FR3131816A1 - Liaison fibre optique embarquée déployable pour drones aérien - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système d’imagerie haute-définition en temps réel comprenant un drone aérien (10) à voilures tournantes, piloté à distance au moyen d'un dispositif de contrôle (12), ledit drone (10) étant équipé d’au moins un capteur d’images à haute-définition, ainsi que qu’un module de traitements des signaux provenant des capteurs pour produire un flux d’images et des moyens de transmission en temps réel dudit flux d’image à une station fixe (20) caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission en temps réel sont constitués par une fibre optique (21) enroulée sur une bobine fixe (20) solidaire dudit drone (10), l’une des extrémité de ladite fibre optique (21) étant couplée audit module de traitement des signaux du drone par un connecteur optique (22) et l’autre extrémité étant couplée à un connecteur optique (23) d’un module de traitement de la station fixe (20). Figure de l’abrégé : figure unique
Description
La présente invention concerne le domaine des drones aériens destinés à l’imagerie haute-définition. Les applications d’imagerie à haute-définition prise par des drones aériens se développent dans le domaine de l’évènementiel, pour des compétitions sportives, des concerts, des spectacles en plein air, des productions audiovisuelles, des rassemblement, dans l’urbanisme, dans la surveillance terrestre et maritime la vidéosurveillance de personnes et de biens, la surveillance de zones maritimes et l’aide au sauvetage, dans des applications industrielles, telles que l’inspection visuelle d’infrastructures industrielles, de structures métalliques, grues, antennes, éoliennes, ouvrages d’art, ou encore pour des applications agricoles notamment avec des caméras haute-définition multi spectrales, ou encore des groupes de caméras pour produire des vidéos immersives 3D.
Pour ces applications, on utilise habituellement des plateformes volantes pouvant supporter une charge embarquée, constituée par un module de captation d’images haute-définition, par exemple une ou plusieurs caméras 4K. Les drones concernés par l'invention sont tous les engins volants dits à voilures tournantes, et pilotés à distance au moyen d'un dispositif de contrôle. Les drones à voilures tournantes comprennent toutes les formes de modèles réduits d'hélicoptères connues.
Certains drones de type filaire utilisent des systèmes comportant un fil, un enrouleur du fil comprenant un tambour d'enroulement du fil et un moteur électrique d'entraînement du tambour. Le fil est alors maintenu avec une tension ajustée qui permet au drone d'évoluer facilement sans que le fil ne touche le sol. Par exemple, les documents WO2010/092253, WO2013/162128, WO2013/150442 et EP3310656B1 décrivent des systèmes filaires reliant un drone à sa base au sol. Le volume d'opération du drone est une demi sphère de rayon la longueur du fil. La zone possible d'écrasement du drone est un disque de rayon la longueur du fil. Les drones filaires sont notamment utilisés dans des zones sensibles où le drone ne doit pas pouvoir s'aventurer au-delà de certaines limites. Les zones sensibles sont par exemple les aéroports, les industries critiques, les zones peuplées.
Toutefois la plupart des drones sont pilotés par une liaison radio-fréquence par un émetteur commandé par un pilote. Pour des applications d’imageries, se pose le problème de la transmission des données vidéos. Les liaisons radiofréquences entre le drone et une station au sol ne sont généralement par adaptées pour des raisons de débits, de robustesse du signal, d’encombrement, d’autonomie et de poids des équipements embarqués de traitement des données fournies par la caméra, l’établissement d’une session avec le sol et le traitement des protocoles et des couches de transport des signaux. Il est donc généralement préféré d’enregistrer les données numériques dans une mémoire vive embarquée, qui permet une exploitation après le retour du drone.
La demande de brevet WO2013017387A1 propose une solution de drone où les informations sont acquises à un débit supérieur à 1 Gbit/s via des capteurs d'images, des capteurs infrarouges et des capteurs électro-optiques installés dans le drone pour être transmises en temps réel à une station distante via une liaison de transfert de données terrestre ou satellite. Même en compressant toutes les informations acquises à l'aide des techniques classiques de compression vidéo, la taille des informations n'est pas suffisamment réduite pour être transmises en temps réel via la liaison de transfert.
