FR3100895A1 - Swarm drone automatic positioning method and system - Google Patents
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Abstract
Procédé et système de positionnement automatique de drones en essaim La présente invention concerne un procédé de positionnement automatique d’une pluralité de drones (10) évoluant en essaim (100), chaque drone comportant un capteur inertiel (22), un module de localisation (23) pour système de positionnement par satellites, un capteur d’altitude (27, 28), un capteur d’image (26), un module de communication (24) ultra-large bande (UWB) et un calculateur central (25), ledit procédé comprenant pour chaque drone : une étape (500) de mesure de la position et de l’attitude du drone par les différents capteurs et par le module de localisation ; une étape (600) de mesure de distances au moyen du module de communication (24), comme cible, et de modules radiofréquence fixes (200), comme ancres ; une étape (700) de fusion des données issues de tout ou partie des capteurs du drone avec les mesures de distance obtenues à l’étape précédente, dans le calculateur central ; une étape (800) d’estimation de l’état dudit drone. figure pour l’abrégé : figure 1The present invention relates to a method of automatic positioning of a plurality of drones (10) evolving in a swarm (100), each drone comprising an inertial sensor (22), a location module ( 23) for satellite positioning system, an altitude sensor (27, 28), an image sensor (26), an ultra-wideband (UWB) communication module (24) and a central computer (25) , said method comprising for each drone: a step (500) of measuring the position and attitude of the drone by the various sensors and by the location module; a step (600) of measuring distances by means of the communication module (24), as target, and of fixed radiofrequency modules (200), as anchors; a step (700) of merging data from all or part of the drone's sensors with the distance measurements obtained in the previous step, in the central computer; a step (800) of estimating the state of said drone. figure for the abstract: figure 1
Description
La présente invention appartient au domaine général des drones aériens, notamment du contrôle d’un essaim de drones, et concerne plus particulièrement un procédé et un système de positionnement automatique de drones évoluant en essaim, par exemple, lors d’un spectacle aérien (compositions artistiques, chorégraphies, etc.).The present invention belongs to the general field of aerial drones, in particular the control of a swarm of drones, and relates more particularly to a method and a system for the automatic positioning of drones evolving in a swarm, for example, during an air show (compositions artistic, choreographic, etc.).
L’invention a également trait à ce qu’il est commun d’appeler la robotique en essaim, dès lors qu’elle concerne un système complexe à plusieurs robots (drones) relativement simples.The invention also relates to what is commonly called swarm robotics, since it concerns a complex system with several relatively simple robots (drones).
Etat de la techniqueState of the art
Les véhicules aériens sans pilote (UAV), communément appelés drones aériens ou simplement drones, sont largement répandus de par leur usage civil, en particulier en tant qu’objets de divertissement et de loisir.Unmanned aerial vehicles (UAVs), commonly known as aerial drones or simply drones, are widely used in civilian use, especially as entertainment and leisure items.
Si la prise de vue aérienne, photo et vidéo, reste un des principaux domaines d’application de la filière drone civil, de nouvelles applications voient le jour, comme les spectacles de drones, pour ne citer que cette application en lien direct avec la présente invention.While aerial, photo and video shooting remains one of the main fields of application of the civil drone sector, new applications are emerging, such as drone shows, to name only this application directly linked to this invention.
Un spectacle de drones consiste à faire voler un essaim de drones en vue d’accomplir des démonstrations artistiques telles que des chorégraphies, des compositions aériennes animées et autres. Ce type de divertissement connait un intérêt grandissant en raison de l’accessibilité des drones, et surtout, des possibilités qu’il offre, laissant libre cours à la créativité et à l’imagination de chaque utilisateur. Récemment, des spectacles nocturnes de drones lumineux ont remplacé des attractions traditionnelles comme les feux d’artifice, avec une empreinte environnementale bien moindre.A drone show consists of flying a swarm of drones in order to perform artistic demonstrations such as choreography, animated aerial compositions and others. This type of entertainment is experiencing growing interest due to the accessibility of drones, and above all, the possibilities it offers, giving free rein to the creativity and imagination of each user. Recently, nighttime light-up drone shows have replaced traditional attractions like fireworks, with a much smaller environmental footprint.
Les acteurs du secteur des spectacles de drones dans le monde n’ont de cesse de chercher à optimiser la commande des drones en essaim en vue de réaliser des figures aériennes de plus en plus complexes et maitrisées.Actors in the drone show sector around the world are constantly seeking to optimize the control of swarm drones in order to perform increasingly complex and controlled aerial figures.
L’optimisation de la commande nécessite des solutions de positionnement robustes en termes de stabilité et de performance.Control optimization requires robust positioning solutions in terms of stability and performance.
Une solution de positionnement, connue sous le nom de « tapis magique », est décrite dans le document FR 1350054. Cette solution n’est cependant pas suffisante pour assurer le positionnement des drones en extérieur ou lorsque les conditions de visibilité des caméras embarquées se dégradent, à cause de l’altitude ou des conditions météorologiques par exemple.A positioning solution, known as a "magic carpet", is described in document FR 1350054. This solution is however not sufficient to ensure the positioning of drones outdoors or when the visibility conditions of the on-board cameras deteriorate. , because of the altitude or weather conditions for example.
Connaitre la position des drones dans leur environnement est une question importante, voire cruciale, dans le cadre des spectacles de drones qui nécessite une coordination réglée au centimètre près. En environnement intérieur, certaines approches utilisent des signaux optiques tels que l'infrarouge, le laser ou le suivi vidéo (comme le système Vicon). Ces solutions restent assez coûteuses et complexes d’installation. Sous ces contraintes, la localisation basée sur les signaux radio présente la meilleure alternative. Ces dernières années, de nombreux standards radio pour la localisation ont été testés comme le WiFi, le Bluetooth ou le ZigBee. Ces derniers fournissent une information de localisation en se basant sur la force du signal reçu. Les performances sont souvent décevantes en raison du manque de précision (environ 2,5 mètres) et se détériorent encore plus lorsque le mobile est en mouvement, n'est pas en ligne de vue ou s'il y a des trajets multiples (murs, objets).Knowing the position of drones in their environment is an important, even crucial, question in the context of drone shows, which requires coordination to the nearest centimeter. In the indoor environment, some approaches use optical signals such as infrared, laser or video tracking (such as the Vicon system). These solutions remain quite expensive and complex to install. Under these constraints, localization based on radio signals presents the best alternative. In recent years, many radio standards for localization have been tested such as WiFi, Bluetooth or ZigBee. These provide location information based on the strength of the received signal. Performance is often disappointing due to the lack of precision (about 2.5 meters) and deteriorates even more when the mobile is in motion, not in line of sight or if there are multipaths (walls, objects).
