EP4623433A1 - Systeme de gestion de trajectoire d'atterrissage d'urgence d'un drone ou aeronef sans pilote - Google Patents

Systeme de gestion de trajectoire d'atterrissage d'urgence d'un drone ou aeronef sans pilote

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Publication number
EP4623433A1
EP4623433A1 EP23793906.1A EP23793906A EP4623433A1 EP 4623433 A1 EP4623433 A1 EP 4623433A1 EP 23793906 A EP23793906 A EP 23793906A EP 4623433 A1 EP4623433 A1 EP 4623433A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
trajectory
landing
drone
emergency
emergency landing
Prior art date
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Pending
Application number
EP23793906.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
François Nefflier
Martin Boulanger
Christian ARNAUDO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP4623433A1 publication Critical patent/EP4623433A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G08G5/00—Traffic control systems for aircraft
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    • G08G5/26—Transmission of traffic-related information between aircraft and ground stations
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    • G08G5/34—Flight plan management for flight plan modification
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    • G08G5/50—Navigation or guidance aids
    • G08G5/58—Navigation or guidance aids for emergency situations, e.g. hijacking or bird strikes

Definitions

  • the invention relates to unmanned aircraft or drones.
  • the invention concerns the determination of an emergency landing solution in the event of a critical hazard requiring rapid landing in an area which does not cause human loss. Hazards may be due to weather, a breakdown of an on-board system or loss of location.
  • the invention aims to resolve the problem of making the decision to interrupt a mission far from the operator who does not have a correct reconstruction of the environment, particularly in the event of transmission delays. information from the drone, due to its distance or even a loss of transmission.
  • a level of critical energy autonomy a energy monitoring detects that the drone no longer has the capacity to reach the nearest predetermined landing zone; degradation of flight performance following an actuator failure, excessive wind or a structural problem following an impact with an external element, for which monitoring the position of the drone in relation to the trajectory makes it possible to detect that the
  • an emergency mode is defined so that the drone responds to the critical hazard.
  • a system for managing the emergency landing trajectory of a drone comprising: a ground control station comprising a first computer provided with: a control module continuous determination of a first emergency landing trajectory taking into account the last value of at least one parameter representative of the operation or the environment of the drone, received from the drone, and a database of landings emergency, configured to calculate the first emergency landing trajectory from a path-finding type algorithm, the emergency landing database, and the last received value of the operating parameter(s) or environment of the drone; and a module for verifying the first trajectory, from the emergency landing database; and a control unit on board the drone comprising a second computer, comprising: a module for continuously determining a second emergency landing trajectory from the emergency landing database and the current value at least one operating or environmental parameter of the drone, configured to calculate the second emergency landing trajectory by comprising, for each emergency landing point, a lateral trajectory calculation, a vertical trajectory calculation , and configured to verify that the emergency trajectory is secure in a safety corridor, from the
  • the landing database includes polygonal landing zones, no-fly zones, and obstacles.
  • the landing database includes landing points with an associated final approach axis and an associated altitude, no-flight zones, and obstacles.
  • the module for continuously determining a second emergency landing trajectory is configured to calculate emergency landing points by defining a landing point search sector, by identifying the segments of the polygons directly visible in a straight line, and for each landing point: determine a final approach axis for each landing point; and verify compliance with a safety corridor of the trajectory avoiding no-fly zones and obstacles.
  • the module for continuously determining a second emergency landing trajectory is configured to evaluate the landing points, from the closest to the farthest, by calculating a lateral trajectory, a trajectory vertical emergency landing, and an associated safety corridor.
  • FIG.1 schematically illustrates an emergency landing trajectory management system for a drone, according to one aspect of the invention.
  • FIG.2 schematically illustrates a database of emergency poses, according to one aspect of the invention;
  • FIG.3 schematically illustrates the identification on board the drone of the landing zones of a database of emergency landings, according to one aspect of the invention
  • FIG.5 schematically illustrates an evaluation on board the drone of the evolution of a candidate landing point, along a vertical trajectory, according to one aspect of the invention.
  • the module 8 for continuously determining a second emergency landing trajectory is configured to evaluate the landing points, from the closest to the farthest, by calculating a lateral trajectory and a vertical landing trajectory. emergency.
  • the basic idea of the present invention is to use two distinct emergency trajectory calculation algorithms on the two computers: to have a simple trajectory calculation on board the drone and a more elaborate solution in the ground control station.
  • An on-board trajectory selection algorithm allows, when the system switches to emergency mode, to select the emergency trajectory to fly. The selected trajectory is then sent to the guidance/piloting module 13 for execution.
  • the module 8 for determining the second calculator 7 on board calculates a second basic trajectory of direct type, or "Direct-To" in English, between the drone and a landing zone.
  • the determination module 4 of the first computer 3, in the ground control station 2, calculates a second, more complex trajectory before being sent back to the drone.
  • the selection module 10 is configured to select the first emergency landing trajectory developed or the second emergency landing trajectory so as to select the first trajectory if the first trajectory takes into account the current value of the or operating or environmental parameters of the drone representative of a detected critical hazard, and to select the second trajectory if the first trajectory takes into account a last received value different from the current value of the operating parameter(s) or environment of the drone representative of the critical hazard detected.
