB-UE, la problématique du pointage de l’antenne directive sur l’UE étant semblable à celle du cas précédent. L’orientation du drone sera effectuée par exemple : • Soit par consigne, en lui indiquant la direction de la station de base ou du point distant à joindre ; dans le cadre d’une utilisation sans GPS, la mise œuvre d’un compas magnétique permet d’indiquer avec précision le pointage du drone vers la station base à joindre, • Soit par base de données cartographiques présentes dans le segment sol, le drone s’orientant vers la station la plus proche ou la station qui lui est désignée, le drone connaissant sa position dans l’espace et le compas magnétique permettant d’indiquer le pointage du drone, • Soit par mesure du champ reçu avec également en plus la mesure de la qualité du signal reçu à la fois sur le drone et au niveau du point distant, le drone s’orientant finalement vers la station offrant respectivement le meilleur rapport signal à bruit ou le meilleur rapport signal à bruit + interférence.

Selon la récurrence du nombre de mesures par seconde et la force d’un vent continu ou d’un vent en rafale, une technique de récupération de la dérive doit être mise en place.

Le dispositif UWB permet, par exemple, d’effectuer dix mesures par seconde de distance entre le drone et les transpondeurs au sol (valeur choisie à titre d’exemple pour la simplicité des calculs qui suivent). A raison d’un vent de 20 nœuds, soit environ 36km/h, cela veut dire qu’en 100ms le drone a parcouru 1m. Un filtre de trajectoire, dont le but est de prédire la position du drone face au vent continu ou à la rafale de vent, doit être introduit de façon à en corriger le déplacement par commande inverse sur la carte de contrôle de navigation. Par exemple, on mesure la position au cours du temps du déplacement du drone par rapport à une position initiale donnée, et si la valeur de déplacement est supérieure à une valeur seuil traduisant une dérive trop importante alors on va corriger cette dérive.

Il a été mentionné précédemment la possibilité d’emporter au niveau d’un drone un relais constitué d’une station eNodeB et d’un utilisateur UE. La mise en œuvre d’une antenne directive sur l’équipement UE a notamment pour effet d’augmenter le gain système mais aussi le découplage entre les aériens eNodeB et UE, rendant ainsi moins compliqués les efforts de fonctionnement en cosite, notamment en fonctionnement Intrabande pour lequel un découplage suffisant est très difficile à obtenir.

Considérant une station eNodeB à antennes omnidirectionnelles en emport sur le drone captif (créant ainsi une bulle de communication à longue distance), il est possible d’éviter ces problèmes de cosite en disposant une liaison radio du type millimétrique, par exemple, à très haut débit entre le drone et la station sol (liaison dite de backhauling). La portée entre le drone et cette station sol est d’autant plus importante que l’antenne est directive et que le drone a la possibilité de maintenir le pointage vers la station sol. Il est possible d’avoir recours à des servomoteurs couplés à une carte de stabilisation couramment utilisés dans les systèmes de gyro-stabilisation pour drone (comme par exemple une nacelle pour caméra). La carte de stabilisation doit pouvoir prendre en compte des commandes externes, comme par exemple des commandes depuis un récepteur radiocommande pour permettre un pointage manuel si nécessaire. Ce système peut être également indépendant ou en liaison avec le contrôleur de vol du drone et il permet d’assurer le pointage de cette antenne directive toujours dans la bonne direction. Cette direction peut être trouvée automatiquement via un asservissement sur la qualité du lien radio, par pilotage direct ou par consigne (coordonnées GPS par exemple) et ce de façon totalement indépendante du vol du drone.

Selon un mode de réalisation, figure 7, le drone asservi par rapport à un point de consigne en exécutant les étapes du procédé selon l’invention peut servir de drone maître sur lequel plusieurs drones pourront venir s’asservir. Le drone maître 710 est par exemple asservi à partir du sol par un ombilic 711, les autres drones sont libres mais asservis en position par rapport au drone maître. L’ensemble des drones est considéré comme une seule entité, les drones étant capables de se mouvoir, de façon coordonnée tout en se répartissant différentes tâches. Dans le cadre d’un essaim centré sur le drone de référence captif, le système comprend une station sol de référence positionnée, excepté en altitude, au même endroit ou sensiblement au même endroit que le drone.

