FR3066828B1 - Procede d'approche d'une station de base, programme d'ordinateur et drone sous-marin associes - Google Patents

Abstract

Procédé d'approche d'une station de base mis en oeuvre par un drone sous-marin autonome, le procédé comprenant au moins les trois phases (100, 110, 120) successives suivantes: - une phase de recalage (100), dans laquelle le drone sous-marin, localisé à une première position de recalage: ○ détermine (140) une première trajectoire de déplacement, ○ se déplace (150) selon ladite première trajectoire, - une phase de déclenchement (110) d'approche de la station de base, dans laquelle le drone sous-marin: ○ détermine (170) une deuxième trajectoire de déplacement d'une deuxième position à une troisième position, et ○ se déplace (180) selon ladite deuxième trajectoire, - une phase d'approche finale (120), dans laquelle le drone sous-marin détermine (190) une troisième trajectoire de déplacement de la troisième position à une position d'arrimage, et se déplace (200) en suivant cette troisième trajectoire.

Description

Procédé d’approche d’une station de base, programme d’ordinateur et drone sous-marin associés

La présente invention concerne un procédé d’approche d’une station de base mis en œuvre par un drone sous-marin autonome, propre à se déplacer par rapport à la station de base. L’invention concerne également un programme d’ordinateur comprenant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un tel procédé d’approche. L’invention concerne également un drone sous-marin, propre à se déplacer par rapport à une station de base. L’invention concerne le domaine de la navigation sous-marine, par exemple pour les activités sous-marines de l’industrie marine offshore telles que pétrole, gaz, mines sous-marines, énergies renouvelables, les activités scientifiques telles que la surveillance de l’environnement ou le prélèvement sous l’eau, ainsi que les activités de surveillance ou de collecte de renseignements associée(s) à une exploration sous-marine.

On connaît au moins deux types de drones sous-marins, ou UUV de l’anglais « Unmanned Underwater Vehicles » dépourvu de pilote « humain » à bord. Un premier type de drone sous-marin, appelé ROV de l’anglais « Remotely Operated Underwater Vehicle », est piloté à distance, par exemple par une station de contrôle via un câble, dit laisse. Un deuxième type de drone sous-marin, appelé AUV, de l’anglais « Autonomous Underwater Vehicle », est propre à se diriger de manière autonome (i.e. sans commande humaine à distance) en déterminant lui-même l’ensemble des déplacements à réaliser.

Par la suite par « drone sous-marin », on entend un engin sous-marin mobile autonome AUV qui est propre à s’auto-piloter automatiquement grâce à son système de pilotage automatique embarqué.

Pour s’auto-piloter, un tel drone sous-marin autonome AUV utilise le principe de navigation à l’estime (« dead reckoning » en anglais) vis-à-vis d’une position de référence (généralement son point de départ) et à partir de mesures provenant de ses instruments de navigation embarqués (e.g. centrale inertielle, capteur d’immersion, compas etc.).

Toutefois, une telle navigation à l’estime, sujette à une forte dérive, est insuffisante et périlleuse pour un drone sous-marin autonome AUV lorsqu’il s’agit de s’approcher d’une station de base pour s’y arrimer.

On connaît un procédé d’approche d’une station de base, par exemple du document US 008600592 B2, qui est basé sur l’envoi d’un signal acoustique d’un émetteur immobile à un récepteur d’un drone sous-marin. Le drone sous-marin est configuré pour recevoir le signal acoustique et déterminer à partir de celui-ci la direction à suivre vers la station de base.

Cependant, selon cette solution, la trajectoire d’approche du drone sous-marin n’est pas optimale et ne permet pas de garantir la sécurité d’arrimage du drone comme de la station de base lors de cet arrimage.

Le but de l’invention est alors de proposer un procédé d’approche, et un drone sous-marin, permettant d’optimiser la sécurité de navigation du drone lors de l’approche du drone sous-marin à la station de base. A cet effet, l’invention a pour but un procédé d’approche d’une station de base immobile du type précité, mis en œuvre par un drone sous-marin, propre à se déplacer par rapport à la station de base, le procédé comprenant au moins les trois phases successives suivantes mises en œuvre par le drone sous-marin: - une phase de recalage, dans laquelle le drone sous-marin, localisé à une première position de recalage : o détermine des coordonnées réelles de la position de recalage par rapport à la position de la station de base, et détermine une première trajectoire de déplacement de la position de recalage à une deuxième position prédéterminée de déclenchement d’approche, et o se déplace selon ladite première trajectoire, - une phase de déclenchement d’approche de la station de base, dans laquelle le drone sous-marin, localisé à la deuxième position: o reçoit un ordre d’approche émis par la station de base, o détermine une deuxième trajectoire de déplacement de la deuxième position à une troisième position prédéterminée de démarrage d’approche finale, et o se déplace selon ladite deuxième trajectoire, - une phase d’approche finale, dans laquelle le drone sous-marin, localisé à la troisième position, détermine une troisième trajectoire de déplacement de la troisième position à une position d'arrimage à la station de base, et se déplace en suivant sensiblement cette troisième trajectoire.

Selon le procédé d’approche de l’invention une stratégie d’approche en trois phases est mise en œuvre pour optimiser l’évitement d’obstacle lors du rapprochement du drone sous-marin par rapport à la station de base, et/ou de collision au moment de l’arrimage à la station de base.

La sécurité du drone, tout comme celle de la station de base, sont ainsi garanties pendant la phase cruciale d’approche et d’arrimage du drone à la station de base. En d’autres termes, en appliquant le procédé selon la présente invention, le drone applique une stratégie d’approche sécurisée en optimisant, au fur et à mesure des trois phases du procédé, sa trajectoire.

