FR2965075A1

FR2965075A1 - Procede et systeme de guidage d'un vehicule pour le suivi d'une trajectoire planifiee et l'evitement d'obstacles fixes ou mobiles

Info

Publication number: FR2965075A1
Application number: FR1003703A
Authority: FR
Inventors: Julien Farjon
Original assignee: Sagem Defense Securite SA
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-03-23
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: FR2965075B1

Abstract

L'invention concerne selon un premier aspect un procédé de guidage d'un véhicule, dans lequel on génère une consigne de vitesse destinée à être utilisé par un calculateur de pilotage du véhicule en venant superposer différents champs de vitesses d'écoulements fluides

Description

DOMAINE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est celui du guidage d'un véhicule. L'invention concerne plus particulièrement l'élaboration d'une consigne de vitesse destinée à être utilisée dans un calculateur de trajectoire d'un véhicule afin de réaliser un pilotage adapté au suivi d'une trajectoire planifiée et à la gestion simultanée de l'évitement d'obstacles fixes ou mobiles. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Un drone est un véhicule aérien sans pilote guidée au moyen d'un calculateur de vol embarqué (pilote automatique) qui en commande les différents actionneurs de vol à partir d'une consigne de guidage (cap, vitesse, roulis, altitude). Le calculateur de vol a pour mission de faire en sorte que le drone suive la trajectoire souhaitée, qui peut être également planifiée par avance (plan de vol). Une problématique rencontrée est celle consistant à assurer également l'évitement d'intrus ou d'obstacles, fixes ou mobiles, qui pourraient être rencontrés sur la trajectoire commandée. On connaît du domaine de la robotique terrestre une méthode de guidage dite « potentielle » réalisant une analogie avec les interactions interatomiques. Le robot y est considéré comme une particule chargée soumise à un champ potentiel artificiel correspondant à la superposition de champs potentiels répulsifs attachés aux positions des intrus/obstacles (de type répulsion électrostatique en 1/r, r étant la distance à l'intrus/obstacle) et d'un champ attractif attaché à la destination à rejoindre. Par le calcul d'un gradient sur le potentiel résultant, une force est déduite et utilisée comme commande pour le robot (traduite en termes de couple appliqué au train roulant du robot). Si on tente de transposer directement cette méthode au pilotage d'un véhicule aérien, cela implique de fournir des consignes en facteur de charge (le calcul du gradient fournissant une force). Cela ne s'avère pas possible en pratique car le facteur de charge n'est pas une grandeur complètement commandable. Dans certaines architectures de drone, cette grandeur est en