  • the flight monitoring module 12 of the drone 1 makes it possible to detect the inability to fly at the end of the mission with the remaining energy capacities, the exceeding of the lateral and vertical deviations from the trajectory in relation to predefined thresholds , and equipment failures.
  • the result of this monitoring is transmitted to the module 9 for detecting a critical hazard which, in the event of detection of a critical hazard which no longer allows the continuation of the mission and requires an emergency landing (for example within 2 or 3 minutes), enters an emergency landing mode.
  • the ground operator also has the ability to trigger an emergency landing if he considers that the situation requires it.
  • the present invention makes it possible: to have a reasonable calculation load in the drone and to address low-capacity equipment; generate a reasonable certification cost; to allow the algorithms to be simulated on the ground in mission preparation in order to validate the landing solutions throughout the mission; and to avoid the storage on board the drone of a set of emergency solutions calculated on the ground to respond to a critical hazard in the event of loss of communication.
  • the selection module 10 selects the trajectory the first emergency landing trajectory developed or the second landing trajectory of emergency so as to select the first trajectory if the first trajectory takes into account the current value of the operating or environmental parameter(s) of the drone representative of the critical hazard detected, and to select the second trajectory if the first trajectory takes into account a last received value different from the current value of the operating or environmental parameter(s) of the drone representative of the critical hazard detected.
  • Each emergency trajectory is associated with a set of data making it possible to define the reasons for the emergency transition: low battery, loss of position, loss of equipment, etc. These data may have had an impact on the calculated emergency solution.
  • constraints linked to the remaining autonomy can reduce the landing point search sector.
  • the module 10 selection mechanism operates as follows:
  • ground control station 2 is well aware of the current constraints detected on board the drone 1;
  • Ground control station 2 and the board of drone 1 do not have the same information, due to transmission problems;
  • the emergency landing database is developed on the ground and loaded on board the aircraft at the start of the mission.
  • FIG.2 illustrates an example of a representative map of an emergency landing database
  • LZ landing zone
  • a safety border is removed, corresponding to the distance necessary for the drone to be able to descend without touching an obstacle which would be at the edge of the landing zone, and taking into account an uncertainty (imprecision of terrain elevation, inaccuracy of altitude measurement, etc.).
  • This safety edge depends on the type of drone (technical characteristics) and its capabilities (descent slope). Thus, any point in a landing zone is a valid landing point.
  • the emergency landing database also includes no-fly zones.
  • the landing database may include landing points with an associated final approach axis and an associated altitude.
  • the module 8 for continuously determining the second emergency landing trajectory from the emergency landing database and the current value of at least one operating or environmental parameter of the drone 1.
  • the module 8 for continuously determining the second emergency landing trajectory, on board the drone 1, comprises the following major steps: determination of candidate landing points, if necessary, that is to say if the pose database does not already contain them; for each landing point: calculation of the lateral trajectory;
  • Verification that the trajectory is safe (definition of a safety corridor and verification that it does not collide with a no-fly zone or with an obstacle).
  • the determination of candidate landing points is carried out as follows by module 8, as illustrated in [Fig.3] .
  • a search sector is determined in which a landing point is searched.
  • This sector is defined by an arc of a circle, or a circle, having as its center the position of the drone, extrapolated to X seconds ahead (X being the calculation frequency of this emergency solution of the second calculator 7) and the current heading of drone 1.
  • the length of the sector corresponds to the maximum distance traveled by the drone in emergency cases: for example 2 or 3 minutes in our case.
  • the angle of the search sector can be defined according to the performance of the drone or various external constraints.
  • the polygons from the landing database previously loaded on board the drone 1 are then evaluated with regard to this research sector. Only polygon segments included in the search sector are considered. They are limited to the limits of the research sector if necessary.
  • a projection in polar coordinates is carried out, in order to be able to easily determine which zones are directly visible in a straight line from the center of the search sector, in which angular sector and at what distance.
  • the visible landing zones are then identified.
  • the projections make it possible to know which angular sectors make it possible to reach an LZ landing zone, and at what distance.
  • the fact that the edges of the landing zones (polygons) take into account a safety margin guarantees that any point in the landing zone is eligible as a landing point.
  • Each landing point evaluation executes the following steps.
  • a lateral trajectory is calculated, as illustrated in [Fig.4].
  • the calculation of the lateral trajectory seeks the most direct joining trajectory from a given position and heading, to arrive on a given point with a given heading.
  • the starting point of the algorithm is the center of the search sector, and the current heading of the drone 1.
  • the arrival point corresponds to the approach start point.
  • a vertical trajectory is calculated, as illustrated in 3D in [Fig.5], which takes into account the terrain elevations, available in a terrain database on board the drone 1, and the characteristics of the drone 1 .
  • the trajectory must also respect the terrain following constraints to guarantee that it remains flyable without risking colliding with the terrain. If this is not possible, the landing point is rejected or ignored.
  • the trajectory is checked to ensure that it does not collide with prohibited zones or obstacles (integrated as prohibited zones in the database). For this, a safety corridor around the trajectory is taken into account. If this is not possible, this landing point is ignored.