La première phase de recalage permet en effet d’annuler l’effet de dérive dû à la navigation à l’estime mise en œuvre par le drone préalablement à son arrivée à la position de recalage.

La seconde phase permet un rapprochement intermédiaire de manière à atteindre un point d’approche finale prédéterminé qui permet au drone, selon la troisième phase d’affiner à nouveau sa trajectoire pour parvenir sans dommage du drone sous-marin, comme de la station de base, au point d’arrimage à la station de base.

Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le procédé d’approche comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - la troisième trajectoire est également utilisée après désarrimage du drone sous-marin de la station de base ; - la troisième trajectoire est un segment de droite dont les extrémités sont respectivement la troisième position et la position d’arrimage ; - la station de base comprend un logement conique d’accueil de drone sous-marin, et dans lequel la troisième position de démarrage d’approche finale est localisée, à l’extérieur, et sur l’axe de révolution, du logement conique d’accueil de drone sous-marin ; - la position de recalage est préalablement estimée par des instruments de navigation du drone sous-marin ; - le procédé comprend, lors de son exécution, au moins un échange bidirectionnel d’information(s) entre le drone sous-marin et la station de base ; - lors d’un ralliement du drone sous-marin à au moins l'une des positions du groupe de positions comprenant la position de recalage, la deuxième position ou la troisième position, le drone sous-marin effectue une trajectoire d’attente prédéterminée ; et - la trajectoire d’attente est réitérée jusqu’à réception par le drone sous-marin d’une information émise au sein d’un signal acoustique par la station de base. L’invention a également pour objet un programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un procédé tel que défini ci-dessus. L’invention a également pour objet un drone sous-marin propre à se déplacer par rapport à une station de base, le drone sous-marin comprenant : - un module de recalage, configuré pour, lorsque le drone sous-marin est localisé à une première position de recalage, déterminer des coordonnées réelles de la position de recalage par rapport à la position de la station de base, et une première trajectoire de déplacement de la position de recalage à une deuxième position prédéterminée de déclenchement d’approche, et - un module de manœuvrabilité configuré pour déplacer le drone sous-marin selon ladite première trajectoire, - un module de déclenchement d’approche de la station de base, configuré pour, lorsque le drone sous-marin est localisé à la deuxième position: o recevoir un ordre d’approche émis par la station de base, o déterminer une deuxième trajectoire de déplacement de la deuxième position à une troisième position prédéterminée de démarrage d’approche finale, - le module de manœuvrabilité étant en outre configuré pour déplacer le drone sous-marin selon ladite deuxième trajectoire, - un module d’approche finale configuré pour, lorsque le drone sous-marin est localisé à la troisième position, déterminer une troisième trajectoire de déplacement de la troisième position à une position d’arrimage à la station de base, - le module de manœuvrabilité étant en outre configuré pour déplacer le drone sous-marin sensiblement selon ladite troisième trajectoire.

Ces caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique en coupe d’un système bidirectionnel de navigation sous-marin selon l’invention, - la figure 2 est une représentation schématique d'une unité de traitement d’un signal acoustique, - la figure 3 est une représentation schématique du principe de triangulation, - la figure 4 est un organigramme d’un procédé d’approche d’une station de base, - la figure 5 est une représentation schématique d’un exemple d’approche de la station de base.

Dans la suite de la description, l'expression «sensiblement» exprimera une relation d’égalité à plus ou moins 10%.

Sur la figure 1, un système bidirectionnel de navigation 1 sous-marine comprend un drone sous-marin 2 et une station de base 4 dans un environnement sous-marin 6 délimité par la surface de l’eau S. Le drone sous-marin 2 est propre à se déplacer par rapport à la station de base 4.

Par le terme « bidirectionnel » on entend l’échange (i.e. la communication) de signaux acoustiques selon deux directions F à savoir d’une part de la station de base 4 au drone sous-marin 2 et d’autre part du drone sous-marin 2 à la station de base 4, pour déterminer la position du drone sous-marin 2 par rapport à la station de base 4 et également échanger des informations au moyen de signaux acoustiques propagés dans l’eau. Les signaux acoustiques sont par exemple émis à cadence fixe.

Autrement dit, par « système bidirectionnel de navigation », on entend un système de navigation et de communication bidirectionnelle.

Par le terme « manoeuvrabilité » on entend à la fois la propulsion du drone sous-marin 2 et le contrôle de sa ou ses gouverne(s).

Un signal acoustique émis par la station de base 4 et reçu par le drone sous-marin 2 est appelé « premier signal acoustique » par la suite.

Le premier signal acoustique comprend au moins une première information, déterminée par la station de base 4. La première information est représentative d’un ordre de pilotage et/ou d’une position du drone sous-marin 2. L’ordre de pilotage est un ordre prédéterminé. Par « ordre prédéterminé », on entend qu’une liste d’ordres est connue et définie au préalable à la fois pour le drone sous-marin 2 et pour la station de base 4. L’ordre de pilotage est par exemple un ordre de remontée en surface, un ordre d’approche (i.e. de déclenchement de la phase d’approche) de la station de base 4, un ordre d’annulation de l’approche vers la station de base 4, un ordre d’arrêt d’urgence, un ordre d’arrimage, un ordre de changement ou de démarrage de mission, un ordre d’attente (i.e. comprenant une trajectoire d’attente TA) ou un ordre de suivre une trajectoire d’attente TA. Optionnellement, la première information est représentative d’une pluralité d’ordres tels que cités ci-dessus.

Optionnellement, la première information est représentative de la position absolue de la station de base 4 afin que le drone sous-marin 2 puisse l’exploiter et déterminer sa propre position absolue.

