WO2010097329A1 - Procede d'estimation de la vitesse de deplacement d'un aeronef - Google Patents
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- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
Definitions
- the present invention relates to the estimation of the speed of displacement of a flying vehicle by using on-board measuring means, and more particularly to the estimation of the speed of a drone by using accelerometers and an on-board microcontroller.
- the object of the invention is to provide a simple and inexpensive means for estimating the speed of movement of an aircraft, not suffering from the abovementioned disadvantages.
- the estimation of the inertial force can be carried out simply by measuring, thanks to the accelerometers, the acceleration experienced by the drone, and, knowing the mass of the drone entered into memory before the flight, it is easy to deduce the value of the force. inertial.
- the accelerometers are used according to the invention as a force sensor and their signal is not integrated, which eliminates the problem of drift.
- the inertial force is reduced to the weight of the drone F m ⁇ -mg, which is simple to estimate, knowing the orientation of the drone.
- the thrust force F p can be estimated simply by measuring the power actually supplied to the engine (s) of the flying vehicle, by assuming a relationship between the power supplied and the thrust delivered.
- the drone is equipped with electric motors, it will be sufficient to measure the current supplied to the engines to estimate the developed thrusts, or to deduce the thrust delivered by the simple measurement of the rotational speed of the engine, or the voltage applied to its terminals.
- This speed measuring method finds an advantageous application in the case of a vehicle for which the lift is totally provided by the engine (s).
- the aerodynamic force is reduced to a drag which can, under normal flight conditions, be estimated using a constant coefficient, independent of the attitude of the vehicle, so that the estimation of the module aerodynamic force is significantly simplified.
- BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES The invention will be better understood in the light of the description of the single figure which is a perspective view of a drone equipped with speed estimation means according to the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES
- the invention is here described in relation with a drone 1 of a particular type comprising four powertrains 2, here electric motors each equipped with a rotor 3 without cyclic variation of pitch, and carried each at the end of an arm to deliver a substantially vertical thrust when the drone is in a stationary position, according to a horizontal attitude.
- the powertrains form thrust means participating both in the lift and the propulsion of the drone.
- the object of the invention is to estimate the speed by implementing very simple on-board calculation means.
- the drone is equipped with a microcontroller 10 adapted to implement according to the invention a small program for calculating the speed stored in a read-only memory 11.
- the drone comprises an inertial unit 12, comprising essentially accelerometers, capable of determining an acceleration experienced by the drone during its displacement.
- the inertial unit allows at any time to determine a direction of the drone in space, relative to a fixed reference.
- the inertial unit 12 comprises gyrometers which make it possible to know the orientation of a unit vector n which locates a drone orientation in space with respect to a fixed reference R, as well as the angle ⁇ which marks the angular position of the drone around an axis directed along the vector n, which completely determines the position of the drone in one space.
- the inertial unit comprises accelerometers which make it possible to measure the acceleration experienced by the drone during its movements. Let the acceleration of the drone measured by the accelerometers of the inertial unit.
- the control unit simultaneously measures accelerations along three determined axes, for example those of the fixed reference R.
- the mass of the drone which can be memorized before the flight of the drone, it is therefore easy to determine the inertial force experienced by the drone where g is the acceleration of the gravity which is of course oriented according to the local vertical.
- the three components of the inertial force are determined in the reference frame R.
- the drone also comprises powertrain power management means 13, which, in response to driving signals from a ground station, distributes power from power generating means.
- Each powertrain 2 Knowing that the thrust developed by each of the powertrain 2 is directly related to the power it receives, it is then very simple to determine the thrust modulus of each of the powertrains. For example, it can be assumed that the thrust of a powertrain is directly related to the rotational speed of the engine associated so that the simple measurement of the rotational speed of the engine allows to know the thrust developed by the group power train.
- F 1 aero F ⁇ m -F ⁇ p ( ⁇ 2 ⁇ ) 'whose values of the three components, in the reference R, are obtained by subtraction of the respective components of the inertial force and the thrust force in this same mark.
- F aero is the modulus of the aerodynamic force F aero , that is to say the value [F a 2 eroX + F has 2 eroY + F has 2 eroZ f 2 , where F aero, x > F aero, ⁇ > F aero, z are the components of the aerodynamic force in the fixed reference frame R. It is therefore sufficient to know the value of the coefficient of proportionality k, which can be entered into memory before the flight starts. In the simplest model, this one can be regarded as constant and can thus be also in memory. In the present case, the aerodynamic force is essentially a drag force, for which the coefficient k is only slightly dependent on the angle of incidence for attitudes and normal flight incidences. So we do not make a big mistake considering the coefficient k as constant.