  • Module 4 for continuously determining a first emergency landing trajectory first constructs a path which takes into account the NFZ no-flight zones.
  • the calculation capacity of the first computer 3 of the ground station 2 is generally greater than on board the drone 1 in the second computer 7, and allows the use of Path Finding type algorithms (Theta* or Field) on the ground. D*) or RRT type (rapid exploration random tree).
  • This path is then provided to a trajectory calculation algorithm to calculate the first 3D landing trajectory to take the terrain into account.
  • the first trajectory is then provided to the module 5 for verifying the first trajectory. Its role is to guarantee that a trajectory is flyable by proposing a level of DAL, for “Design Assurance Levels” in English, equal to the algorithms on board the drone 1.
  • the algorithm makes it possible to verify that the trajectory is flyable in terms of continuity and performance, that there is no conflict with the terrain, obstacles and No Fly Zones. The result of the verification and the trajectory are transmitted to the drone 1.
  • the trajectory thus produced is sent on board the drone, periodically or occasionally, in order to possibly be taken into account in the event of a critical hazard requiring switching to emergency mode.
  • the present invention makes it possible to always have an emergency landing trajectory available throughout the mission, which responds to the nature of the critical hazard encountered.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Traffic Control Systems (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

Système de gestion de trajectoire d'atterrissage d'urgence d'un drone (1) comprenant : - une station (2) de commande au sol comprenant un premier calculateur (3) muni d'un module (4) de détermination en continu d'une première trajectoire d'atterrissage d'urgence et d'un module (5) de vérification de la première trajectoire; et - une unité de commande (6) à bord du drone comprenant un deuxième calculateur (7), comprenant un module (8) de détermination en continu d'une deuxième trajectoire d'atterrissage, un module (9) de détection d'un aléa critique impliquant un passage d'un mode nominal à mode d'atterrissage d'urgence activant le fonctionnement d'un module de sélection de la première ou de la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence; le module de sélection (10) étant configuré pour sélectionner la première trajectoire d'atterrissage d'urgence élaborée ou la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence de manière à sélectionner la première trajectoire si la première trajectoire tient compte de la valeur courante du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone représentatifs de l'aléa critique détecté, et à sélectionner la deuxième trajectoire si la première trajectoire tient compte d'une dernière valeur reçue différente de la valeur courante du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone représentatifs de l'aléa critique détecté.

Description

DESCRIPTION
Titre de l’invention : Système de gestion de trajectoire d'atterrissage d'urgence d'un drone ou aéronef sans pilote.
[0001] La présente invention porte sur un système de gestion de trajectoire d'atterrissage d'urgence d'un drone ou aéronef sans pilote.
[0002] L’invention concerne les aéronefs sans pilote ou drones. L’invention concerne la détermination d’une solution de posé d’urgence lors de la survenue d’un aléa critique nécessitant de se poser rapidement sur une zone qui n’engendre pas de perte humaine. Les aléas peuvent être dus à la météorologie, une panne d’un système bord ou une perte de localisation.
[0003] L’invention a pour objectif de résoudre la problématique de la prise de décision d’interrompre une mission loin de l’opérateur qui ne dispose pas d’une reconstitution correcte de l’environnement, notamment en cas de retards de transmission d'informations du drone, dus à son éloignement ou même à une perte de transmission.
[0004] A ce jour, l’opérateur de l’aéronef sans pilote ou drone a la responsabilité de détecter qu’un aléa ne permet plus de continuer la mission. Son rôle consiste, à partir de sa perception d'un aléa critique, d’utiliser des macros commandes simples de type "Retour Maison" ou de type poser le drone là où il se trouve, par exemple par descente en spirale jusqu’au sol.
[0005] Ces solutions fonctionnent correctement lorsque le drone évolue à faible distance de l’opérateur et que celui-ci dispose d’une bonne connaissance de l’environnement du drone. Cela n'est pas le cas sur des missions de plusieurs heures. Dès lors, les systèmes devront apporter des solutions automatiques à l’opérateur.
[0006] Les opérations drones de grande élongation, ou, en d'autres termes, dont la mission de vol supérieure à 10 km, doivent apporter une solution aux différents aléas critiques tels que : un niveau d’autonomie d’énergie critique : un suivi de l’énergie détecte que le drone n’a plus les capacités d’atteindre la zone de posé prédéterminée la plus proche ; des dégradations de performances de vol suite à une panne d'actionneur, un vent excessif ou un problème structurel suite à un impact avec un élément extérieur, pour lesquels un suivi de la position du drone par rapport à la trajectoire permet de détecter que les fonctions de guidage et de pilote automatique ne permettent plus de suivre la trajectoire ; ou une divergence critique de la position dans le cas d’une perte de la position GNSS, pour laquelle un suivi est mis en place, et au-delà d’un certain délai, l’incertitude grandissante ne permet plus une navigabilité du drone.
[0007] Dans ces cas, un mode d’urgence est défini afin que le drone réponde à l’aléa critique.