outre inaccessible compte tenu des interfaces du calculateur de vol. Par ailleurs la nécessité de réaliser un calcul numérique de gradient peut s'avérer pénalisante dans un contexte de calcul temps-réel au sein d'un calculateur embarqué. 5 BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention a pour objectif de proposer une technique de guidage d'un véhicule qui s'affranchisse des inconvénients mentionnés ci-dessus. A cet effet, l'invention propose selon un premier aspect un procédé de guidage d'un véhicule, dans lequel on génère une consigne de vitesse destinée à être 10 utilisé par un calculateur de pilotage du véhicule en venant superposer différents champs de vitesses d'écoulements fluides. Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de ce procédé sont les suivants : les champs de vitesses superposés comprennent un ou plusieurs 15 champs parmi: o un champ de vitesse attractif de type puits, de manière à faire suivre une trajectoire planifiée au véhicule; o un champ de vitesse répulsif de type source, de manière à repousser le véhicule d'un obstacle ou d'un intrus ; 20 o un champ de vitesse rotationnel de type tourbillon, de manière à forcer le véhicule à contourner un obstacle ou un intrus. une pondération est associée à chacun de champs de vitesses superposés pour générer la consigne de vitesse ; la superposition des champs de vitesse est mise en oeuvre suite à la 25 détection d'un intrus ou d'un obstacle et tant qu'une estimation du risque associé à l'intrus ou l'obstacle est supérieure à un seuil prédéfini ; le véhicule est un drone et le calculateur de pilotage est un pilote automatique. 30 Selon un second aspect, l'invention propose un système de guidage d'un véhicule comprenant un calculateur de pilotage, caractérisé en ce qu'il comprend un module d'évitement configuré pour fournir au calculateur de pilotage une consigne de vitesse résultant de la superposition de différents champs de vitesses d'écoulements fluides. Le système peut en outre comprendre un module de détection d'un intrus ou d'un obstacle et d'estimation du risque associé, le calculateur de pilotage étant configuré pour utiliser la consigne de vitesse élaborée par le module d'évitement suite à la détection de l'intrus ou de l'obstacle et tant que l'estimation du risque est supérieure à un seuil. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un écoulement fluide attractif de type puits, à même d'assurer le suivi d'une trajectoire planifiée par le véhicule ; - la figure 2 représente un écoulement fluide répulsif de type source, à même de repousser le véhicule d'un intrus/obstacle ; - la figure 3 représente un écoulement fluide rotationnel, à même de forcer le contournement dans un sens prédéterminé d'un intrus/obstacle par le véhicule ; - la figure 4 est un schéma représentant un mode de réalisation possible d'un système de guidage selon le deuxième aspect de l'invention ; la figure 5 illustre l'évitement ponctuel d'un intrus mobile ; la figure 6 illustre l'évitement d'un obstacle fixe.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention a trait au guidage d'un véhicule aérien ou terrestre, et vise plus précisément la génération d'une consigne de vitesse destinée à être utilisé par un calculateur de pilotage du véhicule pour générer les consignes de pilotage des actionneurs Selon une application préférentielle, le calculateur de pilotage est un pilote automatique, par exemple pour un véhicule sans pilote, notamment pour un drone aérien. L'invention n'est toutefois pas limitée à cette application, mais s'étend également à une assistance au pilotage d'un véhicule, aérien ou terrestre, avec ou sans pilote. Le procédé de guidage selon le premier aspect de l'invention est caractérisé par le fait que la consigne de vitesse est générée en venant superposer différents champs de vitesses d'écoulements fluides. En particulier, on peut venir associer au plan de vol à suivre un écoulement possédant des caractéristiques d'intérêt et venir associer aux positions des intrus ou obstacles (points sources d'écoulement) des champs de vitesses répulsifs ou rotationnels. La vitesse résultant de la superposition de tous ces champs forme alors la consigne de vitesse fournie au calculateur de pilotage (par exemple le pilote automatique d'un drone). En se basant sur de tels champs de vitesses d'écoulements fluides, l'invention fait ainsi une analogie avec la mécanique des fluides. L'invention repose dès lors sur une analogie et une nature de champs différentes de celles de la méthode dite « potentielle » présentée en introduction qui propose une analogie avec les interactions interatomiques et utilise des champs potentiels. L'intérêt des champs de vitesses d'écoulements fluides est multiple. - La vitesse résultante donnée par la superposition des différents champs donne une direction à suivre. On vient ainsi générer une consigne de vitesse ou de cap plutôt qu'une commande en facteur de charge irréalisable dans les applications envisagées. - En travaillant directement sur les champs de vitesse plutôt que sur des potentiels, on s'affranchit d'un calcul numérique de gradient parfois pénalisant dans un contexte de calcul en temps réel au sein d'un calculateur embarqué. - Certains écoulements d'intérêt (écoulement tourbillon notamment) possèdent des potentiels associés discontinus ce qui pose problème lors du calcul numérique de gradient sur des espaces discrétisés. L'utilisation directe d'un potentiel de vitesse permet de s'affranchir de ces problèmes de discontinuité. - Certains types d'écoulements permettent de tenir compte de règles de priorité dans l'évitement, ce qui n'est pas possible avec l'analogie d'interaction interatomiques. On a représenté sur les figures 1 à 3 différents champs de vitesses pouvant être utilisés dans le cadre de l'invention. Ainsi les champs de vitesses superposés comprennent un ou plusieurs champs parmi: - un champ de vitesse attractif de type puits (cf. figure 1), de manière à faire suivre une trajectoire planifiée Tp au véhicule; - un champ de vitesse répulsif de type source (figure 2), de manière à repousser le véhicule d'un obstacle ou d'un intrus (représenté par une croix sur la figure 2); - un champ de vitesse rotationnel de type tourbillon (figure 3), de manière à forcer le véhicule à contourner un obstacle ou un intrus (représenté par une croix sur la figure 2) dans un sens prédéterminé (horaire ou antihoraire). On relèvera que ces écoulements ne représentent que des obstacles ponctuels. Toutefois, des méthodes de singularités (méthode de Prandtl, de Hess-Smith, etc.) permettent des décrire des obstacles surfaciques ou volumiques de formes complexes (chaines de montagne, formations nuageuse, villes, etc.) à partir de distributions de tourbillons et de points sources. L'invention n'est donc pas limitée à l'évitement d'intrus ou d'obstacles ponctuels, mais s'étend à l'évitement de formes plus complexes. Selon un mode de réalisation préférentiel, une pondération est associée à chacun de champs de vitesses superposés pour générer la consigne de vitesse. On peut ainsi tenir compte de règles de priorité dans l'évitement.