- the coefficient k may depend on the angle of incidence of the drone. This dependence can be taken into account by programming a simple relation, or by means of a table of values linking the coefficient k to the angle of incidence. It will then be necessary to equip the drone with an incidence sensor, or to deduce the incidence from the data measured by the inertial unit.
- the speed can be deduced very simply, with very small calculations, from an acceleration measurement and an indication of the thrust. This estimate of speed does not use any specific speed sensor.
- the speed thus estimated is not used directly, but is filtered.
- a registration and prediction filter is implemented, as explained below. If v is the measured speed according to the invention, a filtered speed v wire is determined in the following manner.
- the filtered speed is predicted in the next step as follows. We start by estimating an aerodynamic force at the next step by using the value of the filtered speed recaled at step i:
- the invention is not limited to what has just been described, but encompasses any variant within the scope defined by the claims.
- the invention has been described in relation to a flying vehicle whose lift effort is ensured by the powertrains, the invention can also be applied to a flying vehicle whose support force is provided partially or completely by one or more bearing surfaces.
- the aerodynamic force estimated according to the invention is the sum of a drag force and a lift force. The latter depends essentially on the incidence of the device, and it will be appropriate to measure this impact using a specific sensor.
- this determination of the speed according to the invention can be coupled with a vision device provided with a camera whose images are used to periodically readjust the speed thus determined.
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Abstract
L'invention concerne un procédé de détermination d'une vitesse de déplacement d'un véhicule volant, comportant l'étape de mettre en oeuvre des moyens de calcul (10,11) embarqués pour : estimer une force de poussée (F1) subie par le véhicule en raison de l'action de son ou de ses moyens de poussée (2,3); estimer une force inertielle (F2), où m est la masse du véhicule, (F3) est l'accélération du véhicule et (F4) l'accélération de la gravité, subie par le véhicule lors de son déplacement; en déduire une force aérodynamique (F5) s' exerçant sur le véhicule par la relation de Newton (F6), puis en estimer son module; en déduire la vitesse du véhicule de déplacement par la relation (F7), où v est la vitesse recherchée, et k un coefficient de proportionnalité.
Description
Procédé d'estimation de la vitesse de déplacement d'un aéronef.
La présente invention concerne l'estimation de la vitesse de déplacement d'un véhicule volant en utilisant des moyens de mesure embarqués, et plus particulièrement l'estimation de la vitesse d'un drone en utilisant des accéléromètres et un microcontrôleur embarqué.
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION
Dans le domaine des véhicules volants, divers moyens sont connus pour estimer la vitesse de vol d'un aéronef.
La mesure la plus classique est effectuée au moyen d'un anémomètre ou badin. Cependant, un tel instrument n'est pas précis pour des vitesses faibles.
Il est également possible d'estimer la vitesse au moyen d'un récepteur GPS. Cependant, il est actuellement envisagé de faire voler des drones de petites dimensions dans des bâtiments, notamment à des fins d'inspection.
Dans une telle situation, le signal GPS n'arrive pas ou mal jusqu'au drone, et n'est donc pas exploitable. Si un tel drone est équipé d' accéléromètres, il est tentant d' intégrer le signal provenant de ces accéléromètres pour en déduire la vitesse. Cependant, il est bien connu qu'un tel signal finit par dériver, assez rapidement. On peut bien sûr recourir à des accéléromètres plus performants, au détriment du coût et de la masse.
Il a été également envisagé d'estimer la vitesse du drone en exploitant des images prises par une caméra embarquée. Cependant, le traitement de l'image requiert une puissance de calcul importante et doit donc en pratique être effectuée par une station au sol. Les temps de transmission et de traitement conduisent à un retard dans l'estimation de la vitesse.
On peut encore utiliser des télémètres laser ou doppler, qui posent également le problème de leur masse et de leur coût.
OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet de fournir un moyen simple et peu onéreux d'estimation de la vitesse de déplacement d'un aéronef, ne souffrant pas des inconvénients précités .
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un procédé de détermination d'une vitesse de déplacement d'un véhicule volant, comportant l'étape de mettre en œuvre des moyens de calcul pour : estimer le module d'une force aérodynamique Faero s' exerçant sur le véhicule volant ; en déduire la vitesse du véhicule de déplacement par la relation Faero = kv2 , où v est la vitesse recherchée, et k un coefficient de proportionnalité.
S'il n'y a pas de vent (comme attendu lors d'un vol en intérieur) , ou si le vent est faible, on obtient ainsi une estimation de la vitesse du véhicule volant par rapport au sol.
