FR3045009A1

FR3045009A1 - METHOD AND SYSTEM FOR MAINTAINING A DRONE IN A QUASI STATIONARY POSITION

Info

Publication number: FR3045009A1
Application number: FR1502573A
Authority: FR
Inventors: Serge Hethuin; Cyril Lantz; Thomas Aubourg
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2017-06-16
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: FR3045009B1

Abstract

Système permettant de maintenir en position un drone, le drone comportant au moins un dispositif de communication avec une station de base, une base Ultra Large Bande (31), un module de vol, un calculateur, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants : • Au moins quatre transpondeurs, chaque transpondeur est adapté à transmettre un signal de réponse suite à une interrogation émise par une base UWB disposée au niveau du drone, • Le drone comportant un calculateur adapté à traiter les réponses des différents transpondeurs et à partir de ces réponses de déterminer les valeurs de dérives en position à corriger pour rester dans une position quasi stationnaire.System for maintaining a drone in position, the drone comprising at least one communication device with a base station, an Ultra Wide Band base (31), a flight module, a computer, characterized in that it comprises at least the following elements: • At least four transponders, each transponder is adapted to transmit a response signal following an interrogation transmitted by a UWB base disposed at the drone, • The drone comprising a computer adapted to handle the responses of the different transponders and from these responses to determine the values of drifts in position to be corrected to remain in a quasi stationary position.

Description

PROCEDE ET SYSTEME PERMETTANT DE MAINTENIR UN DRONE EN POSITION QUASI STATIONNAIRE L’invention concerne un procédé et un système permettant le maintien d’un drone en position stationnaire ou quasi stationnaire au-dessus d’un point de référence, ce dernier pouvant être mobile et de position connue à tout moment.The invention relates to a method and a system for maintaining a drone in a stationary or quasi-stationary position above a reference point, the latter being able to be mobile and stationary. known position at any time.

Les drones sont de plus en plus utilisés pour différents types d’application et comportent pour cela des charges utiles ou payload adaptées. L’une des applications la plus classique consiste à embarquer une caméra pour une mission d’observation ou de surveillance. Dans ce cas, la charge utile est composée, outre d’une caméra, d’un modem pour transmission à distance et en temps réel des images recueillies. Parmi les moyens modernes de transmission, on peut citer le modem LTE (4G) encore appelé équipement utilisateur UE, ce dernier étant raccordé à une station de base distante (eNodeB). D’autres applications sont possibles, notamment celle qui consiste à définir la station à drone captif en un terminal de transmission, par exemple de type très haute fréquence VHF ou ultra haute fréquence UHF, raccordé à un réseau. Il est possible d’embarquer le poste radio VHF ou UHF sous le drone, mais l’exploitation à travers les périphériques dédiés à la phonie et aux données militent pour garder le poste radio au sol, si celui-ci est d’un poids incompatible de la capacité d’emport du drone, et pour embarquer uniquement l’antenne et le câble coaxial de raccordement au poste resté au sol, selon deux schémas, par exemple : • Emport de l’antenne de poste radio VHF avec câble coaxial raccordé au poste resté au sol, • Emport de l’antenne de poste radio UHF avec câble coaxial raccordé au poste resté au sol.Drones are more and more used for different types of applications and have payloads or adapted payloads. One of the most classic applications is to ship a camera for an observation or surveillance mission. In this case, the payload is composed, in addition to a camera, of a modem for remote transmission and in real time of the collected images. Among the modern means of transmission, mention may be made of the LTE modem (4G), also called UE UE, the latter being connected to a remote base station (eNodeB). Other applications are possible, in particular that which consists in defining the captive drone station in a transmission terminal, for example of very high frequency VHF or ultra high frequency UHF, connected to a network. It is possible to ship the VHF or UHF radio under the drone, but the operation through the devices dedicated to voice and data militate to keep the radio on the ground, if it is of an incompatible weight the carrying capacity of the drone, and to embark only the antenna and the coaxial cable of connection to the station remained on the ground, according to two diagrams, for example: • Carrying of the antenna of radio station VHF with coaxial cable connected to the station remained on the ground, • Carrying the UHF radio antenna with coaxial cable connected to the station on the ground.

Un autre type d’application consiste à embarquer sur un drone captif une station de base LTE, si le poids le permet, de façon à permettre le raccordement de terminaux utilisateurs UE dans un rayon de plusieurs kilomètres autour du drone captif.Another type of application is to embark on a captive drone LTE base station, if the weight allows, so as to allow the connection of EU user terminals within a radius of several kilometers around the captive drone.

Le brevet FR 2 278 571, figure 1, décrit un système dans lequel le drone 1 est un engin captif de par la présence d’un câble d’attache 2 relié à une station sol 3 qui permet d’alimenter le drone en énergie et de le maintenir en place lorsque les conditions atmosphériques ne sont pas excessives.The patent FR 2 278 571, FIG. 1, describes a system in which the drone 1 is a captive machine by the presence of an attachment cable 2 connected to a ground station 3 which makes it possible to supply the drone with energy and to keep it in place when atmospheric conditions are not excessive.

La figure 2 schématise un exemple de station de base en version split embarquée 20 sur un drone 21. Il est possible, pour des raisons de minimisation du poids à embarquer, de constituer la charge utile par la pure partie radio d’une station de base de type 2G,.., 4G, 22. Cette partie radio est appelée RRH pour Remote Radio Head. Elle se trouve connectée à la partie numérique appelée bande de base ou BB 23, partie de la station de base comprenant la pile logicielle, par une fibre optique 24. Dans ce cas, l’ombilic est composé non seulement des conducteurs en cuivre 25 permettant d’alimenter le drone captif mais aussi de la fibre optique 24 pour acheminer les échantillons des signaux d’émission et de réception entre la partie radio RRH 22 et la bande de base 23. Parmi les possibilités, on distingue la partie radio RRH monovoie RF et la partie radio RRH multivoies RF, cette dernière permettant de choisir la bande de fréquences, parmi plusieurs voies RF de la partie RRH, en fonction de contraintes de déploiement dans la zone concernée. L’amélioration des capacités d’intégration physique des stations de base fait qu’il devient même possible d’embarquer une station de base complète, car miniaturisée, sur un drone captif même de petite taille. Ainsi, la mise en charge utile d’une station de base LTE ou d’une station relais miniaturisée est connue. Une liaison locale à très haut débit, par exemple une fibre optique entre la station embarquée et un réseau local de type LAN au sol, peut être utilisée. L’ombilic peut être composé d’un câble spécifique dédié à l’énergie nécessaire au drone captif pour voler, comme cela est le cas pour l’emport de terminaux UE 4G ou de stations de base eNodeB 4G miniaturisées ou en version split. Une fibre optique peut être ajoutée pour assurer la liaison de données avec le réseau LAN local.FIG. 2 schematizes an example of a base station in a split version on a drone 21. It is possible, for reasons of minimization of the weight to be loaded, to constitute the payload by the pure radio part of a base station type 2G, .., 4G, 22. This radio part is called RRH for Remote Radio Head. It is connected to the digital part called baseband or BB 23, part of the base station comprising the software stack, by an optical fiber 24. In this case, the umbilicus is composed not only of the copper conductors 25 allowing to feed the captive drone but also the optical fiber 24 to route the samples of the transmitting and receiving signals between the RRH radio part 22 and the base band 23. Among the possibilities, there is a single-channel RRH radio part RF and the radio RFH multi-channel RF part, the latter allowing to choose the frequency band, among several RF channels of the RRH part, according to deployment constraints in the area concerned. Improved physical integration capabilities of base stations makes it even possible to ship a complete base station, because miniaturized on a captive drone even small. Thus, the useful loading of an LTE base station or a miniaturized relay station is known. A very high speed local link, for example an optical fiber between the onboard station and a ground LAN type local network, can be used. The umbilicus may consist of a specific cable dedicated to the energy required for the captive drone to fly, as is the case for the carriage of UE 4G terminals or eNodeB 4G miniaturized base stations or split version. An optical fiber may be added to provide the data link with the local LAN.

En revanche, l’ombilic, dans le cas d’un câble coaxial d’antenne pour postes VHF ou UHF restés au sol, transporte sur ce câble coaxial l’alimentation du drone. L’un des problèmes actuels posé par un drone captif est de pouvoir rester en position stationnaire ou quasi stationnaire au-dessus d’un point ou d’une zone de référence sans détériorer ses moyens de liaison avec une station sol.In contrast, the umbilicus, in the case of a coaxial antenna cable for VHF or UHF stations remained on the ground, carries on this coaxial cable power of the drone. One of the current problems posed by a captive drone is to be able to remain in a stationary or quasi-stationary position over a reference point or zone without deteriorating its means of connection with a ground station.

