FR3031402A1

FR3031402A1 - Procede de pilotage automatique d'un drone a voilure tournante pour operer des mouvements de camera par une camera embarquee

Info

Publication number: FR3031402A1
Application number: FR1500002A
Authority: FR
Inventors: Sylvain Montreuil
Original assignee: Squadrone System
Current assignee: Squadrone System
Priority date: 2015-01-02
Filing date: 2015-01-02
Publication date: 2016-07-08
Anticipated expiration: 2035-01-02
Also published as: FR3031402B1; US20160194079A1

Abstract

Procédé de pilotage automatique d'un drone à voilure tournante pour opérer des mouvements de caméra par une caméra embarquée. L'invention a pour objet un procédé de pilotage autonome, au moyen d'une « station de base », d'un drone à voilure tournante à rotors multiples pour piloter le drone en attitude et en vitesse suivant un mouvement de caméra choisi et une position du sujet à filmer. ce procédé comprend les étapes suivantes : 1. Sélection par l'utilisateur d'un mouvement de caméra (6) défini par un jeu de paramètres comprenant : mode de prise de vue en point fixe ou en déplacement (7); type de déplacement en attitudes relatives au sujet à filmer (8); vitesse de déplacement ; directions ou axes de déplacement ; sens du déplacement (10); altitudes de prise de vue (9); 2. Génération des commandes de positions (15) par lesquelles le drone devra passer à partir dudit jeu de paramètres (12) et de la position instantanée du sujet à filmer (13) ainsi que de sa trajectoire récente (14) ; 3. Activation de la prise de vue par la caméra vidéo une fois le drone lancé sur les positions envoyées par la station de base embarquée sur le sujet. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la prise de vue aérienne.