Pour pallier cet inconvénient, une technique connue consiste à soumettre les images animées acquises à une décimation temporelle, c'est-à-dire qu'au lieu de transmettre 25 images/s, on ne transmet pas plus de 4 images/s par exemple.
Cependant, il n'est plus possible de percevoir correctement le mouvement au-delà d'un certain rythme. De plus, l'opérateur visualisant les images animées en temps réel se fatigue. Cette demande de brevet propose un procédé de compression d'images animées et un procédé de décompression d'images animées, permettant de réduire la vitesse de transmission des images animées acquises tout en conservant une bonne fluidité de mouvement et/ou un niveau de détail optimal sur les zones de l'image animée considérées comme intéressantes par un procédé comprenant les étapes suivantes :
- acquisition d'une image animée au moyen d'un capteur d'images ;
- rétrécissement de ladite image animée acquise de manière à obtenir une image animée décimée de plus faible résolution illustrant un fond ;
- codage de ladite image animée décimée au moyen d'un encodeur ;
- création d'une fenêtre de taille fixe et paramétrable comprenant au moins une région d'intérêt ;
- codage de ladite fenêtre comprenant ladite au moins une région d'intérêt au moyen dudit codeur ;
- multiplexage de ladite image animée décimée codée et de ladite fenêtre codée ;
- transmission de ladite image animée décimée codée et de ladite fenêtre codée multiplexée à une station distante.
Cette solution n’est toutefois pas totalement satisfaisante car elle nécessite l’exécution sur un calculateur embarqué sur le drone de traitements complexes, gourmands en temps de calcul et entraînant une consommation électrique préjudiciable à l’autonomie de vol. Par ailleurs, les conditions de transmission de signaux radio-fréquences haut-débit dans des conditions atmosphériques parfois dégradées reste problématique.
On connaît aussi par le brevet FR3003377 un procédé d'analyse d'une parcelle agricole cultivée, comportant :
-une première acquisition d'une cartographie aérienne, au moyen d'un premier véhicule aérien, d'une parcelle agricole contenant une espèce végétale cultivée, et comportant au moins une zone affectée de moindre activité végétale, cette zone affectée étant définie comme une portion de ladite parcelle à l'intérieur de laquelle ladite espèce végétale présente un état de développement végétal inférieur à un seuil prédéfini ;
-l'identification, au sein de cette parcelle, de la zone affectée de moindre activité végétale ;
-l'observation détaillée de l'espèce végétale à l'intérieur de ladite zone affectée, comportant une seconde acquisition d'une image détaillée au moyen d'un second drone équipé d'un dispositif d'observation
-la recherche automatique à partir de résultats de l'observation détaillée, d'une cause responsable de la moindre activité végétale à l'intérieur de cette zone.
Cette solution n’est pas non plus satisfaisante car elle ne permet pas d’obtenir en temps réel un flux vidéo unique de haute-résolution comportant l’intégralité des informations utiles à son exploitation.
Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un système de drone volant destiné à l’imagerie haute-définition en temps réel comprenant un drone aérien à voilures tournantes, piloté à distance au moyen d'un dispositif de contrôle, ledit drone étant équipé d’au moins un capteur d’images à haute-définition, ainsi que qu’un module de traitements des signaux provenant des capteurs pour produire un flux d’images et des moyens de transmission en temps réel dudit flux d’image à une station fixe caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission en temps réel sont constitués par une fibre optique monté sur une bobine solidaire dudit drone, l’une des extrémité de ladite fibre étant couplée audit module de traitement des signaux du drone par un connecteur optique et l’autre extrémité étant couplée à un connecteur optique d’un module de traitement de la station fixe.
De préférence, ladite bobine est accrochée audit drone avec son axe orienté verticalement, et une sortie de la fibre dirigée vers le bas lorsque ledit drone aérien est en position horizontale.
