GT2 : Véhicules autonomes

Axe drone et robots volants

Animateurs :
Pascal Morin, morin (at) isir.upmc.fr (ISIR, Paris), GDR MACS
Franck Ruffier, franck.ruffier (at) univ-amu.fr (ISM, Marseille), GDR Robotique


Objectifs scientifiques



Les recherches menées sur les drones par les communautés Roboticienne et Automaticienne françaises ne cessent de s’accroître et de se diversifier. Le potentiel de ces petites machines volantes s’avère gigantesque avec une multitude d’applications (surveillance de site sensible, gestion des risques naturels, protection de l'environnement, intervention dans des sites hostiles, gestion des grandes infrastructures, agriculture, prise de vue aérienne, ….). Le développement de tels services effectués au moyen de drones automatiques et autonomes repose sur la capacité de contrôle de leur vol en environnement hostile et perturbé. Cette capacité passe par une maîtrise de l'aérodynamique de ces engins, des lois de contrôle associées, de l’estimation d’état et éventuellement des perturbations. Outre les verrous d’ordre réglementaire (intégration au sein de la circulation aérienne), les technologies drones miniatures doivent répondre à des problématiques techniques liées à leur taille afin d’assurer leurs déploiement.

L’objectif du Groupe de Travail inter-GDR (Automatique-Robotique) est de réunir les chercheurs des deux communautés scientifiques et les industriels autour de la thématique des véhicules aériens miniatures, afin d’établir et d’évaluer les avancées méthodologiques et technologiques du domaine permettant l’autonomie de ces véhicules. Les problèmes traités dans le cadre de ce GT sont nombreux. On s’intéressera à tous les drones (micro ou mini, plus lourds ou plus légers que l’air) dans toutes les configurations possibles (voilures fixes, tournantes, vibrantes ou battantes). Les réunions du GT permettront de conjuguer les expertises de roboticiens, d’automaticiens et d’industriels autant sur les aspects fondamentaux (problèmes génériques de commande, d’observation et d’estimation) que sur les aspects technologiques (nouvelles architectures aéromécaniques, capteurs, actionneurs, …).

Thèmes



Dans un premier temps, le GT2-Drone s’intéressera aux problèmes suscitant un intérêt évident des communautés Roboticienne et Automaticienne. Ils seront regroupés en 6 thématiques assez classiques de la robotique et reconnues par les automaticiens. Les descriptions présentées ci-après ne sont que des exemples et des idées.


1-Modélisation


L’établissement d’une modélisation exploitable pour la synthèse et l’analyse de commande des drones est un vrai challenge. La complexité de la mécanique et la variabilité des phénomènes aérodynamiques en jeu, en particulier lorsque différents vols sont alternés, sont des sources importantes de difficultés. Bien que globalement les effets aérodynamiques soient en réalité continus, lorsque l'on passe d'un mode de vol à un autre, ils sont difficilement modélisables. Ceci reste vrai même si l’on ne s’intéresse qu’à un mode de vol spécifique pour certaines configurations de drones.
L’objectif de cette thématique est d’établir, pour un drone donné, un modèle aérodynamique le plus simple possible en vue de la synthèse de commande, sans dénaturer les caractéristiques principales du drone.

2-Commande


Pour le problème de synthèse de la commande, les difficultés sont multiples. Il convient en premier lieu de remarquer que ces systèmes sont sous-actionnés (nombre d’entrées de contrôle inférieur au nombre de degrés de liberté du système) ; ils peuvent être de tailles et de formes différentes conduisant à des caractéristiques aérodynamiques différentes et par conséquent à des objectifs de commande différents. Les outils classiques de l’automatique, basés en premier lieu sur des hypothèses de commandabilité locale du système, ne sont parfois pas directement utilisables. Comment exploiter les efforts aérodynamiques ou comment combiner au mieux plusieurs phases de vol (avec ou sans planification de trajectoire) dans le but d’optimiser la dépense énergétique (par exemple) sont, du point de vue de la commande, des problèmes difficiles et très ouverts. Il convient également de mentionner le problème de résistance à la rafale et à d’autres phénomènes aérologiques, en particulier dans les milieux urbains (vent tourbillonnant, phénomène de cisaillement, …) dont l’étude est nécessaire à l'autonomie des drones. L’étude de ces problèmes peut amener à des méthodologies tout à fait novatrices et sont primordiales d’un point de vue applicatif pour augmenter l’autonomie du système.
L’objectif de cette thématique est de développer de nouvelles stratégies de commande (issues de l’Automatique ou de l’apprentissage) assez génériques, simples, robustes et performantes répondant aux exigences des besoins.