[0008] Dans le cas d'opérations de grande élongation, la solution classique dite "système de terminaison de vol" ou "Flight Termination System" en langue anglaise, d'acronyme FTS, consistant à déclencher l'ouverture d'un parachute ou de procéder à une descente en spirale, n’est pas viable car il est difficile pour l’opérateur de se faire une idée précise de la situation, car le drone est à plusieurs dizaines voire centaines de kilomètres de l'opérateur.
[0009] Les solutions existantes pour trouver un chemin entre deux points en évitant des obstacles utilisent des algorithmes de recherche de chemin ou "Path Finding" en langue anglaise. Cependant, dans le cadre des drones, la solution matérielle, ou "hardware" en langue anglaise embarquée de faible coût, ou "low cost en langue anglaise, n’offre pas la performance nécessaire pour de tels algorithmes.
[0010] De plus, les coûts de développement dans le domaine des drones doivent être les moins élevés pour des raisons de compétitivité. Pour des raisons de coûts de développement liés au niveau de certification et de performance, la solution de type path finding ne peut être retenue.
[0011] Un but de l’invention est de répondre aux problèmes précédemment cités, et de trajectoire de posé d’urgence calculée par le système drone (sol/bord) dans le cas d’un aléa critique nécessitant que l’aéronef se pose au plus vite, cette trajectoire devant amener l’aéronef sur une zone sans activité humaine tout en garantissant le non survol de zones interdites ou NFZ pour acronyme de "No Fly Zone" en langue anglaise, la prise en compte du relief, ainsi que la prise en compte de la présence d'obstacles comme des zones interdites. [0012] Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un système de gestion de trajectoire d'atterrissage d'urgence d'un drone comprenant : une station de commande au sol comprenant un premier calculateur muni : d'un module de détermination en continu d'une première trajectoire d'atterrissage d'urgence prenant en compte la dernière valeur d'au moins un paramètre représentatif du fonctionnement ou de l'environnement du drone, reçue du drone, et une base de données de posés d'urgence, configuré pour calculer la première trajectoire d'atterrissage d'urgence à partir d'un algorithme de type recherche de chemin, de la base de données de posés d'urgence, et de la dernière valeur reçue du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone ; et d'un module de vérification de la première trajectoire, à partir de la base de données de posés d'urgence ; et une unité de commande à bord du drone comprenant un deuxième calculateur, comprenant : un module de détermination en continu d'une deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence à partir de la base de données de posés d'urgence et de la valeur courante d'au moins un paramètre de fonctionnement ou d'environnement du drone, configuré pour calculer la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence en comprenant, pour chaque point de posé d'urgence, un calcul de trajectoire latérale, un calcul de trajectoire verticale, et configuré pour vérifier que la trajectoire d'urgence est sécurisée dans un couloir de sécurité, à partir de la base de données de posés d'urgence, et de la dernière valeur du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone ; un module de détection d'un aléa critique impliquant un passage à un mode d'atterrissage d'urgence activant le fonctionnement d'un module de sélection de la première ou de la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence, un aléa étant détecté à partir de la valeur courante d'au moins un paramètre de fonctionnement ou d'environnement du drone ; et le module de sélection étant configuré pour sélectionner la première trajectoire d'atterrissage d'urgence élaborée ou la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence de manière à sélectionner la première trajectoire si la première trajectoire tient compte de la valeur courante du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone représentatifs de l'aléa critique détecté, et à sélectionner la deuxième trajectoire si la première trajectoire tient compte d'une dernière valeur reçue différente de la valeur courante du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone représentatifs de l'aléa critique détecté.
[0013] Dans un mode de réalisation, la base de données de posés comprend des zones de posés polygonales, des zones interdites de vol, et des obstacles.
[0014] Selon un mode de réalisation, la base de données de posés comprend des points de posés avec un axe d'approche finale associé et une altitude associée, des zones interdites de vol, et des obstacles.
[0015] Dans un mode de réalisation, le module de détermination en continu d'une deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence est configuré pour calculer des points de posé d'urgence en définissant un secteur de recherche de points de posé, en identifiant les segments des polygones directement visibles en ligne droite, et pour chaque point de posé : déterminer un axe d'approche finale pour chaque point de posé ; et vérifier le respect d'un couloir de sécurité de la trajectoire évitant les zones interdites de vol et les obstacles.
[0016] Selon un mode de réalisation, le module de détermination en continu d'une deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence est configuré pour évaluer les points de posés, du plus proche au plus lointain, en calculant une trajectoire latérale, une trajectoire verticale de posé d'urgence, et un couloir de sécurité associé.
[0017] Dans un mode de réalisation, le deuxième calculateur a une puissance de calcul inférieure à celle du premier calculateur.
[0018] L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels :
[0019] [Fig.1] illustre schématiquement un système de gestion de trajectoire d'atterrissage d'urgence d'un drone, selon un aspect de l'invention ; et [0020] [Fig.2] illustre schématiquement une base de données de posés d'urgence, selon un aspect de l'invention ;
[0021] [Fig.3] illustre schématiquement l'identification à bord du drone des zones de posés une base de données de posés d'urgence, selon un aspect de l'invention ;
[0022] [Fig.4] illustre schématiquement une évaluation à bord du drone des points de posés candidats, selon une trajectoire latérale, selon un aspect de l'invention ; et
[0023] [Fig.5] illustre schématiquement une évaluation à bord du drone de l'évolution d'un point de posé candidat, selon une trajectoire verticale, selon un aspect de l'invention.
