ECOLE DOCTORALE SYSTMES DEA Systmes Automatiques Anne universitaire

ECOLE DOCTORALE SYSTÈMES DEA Systèmes Automatiques Année universitaire 2002 -2003 Reconstitution de l’état d’un micro drone par fusion de données Travail de stage DEA Joan Solà Ortega, stagiaire Yves Brière, responsable à l’ENSICA Département Avionique et Systèmes - ENSICA Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données

1 Le projet Micro Drone Pas de pilote Gyromètres peu précis Puissance de calcul limitée Dynamique très rapide Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 2

2 Le problème à résoudre • Ce que l’on veut : Les états à observer – Localisation dans l'espace : – Vitesse de translation : – Accélération : – Orientation : – Vitesse d'orientation : Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données r (m) v (m/s) a (m/s 2) q (quaternion) w (rad/s) 3

2 Le problème à résoudre • Ce que l’on a : Les capteurs embarqués L'accéléromètre 3 D Le gyromètre 3 D Le magnétomètre 3 D Le récepteur GPS Précision – – ac wc mc rc , vc Mag Acc Gyro GPS Dynamique Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 4

2 Le problème à résoudre z. ECEF • Ce qu’il faut savoir : Les systèmes de référence Pôle Nord N E D Greenwich Equateur y. ECEF • La référence ECEF x. ECEF – GPS • La référence NED – État : r, v, a, q • La référence avion – Acc, Mag, Gyro – État : w yavion xavion zavion Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 5

2 Le problème à résoudre • Ce qu’il faut avoir : Les Idées ! Localisation Acc GPS Statique Dynamique Relative FUSION DE DONNÉES Absolue Gyro Acc + Mag Orientation Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 6

3 La solution : Kalman étendu • Le modèle cinématique d'état • Séparation en sous systèmes – Le sous système de localisation – Le sous système d'orientation Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 7

3 La solution : Kalman étendu • Les modèles des mesures GPS – Amplitude réelle de l’état – Rotation constante – Translation constante Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 8

3 La solution : Kalman étendu • Les modèles des mesures Acc, Mag et Gyro – – – Amplitude réelle Changement de repère variable Biais Gains: K Désalignements: L S = K+L Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données (m, w ou bien a+g) (pas pour le Gyro) 9

3 La solution : Kalman étendu • Augmentation du vecteur d’état avec les incertitudes capteurs q w g Sg a Sa m Sm Dimension 3 x 1 4 x 1 3 x 3 3 x 1 3 x 3 Sous 3 x 1 vecteur 4 x 1 3 x 1 9 x 1 Symbole Indices r 1 -3 v 4 -6 a 7 -9 10 -13 14 -16 17 -19 20 -28 29 -31 32 -40 41 -43 44 -52 Incertitudes : mouvements browniens Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données MICRO drone ? ? 10

4 Les astuces • Observateurs de poursuite: état du drone plus biais du gyromètre. – Algorithmes embarqués différenciés pour la localisation et l’orientation. – États à estimer : q w g Dimension 3 x 1 4 x 1 3 x 1 Sous 3 x 1 vecteur 4 x 1 3 x 1 Indices 1 -4 5 -7 8 -10 Symbole r 1 -3 v 4 -6 a 7 -9 Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 9+10=19 MICRO drone !! 11

4 Les astuces • Traitement des mesures asynchrones NON Boucle de prédiction synchrone à 40 ms Nouvelle mesure ? OUI Boucle de correction à l’arrivée de chaque mesure Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 12

4 Les astuces • Ne pas utiliser les mesures avec peu d’information – Pour des angles d’inclinaison petits les composantes verticales de m et g ne varient pas beaucoup. – L’orientation est bien observable sans ces mesures yavion xavion zavion m Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données g 13

5 Les résultats • Sous système d’orientation – Calibrage du gyromètre: gains et désalignements (19 états) – Poursuite avec estimation du biais (10 états). Recherche d’un jeu de mesures réduit. – Données artificielles et réelles Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 14

5 Les résultats • Calibration. Données artificielles Gxyz Axyz Mxyz Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 15

5 Les résultats • Calibration. Données réelles Gxyz Axyz Mxyz Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 16

5 Les résultats • Poursuite. Données artificielles Gxyz Axy Mxy Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 17

5 Les résultats • Poursuite. Données réelles Gxyz Axy Mxy Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 18

Conclusions • Une méthode optimale pour l’observation de l’état du micro drone a été développée • Des méthodes simplifiées ont été conçues pour être embarquées • L’observabilité peut être explorée pour différentes configurations de mesures • La validation expérimentale de ces méthodes par le système embarqué est en cours et en bonne voie ! Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 19

Merci! Reconstitution de l'état d'un micro drone par fusion de données 20