Selon un mode préféré de mise en œuvre, l'estimation du module de la force aérodynamique comprend les étapes de : estimer une force de poussée Fp subie par le véhicule en raison de l'action de son ou de ses moyens de poussée ; estimer une force inertielle Fm=m-(â-g), où m est la masse du véhicule, a est l'accélération du véhicule et g l'accélération de la gravité ; en déduire la force aérodynamique par la relation de Newton Faero=Fm-Fp, puis en estimer son module.
Ces estimations peuvent être réalisées à partir de moyens très simples et peu coûteux. L'orientation du
drone par rapport à un repère fixe est connue à l'aide d' accéléromètres et de gyromètres, ce qui permet d'orienter correctement les forces.
L'estimation de la force inertielle peut être réalisée simplement en mesurant grâce aux accéléromètres l'accélération subie par le drone, et, connaissant la masse du drone entrée en mémoire préalablement au vol, il est facile d'en déduire la valeur de la force inertielle.
Ainsi, les accéléromètres sont utilisés selon l'invention comme capteur d'effort et leur signal n'est pas intégré, ce qui supprime le problème de dérive. En pratique, si l'accélération subie par le drone est très faible, la force inertielle se réduit au poids du drone Fm≈—m-g, ce qui est simple à estimer, connaissant l'orientation du drone.
Enfin, la force de poussée Fp peut être estimée simplement à partir de la mesure de la puissance effectivement fournie à le ou les moteurs du véhicule volant, en faisant l'hypothèse d'une relation entre la puissance fournie et la poussée délivrée. En pratique, si le drone est équipé de moteurs électriques, il suffira de mesurer le courant fourni aux moteurs pour estimer les poussées développées, ou encore, de déduire la poussée délivrée de la simple mesure de la vitesse de rotation du moteur, ou de la tension appliquée à ses bornes.
Ce procédé de mesure de vitesse trouve une application avantageuse dans le cas d'un véhicule pour lequel la portance est totalement fournie par le ou les moteurs. Dans ce cas, la force aérodynamique se réduit à une traînée qui peut, dans des conditions de vol normales, être estimée à l'aide d'un coefficient constant, indépendant de l'attitude du véhicule, de sorte que l'estimation du module de la force aérodynamique se trouve notablement simplifiée. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L' invention sera mieux comprise à la lumière de la description de l'unique figure qui est une vue en perspective d'un drone équipé de moyens d'estimation de la vitesse selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES
En référence à la figure 1, l'invention est ici décrite en relation avec un drone 1 d'un type particulier comprenant quatre groupes motopropulseurs 2, ici des moteurs électriques équipés chacun d'un rotor 3 sans variation cyclique de pas, et portés chacun au bout d'un bras pour délivrer une poussée sensiblement verticale quand le drone est dans une position stationnaire, selon une assiette horizontale. Les groupes motopropulseurs forment des moyens de poussée participant tant à la sustentation qu'à la propulsion du drone.
Pour provoquer une prise d'altitude en partant d'une telle position stationnaire, il suffit d'augmenter simultanément la puissance des quatre groupes motopropulseurs. Pour provoquer un déplacement longitudinal, il suffit d'incliner légèrement le drone dans la direction désirée en augmentant momentanément la puissance d'un ou deux groupes motopropulseurs par rapport à la puissance délivrée aux autres motopropulseurs. Une fois le drone dans une attitude inclinée, celui-ci avance tout seul sous l'effet de la composante non porteuse de la poussée cumulée des groupes motopropulseurs .
L'invention a pour objet d'estimer la vitesse, par la mise en œuvre de moyens de calculs embarqués très simples.
A cet effet, le drone est équipé d'un microcontrôleur 10 adapté à mettre en œuvre selon l'invention un petit programme de calcul de la vitesse stocké dans une mémoire morte 11. En outre, le drone comporte une centrale inertielle 12, comprenant
essentiellement des accéléromètres, capable de déterminer une accélération subie par le drone lors de son déplacement .
La centrale inertielle permet à tout instant de déterminer une orientation du drone dans l'espace, relativement à un repère fixe. En particulier, la centrale inertielle 12 comporte des gyromètres qui permettent de connaître l'orientation d'un vecteur unitaire n qui repère une orientation de drone dans l'espace par rapport à un repère fixe R, ainsi que l'angle Φ qui repère la position angulaire du drone autour d'un axe dirigé selon le vecteur n, ce qui détermine complètement la position du drone dans 1' espace . En outre, la centrale inertielle comporte des accéléromètres qui permettent de mesurer les accélérations subies par le drone lors de ses déplacements. Soit a l'accélération du drone mesurée par les accéléromètres de la centrale inertielle. En pratique, la centrale mesure simultanément des accélérations selon trois axes déterminés, par exemple ceux du repère fixe R.