Le premier signal acoustique permet d’une part de transmettre la première information et d’autre part de déterminer la position du drone sous-marin 2 par rapport à la station de base 4 par le drone sous-marin 2 lui-même, au moyen d’une triangulation décrite ci-après. Optionnellement, la première information comprenant une position du drone sous-marin 2 est fusionnée, une fois reçue par le drone sous-marin 2, avec des données provenant des instruments non représentés du drone sous-marin 2 pour une meilleure précision de navigation.

Un signal acoustique émis par le drone sous-marin 2 et reçu par la station de base 4 est appelé « deuxième signal acoustique » par la suite.

Le deuxième signal acoustique comprend au moins une deuxième information. Cette deuxième information est une information déterminée par le drone sous-marin 2 et est représentative d'un statut et/ou d’une position du drone sous-marin 2. Le statut du drone sous-marin 2 est un statut prédéterminé.

Par « statut prédéterminé », on entend qu’une liste de statuts est connue et définie au préalable à la fois pour le drone sous-marin 2 et pour la station de base 4. Le statut du drone sous-marin 2 est par exemple une réponse positive ou négative à un ordre de pilotage émis au préalable par la station de base 4, un statut du système de propulsion du drone sous-marin 2, un statut du système de navigation du drone sous-marin 2, un statut du système de pilotage du drone sous-marin 2, un statut du système de manœuvrabilité (30) (par exemple concernant les gouvernes), un statut du système d’énergie (par exemple concernant les batteries), un statut d’un capteur du drone sous-marin 2, un statut d’un actionneur du drone sous-marin 2 ou une donnée de repérage du fond marin. Optionnellement, la deuxième information est représentative d’une pluralité de statuts. Le deuxième signal acoustique permet, à la station de base 4, d’une part de transmettre la deuxième information et d’autre part de déterminer la position du drone sous-marin 2 par rapport à la station de base 4, au moyen d’une triangulation décrite ci-après.

En relation avec la figure 1, le drone sous-marin 2 comprend un émetteur-récepteur 10A connecté par une liaison 11A à une unité 12A de traitement de signal acoustique. En variante, le drone sous-marin 2 comprend une pluralité d’autres émetteurs-récepteurs non représentés, chacun respectivement connecté à une autre unité de traitement de signal acoustique, non représentée. Une unité de traitement de données 14A est connectée par une liaison 15A à l’unité 12A de traitement de signal. L’unité de traitement de données 14A est par exemple formée d’une mémoire 16A associée à un processeur 18A.

Le drone sous-marin 2 est configuré pour recevoir les premiers signaux acoustiques de la station de base 4 et pour émettre des deuxièmes signaux acoustiques à la station de base 4, afin de déterminer sa position et échanger des premières et deuxièmes informations définies ci-dessus. En utilisant les premiers signaux acoustiques, le drone sous-marin 2 est configuré pour naviguer selon un mode « téléguidage », dans lequel un opérateur de la station de base 4 transmet des consignes de guidage, et configuré pour naviguer dans un mode « autoguidage », dans lequel le drone sous-marin 2 définit lui-même des consignes de déplacement sans utiliser les premiers signaux acoustiques. A réception des premiers signaux acoustiques, l’émetteur-récepteur 10A embarqué dans le drone sous-marin 2 est configuré pour transformer les premiers signaux acoustiques en un signal électrique. L’unité 12A de traitement de signal est configurée pour recevoir ce signal électrique de l’émetteur-récepteur 10A par la liaison 11A, traiter ce signal et le transmettre par la liaison 15A à l’unité de traitement de données 14A. L’unité de traitement de données 14A dans le drone sous-marin 2 est configurée pour traiter le signal électrique reçu de l’unité 12A de traitement de signal par l’entrée 15A. L’unité de traitement de données 14A dans le drone sous-marin 2 est, par exemple, configurée pour traiter la première information et/ou générer une consigne de déplacement du drone sous-marin 2.

Pour émettre le deuxième signal acoustique du drone sous-marin 2, l’unité de traitement de données 14A est configurée pour générer un signal électrique comprenant au moins une deuxième information et l’envoyer à l’unité 12A de traitement de signal par la liaison 15A. L’unité 12A de traitement de signal est configurée pour traiter le signal électrique, et le transmettre par la liaison 11A à l’émetteur-récepteur 10A. L’émetteur-récepteur 10A, embarqué dans le drone sous-marin 2, est alors configuré pour émettre le deuxième signal acoustique.

Dans la mémoire 16A embarquée dans le drone sous-marin 2 des données sont stockées telles que l’agencement des émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E de la station de base 4 relativement les uns par rapport aux autres et les statuts comme les ordres prédéterminés décrits ci-dessus. L’architecture de l’unité 12A de traitement de signal sera décrite plus en détail ci-après en relation avec la figure 2.

Le drone sous-marin 2 comprend en outre un système de manœuvrabilité 30 connecté à l’unité de traitement de données 14A par une liaison 32. Conformément à une consigne délivrée par l’unité de traitement de données 14A, le système de manœuvrabilité 30 est notamment configuré pour déplacer le drone sous-marin 2. Le système de manœuvrabilité 30 comprend par exemple une hélice non représentée, un propulseur à réaction, non représenté, ou tout autre moyen de propulsion dans l’eau, non représenté, ainsi que des gouvernes, non représentées, et un ballast, non représenté.

Optionnellement, le drone sous-marin 2 comprend un système de navigation (non représenté), un système de pilotage (non représenté), un ou plusieurs capteurs (non représenté(s)) et un ou plusieurs actionneurs (non représenté(s)).

La station de base 4, également appelée station de « docking » (de l’anglais « docking station »), est immobile par rapport au fond sous-marin 5 auquel elle est attachée selon l’exemple de la figure 1. En variante, la station de base 4 est mobile. Par exemple, la station de base 4 est connectée à une plateforme, un sous-marin ou un bateau, non représentés, propres à se déplacer.