[0024] Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires.
[0025] La [Fig.1 ] illustre schématiquement un système de gestion de trajectoire d'atterrissage d'urgence d'un drone 1 , selon un aspect de l'invention.
Le système comprend une station 2 de commande au sol comprenant un premier calculateur 3 muni : d'un module 4 de détermination en continu d'une première trajectoire d'atterrissage d'urgence prenant en compte la dernière valeur d'au moins un paramètre représentatif du fonctionnement ou de l'environnement du drone, reçue du drone, et une base de données de posés d'urgence ; et d'un module 5 de vérification de la première trajectoire, à partir de la base de données de posés d'urgence.
[0026] Les capteurs 14 du drone 1 fournissent des mesures à un module émetteur/récepteur 11 du drone 1 qui les transmet au premier calculateur 3 de la station 2 de commande au sol. Les capteurs 14 du drone 1 fournissent également ces mesures à un module 12 de suivi de vol du drone 1 , permettant, à partir de ces mesures des capteurs 14 de déterminer des aléas, tels une incapacité à voler la fin de la mission avec les capacités d’énergie restantes, un dépassement des déviations latérale et verticale à la trajectoire par rapport à des seuils prédéfinis, ou des pannes d’équipements.
[0027] Le système comprend également une unité de commande 6 à bord du drone comprenant un deuxième calculateur 7 ayant, par exemple, une puissance de calcul inférieure à celle du premier calculateur 3, qui comprend : un module 8 de détermination en continu d'une deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence à partir de la base de données de posés d'urgence et de la valeur courante d'au moins un paramètre de fonctionnement ou d'environnement du drone ; un module 9 de détection d'un aléa critique impliquant un passage à un mode d'atterrissage d'urgence activant le fonctionnement d'un module de sélection 10 de la première ou de la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence, un aléa étant détecté à partir de la valeur courante d'au moins un paramètre de fonctionnement ou d'environnement du drone ; et le module de sélection 10 étant configuré pour sélectionner la première trajectoire d'atterrissage d'urgence élaborée ou la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence de manière à sélectionner la première trajectoire si la première trajectoire tient compte de la valeur courante du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone représentatifs de l'aléa critique détecté, et à sélectionner la deuxième trajectoire si la première trajectoire tient compte d'une dernière valeur reçue différente de la valeur courante du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone représentatifs de l'aléa critique détecté.
[0028] Le module 4 de détermination en continu d'une première trajectoire d'atterrissage d'urgence est configuré pour calculer la première trajectoire d'atterrissage d'urgence à partir d'un algorithme de type recherche de chemin, de la base de données de posés d'urgence, et de la dernière valeur reçue du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone.
[0029] Le module de détermination en continu 8 d'une deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence est configuré pour calculer la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence en comprenant, pour chaque point de posé d'urgence, un calcul de trajectoire latérale, un calcul de trajectoire verticale, et configuré pour vérifier que la trajectoire d'urgence est sécurisée dans un couloir de sécurité, à partir de la base de données de posés d'urgence, et de la dernière valeur du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone. [0030] La base de données de posés comprend des zones de posés LZ, pour acronyme de "landing zone" en langue anglaise, polygonales, et des zones interdites de vol NFZ, pour acronyme de "no fly zone" en langue anglaise.
[0031] La base de données de posés comprend des points de posés avec un axe d'approche finale associé et une altitude associée, et des zones interdites de vol.
[0032] Le module 8 de détermination en continu d'une deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence est configuré pour calculer des points de posé d'urgence en définissant un secteur de recherche de points de posé, et pour chaque point de posé : identifier les segments des polygones directement visibles en ligne droite ; déterminer un axe d'approche finale pour chaque point de posé ; et vérifier le respect d'un couloir de sécurité de la trajectoire évitant les zones interdites de vol.
[0033] Le module 8 de détermination en continu d'une deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence est configuré pour évaluer les points de posés, du plus proche au plus lointain, en calculant une trajectoire latérale et une trajectoire verticale de posé d'urgence.
[0034] L’idée de base de la présente invention est d'utiliser deux algorithmes distincts de calcul de trajectoire d’urgence sur les deux calculateurs : disposer d’un calcul simple de trajectoire à bord du drone et d’une solution plus élaborée dans la station de commande au sol.
[0035] Un algorithme de sélection de trajectoire à bord permet lorsque le système passe en mode urgence de sélectionner la trajectoire d’urgence à voler. La trajectoire sélectionnée est alors envoyée au module 13 de guidage/pilotage pour exécution.
[0036] Le module 8 de détermination du deuxième calculateur 7 à bord calcule une deuxième trajectoire basique de type directe, ou "Direct-To" en langue anglaise, entre le drone et une zone de posé. Le module 4 de détermination du premier calculateur 3, dans la station 2 de commande au sol, calcule une deuxième trajectoire plus complexe avant d’être remontée au drone. [0037] Le module 10 de sélection est configuré pour sélectionner la première trajectoire d'atterrissage d'urgence élaborée ou la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence de manière à sélectionner la première trajectoire si la première trajectoire tient compte de la valeur courante du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone représentatifs d'un aléa critique détecté, et à sélectionner la deuxième trajectoire si la première trajectoire tient compte d'une dernière valeur reçue différente de la valeur courante du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone représentatifs de l'aléa critique détecté.