Le système de positionnement le plus répandu est le positionnement par satellite, ou GPS dans sa version américaine. Il est couramment utilisé dans des applications pour le positionnement extérieur, et notamment dans la navigation de drones. Néanmoins, ce système n’est pas opérationnel dans les environnements intérieurs, pour plusieurs raisons : d’une part, la précision du GPS standard est de l’ordre de 3 à 15 mètres, et d’autre part il y a une forte atténuation du signal à l’intérieur des bâtiments, ce qui rend ce système inapproprié pour un environnement intérieur dans la plupart des cas.The most widespread positioning system is satellite positioning, or GPS in its American version. It is commonly used in applications for outdoor positioning, and in particular in the navigation of drones. Nevertheless, this system is not operational in indoor environments, for several reasons: on the one hand, the precision of standard GPS is of the order of 3 to 15 meters, and on the other hand there is a strong attenuation of the signal inside buildings, making this system unsuitable for an indoor environment in most cases.
De façon générale, on présente ci-dessous quelques solutions dans le domaine des spectacles de drones et plus généralement du vol en essaim.In general, we present below some solutions in the field of drone shows and more generally of swarm flight.
Le document CN108170159 décrit un procédé de changement de position pour des drones formant un motif aérien, dans lequel chaque drone suit une séquence précise.The document CN108170159 describes a method of changing position for drones forming an aerial pattern, in which each drone follows a precise sequence.
Le document US2018136646 concerne des systèmes et des procédés permettant de générer une séquence de morphing pour un spectacle aérien. Les systèmes et les procédés peuvent comprendre : la réception, sur un dispositif informatique comprenant un processeur, de premières données de trame définissant un premier emplacement pour chaque drone de l’essaim dans une première image du spectacle aérien ; la réception, sur le dispositif informatique, des secondes données de trame définissant un second emplacement pour chaque drone dans une seconde image du spectacle aérien ; et la génération de la séquence de morphing, définissant un trajet de vol pour chaque drone afin de passer du premier emplacement associé à la première image au second emplacement associé à la seconde image.US2018136646 relates to systems and methods for generating a morph sequence for an airshow. The systems and methods may include: receiving, at a computing device including a processor, first frame data defining a first location for each drone in the swarm in a first image of the airshow; receiving, at the computing device, second frame data defining a second location for each drone in a second image of the air show; and generating the morph sequence, defining a flight path for each drone to move from the first location associated with the first image to the second location associated with the second image.
Le document US10114384 décrit un procédé de mise en œuvre d'une coordination de trajectoire de vol en formation pour un groupe évolutif de drones comprenant une architecture récursive avec un drone leader et une pluralité de drones suiveurs en communication avec le drone leader.Document US10114384 describes a method for implementing formation flight path coordination for an evolving group of drones comprising a recursive architecture with a leader drone and a plurality of follower drones in communication with the leader drone.
Le document CN108153327 décrit un système de performance d'éclairage de formation en extérieur pour drone quadrirotor et un procédé de commande correspondant. La configuration matérielle du drone, les tests de contrôle, la compilation de l’ordinateur hôte et la conception des liaisons de communication sont inclus, et l’un des principaux objectifs est d’effectuer des performances de lumière avec les drones.CN108153327 discloses a quadcopter drone outdoor training lighting performance system and a corresponding control method. Drone hardware setup, control testing, host computer compilation, and communication link design are included, and one of the main goals is to perform light performance with the drones.
Enfin le document WO2018134284 se rapporte à un système permettant de fournir une présentation aérienne visuelle, et qui comprend une station de commande au sol et au moins deux drones, chaque drone comportant un corps, un afficheur intégré et une unité de commande conçue pour déplacer le drone selon des informations de position.Finally, the document WO2018134284 relates to a system making it possible to provide a visual aerial presentation, and which comprises a ground control station and at least two drones, each drone comprising a body, an integrated display and a control unit designed to move the drone according to position information.
Présentation de l’inventionPresentation of the invention
La présente invention vise à pallier les inconvénients de l’état de la technique, notamment les limites des systèmes et des procédés de positionnement des drones lorsqu’il s’agit de faire voler un essaim de drones.The present invention aims to overcome the drawbacks of the state of the art, in particular the limits of systems and methods for positioning drones when it comes to flying a swarm of drones.
À cet effet, la présente invention concerne un procédé de positionnement automatique d’une pluralité de drones évoluant en essaim, chaque drone comportant un capteur inertiel, un module de localisation pour système de positionnement par satellites, un capteur d’altitude, un capteur d’image, un module de communication ultra-large bande (UWB) et un calculateur central, ledit procédé comprenant pour chaque drone :
- une étape de mesure de la position et de l’attitude du drone par les différents capteurs et par le module de localisation ;
- une étape de mesure de distances au moyen du module de communication et d’antennes UWB fixes, permettant une détermination de la position du drone ;
- une étape de fusion des données issues de tout ou partie des capteurs du drone avec les mesures de distances et de position obtenues à l’étape précédente, dans le calculateur central ; et
- une étape d’estimation de l’état dudit drone.To this end, the present invention relates to a method for automatically positioning a plurality of drones moving in a swarm, each drone comprising an inertial sensor, a location module for a satellite positioning system, an altitude sensor, a image, an ultra-wideband (UWB) communication module and a central computer, said method comprising for each drone:
- a step of measuring the position and the attitude of the drone by the various sensors and by the localization module;
- a step of measuring distances by means of the communication module and fixed UWB antennas, allowing the position of the drone to be determined;
- a step of merging the data from all or part of the sensors of the drone with the distance and position measurements obtained in the previous step, in the central computer; And
- a step of estimating the state of said drone.
Selon un mode de réalisation, le capteur inertiel comprend une unité de mesure inertielle (IMU), le module de localisation comprend un récepteur GPS, le capteur d’altitude comprend un capteur de pression barométrique et/ou un capteur à ultrasons, et le capteur d’image est une caméra à visée verticale, dite caméra ventrale.According to one embodiment, the inertial sensor comprises an inertial measurement unit (IMU), the location module comprises a GPS receiver, the altitude sensor comprises a barometric pressure sensor and/or an ultrasonic sensor, and the sensor image is a camera with a vertical view, called a ventral camera.
Plus particulièrement, l’étape de mesure de distances par la communication UWB est réalisée avec une technique Time Difference of Arrival (TDoA), par calcul direct du temps de propagation du signal entre le module de communication UWB et les antennes fixes UWB avec ou sans synchronisation dudit module avec lesdites antennes, de préférence avec synchronisation.More particularly, the step of measuring distances by UWB communication is carried out with a Time Difference of Arrival (TDoA) technique, by direct calculation of the propagation time of the signal between the UWB communication module and the UWB fixed antennas with or without synchronization of said module with said antennas, preferably with synchronization.
Une autre technique Two Way Ranging (TWR) peut également être utilisée pour la mesure de distances.Another Two Way Ranging (TWR) technique can also be used for measuring distances.