Connaissant la masse du drone, qui peut être entrée en mémoire avant le début du vol du drone, il est dès lors facile de déterminer la force inertielle subie par le drone
où g est l'accélération de la gravité qui est bien sûr orientée selon la verticale locale. En pratique, on détermine les trois composantes de la force inertielle dans le repère R.
Le drone comporte également des moyens de gestion 13 de l'alimentation des groupes motopropulseurs, qui, en réponse à des signaux de conduite provenant d'une station au sol, distribue la puissance provenant de moyens de
batterie à chacun des groupes motopropulseurs 2. Sachant que la poussée développée par chacun des groupes motopropulseurs 2 est directement liée à la puissance qu'il reçoit, il est alors très simple de déterminer le module de la poussée de chacun des groupes motopropulseurs. Par exemple, on peut faire l'hypothèse que la poussée d'un groupe motopropulseur est directement liée à la vitesse de rotation du moteur associé de sorte que la simple mesure de la vitesse de rotation du moteur permet de connaître la poussée développée par le groupe motopropulseur .
Connaissant l'orientation de la poussée pour chaque groupe motopropulseur (ici, les poussées sont toutes parallèles au vecteur unitaire n, on en déduit donc les poussées, respectivement F1 , F2, F3, F4, de chacun des groupes motopropulseurs.
En faisant la somme vectorielle des poussées de tous les groupes motopropulseurs, on détermine ainsi la force de poussée totale Fp appliquée au drone, dont les trois composantes sont également exprimées dans le repère R.
D'après l'équation de Newton, la force aérodynamique subie par le drone par son déplacement peut être déduite par la relation suivante :
F 1 aero = Fλ m -Fλ p (\2^)' dont les valeurs des trois composantes, dans le repère R, s'obtiennent par soustraction des composantes respectives de la force inertielle et de la force de poussée dans ce même repère.
On sait que la force aérodynamique subie par le drone est proportionnelle à la vitesse v de déplacement du drone au carré, et à un coefficient de proportionnalité k qui dépend notamment de la taille du drone. Ainsi, la vitesse se déduit du simple calcul :
V = J _2Ξ2. L ( 3 )
Où Faero est le module de la force aérodynamique Faero , c'est-à-dire la valeur [Fa 2 eroX + Fa 2 eroY + Fa 2 eroZ f2 , où Faero,x>Faero,γ>Faero,z sont les composantes de la force aérodynamique dans le repère fixe R. Il suffit donc de connaître la valeur du coefficient de proportionnalité k, qui peut être entrée en mémoire avant le début du vol. Dans le modèle le plus simple, celui-ci peut être considéré comme constant et peut donc être également entré en mémoire. Dans le cas d'espèce, l'effort aérodynamique est essentiellement un effort de traînée, pour lequel le coefficient k ne dépend que peu, pour les attitudes et les incidences de vol normales, de l'angle d'incidence. On ne commet donc pas une grande erreur en considérant le coefficient k comme constant.
Cependant, dans un modèle plus sophistiqué, le coefficient k peut dépendre de l'angle d'incidence du drone . Cette dépendance peut être prise en compte par la programmation d'une relation simple, ou encore par l'intermédiaire d'une table de valeurs liant le coefficient k à l'angle d'incidence. Il conviendra alors d'équiper le drone d'un capteur d'incidence, ou de déduire l'incidence à partir des données mesurées par la centrale inertielle. Ainsi, la vitesse peut se déduire très simplement, avec des calculs très réduits, à partir d'une mesure d'accélération et d'une indication de la poussée. Cette estimation de la vitesse ne fait appel à aucun capteur spécifique de vitesse. De préférence, la vitesse ainsi estimée n'est pas utilisée directement, mais fait l'objet d'un filtrage. De préférence, on met en œuvre un filtre de recalage et prédiction, comme expliqué ci-dessous. Si v est la
vitesse mesurée selon l'invention, on détermine une vitesse filtrée vfil de la façon suivante. Dans une première étape, la vitesse filtrée est recalée par rapport à sa valeur au pas précédent en tenant compte de la vitesse estimée : vfil (0 = vfil (i - 1)) + K(vest (i - 1) - vfil (i - 1)) ( 4 )
Où K est un gain de pondération du recalage. Dans une deuxième étape, on prédit la vitesse filtrée au pas suivant de la façon suivante. On commence tout d'abord par estimer une force aérodynamique au pas suivant en utilisant la valeur de la vitesse filtrée recalée au pas i :
Faero{i) = kvfl 2 l(i) (5)
Puis, connaissant la valeur de la force de poussée Fp\i), mesurée comme expliquée ci-dessus, on en déduit une accélération estimée :
En variante, on pourra également utiliser l'accélération mesurée par les accéléromètres de la centrale inertielle. La vitesse filtrée au pas suivant sera alors prédite en ajoutant à la valeur actuelle de la vitesse filtrée un accroissement calculé à partir de l'accélération ainsi estimée, en l'occurrence ici : vfil{i+ l) = vfil{i)+At-â{i). (7) Où Δt est le pas d'échantillonnage. On attend alors la mesure de la vitesse au pas i+1 pour recaler la vitesse ainsi estimée selon la relation (4) .