Description

- 1 - L'invention concerne les systèmes de contrôle de drones à voilure tournante tels que les quadricoptères, hexacoptères et analogues. Ces drones sont pourvus de rotors multiples entraînés par des moteurs respectifs commandables de manière différenciée afin de piloter le drone en attitude et en vitesse. Ces drones sont pilotés par l'utilisateur au moyen d'un dispositif de télécommande déportée - ci-après désigné « station de base » - relié au drone par une liaison radio. Un exemple typique d'un tel système est l'IRIS de 3D Robotics, USA, qui est un quadricoptère équipé d'une série de capteurs (accéléromètres, gyromètres trois axes, baromètre, GPS), d'un système de stabilisation de caméra, d'une caméra captant une image de la scène vers laquelle est dirigé le drone, d'une télécommande RC, et d'une application smartphone ou tablette avec un logiciel « station de base » communiquant avec le drone en liaison radio. Plus précisément, l'un des modes de navigation du drone est appelé mode automatique. Dans ce mode, le drone est dirigé par l'utilisateur au moyen de la « station de base » qui peut être un ordinateur, un téléphone équipé d'un logiciel « station de base », une tablette multimédia de type iPad (marque déposée de Apple Inc, USA), ou tout autre objet connecté en envoyant des positions par lesquelles le drone doit passer. Ces points de passages sont des coordonnées GPS et une altitude qui sont pré-définis avant le vol du drone. L'utilisateur définit manuellement les points de passage du drone au travers de la « station de base » ou bien de manière programmée avant le vol du drone, ou bien pendant le vol pour influer sur le 20 comportement du drone. Un autre mode de navigation est appelé mode manuel ou assisté. Dans ce mode, le drone est piloté par l'utilisateur au moyen de signaux émis par une télécommande qui seront traduits par le drone en des mouvements. Par exemple, pour faire avancer le drone l'utilisateur penche la manette de tangage vers le haut. De cette manière, le drone est commandé de manière à s'incliner ou « plonger » vers le bas 25 (inclinaison suivant un angle de tangage), il progressera de l'avant avec une vitesse d'autant plus élevée que l'inclinaison sera importante. Inversement, s'il est commandé de manière à se « cabrer » dans le sens opposé, sa vitesse ralentira progressivement puis s'inversera en repartant vers l'arrière. De la même façon, pour une commande d'inclinaison suivant un axe de roulis le drone penchera à droite ou à gauche, provoquant un déplacement linéaire en translation horizontale vers la droite ou vers la 30 gauche. Les techniques de navigation mentionnées ne sont malheureusement pas ou peu applicables pour la capture d'image vidéo au moyen de la caméra sur un sujet fixe ou en mouvement pour les raisons particulières évoquées ici : 1. Dans la mesure où le drone est piloté manuellement, la prise de point de vue relatif à un sujet 35 est une opération délicate demandant une grande dextérité et une très bonne expérience de pilotage de drone, et n'est donc pas accessible au public néophyte ou amateur ; -2- 2. L'utilisation du mode de navigation automatique demande de préparer un plan de vol à l'avance et ne permet donc pas d'être réactif par rapport à un comportement du sujet en mouvement non défini à l'avance. Le problème de l'invention est de trouver une autre technique de contrôle de drones qui permette de produire une séquence d'image vidéo sur un sujet fixe ou mobile sans avoir d'intervention manuelle ou automatique de pilotage du drone. L'idée de base de l'invention consiste à utiliser une « station de base » embarquée sur le sujet à filmer qui puisse communiquer de manière autonome avec le drone pour réaliser une séquence d'image vidéo. Pour cela, l'utilisateur choisit un « mouvement de caméra » au sein d'une bibliothèque sur l'application « station de base » qui définit automatiquement pour le drone une trajectoire correspondante en fonction de la position du sujet adaptée de manière à réaliser la prise de vue choisie. Le sujet peut alors se mettre en mouvement, le système de contrôle de drone s'adaptant automatiquement aux nouvelles positions du sujet. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de pilotage autonome, au moyen d'une « station de base », d'un drone à voilure tournante à rotors multiples pour piloter le drone en attitude et en vitesse suivant un mouvement de caméra choisi et une position du sujet à filmer. Le drone comporte une caméra vidéo embarquée apte à capter une séquence d'images d'une cible vue depuis le drone et à transmettre cette séquence à la « station de base ». De façon caractéristique, ce procédé comprend les étapes suivantes : 1. Sélection par l'utilisateur d'un mouvement de caméra défini par un jeu de paramètres comprenant : mode de prise de vue en point fixe ou en déplacement ; type de déplacement en attitudes relatives au sujet à filmer ; vitesse de déplacement ; directions ou axes de déplacement ; sens du déplacement ; altitudes de prise de vue ; 2. Génération des commandes de positions par lesquelles le drone devra passer à partir dudit jeu de paramètres et de la position instantanée du sujet à filmer ainsi que de sa trajectoire récente ; 3. Activation de la prise de vue par la caméra vidéo une fois le drone lancé sur les positions envoyées par la station de base embarquée sur le sujet. On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre du dispositif de l'invention, en référence aux dessins annexés où les mêmes références numériques désignent d'une figure à l'autre des éléments identiques ou fonctionnellement semblables. La Figure 1 est une vue d'ensemble du système montrant le drone, une télécommande et la « station de base » permettant son pilotage. La Figure 2 est un exemple d'application de « station de base » sur un smartphone utilisé pour des missions automatique en préprogrammant des coordonnées GPS par lesquelles le drone doit passer. Les Figures 3 et 4 sont des exemples qui illustrent une manière de naviguer au sein d'une bibliothèque de mouvements et de définir le jeu de paramètres correspondant. - 3 - La Figure 5 décrit la mise en oeuvre de l'invention par lequel le contrôle automatique du drone se fait au travers d'un mouvement de caméra choisi et des paramètres liés, et de la position du sujet à filmer. La Figure 6 décrit un exemple de composition de mouvement de caméra.

Sur la Figure 1, la référence (1) désigne de façon générale un drone, qui est par exemple un hexacoptère. Ce drone comporte six rotors coplanaires (4) dont les moteurs sont pilotés indépendamment par un système intégré de navigation et de contrôle d'attitude. Le drone (1) comporte également une caméra frontale (11) permettant d'obtenir une image de la scène vers laquelle est dirigé le drone.

Le drone peut être piloté par une télécommande distante (2) ou par une « station de base » (3). Dans la Figure 1, la station de base représentée en exemple est un smartphone (3) équipé d'une application adéquate. Cette station de base (3) peut aussi être une tablette, un baladeur multimédia ou tout autre appareil connecté pourvu de moyens de liaison radio avec le drone permettant l'échange bidirectionnel de données : du drone (1) vers la station de base (3) notamment pour la position du drone et la transmission de l'image captée par la caméra (11), et de la station de base (3) vers le drone (1) pour l'envoi de commandes de pilotage. La Figure 2 représente un exemple de mission préprogrammée sur la station de base (3) en mode automatique par des coordonnées GPS (5) par lesquelles le drone passera. Sont associées à ces coordonnées une altitude de passage dans les systèmes actuellement disponibles.

