Equipe PCGN

Pilotage, Commande, Guidage et Navigation robustes et sûres

Domaines applicatifs : drones et transports aériens

 

Animateurs / Points de contact par établissement :

ENAC : Jean-Philippe Condomines
ISAE :  Joel Bordeneuve / Valérie Budinger
ONERA : Thomas Loquen

Objectifs

Développer des méthodes et outils pour adresser les points techniques suivants :

  • l'hybridation de capteurs et adaptation aux conditions de vol : ajouter des fonctions de perception pour améliorer les performances du système , caractérisation dynamique des capteurs
  • améliorer l'adaptabilité du système : planification – gestion des aléas – reconfiguration en cas de panne ou selon l’environnement – re-planification de la mission – test virtuel dans environnement aérologique réaliste, incluant les influences urbaines (par exemple).
  • vol en formation : manoeuvre pour optimiser la mission – dissolution de la formation en cas d’urgence (pannes – événements extérieurs …) co-manipulation (transport de charge collaboratif), gestion de configuration collaborative (N drones jointifs, par exemple)
  • distribution de capteurs & actionneurs
  • établir systématiquement le lien entre stratégie de contrôle et bilan énergétique/endurance
  • la conception multi-physique et multi-domaine de systèmes et d’aéronefs intégrant les lois de commande, la structure, l’aérodynamique, etc.

Au delà des aspects scientifiques, nous souhaitons définir des interfaces d'échange pour faciliter le partage et la réutilisation de codes et divers développements entre les partenaires. Les développements des algorithmes visant a être embarqués seront orienté « composants »; la programmation par composants étant devenue un standard dans de nombreux middlewares. On cherchera également à reposer autant que faire se peut sur des middleware standards, ou proposant une passerelle vers des middleware standard (comme ROS par exemple). Cet effort permettra de garantir une cohérence dans le format des données utilisées, ce qui facilitera grandement les échanges de logs, etc. entre les partenaires. Proposition de base de données de vol remarquables (forte turbulence, milieu urbain, volière avec perturbation contrôlée)
Enfin, si les drones sont le vecteur privilégié de recherche sur cette thématique, une problématique est la mise au point d'une démarche, la plus systématique possible, pour évaluer la possibilité d'étendre ces développements /tests de fonctions / équipements / opérations / fonctionnalités pour l’aviation civile et militaire.

Thématiques :

  • Intelligence artificielle : apprentissage par renforcement, apprentissage pour la supervision, planification
  • Perception : traitement d’images, traitement du signal
  • Commande : synthèse de contrôleur et analyse des systèmes dynamiques
  • Modélisation : Identification, estimation, validation
  • Instrumentation dédiée à la mesure en vol

Outils / Plateformes :

Plusieurs outils et moyens sont identifiés pour faire le pont entre les équipes impliquées :

  • toolbox existantes dont des modules pourraient être développés en commun : SMAC (Onera), simulation/analyse QdV (Onera), modélisation systèmes souples (SDT toolbox, ISAE) ;
  • moyens expérimentaux : volière ISAE « système optitrack », terrains d’expérimentation : Muret, Lannemezan (ENAC), Esperce (Onera) …, Paparazzi, drones ISAE-ENAC- DTIS (voilure fixe, hélicoptères, multi-rotors, Iboat, robots terrestres), futur drone-démonstrateur de la chaire CEDAR « D-72 »

Positionnement scientifique :

État des lieux actuel :

A l'ONERA : activité en Automatique et dynamique du vol - Méthodes de synthèse et d’analyse de lois de commande pour des aéronefs soumis à des contraintes de certification (fiabilité, reconfiguration) – intégration sur plateformes drones

A l'ISAE :

  • Au DCAS deux groupes de recherche sont concernés :
    • G3 "Aerospace decison and control" avec les thèmes:
      • contrôle intelligent supervisé,
      • commande robuste et adaptive,
      • et leurs validations expérimentales au labo
    • G2 "Conception intégrée des véhicules aérospatiaux"

1 ECR entre l’ISAE et l’ONERA :

  • 1 ECR : CSDV Commande des Systèmes de Dynamique du Vol sous-thème COVA (Conception de Véhicule Aérien), GNP (Guidage, Navigation et Planication de trajectoire en environnement incertain)
  • Co-encadrement de thèses, de projets étudiants, cours/TD/TP, co-encadrement de stages.

A l'ENAC :

  • Définition des solutions algorithmiques pour la commande de micro-drone (voilure fixe, voilure fixe, convertible) ;
  • Hybridation multi-capteur pour l’extraction de l’énergie environnementale ;
  • Gestion des aléas d’un micro-drone (développement de solutions méthodologiques permettant de répondre à la problématique de la synthèse de lois de commande (adaptation des lois, proposition de trajectoire d’urgence au FMS) d’un engin, capable d’être ramené automatiquement dans son domaine de vol lorsqu'il s'en est fortement éloigné (par exemple en cas de décrochage) ;
  • Minimisation de l’impact au sol d’un micro-drone dans la mesure où l’engin ne peut pas être ramené automatiquement dans son domaine de vol)
  • Détection d’intrusion dans une flotte de drone .

Thèses en cours ou récemment soutenus

ISAE - Onera

  • thèse de Martin Stolle :Vers le vol à voile longue-distance autonome basé vision pour drones (soutenue en 2017)
  •  thèse de Yann Denieul : Integrated Design and Control of a Flying Wing Using Nonsmooth Optimization Techniques (soutenue en 2016)
  •  thèse de Jan Bolting : Contributions to Tight Formation Flight Control of Small UAS (soutenue en 2017)
  • thèse de Nikola Gavrilovic (2015-2018) “Optimization of micro UAV for endurance, in gusty environment”
  • thèse de Sara Alaoui (2017-2020) (ISAE-LA) “ Développement et mise en oeuvre d’un drone équipé pour l’observation de la turbulence dans la couche se surface atmosphérique”
  • thèse de Eric Nguyen (2017-2020) “Stabilité et contrôle latéral d’un aéronef à petite dérive par utilisation différentielle des systèmes de propulsion ou par actionneur de type volet crocodile ou autre. Utilisation des méthodes de co-design”
  • thèse Erwan Lecarpentier (2017-2020) : exploration active d'environnement inconnu
  • thèse de Jean-Alexis DELAMER (2016-2019) : planification de la stratégie de guidage et de navigation pour des drones autonomes dans des milieux contraints.m
  • thèse de Gustav Öman-Lundin (2017-2020) : Supervision pour la sécurité du vol des drones ENAC - Onera
  • thèse de Torbjørn Cunis : Pilotage non linéaire sous contrainte pour ramener un engin volant dans son domaine de vol

ENAC-ISAE

  • thèse de Jacson Barth : Loi de commande multi-objectifs orientée capteur bas coût pour améliorer l’endurance d’un mini-drone

Valorisation en cours et envisagées:

  •  Publications
  •  Participation annuelle à des conférences
  •  nouveaux modules d’enseignement - projets étudiants
  •  initiatives projets de recherche étudiants (participation des étudiants à de grands projets avec démonstrateurs – type CNES/Perseus, ISAE/IMAV)
  •  workshop – site web pour base de données

Plan d’actions (réponses à des appels à projet)

Coopérations internationales, réponses à appels d’offres, etc

Projet à 4 ans :

  • Axe 1 : Contrôle de micro-drones endurants et extraction de l’énergie environnementale (estimation entrée inconnue, Pilotage adaptatif, estimation collaborative, Commande linéaire et non linéaire)
  • Axe 2 : Contrôle de micro-drones en milieu confiné et extraction d’informations visuelles (suivi basé image, milieu encombré)
  • Axe 3 : Pilotage adaptatif robuste au vent, synthèse et validation (commande adaptative, analyse linéaire et non-linéaire, étude d'atteignabilité)
  • Axe 4 : Estimation d'état et estimation paramétrique en ligne (estimation temps réel) - Propositions Projet Structurant DGA : 4 thèses, 6 post-docs, 2 études
  • Axe 5 : Détection et gestion des aléas dans une flotte de drones (Estimation d’état intègre, commande tolérante aux fautes, crach contrôlé, reconfiguration de loi de commande, planification de mission, néo-endiguement) - Propositions Projet Structurant DGA : 2 thèses, 2 post-docs