Avantageusement, l’étape de fusion des données des capteurs avec les données de la communication UWB comprend :
- une étape de calcul des variables cinématiques du drone à partir des mesures du capteur inertiel et d’un modèle dynamique implémenté dans le calculateur central ;
- une étape d’intégration des données de l’étape précédente et de l’étape de mesure de distances UWB dans un filtre de Kalman ; et
- une étape d’estimation par le filtre de Kalman de l’état du drone.Advantageously, the step of merging sensor data with UWB communication data includes:
- a step of calculating the kinematic variables of the drone from the measurements of the inertial sensor and a dynamic model implemented in the central computer;
- a step of integrating data from the previous step and from the UWB distance measurement step in a Kalman filter; And
- a step of estimation by the Kalman filter of the state of the drone.
L’étape d’intégration des données dans le filtre de Kalman comprend principalement une étape de prédiction et une étape de mise à jour.The data integration step in the Kalman filter mainly includes a prediction step and an update step.
Selon un mode de réalisation, le procédé de positionnement comprend en outre au moins un test d’innovation entre l’étape de prédiction et l’étape de mise à jour.According to one embodiment, the positioning method further comprises at least one innovation test between the prediction step and the update step.
De façon avantageuse, le capteur d’image est apte à fournir des mesures de vitesse du drone, par une technique de flux optique, et des mesures de position et d’attitude du drone, par une technique de détection de cibles au sol.Advantageously, the image sensor is able to provide speed measurements of the drone, by an optical flow technique, and position and attitude measurements of the drone, by a ground target detection technique.
Plus particulièrement, chaque drone de l’essaim est équipé d’au moins un module de diode électroluminescente (LED), dont l’intensité lumineuse est réglable.More specifically, each drone in the swarm is equipped with at least one light-emitting diode (LED) module, the light intensity of which is adjustable.
Selon un mode de réalisation, chaque drone de l’essaim comporte en outre un magnétomètre en plus des capteurs précités.According to one embodiment, each drone of the swarm further comprises a magnetometer in addition to the aforementioned sensors.
L’invention porte également sur un système de positionnement automatique d’une pluralité de drones évoluant en essaim, pour la mise en œuvre du procédé de positionnement tel que présenté, ce système comporte la pluralité de drones et des antennes UWB fixes, chaque drone comportant un module de communication ultra-large bande (UWB).The invention also relates to a system for the automatic positioning of a plurality of drones evolving in a swarm, for the implementation of the positioning method as presented, this system comprises the plurality of drones and fixed UWB antennas, each drone comprising an ultra-wideband (UWB) communication module.
Les concepts fondamentaux de l’invention venant d’être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d’autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d’exemple non limitatif un mode de réalisation d’un procédé et d’un système de positionnement de drones en essaim conformes aux principes de l’invention.The fundamental concepts of the invention having just been explained above in their most elementary form, other details and characteristics will emerge more clearly on reading the description which follows and with regard to the appended drawings, giving by way of illustration non-limiting example an embodiment of a method and a system for positioning swarm drones in accordance with the principles of the invention.
Présentation des dessinsPresentation of drawings
Les figures ainsi que les éléments d’une même figure ne sont pas nécessairement à la même échelle. Sur l’ensemble des figures, les éléments identiques portent la même référence numérique.The figures and the elements of the same figure are not necessarily to the same scale. In all the figures, identical elements bear the same reference numeral.
Il est ainsi illustré en :It is thus illustrated in:
Description détaillée de modes de réalisationDetailed description of embodiments
Dans le mode de réalisation décrit ci-après, on fait référence à un système de positionnement automatique d’un essaim de drones et à son procédé de mise en œuvre, destinés principalement à une application dans le domaine des spectacles de drones. Cet exemple non limitatif est donné pour une meilleure compréhension de l’invention et n’exclut pas l’utilisation du système et du procédé pour, par exemple, commander un essaim de drones effectuant une inspection coordonnée d’une structure (avion, pales d’éolienne, etc.), d’un site industriel ou autres.In the embodiment described below, reference is made to a system for the automatic positioning of a swarm of drones and to its method of implementation, intended primarily for application in the field of drone shows. This non-limiting example is given for a better understanding of the invention and does not exclude the use of the system and the method for, for example, controlling a swarm of drones carrying out a coordinated inspection of a structure (aircraft, blades of turbine, etc.), an industrial site or other.
Dans la suite de la description, les termes « drone » et « essaim » désignent par extension, respectivement, un drone aérien, ou véhicule aérien sans pilote (UAV), et un groupe de drones volant simultanément et de façon coordonnée.In the rest of the description, the terms "drone" and "swarm" designate by extension, respectively, an aerial drone, or unmanned aerial vehicle (UAV), and a group of drones flying simultaneously and in a coordinated manner.
La figure 1 représente schématiquement un essaim 100 de drones 10 formant un motif géométrique particulier lors d’une démonstration aérienne. Selon le cas, l’essaim 100 peut compter plusieurs centaines voire quelques milliers de drones 10 évoluant dans des volumes réduits pour produire une grande variété de figures artistiques.Figure 1 schematically represents a swarm 100 of drones 10 forming a particular geometric pattern during an aerial demonstration. Depending on the case, the swarm 100 can count several hundred or even a few thousand drones 10 evolving in reduced volumes to produce a wide variety of artistic figures.
Le système de positionnement de l’invention permet de faire voler un très grand nombre de drones de façon rapprochée avec un risque de collisions moindre. Différents drones peuvent être utilisés. Toutefois, il est préférable d’utiliser des drones de petite taille, voire des micro-drones, en raison de leur faible masse, de leur grande maniabilité et de l’agrément esthétique qu’ils offrent lorsqu’ils composent un motif, autrement dit, plus les drones sont petits plus les motifs formés paraissent « lisses » et uniformes lors d’un spectacle aérien.The positioning system of the invention makes it possible to fly a very large number of drones in close proximity with a lower risk of collisions. Different drones can be used. However, it is preferable to use small drones, or even micro drones, because of their low mass, their high maneuverability and the aesthetic pleasure they offer when composing a pattern, in other words , the smaller the drones the more "smooth" and uniform the formed patterns appear during an airshow.
Par exemple, peuvent être utilisés des drones civils à voilure tournante, de préférence quadrirotor tels queParrot Bebop Drone(marque déposée) de la société PARROT SA.For example, civilian rotary-wing drones, preferably quadrirotor such as Parrot Bebop Drone (registered trademark) from the company PARROT SA, can be used.
Pour les besoins de l’invention et des spectacles de drones, lesquels sont souvent nocturnes et nécessitent des dispositifs lumineux, les drones se trouvant dans le commerce peuvent aisément être modifiés fonctionnellement par l’intégration de nouveaux composants comme décrit ci-après.For the purposes of the invention and drone shows, which are often nocturnal and require light devices, commercially available drones can easily be functionally modified by integrating new components as described below.