Les drones peuvent être équipés de dispositifs de positionnement tels que des GPS (cas appelé K1 par la suite). Le drone maître 710 reste asservi automatiquement et embarque un système de transmission 712 et un calculateur 713 permettant le pilotage en essaim de drones suiveurs 715, 716, 717, 718. Le drone maître et les drones suiveurs embarquent un GPS (non représenté) pour le positionnement dans l’espace via la présence d’un satellite 719. La position du drone maître reste fixe alors que les drones suiveurs peuvent s’écarter tout en permettant à l’opérateur de savoir où se situe chaque drone grâce au retour de télémétrie. Le drone maître est alimenté au moyen du câble 711 et les drones suiveurs ont une autonomie limitée. Un drone suiveur va donc revenir fréquemment sur une base 720 pour se recharger.

Chaque drone (suiveur comme leader) possède un module de télémétrie connecté avec la station opérateur au sol. Cette télémétrie comporte toutes les données de l’état du drone en temps réel telles que, l’orientation, la consommation électrique et la position dans l’espace via le récepteur GPS. Il est donc possible de connaître en temps réel la position GPS des drones suiveurs et du leader via une IHM sur un PC disposé au niveau de la station sol, par exemple, et d’interagir avec chaque drone pour optimiser leur positionnement autour du leader. Dans certaines applications, le calculateur du drone leader comportera un module programmé pour interagir automatiquement avec chaque drone suiveur pour contrôler son positionnement par rapport au leader.

Cette variante de réalisation est adaptée pour des missions de surveillance, de détection optique ou électromagnétique, etc. Elle permet notamment de pouvoir donner des ordres aux drones suiveurs via le drone maître pour une mission longue portée, à la limite de réception des drones suiveurs, et permettre ainsi d’élargir le champ d’action de tout le système.

La figure 8 représente un exemple d’application où un drone de référence 800 reste automatiquement asservi et embarque une station de base permettant le pilotage en essaim de drones suiveurs 810, 811, 812, 813. Le drone de référence ou drone maître et ses suiveurs embarquent un système de positionnement point-multipoints utilisant la technologie UWB pour le positionnement dans l’espace (cas appelé K2 par la suite). Chaque drone calcule sa position en fonction du drone maître et des autres drones suiveurs pour se positionner dans un espace à trois dimensions. Les modules UWB des drones (maître + suiveurs) peuvent travailler en autolocalisation 3D comme dans le cas des transpondeurs jetés à la volée sur le sol ; la différence se situant au niveau de la correction temps réel continue.

La position du drone maître reste stationnaire grâce à la mise en œuvre du procédé selon l’invention, alors que les drones suiveurs peuvent s’écarter tout en permettant à l’opérateur de savoir où se situe chaque drone dans une bulle ou périmètre donné grâce au retour de télémétrie.

Cette méthode offre l’avantage de donner des ordres aux drones suiveurs via le drone maître pour une mission courte portée, à la limite de réception des modules UWB, tout en supprimant la dépendance au GPS et permettre ainsi l’utilisation de ce système dans un environnement où le fonctionnement GPS est perturbé. Plus il y a de drones impliqués, meilleur sera le fonctionnement du système. En effet, chaque drone suiveur communiquant avec chacun des autres drones composant l’essaim, la précision des déplacements et donc de la position est affinée par chaque drone suiveur ajouté.

Selon une autre variante de réalisation, le drone maître sera asservi à un véhicule au sol, éventuellement mobile, et alimenté à partir de ce véhicule par un ombilic. Les autres drones suiveurs seront libres mais asservis en position par rapport au drone suiveur. Le principe décrit en relation avec l’exemple de la figure 8 reste le même, à la différence que le véhicule se déplace, le drone maître étant donc en mouvement.

Pour le cas d’une application avec GPS (K1), le véhicule devient le maître. Le drone maître captif reste asservi par la technique UWB, mais les drones suiveurs se dirigent en fonction du mouvement du véhicule.

Le procédé selon l’invention prend en compte le déplacement du véhicule mais aussi le temps de latence dû au calcul de la position GPS et du calcul des nouvelles positions des drones suiveurs. Ce temps de latence comprend, tout d’abord, le temps d’acquisition de la position GPS pour un drone suiveur puis le temps de transmission via la télémétrie vers la station sol. Ensuite la station sol doit avoir toutes les nouvelles positions de chaque drone pour pouvoir éventuellement les corriger et enfin transmettre la nouvelle position GPS à chaque drone. Le mouvement des drones suiveurs n’est donc pas parfaitement synchrone avec le drone maître.

Dans le cas d’un positionnement par UWB (K2), le drone maître est toujours asservi par rapport au véhicule et les drones suiveurs sont asservis par rapport au drone maître et à chacun d’entre eux. Il est possible de considérer que le drone maître et les drones suiveurs correspondent à une bulle qui fera mouvement dans la même direction que le véhicule. Les drones suiveurs modifient leur altitude par rapport à celle du drone maître. Chaque drone est capable de connaître sa position par rapport aux uns et aux autres, ils corrigent leur position afin de rester à la distance prédéfinie par l’utilisateur.

Les équations de principe qui régissent le suivi et le contrôle du mouvement sont les suivantes : • Cas K1 : à partir de la station sol, filtre de Kalman à trois dimensions avec vitesse et accélération pour calculer par anticipation les trajectoires de chaque drone et éviter les collisions, • Cas K2 : dans chaque drone suiveur, filtre de Kalman à trois dimensions avec vitesse et accélération pour calculer par anticipation les trajectoires de chaque drone et éviter les collisions.

Le système d’asservissement et de pilotage du drone décrit précédemment pourra être couplé à une base de données cartographiques afin de s’affranchir de toute intervention de pilote. Ce système peut être directement intégré au drone pour une autonomie totale ou être intégré à la station sol qui corrigera l’altitude du drone en fonction de la topographie. Il faudra donc que la station sol ou le drone lui-même prennent en compte les dénivelés pour corriger l’altitude du drone.

Le positionnement en altitude du drone en fonction de la topographie sera obtenu de la manière suivante : l’altitude du drone à une position donnée auquel on ajoute les dénivelés en positif ou en négatif donne la nouvelle altitude.

Il peut également être pris en compte le passage sous un pont ou tunnel. Dans ce cas, la station sol devra ordonner au drone de réduire son altitude ou de se poser (ce dernier étant plus sécuritaire) en fonction de la hauteur de l’ouvrage à passer. Cette possibilité n’est en revanche possible qu’avec la présence d’un bon signal GPS pour connaître la position du drone et du véhicule. Grâce à cette base de données, le système va se localiser géographiquement et sera capable d’anticiper la présence d’obstacles recensés sur une carte ou une base de données, du type ligne à haute tension, tunnel, pont, etc. et d’agir sur le module de vol pour éviter ces obstacles. Ainsi, le drone pourra rejoindre sa base de stationnement ou alors se mettre à une altitude de sécurité lors du franchissement/croisement de l’obstacle. Cette base de données peut avoir été préalablement chargée localement, sur un véhicule, sur une station sol qui gère le drone, etc., ou alors elle peut être accessible à distance en temps réel via une connexion de type internet, si le véhicule est doté d’un lien satellitaire ou si le drone est équipé d’un modem de données de type 3G/4G ou encore d’une liaison tactique. Cet aspect temps réel est d’autant plus important que l’environnement rencontré peut subir des modifications, telles que des destructions, des poteaux renversés, etc.

En plus de bases de données cartographiques, il est possible d’ajouter une caméra frontale et des dispositifs ultrasoniques afin de palier à une éventuelle décorrélation entre l’environnement dans lequel le drone évolue et les informations stockées dans la base de données.

Ainsi, si des lignes électriques, téléphoniques ou des obstacles non recensés font obstacle à l’avancée du drone, ils seront détectés par ces dispositifs et traités par le calculateur équipant le drone. La majeure partie des modules de vol peuvent être nativement couplés avec des dispositifs ultrasoniques, mais ceux-ci pourraient être tout aussi bien reliés au calculateur qui évaluerait en temps réel la proximité avec un obstacle pour envoyer au module de vol des corrections d’attitudes. De même pour la caméra frontale, celle-ci serait forcément reliée au calculateur pour pouvoir y effectuer un traitement vidéo temps réel de détection d’obstacles pour prendre les décisions appropriées d’évitement.

Les systèmes décrits précédemment pourront être doublés de systèmes et de procédures de secours dans le cas d’une panne du système d’asservissement.