[0038] Le module 12 de suivi de vol du drone 1 permet de détecter l’incapacité à voler la fin de la mission avec les capacités d’énergie restantes, le dépassement des déviations latérale et verticale à la trajectoire par rapport à des seuils prédéfinis, et les pannes d'équipement. Le résultat de ce suivi est transmis au module 9 de détection d'un aléa critique qui, en cas de détection d'un aléa critique qui ne permet plus la poursuite de la mission et nécessite de se poser en urgence (par exemple dans les 2 ou 3 minutes), passe dans un mode d'atterrissage d'urgence. L’opérateur au sol a également la capacité de déclencher un posé d’urgence s’il considère que la situation l’exige.
[0039] La présente invention permet : d’avoir une charge de calcul raisonnable dans le drone et d’adresser des matériels de faible capacité ; d’engendrer un coût raisonnable de certification ; de permettre de simuler au sol en préparation de mission les algorithmes afin de valider les solutions de posé le long de la mission ; et de s’affranchir du stockage à bord du drone d’un ensemble de solutions d’urgence calculées au sol pour répondre à un aléa critique en cas de perte de communication.
[0040] Sur détection d'un aléa critique impliquant un passage à un mode d'atterrissage d'urgence, le module 10 de sélection sélectionne la trajectoire la première trajectoire d'atterrissage d'urgence élaborée ou la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence de manière à sélectionner la première trajectoire si la première trajectoire tient compte de la valeur courante du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone représentatifs de l'aléa critique détecté, et à sélectionner la deuxième trajectoire si la première trajectoire tient compte d'une dernière valeur reçue différente de la valeur courante du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone représentatifs de l'aléa critique détecté.
[0041] Ainsi, à bord du drone, lors du passage en mode d'atterrissage d'urgence, on a potentiellement le choix entre deux solutions : celle provenant du sol et celle calculée à bord. La fonction de sélection détermine laquelle de ces deux solutions est la plus pertinente.
[0042] A chaque trajectoire d’urgence est associé un ensemble de données permettant de définir les raisons du passage en urgence : batterie faible, perte de la position, perte d’un l’équipement ... Ces données peuvent avoir eu un impact sur la solution d’urgence calculée.
[0043] Par exemple, des contraintes liées à l’autonomie restante peuvent réduire le secteur de recherche de point de posé.
[0044] Le mécanisme de sélection du module 10, fonctionne de la manière suivante :
Si les jeux de données associés aux première et deuxième trajectoires d'urgence sont cohérents :
Cela signifie que la station 2 de commande au sol a bien connaissance des contraintes courantes détectées à bord du drone 1 ;
- On privilégie alors la première trajectoire fournie par la station 2 de commande au sol, déterminée à l’aide d’algorithmes plus complexes.
Sinon
La station 2 de commande sol et le bord du drone 1 n’ont pas les mêmes informations, à cause de problème de transmission ;
On considère que l’aléa critique détecté à bord du drone 1 est plus pertinent ; et
On choisit la trajectoire calculée à bord.
[0045] En amont de la mission, la base de données de posés d'urgence est élaborée au sol et chargée à bord de l’aéronef en début de mission. La [Fig.2] illustre un exemple de carte représentative d'une base de données de posés d'urgence [0046] Ces zones de posé, ou "landing zone" en langue anglaise, d'acronyme LZ, correspondent à des zones identifiées comme sûres, et sont modélisées par des polygones. Ces polygones sont générés à l’aide de plusieurs sources de données.
[0047] Sur les zones de posé, on retranche une bordure de sécurité, correspondant à la distance nécessaire pour que le drone puisse descendre sans toucher un obstacle qui serait au bord de la zone de posé, et prenant en compte une incertitude (imprécision d’élévation terrain, imprécision de mesure d’altitude, ...). Cette bordure de sécurité dépend du type de drone (caractéristiques techniques) et de ses capacités (pente de descente). Ainsi, tout point d’une zone de posé est un point de posé valide.
[0048] La base de données de posés d'urgence comprend également des zones interdites de vol.
[0049] En variante, la base de données de posés peut comprendre des points de posés avec un axe d'approche finale associé et une altitude associée.
[0050] Le module 8 de détermination en continu de la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence à partir de la base de données de posés d'urgence et de la valeur courante d'au moins un paramètre de fonctionnement ou d'environnement du drone 1 .
[0051] Le module 8 de détermination en continu de la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence, à bord du drone 1 , comporte les grandes étapes suivantes : détermination de points de posé candidats, si nécessaire, c’est-à-dire si la base de donnée de posés ne les contient pas déjà ; pour chaque point de posé : calcul de la trajectoire latérale ;
Calcul de la trajectoire verticale ; et
Vérification que la trajectoire est sécurisée (définition d’un couloir de sécurité et vérification que celui-ci n’a pas de collision avec une zone interdite de vol ni avec un obstacle).