Avantageusement, ladite fibre optique est une fibre monomode avec une gaine de protection, revêtue d’une substance adhérente par exemple une graisse, pour éviter le dévidage intempestif de la fibre optique enroulée sur la bobine.
Selon un mode de réalisation préféré, ladite bobine est une bobine à usage unique présentant un moyen d’accrochage à une plateforme dudit drone.
Selon une première variante, ladite fibre optique est libérée de ladite bobine par l’intérieur, en commençant par les spires intérieures.
Selon une variante alternative, ladite fibre optique est libérée de ladite bobine par l’extérieur, en commençant par les spires extérieures.
Avantageusement ladite bobine présente une section inférieure à 100 mm.
Selon un autre mode de mise en œuvre particulier, ladite station fixe comporte des moyens de transmission de données numériques, et en ce que ledit drone comporte un module de commande des fonctionnalités du drone en fonction desdites données reçues à l’extrémité embarquée de ladite fibre optique.
Avantageusement, ledit drone d’une part, et un poste de pilotage d’autre part, comportent chacun un dispositif optoélectronique transformant les photons véhiculés par la fibre en deux informations électriques distinctes correspondant l’un aux signaux de commande et l’autre au flux vidéo.
L’invention concerne aussi une bobine de fibre optique à usage unique destiné à un système d’imagerie haute-définition en temps réel susvisé caractérisé en ce qu’elle présente un moyen d’accrochage pour une liaison fixe avec ledit drone aérien et supporte un enroulement de fibre optique maintenu par une substance adhérente.
L’invention concerne aussi un drone destiné à un système d’imagerie haute-définition en temps réel susvisé caractérisé en ce qu’il présente un moyen d’accrochage pour une bobine de fibre optique et un connecteur optique pour le raccordement de l’extrémité amont d’une fibre optique.
Avantageusement, un tel drone est caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif optoélectronique transformant les photons véhiculés par la fibre en deux informations électriques distinctes correspondant l’un aux signaux de commande des fonctionnalités dudit drone et l’autre pour la transmission d’un flux vidéo.
Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation de l’invention
La présente invention sera décrite de manière plus détaillée en référence à des exemples non limitatifs de réalisation précisant les avantages et considérations susmentionnées. Une description plus particulière de l'invention brièvement décrite ci-dessus est illustrée par les dessins annexés où :
Il est précisé que les détails dimensionnels, les modes d’implémentations et les détails de réalisation constituent de simples exemples de réalisation non limitatifs.
Le système selon l’invention met en œuvre un drone volant (10) muni d’un capteur d’images (11) haute-définition 4K (voir une définition supérieure), par exemple un modèle commercialisé sous le nom de « DJI Mavic 2 Zoom » commandé par un boîtier (12) par radiofréquence.
L’invention porte sur la transmission du flux vidéo en temps réel par une fibre optique, de préférence monomode, reliant pendant le vol du drone aérien, un coupleur optoélectronique embarqué dans le drone à un coupleur optoélectronique équipant une station au sol. Le poids très léger de la fibre optique (moins d’un kilogramme pour mille mètres de fibres optique) et sa résistance mécanique permettent d’assurer une telle liaison sans dégrader de manière significative les performances de vol du drone aérien tout en permettant des transmissions à haut débit en CWDM et DWDM sur plusieurs kilomètres.
Cette fibre est à usage unique, pour un vol ce qui permet des trajectoires quelconques, sans nécessiter un chemin de retour identique au chemin aller. La fibre est rompue et abandonnée à la fin de la mission d’acquisition d’images.
Toutefois, si une partie seulement de la fibre bobinée est utilisée, la bobine avec la fibre restante peut être réutilisée pour une nouvelle mission, après reconnexion de l’extrémité libre sur le poste de commande (30).