Une solution pour résoudre ce problème est d’utiliser une caméra visant une cible de référence au sol, la caméra pouvant être installée au niveau du drone et reliée à un dispositif embarqué. Les résultats de mesure de la caméra seront utilisés par un contrôleur qui va agir sur les moteurs du drone pour rectifier d’éventuelles dérives en position de façon à maintenir le drone dans une position quasi stationnaire. L’idée de la présente invention repose sur une nouvelle approche utilisant les ondes Ultra Large Bande ou UWB afin de garder sensiblement dans une même position le drone, jusqu’à une certaine limite de vitesse de vent, de conserver une possibilité de rotation autour de cette position pour, soit orienter une caméra, soit focaliser une antenne dans une direction donnée. L’invention concerne un système permettant de maintenir en position un drone, le drone comportant au moins un dispositif de communication avec une station de base, une base Ultra Large Bande, UWB, un module de vol, un calculateur, caractérisé en ce qu’il comporte au moins les éléments suivants : • Au moins quatre transpondeurs, chaque transpondeur étant adapté à transmettre un signal de réponse suite à une interrogation émise par une base UWB disposée au niveau du drone, • Le drone comportant un calculateur adapté à traiter les réponses des différents transpondeurs, à déterminer la distance Di d’un transpondeur Ti au drone et, à partir de ces réponses et des valeurs de distance Di d’un transpondeur au point de référence D, à déterminer les valeurs de dérives du drone en position et à corriger ces dérives afin de conserver le drone dans une position quasi stationnaire.One solution to this problem is to use a camera aimed at a reference ground target, the camera can be installed at the drone and connected to an onboard device. The measurement results of the camera will be used by a controller that will act on the engines of the drone to rectify any drifts in position to maintain the drone in a quasi stationary position. The idea of the present invention is based on a new approach using Ultra Wide Band or UWB waves in order to keep the drone in a similar position, up to a certain limit of wind speed, to maintain a possibility of rotation around this position to either orient a camera or focus an antenna in a given direction. The invention relates to a system for holding a drone in position, the drone comprising at least one communication device with a base station, an Ultra Wide Band base, UWB, a flight module, a computer, characterized in that it comprises at least the following elements: • At least four transponders, each transponder being adapted to transmit a response signal following an interrogation transmitted by a UWB base disposed at the level of the drone, • The drone comprising a calculator adapted to handle the responses of the different transponders, to determine the distance Di of a transponder Ti to the drone and, from these responses and the distance values Di of a transponder at the reference point D, to determine the drift values of the drone in position and to correct these drifts in order to keep the drone in a quasi stationary position.

Les quatre transpondeurs étant, par exemple, disposés à une même distance OT d’un point 0 dans un repère cartésien, on calcule les dérives Ex, Ey dans le plan horizontal P d’un repère cartésien et on corrige la dérive en hauteur Δζ de la hauteur z = (x2 - Ex2 - Ey2)1/2 par rapport au plan P passant par les quatre transpondeurs avec ΔΖ = (consigne en z) - z, la valeur de consigne étant une valeur fixée ou définie en temps réel.Since the four transponders are, for example, arranged at the same distance OT from a point 0 in a Cartesian coordinate system, the Ex, Ey drifts are calculated in the horizontal plane P of a Cartesian coordinate system and the height drift Δζ is corrected. the height z = (x2 - Ex2 - Ey2) 1/2 with respect to the plane P passing through the four transponders with ΔΖ = (set in z) - z, the setpoint being a fixed value or defined in real time.

Les transpondeurs étant situés à des distances OTi quelconques par rapport à un point de référence O, les coordonnées relatives des transpondeurs sont, par exemple, définies par rapport à un transpondeur de référence.The transponders being located at any distance OTi with respect to a reference point O, the relative coordinates of the transponders are, for example, defined with respect to a reference transponder.

Le système peut comporter un filtre de Kalman adapté à filtrer et à déterminer un vecteur d’état pour le drone à un instant k donné en utilisant le vecteur d’état de l’instant précédent k-1, un vecteur d’état étant défini par les positions et les vitesses sur les axes x, y et z du repère orthonormé formé par le jeu de transpondeurs au sol, et le calculateur est adapté à agir sur le vecteur vitesse pour ramener le drone vers sa position initiale.The system may comprise a Kalman filter adapted to filter and determine a state vector for the drone at a given instant k using the state vector of the previous instant k-1, a state vector being defined by the positions and speeds on the x, y and z axes of the orthonormal frame formed by the set of ground transponders, and the computer is adapted to act on the speed vector to bring the drone back to its initial position.

Le système peut comporter un module adapté à tester si le drone est à droite, à gauche, devant ou derrière la position de référence, et à transmettre ces informations au module contrôleur générant des commandes conduisant à déclencher un pitch négatif ou positif, et/ou un roll positif ou négatif.The system may comprise a module adapted to test whether the drone is on the right, left, in front of or behind the reference position, and to transmit this information to the controller module generating commands leading to trigger a negative or positive pitch, and / or a positive or negative roll.

Le système peut comprendre un drone principal, maintenu en position quasi stationnaire et un ou plusieurs drones secondaires asservis en position par rapport au drone principal au moyen d’un système de positionnement de type GPS.The system may comprise a main drone maintained in a quasi-stationary position and one or more secondary drones servo-controlled relative to the main drone by means of a GPS-type positioning system.

Le système peut aussi comprendre un drone principal maintenu en position quasi stationnaire et un ou plusieurs drones secondaires maintenus en position par rapport au drone principal au moyen d’un système de positionnement multipoints utilisant la technologie UWB. L’invention concerne aussi un procédé pour maintenir en position quasi stationnaire un drone par rapport à un point donné caractérisé en ce qu’il comporte au moins les étapes suivantes : • Emettre un signal Ultra Large Bande, UWB, Suwb, du drone vers un ou plusieurs transpondeurs, • A partir du signal de réponse Su, St2, Sj3, ST4 émis par le ou les transpondeurs, de la distance Di entre un transpondeur Ti et le drone obtenue à partir du signal réponse, déterminer les dérives éventuelles en position du drone, • Corriger ces dérives afin de maintenir le drone en position quasi stationnaire.The system may also include a main drone maintained in a near-stationary position and one or more secondary drones held in position relative to the main drone by means of a multipoint positioning system using UWB technology. The invention also relates to a method for maintaining in a quasi-stationary position a drone with respect to a given point, characterized in that it comprises at least the following steps: • Emitting an Ultra Wide Band signal, UWB, Suwb, from the drone to a or several transponders, • From the response signal Su, St2, Sj3, ST4 transmitted by the transponder or transponders, the distance Di between a transponder Ti and the drone obtained from the response signal, determine any drifts in position of the drone, • Correct these drifts in order to keep the drone in an almost stationary position.

Selon une variante, le procédé comprend une étape de filtre des mouvements du drone au moyen d’un filtre de Kalman, en prédisant l’état du drone à l’instant k connaissant l’état du drone à un instant précédent (k-1), le vecteur d’état tenant compte des positions et des vitesses du drone repérées dans un repère orthonormé formé par le jeu des transpondeurs.According to a variant, the method comprises a step of filtering the movements of the drone by means of a Kalman filter, by predicting the state of the drone at the instant k knowing the state of the drone at a previous instant (k-1 ), the state vector taking into account the positions and speeds of the drone located in an orthonormal frame formed by the game transponders.

Selon une autre variante, on maintient en position un drone principal et on asservit un ou plusieurs drones secondaires en utilisant un module GPS équipant chacun des drones secondaires ou à l’aide d’un système de positionnement point multipoints utilisant la technologie UWB. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d’exemples illustratifs et non limitatifs, annexée des figures qui représentent : • La figure 1, un exemple de drone captif selon l’art antérieur, • La figure 2, un exemple d’application de base 4G, • La figure 3, un premier exemple de système de maintien selon l’invention, • La figure 4, une architecture fonctionnelle des éléments du système, le drone, les transpondeurs et une station sol, • La figure 5, un exemple des étapes pour les algorithmes mis en œuvre par le procédé selon l’invention, • La figure 6, une deuxième variante de réalisation avec des motifs quelconques au sol, • La figure 7, une variante de réalisation pour un essaim de drones, et • La figure 8, une variante de la figure 7.According to another variant, a main drone is held in position and one or more secondary drones are enslaved by using a GPS module fitted to each of the secondary drones or by using a multipoint point positioning system using UWB technology. Other features and advantages of the present invention will appear better on reading the following description of illustrative and non-limiting examples, appended figures which represent: • Figure 1, an example of a captive drone according to the prior art, FIG. 2, an example of a basic application 4G, FIG. 3, a first example of a holding system according to the invention, FIG. 4, a functional architecture of the elements of the system, the drone, the transponders and a ground station, • Figure 5, an example of the steps for the algorithms implemented by the method according to the invention, • Figure 6, a second embodiment with any ground patterns, • Figure 7, a variant embodiment for a swarm of drones, and • Figure 8, a variant of Figure 7.