Dans l’exemple de la figure 1, la station de base 4 comprend quatre émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E de signaux acoustiques connectés chacun, par une liaison 11 B, à une unité 12B, 12C, 12D, 12E de traitement de signal acoustique. De préférence, les quatre émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E, placés de façon orthogonale l’un par rapport à l’autre, forment un tétraèdre non représenté. Plus la distance entre deux émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E est importante, meilleure est la précision de positionnement par triangulation. Par exemple, la distance entre chaque émetteur-récepteur 10B, 10C, 10D, 10E est obtenue en fonction de la taille de la station de base 4 elle-même dépendante de celle du drone sous-marin 2. Par exemple, pour un drone sous-marin 2 en forme cylindrique d’un diamètre de 600 mm, une distance est comprise entre un et deux mètres.

En variante, non représentée, la station de base 4 comprend trois émetteurs-récepteurs. En variante encore, la station de base 4 comprend Λ/ émetteurs-récepteurs, N étant un nombre entier entre 5 et 7.

Pour effectuer la triangulation, comme décrite ci-dessous, au moins trois émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D sont nécessaires. Le quatrième émetteur-récepteur 10E de l’exemple de la figure 1 apporte une précision supplémentaire et une robustesse au système bidirectionnel de navigation 1.

La station de base 4 comprend en outre une unité de traitement de données 14B, formée d’une mémoire 16B associée à un processeur 18B et connectée par une liaison 15B aux unités 12B, 12C, 12D, 12E de traitement de signal respectivement associées aux émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E.

La station de base 4 est configurée pour déterminer la position du drone sous-marin 2 par triangulation du deuxième signal acoustique émis par l’émetteur-récepteur 10A du drone sous-marin 2 et reçu par la pluralité d’émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E de la station de base 4. La station de base 4 est également configurée pour émettre des premiers signaux acoustiques comprenant la première information.

Pour émettre des premiers signaux acoustiques, l’unité de traitement de données 14B dans la station de base 4 est configurée pour générer un signal électrique correspondant à la première information, à partir des ordres prédéterminés stockés dans la mémoire 16B de même que les statuts précédemment décrits. Les unités 12B, 12C, 12D, 12E de traitement de signal sont configurées pour traiter le signal électrique et l’envoyer à leur émetteur-récepteur 10B, 10C, 10D, 10E respectif configuré pour émettre le premier même signal acoustique. A réception d’un deuxième signal acoustique, les émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E sont configurés pour recevoir le deuxième signal acoustique et le transmettre, via les unités 12B, 12C, 12D, 12E de traitement de signal auxquelles ils sont chacun associés, à l’unité de traitement de données 14B. L’unité de traitement de données 14B est configurée pour restituer la deuxième information, transmise et déterminée par le drone sous-marin 2 et représentative d’un statut et/ou d’une position du drone sous-marin 2, à un opérateur. Optionnellement, l’unité de traitement de données 14B est configurée pour générer une alerte lorsque le drone sous-marin 2 entre ou sort d’une zone prédéterminée autour de la station de base 4 délimitant la portée de la communication bidirectionnelle.

La station de base 4 comprend en outre un logement 20, configuré pour accueillir le drone sous-marin 2, et adapté à la forme du drone sous-marin 2. Par exemple, pour un drone sous-marin 2 en forme cylindrique, le logement 20 est délimité par des parois formant un cône convergent présentant un axe de rotation R.

Selon un aspect particulier, les émetteurs-récepteurs 10A, ... 10E sont des transducteurs acoustiques (non représentés) configurés pour convertir des signaux acoustiques en signaux électriques ou vice-versa. Un transducteur acoustique est à la fois un hydrophone , c’est-à-dire un microphone sous-marin, (non représenté) configuré pour transformer des signaux acoustiques (sous la forme de vibrations sonores) en signaux électriques et un haut-parleur (non représenté) configuré pour transformer des signaux électriques en signaux acoustiques.

Chaque premier et deuxième signal acoustique émis comprend un identifiant de l’émetteur-récepteur 10A, ... 10E auquel il est associé.

Le débit de communication, c’est-à-dire le nombre de premières et deuxièmes informations échangées par seconde entre le drone sous-marin 2 et la station de base 4 dépend des caractéristiques d’émission-réception des émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E de la station de base 4 et de l’émetteur-récepteur 10A du drone sous-marin 2.

La fréquence de chaque signal acoustique est choisie en prenant en compte un ou plusieurs aspects, tels que : - l’amortissement (absorption) du son qui augmente avec la fréquence ; - la taille des sources qui est importante pour de basses fréquences ; - la distance entre deux points contigus, dit résolution spatiale, liée à la longueur d’onde, qui devient meilleure avec une fréquence élevée ; - la réponse éventuelle de la cible qui a sa propre fréquence ; et/ou - les impacts environnementaux, surtout pour les systèmes fixes ou à vocation scientifique.

La portée du signal acoustique transmis dans l’environnement sous-marin 6 dépend de sa fréquence et de la puissance des émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E de la station de base 4 et de l’émetteur-récepteur 10A du drone sous-marin 2. Par exemple, la fréquence de chaque signal acoustique émis par la station de base 4 ou émis par le drone sous-marin 2 est comprise entre 30 Hz et 1,5 MHz et de préférence entre 10 kHz et 100 kHz pour une portée maximale du signal acoustique de plusieurs kilomètres, par exemple sensiblement égale à 2 km.