Les drones 10 utilisés, selon l’exemple de réalisation des figures 2a et 2b, sont de type quadricoptère et comportent, chacun, un corps 20 et quatre moteurs à hélice 30 coplanaires reliés au corps par des bras 40.The drones 10 used, according to the embodiment of FIGS. 2a and 2b, are of the quadricopter type and each comprise a body 20 and four coplanar propeller motors 30 connected to the body by arms 40.
Le corps 20 présente une forme allongée, et est équipé de deux modules de diodes électroluminescentes (LED) 21a et 21b à ses deux extrémités. Ces LED permettent aux drones 10 de s’illuminer pour réaliser des figures artistiques lors d’un spectacle nocturne en extérieur ou dans un environnement faiblement éclairé, l’intensité lumineuse des LED pouvant être réglée en fonction de la luminosité du milieu.The body 20 has an elongated shape, and is equipped with two light-emitting diode (LED) modules 21a and 21b at its two ends. These LEDs allow 10 drones to light up to perform artistic tricks in an outdoor night show or in a dimly lit environment, the LED light intensity can be adjusted according to the brightness of the environment.
Chaque LED drone est connectée à un module de contrôle qui permet de régler son intensité lumineuse ainsi que sa séquence d’allumage en fonction des consignes reçues.Each drone LED is connected to a control module that allows you to adjust its light intensity as well as its ignition sequence according to the instructions received.
Le corps 20 permet en outre d’embarquer les composants électroniques (avionique, alimentation, etc.) nécessaires au vol autonome du drone 10.The body 20 also makes it possible to embark the electronic components (avionics, power supply, etc.) necessary for the autonomous flight of the drone 10.
En référence à la figure 3, chaque drone 10 comporte principalement un capteur de mouvement 22, un module de géolocalisation 23 pour système de positionnement par satellites, un module de communication 24, un calculateur central 25, un capteur d’image 26 et une batterie électrique 29.Referring to Figure 3, each drone 10 mainly comprises a motion sensor 22, a geolocation module 23 for satellite positioning system, a communication module 24, a central computer 25, an image sensor 26 and a battery electric 29.
Le capteur de mouvement 22 est un capteur inertiel sous forme d’une centrale inertielle miniature de type unité de mesure inertielle, connue par son acronyme anglosaxon IMU (pourInertial Measurement Unit). En effet, une unité de mesure inertielle est constituée d’une association de capteurs, dits proprioceptifs, mesurant directement les mouvements du mobile sur lequel ladite unité est fixée, ici le drone 10. De tels capteurs sont des accéléromètres et des gyromètres. Pour des raisons de miniaturisation, ces capteurs sont par exemple conçus selon la technologie des microsystèmes électromécaniques (MEMS).The motion sensor 22 is an inertial sensor in the form of a miniature inertial unit of the inertial measurement unit type, known by its English acronym IMU (for Inertial Measurement Unit ). Indeed, an inertial measurement unit consists of an association of so-called proprioceptive sensors, directly measuring the movements of the mobile on which said unit is fixed, here the drone 10. Such sensors are accelerometers and gyrometers. For reasons of miniaturization, these sensors are for example designed using microelectromechanical systems (MEMS) technology.
L’IMU comporte un accéléromètre, dit 3 axes, mesurant les accélérations selon trois axes d’un repère inertiel de mesure représenté sur la figure 1 (repère North East Down (NED) par exemple), et un gyromètre, dit 3 axes, mesurant les vitesses de rotations autour des trois axes d’un repère local lié au drone. Les mesures du gyromètre ne sont affectées que par l’évolution de l’orientation par rapport au repère inertiel, alors que les mesures de l’accéléromètre sont affectées par l’orientation, par les vitesses de rotation et par la position et son évolution. L’IMU est munie d’un calculateur intégré sous forme de microcontrôleur, de type 32 bits, opérant une intégration des vitesses angulaires pour obtenir les angles d’attitude (roulis, tangage et lacet), et des intégrations successives des accélérations pour obtenir les composantes du vecteur vitesse linéaire ainsi que la position. L’IMU peut éventuellement comporter un gyroscope pour mesurer directement la position angulaire (ou orientation) du drone.The IMU comprises a so-called 3-axis accelerometer, measuring the accelerations along three axes of an inertial measurement frame represented in FIG. 1 (North East Down (NED) frame for example), and a so-called 3-axis gyrometer, measuring the rotation speeds around the three axes of a local frame linked to the drone. The gyrometer measurements are affected only by the evolution of the orientation with respect to the inertial frame, whereas the accelerometer measurements are affected by the orientation, by the speeds of rotation and by the position and its evolution. The IMU is equipped with an integrated computer in the form of a microcontroller, of the 32-bit type, operating an integration of the angular speeds to obtain the angles of attitude (roll, pitch and yaw), and successive integrations of the accelerations to obtain the components of the linear velocity vector as well as the position. The IMU may optionally include a gyroscope to directly measure the angular position (or orientation) of the drone.
L’IMU est ainsi capable d’estimer l’attitude et la position du drone 10 en vue de permettre une navigation à l’estime (oudead reckoning) et un asservissement du drone en attitude assurant sa stabilité en vol.The IMU is thus capable of estimating the attitude and the position of the drone 10 with a view to allowing dead reckoning (or dead reckoning ) navigation and servo-control of the drone in attitude ensuring its stability in flight.
Le drone 10 peut en outre comporter un magnétomètre, indépendant ou intégré à l’IMU, qui permet de déterminer l’orientation absolue du drone dans le repère terrestre par comparaison au nord magnétique, ainsi qu’un capteur de pression barométrique 27, tous deux sous forme de MEMS.The drone 10 can also comprise a magnetometer, independent or integrated into the IMU, which makes it possible to determine the absolute orientation of the drone in the terrestrial reference by comparison with the magnetic north, as well as a barometric pressure sensor 27, both in the form of MEMS.
Le capteur de pression barométrique 27 sert à mesurer la pression atmosphérique, et de ce fait, à déterminer l’altitude du drone selon la formule bien connue du nivellement barométrique. De préférence, ce capteur est fixé contre un bloc en mousse en raison de sa sensibilité aux surpressions dues au vent.The barometric pressure sensor 27 is used to measure the atmospheric pressure, and therefore to determine the altitude of the drone according to the well-known barometric leveling formula. Preferably, this sensor is fixed against a block of foam because of its sensitivity to overpressures due to the wind.
Pour une mesure plus précise son altitude, et notamment dans le cas des vols proches du sol, le drone 10 est équipé d’un capteur à ultrasons 28 dirigé vers le sol et agissant comme altimètre. Le drone peut également comporter un altimètre laser pour une précision encore plus grande.For a more precise measurement of its altitude, and in particular in the case of flights close to the ground, the drone 10 is equipped with an ultrasonic sensor 28 directed towards the ground and acting as an altimeter. The drone can also feature a laser altimeter for even greater accuracy.
Le capteur de pression barométrique 27 et le capteur à ultrasons 28 peuvent fonctionner de manière complémentaire. Par exemple, lorsque l’altitude du drone dépasse la portée du capteur à ultrasons, la mesure de cette altitude est assurée par le capteur de pression barométrique, inversement, lorsque le drone est proche du sol, le capteur à ultrasons est privilégié.The barometric pressure sensor 27 and the ultrasonic sensor 28 can operate in a complementary manner. For example, when the altitude of the drone exceeds the range of the ultrasonic sensor, the measurement of this altitude is ensured by the barometric pressure sensor, conversely, when the drone is close to the ground, the ultrasonic sensor is preferred.
Le module de géolocalisation 23 pour système de positionnement par satellites est de type GPS et comprend essentiellement un récepteur GPS. Ce module permet au drone 10 d’opérer des vols automatiques géolocalisés, surtout en extérieur pour des raisons évidentes de qualité du signal.The geolocation module 23 for the satellite positioning system is of the GPS type and essentially comprises a GPS receiver. This module allows the drone 10 to operate geolocated automatic flights, especially outdoors for obvious signal quality reasons.
Dans un mode de réalisation particulier, la technologie de la cinématique temps réel RTK (pourReal Time Kinematic) est implémentée dans le module GPS du drone 10.In a particular embodiment, the real-time kinematics technology RTK (for Real Time Kinematic ) is implemented in the GPS module of the drone 10.
Les capteurs précités, à savoir l’unité de mesure inertielle 22 (IMU), le capteur de pression barométrique 27, le capteur à ultrasons 28, le module de géolocalisation 23 (GPS) et, éventuellement, le magnétomètre, permettent ainsi un positionnement du drone 10 en extérieur grâce aux mesures d’orientation, de vitesses et de position horizontale. Toutefois, le module GPS et le magnétomètre ne peuvent pas fonctionner convenablement en intérieur, en particulier à cause d’une précision insuffisante et de phénomènes de perturbation des ondes. De ce fait, le drone 10 utilise donc le capteur d’image 26 en intérieur pour compenser les mesures manquantes du module GPS et du magnétomètre.The aforementioned sensors, namely the inertial measurement unit 22 (IMU), the barometric pressure sensor 27, the ultrasonic sensor 28, the geolocation module 23 (GPS) and, possibly, the magnetometer, thus allow positioning of the drone 10 outdoors thanks to orientation, speed and horizontal position measurements. However, the GPS module and the magnetometer cannot function properly indoors, in particular due to insufficient precision and wave disturbance phenomena. Therefore, the drone 10 therefore uses the image sensor 26 indoors to compensate for the missing measurements of the GPS module and the magnetometer.
Le capteur d’image 26 est une caméra placée sous le drone 10, qu’on appellera caméra ventrale.The image sensor 26 is a camera placed under the drone 10, which will be called the ventral camera.
La caméra ventrale 26 est caractérisée par ses angles de champ, vertical et horizontal, et est utilisée en combinaison avec des capteurs d’altitude précis (ultrasons ou laser) pour fournir des mesures de vitesse et de position du drone.The ventral camera 26 is characterized by its field angles, vertical and horizontal, and is used in combination with precise altitude sensors (ultrasound or laser) to provide speed and position measurements of the drone.
La caméra ventrale 26, grâce à la technique du flux optique (ou du défilement visuel), permet une estimation de la vitesse de rotation de ladite caméra autour de son axe, laquelle vitesse correspond à un changement d’orientation du drone ou à une vitesse de lacet, ainsi qu’une estimation de la vitesse horizontale du drone.The ventral camera 26, thanks to the technique of optical flow (or visual scrolling), allows an estimation of the speed of rotation of said camera around its axis, which speed corresponds to a change in orientation of the drone or to a speed yaw, as well as an estimate of the horizontal speed of the drone.
Avantageusement, la technique du flux optique peut être utilisée pour asservir le drone en vitesse horizontale dans le cas d’un vol stationnaire en intérieur en l’absence de perturbations extérieures.Advantageously, the optical flow technique can be used to control the drone in horizontal speed in the case of indoor hovering in the absence of external disturbances.
La caméra ventrale 26 est également utilisée pour déterminer la position du drone 10 grâce à une détection de cibles au sol telles que les cibles « ArUco » ou le « tapis magique ». Le principe du tapis magique est décrit dans la demande de brevet FR1350054 au nom de la société française PARROT SA.The belly camera 26 is also used to determine the position of the drone 10 through detection of targets on the ground such as the "ArUco" targets or the "magic carpet". The principle of the magic carpet is described in patent application FR1350054 in the name of the French company PARROT SA.
Ainsi, l’utilisation de la caméra ventrale 26 permet d’obtenir des mesures de la vitesse, par flux optique, de la position et de l’orientation du drone 10 en intérieur, par détection de cibles (ArUco ou tapis magique).Thus, the use of the ventral camera 26 makes it possible to obtain measurements of the speed, by optical flow, of the position and of the orientation of the drone 10 indoors, by target detection (ArUco or magic carpet).
Selon un aspect avantageux de l’invention, le drone 10 est positionné grâce à une fusion des données des capteurs de mouvement et de position et des données de communication.According to an advantageous aspect of the invention, the drone 10 is positioned thanks to a fusion of the data of the movement and position sensors and of the communication data.
Il faut également noter que les différents capteurs du drone sont sujets à des erreurs systématiques d’échelle et d’offset, ces erreurs sont estimées puis corrigées selon une estimation de la dérive, de sorte que leur effet sur le vol du drone reste très négligeable.It should also be noted that the various sensors of the drone are subject to systematic errors of scale and offset, these errors are estimated and then corrected according to an estimate of the drift, so that their effect on the flight of the drone remains very negligible. .
Le module de communication 24 est un module radiofréquence utilisant la technologie Ultra Large Bande UWB (pourUltra Wide Band), consistant à transmettre des impulsions très brèves, souvent en dessous de la nanoseconde, qui correspondent donc à des bandes passantes très larges. La technologie UWB se caractérise par sa forte résolution temporelle qui permet d’effectuer des mesures très précises du temps de propagation du signal. De plus, la fusion de mesures de distance issues de la technologie UWB avec un système de navigation inertielle, composé de l’IMU et d’un modèle dynamique du drone implémenté sur le calculateur, permet d’avoir un système de localisation haute précision aussi bien en intérieur qu’en extérieur. Cette fusion des données est décrite plus loin dans la description.The communication module 24 is a radio frequency module using Ultra Wide Band UWB technology (for Ultra Wide Band ), consisting in transmitting very short pulses, often below a nanosecond, which therefore correspond to very wide bandwidths. UWB technology is characterized by its high temporal resolution which allows very precise measurements of the signal propagation time. In addition, the fusion of distance measurements from UWB technology with an inertial navigation system, made up of the IMU and a dynamic model of the drone implemented on the computer, makes it possible to have a high precision localization system as well. both indoors and outdoors. This data merging is described later in the description.