Sur la Figure 3 est représenté un exemple de l'application station de base (3) sur un smartphone permettant à l'utilisateur de naviguer au sein d'une bibliothèque de mouvements de caméra (6). L'utilisateur peut ainsi choisir le type de points de vue et de mouvement de la caméra qu'il désire. Sur la figure 4 est représenté un exemple de détails sur la station de base (3) sur un smartphone permettant pour un mouvement de caméra (6) donné de spécifier un certain nombre de paramètres liés au mouvement désiré par l'utilisateur. Le mouvement de caméra donné en exemple ici est un 360 selfie. Sur cet exemple ces paramètres sont : la position relative de la caméra par rapport au sujet (7) dans un plan horizontal, une distance relative (8) de la caméra par rapport au sujet permettant à l'utilisateur de choisir le type de plan désiré, l'évolution d'altitude (9) de la caméra désiré permettant d'avoir un point de vue aérien du sujet à filmer et la vitesse et le sens de rotation (10) de la caméra autour du sujet. Sur la Figure 5 nous décrivons en détails les étapes de mise en oeuvre de l'invention. A partir du mouvement de caméra et du jeu de paramètres (12) choisis par l'utilisateur sur la station de base, la position du sujet est évaluée à intervalles réguliers (13) à partir de capteurs embarqués sur ce dernier. Ces capteurs peuvent être liés à la station de base, à l'appareil multimédia hébergeant cette application ou à un dispositif dédié à la localisation du sujet. La localisation du sujet (13) se fait au travers de l'hybridation de données provenant de capteurs divers, dont certains peuvent être par exemple : un capteur GPS, une centrale inertielle contenant trois accéléromètres, trois gyroscopes, trois - 4 - magnétomètres et un baromètre. La localisation du sujet se fait ou bien dans un plan en deux dimensions (plan horizontal) ou bien en trois dimensions si les capteurs le permettent. A partir des données de localisation du sujet (13) ainsi recueillies à intervalles réguliers, un mécanisme de prédiction de trajectoire du sujet (14) est mis en oeuvre afin d'évaluer la trajectoire estimée du sujet à filmer. Les éléments pris en compte pour la prédiction de trajectoire peuvent dépendre du type de mouvement de caméra et du jeu de paramètres choisis (12) et peuvent être plus ou moins complexes en fonction des types de capteurs disponibles et de la précision voulue. Un exemple simple de prédiction de trajectoire peut être réalisé au moyen d'un vecteur vitesse (couple vitesse direction / cap) du sujet qu'on applique à sa position actuelle pour estimer sa future position et son déplacement dans le temps. Le but est d'anticiper la position de la cible en fonction de sa vitesse. La mesure de la vitesse de la cible s'effectue en mesurant la distance parcourue par la cible pendant un laps de temps donné. Cette mesure doit être effectuée à une fréquence suffisante pour que le drone réagisse assez rapidement, mais pas trop rapidement non plus pour que la mesure soit suffisamment précise. Si on considère que la position GPS est précise au mètre près et qu'on souhaite évoluer avec une vitesse variant de zéro à dix m/s, un compromis intéressant pourrait être de faire des mesures de vitesses toutes les secondes. La position prédite du sujet permet alors de définir la position cible du drone pour l'instant à venir ainsi que les paramètres de son déplacement (15). Ces paramètres sont par exemple la vitesse horizontale de déplacement, la vitesse verticale de déplacement, la vitesse de rotation du drone. La position cible est typiquement un point GPS, une altitude et une orientation voulue pour le drone à un instant donné. L'orientation de la caméra sur l'axe de tangage fait aussi parti de la position cible afin que l'axe de la caméra soit toujours en direction du sujet à filmer et que ce dernier soit cadré. Ce calcul de la position et des éléments de déplacement du drone dépendent aussi du mouvement de caméra et du jeu de paramètres choisis (12) ainsi que de la position et des attitudes du drone (17).

Cette position cible et les éléments de déplacements sont transmis sous forme de consigne au drone (16) au travers d'un protocole de communication et d'une liaison radio permettant la communication entre le drone et la station de base. Cette liaison radio peut être par exemple une liaison sans fil de type réseau local Wi-Fi (IEEE 802.11) ou Bluetooth (marques déposées). Le protocole de communication permettant de transmettre ces consignes de la station de base (3) au drone (1) peut être par exemple un protocole standardisé comme le protocole MAVLINK élaboré par l'ETH Zurich, Suisse. Ces consignes de position et de déplacements sont alors prises en compte par le contrôleur de vol du drone qui va actionner les contrôleurs permettant de piloter les rotors coplanaires (4) qui vont entrainer le déplacement de drone vers la position cible. Une boucle d'asservissement (17) est alors exécutée pour corriger la trajectoire réelle du drone en fonction de la trajectoire cible.