La précision de localisation par triangulation est variable selon la technologie utilisée, notamment selon le nombre d’émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E utilisés, comme décrit ci-dessus. Une augmentation de la fréquence acoustique permet généralement une meilleure précision (selon les conditions d’environnement), au détriment de la portée diminuant avec l’augmentation de la fréquence. La fréquence entre 10 kHz et 30 kHz permet une précision de l’ordre du centimètre, par exemple une précision entre 1 et 15 cm. Dans l’exemple de la figure 1, l’unité de traitement de données 14A et l’unité de traitement de données 14B sont de types différents l’une par rapport à l’autre. Par exemple, l’unité de traitement de données 14A dans le drone sous-marin 2 est adaptée pour remplir des exigences d’intégration à bord du drone sous-marin 2, telles que taille, consommation d’énergie ou robustesse contre les vibrations. En variante, l’unité de traitement de données, non représentée, est du même type dans la station de base et dans le drone sous-marin.

En relation avec la figure 2, l’unité 12A de traitement de signal est décrite plus en détail. L’unité 12A de traitement de signal comprend une chaîne d’émission de signaux 50 et une chaîne de réception de signaux 52. Les autres unités 12B, 12C, ... 12E de traitement de signal comprennent la même architecture.

La chaîne d’émission de signaux 50 comprend, reliés en série, au moins un encodeur 54, un entrelaceur 56, un module de mappage 58, un multiplexeur temporel 60 utilisant des fréquences ou signaux pilotes 62, un modulateur 64 et un amplificateur 66. La chaîne d’émission de signaux 50 est configurée pour recevoir le signal électrique de l’unité de traitement de données 14A, 14B respectivement par la liaison 15A, 15B, et de fournir, via la liaison 11 A, 11 B, un signal électrique amplifié par l’amplificateur 66. Optionnellement, la chaîne d’émission de signaux 50 comprend un module de chiffrage (ou cryptage), non représenté, et configuré pour chiffrer ou crypter la première ou deuxième information.

La chaîne de réception de signaux 52 comprend, reliés en série, au moins un démodulateur 70, un module de filtrage en bande de base 72, un module de détection des fréquences ou signaux pilotes 74, un module de correction de l’effet doppler 76, un module de démappage 78, par exemple pour une modulation MFSK, un désentrelaceur 80 et un décodeur 82. La chaîne de réception de signaux 52 est configurée pour recevoir un signal électrique par la liaison 11 A, 11B de l'émetteur-récepteur 10A, et de fournir, via la liaison 15A, 15B, le signal électrique.

Optionnellement, la chaîne de réception de signaux 52 comprend aussi un module de déchiffrage (ou décryptage), non représenté, et configuré pour déchiffrer ou décrypter la première ou deuxième information, si celle-ci a été chiffrée à l’émission. La chaîne d’émission de signaux 50 et la chaîne de réception de signaux 52 sont connues en soi et ne seront donc pas décrites plus en détail ici.

En relation avec la figure 3, la triangulation est le principe permettant de déterminer la position d’un objet par rapport à une pluralité de positions de référence en mesurant les angles entre la position de l'objet et les positions de référence connues. Pour déterminer la position de l’objet, dans un plan (2D), au moins deux positions de référence sont nécessaires. En trois dimensions (3D), une position comprend trois degrés de liberté. Ainsi, dans un repère 3D, au moins trois positions de référence (non représentés) sont requises.

Sur la figure 3(a), la triangulation dans un plan (2D) est représentée et sur la figure 3(b), la triangulation en 3D est représentée.

La figure 3(a) montre l’émetteur-récepteur 10A du drone sous-marin 2 et deux émetteurs-récepteurs 10B, 10C de la station de base 4 dans un repère comprenant des axes x’ et y’. Par exemple, un signal acoustique émis par le drone sous-marin 2 se propage à partir de l’émetteur-récepteur 10A. La distance entre l’émetteur-récepteur 10A et les émetteurs-récepteurs 10B, 10C étant différente, le signal n’est pas reçu au même moment par les deux émetteurs-récepteurs 10B, 10C. Par calcul de la différence de temps de réception du signal acoustique entre les deux émetteurs-récepteurs 10B, 10C, et à partir de la connaissance de la célérité du son dans l’eau, un angle a et la distance D entre l’émetteur-récepteur 10A et le centre du repère x’, y’ sont déterminés.

Dans un autre exemple, également en référence à la figure 3(a), des signaux acoustiques sont émis simultanément par les émetteurs-récepteurs 10B, 10C et reçus par l’émetteur-récepteur 10A. L’agencement des émetteurs-récepteurs 10B, 10C, relativement les uns par rapport aux autres, étant connu du drone sous-marin 2, la différence d’instants de réception des signaux acoustiques par l’émetteur-récepteur 10A permet de déterminer l'angle a entre l’émetteur-récepteur 10A et les émetteurs-récepteurs 10B, 10C.

Le principe de triangulation tridimensionnelle est représenté sur la figure 3(b) montrant un repère x-y-z (direction est-direction nord-profondeur) comprenant un plan P.

Le plan P comprend les axes x’-y’ de la figure 3(a), et les émetteurs-récepteurs 10A, 10B, 10C.

Plus précisément, à partir d’un signal acoustique émis par l’émetteur-récepteur 10A comme source de signal, chaque émetteur-récepteur 10B, 10C (et 10D, 10E non représentés sur la figure 3(b)) identifie et reçoit alors le signal acoustique émis par la source. La différence d’arrivée du signal acoustique entre deux émetteurs-récepteurs respectivement 10B, 10C (et 10D, 10E non représentés sur la figure 3(b)) émis par l’émetteur-récepteur 10A permet de déterminer l’angle entre les deux émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E considérés et l’émetteur-récepteur 10A. La combinaison des angles dans les différents plans (composés de l'émetteur-récepteur 10A comme source et de deux émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E) permet alors de déterminer l’élévation β et l’azimut y de l’émetteur-récepteur 10A du drone sous-marin 2 dans un repère x, y, z adapté et centré sur la station de base 4. La position du drone sous-marin 2 est ainsi déterminée.