La figure 3 représente un premier exemple de système selon l’invention comprenant un drone 30 équipé d’une base UWB 31 (émetteur/récepteur UWB) et de plusieurs transpondeurs Ti=321, Ï2=322, T3=323, T4=324, dans l’exemple quatre transpondeurs UWB, répondant aux interrogations de la base UWB 31 située en dessous du drone 30, par exemple.FIG. 3 represents a first example of a system according to the invention comprising a drone 30 equipped with a UWB base 31 (UWB transmitter / receiver) and several transponders Ti = 321, Ï2 = 322, T3 = 323, T4 = 324, in the example, four UWB transponders answering the interrogations of the UWB base 31 located below the drone 30, for example.

La figure 4 illustre les éléments constituant le drone 1 et les liaisons entre les éléments du système selon l’invention. Le drone 1 comporte, par exemple, une charge utile 33 comprenant une carte LTE 331 permettant la liaison avec une station sol 40, un poste radio 332, une antenne 333 et éventuellement une caméra d’observation 334. La carte LTE 331 est en liaison avec un dispositif de contrôle 34 comprenant un émetteur/récepteur 35e, 35r pour communication de service entre le drone et le sol. Cette liaison peut être de type filaire par l’intermédiaire d’une fibre optique, ou sans fil, selon le débit et la latence nécessaire, ou encore servir de liaison entre une station sol et le drone pour permettre d’effectuer des réglages au cours du vol. La carte LTE est adaptée à récupérer les trames des données de vol afin de les transmettre à la station sol.FIG. 4 illustrates the elements constituting the drone 1 and the links between the elements of the system according to the invention. The drone 1 comprises, for example, a payload 33 comprising an LTE card 331 for connection with a ground station 40, a radio station 332, an antenna 333 and possibly an observation camera 334. The LTE card 331 is connected with a control device 34 comprising a transmitter / receiver 35e, 35r for service communication between the drone and the ground. This connection can be wired type via an optical fiber, or wireless, depending on the rate and latency required, or serve as a link between a ground station and the drone to allow adjustments to be made during of the flight. The LTE card is adapted to recover the frames of the flight data in order to transmit them to the ground station.

Le drone comporte aussi un calculateur de bord 36. Le calculateur de bord 36 sert de liaison entre la base UWB 31, un module de vol 37 et la carte LTE 331 ayant notamment pour fonction de traduire et de transmettre les données entre le module de vol et la carte LTE. C’est le calculateur 36 qui récupère les résultats de la base UWB 31 pour les traduire en ordres de direction envoyés au module de vol 37 qui va lui-même transmettre des ordres au dispositif de contrôle 38 du moteur 39.The drone also comprises an on-board computer 36. The on-board computer 36 serves as a link between the UWB base 31, a flight module 37 and the LTE card 331 whose particular function is to translate and transmit the data between the flight module. and the LTE card. It is the computer 36 which retrieves the results of the UWB base 31 to translate them into direction commands sent to the flight module 37 which will itself transmit commands to the control device 38 of the engine 39.

La station sol 40 comprend, par exemple, une ou plusieurs balises UWB 41 qui dialoguent avec la base UWB 31 positionnée au niveau du drone et un dispositif de contrôle 42 qui dialogue avec le contrôleur du drone, via des liaisons de type fibre optique ou sans fil, comme par exemple une télécommande opérée par un opérateur.The ground station 40 comprises, for example, one or more UWB beacons 41 which interact with the UWB base 31 positioned at the level of the drone and a control device 42 which communicates with the controller of the drone, via links of the optical fiber type or without such as a remote control operated by an operator.

Le drone peut aussi être équipé d’un ou de plusieurs sonars, 45. Leur nombre est choisi par exemple en fonction du nombre de drones suiveurs dépendants d’un drone asservi, selon un schéma décrit plus loin dans la description.The drone can also be equipped with one or more sonars, 45. Their number is chosen for example according to the number of follower drones dependent on a slave drone, according to a scheme described later in the description.

Un module de positionnement, par exemple un dispositif GPS (Global Positioning System) 46, permettra de transmettre au calculateur du drone des informations sur la position du drone maître et des drones suiveurs éventuellement. Le dispositif GPS peut notamment être adapté à tester si le drone se trouve à droite, à gauche, devant ou derrière la position de référence et transmettre cette information au module de contrôle 34 qui déterminera des commandes conduisant à déclencher un pitch négatif ou positif, et/ou un roll positif ou négatif. Une caméra 47, telle qu’une caméra CCD, sert au vol du drone en complément des mesures pour des conditions de fonctionnement considérées comme anormales.A positioning module, for example a GPS (Global Positioning System) device 46, will make it possible to transmit to the computer of the drone information on the position of the master drone and the tracking drones, if any. The GPS device may in particular be adapted to test whether the drone is on the right, left, in front of or behind the reference position and transmit this information to the control module 34 which will determine commands leading to trigger a negative or positive pitch, and / or a positive or negative roll. A camera 47, such as a CCD camera, is used to fly the drone in addition to measurements for operating conditions considered abnormal.

La base UWB détermine sa position exacte par rapport aux transpondeurs restés au sol en effectuant la triangulation des mesures de distance entre chaque transpondeur et elle-même, par exemple.The UWB base determines its exact position with respect to the transponders left on the ground by triangulating the distance measurements between each transponder and itself, for example.

Il existe actuellement deux possibilités de contrôle annexe du drone.There are currently two options for additional control of the drone.

La première est l’utilisation d’une radiocommande couplée à un récepteur 35r du module 34 sur le drone 1. L’avantage de cette solution est d’avoir un contrôle direct et précis des mouvements du drone (translations et rotations sur les axes X, Y et Z) par un pilote au sol (ou télépilote). Mais l’inconvénient reste l’insécurité de la liaison entre le drone et la radiocommande, celle-ci pouvant être facilement brouillée ou interceptée.The first is the use of a radio control coupled to a receiver 35r of the module 34 on the drone 1. The advantage of this solution is to have a direct and precise control of the movements of the drone (translations and rotations on the X axes , Y and Z) by a pilot on the ground (or remote pilot). But the disadvantage is the insecurity of the connection between the drone and the radio control, it can be easily scrambled or intercepted.

La deuxième solution consiste à utiliser un système de télémétrie, que ce soit sans-fil ou au contraire passant par l’ombilic. Cette solution est basée sur l’utilisation d’un émetteur/récepteur 35e, 35r sur le drone 1 pouvant transmettre les informations de positionnement du drone vers une station sol et recevoir des ordres depuis cette dernière (repositionnement, décollage, atterrissage). Cette solution permet, en outre, d’utiliser la technologie UWB pour communiquer entre la station sol et le module de vol du drone. Pour cela, les trames de communication entre le sol et le drone sont encapsulées dans le signal UWB entre un transpondeur sol et la base UWB du drone selon des méthodes d’encapsulation connues de l’homme du métier. La liaison et l’échange de données s’effectueront au moyen d’une fibre optique, par exemple.The second solution is to use a telemetry system, whether it is wireless or on the contrary passing through the umbilicus. This solution is based on the use of a transmitter / receiver 35e, 35r on the drone 1 can transmit the positioning information of the drone to a ground station and receive orders from the latter (repositioning, takeoff, landing). This solution also makes it possible to use the UWB technology to communicate between the ground station and the flight module of the drone. For this purpose, the communication frames between the ground and the drone are encapsulated in the UWB signal between a ground transponder and the UWB base of the drone according to encapsulation methods known to those skilled in the art. The connection and the exchange of data will be done by means of an optical fiber, for example.

De manière plus générale, les liaisons pourront être les suivantes : • Un canal traditionnel RC, radiocommande de modèle réduit par exemple, • Un canal via la charge utile LTE (UE ou eNB), • Un canal via les balises UWB, • Un canal filaire pour des applications captives au travers d’un ombilic.In a more general way, the links could be the following ones: • A traditional channel RC, radio control of reduced model for example, • A channel via the payload LTE (UE or eNB), • A channel via the beacons UWB, • A channel wired for captive applications through an umbilicus.

Selon une variante de réalisation, les transpondeurs T-i=321, T2=322, T3=323, T4=324 (figure 3) sont disposés par exemple sur le sol ou encore sur une partie d’un véhicule 50 dédié au déploiement vertical du drone. Les transpondeurs 321, 322, 323, 324 sont interrogés tour à tour selon une séquence S connue du drone 1. L’émetteur UWB 31e du drone transmet un signal d’interrogation Suwb, les signaux de réponse en retour, Sn, ST2, St3, Sj4, émis par les quatre transpondeurs dans cet exemple sont reçus par le récepteur UWB du drone. Chaque interrogation fournit une valeur de distance D-ι, D2, D3, D4, entre un transpondeur 321, 322, 323, 324 et la base UWB 31. Par exemple, la cadence des mesures sera de 62.5 ms. A noter que la mesure d’une distance de 200m ne nécessite, en principe, que 2x200x3ns = 1.2ps de temps, soit très peu par rapport à la récurrence citée ci-avant. Sur la base UWB, plusieurs trames de mesures sont possibles : • Dans le cas le plus simple, la base UWB interroge tour à tour chacun des transpondeurs au sol, récurrence par récurrence, soit un transpondeur interrogé par récurrence, ce qui dans le cas de quatre transpondeurs au sol revient à obtenir une mesure de distance avec chaque transpondeur toutes les 250ms (quatre par seconde), • Dans le cas le plus performant, la base UWB interroge tous les transpondeurs à chaque récurrence, en séparant les interrogations pour chaque transpondeur interrogé, ce qui permet d’obtenir seize jeux de mesure par seconde avec chaque transpondeur.According to an alternative embodiment, the transponders Ti = 321, T2 = 322, T3 = 323, T4 = 324 (FIG. 3) are arranged for example on the ground or on a part of a vehicle 50 dedicated to the vertical deployment of the drone . The transponders 321, 322, 323, 324 are interrogated successively according to a known S sequence of the drone 1. The UWB transmitter 31e of the drone transmits a interrogation signal Suwb, the return response signals, Sn, ST2, St3 , Sj4, transmitted by the four transponders in this example are received by the UWB receiver of the drone. Each interrogation provides a distance value D-1, D 2, D 3, D 4, between a transponder 321, 322, 323, 324 and the base UWB 31. For example, the measurement rate will be 62.5 ms. Note that the measurement of a distance of 200m requires, in principle, only 2x200x3ns = 1.2ps of time, very little compared to the recurrence mentioned above. On the UWB basis, several measurement frames are possible: • In the simplest case, the UWB base interrogates each transponder on the ground in succession, recurrence by recurrence, ie a transponder interrogated by recurrence, which in the case of four transponders on the ground is equivalent to obtaining a distance measurement with each transponder every 250ms (four per second), • In the most efficient case, the UWB database interrogates all the transponders at each recurrence, separating the interrogations for each transponder interrogated. , which makes it possible to obtain sixteen measurement sets per second with each transponder.

Sur la figure 3, les transpondeurs sont disposés en « croisillon » par rapport à un point central O. Leur position à chacun est repérée par rapport à ce point O de coordonnées géographiques, géodésiques connues. Ce point correspond au point de référence pour le maintien en position du drone.In FIG. 3, the transponders are arranged in "braces" with respect to a central point O. Their position at each is marked with respect to this point O of known geographical coordinates and geodesics. This point corresponds to the point of reference for maintaining the position of the drone.

Le calcul de l’écart par rapport au point central O, en considérant des coordonnées cartésiennes Ox, Oy, Oz, est déterminé par les formules suivantes : OT2 + x2 - 2 x OTx xxx cos(7\OD) = D2 OT2 + x2 - 2 x OT2 xxx cos{T20D) = D22 ΟΊf +x2 -2x0Zj xxxco s(:m-TxOD)=Dl OT2 + x2 - 2 x OT4 x x x cos(l 80-T2OD) = D] x est la distance entre le drone et le point O, connue initialement, dans cet exemple de réalisation, Di : la distance entre le drone D et un tag ou transpondeur Ti, TiOD : l’angle fait au point O entre la position d’un tag Ti et la position de référence D du drone.The calculation of the deviation from the central point O, considering Cartesian coordinates Ox, Oy, Oz, is determined by the following formulas: OT2 + x2 - 2 x OTx xxx cos (7 \ OD) = D2 OT2 + x2 - 2 x OT2 xxx cos {T20D) = D22 ΟΊf + x2 -2x0Zj xxxco s (: m-TxOD) = D1 OT2 + x2 - 2 x OT4 xxx cos (l 80-T2OD) = D] x is the distance between the drone and the point O, known initially, in this embodiment, Di: the distance between the drone D and a tag or transponder Ti, TiOD: the angle made at the point O between the position of a tag Ti and the position reference D of the drone.

Dans le cas où les transpondeurs sont tous disposés à une même distance du point O, OTi=OT2=OT3=OT4=OT, on a : x2-2 xOTx cos(7\OD) = D2 - OT2 x2-2 xOTx cos(T2OD) = D2 - OT2 x2 + 2 x OT x cos(7]OD) = D2 - OT2 x2+2 xOTx cos (T2OD) = D2 - OT2In the case where the transponders are all arranged at the same distance from the point O, OTi = OT2 = OT3 = OT4 = OT, we have: x2-2 xOTx cos (7 \ OD) = D2 - OT2 x2-2 xOTx cos ( T2OD) = D2 - OT2 x2 + 2 x OT x cos (7] OD) = D2 - OT2 x2 + 2 xOTx cos (T2OD) = D2 - OT2

Soit : 2xx2 =D2 +D2 -2xOT2 2xx2=D2+D24-2xOT2.Let 2xx2 = D2 + D2 -2xOT2 2xx2 = D2 + D24-2xOT2.

On détermine en conséquence les valeurs des angles et donc les valeurs des écarts, des dérives par rapport à la position de maintien souhaitée de la façon suivante : x2 = % (D-ι2 + D22 + D32 + D42 - 4xOT2) cos C^OD) = (D32 - Ü!2) / 4 OT cos (T2OD) = (D42 - D22) / 4 OT Ex (écart suivant l’axe TiOT3) = x cos(T-iOD)The values of the angles and hence the values of the deviations and deviations from the desired holding position are determined accordingly as follows: x2 =% (D-ι2 + D22 + D32 + D42-4xOT2) cos C ^ OD ) = (D32 - Ü! 2) / 4 OT cos (T2OD) = (D42 - D22) / 4 OT Ex (deviation along the TiOT3 axis) = x cos (T-iOD)

Ey (écart suivant l’axe T2OT4) = x cos(T2OD).Ey (deviation along axis T2OT4) = x cos (T2OD).

La position réelle en hauteur z par rapport au plan des transpondeurs (en prenant comme hypothèse que les quatre transpondeurs sont dans un même plan) est calculée de la façon suivante : z2 = x2 - Ex2 - Ey2 D’où z = (x2 - Ex2 - Ey2)%The actual position in height z with respect to the plane of the transponders (assuming that the four transponders are in the same plane) is calculated in the following way: z2 = x2 - Ex2 - Ey2 Hence z = (x2 - Ex2 - Ey2)%

La correction en z est en conséquence : ΔΖ = (consigne en z) - z.The correction in z is accordingly: ΔΖ = (set in z) - z.

Les distances Di sont mesurées et la distance OT est connue.The distances Di are measured and the distance OT is known.

La hauteur de consigne est indiquée par configuration initiale, par exemple, ou à tout moment, par modification en temps réel par un opérateur au sol.The setpoint height is indicated by initial configuration, for example, or at any time, by real-time modification by a ground operator.

Il est nécessaire de filtrer les mouvements du drone, celui-ci devant rester stationnaire par rapport à un point de référence.It is necessary to filter the movements of the drone, which must remain stationary relative to a reference point.

En basant ce maintien en position stationnaire sur un filtre de Kalman, le vecteur d’état peut être le suivant :By basing this hold in a stationary position on a Kalman filter, the state vector can be as follows:

où Ex, Ey, Ez, Vx, Vy, Vz représentent respectivement les positions et les vitesses sur les axes x, y et z du repère orthonormé formé par le jeu de transpondeurs au sol.where Ex, Ey, Ez, Vx, Vy, Vz respectively represent the positions and velocities on the x, y and z axes of the orthonormal frame formed by the set of ground transponders.

La prédiction de l’état du drone à l’instant k, connaissant l’état à l’instant précédent (k-1) est la suivante :The prediction of the state of the drone at time k, knowing the state at the previous instant (k-1) is as follows:

Xk/k-i = F Xk-i/k-i où F est une matrice de transition d’état posée ci-dessus, ΔΤ la période d’échantillonnage considérée, par exemple égale à une constante par simplicité.Xk / k-i = F Xk-i / k-i where F is a state transition matrix set above, ΔΤ the sampling period considered, for example equal to a constant for simplicity.

En tenant compte d'une tentative de correction des composantes de vitesse pour ramener le drone à sa position de référence, par exemple, l’annulation des écarts cités précédemment :Taking into account an attempt to correct the speed components to bring the drone back to its reference position, for example, the cancellation of the previously mentioned deviations:

Xk/k-1 = F Xk-i/k-1 + B Uk + Wk avec Uk un vecteur de commande de vitesse, et Wk un vecteur de composantes de bruit et de covariance Qk :Xk / k-1 = F Xk-i / k-1 + B Uk + Wk with Uk a speed control vector, and Wk a vector of noise and covariance components Qk:

La mesure effectuée est la suivante, pour la dérive en hauteur :The measurement carried out is the following, for the drift in height:

avec Vk un vecteur de composantes de bruit d’observation et de covariance Rk,with Vk a vector of observation noise components and covariance Rk,

Zk = H Xk + Vk avec H qui est une matrice d’observation 3x6 dans cet exemple, elle sert à prélever les trois premières composantes de Xk auxquelles se rajoute le bruit de mesure par l’intermédiaire de Vk.Zk = H Xk + Vk with H which is a 3x6 observation matrix in this example, it is used to take the first three components of Xk to which the measurement noise is added via Vk.

En résumé :In summary :

Xk/k-1 = F Xk-i/k-1 + B Uk + Wk Zk = H Xk + Vk Yk = Zk-H Xk/k-1Xk / k-1 = F Xk-i / k-1 + B Uk + Wk Zk = H Xk + Vk Yk = Zk-H Xk / k-1

Yk étant l’erreur résiduelle de prédiction, Xk/k devant tendre vers 0 pour toutes ses composantes si le système est bien stabilisé.Yk being the residual error of prediction, Xk / k must tend to 0 for all its components if the system is well stabilized.

La résolution fait appel aux équations suivantes :The resolution uses the following equations:

Prédiction de la covariance estimée :Prediction of estimated covariance:

Pk/k-1 = F Pk-1/k-1 FT + Qk Erreur résiduelle de prédiction:Pk / k-1 = F Pk-1 / k-1 FT + Qk Residual prediction error:

Yk = Zk - H Xk/k-i Covariance résiduelle :Yk = Zk - H Xk / k-i Residual Covariance:

Sk = H Pk/k-i HT + Rk Gain de Kalman :Sk = H Pk / k-i HT + Rk Kalman gain:

Kk = Pk/k-1 HT Sk'1 Etat estimé mis à jour :Kk = Pk / k-1 HT Sk'1 Estimated state updated:

Xk/k = Xk/k-1 + KkYkXk / k = Xk / k-1 + KkYk

Mise à jour de la covariance estimée :Update of the estimated covariance:

Pk/k = (I Kk H) Pk/k-1.Pk / k = (I KkH) Pk / k-1.

Cette forme est la plus simple à mettre en œuvre. Il est possible d’ajouter des composantes d’accélération dans le vecteur d’état. De même, pour prendre en compte l’orientation, il est possible d’ajouter dans le vecteur d’état un angle d’azimut dans le plan xOy avec une mesure d’un capteur de compas magnétique dans le vecteur mesure.This form is the simplest to implement. It is possible to add acceleration components in the state vector. Similarly, to take into account the orientation, it is possible to add in the state vector an azimuth angle in the xOy plane with a measurement of a magnetic compass sensor in the measurement vector.

Il est aussi possible d’associer au paramètre hauteur (consigne en z), des paramètres d’écart en x, y, considérés dans un diagramme cartésien x, y, z. Autrement dit, le drone peut être écarté volontairement de la verticale du point de référence. Sans sortir du cadre de l’invention, il est possible de travailler en coordonnées polaires.It is also possible to associate with the parameter height (setpoint in z), deviation parameters in x, y, considered in a Cartesian diagram x, y, z. In other words, the drone can be voluntarily removed from the vertical of the reference point. Without departing from the scope of the invention, it is possible to work in polar coordinates.

La figure 5 représente un exemple illustratif et non limitatif de diagramme d’asservissement possible en position. Les actions sont à considérer par rapport à une position initiale ou de référence du drone.FIG. 5 represents an illustrative and nonlimiting example of a possible servocontrol diagram in position. The actions are to be considered in relation to an initial or reference position of the drone.

Les mesures de distance étant réalisées et les coordonnées de la position du drone à un instant donné calculées, le calculateur teste 51 si le drone est trop d’un côté (en x et en y) de la position de référence, si oui, alors il va tester si le drone est devant la position de référence, 52, si oui le calculateur transmet des données sous forme d’une trame qui contient des paramètres de commande conduisant à déclencher un roll négatif (RN, PN) et un pitch négatif, 53. Dans le cas contraire, le calculateur regarde si le drone est derrière 54, si oui, il transmet des paramètres de commande vers le module de vol, paramètres qui vont être relayés vers le contrôle moteur. Les données transmises contiennent les informations roll négatif RN, pitch positif PP, 55. Sinon, 56, il envoie une commande correspondant à déclencher un roll négatif, RN.The distance measurements being made and the coordinates of the position of the drone at a given instant calculated, the computer tests 51 if the drone is too much on one side (in x and y) of the reference position, if yes, then it will test whether the drone is in front of the reference position, 52, if yes the computer transmits data in the form of a frame which contains control parameters leading to trigger a negative roll (RN, PN) and a negative pitch, 53. In the opposite case, the computer looks if the drone is behind 54, if yes, it transmits control parameters towards the module of flight, parameters which will be relayed towards the motor control. The transmitted data contains the information roll negative RN, positive pitch PP, 55. Otherwise, 56, it sends a corresponding command to trigger a negative roll, RN.

Dans le cas où le drone est trop à gauche, 57 on va de façon similaire tester si le drone est devant 60, si oui, alors le calculateur transmet des informations de commande roll positif RP, pitch négatif PN, 61, sinon si le drone est derrière 62, alors les données transmises 63 contiennent les informations roll positif, pitch positif, sinon les données transmises contiennent les informations roll positif, 64.In the case where the drone is too far left, 57 we will similarly test if the drone is in front of 60, if so, then the computer transmits control information positive roll RP, negative pitch PN, 61, otherwise if the drone is behind 62, then the transmitted data 63 contains the positive roll, positive pitch information, otherwise the transmitted data contains the positive roll information, 64.

Dans le cas où le drone n’est pas trop à gauche, on teste s’il est trop devant, 65, si oui le calculateur va transmettre des données sous forme de trames, pitch négatif 66. Sinon, le calculateur va tester si le drone est trop derrière, 67, si oui il transmet des ordres de commande pitch positif, 68, sinon 69 il retourne à la première étape de test drone trop à droite.In the case where the drone is not too far left, we test if it is too far ahead, 65, if yes the computer will transmit data in the form of frames, negative pitch 66. Otherwise, the computer will test if the drone is too far behind, 67, if yes he transmits positive pitch command commands, 68, otherwise 69 he returns to the first drone test step too far right.

Les étapes illustrées sont un exemple de mise en oeuvre données à titre illustratif et nullement limitatif. Toute modification de direction doit prendre en compte une orientation d’assiette du drone non plane (c’est-à-dire Rx=0, Ry=0, Rz=0), par exemple si le drone penche vers la gauche, une commande de correction vers la droite doit être envoyée. Dans le cas où le drone est à plat mais dérive du point central, il est nécessaire de corriger axe/axe. Toujours en exemple, si le drone est trop à gauche et en arrière, il sera nécessaire de corriger vers la droite et, en même temps ou juste après, une correction vers l’avant. Donc dans tous les cas, il faut éventuellement vérifier chaque axe avant de corriger la trajectoire.The illustrated steps are an exemplary implementation given for illustrative and not limiting. Any change in direction must take into account a pitch attitude of the non-planar drone (ie Rx = 0, Ry = 0, Rz = 0), for example if the drone leans to the left, a command correction to the right must be sent. In the case where the drone is flat but drifts from the central point, it is necessary to correct axis / axis. Still an example, if the drone is too far left and back, it will be necessary to correct to the right and, at the same time or just after, a correction forward. So in all cases, it may be necessary to check each axis before correcting the trajectory.

La figure 6 représente un deuxième exemple de réalisation qui schématise le cas d’applications où les transpondeurs seront disposés de façon quelconque, lancés manuellement ou automatiquement, les distances OTi sont quelconques. Dans ce cas, le système comporte un transpondeur 70 positionné au niveau du point 0 qui désigne la marque au sol au-dessus de laquelle on souhaite maintenir le drone.FIG. 6 represents a second exemplary embodiment which schematizes the case of applications where the transponders will be arranged in any way, launched manually or automatically, the distances OTi are arbitrary. In this case, the system comprises a transponder 70 positioned at the point 0 which designates the mark on the ground above which it is desired to maintain the drone.

Dans cet exemple d’application, les transpondeurs sont des interrogateurs/répondeurs adaptés à lancer des interrogations et à mesurer les distances entre eux. Par exemple, le transpondeur Ti est adapté à déterminer les distances T-îj entre le transpondeur T| et les autres transpondeurs Tj, où j est la référence d’un autre transpondeur du système.In this application example, the transponders are interrogators / responders adapted to launch queries and to measure the distances between them. For example, the transponder Ti is adapted to determine the distances T-1j between the transponder T | and the other transponders Tj, where j is the reference of another transponder of the system.

De cette façon, on peut déterminer les coordonnées relatives des transpondeurs par rapport au transpondeur de référence. En effet, si l’on considère un ensemble de transpondeurs jetés à la volée sur le sol autour du transpondeur de référence To, il est possible d’obtenir dans une phase initiale tout ou partie des mesures Tj,j, N est le nombre de transpondeurs, ce qui permet d’aboutir à la matrice suivante :In this way, the relative coordinates of the transponders can be determined with respect to the reference transponder. Indeed, if we consider a set of transponders thrown on the ground around the reference transponder To, it is possible to obtain in an initial phase all or part of the measurements Tj, j, N is the number of transponders, which leads to the following matrix:

Cette matrice est symétrique et l’inversion de celle-ci permet d’obtenir une représentation en trois dimensions. Les différents transpondeurs sont alors placés dans un repère, par exemple orthonormé dont le point de référence est le transpondeur T0.This matrix is symmetrical and the inversion of it makes it possible to obtain a representation in three dimensions. The different transponders are then placed in a reference, for example orthonormed whose reference point is the transponder T0.

Selon une variante de réalisation, on cherchera à ajouter une possibilité d’orienter le drone de façon telle que l’antenne directive équipant le drone se trouve dans une position optimale de fonctionnement. Ceci est particulièrement avantageux dans le cas : • De l’établissement d’une liaison point-à-point du type faisceau hertzien, l’un des points du faisceau étant le drone captif, au-dessus de toute végétation et autorisant ainsi un gain système important même avec une antenne directive de gain modéré. Le drone, dans ce cas, peut optimiser en temps réel l’orientation de l’antenne directive et la pointer en permanence vers le point distant du faisceau, • De l’emport d’un terminal 4G (UE pour User Equipment), celui-ci devant se raccorder à une station de base (eNodeB) distante. La distance entre le terminal et l’eNodeB est d’autant plus importante que l’antenne directive connectée au terminal possède un gain important et que le drone captif est capable de la maintenir pointée de façon optimale, • De l’emport d’un relais eNodeB-UE, la problématique du pointage de l’antenne directive sur l’UE étant semblable à celle du cas précédent. L’orientation du drone sera effectuée par exemple : • Soit par consigne, en lui indiquant la direction de la station de base ou du point distant à joindre ; dans le cadre d’une utilisation sans GPS, la mise œuvre d’un compas magnétique permet d’indiquer avec précision le pointage du drone vers la station base à joindre, • Soit par base de données cartographiques présentes dans le segment sol, le drone s’orientant vers la station la plus proche ou la station qui lui est désignée, le drone connaissant sa position dans l’espace et le compas magnétique permettant d’indiquer le pointage du drone, • Soit par mesure du champ reçu avec également en plus la mesure de la qualité du signal reçu à la fois sur le drone et au niveau du point distant, le drone s’orientant finalement vers la station offrant respectivement le meilleur rapport signal à bruit ou le meilleur rapport signal à bruit + interférence.According to an alternative embodiment, it will be sought to add a possibility of orienting the drone so that the directive antenna equipping the drone is in an optimal operating position. This is particularly advantageous in the case of: • The establishment of a point-to-point link of the radio-relay type, one of the points of the beam being the captive drone, above all vegetation and thus allowing a gain important system even with a moderate gain directional antenna. The drone, in this case, can optimize in real time the orientation of the directional antenna and point it permanently towards the distant point of the beam, • From the carriage of a terminal 4G (UE for User Equipment), the one it must connect to a remote base station (eNodeB). The distance between the terminal and the eNodeB is all the more important that the directional antenna connected to the terminal has a significant gain and that the captive drone is able to keep it pointed optimally. relay eNodeB-UE, the issue of the pointing of the directive antenna on the EU being similar to that of the previous case. The orientation of the drone will be performed for example: • either by instruction, indicating the direction of the base station or the remote point to join; in the context of a use without GPS, the implementation of a magnetic compass makes it possible to specify with precision the pointing of the drone towards the base station to join, • Or by database of cartography present in the ground segment, the drone pointing to the nearest station or station designated for it, the drone knowing its position in the space and the magnetic compass to indicate the pointing of the drone, • either by measure of the received field with also in addition the measurement of the quality of the signal received both on the drone and at the remote point, the drone eventually moving towards the station respectively offering the best signal-to-noise ratio or the best signal-to-noise ratio + interference.

Selon la récurrence du nombre de mesures par seconde et la force d’un vent continu ou d’un vent en rafale, une technique de récupération de la dérive doit être mise en place.Depending on the recurrence of the number of measurements per second and the strength of a continuous wind or a gusty wind, a drift recovery technique must be implemented.

Le dispositif UWB permet, par exemple, d’effectuer dix mesures par seconde de distance entre le drone et les transpondeurs au sol (valeur choisie à titre d’exemple pour la simplicité des calculs qui suivent). A raison d’un vent de 20 nœuds, soit environ 36km/h, cela veut dire qu’en 100ms le drone a parcouru 1m. Un filtre de trajectoire, dont le but est de prédire la position du drone face au vent continu ou à la rafale de vent, doit être introduit de façon à en corriger le déplacement par commande inverse sur la carte de contrôle de navigation. Par exemple, on mesure la position au cours du temps du déplacement du drone par rapport à une position initiale donnée, et si la valeur de déplacement est supérieure à une valeur seuil traduisant une dérive trop importante alors on va corriger cette dérive.The UWB device makes it possible, for example, to perform ten measurements per second of distance between the drone and the transponders on the ground (value chosen as an example for the simplicity of the calculations that follow). With a wind of 20 knots, about 36km / h, this means that in 100ms the drone has traveled 1m. A trajectory filter, the purpose of which is to predict the position of the drone against continuous wind or gust of wind, must be introduced in order to correct the reverse movement of the control on the navigation control chart. For example, the position is measured during the time of movement of the drone with respect to a given initial position, and if the displacement value is greater than a threshold value translating too much drift then we will correct this drift.

Il a été mentionné précédemment la possibilité d’emporter au niveau d’un drone un relais constitué d’une station eNodeB et d’un utilisateur UE. La mise en œuvre d’une antenne directive sur l’équipement UE a notamment pour effet d’augmenter le gain système mais aussi le découplage entre les aériens eNodeB et UE, rendant ainsi moins compliqués les efforts de fonctionnement en cosite, notamment en fonctionnement Intrabande pour lequel un découplage suffisant est très difficile à obtenir.It has been mentioned previously the possibility of carrying on a drone a relay consisting of an eNodeB station and an UE user. The implementation of a directive antenna on the UE equipment has the effect of increasing the system gain but also the decoupling between the eNodeB and UE aircrafts, thus making the operation efforts in cosite less complicated, especially in Intra-band operation. for which sufficient decoupling is very difficult to obtain.

Considérant une station eNodeB à antennes omnidirectionnelles en emport sur le drone captif (créant ainsi une bulle de communication à longue distance), il est possible d’éviter ces problèmes de cosite en disposant une liaison radio du type millimétrique, par exemple, à très haut débit entre le drone et la station sol (liaison dite de backhauling). La portée entre le drone et cette station sol est d’autant plus importante que l’antenne est directive et que le drone a la possibilité de maintenir le pointage vers la station sol. Il est possible d’avoir recours à des servomoteurs couplés à une carte de stabilisation couramment utilisés dans les systèmes de gyro-stabilisation pour drone (comme par exemple une nacelle pour caméra). La carte de stabilisation doit pouvoir prendre en compte des commandes externes, comme par exemple des commandes depuis un récepteur radiocommande pour permettre un pointage manuel si nécessaire. Ce système peut être également indépendant ou en liaison avec le contrôleur de vol du drone et il permet d’assurer le pointage de cette antenne directive toujours dans la bonne direction. Cette direction peut être trouvée automatiquement via un asservissement sur la qualité du lien radio, par pilotage direct ou par consigne (coordonnées GPS par exemple) et ce de façon totalement indépendante du vol du drone.Considering an omnidirectional antennas eNodeB station on the captive drone (thus creating a long distance communication bubble), it is possible to avoid these cosite problems by having a radio link of the millimeter type, for example, at a very high altitude. flow between the drone and the ground station (so-called backhaul link). The range between the drone and this ground station is all the more important that the antenna is directive and that the drone has the opportunity to maintain the pointing to the ground station. It is possible to use servomotors coupled to a stabilization card commonly used in gyro-stabilization systems for drones (such as a camera nacelle). The stabilization board must be able to take into account external commands, such as commands from a radio receiver to allow manual pointing if necessary. This system can also be independent or in conjunction with the flight controller of the drone and it ensures the pointing of this directional antenna always in the right direction. This direction can be found automatically via a servocontrol on the quality of the radio link, direct control or setpoint (GPS coordinates for example) and this completely independent of the flight of the drone.

Selon un mode de réalisation, figure 7, le drone asservi par rapport à un point de consigne en exécutant les étapes du procédé selon l’invention peut servir de drone maître sur lequel plusieurs drones pourront venir s’asservir. Le drone maître 710 est par exemple asservi à partir du sol par un ombilic 711, les autres drones sont libres mais asservis en position par rapport au drone maître. L’ensemble des drones est considéré comme une seule entité, les drones étant capables de se mouvoir, de façon coordonnée tout en se répartissant différentes tâches. Dans le cadre d’un essaim centré sur le drone de référence captif, le système comprend une station sol de référence positionnée, excepté en altitude, au même endroit ou sensiblement au même endroit que le drone.According to one embodiment, FIG. 7, the controlled drone with respect to a set point by executing the steps of the method according to the invention can serve as a master drone on which several drones can come to serve. The master drone 710 is for example enslaved from the ground by an umbilicus 711, the other drones are free but slaved in position relative to the master drone. All drones are considered as a single entity, drones being able to move in a coordinated way while distributing different tasks. As part of a swarm centered on the captive reference drone, the system includes a reference ground station positioned, except at altitude, at the same location or substantially in the same location as the drone.

Les drones peuvent être équipés de dispositifs de positionnement tels que des GPS (cas appelé K1 par la suite). Le drone maître 710 reste asservi automatiquement et embarque un système de transmission 712 et un calculateur 713 permettant le pilotage en essaim de drones suiveurs 715, 716, 717, 718. Le drone maître et les drones suiveurs embarquent un GPS (non représenté) pour le positionnement dans l’espace via la présence d’un satellite 719. La position du drone maître reste fixe alors que les drones suiveurs peuvent s’écarter tout en permettant à l’opérateur de savoir où se situe chaque drone grâce au retour de télémétrie. Le drone maître est alimenté au moyen du câble 711 et les drones suiveurs ont une autonomie limitée. Un drone suiveur va donc revenir fréquemment sur une base 720 pour se recharger.Drones can be equipped with positioning devices such as GPS (case called K1 later). The master drone 710 remains automatically controlled and embeds a transmission system 712 and a computer 713 for swarming follower tracking drones 715, 716, 717, 718. The master drone and the tracking drones board a GPS (not shown) for the positioning in space via the presence of a satellite 719. The position of the master drone remains fixed while the follower drones can deviate while allowing the operator to know where each drone is located thanks to the telemetry feedback. The master drone is powered by the 711 cable and the tracking drones have limited autonomy. A follower drone will therefore return frequently to a base 720 to recharge.

Chaque drone (suiveur comme leader) possède un module de télémétrie connecté avec la station opérateur au sol. Cette télémétrie comporte toutes les données de l’état du drone en temps réel telles que, l’orientation, la consommation électrique et la position dans l’espace via le récepteur GPS. Il est donc possible de connaître en temps réel la position GPS des drones suiveurs et du leader via une IHM sur un PC disposé au niveau de la station sol, par exemple, et d’interagir avec chaque drone pour optimiser leur positionnement autour du leader. Dans certaines applications, le calculateur du drone leader comportera un module programmé pour interagir automatiquement avec chaque drone suiveur pour contrôler son positionnement par rapport au leader.Each drone (follower as leader) has a telemetry module connected with the ground operator station. This telemetry includes all the data of the state of the drone in real time such as orientation, power consumption and position in space via the GPS receiver. It is therefore possible to know in real time the GPS position of the tracking drones and the leader via an HMI on a PC arranged at the ground station, for example, and to interact with each drone to optimize their positioning around the leader. In some applications, the computer of the drone leader will include a module programmed to automatically interact with each drone follower to control its positioning relative to the leader.

Cette variante de réalisation est adaptée pour des missions de surveillance, de détection optique ou électromagnétique, etc. Elle permet notamment de pouvoir donner des ordres aux drones suiveurs via le drone maître pour une mission longue portée, à la limite de réception des drones suiveurs, et permettre ainsi d’élargir le champ d’action de tout le système.This variant embodiment is suitable for monitoring missions, optical or electromagnetic detection, etc. It allows in particular to be able to give orders to the tracking drones via the master drone for a long-range mission, to the limit of reception of the tracking drones, and thus allow to widen the field of action of the whole system.

La figure 8 représente un exemple d’application où un drone de référence 800 reste automatiquement asservi et embarque une station de base permettant le pilotage en essaim de drones suiveurs 810, 811, 812, 813. Le drone de référence ou drone maître et ses suiveurs embarquent un système de positionnement point-multipoints utilisant la technologie UWB pour le positionnement dans l’espace (cas appelé K2 par la suite). Chaque drone calcule sa position en fonction du drone maître et des autres drones suiveurs pour se positionner dans un espace à trois dimensions. Les modules UWB des drones (maître + suiveurs) peuvent travailler en autolocalisation 3D comme dans le cas des transpondeurs jetés à la volée sur le sol ; la différence se situant au niveau de la correction temps réel continue.FIG. 8 represents an exemplary application in which a reference UAV 800 remains automatically servocontrolled and embeds a base station enabling the swarming of tracking drones 810, 811, 812, 813. The reference drone or master drone and its followers embark a point-to-multipoint positioning system using UWB technology for positioning in space (a case called K2 later). Each drone calculates its position according to the master drone and the other drones followers to position themselves in a three-dimensional space. The UWB modules of UAVs (master + followers) can work in 3D autolocalisation as in the case of transponders thrown on the fly; the difference being in the level of the continuous real time correction.

La position du drone maître reste stationnaire grâce à la mise en œuvre du procédé selon l’invention, alors que les drones suiveurs peuvent s’écarter tout en permettant à l’opérateur de savoir où se situe chaque drone dans une bulle ou périmètre donné grâce au retour de télémétrie.The position of the master drone remains stationary thanks to the implementation of the method according to the invention, while the follower drones can deviate while allowing the operator to know where each drone is located in a given bubble or perimeter. on the return of telemetry.

Cette méthode offre l’avantage de donner des ordres aux drones suiveurs via le drone maître pour une mission courte portée, à la limite de réception des modules UWB, tout en supprimant la dépendance au GPS et permettre ainsi l’utilisation de ce système dans un environnement où le fonctionnement GPS est perturbé. Plus il y a de drones impliqués, meilleur sera le fonctionnement du système. En effet, chaque drone suiveur communiquant avec chacun des autres drones composant l’essaim, la précision des déplacements et donc de la position est affinée par chaque drone suiveur ajouté.This method offers the advantage of giving orders to the tracking drones via the master drone for a short-range mission, at the receiving limit of the UWB modules, while removing the GPS dependence and thus allowing the use of this system in a system. environment where GPS operation is disrupted. The more drones involved, the better the system will work. Indeed, each follower drone communicating with each of the other drones constituting the swarm, the accuracy of the movements and therefore the position is refined by each drone follower added.

Selon une autre variante de réalisation, le drone maître sera asservi à un véhicule au sol, éventuellement mobile, et alimenté à partir de ce véhicule par un ombilic. Les autres drones suiveurs seront libres mais asservis en position par rapport au drone suiveur. Le principe décrit en relation avec l’exemple de la figure 8 reste le même, à la différence que le véhicule se déplace, le drone maître étant donc en mouvement.According to another variant embodiment, the master drone will be slaved to a vehicle on the ground, possibly mobile, and powered from this vehicle by an umbilicus. The other follower drones will be free but enslaved in position relative to the follower drone. The principle described in connection with the example of Figure 8 remains the same, with the difference that the vehicle moves, the master drone is therefore in motion.

Pour le cas d’une application avec GPS (K1), le véhicule devient le maître. Le drone maître captif reste asservi par la technique UWB, mais les drones suiveurs se dirigent en fonction du mouvement du véhicule.For the case of an application with GPS (K1), the vehicle becomes the master. The captive master drone remains enslaved by the UWB technique, but the follower drones move according to the movement of the vehicle.

Le procédé selon l’invention prend en compte le déplacement du véhicule mais aussi le temps de latence dû au calcul de la position GPS et du calcul des nouvelles positions des drones suiveurs. Ce temps de latence comprend, tout d’abord, le temps d’acquisition de la position GPS pour un drone suiveur puis le temps de transmission via la télémétrie vers la station sol. Ensuite la station sol doit avoir toutes les nouvelles positions de chaque drone pour pouvoir éventuellement les corriger et enfin transmettre la nouvelle position GPS à chaque drone. Le mouvement des drones suiveurs n’est donc pas parfaitement synchrone avec le drone maître.The method according to the invention takes into account the displacement of the vehicle but also the latency time due to the calculation of the GPS position and the calculation of the new positions of the tracking drones. This latency time includes, firstly, the GPS position acquisition time for a tracking drone and then the transmission time via the telemetry to the ground station. Then the ground station must have all the new positions of each drone to possibly correct them and finally transmit the new GPS position to each drone. The movement of the tracking drones is therefore not perfectly synchronous with the master drone.

Dans le cas d’un positionnement par UWB (K2), le drone maître est toujours asservi par rapport au véhicule et les drones suiveurs sont asservis par rapport au drone maître et à chacun d’entre eux. Il est possible de considérer que le drone maître et les drones suiveurs correspondent à une bulle qui fera mouvement dans la même direction que le véhicule. Les drones suiveurs modifient leur altitude par rapport à celle du drone maître. Chaque drone est capable de connaître sa position par rapport aux uns et aux autres, ils corrigent leur position afin de rester à la distance prédéfinie par l’utilisateur.In the case of positioning by UWB (K2), the master drone is always controlled with respect to the vehicle and the follower drones are enslaved with respect to the master drone and to each of them. It is possible to consider that the master drone and the follower drones correspond to a bubble that will move in the same direction as the vehicle. Follower drones change their altitude relative to that of the master drone. Each drone is able to know its position relative to each other, they correct their position to stay at the distance predefined by the user.

Les équations de principe qui régissent le suivi et le contrôle du mouvement sont les suivantes : • Cas K1 : à partir de la station sol, filtre de Kalman à trois dimensions avec vitesse et accélération pour calculer par anticipation les trajectoires de chaque drone et éviter les collisions, • Cas K2 : dans chaque drone suiveur, filtre de Kalman à trois dimensions avec vitesse et accélération pour calculer par anticipation les trajectoires de chaque drone et éviter les collisions.The principle equations that govern motion tracking and control are as follows: • Case K1: from the ground station, a three-dimensional Kalman filter with velocity and acceleration to calculate the trajectories of each drone in advance and avoid collisions, • Case K2: in each tracking drone, a three-dimensional Kalman filter with velocity and acceleration to calculate in advance the trajectories of each drone and avoid collisions.

