F Le Bras INTRODUCTION Vhicules ariens autonomes Asservissement

F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions à l'asservissement visuel de véhicules aériens autonomes à voilures fixes APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Florent LE BRAS Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES ENSAM – journée drones Jeudi 26 mai 2011 ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 1/30

F. Le Bras Véhicules aériens autonomes Une multitude de solutions pour autant de missions différentes INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle • Ne datent pas d'hier mais en plein essor depuis une quinzaine d'années • Plus-values principales : concept 3 D = Dull, Dirty, Dangerous Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Principales missions : observation de théâtres, surveillance de zones, exploration de zones urbaines ou de bâtiments, inspection d'ouvrages d'art, . . . ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 2/30

F. Le Bras Véhicules aériens autonomes Quelle autonomie ? INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation • Le vecteur se stabilise grâce à une centrale inertielle embarquée • Guidage par suivi de points de passage – • Principales limitations actuelles : – – CONCLUSIONS & PERSPECTIVES basé sur le système GPS ou télé-opération – intégration à la circulation aérienne vol urbain pour les minidrones dépendance au GPS • Et pourtant … ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 3/30

Asservissement visuel F. Le Bras Principe de contrôle – Approche basée sur la pose INTRODUCTION Asservissement Visuel ∑c: x=f(x, u) Contributions Contrôle APPLICATIONS AVIONS ∑φ : x=f(x, u) u=k(x) Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation Navigation y=h(x) Actionneurs Véhicules aériens autonomes Système Physique Capteurs CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Approche classique basée sur l’état du système – – Difficulté principale : tâche de navigation du fait des limitations en mesures disponibles. Exemple d’AV : PBVS = reconstruction de la pose par une prise d’image. ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 4/30

Asservissement visuel F. Le Bras Principe de contrôle – Approche basée capteurs INTRODUCTION Asservissement Visuel ∑c: y=g(y, x, u) Contributions Contrôle APPLICATIONS AVIONS ∑φ : x=f(x, u) u=k(y, x) Dynamique et contrôle Actionneurs Véhicules aériens autonomes Système Physique Atterrissage Orbite d’observation Navigation Capteurs y=h(x) ∑m: y=g(y, x, u) CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Approche basée capteurs – – Difficulté principale : tâche de contrôle car dynamique des mesures non -linéaire Exemple d’AV : IBVS stabilisation dans le plan image ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 5/30

Asservissement visuel F. Le Bras Quelques notions simples INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes • Formation de l’image par projection perspective Nx lx Asservissement Visuel Contributions C APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Point focal ecz fc ecx Axe focal Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES c y • Flux optique : déplacementedes images pc mesurées – Flux optique de translation • Profondeur – Plan focal Pc Avec une unique caméra et sans connaissance de la Repère inertiel taille de l’objet observé, elle n’est mesurée qu’à un facteur d’échelle près. ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 6/30

F. Le Bras Asservissement visuel Quelques notions simples INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes • projection sphérique d’un point image Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation Point focal C x CONCLUSIONS & PERSPECTIVES pc y Plan focal Pc Repère inertiel ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 7/30

Asservissement visuel F. Le Bras Quelques notions simples INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes • Coordonnées de Plücker pour l’image d’une ligne Asservissement Visuel – Contributions APPLICATIONS AVIONS – – Coordonnées de Plücker de la ligne : (U, L) Coordonnées de Plücker de l’image de la ligne : (u, l) Coordonnées de Plücker binormalisée : h=L/|L|=l/|l| Dynamique et contrôle u Atterrissage l Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES C Point focal Image de la ligne fc Axe focal L U Plan focal ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 8/30

Contributions des travaux présentés F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Approches basées capteurs adaptées aux seuls capteurs disponibles en milieux urbains : – Avions : IMU + Vair + caméra. • Architectures de contrôle adaptées aux dynamiques non-linéaires des systèmes considérés. • Peu d’informations a priori sur l’environnement observé. • Plusieurs applications d’intérêt pour les véhicules aériens autonomes : – – Présentés aujourd’hui : atterrissage automatique et orbite d’observation Validées par des essais ou des simulations complexes. ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 9/30

F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel de drones à voilures fixes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation Atterrissage automatique CONCLUSIONS & PERSPECTIVES ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 10/30

F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Dynamique d’un avion Principales variables d’état Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 11/30

F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Dynamique d’un avion Principales variables d’état Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 12/30

F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Dynamique d’un avion Système dynamique Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle • 4 actionnements : Poussée du turboréacteur, et 3 inclinaisons des surfaces de contrôle. • 6 degrés de liberté régissent la dynamique • La dynamique est donc sous-actionnée. Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 13/30

Caractéristiques du contrôle F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions • Contraintes de contrôle : – – APPLICATIONS AVIONS La vitesse aérodynamique est asservie sur une valeur de consigne L’angle de dérapage est maintenu nul (Bank-to-turn), les virages s’effectuent par une prise de roulis. Dynamique et contrôle Atterrissage • Architecture : Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES Régulation de la vitesse aéro : Guidage BTT Va = V a d (αd, φd) βd = 0 T (δl , δm , δn ) Pilotage ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 14/30

Atterrissage automatique F. Le Bras Motivations INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel • Réalisation d’une manœuvre d’atterrissage par asservissement visuel basé image Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Permettre la manœuvre sur une piste inconnue non instrumentée • Supporter des conditions de vent transverse élevé (15 m/s) • Travaux précédents : – – projet Pegase (DAv) dont Bourquardez & al. Mahony & Hamel : suivi de route pour un VTOL par utilisation des coordonnées de Plücker. N. Andreff : asservissement visuel à partir des coordonnées de Plücker B. Herissé : appontage de VTOL par le flux optique de translation ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 15/30

Atterrissage automatique F. Le Bras Informations images INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS • Phase d’alignement : approche basée sur les coordonnées de Plücker des images des bords de la piste – Définition : – Dynamique : Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation • Phase de descente : approche basée sur les images des coins de la piste – Introduction de coordonnées de Plücker virtuelles CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Phase de posé : approche basée sur le flux optique de translation vertical – Vitesse verticale divisée par la hauteur sol ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 16/30

F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Atterrissage automatique Contrôleur pour les phases d’alignement et de descente • Soit le système dynamique de guidage à vitesse air constante et dérapage nul Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle • Soit l’estimateur de vent borné Atterrissage Orbite d’observation • Soit la commande CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Alors l’erreur de contrôle et l’erreur d’estimation du vent transverse convergent exponentiellement vers zéro. Par conséquent, l’avion se stabilise sur le trajet rectiligne désiré. ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 17/30

Atterrissage automatique F. Le Bras Contrôleur pour la phase de posé INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel • Soit le système dynamique de guidage à vitesse air constante et roulis nul Contributions APPLICATIONS AVIONS • Soit l’estimateur de vent borné Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation • Soit la commande CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Alors l’erreur de contrôle δ, l’erreur d’estimation du vent transverse et le couple (h, h) convergent exponentiellement vers zéro. – En particulier, pour la dynamique verticale la commande assure que (Herissé & al) ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 18/30

Atterrissage automatique F. Le Bras Simulations INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Simulations avec traitement d’image en boucle fermée pour les phases d’alignement et de descente • Utilisation d’un algorithme de traitement d’image par contour actif – – Développé par Barat dans le cadre du projet Pegase Spécialement conçu pour la détection d’une forme polygonale • Résultats observés : – – – fréquence de détection élevée (100 Hz) possibilité de démarrer à 3500 m (pente de 6°) de la piste 15 m/s de vent transverse et 100 m d’écart en position ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 19/30

F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel de drones à voilures fixes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Stabilisation sur une orbite d’observation Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 20/30