En particulier, la distance est déterminée à partir de la connaissance de la célérité du son dans l’eau, sensiblement entre 1450 et 1550 m/s, et de la mesure de la durée mise par l’onde acoustique pour parcourir la distance drone sous-marin 2 - station de base 4. Pour ce faire, les horloges de la station de base 4 et du drone sous-marin 2 sont synchronisées par un procédé, non représenté, par exemple lors de l’arrêt du drone sous-marin 2 dans la station de base 4 entre deux missions. Les horloges sont notamment suffisamment stables pour permettre une localisation par calcul du temps de propagation pendant la mission.

En variante, les horloges sont synchronisées pendant la mission, par échange bidirectionnel de signaux acoustiques permettant de supprimer la dérive d’une horloge et synchroniser des horloges à nouveau. Pour ce faire, le premier ou deuxième signal acoustique comprend une trame acoustique de synchronisation des horloges de la station de base 4 et du drone sous-marin 2.

Avec le principe décrit ci-dessus, la position relative du drone sous-marin 2 par rapport à la station de base 4 peut être déterminée. La position absolue du drone sous-marin 2 est définie lorsque la position absolue de la station de base 4 est connue, qu’elle soit implémentée par un opérateur avant le lancement du drone sous-marin 2 ou communiquée au sein d’un signal transmis.

Le système bidirectionnel de navigation 1 et de communication sous-marine permet d’échanger des informations pendant la mission du drone sous-marin 2 et en particulier pendant l’approche de la station de base 4, comme décrit plus en détail ci-après. Autrement dit, selon la présente invention la navigation du drone sous-marin 2 est optimisée grâce à la mise en œuvre d’un système bidirectionnel de communication entre le drone sous-marin 2 et la station de base 4.

Sur la figure 4, un procédé d’approche de la station de base 4 (« Homing » en anglais) est représenté. Au cours de l’exécution du procédé d’approche de la station de base 4, plusieurs échanges bidirectionnels d’informations entre le drone sous-marin 2 et la station de base 4 sont effectués. Le système bidirectionnel de navigation 1 sous-marine est donc utilisé pour affiner la trajectoire du drone sous-marin 2.

Le procédé comprend successivement une phase de recalage 100, une phase de déclenchement d’approche 110 et une phase d’approche finale 120.

En fin de mission opérationnelle, le drone sous-marin 2 débute son approche en indiquant à la station de base 4 son souhait de s’arrimer lors de son entrée dans la zone prédéterminée autour de la station de base 4 délimitant la portée de communication bidirectionnelle selon l’invention.

Lors de l’étape initiale 130 au début de la phase de recalage 100, le drone sous-marin 2 se déplace, de manière autonome vers une première position de recalage P1 qu’il estime, à tort, être une deuxième position P2 prédéterminée de déclenchement d’approche. La deuxième position P2 est par exemple renseignée avant la mission opérationnelle et stockée dans la mémoire du drone sous-marin 2, ou communiquée pendant la mission. Ayant navigué pendant sa mission grâce à ses propres instruments, sujets à dérive, la position de recalage P1 réelle du drone sous-marin 2 ne correspond pas, en effet, à la deuxième position P2 prédéterminée.

Le drone sous-marin 2 détermine les coordonnées réelles de sa position de recalage P1 actuelle par triangulation des signaux acoustiques émis et reçus par le drone sous-marin 2 et la station de base 4, comme décrit ci-dessus.

Optionnellement, la phase de recalage 100 commence par une étape d’attente, non représentée. Dans l’étape d’attente, non représentée, le drone sous-marin 2 et la station de base 4 se détectent l’un et l’autre avant la triangulation des signaux acoustiques.

Autrement dit, lors du ralliement du drone sous-marin 2 à la position de recalage P1, le drone sous-marin 2 effectue une trajectoire d’attente TA prédéterminée, définie au préalable. En d’autres termes, tant que le drone sous-marin 2 ne reçoit pas de signaux acoustiques émis par la station de base 4, il effectue la trajectoire d’attente TA. La forme de la trajectoire d’attente TA est par exemple un cercle ou une géométrie ovale centrée sur la position de recalage P1. Optionnellement, la trajectoire d'attente TA est réitérée jusqu’à réception par le drone sous-marin 2 d’une information émise au sein d’un signal acoustique par la station de base 4.

Optionnellement, la trajectoire d’attente TA est prédéfinie par des points de cheminement (« waypoints » en anglais) ou des consignes de cap, immersion ou vitesse. A titre d’alternative, la trajectoire d’attente TA est optionnellement une trajectoire contrainte. Par exemple, la trajectoire contrainte comprend des frontières géométriques dont le drone sous-marin 2 ne doit pas sortir. A titre d’exemple, des frontières géométriques sont définies par un rayon de giration ou une forme conique.

Lors de l’étape suivante 140, le drone sous-marin 2, connaissant sa position réelle, détermine une première trajectoire U de déplacement de la position de recalage P1 à la « vraie » deuxième position P2 prédéterminée de déclenchement d’approche.

Lors de l’étape suivante 150, le drone sous-marin 2 se déplace selon la première trajectoire Tj, grâce à son système de manœuvrabilité 30, afin de rallier la deuxième position P2.

Optionnellement, lors du ralliement à la deuxième position P2, le drone sous-marin 2 effectue la trajectoire d’attente TA du type tel que décrit ci-dessus. A l’issue de la phase de recalage (100), la dérive de la position du drone sous-marin 2 est donc annulée.

Lors de l’étape suivante 160, débutant la phase de déclenchement d’approche 110 de la station de base 4, le drone sous-marin 2 reçoit un ordre d’approche au sein du premier signal acoustique émis par la station de base 4.