Le système d’asservissement et de pilotage du drone décrit précédemment pourra être couplé à une base de données cartographiques afin de s’affranchir de toute intervention de pilote. Ce système peut être directement intégré au drone pour une autonomie totale ou être intégré à la station sol qui corrigera l’altitude du drone en fonction de la topographie. Il faudra donc que la station sol ou le drone lui-même prennent en compte les dénivelés pour corriger l’altitude du drone.The servo control and steering system of the drone described above can be coupled to a map database to overcome any pilot intervention. This system can be directly integrated into the drone for a total autonomy or be integrated into the ground station which will correct the altitude of the drone according to the topography. It will therefore be necessary for the ground station or the drone itself to take into account the altitude differences to correct the altitude of the drone.

Le positionnement en altitude du drone en fonction de la topographie sera obtenu de la manière suivante : l’altitude du drone à une position donnée auquel on ajoute les dénivelés en positif ou en négatif donne la nouvelle altitude.The altitude positioning of the drone according to the topography will be obtained in the following way: the altitude of the drone at a given position, to which we add the elevations in positive or in negative gives the new altitude.

Il peut également être pris en compte le passage sous un pont ou tunnel. Dans ce cas, la station sol devra ordonner au drone de réduire son altitude ou de se poser (ce dernier étant plus sécuritaire) en fonction de la hauteur de l’ouvrage à passer. Cette possibilité n’est en revanche possible qu’avec la présence d’un bon signal GPS pour connaître la position du drone et du véhicule. Grâce à cette base de données, le système va se localiser géographiquement et sera capable d’anticiper la présence d’obstacles recensés sur une carte ou une base de données, du type ligne à haute tension, tunnel, pont, etc. et d’agir sur le module de vol pour éviter ces obstacles. Ainsi, le drone pourra rejoindre sa base de stationnement ou alors se mettre à une altitude de sécurité lors du franchissement/croisement de l’obstacle. Cette base de données peut avoir été préalablement chargée localement, sur un véhicule, sur une station sol qui gère le drone, etc., ou alors elle peut être accessible à distance en temps réel via une connexion de type internet, si le véhicule est doté d’un lien satellitaire ou si le drone est équipé d’un modem de données de type 3G/4G ou encore d’une liaison tactique. Cet aspect temps réel est d’autant plus important que l’environnement rencontré peut subir des modifications, telles que des destructions, des poteaux renversés, etc.It can also be taken into account the passage under a bridge or tunnel. In this case, the ground station must order the drone to reduce its altitude or to land (the latter being safer) depending on the height of the work to pass. This possibility is only possible with the presence of a good GPS signal to know the position of the drone and the vehicle. Thanks to this database, the system will locate itself geographically and will be able to anticipate the presence of obstacles identified on a map or database, such as high voltage line, tunnel, bridge, etc. and act on the flight module to avoid these obstacles. Thus, the drone will be able to reach its parking base or at a safe altitude when crossing / crossing the obstacle. This database may have been previously loaded locally, on a vehicle, on a ground station that manages the drone, etc., or it can be accessed remotely in real time via an internet connection, if the vehicle is equipped. a satellite link or if the drone is equipped with a 3G / 4G data modem or a tactical link. This real-time aspect is all the more important that the environment can undergo modifications, such as destruction, reversed poles, etc.

En plus de bases de données cartographiques, il est possible d’ajouter une caméra frontale et des dispositifs ultrasoniques afin de palier à une éventuelle décorrélation entre l’environnement dans lequel le drone évolue et les informations stockées dans la base de données.In addition to cartographic databases, it is possible to add a frontal camera and ultrasonic devices in order to compensate for any decorrelation between the environment in which the drone evolves and the information stored in the database.

Ainsi, si des lignes électriques, téléphoniques ou des obstacles non recensés font obstacle à l’avancée du drone, ils seront détectés par ces dispositifs et traités par le calculateur équipant le drone. La majeure partie des modules de vol peuvent être nativement couplés avec des dispositifs ultrasoniques, mais ceux-ci pourraient être tout aussi bien reliés au calculateur qui évaluerait en temps réel la proximité avec un obstacle pour envoyer au module de vol des corrections d’attitudes. De même pour la caméra frontale, celle-ci serait forcément reliée au calculateur pour pouvoir y effectuer un traitement vidéo temps réel de détection d’obstacles pour prendre les décisions appropriées d’évitement.Thus, if power lines, telephone or obstacles not identified prevent the advance of the drone, they will be detected by these devices and processed by the computer equipping the drone. The majority of the flight modules can be natively coupled with ultrasonic devices, but these could be connected to the calculator which would evaluate in real time the proximity to an obstacle to send to the flight module correction of attitudes. Similarly for the front camera, it would necessarily be connected to the computer to be able to perform a real-time video processing obstacle detection to make the appropriate decisions to avoid.

Les systèmes décrits précédemment pourront être doublés de systèmes et de procédures de secours dans le cas d’une panne du système d’asservissement.The systems described above may be coupled with systems and backup procedures in the event of a failure of the servo system.

Le système selon l’invention permet notamment de maintenir en place, par rapport à un point de référence un drone afin de minimiser les efforts exercés sur le câble d’alimentation.The system according to the invention makes it possible in particular to maintain in place, with respect to a reference point, a drone in order to minimize the forces exerted on the power cable.

Claims

1 - System for holding a drone (1) in position, the drone comprising at least one communication device (34) with a base station, an Ultra Wide Band base (31) UWB, a flight module (37), a computer (36), characterized in that it comprises at least the following elements: • At least four transponders (321, 322, 323, 324), each transponder being adapted to transmit a response signal following a query issued by a UWB base disposed at the level of the drone, • The drone (1) comprising a calculator (36) adapted to process the responses of the different transponders, to determine the distance Di from a transponder Ti to the drone (1) and from these responses and distance values Di of a transponder at a reference point D, to determine the drift values of the drone in position and to correct these drifts in order to keep the drone (1) in a quasi-stationary position.

2 - System according to claim 1 characterized in that the four transponders (321, 322, 323, 324) being arranged at the same distance OT of a point 0 in a Cartesian coordinate system, the Ex, Ey drifts are calculated in a reference frame Cartesian and one corrects the drift in height z = (x2 - Ex2 - Ey2) y * with respect to a plane P passing through the four transponders with ΔΖ = (set in z) - z, the value of setpoint being a fixed value or defined in real time.

3 - System according to claim 1 characterized in that the transponders (321, 322, 323, 324) being located at any distance OTi with respect to a reference point O, the relative coordinates of the transponders being defined relative to a transponder reference.

4 - System according to one of claims 1 or 2 characterized in that it comprises a Kalman filter adapted to filter and determine a state vector for the drone at a given instant k using the state vector of the previous instant k-1, a state vector being defined by the positions and speeds on the x, y and z axes of the orthonormal frame formed by the set of ground transponders and the computer is adapted to act on the vector speed to bring the drone back to its original position.

5 - System according to one of the preceding claims characterized in that it comprises a module (46) adapted to test whether the drone is on the right, left, in front of or behind the reference position and to transmit this information to the controller module (34) generating commands leading to trigger a negative or positive pitch, and / or a positive or negative roll.

6 - System according to one of the preceding claims characterized in that it comprises a main drone (710) maintained in a quasi-stationary position and one or more secondary drones (715, 716, 717, 718) slaved in position relative to the drone (710) using a GPS positioning system.

7 - System according to one of claims 1 to 5 characterized in that it comprises a main drone (800) maintained in a quasi-stationary position and one or more secondary drones (810, 811, 812, 813) maintained in position relative to to the main drone (800) using a multipoint positioning system using UWB technology.

8 - A method for maintaining in a quasi-stationary position a drone (1) with respect to a given point, characterized in that it comprises at least the following steps: • Emitting a UWB signal, Suwb, from the drone to one or more transponders (321,322 , 323, 324), • From the response signal Su, St2, St3, ST4 transmitted by the transponder or transponders (Ti, 321, 322, 323, 324), from the distance Di between a transponder Ti and the drone ( 1) obtained from the response signal, determine any drift in position of the drone, • Correct these drifts in order to keep the drone in a quasi-stationary position.

9 - Process according to claim 8, characterized in that the movements of the drone are filtered by means of a Kalman filter by predicting the state of the drone at the instant k knowing the state of the drone at a previous instant ( k-1), the state vector taking into account the positions and speeds of the drone located in an orthonormal frame formed by the game of transponders.

10 - Method according to one of claims 8 or 9 characterized in that one maintains in position a main drone and enslaved one or more secondary drones using a GPS module fitted to each of the secondary drones or a multipoint positioning system using UWB technology.