Cette fibre optique (21) est préparée sous forme d’une bobine sur laquelle elle est enroulée pour permettre un dévidage axial, par l’intérieur de préférence ou par l’extérieur, comme pour un moulinet de pêche, pour permettre le déploiement de la fibre à très grande vitesse, pouvant dépasser 100km/heure, et très longues distances, plusieurs kilomètres voire dizaines de km.
Pour assurer l’adhérence des spires hors dévidage, un liant présentant une consistance appropriée enrobe la gaine de la fibre optique. La consistance est déterminée pour éviter le dévidage en l’absence de traction sur l’extrémité aval de la fibre optique et pour exercer une résistance faible lors de l’exercice d’une telle traction pour éviter la rupture de la fibre optique en cas d’accélération brusque du drone ou de déplacement à une vitesse élevée. Typiquement, il s’agit d’un liant pulvérisable ou visqueus présentant une consistance dont l’indice NLGI est compris entre 2 et 4, mais l’homme du métier saura sélectionner par expérimentations successives le type de liant et la consistance la plus appropriée pour concilier l’adhérence au repos et le freinage réduit lors du dévidage.
Cette bobine (20) est montée sur le drone de manière fixe, et non pas rotative. Elle ne constitue pas un treuil mais un support pour le dévidage axial lors du déplacement du drone aérien. Le drone peut présenter une platine d’accrochage rapide de la bobine, par un moyen de type clipsage, ou engagement verrouillable (22), pour permettre la mise en place rapide et fiable de la bobine sur la surface inférieure du drone. Ce moyen d’accrochage peut aussi être prévu sur la batterie (13) fixé sous le drone (10) ou sur le boîtier entourant les batteries.
L’extrémité amont de la fibre (21) comporte un connecteur optique (22) couplé sur un connecteur complémentaire du drone (10).
L’extrémité aval de la fibre (21) est couplée à une station au sol (30) par un autre connecteur (23) pour transmettre le flux vidéo jusqu’à un équipement permettant la visualisation en temps réel et/ou l’enregistrement du flux vidéo pour une exploitation ultérieure.
La fibre optique (21) est originellement enroulée entièrement sur la bobine (20). Au fur et à mesure de l’éloignement du drone (10), la fibre optique (21) est libérée par dévidage gravitionnel, une traction de quelques grammes suffisant pour assurer le dévidage. Eventuellement un frein peut être prévu pour augmenter la résistance au dévidage (20). La gaine de la fibre (21) peut être enduite par un liant de faible adhésion, pour freiner le dévidage lors du déplacement du drone (10). Typiquement la fibre (21) est une fibre monomode avec coating 250µm époxy acrylate et un liant. La bobine (20) présente une hauteur de 65 mm et un diamètre de 85 millimètres.
Utilisation de la fibre optique pour la transmission de commandes
Optionnellement, la fibre optique (21) peut aussi servir à la transmission de données et de commande depuis la station fixe (30) vers le drone (10) par exemple en redondance avec les commandes transmises par la télécommande (12), notamment en cas de brouillage électromagnétique ou de mauvaises conditions atmosphériques, ou en remplacement de la commande radiofréquence.
La liaison fibrée permet de piloter le drone (10), tout en ramenant la vidéo au pilote, en zones perturbées : endroits dans lesquels la transmission HF est interdite (aéroport, raffineries, etc...) ou perturbée (galeries souterraines, blockhaus, sous-sols, etc…entre autres missions militaires dites « tactical indoor »).
Autre cas d’applications : le drone peut évoluer dans des zones très petites ou restreintes sans craindre d’être bloqué par la fibre qui jouerait le rôle de « laisse » du fait que le drone porte sa bobine et qu’elle se déploie au fur et à mesure de son déplacement (quelques grammes de traction suffisent à son déploiement).
Pour cette variante, le drone (10) est équipe d’un multiplexeur opto-électronique de même que la station fixe (30).
Le multiplexage consiste à faire véhiculer dans une seule fibre (21) deux longueurs d’ondes différentes :
- Une longueur d’ondes est dédiée au pilotage de l’engin (généralement le 1300 nm),
- l’autre longueur d’onde est dédiée au transport de transmission vidéo (généralement le 1550 nm, car la bande passante disponible est encore plus importante).