Lors de l’étape suivante 170, le drone sous-marin 2 détermine une deuxième trajectoire T2 de déplacement de la deuxième position P2 à une troisième position P3 prédéterminée de démarrage d’approche finale. La troisième position P3 de démarrage d’approche finale est de préférence localisée sur l’axe de révolution R du cône du logement 20 de la station de base 4.

Lors de l’étape suivante 180, le drone sous-marin 2 se déplace selon la deuxième trajectoire T2, grâce à son système de manœuvrabilité 30, afin de rallier la troisième position P3. Le déplacement selon la deuxième trajectoire T2 est effectué instantanément ou quasi instantanément après réception 160 de l’ordre d’approche et la détermination 170 de la deuxième trajectoire T2.

Optionnellement, lors du ralliement à la troisième position P3, le drone sous-marin 2 effectue la trajectoire d’attente TA du type tel décrit ci-dessus.

Lors de l’étape suivante 190, débutant la phase d’approche finale 120, le drone sous-marin 2 détermine une troisième trajectoire T3 de déplacement de la troisième position P3 à une position d’arrimage PA dans le logement 20 de la station de base 4.

Une telle trajectoire T3 est optionnellement également prédéfinie par des points de cheminement (« waypoints » en anglais) ou des consignes de cap, immersion ou vitesse. A titre d’alternative, la trajectoire d’attente T3 est optionnellement une trajectoire contrainte correspondant à des frontières géométriques dont le drone sous-marin 2 ne doit pas sortir, par exemple définies par un rayon de giration ou une forme conique, de sorte à aligner l’axe longitudinal drone sous-marin 2 avec l’axe d’arrimage de la station de base 4.

Lors de l’étape finale 200, le drone sous-marin 2 se déplace en suivant sensiblement cette troisième trajectoire T3, jusqu’à l’arrivée à la position d’arrimage PA dans la station de base 4, dans laquelle le drone sous-marin 2 est par exemple maintenu et préparé pour une autre mission. La troisième trajectoire T3 est par exemple sensiblement un segment de droite dont les extrémités sont respectivement la troisième position P3 et la position d'arrimage PA. Une telle trajectoire facilite et sécurise l’arrimage du drone sous-marin 2 à la station de base 4.

Au cours du procédé selon l’invention, un échange continu, quasi continu, ou encore périodique à cadence fixe, de signaux acoustiques entre la station de base 4 et le drone sous-marin 2 est effectué, pour déterminer la position du drone sous-marin 2 et pour l’échange d’informations.

Par exemple, pendant l’étape finale 200, la station de base 4 émet un ordre d’annulation de l’approche de la station de base 4 pour éviter une collision. Le drone sous-marin 2 annule alors l’approche et se déplace par exemple vers la deuxième position P2 où il attendra un nouvel ordre de la station de base. Plus généralement, une telle émission d’ordre d’annulation de l’approche est propre à être émise à tout moment par la station de base 4 dès lorsqu’elle estime ou que l’opérateur qui en a le contrôle estime que cela est nécessaire.

Dans un autre exemple, le drone sous-marin 2 étant équipé d’un système d’évitement d’obstacles, non représenté, désactive ce système d’évitement d’obstacle, pour ne pas détecter la station de base 4 comme obstacle lors de l’étape finale 200. A la fin de l'étape finale 200, l’émission des signaux acoustiques de la station de base 4 et du drone sous-marin 2 est arrêtée. Par le procédé décrit ci-dessus, le drone sous-marin applique donc une stratégie d’approche sécurisée.

Optionnellement, la troisième trajectoire T3 est également utilisée après désarrimage du drone sous-marin 2 de la station de base 4, pour sortir de la station de base 4 avant le début d’une mission opérationnelle. En d’autres termes, la troisième trajectoire T3est également utilisé pour le lancement du drone sous-marin 2 à partir de la station de base 2. A titre d’alternative, lors du désarrimage (i.e. relance) le drone sous-marin 2 ne réalise pas forcément la même trajectoire T3. Par exemple, le drone sous-marin 2 adopte une trajectoire « libre » en toute autonomie, puis sa propulsion est activée (par le drone lui-même ou par un opérateur distant) une fois que le drone sous-marin 2 est suffisamment éloigné, au-delà d’une distance prédéterminée, de la station de base 4.

Par exemple, en l’absence de propulsion activé lors de la relance du drone sous-marin 2, le drone sous-marin 2 est par exemple poussé en dehors de la station de base 4, ce qui lui donne de l’élan, puis si le drone a une flottabilité positive, la remontée du drone sous-marin 2 s’opère tranquillement.

Optionnellement, chaque phase de recalage 100, de déclanchement 110, ou encore d’approche finale 120 est propre à être validée ou arrêtée par un opérateur.

En variante, une autre trajectoire, non représentée, est utilisée pour le lancement du drone sous-marin 2 à partir de la station de base 2.

Sur la figure 5, un exemple du procédé d’approche de la station de base 4 est représenté. A la fin de sa mission opérationnelle, le drone sous-marin 2 s’approche de la position de recalage P1 afin de débuter le procédé d’approche décrit ci-dessus. La trajectoire globale du drone sous-marin 2 dans l’exemple comprend successivement la position de recalage P1, la trajectoire d’attente TA, la première trajectoire Ti, la deuxième position P2, la trajectoire d’attente TA, la deuxième trajectoire T2, la troisième position P3, la troisième trajectoire T3 et la position d’arrimage PA. La trajectoire d’attente TA de la figure 5 est de forme ovale à proximité de la position de recalage P1 ou de la deuxième position P2 respectivement.

La distance entre la troisième position P3 et la station de base 4 dépend de la taille et des capacités du drone sous-marin 2. La distance entre la position de recalage P1 et la station de base 4 est par exemple sensiblement égale à 2 km ce qui correspond à la portée du système bidirectionnel selon l’invention et la distance entre la troisième position P3 et la station de base 4 est sensiblement égale à 500 m.

