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

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

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

4. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 4/30 Asservissement visuel Principe de contrôle – Approche basée sur la pose 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. ∑ φ : x=f(x,u) Système Physique Contrôle Actionneurs ∑ c : x=f(x,u) u=k(x)u=k(x) Capteurs Navigation y=h(x)y=h(x)

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

6. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 6/30 Asservissement visuel Quelques notions simples Formation de l’image par projection perspective Flux optique : déplacement des images mesurées  Flux optique de translation Profondeur  Avec une unique caméra et sans connaissance de la taille de l’objet observé, elle n’est mesurée qu’à un facteur d’échelle près. Axe focal PcPc pcpc eczecz ecxecx ecyecy C Plan focal Repère inertiel N x l x fcfc Point focal

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

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

9. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 9/30 Contributions des travaux présentés Approches basées capteurs adaptées aux seuls capteurs disponibles en milieux urbains :  Avions : IMU + V air + 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.

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

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

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

13. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 13/30 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. Dynamique d’un avion Système dynamique

14. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 14/30 Caractéristiques du contrôle Contraintes de contrôle :  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. Architecture : Régulation de la vitesse aéro : V a = V a d BTT Guidage Pilotage T (δ l, δ m, δ n ) (α d, φ d ) β d = 0

15. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 15/30 Atterrissage automatique Motivations Réalisation d’une manœuvre d’atterrissage par asservissement visuel basé image Permettre la manœuvre sur une piste inconnue non instrumentée Supporter des conditions de vent transverse élevé (15m/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

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

17. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 17/30 Atterrissage automatique Contrôleur pour les phases d’alignement et de descente Soit le système dynamique de guidage à vitesse air constante et dérapage nul Soit l’estimateur de vent borné Soit la commande 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.

18. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 18/30 Atterrissage automatique Contrôleur pour la phase de posé Soit le système dynamique de guidage à vitesse air constante et roulis nul Soit l’estimateur de vent borné Soit la commande 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)

19. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 19/30 Atterrissage automatique Simulations 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 (100Hz)  possibilité de démarrer à 3500m (pente de 6°) de la piste  15m/s de vent transverse et 100m d’écart en position

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

21. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 21/30 Stabilisation sur une orbite d’observation Motivations Cette manœuvre est équivalente au vol stationnaire pour les engins à vitesse minimale contrainte Les orbites sont une des trajectoires stabilisantes pour la dynamique corps rigide (Frazzoli & al.)  Cercles horizontaux, hélices, trajets rectilignes, vols stationnaires 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

22. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 22/30 Stabilisation sur une orbite d’observation Plateforme considérée Un minidrone à voilures fixes Rascal 110  7kg, 15 à 25m/s  Utilisation d’un modèle dynamique représentatif sous A 3  Pas de traitement d’image dans la simulation 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

23. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 23/30 Stabilisation sur une orbite d’observation Informations image On suppose que la cible 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 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 :

24. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 24/30 Stabilisation sur une orbite d’observation Détermination des erreurs d’asservissement Objectif de contrôle : stabilisation sur une orbite définie relativement au point cible 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 :

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

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

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

28. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 28/30 Conclusions et perspectives Conclusions Solutions d’asservissement visuel robuste adaptées aux capteurs embarquables et à la dynamique des vecteurs considérés Thématique Avion : atterrissage automatique et stabilisation en orbite  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.

29. F. Le Bras ENSAM, Jeudi 26 mai 2011 INTRODUCTION Véhicules aériens autonomes Asservissement Visuel Contributions APPLICATIONS AVIONS Dynamique et contrôle Atterrissage Orbite d’observation CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 29/30 Conclusions et perspectives Perspectives Approches basées sur l’hypothèse que la cible est observée en permanence.  La vision peut néanmoins être mise à défaut  Hybridation avec d’autres stratégies de navigation 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

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