[0052] Lorsque la base de données de posés ne contient pas directement des points de posés, mais des zones de posés, la détermination de points de posé candidats est effectuée comme suit par le module 8, comme illustré sur la [Fig.3]. [0053] Un secteur de recherche est déterminé dans lequel on recherche un point de posé.
[0054] Ce secteur est défini par un arc de cercle, ou un cercle, ayant pour centre la position du drone, extrapolée à X secondes devant (X étant la fréquence de calcul de cette solution d’urgence du deuxième calculateur 7) et le cap courant du drone 1 . La longueur du secteur correspond à la distance maximale parcourue par le drone dans des cas d’urgence : par exemple 2 ou 3 minutes dans notre cas.
[0055] L’angle du secteur de recherche peut être défini en fonction des performances du drone ou de diverses contraintes externes.
[0056] Ensuite, les polygones de la base de données de posés préalablement chargés à bord du drone 1 sont alors évalués au regard de ce secteur de recherche. Seuls les segments de polygones inclus dans le secteur de recherche sont considérés. Ils sont limités aux bornes du secteur de recherche si nécessaire.
[0057] Une projection en coordonnées polaires est réalisée, afin de pouvoir facilement déterminer quelles zones sont directement visibles en ligne droite depuis le centre du secteur de recherche, dans quel secteur angulaire et à quelle distance.
[0058] Les zones de posés visibles sont ensuite identifiées. Les projections permettent de connaître quels secteurs angulaires permettent d’atteindre une zone de posés LZ, et à quelle distance. Le fait que les bords des zones de posé (polygones) tiennent compte d’une marge de sécurité garantit que n’importe quel point de la zone de posés est éligible comme point d’atterrissage.
[0059] Cela permet de déterminer un ensemble de points de posé candidats à évaluer. Par exemple, en visant au centre des segments des zones de posés LZ visibles.
[0060] On peut être amené à vouloir déterminer un axe de posé particulier afin d’améliorer la sécurité de l’atterrissage selon le type de drone 1 ou les conditions de vol (comme le vent).
[0061] Dans ce cas, à partir d’un point de posé candidat, il est possible de recommencer une projection au sein de la zone de posé, afin de déterminer un axe de posé (ou plusieurs) qui laisse suffisamment de distance pour atterrir au sein de la zone. [0062] Il est possible d’y inclure la prise en compte d’autres paramètres tels que le sens du vent.
[0063] Il faut ensuite, pour les deux cas de la base de données de posés, de landing zones ou de points de posés, évaluer chaque point de posé, avec son axe d'approche finale associé et son altitude associée.
[0064] Plusieurs stratégies d’évaluation sont possibles, par exemple du plus proche au plus lointain, ou du plus proche à partir de la distance minimale pour atterrir au plus lointain.
[0065] Chaque évaluation de point de posé exécute les étapes suivantes.
[0066] Tout d'abord une trajectoire latérale est calculée, comme illustrée sur la [Fig.4], Le calcul de la trajectoire latérale cherche la trajectoire de rejointe la plus directe à partir d’une position et un cap donné, pour arriver sur un point donné avec un cap donné.
[0067] Le point de départ de l’algorithme est le centre du secteur de recherche, et le cap courant du drone 1 . Le point d’arrivée correspond au point de début d’approche.
Il est placé le long de l’axe de posé, avant le point de posé. Le segment d’approche (droit) est ensuite ajouté en fin de trajectoire.
[0068] Ensuite, une trajectoire verticale est calculée, comme illustré en 3D sur la [Fig.5], qui tient compte des élévations terrains, disponibles dans une base de données terrain embarquée à bord du drone 1 , et des caractéristiques du drone 1 .
[0069] La trajectoire doit également respecter les contraintes de suivi de terrain pour garantir qu’elle reste volable sans risquer d’entrer en collision avec le terrain. Si cela n’est pas possible, le point de posé est rejeté ou ignoré.
[0070] Enfin, la trajectoire est vérifiée afin de garantir que celle-ci n’entre pas en collision avec les zones interdites ou des obstacles (intégrés comme des zones interdites dans la base de données). Pour cela, un couloir de sécurité autour de la trajectoire est pris en compte. En cas d’impossibilité, ce point de posé est ignoré.
[0071] Dès qu’un point de posé candidat a permis le calcul d’une trajectoire sécurisée, le calcul peut s’arrêter : une solution valide a été trouvée.
[0072] Tous ces calculs sont réalisés continuellement à bord du drone 1 à une certaine fréquence de calcul, limitée par les capacités du deuxième calculateur 7. Ainsi, une solution de posé est réactualisée régulièrement à partir du contexte mesuré.
[0073] Dans le cas où une trajectoire d’urgence est sélectionnée par le module de sélection 10 pour être volée, de nouvelles trajectoires d’urgence sont sans cesse recalculées afin de proposer une solution adéquate à une évolution des aléas critiques à bord du drone 1 .