Le module de communication 24 de chaque drone 10 comporte une antenne « cible » qui coopère avec des antennes fixes 200, ci-après dénommées « ancres », représentées sur la figure 4. Les antennes cibles de tous les drones 10 de l’essaim 100 et les ancres 200 constituent un système de positionnement UWB qui permet de déterminer en temps réel les positions des drones de l’essaim.The communication module 24 of each drone 10 includes a "target" antenna which cooperates with fixed antennas 200, hereinafter referred to as "anchors", shown in Figure 4. The target antennas of all drones 10 of the swarm 100 and the anchors 200 constitute a UWB positioning system which makes it possible to determine in real time the positions of the drones of the swarm.
La détermination de la position des antennes cibles, et par là-même de leurs drones, s’effectue par trilatération en connaissant précisément les distances (di1di2di3) qui séparent chaque cible i des ancres 200. Ces distances peuvent être déterminées selon différentes méthodes.The determination of the position of the target antennas, and thereby of their drones, is carried out by trilateration knowing precisely the distances (d i1 d i2 d i3 ) which separate each target i from the anchors 200. These distances can be determined by different methods.
Le système de positionnement UWB repose sur une localisation des drones de l’essaim par mesure de distance (ranging), au moyen d’algorithmes de localisation reposant sur la technique TWR (Two Way Ranging) par exemple, ou de préférence, sur sa version améliorée SDS-TWR (Symmetrical Double Sided Two Way Ranging).The UWB positioning system is based on locating the drones in the swarm by measuring distance ( ranging ), using localization algorithms based on the TWR ( Two Way Ranging ) technique for example, or preferably, on its version improved SDS-TWR ( Symmetrical Double Sided Two Way Ranging ).
La localisation peut également consister en un calcul direct du temps de propagation du signal entre la cible et les ancres sans synchronisation de leurs antennes, ce temps étant connu sous le nom deTime of Arrival(ToA).Locating can also consist of a direct calculation of the signal propagation time between the target and the anchors without synchronization of their antennas, this time being known as the Time of Arrival (ToA).
Cette dernière méthode permet de diminuer le trafic d’impulsions et donc d’augmenter le nombre de cibles pouvant être localisées simultanément ainsi que la fréquence de localisation, et présente alors une solution avantageuse pour la localisation des drones d’un essaim.This last method makes it possible to reduce the traffic of pulses and therefore to increase the number of targets that can be located simultaneously as well as the frequency of location, and then presents an advantageous solution for the location of the drones of a swarm.
Dans une configuration alternative, la cible et les ancres sont synchronisées dans le temps, la cible diffuse un message à toutes les ancres en même temps à un instant connu. À la réception du message au niveau des ancres, ces dernières calculent le temps de propagation du signal ainsi que la distance qui les sépare de la cible. La précision des mesures de distance utilisant ce système dépend crucialement de la synchronisation entre les différents nœuds radio utilisés (émetteurs et récepteurs), en raison du fait qu’un simple défaut de synchronisation entre les différents nœuds du système peut causer une erreur importante sur l’estimation de position.In an alternative configuration, the target and the anchors are synchronized in time, the target broadcasts a message to all the anchors at the same time at a known instant. Upon receipt of the message at the anchors, the latter calculate the propagation time of the signal as well as the distance which separates them from the target. The accuracy of distance measurements using this system crucially depends on the synchronization between the different radio nodes used (transmitters and receivers), due to the fact that a simple lack of synchronization between the different nodes of the system can cause a significant error on the position estimate.
Selon un mode de réalisation préféré, la mesure de distances est réalisée avec la technique Time Difference of Arrival (TDoA).According to a preferred embodiment, the measurement of distances is carried out with the Time Difference of Arrival (TDoA) technique.
Le calculateur central 25 constitue le contrôleur de vol du drone 10 en exécutant tous les traitements et analyses nécessaires au bon déroulement du plan de vol, et comprend à cet effet un ou plusieurs microprocesseurs et/ou microcontrôleurs, des moyens de mémoire (RAM, Flash), des moyens de transmission de données, ainsi que toute autre unité de traitement spécifique (traitement numérique du signal, gestion de l’alimentation, etc.). Les différents algorithmes (localisation, fusion, estimation, commande, etc.) sont implémentés dans le calculateur central 25, en particulier les algorithmes de commande du drone 10, qui font nécessairement appel aux algorithmes d’estimation de l’état (orientation et vecteur vitesse) dudit drone sous forme d’un filtre de Kalman 251.The central computer 25 constitutes the flight controller of the drone 10 by executing all the processing and analyzes necessary for the smooth running of the flight plan, and for this purpose comprises one or more microprocessors and/or microcontrollers, memory means (RAM, Flash ), data transmission means, as well as any other specific processing unit (digital signal processing, power management, etc.). The different algorithms (location, fusion, estimation, control, etc.) are implemented in the central computer 25, in particular the control algorithms of the drone 10, which necessarily call upon the state estimation algorithms (orientation and vector speed) of said drone in the form of a Kalman filter 251.
La figure 5 schématise un exemple de fusion de données dans lequel les mesure de position et d’orientation de l’IMU sont fusionnées avec les mesures de distance (et de position) du système UWB pour compenser les lacunes de chacune des deux sources. En effet, le système UWB ne fournit pas de mesures d’orientation du drone, à moins que plusieurs modules UWB soient répartis sur chaque drone, ce qui risque de réduire fortement le taux d’échantillonnage et donc les performances du drone. L’IMU quant à elle fournit des mesures d’orientation avec une plus faible dérive que pour les mesures de position. De ce fait, la fusion permet bel et bien de profiter des avantages de chaque système.Figure 5 schematizes an example of data fusion in which the position and orientation measurements of the IMU are merged with the distance (and position) measurements of the UWB system to compensate for the shortcomings of each of the two sources. Indeed, the UWB system does not provide drone orientation measurements, unless several UWB modules are distributed on each drone, which risks greatly reducing the sampling rate and therefore the performance of the drone. The IMU, on the other hand, provides orientation measurements with less drift than for position measurements. As a result, the merger does indeed make it possible to take advantage of the advantages of each system.
Plus précisément, la figure 6 représente l’architecture simplifiée d’un bloc de fusion 252 implémenté dans le calculateur central 25. Grâce aux algorithmes d’estimation, les informations provenant des capteurs du drone sont fusionnées avec un modèle dynamique afin de fournir une estimation de l’état du drone. L’unité de mesure inertielle 22 fournit les mesures nécessaires de position et d’attitude à un modèle cinématique, implémenté dans le calculateur 25, l’ensemble formant un système de navigation inertielle INS qui fournit une prédiction de l’état courant du drone. Le système UWB fournit des mesures de position qui sont fusionnées avec les données de l’INS dans le bloc de fusion 252 qui implémente un filtre de Kalman 251 étendu (EKF).More precisely, FIG. 6 represents the simplified architecture of a fusion block 252 implemented in the central computer 25. Thanks to the estimation algorithms, the information coming from the sensors of the drone are merged with a dynamic model in order to provide an estimation the status of the drone. The inertial measurement unit 22 provides the necessary position and attitude measurements to a kinematic model, implemented in the computer 25, the assembly forming an inertial navigation system INS which provides a prediction of the current state of the drone. The UWB system provides position measurements which are merged with the INS data in the 252 fusion block which implements a 251 Extended Kalman Filter (EKF).
Les mesures des capteurs du drone 10 ainsi que les mesures de distance UWB sont intégrées dans le filtre de Kalman.The measurements of the sensors of the drone 10 as well as the UWB distance measurements are integrated into the Kalman filter.
Le système de localisation UWB, selon l’exemple de la figure 5, est composé du module UWB 24 et de l’IMU 22. D’autres combinaisons sont possibles comme par exemple le module UWB avec le module GPS.The UWB localization system, according to the example of FIG. 5, is composed of the UWB module 24 and the IMU 22. Other combinations are possible, such as for example the UWB module with the GPS module.
Plus généralement, pour effectuer une fusion des données en vue de la localisation du drone, on utilise les mesures de distance UWB comme première source et un capteur (IMU, GPS, Caméra ventrale) comme deuxième source de données. Il s’agit alors de combiner les informations provenant des différents capteurs, dans ce qu’on appelle la fusion multi-capteurs, pour compenser les lacunes de chacun desdits capteurs et produire une estimation plus complète de l’état du drone.More generally, to perform a data fusion with a view to locating the drone, UWB distance measurements are used as the first source and a sensor (IMU, GPS, Ventral camera) as the second data source. It is then a question of combining the information coming from the different sensors, in what is called multi-sensor fusion, to compensate for the shortcomings of each of said sensors and produce a more complete estimate of the state of the drone.
L’unité de calcul 25 comprend également un système de sauvegarde de données « boite noire » réglé pour enregistrer périodiquement les variables d’intérêt à une fréquence de 200 Hz, sans impacter les performances en vol du drone.Compute Unit 25 also includes a "black box" data backup system tuned to periodically record variables of interest at a rate of 200 Hz, without impacting the drone's in-flight performance.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l’unité de calcul 25 permet également de calculer directement l’orientation instantanée du drone, en plus de l’orientation obtenue par le magnétomètre, à partir des mouvements du drone et des mesures de position. A cet effet, l’unité de calcul 25 implémente un algorithme dédié, assimilé à un magnétomètre virtuel, pour garantir une deuxième estimation de l’orientation, en plus de celle issue du magnétomètre physique.According to a particularly advantageous embodiment, the calculation unit 25 also makes it possible to directly calculate the instantaneous orientation of the drone, in addition to the orientation obtained by the magnetometer, from the movements of the drone and the position measurements. To this end, the calculation unit 25 implements a dedicated algorithm, assimilated to a virtual magnetometer, to guarantee a second estimate of the orientation, in addition to that resulting from the physical magnetometer.
Les différents composants et systèmes du drone fonctionnent selon un procédé de positionnement automatique comprenant, en référence à la figure 7 :
- une étape 500 de mesure de la position et de l’attitude du drone par les différents capteurs et par le module de localisation ;
- une étape 600 de mesure de distances au moyen du module de communication 24 et des antennes UWB fixes 200, permettant une détermination de la position du drone ;
- une étape 700 de fusion des données issues de tout ou partie des capteurs du drone avec les mesures de distances et de position obtenues à l’étape précédente, dans le calculateur central ; et
- une étape 800 d’estimation de l’état dudit drone.The various components and systems of the drone operate according to an automatic positioning process comprising, with reference to Figure 7:
- a step 500 for measuring the position and the attitude of the drone by the various sensors and by the localization module;
- a step 600 for measuring distances by means of the communication module 24 and fixed UWB antennas 200, allowing the position of the drone to be determined;
- a step 700 of merging the data from all or part of the sensors of the drone with the distance and position measurements obtained in the previous step, in the central computer; And
- a step 800 of estimating the state of said drone.
L’étape de fusion comprend principalement :
- une étape 710 de calcul des variables cinématiques du drone au moyen du système de navigation inertiel (INS) ;
- une étape d’intégration des données des étapes 710 et 600 dans le filtre de Kalman 251 ; et
- une étape 800 d’estimation par le filtre de Kalman de l’état du drone.The melting step mainly includes:
- a step 710 of calculating the kinematic variables of the drone by means of the inertial navigation system (INS);
- a step of integrating the data of steps 710 and 600 in the Kalman filter 251; And
- a step 800 of estimation by the Kalman filter of the state of the drone.
L’algorithme d’intégration des données des capteurs inertiels avec les mesures de distance UWB a été développé avec un filtre de Kalman étendu (EKF). L’algorithme s’exécute en deux phases distinctes : prédiction 720 et mise à jour 740.The algorithm for integrating inertial sensor data with UWB distance measurements was developed with an extended Kalman filter (EKF). The algorithm runs in two distinct phases: prediction 720 and update 740.
La phase de prédiction consiste à estimer l’état du drone par la propagation des équations de navigation (entre position, vitesse et accélération) alimentées par les mesures de l’IMU afin de produire une estimation de l’état courant.The prediction phase consists in estimating the state of the drone by the propagation of the navigation equations (between position, speed and acceleration) fed by the measurements of the IMU in order to produce an estimate of the current state.
L’étape de mise à jour consiste quant à elle à utiliser les dernières mesures de distance UWB pour corriger l’état prédit dans le but d’améliorer les estimations du système de navigation inertielle (INS).The update step consists of using the latest UWB distance measurements to correct the predicted state in order to improve the estimates of the inertial navigation system (INS).
Les équations de l’algorithme associé à chaque phase du filtre EKF sont définies. L’exemple ci-dessous décrit la séquence d’exécution de ces équations qui se déroule sur deux étapes : une prédiction de l’état du drone avec le système de navigation inertielle et une phase de correction avec les mesures de distance UWB.The algorithm equations associated with each phase of the EKF filter are defined. The example below describes the sequence of execution of these equations which takes place in two stages: a prediction of the state of the drone with the inertial navigation system and a correction phase with the UWB distance measurements.
Par souci de simplicité, seuls les capteurs permettant l’observation de la position (caméra ventrale) sont intégrés dans les filtres ci-après. L’intégration des autres capteurs (baromètre, capteur à ultrasons, accéléromètre, gyroscope, etc.) ne sera pas détaillée.For the sake of simplicity, only the sensors allowing the observation of the position (ventral camera) are integrated in the filters below. The integration of other sensors (barometer, ultrasonic sensor, accelerometer, gyroscope, etc.) will not be detailed.