Stabilisation sur une orbite d’observation F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions Motivations • Cette manœuvre est équivalente au vol stationnaire pour les engins à vitesse minimale contrainte APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation • Les orbites sont une des trajectoires stabilisantes pour la dynamique corps rigide (Frazzoli & al. ) – Cercles horizontaux, hélices, trajets rectilignes, vols stationnaires CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Travaux pré-existants : – – – Tracking de cibles terrestres (Theodorakopoulos & al. , Dobrokhodov & al) Tracking par stabilisation de caméras orientables (Quigley & al. ) A notre connaissance, pas d’asservissement visuel basé image complet dans ce domaine ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 21/30

Stabilisation sur une orbite d’observation F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Plateforme considérée • Un minidrone à voilures fixes Rascal 110 – Contributions APPLICATIONS AVIONS – – Dynamique et contrôle 7 kg, 15 à 25 m/s Utilisation d’un modèle dynamique représentatif sous A 3 Pas de traitement d’image dans la simulation Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Architecture de contrôle adaptée aux voilures fixes – Vitesse air constante, dérapage nul • La loi de guidage proposée est générique et pourrait simplement se généraliser à un VTOL ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 22/30

Stabilisation sur une orbite d’observation F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions image • On suppose que la cible. Informations au sol est fixe et que son image se réduit à un unique point détectable à tout instant – On considère ainsi la projection sphérique de l’image de la cible APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • On suppose que le sol environnant est plat et texturé, ainsi une mesure du flux optique de translation est disponible. • Pour le contrôle, ces deux grandeurs sont exprimées dans le repère inertiel soit : • La dynamique d’asservissement visuel est alors donnée par : ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 23/30

Stabilisation sur une orbite d’observation F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel des erreurs • Objectif de. Détermination contrôle : stabilisation surd’asservissement une orbite définie relativement au point cible Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Pour exprimer cet objectif de contrôle en erreurs basées image, il est considéré comme l’intersection d’un cône et d’un plan horizontal – – L’erreur d’asservissement sur le cône s’exprime simplement Pour l’erreur verticale, on considère une estimation de la profondeur construite par le flux optique de translation : ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 24/30

Stabilisation sur une orbite d’observation F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel de contrôle • Architecture basée sur. Stratégie une estimation adaptative de la profondeur – Contributions – APPLICATIONS AVIONS Les erreurs de contrôle convergent asymptotiquement vers zéro. L’analyse de l’équilibre montre que l’orbite désirée est atteinte • Estimation implicite de la profondeur Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation X CONCLUSIONS & PERSPECTIVES + Adaptation Accélération commandée X ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 25/30

F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Stabilisation sur une orbite d’observation • Cas étudié : Evaluation en simulation Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 26/30

F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Conclusions et perspectives Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 27/30

Conclusions et perspectives F. Le Bras Conclusions INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS • Solutions d’asservissement visuel robuste adaptées aux capteurs embarquables et à la dynamique des vecteurs considérés Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation • Thématique Avion : atterrissage automatique et stabilisation en orbite – CONCLUSIONS & PERSPECTIVES – Atterrissage basé image utilisant des mesures simples et robuste aux conditions extérieures. Stabilisation en orbite basée sur la détection d’un unique point et du flux optique. ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 28/30

Conclusions et perspectives F. Le Bras Perspectives INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions • Approches basées sur l’hypothèse que la cible est observée en permanence. APPLICATIONS AVIONS – Dynamique et contrôle – La vision peut néanmoins être mise à défaut Hybridation avec d’autres stratégies de navigation Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES • Thématique Avion : atterrissage automatique et stabilisation en orbite – – – Approfondissement sur les limitations actuelles de l’approche (dont traitement d’image) Complément de validation en simulation de la manœuvre de posé Vol en orbite : prise en compte de cibles mobiles ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 29/30

F. Le Bras INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Merci de votre attention ! Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 30/30