Le multiplexeur du drone d’une part et celui du poste de pilotage d’autre part, transforment les photons véhiculés par la fibre en deux informations électriques distinctes.
Pour cette variante, le drone (10) est avantageusement équipé d’un calculateur commandant, de manière connu, un retour à une position de référence en cas de perte de communication, par exemple par rupture de la fibre optique (21).
Claims (11)
- - Système d’imagerie haute-définition en temps réel comprenant un drone aérien (10) à voilures tournantes, piloté à distance au moyen d'un dispositif de contrôle (12), ledit drone (10) étant équipé d’au moins un capteur d’images à haute-définition, ainsi que qu’un module de traitements des signaux provenant des capteurs pour produire un flux d’images et des moyens de transmission en temps réel dudit flux d’image à une station fixe (20) caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission en temps réel sont constitués par une fibre optique (21) enroulée sur une bobine fixe (20) solidaire dudit drone (10), l’une des extrémité de ladite fibre optique (21) étant couplée audit module de traitement des signaux du drone par un connecteur optique (22) et l’autre extrémité étant couplée à un connecteur optique (23) d’un module de traitement de la station fixe (20).
- - Système d’imagerie haute-définition en temps réel selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite bobine (20) est accrochée audit drone (10) avec son axe orienté verticalement, une sortie de la fibre optique (21) étant dirigée vers le bas lorsque ledit drone aérien (10) est en position horizontale.
- - Système d’imagerie haute-définition en temps réel selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite fibre optique (21) est une fibre monomode avec une gaine de protection, revêtue d’une substance adhérente pour éviter le dévidage intempestif de la fibre optique enroulée sur ladite bobine (20).
- - Système d’imagerie haute-définition en temps réel selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite bobine (20) est une bobine à usage unique présentant un moyen d’accrochage à une plateforme dudit drone (10).
- - Système d’imagerie haute-définition en temps réel selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite fibre optique (21) est libérée de ladite bobine (20) par l’intérieur, en commençant par les spires intérieures.
- - Système d’imagerie haute-définition en temps réel selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite fibre optique (21) est libérée de ladite bobine par l’extérieur, en commençant par les spires extérieures.
- - Système d’imagerie haute-définition en temps réel selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite station fixe (30) comporte des moyens de transmission de données numériques de commande des fonctionnalités dudit drone (10), et en ce que ledit drone (10) comporte un module de commande en fonction desdites données reçues à l’extrémité embarquée de ladite fibre optique (21).
- - Système d’imagerie haute-définition en temps réel selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit drone (10) d’une part, et un poste de pilotage d’autre part, comportent chacun un dispositif optoélectronique transformant les photons véhiculés par la fibre en deux informations électriques distinctes correspondant l’un aux signaux de commande et l’autre au flux vidéo.
- - Bobine de fibre optique à usage unique destinée à un système d’imagerie haute-définition en temps réel conforme à l’une au moins des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu’elle présente un moyen d’accrochage pour une liaison fixe avec ledit drone aérien et supporte un enroulement de fibre optique maintenu par une substance adhérente.
- - Drone destiné à un système d’imagerie haute-définition en temps réel susvisé caractérisé en ce qu’il présente un moyen d’accrochage pour une bobine (20) de fibre optique (21) et un connecteur optique pour le raccordement de l’extrémité amont d’une fibre optique.
- - Drone selon la revendication précédente caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif optoélectronique transformant les photons véhiculés par la fibre en deux informations électriques distinctes correspondant l’un aux signaux de commande des fonctionnalités dudit drone et l’autre pour la transmission d’un flux vidéo.
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- 2022-01-12 FR FR2200224A patent/FR3131816B1/fr active Active
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- 2023-01-06 WO PCT/EP2023/050235 patent/WO2023135062A1/fr active Application Filing
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| WO2023135062A1 (fr) | 2023-07-20 |
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