Avantageusement, dans l’exemple de la figure 5, la troisième position P3 est localisée sur l’axe de rotation R du cône pour permettre l’arrimage du drone sous-marin 2 dans le logement 20 correspondant à la forme du drone sous-marin 2. En variante, non représentée, le logement comprend une ouverture plus large que les dimensions du drone sous-marin, permettant l’arrimage du drone sous-marin alors que la troisième position P3 n’est pas localisée sur l’axe de rotation R, mais localisée, à l’extérieur du logement, dans un volume prolongeant le cône du logement (non représenté).

On conçoit qu’avec un tel procédé d’approche de la station de base 4 dans le système bidirectionnel de navigation 1 sous-marine, la sécurité de navigation du drone est optimisée de sorte à protéger le drone sous-marin 2, comme la station de base 4, d’une avarie lors de l’approche et l’arrimage du drone sous-marin 2 à la station de base 4.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé d’approche d’une station de base (4) mis en œuvre par un drone sous-marin (2) autonome, propre à se déplacer par rapport à la station de base (4), le procédé comprenant au moins les trois phases (100, 110, 120) successives suivantes mises en œuvre par le drone sous-marin (2): - une phase de recalage (100), dans laquelle le drone sous-marin (2), localisé à une première position de recalage (P1) : o détermine (130) des coordonnées réelles de la position de recalage (P1) par rapport à la position de la station de base (4), et détermine (140) une première trajectoire fTj) de déplacement de la position de recalage (P1 ) à une deuxième position (P2) prédéterminée de déclenchement d’approche, et o se déplace (150) selon ladite première trajectoire (Tfl, - une phase de déclenchement (110) d’approche de la station de base (4), dans laquelle le drone sous-marin (2), localisé à la deuxième position (P2): o reçoit (160) un ordre d’approche émis par la station de base (4), o détermine (170) une deuxième trajectoire (T2) de déplacement de la deuxième position (P2) à une troisième position (P3) prédéterminée de démarrage d’approche finale, et o se déplace (180) selon ladite deuxième trajectoire (T2), - une phase d’approche finale (120), dans laquelle le drone sous-marin (2), localisé à la troisième position (P3), détermine (190) une troisième trajectoire (T3) de déplacement de la troisième position (P3) à une position d’arrimage (PA) à la station de base (4), et se déplace (200) en suivant sensiblement cette troisième trajectoire (T3).
2. 2. Procédé d’approche d’une station de base (4) selon la revendication 1, dans lequel la troisième trajectoire (T3) est également utilisée après désarrimage du drone sous-marin (2) de la station de base (4).
3. 3. Procédé d’approche d’une station de base (4) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la troisième trajectoire (T3) est un segment de droite dont les extrémités sont respectivement la troisième position (P3) et la position d’arrimage (PA).
4. 4. Procédé d’approche d’une station de base (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la station de base (4) comprend un logement (20) conique d’accueil de drone sous-marin (2), et dans lequel la troisième position (P3) de démarrage d’approche finale est localisée, à l’extérieur, et sur l’axe de révolution (R), du logement (20) conique d’accueil de drone sous-marin (2).
5. 5. Procédé d’approche d’une station de base (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la position de recalage (P1) est préalablement estimée par des instruments de navigation du drone sous-marin (2).
6. 6. Procédé d’approche d’une station de base (4) selon la revendication 1, comprenant, lors de son exécution, au moins un échange bidirectionnel d’information(s) entre le drone sous-marin (2) et la station de base (4).
7. 7. Procédé d’approche d’une station de base (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors d’un ralliement du drone sous-marin (2) à au moins l’une des positions du groupe de positions comprenant la position de recalage (P1), la deuxième position (P2) ou la troisième position (P3), le drone sous-marin (2) effectue une trajectoire d’attente (TA) prédéterminée.
8. 8. Procédé d’approche d’une station de base (4) selon la revendication 7, dans lequel la trajectoire d’attente (TA) est réitérée jusqu’à réception par le drone sous-marin (2) d’une information émise au sein d’un signal acoustique par la station de base (4).
9. 9. Programme d’ordinateur comprenant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un procédé d’approche selon l’une quelconque des revendications précédentes.
10. 10. Drone sous-marin (2), propre à se déplacer par rapport à une station de base (4), le drone sous-marin (2) comprenant : - un module de recalage, configuré pour, lorsque le drone sous-marin (2) est localisé à une première position de recalage (P1), déterminer des coordonnées réelles de la position de recalage (P1) par rapport à la position de la station de base (4), et une première trajectoire (T-ι) de déplacement de la position de recalage (P1) à une deuxième position (P2) prédéterminée de déclenchement d’approche, et - un module de manœuvrabilité (30) configuré pour déplacer le drone sous-marin (2) selon ladite première trajectoire (Tj), - un module de déclenchement d’approche de la station de base (4), configuré pour, lorsque le drone sous-marin (2) est localisé à la deuxième position (P2): o recevoir un ordre d’approche émis par la station de base (4), o déterminer une deuxième trajectoire (T2) de déplacement de la deuxième position (P2) à une troisième position (P3) prédéterminée de démarrage d’approche finale, - le module de manœuvrabilité (30) étant en outre configuré pour déplacer le drone sous-marin (2) selon ladite deuxième trajectoire (T2), - un module d’approche finale configuré pour, lorsque le drone sous-marin (2) est localisé à la troisième position (P3), déterminer une troisième trajectoire (T3) de déplacement de la troisième position (P3) à une position d’arrimage (PA) à la station de base (4), - le module de manœuvrabilité (30) étant en outre configuré pour déplacer le drone sous-marin (2) sensiblement selon ladite troisième trajectoire (T3).