L'ensemble de ce processus est itéré à intervalle régulier. La fréquence de ce processus peut typiquement être de 10Hz, et varie en fonction des types de capteurs et du type de mouvement de caméra choisis (12). - 5 - Sur la Figure 6, Une trajectoire ou mouvement de caméra est décrite avec un ensemble de balises "fi-ame" (18). Chaque frame dispose d'un identifiant unique (18), d'une position relative à la cible sur un plan 3D (x,y,z) (19) et d'un temps qui correspond au moment de passage du drone par ce point (20).

Claims

REVENDICATIONS1. Un procédé de pilotage d'un drone (1) au moyen d'un appareil de télécommande (3), ce drone étant équipé d'une caméra vidéo (11), l'appareil (3), ici appelé station de base, étant un appareil portatif comprenant : un écran tactile ; des moyens aptes à détecter au moins un contact d'un doigt d'un utilisateur à la surface de l'écran, un moyen de localiser un sujet à filmer (capteurs embarqués ou déportés), et de moyens de transmission sans fil de données, aptes à émettre des commandes à destination du drone ; 10 ce procédé comprend les étapes suivantes : - Sélection par l'utilisateur d'un mouvement de caméra (6) défini par un jeu de paramètres (12) comprenant : mode de prise de vue en point fixe ou en déplacement ; type de déplacement en attitudes relatives au sujet à filmer (7) ; vitesse de déplacement ; directions ou axes de déplacement ; sens du déplacement (10) ; 15 altitudes de prise de vue (9); - Génération des commandes de positions par lesquelles le drone devra passer à partir dudit jeu de paramètres (12) et de la position instantanée du sujet à filmer ainsi que de sa trajectoire récente (14); - Activation de la prise de vue par la caméra vidéo une fois le drone lancé sur les 20 positions envoyées par la station de base embarquée sur le sujet (16) (17). Caractérisé en ce que : a. Le drone se déplace automatiquement en fonction de la trajectoire du sujet (13) et de la prédiction de sa trajectoire (14), b. afin de réaliser un mouvement de caméra prédéfini associé à un jeu de paramètres 25 (12), c. le calcul de la position et des éléments de déplacement du drone dépendent à la fois du mouvement de caméra à réaliser, de la position du sujet à filmer et de la localisation et des attitudes du drone (15).
2. Le procédé de la revendication 1, dans lequel : 30 - L'utilisateur peut choisir au moyen d'une interface graphique un mouvement de caméra qu'il souhaite réaliser au sein d'une bibliothèque (6), - L'utilisateur peut définir un jeu de paramètres relatifs à ce mouvement de caméra pour définir la position relative de la caméra par rapport au sujet (7) dans un plan horizontal, une distance relative (8) de la caméra par rapport au sujet permettant à 35 l'utilisateur de choisir le type de plan désiré, l'évolution d'altitude (9) de la caméra désiré permettant d'avoir un point de vue aérien du sujet à filmer et la vitesse et le sens de rotation (10) de la caméra autour du sujet.-7-
3. Le procédé de la revendication 1 dans lequel un mouvement de caméra et le jeu de paramètres associés (12) est réalisé par un drone (1) au moyen de commandes envoyées par la station de base (3) après avoir évalué la localisation du sujet (13) à partir de capteurs embarqués sur ledit sujet, prédit sa trajectoire (14) et calculé la position et les éléments de déplacements cibles du drone (15) à partir de la localisation et de la trajectoire prédite dudit sujet de sorte que l'axe de la caméra soit dirigé vers le sujet à filmer et que ledit sujet soit cadré.
4. Le procédé de la revendication 3 dans lequel le drone se déplace à un point cible passé en consigne (16) en fonction de la position et du déplacement du sujet à filmer et du mouvement de caméra à réaliser (6).
5. Le procédé de la revendication 4, dans lequel la trajectoire du drone est corrigée au moyen d'une boucle d'asservissement (17) en fonction de la position et des éléments de déplacements cibles du drone calculés à partir de la localisation et de la trajectoire prédite dudit sujet.