On a représenté sur la figure 4 un mode de réalisation possible d'un système de guidage d'un véhicule conforme au second aspect de l'invention. Le système de guidage comprend de manière classique en soi un calculateur de pilotage 1 (calculateur de vol pour un véhicule aérien) fournissant les commandes aux différents actionneurs du véhicule à partir de consignes de guidage (vitesse, cap, roulis, altitude) qu'il reçoit d'un module de mission 2 incorporant un sous-module de guidage 3 au sein duquel est défini le plan de vol et un sous-module cartographique 4 fournissant la position de différents obstacles surfaciques ou volumiques fixes. Un système de navigation 5, par exemple un système de positionnement par satellites, peut en outre être associé au calculateur de pilotage 1. Dans le cadre de l'invention, le système de guidage comporte en outre un module d'évitement 6 configuré pour fournir au calculateur de pilotage 1 une consigne de vitesse résultant de la superposition de différents champs de vitesses d'écoulements fluides. Le module d'évitement 6 reçoit du module de mission 2 le plan de vol et la position des obstacles fixes. II est par ailleurs associé à un module 7 de détection d'intrus ou d'obstacle et d'estimation du risque associé. De manière préférentielle, le calculateur de pilotage 1 est configuré pour utiliser la consigne de vitesse élaborée par le module d'évitement 6, plutôt que celle calculée par le module de mission 2, suite à la détection de l'intrus ou de l'obstacle et tant que l'estimation du risque est supérieure à un seuil. En présence d'un risque de collision, le module d'évitement 6 vient ainsi bypasser le module de mission 2.

On a représenté sur les figures 5 et 6 deux exemples de guidages conformes à l'invention pour assurer simultanément le suivi d'une trajectoire planifiée et l'évitement d'intrus ou d'obstacles, fixes ou mobiles. La figure 5 représente l'évitement ponctuel d'un intrus. Sur cette figure, la trajectoire d'un intrus porte la référence TI, et la zone à éviter autour de cet intrus porte la référence Z,. La trajectoire suivie par le drone porte la référence TDI. Cette trajectoire est exécutée par le calculateur de pilotage à partir de la consigne de vitesse élaborée conformément à l'invention. On pourra constater que les paramètres du champ de vitesses associé à l'intrus peuvent être optimisés suivant le critère choisi (distance minimale à l'intrus, déviation minimale, etc.).

La figure 6 représente quant à elle l'évitement d'un obstacle. Sur cette figure la trajectoire du plan de vol porte à la référence Tp, la zone à éviter (l'obstacle) porte la référence Zo, les différentes flèches représentent les lignes de courant résultant de la superposition des différents champs de vitesses (plan de vol, sources et tourbillons associés à la zone à éviter). La trajectoire exécutée par le calculateur de pilotage à partir de la consigne de vitesse élaborée conformément à l'invention (trajectoire effectivement suivie par le drone) porte quant à elle la référence TD2.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de guidage d'un véhicule, dans lequel on REVENDICATIONS1. Procédé de guidage d'un véhicule, dans lequel on génère une consigne de vitesse destinée à être utilisé par un calculateur de pilotage du véhicule 5 en venant superposer différents champs de vitesses d'écoulements fluides.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les champs de vitesses superposés comprennent un ou plusieurs champs parmi: - un champ de vitesse attractif de type puits, de manière à faire 10 suivre une trajectoire planifiée au véhicule; - un champ de vitesse répulsif de type source, de manière à repousser le véhicule d'un obstacle ou d'un intrus ; un champ de vitesse rotationnel de type tourbillon, de manière à forcer le véhicule à contourner un obstacle ou un intrus. 15
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel une pondération est associée à chacun de champs de vitesses superposés pour générer la consigne de vitesse.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la superposition des champs de vitesse est mise en oeuvre suite à la détection d'un intrus ou d'un obstacle et tant qu'une estimation du risque associé à l'intrus ou l'obstacle est supérieure à un seuil prédéfini.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le véhicule est un drone et le calculateur de pilotage est un pilote automatique.
6. Système de guidage d'un véhicule comprenant un calculateur de pilotage (1), caractérisé en ce qu'il comprend un module d'évitement (6) configuré pour fournir au calculateur de pilotage une consigne de vitesse résultant de la superposition de différents champs de vitesses d'écoulements fluides.
7. Système selon la revendication précédente, comprenant en outre un module (7) de détection d'un intrus ou d'un obstacle et d'estimation du risque associé, le calculateur de pilotage (1) étant configuré pour utiliser la consigne de vitesse élaborée par le module d'évitement (6) suite à la détection de l'intrus ou de l'obstacle et tant que l'estimation du risque est supérieure à un seuil.