Les différentes variables sont définies comme suit :
La prédiction repose sur les équations suivantes :
La mise à jour consiste en un ensemble d’opérations pour estimer les grandeurs listées ci-dessous :
L’innovation, qui correspond à l’écart de la mesure à la prédiction :
Innovation, which corresponds to the gap between measurement and prediction:
Par exemple, dans le cas où le capteur fournit directement des informations de position (comme pour un système de tapis magique coopérant avec la caméra ventrale), l’intégration prend la forme suivante :
Dans ce cas simple, la bonne intégration de la mesure de position dépend uniquement de la bonne détermination des écart-types de chacun des bruits de mesure. Il faut noter que l’initialisation de la matrice de covariance avec un écart-type de 1 m est totalement arbitraire. Autrement, l’initialisation doit dépendre de la connaissance de la position du drone au démarrage.In this simple case, the correct integration of the position measurement depends solely on the correct determination of the standard deviations of each of the measurement noises. It should be noted that the initialization of the covariance matrix with a standard deviation of 1 m is completely arbitrary. Otherwise, the initialization must depend on knowing the position of the drone at start-up.
Pour pallier aux problèmes de multi-trajets (réception d’une onde qui n’a pas effectué un trajet direct depuis la source) liés à l’utilisation de la technologie UWB, des tests d’innovation 730 sont introduits avant l’utilisation d’une mesure lors de l’étape de mise à jour. Le test d’innovation consiste à comparer l’innovation induite par une mesure à la covariance de cette innovation.To overcome the problems of multi-paths (reception of a wave which has not made a direct path from the source) linked to the use of UWB technology, 730 innovation tests are introduced before the use of a measurement during the update step. The innovation test consists of comparing the innovation induced by a measure to the covariance of this innovation.
Les figures 8a et 8b illustrent un exemple d’essaim de drones selon l’invention, formant une figuration symbolique, et un aspect du rendu lumineux pouvant être obtenu.Figures 8a and 8b illustrate an example of a swarm of drones according to the invention, forming a symbolic representation, and an aspect of the light rendering that can be obtained.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113120713A (en) * | 2021-04-28 | 2021-07-16 | 上海有个机器人有限公司 | Elevator positioning method |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102459019B1 (en) * | 2021-05-20 | 2022-10-31 | 주식회사 라온컨버전스 | Method for location tracking employing grouping flight to UWB |
| CN113124856B (en) * | 2021-05-21 | 2023-03-14 | 天津大学 | Visual inertia tight coupling odometer based on UWB (ultra wide band) online anchor point and metering method |
| CN114485639B (en) * | 2022-01-19 | 2023-10-20 | 浙江大学 | UWB positioning drift correction method for indoor navigation |
| CN114543810B (en) * | 2022-02-21 | 2023-06-13 | 中山大学 | Unmanned aerial vehicle cluster passive positioning method and device under complex environment |
| CN114623823B (en) * | 2022-05-16 | 2022-09-13 | 青岛慧拓智能机器有限公司 | UWB (ultra wide band) multi-mode positioning system, method and device integrating odometer |
| CN115617079B (en) * | 2022-12-14 | 2023-02-28 | 四川轻化工大学 | Interactive unmanned aerial vehicle system |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1350054A (en) | 1962-12-11 | 1964-01-24 | Storage device for heavy items of great length | |
| FR3000813A1 (en) * | 2013-01-04 | 2014-07-11 | Parrot | Rotary wing drone i.e. quadricopter, has image analysis unit implementing Kalman filter estimator having representation of dynamic model of drone, with input of horizontal speed, position, linear acceleration, rotation and altitude signals |
| US20180136646A1 (en) | 2016-11-13 | 2018-05-17 | Tobias Gurdan | Aerial display morphing |
| CN108153327A (en) | 2017-12-07 | 2018-06-12 | 浙江大学 | Formation light show system and control method outside a kind of quadrotor room |
| CN108170159A (en) | 2017-12-20 | 2018-06-15 | 江苏数字鹰科技股份有限公司 | The method of the aerial display pattern of unmanned plane and video |
| WO2018134284A1 (en) | 2017-01-20 | 2018-07-26 | Ars Electronica Linz Gmbh & Co Kg | System for providing a visual aerial presentation |
| US10114384B2 (en) | 2016-09-13 | 2018-10-30 | Arrowonics Technologies Ltd. | Formation flight path coordination of unmanned aerial vehicles |
| US20190187241A1 (en) * | 2018-12-27 | 2019-06-20 | Intel Corporation | Localization system, vehicle control system, and methods thereof |
-
2019
- 2019-09-12 FR FR1910053A patent/FR3100895B1/en active Active
-
2020
- 2020-09-10 WO PCT/FR2020/051562 patent/WO2021048500A1/en active Application Filing
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1350054A (en) | 1962-12-11 | 1964-01-24 | Storage device for heavy items of great length | |
| FR3000813A1 (en) * | 2013-01-04 | 2014-07-11 | Parrot | Rotary wing drone i.e. quadricopter, has image analysis unit implementing Kalman filter estimator having representation of dynamic model of drone, with input of horizontal speed, position, linear acceleration, rotation and altitude signals |
| US10114384B2 (en) | 2016-09-13 | 2018-10-30 | Arrowonics Technologies Ltd. | Formation flight path coordination of unmanned aerial vehicles |
| US20180136646A1 (en) | 2016-11-13 | 2018-05-17 | Tobias Gurdan | Aerial display morphing |
| WO2018134284A1 (en) | 2017-01-20 | 2018-07-26 | Ars Electronica Linz Gmbh & Co Kg | System for providing a visual aerial presentation |
| CN108153327A (en) | 2017-12-07 | 2018-06-12 | 浙江大学 | Formation light show system and control method outside a kind of quadrotor room |
| CN108170159A (en) | 2017-12-20 | 2018-06-15 | 江苏数字鹰科技股份有限公司 | The method of the aerial display pattern of unmanned plane and video |
| US20190187241A1 (en) * | 2018-12-27 | 2019-06-20 | Intel Corporation | Localization system, vehicle control system, and methods thereof |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| HAUSMAN KAROL ET AL: "Self-calibrating multi-sensor fusion with probabilistic measurement validation for seamless sensor switching on a UAV", 2016 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ROBOTICS AND AUTOMATION (ICRA), IEEE, 16 May 2016 (2016-05-16), pages 4289 - 4296, XP032908696, DOI: 10.1109/ICRA.2016.7487626 * |
| TIEMANN JANIS ET AL: "Scalable and precise multi-UAV indoor navigation using TDOA-based UWB localization", 2017 INTERNATIONAL CONFERENCE ON INDOOR POSITIONING AND INDOOR NAVIGATION (IPIN), IEEE, 18 September 2017 (2017-09-18), pages 1 - 7, XP033261529, DOI: 10.1109/IPIN.2017.8115937 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113120713A (en) * | 2021-04-28 | 2021-07-16 | 上海有个机器人有限公司 | Elevator positioning method |
| CN113120713B (en) * | 2021-04-28 | 2023-09-08 | 上海有个机器人有限公司 | Elevator positioning method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3100895B1 (en) | 2021-09-10 |
| WO2021048500A1 (en) | 2021-03-18 |
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