Le système selon l’invention permet notamment de maintenir en place, par rapport à un point de référence un drone afin de minimiser les efforts exercés sur le câble d’alimentation.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1 - Système permettant de maintenir en position un drone (1), le drone comportant au moins un dispositif de communication (34) avec une station de base, une base Ultra Large Bande (31) UWB, un module de vol (37), un calculateur (36), caractérisé en ce qu’il comporte au moins les éléments suivants : • Au moins quatre transpondeurs (321, 322, 323, 324), chaque transpondeur étant adapté à transmettre un signal de réponse suite à une interrogation émise par une base UWB disposée au niveau du drone, • Le drone (1) comportant un calculateur (36) adapté à traiter les réponses des différents transpondeurs, à déterminer la distance Di d’un transpondeur Ti au drone (1) et à partir de ces réponses et des valeurs de distance Di d’un transpondeur à un point de référence D, à déterminer les valeurs de dérives du drone en position et à corriger ces dérives afin de conserver le drone (1) dans une position quasi stationnaire.
2. 2 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que les quatre transpondeurs (321, 322, 323, 324) étant disposés à une même distance OT d’un point 0 dans un repère cartésien, on calcule les dérives Ex, Ey dans un repère cartésien et on corrige la dérive en hauteur z = (x2 - Ex2 - Ey2)y* par rapport à un plan P passant par les quatre transpondeurs avec ΔΖ = (consigne en z) - z, la valeur de consigne étant une valeur fixée ou définie en temps réel.
3. 3 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que les transpondeurs (321, 322, 323, 324) étant situés à des distances OTi quelconques par rapport à un point de référence O, les coordonnées relatives des transpondeurs étant définies par rapport à un transpondeur de référence.
4. 4 - Système selon l’une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu’il comporte un filtre de Kalman adapté à filtrer et à déterminer un vecteur d’état pour le drone à un instant k donné en utilisant le vecteur d’état de l’instant précédent k-1, un vecteur d’état étant défini par les positions et les vitesses sur les axes x, y et z du repère orthonormé formé par le jeu de transpondeurs au sol et le calculateur est adapté à agir sur le vecteur vitesse pour ramener le drone vers sa position initiale.
5. 5 - Système selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comporte un module (46) adapté à tester si le drone est à droite, à gauche, devant ou derrière la position de référence et à transmettre ces informations au module contrôleur (34) générant des commandes conduisant à déclencher un pitch négatif ou positif, et/ou un roll positif ou négatif.
6. 6 - Système selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend un drone principal (710) maintenu en position quasi stationnaire et un ou plusieurs drones secondaires (715, 716, 717, 718) asservis en position par rapport au drone principal (710) au moyen d’un système de positionnement de type GPS.
7. 7 - Système selon l’une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu’il comprend un drone principal (800) maintenu en position quasi stationnaire et un ou plusieurs drones secondaires (810, 811, 812, 813) maintenus en position par rapport au drone principal (800) au moyen d’un système de positionnement multipoints utilisant la technologie UWB.
8. 8 - Procédé pour maintenir en position quasi stationnaire un drone (1) par rapport à un point donné caractérisé en ce qu’il comporte au moins les étapes suivantes : • Emettre un signal UWB, Suwb, du drone vers un ou plusieurs transpondeurs (321,322, 323, 324), • A partir du signal de réponse Su, St2, St3, ST4 émis par le ou les transpondeurs (Ti, 321, 322, 323, 324), de la distance Di entre un transpondeur Ti et le drone (1) obtenue à partir du signal réponse, déterminer les dérives éventuelles en position du drone, • Corriger ces dérives afin de maintenir le drone en position quasi stationnaire.
9. 9 - Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que l’on filtre les mouvements du drone au moyen d’un filtre de Kalman en prédisant l’état du drone à l’instant k connaissant l’état du drone à un instant précédent (k-1), le vecteur d’état tenant compte des positions et des vitesses du drone repérées dans un repère orthonormé formé par le jeu des transpondeurs.
10. 10 - Procédé selon l’une des revendications 8 ou 9 caractérisé en ce que l’on maintient en position un drone principal et on asservit un ou plusieurs drones secondaires en utilisant un module GPS équipant chacun des drones secondaires ou un système de positionnement point multipoints utilisant la technologie UWB.