[0074] Le module 4 de détermination en continu d'une première trajectoire d'atterrissage d'urgence effectue tout d'abord la construction d’un chemin qui prend en compte les zones interdites de vol NFZ. La capacité de calcul du premier calculateur 3 de la station au sol 2 est généralement plus grande qu’à bord du drone 1 dans le deuxième calculateur 7, et permet au sol l’utilisation d’algorithmes de type Path Finding (Theta* ou Field D*) ou de type RRT (arbre aléatoire à exploration rapide).
[0075] Ce chemin est ensuite fourni à un algorithme de calcul de trajectoire pour calculer la première trajectoire de posé 3D pour prendre en compte le terrain. La première trajectoire est alors fournie au module 5 de vérification de la première trajectoire. Son rôle est de garantir qu’une trajectoire est volable en proposant un niveau de DAL, pour acronyme de "Design Assurance Levels" en langue anglaise, égal aux algorithmes embarqués à bord du drone 1 . L’algorithme permet de vérifier que la trajectoire est volable en termes de continuité et de performance, qu’il n’y a pas de conflit avec le terrain, les obstacles et les No Fly Zones. Le résultat de la vérification et la trajectoire son transmis au drone 1 .
[0076] La trajectoire ainsi produite est envoyée à bord du drone, périodiquement ou ponctuellement, afin d’être éventuellement prise en compte en cas d’aléa critique nécessitant le passage en mode urgence.
[0077] Ainsi la présente invention permet de garantir de toujours disposer d’une trajectoire de posé d’urgence tout au long de la mission, qui répond à la nature de l’aléa critique rencontré.
[0078] Le fait de calculer dynamiquement une trajectoire qui prend en compte le contexte courant du drone 1 évite de pré-charger un nombre important de solutions à bord. Cela réduit la capacité mémoire à allouer au stockage des trajectoires. [0079] La solution continue de fonctionner même en cas de perte de communication entre la station au sol 2 et le drone 1 .
[0080] L’utilisation d’un algorithme simple à bord du drone 1 permet de simuler rapidement en préparation de mission le déroulé du vol pour identifier des portions non couvertes par une solution d’urgence.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système de gestion de trajectoire d'atterrissage d'urgence d'un drone (1 ) comprenant : une station (2) de commande au sol comprenant un premier calculateur (3) muni : d'un module (4) de détermination en continu d'une première trajectoire d'atterrissage d'urgence prenant en compte la dernière valeur d'au moins un paramètre représentatif du fonctionnement ou de l'environnement du drone, reçue du drone, et une base de données de posés d'urgence, configuré pour calculer la première trajectoire d'atterrissage d'urgence à partir d'un algorithme de type recherche de chemin, de la base de données de posés d'urgence, et de la dernière valeur reçue du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone ; et d'un module (5) de vérification de la première trajectoire, à partir de la base de données de posés d'urgence ; et une unité de commande (6) à bord du drone (1 ) comprenant un deuxième calculateur (7), comprenant : un module (8) de détermination en continu d'une deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence à partir de la base de données de posés d'urgence et de la valeur courante d'au moins un paramètre de fonctionnement ou d'environnement du drone, configuré pour calculer la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence en comprenant, pour chaque point de posé d'urgence, un calcul de trajectoire latérale, un calcul de trajectoire verticale, et configuré pour vérifier que la trajectoire d'urgence est sécurisée dans un couloir de sécurité, à partir de la base de données de posés d'urgence, et de la dernière valeur du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone ; un module (9) de détection d'un aléa critique impliquant un passage à un mode d'atterrissage d'urgence activant le fonctionnement d'un module de sélection de la première ou de la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence, un aléa étant détecté à partir de la valeur courante d'au moins un paramètre de fonctionnement ou d'environnement du drone ; et le module de sélection (10) étant configuré pour sélectionner la première trajectoire d'atterrissage d'urgence élaborée ou la deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence de manière à sélectionner la première trajectoire si la première trajectoire tient compte de la valeur courante du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone représentatifs de l'aléa critique détecté, et à sélectionner la deuxième trajectoire si la première trajectoire tient compte d'une dernière valeur reçue différente de la valeur courante du ou des paramètres de fonctionnement ou d'environnement du drone représentatifs de l'aléa critique détecté.
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel la base de données de posés comprend des zones de posés (LZ) polygonales, des zones interdites de vol (NFZ), et des obstacles.
3. Système selon la revendication 1 , dans lequel la base de données de posés comprend des points de posés avec un axe d'approche finale associé et une altitude associée, des zones interdites de vol, et des obstacles.
4. Système selon la revendication 2, dans lequel le module (8) de détermination en continu d'une deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence est configuré pour calculer des points de posé d'urgence en définissant un secteur de recherche de points de posé, en identifiant les segments des polygones directement visibles en ligne droite, et pour chaque point de posé : déterminer un axe d'approche finale pour chaque point de posé ; et vérifier le respect d'un couloir de sécurité de la trajectoire évitant les zones interdites de vol et les obstacles.
5. Système selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le module (8) de détermination en continu d'une deuxième trajectoire d'atterrissage d'urgence est configuré pour évaluer les points de posés, du plus proche au plus lointain, en calculant une trajectoire latérale, une trajectoire verticale de posé d'urgence, et un couloir de sécurité associé.
6. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le deuxième calculateur (7) a une puissance de calcul inférieure à celle du premier calculateur (3).
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