3-Commande référencée capteurs


Le contrôle du véhicule par rapport à son environnement est primordial. L’objectif essentiel de cette thématique est d’étendre le paradigme de la commande référencée capteurs aux véhicules aériens en fusionnant les mesures des capteurs habituels de ce type de véhicules (centrale inertielle, baromètres, GPS) aux informations issues de capteurs de vision et de télémétrie et en associant cela à des méthodes avancées de stabilisation. L'obtention de lois de commande modernes au plus près des référentiels de mesures devrait permettre d'étendre les capacités de réactivité vis-à-vis des obstacles et des perturbations. Par ailleurs, cette thématique est une source non négligeable de problèmes théoriques attirant de plus en plus l’attention des chercheurs des deux communautés.

4-Filtrage de données et estimation d'état


L'implémentation de toute loi de contrôle nécessite la reconstruction et l'estimation des états dont elle est fonction. En fonction des types de capteurs embarqués et des configurations de drones étudiés, l’objectif sera la reconstruction de l'information de position (ou de la configuration du drone) et de vitesse (absolue ou relative) et éventuellement, les efforts aérodynamiques par fusion des informations inertielles provenant généralement de capteurs proprioceptifs (centrale inertielle, baromètres, capteurs d’efforts, …) et extéroceptifs (caméras et télémètres) ou absolus (GPS).

5 -Prise de décision et planification des systèmes autonomes


Lorsque le véhicule évolue dans un environnement mal connu, dynamique voire dangereux, et que la mission doit être réalisée même en cas de perte de communication avec les opérateurs, l’autonomie doit être décisionnelle. Le véhicule est capable de prendre des décisions et de réaliser les actions associées. Les traitements embarqués permettent ainsi au véhicule d’atteindre les objectifs de la mission en assurant sa survie et en prenant en compte les aléas qui surviennent en cours de mission.

6 - Conception innovantes de drones


On s’intéressera aux conceptions innovantes en aéro-mécanique, capteurs, actionneurs, biomimétisme et architectures informatiques qui sont des sources non négligeables d'innovations.

7 - Interaction du drone avec son environnement (Objet, Homme, autre Robots,...)


Il s'agit de s’intéresser aux problèmes d'opérabilité du drone dans son environnement complexe qui peut être fait d’autres robots, d'autres personnes et/ou d'autres objets éventuellement communicants.  Les champs de recherche sont ici vastes : on peut les résumer en quelques mots-clés : téléopération, Vol en Essaim, Coordination de robots, Manipulation.

Actions


Le GT continuera l’action menée depuis 2007 (https://gt-uav.hds.utc.fr/doku.php?id=fr:reunions).
Ce GT inter-GDR (Robotique et MACS) se réunit 2 fois par an. Les présentations et leurs supports seront archivés dans le site web dédié sous la tutelle du site web du GDR. Tous les projets ANR liés à la thématique drone seront recensés dans ce site. Les intersections thématiques de ce GT avec certains GT du GDR Robotique (GT2-Véhicules terrestres et GT4-Méthodologies pour la Robotique) et du GDR MACS (Systèmes de commande 1 et 2) n’étant pas négligeables, la présence des membres de ces GT lors des réunions sera sollicitée. Pour chaque réunion, ce Groupe de Travail fera un appel à propositions dont la sélection se fera sur résumé et invitera au moins une personnalité scientifique reconnue (française ou étrangère).

Ce GT s’appuiera sur la dynamique des projets ANR existants, les industriels intéressés par la thématique et les pôles de compétitivité, en l’occurrence PEGASE-PACA. Il jouera également un rôle important dans la définition de nouveaux projets pour les futures demandes ANR.

Action de valorisation :
• Au niveau national : Le GT s’appuiera sur la dynamique des projets ANR existants, les industriels, le pôle de compétitivité PEGASE-PACA.
• Au niveau international : Les membres du GT sont très actifs. Deux numéros spéciaux ont été édités (CEP’2010, Autonomous Robots’2010), un workshop IFAC a été organisée (Workshop RED UAS 2013),  plusieurs sessions invitée sont été organisés (IFAC’World Congress’2008 CDC’2010,  IROS’2010, ….).

Cet axe de recherche est commun avec le GdR MACS