Des essais ont permis de vérifier qu'un tel filtrage donne un signal de vitesse fiable, sans dérive. L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit, mais englobe toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications. En particulier, bien que l'on ait décrit l'invention en relation avec un véhicule volant dont l'effort de sustentation est assuré par les
groupes motopropulseurs, on pourra également appliquer l'invention à un véhicule volant dont l'effort de sustentation est fourni partiellement ou totalement par une ou plusieurs surfaces portantes. Dans ce cas, la force aérodynamique estimée selon l'invention est la somme d'une force de traînée et d'une force de portance. Cette dernière dépend essentiellement de l'incidence de l'appareil, et il conviendra alors de mesurer cette incidence à l'aide d'un capteur spécifique. En outre, on pourra coupler cette détermination de la vitesse selon l'invention avec un dispositif de vision muni d'une caméra dont les images sont exploitées pour recaler périodiquement la vitesse ainsi déterminée.
Claims
1. Procédé de détermination d'une vitesse de déplacement d'un véhicule volant, comportant l'étape de mettre en œuvre des moyens de calcul (10,11) embarqués pour : estimer une force de poussée Fp subie par le véhicule en raison de l'action de son ou de ses moyens de poussée (2,3) ; estimer une force inertielle Fm=m-(a-g), où m est la masse du véhicule, a est l'accélération du véhicule et g l'accélération de la gravité, subie par le véhicule lors de son déplacement ; en déduire une force aérodynamique Faero s' exerçant sur le véhicule par la relation de Newton Faero = Fm—Fp , puis en estimer son module ; en déduire la vitesse du véhicule de déplacement par la relation Faero=kv2, où v est la vitesse recherchée, et k un coefficient de proportionnalité.
2. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre l'étape de filtrer la vitesse ainsi estimée pour déterminer une vitesse filtrée vfll(i) .
3. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape de filtrage comprend l'opération de déterminer la valeur de la vitesse filtrée au pas suivant vβl(i + l) ajoutant à la vitesse filtrée au pas actuel un accroissement qui dépend d'une accélération a(i) subie par le véhicule au pas actuel.
4. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'accélération est estimée selon la relation a(i) = — γng + FAi)+ F {i)\, où FAi) est une estimation de la m force de poussée au pas actuel, et Faero(i) est une estimation de la force aérodynamique subie par le véhicule volant en utilisant la valeur de la vitesse filtrée au pas actuel :
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'accélération est mesurée au moyen d' accéléromètres embarqués, cette mesure étant exploitée pour estimer la force inertielle.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel les accéléromètres font partie d'une centrale inertielle.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0900851A FR2942536A1 (fr) | 2009-02-25 | 2009-02-25 | Procede d'estimation de la vitesse de deplacement d'un aeronef |
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Publications (1)
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|---|---|
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/EP2010/052065 Ceased WO2010097329A1 (fr) | 2009-02-25 | 2010-02-18 | Procede d'estimation de la vitesse de deplacement d'un aeronef |
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| WO (1) | WO2010097329A1 (fr) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2580208C1 (ru) * | 2014-12-10 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" | Меточный датчик аэродинамического угла и истинной воздушной скорости |
| CN109839513A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-06-04 | 北京瞭望者科技有限责任公司 | 水道流速流量测量方法、装置及系统 |
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| GB2021261A (en) * | 1978-05-10 | 1979-11-28 | Res Analysis & Dev | Aircraft monitoring by data acquisition and processing |
| US5117687A (en) * | 1990-01-11 | 1992-06-02 | Gerardi Joseph J | Omnidirectional aerodynamic sensor |
-
2009
- 2009-02-25 FR FR0900851A patent/FR2942536A1/fr not_active Withdrawn
-
2010
- 2010-02-18 WO PCT/EP2010/052065 patent/WO2010097329A1/fr not_active Ceased
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| FR2942536A1 (fr) | 2010-08-27 |
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|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 10704156 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 10704156 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |