WO2018215643A1 - Système bidirectionnel de navigation sous-marine - Google Patents

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WO2018215643A1
WO2018215643A1 PCT/EP2018/063770 EP2018063770W WO2018215643A1 WO 2018215643 A1 WO2018215643 A1 WO 2018215643A1 EP 2018063770 W EP2018063770 W EP 2018063770W WO 2018215643 A1 WO2018215643 A1 WO 2018215643A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
base station
underwater
drone
underwater drone
status
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/063770
Other languages
English (en)
Inventor
Marc RICHARD
Jérôme TISSERAT
Raphaël BOURDON
Original Assignee
Naval Group
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Naval Group filed Critical Naval Group
Publication of WO2018215643A1 publication Critical patent/WO2018215643A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves

Definitions

  • the present invention relates to a bidirectional underwater navigation system comprising a base station and an autonomous underwater drone adapted to move relative to the base station.
  • the invention relates to the field of submarine navigation, for example for underwater activities of the offshore marine industry such as oil, gas, submarine mines, renewable energies, scientific activities such as the monitoring of marine life. environment or underwater sampling, as well as monitoring or intelligence-gathering activities associated with underwater exploration.
  • UUVs underwater drones
  • a first type of submarine drone called the ROV of the English “Remotely Operated Underwater Vehicle”
  • a second type of submarine drone called AUV, of the English “Autonomous Underwater Vehicle”
  • AUV of the English “Autonomous Underwater Vehicle”
  • underwater drone means an AUV autonomous underwater mobile device that is able to auto-pilot itself automatically thanks to its onboard autopilot system.
  • an AUV autonomous underwater drone uses the principle of dead reckoning in relation to a reference position (usually its point of departure). and from measurements from its on-board navigation instruments (eg inertial unit, immersion sensor, compass etc.).
  • on-board navigation instruments eg inertial unit, immersion sensor, compass etc.
  • the object of the invention is then to propose an underwater navigation system which makes it possible to improve the navigation safety of the underwater drone.
  • the object of the invention is a bidirectional underwater navigation system of the aforementioned type, in which the underwater drone is configured to determine its own position relative to the base station, by triangulation of at least three first acoustic signals:
  • the base station is configured to determine, the position of the underwater drone with respect to its own position, by triangulating a second acoustic signal received by its at least three transceivers and:
  • a transceiver of acoustic signals of the submarine drone comprising at least a second piece of information, determined by the underwater drone, and representative of a status and / or position of the underwater drone.
  • the bidirectional navigation system allows both a position determination of the underwater drone and a bidirectional communication "base station - underwater drone”.
  • the underwater drone like the base station, are active and able to exchange information (ie data messages) within acoustic signals that further allow the base station as the drone under -marine to determine the position of the submarine drone relative to the base station.
  • information ie data messages
  • the exchange of information within acoustic signals allows reciprocally to determine the absolute position of the underwater drone or the base station.
  • bidirectional exchange ie bidirectional communication
  • the navigation system according to the present invention is optimized by means of bidirectional communication between the underwater drone and the base station.
  • the bidirectional navigation system comprises one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination: the underwater drone comprises a memory configured to store the arrangement of the transceivers of the base station relative to one another;
  • each first or second acoustic signal furthermore comprises an identifier of the transceiver with which it is associated;
  • the base station comprises at least four transceivers configured to simultaneously transmit each simultaneously a first acoustic signal comprising said first information
  • the at least four transceivers of the base station are arranged in the form of a tetrahedron
  • each transceiver is an acoustic transducer
  • the frequency of the acoustic signals exchanged between the base station and the underwater drone is between 10 kHz and 30 kHz;
  • At least one of the first or second information is encrypted
  • the piloting order of the underwater drone is a predetermined order belonging to the group comprising at least:
  • the status of the underwater drone is a predetermined status belonging to the group comprising at least:
  • At least one of the first or second acoustic signal comprises an acoustic synchronization frame of the clocks of the base station and the underwater drone.
  • FIG. 1 is a diagrammatic sectional representation of a bidirectional underwater navigation system according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a processing unit of an acoustic signal
  • FIG. 3 is a schematic representation of the principle of triangulation
  • FIG. 4 is a flow diagram of a method of approaching a base station
  • FIG. 5 is a schematic representation of an example approach of the base station.
  • a bidirectional navigation system 1 underwater comprises an underwater drone 2 and a base station 4 in an underwater environment 6 delimited by the surface of the water S.
  • the underwater drone 2 is able to move relative to the base station 4.
  • bidirectional is meant the exchange (ie communication) of acoustic signals in two directions F namely on the one hand from the base station 4 to the underwater drone 2 and on the other hand from the sub-drone. 2 to the base station 4, to determine the position of the underwater drone 2 relative to the base station 4 and also exchange information by means of acoustic signals propagated in the water.
  • the acoustic signals are for example transmitted at a fixed rate.
  • bidirectional navigation system means a two-way navigation and communication system.
  • the first acoustic signal comprises at least a first piece of information, determined by the base station 4.
  • the first item of information is representative of a piloting order and / or a position of the underwater drone 2.
  • the piloting order is a predetermined order.
  • predetermined order is meant that a list of orders is known and defined beforehand for the drone 2 and for the base station 4.
  • the control command is for example a surface ascent order, an approach order (ie to trigger the approach phase) of the base station 4, an order canceling the approach to the base station 4, an emergency stop order, a stowage order, a change order or mission start, a waiting order (ie including a waiting path T A ) or an order to follow a waiting path T A.
  • the first information is representative of a plurality of orders as mentioned above.
  • the first information is representative of the absolute position of the base station 4 so that the underwater drone 2 can exploit it and determine its own absolute position.
  • the first acoustic signal makes it possible on the one hand to transmit the first information and on the other hand to determine the position of the underwater drone 2 relative to the base station 4 by the underwater drone 2 itself, by means of of a triangulation described below.
  • the first information comprising a position of the underwater drone 2 is fused, once received by the underwater drone 2, with data from the unrepresented instruments of the underwater drone 2 for better navigation accuracy.
  • An acoustic signal emitted by the underwater drone 2 and received by the base station 4 is called "second acoustic signal" thereafter.
  • the second acoustic signal comprises at least a second piece of information.
  • This second piece of information is information determined by the submarine drone 2 and is representative of a status and / or position of the underwater drone 2.
  • the status of the submarine drone 2 is a predetermined status.
  • predetermined status is meant that a list of statuses is known and defined beforehand for both the underwater drone 2 and the base station 4.
  • the status of the underwater drone 2 is for example a positive or negative response to a pilot command issued in advance by the base station 4, a status of the submarine UAV 2 propulsion system, a status of the navigation system of the UAV 2, a status of the piloting of the submarine drone 2, a status of the maneuverability system (30) (for example concerning the control surfaces), a status of the energy system (for example concerning the batteries), a status of a sensor of the sub-drone. 2, a status of an actuator of the underwater drone 2 or a seabed registration data.
  • the second information is representative of a plurality of statuses.
  • the second acoustic signal allows the base station 4 to transmit the second information and to determine the position of the underwater drone 2 relative to the base station 4 by means of a triangulation described below.
  • the underwater drone 2 comprises a transceiver 10A connected by a link 11A to an acoustic signal processing unit 12A.
  • the underwater drone 2 comprises a plurality of other transceivers not shown, each respectively connected to another acoustic signal processing unit, not shown.
  • a data processing unit 14A is connected by a link 15A to the signal processing unit 12A.
  • the data processing unit 14A is for example formed of a memory 16A associated with a processor 18A.
  • the underwater drone 2 is configured to receive the first acoustic signals from the base station 4 and to transmit second acoustic signals to the base station 4, in order to determine its position and exchange first and second information defined above. .
  • the underwater drone 2 is configured to navigate in a "remote control" mode, in which an operator of the base station 4 transmits guidance instructions, and configured to navigate in a "autoguiding" mode. , in which the underwater drone 2 itself defines movement instructions without using the first acoustic signals.
  • the transceiver 10A embedded in the underwater drone 2 Upon receipt of the first acoustic signals, the transceiver 10A embedded in the underwater drone 2 is configured to transform the first acoustic signals into an electrical signal.
  • the signal processing unit 12A is configured to receive this electrical signal from the transceiver 10A by the link 11A, process this signal and transmit it through the link 15A to the data processing unit 14A.
  • the data processing unit 14A in the underwater drone 2 is configured to process the electrical signal received from the signal processing unit 12A through the input 15A.
  • the data processing unit 14A in the underwater drone 2 is, for example, configured to process the first piece of information and / or generate a setpoint for moving the underwater drone 2.
  • the data processing unit 14A is configured to generate an electrical signal comprising at least a second piece of information and send it to the signal processing unit 12A via the link 15A.
  • the signal processing unit 12A is configured to process the electrical signal and transmit it over the link 11A to the transceiver 10A.
  • the transceiver 10A, embedded in the underwater drone 2 is then configured to emit the second acoustic signal.
  • data is stored such that the arrangement of the transceivers 10B, 10C, 10D, 10E of the base station 4 relatively to each other and the statuses such as the predetermined orders described above.
  • the architecture of the signal processing unit 12A will be described in more detail below in connection with FIG. 2.
  • the underwater drone 2 further comprises a maneuverability system 30 connected to the data processing unit 14A by a link 32.
  • the maneuverability system 30 is in particular configured to move the underwater drone 2.
  • the maneuverability system 30 comprises for example a not shown propeller, a jet propellant, not shown, or any other means of propulsion in water, not shown, as well as control surfaces , not shown, and a ballast, not shown.
  • the underwater drone 2 comprises a navigation system (not shown), a control system (not shown), one or more sensors (not shown) and one or more actuators (not shown). .
  • the base station 4 also called “docking station” (docking station), is stationary relative to the seabed 5 to which it is attached according to the example of Figure 1.
  • the base station 4 is mobile.
  • the base station 4 is connected to a platform, a submarine or a boat, not shown, able to move.
  • the base station 4 comprises four transceivers 10B, 10C, 10D, 10E of acoustic signals each connected, via a link 11B, to a unit 12B, 12C, 12D, 12E of acoustic signal processing.
  • the four transceivers 10B, 10C, 10D, 10E placed orthogonally with respect to each other, form a tetrahedron not shown.
  • the greater the distance between two transceivers 10B, 10C, 10D, 10E the better the positioning accuracy by triangulation.
  • the distance between each transceiver 10B, 10C, 10D, 10E is obtained as a function of the size of the base station 4 itself dependent on that of the underwater drone 2. For example, for a drone under -marine 2 in cylindrical shape with a diameter of 600 mm, a distance is between one and two meters.
  • the base station 4 comprises three transceivers.
  • the base station 4 comprises N transceivers, N being an integer between 5 and 7.
  • the fourth transceiver 10E of the example of Figure 1 provides additional precision and robustness to the bidirectional navigation system 1.
  • the base station 4 further comprises a data processing unit 14B, formed of a memory 16B associated with a processor 18B and connected by a link 15B to the signal processing units 12B, 12C, 12D, 12E respectively associated with the transmitters transceivers 10B, 10C, 10D, 10E.
  • a data processing unit 14B formed of a memory 16B associated with a processor 18B and connected by a link 15B to the signal processing units 12B, 12C, 12D, 12E respectively associated with the transmitters transceivers 10B, 10C, 10D, 10E.
  • the base station 4 is configured to determine the position of the underwater drone 2 by triangulation of the second acoustic signal transmitted by the transceiver 10A of the underwater drone 2 and received by the plurality of transceivers 10B, 10C , Base station 4 is also configured to transmit first acoustic signals including the first information.
  • the data processing unit 14B in the base station 4 is configured to generate an electrical signal corresponding to the first information, from the predetermined orders stored in the memory 16B as well as the statuses previously described.
  • the signal processing units 12B, 12C, 12D, 12E are configured to process the electrical signal and send it to their respective transceiver 10B, 10C, 10D, 10E configured to transmit the same same acoustic signal.
  • the transceivers 10B, 10C, 10D, 10E Upon receipt of a second acoustic signal, the transceivers 10B, 10C, 10D, 10E are configured to receive the second acoustic signal and transmit it, via the signal processing units 12B, 12C, 12D, 12E to which they are each associated with the data processing unit 14B.
  • the data processing unit 14B is configured to reproduce the second piece of information, transmitted and determined by the underwater drone 2 and representative of a status and / or position of the underwater drone 2, to an operator.
  • the data processing unit 14B is configured to generate an alert when the underwater drone 2 enters or leaves a predetermined area around the base station 4 defining the range of the bidirectional communication.
  • the base station 4 further comprises a housing 20, configured to accommodate the underwater drone 2, and adapted to the shape of the underwater drone 2.
  • the housing 20 is delimited by walls forming a convergent cone having an axis of rotation R.
  • the transceivers 10A, 10E are acoustic transducers (not shown) configured to convert acoustic signals into electrical signals or vice versa.
  • An acoustic transducer is both a hydrophone, i.e., a submarine microphone, (not shown) configured to transforming acoustic signals (in the form of sound vibrations) into electrical signals and a speaker (not shown) configured to transform electrical signals into acoustic signals.
  • Each first and second transmitted acoustic signal comprises an identifier of the transceiver 10A, ... 10E with which it is associated.
  • the communication rate that is to say the number of first and second information exchanged per second between the underwater drone 2 and the base station 4 depends on the transceiver characteristics of the transceivers 10B, 10C , 10D, 10E of the base station 4 and the transceiver 10A of the underwater drone 2.
  • the frequency of each acoustic signal is chosen taking into account one or more aspects, such as:
  • spatial resolution the distance between two contiguous points, called spatial resolution, linked to the wavelength, which becomes better with a high frequency
  • the range of the acoustic signal transmitted in the underwater environment 6 depends on its frequency and the power of the transceivers 10B, 10C, 10D, 10E of the base station 4 and the transceiver 10A of the drone under
  • the frequency of each acoustic signal transmitted by the base station 4 or transmitted by the underwater drone 2 is between 30 Hz and 1.5 MHz and preferably between 10 kHz and 100 kHz for a maximum range of the acoustic signal of several kilometers, for example substantially equal to 2 km.
  • the location accuracy by triangulation is variable according to the technology used, in particular according to the number of transceivers 10B, 10C, 10D, 10E used, as described above.
  • An increase of the acoustic frequency generally allows a better precision (according to the conditions of environment), to the detriment of the range decreasing with the increase of the frequency.
  • the frequency between 10 kHz and 30 kHz allows an accuracy of the order of a centimeter, for example a precision between 1 and 15 cm.
  • the data processing unit 14A and the data processing unit 14B are of different types with respect to one another.
  • the data processing unit 14A in the underwater drone 2 is adapted to fulfill integration requirements on board the underwater drone 2, such as size, power consumption or robustness against vibrations.
  • the unit of data processing is of the same type in the base station and in the underwater drone.
  • the signal processing unit 12A comprises a signal transmission chain 50 and a signal receiving chain 52.
  • the other signal processing units 12B, 12C, ... 12E comprise the same architecture.
  • the signal transmission chain 50 comprises, connected in series, at least one encoder 54, an interleaver 56, a mapping module 58, a time multiplexer 60 using frequencies or pilot signals 62, a modulator 64 and an amplifier 66.
  • the signal transmission chain 50 is configured to receive the electrical signal from the data processing unit 14A, 14B respectively via the link 15A, 15B, and to provide, via the link 1 1 A, 1 1 B, a electrical signal amplified by the amplifier 66.
  • the signal transmission chain 50 comprises an encryption module
  • the signal receiving chain 52 comprises, connected in series, at least one demodulator 70, a baseband filter module 72, a frequency detection module or pilot signal 74, a Doppler effect correction module 76 , a demapping module 78, for example for an MFSK modulation, a deinterleaver 80 and a decoder 82.
  • the signal receiving chain 52 is configured to receive an electrical signal via the link 1 1 A, 1 1 B of the transmitter 10A-receiver, and to provide, via the link 15A, 15B, the electrical signal.
  • the signal receiving chain 52 also comprises a decryption module (or decryption), not shown, and configured to decrypt or decrypt the first or second information, if it has been encrypted on transmission.
  • a decryption module or decryption
  • the signal transmission chain 50 and the signal receiving chain 52 are known per se and will therefore not be described in more detail here.
  • triangulation is the principle for determining the position of an object with respect to a plurality of reference positions by measuring the angles between the position of the object and the known reference positions.
  • a position In a (2D) plane, at least two reference positions are needed. In three dimensions (3D), a position includes three degrees of freedom. Thus, in a 3D coordinate system, at least three reference positions (not shown) are required.
  • FIG. 3 (a) the triangulation in a plane (2D) is represented and in FIG.
  • FIG. 3 (b) shows the transceiver 10A of the underwater drone 2 and two transceivers 10B, 10C of the base station 4 in a reference frame comprising x 'and y' axes.
  • an acoustic signal emitted by the underwater drone 2 propagates from the transceiver 10A.
  • the distance between the transceiver 10A and the transceivers 10B, 10C being different, the signal is not received at the same time by the two transceivers 10B, 10C.
  • an angle ⁇ and the distance D between the emitter receiver 10A and the center of the reference x ', y' are determined.
  • acoustic signals are transmitted simultaneously by the transceivers 10B, 10C and received by the transceiver 10A. Since the arrangement of the transceivers 10B, 10C relatively to each other is known to the submarine drone 2, the difference in times of reception of the acoustic signals by the transceiver 10A makes it possible to determine the angle a between the transceiver 10A and the transceivers 10B, 10C.
  • FIG. 3 (b) The principle of three-dimensional triangulation is represented in FIG. 3 (b) showing a reference xyz (direction east-direction north-depth) comprising a plane P.
  • the plane P comprises the axes x'-y 'of FIG. 3 (a) , and the transceivers 10A, 10B, 10C.
  • each transceiver 10B, 10C (and 10D, 10E not shown in FIG. 3 (b)) identifies and then receives the acoustic signal emitted by the source.
  • the difference in arrival of the acoustic signal between two transceivers respectively 10B, 10C (and 10D, 10E not shown in FIG. 3 (b)) transmitted by the transceiver 10A makes it possible to determine the angle between the two transmitters receivers 10B, 10C, 10D, 10E considered and the transceiver 10A.
  • the combination of the angles in the different planes (composed of the transceiver 10A as the source and two transceivers 10B, 10C, 10D, 10E) then makes it possible to determine the elevation ⁇ and the azimuth ⁇ of the transmitter transceiver 10A of the underwater drone 2 in a x, y, z coordinate system adapted and centered on the base station 4. The position of the underwater drone 2 is thus determined.
  • the distance is determined from the knowledge of the speed of sound in the water, substantially between 1450 and 1550 m / s, and from the measurement of the duration put by the acoustic wave to traverse the drone distance under -marine 2 - base station 4.
  • the clocks of the base station 4 and the underwater drone 2 are synchronized by a method, not shown, for example when stopping the underwater drone 2 in the base station 4 between two missions.
  • the clocks are in particular stable enough to allow a location by calculation of the propagation time during the mission.
  • the clocks are synchronized during the mission, by bidirectional exchange of acoustic signals to remove the drift of a clock and synchronize clocks again.
  • the first or second acoustic signal comprises an acoustic synchronization frame of the clocks of the base station 4 and the underwater drone 2.
  • the absolute position of the underwater drone 2 is defined when the absolute position of the base station 4 is known, whether it is implemented by an operator before the launching of the underwater drone 2 or communicated within a transmitted signal. .
  • the bidirectional navigation system 1 and submarine communication makes it possible to exchange information during the mission of the underwater drone 2 and in particular during the approach of the base station 4, as described in more detail below.
  • the navigation of the underwater drone 2 is optimized thanks to the implementation of a bidirectional communication system between the underwater drone 2 and the base station 4.
  • FIG 4 a method of approaching the base station 4 ("Homing" in English) is shown. During the execution of the approach method of the base station 4, several bidirectional exchanges of information between the underwater drone 2 and the base station 4 are performed. The bidirectional navigation system 1 underwater is used to refine the trajectory of the underwater drone 2.
  • the method successively comprises a resetting phase 100, an approach initiation phase 110 and a final approach phase 120.
  • the submarine drone 2 begins its approach by indicating to the base station 4 its desire to dock when it enters the predetermined zone around the base station 4 delimiting the bidirectional communication range according to the invention.
  • the underwater drone 2 moves, autonomously, towards a first registration position P1 which it considers, erroneously, to be a second predetermined position P2 of approach trigger.
  • the second position P2 is for example filled prior to the operational mission and stored in the memory of the submarine drone 2, or communicated during the mission. Having sailed during his mission thanks to his own instruments, subject to drift, the actual P1 registration position of the underwater drone 2 does not correspond, in fact, to the second predetermined position P2.
  • the underwater drone 2 determines the real coordinates of its current P1 registration position by triangulation of the acoustic signals emitted and received by the underwater drone 2 and the base station 4, as described above.
  • the registration phase 100 begins with a waiting step, not shown.
  • the underwater drone 2 and the base station 4 are detected before the triangulation of the acoustic signals.
  • the underwater drone 2 performs a predetermined waiting path T A , defined beforehand.
  • the underwater drone 2 carries out the waiting trajectory T A.
  • the shape of the waiting trajectory T A is, for example, a circle or an oval geometry centered on the registration position P1.
  • the waiting trajectory T A is repeated until reception by the underwater drone 2 of information transmitted within an acoustic signal by the base station 4.
  • the waiting path T A is predefined by waypoints ("waypoints" in English) or instructions of course, immersion or speed.
  • the waiting path T A is optionally a constrained path.
  • the constrained trajectory comprises geometrical boundaries of which the underwater drone 2 must not leave.
  • geometric boundaries are defined by a radius of gyration or a conical shape.
  • the underwater drone 2 knowing its real position, determines a first trajectory ⁇ of displacement of the reset position P1 to the "real" second predetermined position P2 approach initiation.
  • the underwater drone 2 moves according to the first trajectory T 1; thanks to its maneuverability system 30, in order to join the second position P2.
  • the underwater drone 2 when joining the second position P2, the underwater drone 2 performs the waiting trajectory T A of the type as described above.
  • the drift of the position of the underwater drone 2 is canceled.
  • the underwater drone 2 receives an order of approach within the first acoustic signal transmitted by the base station 4 .
  • the underwater drone 2 determines a second path T 2 for moving the second position P2 to a third predetermined position P3 final approach start.
  • the third final approach starting position P3 is preferably located on the axis of revolution R of the cone of the housing 20 of the base station 4.
  • the underwater drone 2 moves along the second trajectory T 2 , thanks to its maneuverability system 30, in order to join the third position P3.
  • the displacement along the second trajectory T 2 is carried out instantaneously or almost instantaneously after receiving 160 of the approach order and the determination 170 of the second trajectory T 2 .
  • the underwater drone 2 when joining the third position P3, the underwater drone 2 performs the waiting path T A of the type as described above.
  • the underwater drone 2 determines a third trajectory T 3 for moving the third position P3 to a docking position PA in the station housing 20.
  • Such a trajectory T 3 is optionally also predefined by waypoints ("waypoints" in English) or instructions of course, immersion or speed.
  • the waiting trajectory T 3 is optionally a constrained trajectory corresponding to geometrical boundaries of which the underwater drone 2 must not go out, for example defined by a radius of gyration or a conical shape, so aligning the longitudinal axis of the underwater drone 2 with the docking axis of the base station 4.
  • the underwater drone 2 moves substantially along this third trajectory T 3 , until the arrival at the docking position PA in the base station 4, in which the drone under -marine 2 is for example maintained and prepared for another mission.
  • the third trajectory T 3 is for example substantially a line segment whose ends are respectively the third position P3 and the docking position PA. Such a trajectory facilitates and secures the docking of the underwater drone 2 to the base station 4.
  • a continuous, almost continuous, or periodic periodic rate exchange of acoustic signals between the base station 4 and the underwater drone 2 is carried out, to determine the position of the sub-drone. 2 and for the exchange of information.
  • the base station 4 issues a cancel command of the approach of the base station 4 to avoid a collision.
  • the underwater drone 2 then cancels the approach and moves for example to the second position P2 where it will wait for a new order from the base station. More generally, such an issue of cancellation order of the approach is able to be issued at any time by the base station 4 as soon as it estimates or the operator who has control believes that it is necessary .
  • the underwater drone 2 being equipped with an obstacle avoidance system, not shown, deactivates this obstacle avoidance system, so as not to detect the base station 4 as an obstacle during the final step 200.
  • the emission of the acoustic signals of the base station 4 and the underwater drone 2 is stopped.
  • the underwater drone thus applies a secure approach strategy.
  • the third trajectory T 3 is also used after unstaging the underwater drone 2 of the base station 4, to leave the base station 4 before the start of an operational mission.
  • the third trajectory T 3 is also used for launching the underwater drone 2 from the base station 2.
  • the underwater drone 2 when unstacking (ie restarting) the underwater drone 2 does not necessarily achieve the same trajectory T 3 .
  • the underwater drone 2 adopts a "free" trajectory in full autonomy, then its propulsion is activated (by the drone itself or by a remote operator) once the underwater drone 2 is sufficiently far away, beyond a predetermined distance from the base station 4.
  • the UAV 2 in the absence of propulsion activated during the recovery of the UAV 2, the UAV 2 is for example pushed out of the base station 4, which gives it momentum, then if the drone has a positive buoyancy, the ascent of the underwater drone 2 operates quietly.
  • each reset phase 100, trigger 1 10, or final approach 120 is adapted to be validated or stopped by an operator.
  • trajectory is used for launching the underwater drone 2 from the base station 2.
  • FIG. 5 an example of the approach method of the base station 4 is shown.
  • the submarine drone 2 approaches the registration position P1 in order to begin the approach method described above.
  • the overall trajectory of the underwater drone 2 in the example successively comprises the registration position P1, the waiting trajectory T A , the first trajectory ⁇ , the second position P2, the waiting trajectory T A , the second trajectory T 2 , the third position P3, the third trajectory T 3 and the docking position PA.
  • the waiting trajectory T A of FIG. 5 is of oval shape near the reset position P1 or the second position P2 respectively.
  • the distance between the third position P3 and the base station 4 depends on the size and capacity of the underwater vehicle 2.
  • the distance between the registration position P1 and the base station 4 is for example substantially equal to 2 km. which corresponds to the range of the bidirectional system according to the invention and the distance between the third position P3 and the base station 4 is substantially equal to 500 m.
  • the third position P3 is located on the axis of rotation R of the cone to allow the docking of the underwater drone 2 in the housing 20 corresponding to the shape of the underwater drone.
  • the housing comprises an opening wider than the dimensions of the underwater drone, allowing the docking of the underwater drone while the third position P3 is not localized on the axis of rotation R, but located, outside the housing, in a volume extending the housing cone (not shown).
  • the navigation safety of the drone is optimized so as to protect the underwater drone 2, as the station of base 4, damage during the approach and docking of the underwater drone 2 to the base station 4.

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Abstract

Système bidirectionnel de navigation (1) sous-marine comprenant une station de base (4) et un drone sous-marin (2) autonome propre à se déplacer par rapport à la station de base (4), le drone sous-marin (2) étant configuré pour déterminer sa propre position par rapport à la station de base (4), par triangulation d'au moins trois premiers signaux acoustiques : - émis simultanément par au moins trois émetteurs-récepteurs (10B, 10C, 10D, 10E) de la station de base (4), et - comprenant chacun au moins une première information, déterminée par la station de base (4), la station de base (4) étant configurée pour déterminer, la position du drone sous- marin (2) par rapport à sa propre position, par triangulation d'un deuxième signal acoustique reçu par ses au moins trois émetteurs-récepteurs (10B, 10C, 10D, 10E) et : - émis par un émetteur-récepteur (10A), et - comprenant une deuxième information.

Description

Système bidirectionnel de navigation sous-marine
La présente invention concerne un système bidirectionnel de navigation sous- marine comprenant une station de base et un drone sous-marin autonome propre à se déplacer par rapport à la station de base.
L'invention concerne le domaine de la navigation sous-marine, par exemple pour les activités sous-marines de l'industrie marine offshore telles que pétrole, gaz, mines sous-marines, énergies renouvelables, les activités scientifiques telles que la surveillance de l'environnement ou le prélèvement sous l'eau, ainsi que les activités de surveillance ou de collecte de renseignements associée(s) à une exploration sous-marine.
On connaît au moins deux types de drones sous-marins, ou UUV de l'anglais « Unmanned Underwater Vehicles » dépourvu de pilote « humain » à bord. Un premier type de drone sous-marin, appelé ROV de l'anglais « Remotely Operated Underwater Vehicle », est piloté à distance, par exemple par une station de contrôle via un câble, dit laisse. Un deuxième type de drone sous-marin, appelé AUV, de l'anglais « Autonomous Underwater Vehicle », est propre à se diriger de manière autonome (i.e. sans commande humaine à distance) en déterminant lui-même l'ensemble des déplacements à réaliser.
Par la suite par « drone sous-marin », on entend un engin sous-marin mobile autonome AUV qui est propre à s'auto-piloter automatiquement grâce à son système de pilotage automatique embarqué.
Pour s'auto-piloter, un tel drone sous-marin autonome AUV utilise le principe de navigation à l'estime (« dead reckoning » en anglais) vis-à-vis d'une position de référence (généralement son point de départ) et à partir de mesures provenant de ses instruments de navigation embarqués (e.g. centrale inertielle, capteur d'immersion, compas etc.).
Toutefois, une telle navigation à l'estime, sujette à une forte dérive, est insuffisante lorsqu'il s'agit de naviguer vers un point précis d'exploitation, d'observation, de récupération, etc.
Pour gagner en précision des solutions, telles que par exemple décrites dans le document US 8509030 B2, ont été proposées.
Cependant, aucune des solutions proposées jusqu'à présent n'a donné pleinement satisfaction notamment en termes de fiabilité et de sécurité de navigation lors du déplacement de ces drones sous-marins autonomes.
Le but de l'invention est alors de proposer un système de navigation sous-marine qui permet d'améliorer la sécurité de navigation du drone sous-marin.
A cet effet, l'invention a pour but un système bidirectionnel de navigation sous- marine du type précité, dans lequel le drone sous-marin est configuré pour déterminer sa propre position par rapport à la station de base, par triangulation d'au moins trois premiers signaux acoustiques :
émis simultanément et respectivement par au moins trois émetteurs-récepteurs de la station de base, et
- comprenant chacun au moins une première information, déterminée par la station de base, et représentative d'un ordre de pilotage et/ou d'une position du drone sous-marin, et
dans lequel la station de base est configurée pour déterminer, la position du drone sous-marin par rapport à sa propre position, par triangulation d'un deuxième signal acoustique reçu par ses au moins trois émetteurs-récepteurs et :
émis par un émetteur-récepteur de signaux acoustiques du drone sous-marin, et comprenant au moins une deuxième information, déterminée par le drone sous- marin, et représentative d'un statut et/ou d'une position du drone sous-marin.
Le système bidirectionnel de navigation selon la présente invention permet à la fois une détermination de position du drone sous-marin et une communication bidirectionnelle « station de base - drone sous-marin ».
En d'autres termes, le drone sous-marin, comme la station de base, sont actifs et propres à échanger des informations (i.e. messages de données) au sein de signaux acoustiques qui permettent en outre à la station de base comme au drone sous-marin de déterminer la position du drone sous-marin relativement à la station de base.
En outre, si la position absolue de la station de base ou du drone sous-marin est connue, l'échange des informations au sein de signaux acoustiques permet réciproquement de déterminer la position absolue du drone sous-marin ou de la station de base.
Ainsi, l'échange bidirectionnel (i.e. la communication bidirectionnelle) mis en œuvre selon la présente invention a une double fonction à savoir permettre la détermination de la position du drone sous-marin par rapport à la station de base, à la fois par le drone sous-marin lui-même, et par la station de base, tout en communiquant, via un canal identique, des informations de guidage spécifiques permettant d'optimiser au moins la sécurité de navigation du drone sous-marin. En d'autres termes, le système de navigation selon la présente invention est optimisé au moyen d'une communication bidirectionnelle entre le drone sous-marin et la station de base.
Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le système bidirectionnel de navigation comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le drone sous-marin comprend une mémoire configurée pour stocker l'agencement des émetteurs-récepteurs de la station de base relativement les uns par rapport aux autres ;
- chaque premier ou deuxième signal acoustique comprend en outre un identifiant de l'émetteur- récepteur auquel il est associé ;
- la station de base comprend au moins quatre émetteurs-récepteurs configurés pour émettre simultanément chacun un premier signal acoustique comprenant ladite première information ;
- les au moins quatre émetteurs-récepteurs de la station de base sont agencés en forme de tétraèdre ;
- chaque émetteur-récepteur est un transducteur acoustique ;
- la fréquence des signaux acoustiques échangés entre la station de base et le drone sous-marin est comprise entre 10 kHz et 30 kHz ;
- au moins l'une des première ou deuxième informations est chiffrée ;
- l'ordre de pilotage du drone sous-marin est un ordre prédéterminé appartenant au groupe comprenant au moins :
o un ordre de remontée en surface,
o un ordre d'approche de la station de base,
o un ordre d'annulation de l'approche vers la station de base,
o un ordre d'arrêt d'urgence,
o un ordre d'arrimage,
o un ordre de changement ou de démarrage de mission,
o un ordre d'attente,
o un ordre de suivre une trajectoire d'attente,
et dans lequel le statut du drone sous-marin est un statut prédéterminé appartenant au groupe comprenant au moins:
o une réponse positive ou négative à un ordre de pilotage émis au préalable par la station de base,
o un statut du système de propulsion du drone sous-marin,
o un statut du système de navigation du drone sous-marin,
o un statut du système de pilotage du drone sous-marin,
o un statut d'un système de manœuvrabilité,
o un statut du système d'énergie,
o un statut d'un capteur du drone sous-marin,
o un statut d'un actionneur du drone sous-marin,
o une donnée de repérage du fond marin ; et - au moins l'un des premier ou deuxième signal acoustique comprend une trame acoustique de synchronisation des horloges de la station de base et du drone sous-marin.
Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un système bidirectionnel de navigation sous-marin selon l'invention,
- la figure 2 est une représentation schématique d'une unité de traitement d'un signal acoustique,
- la figure 3 est une représentation schématique du principe de triangulation,
- la figure 4 est un organigramme d'un procédé d'approche d'une station de base,
- la figure 5 est une représentation schématique d'un exemple d'approche de la station de base.
Dans la suite de la description, l'expression « sensiblement » exprimera une relation d'égalité à plus ou moins 10%.
Sur la figure 1 , un système bidirectionnel de navigation 1 sous-marine comprend un drone sous-marin 2 et une station de base 4 dans un environnement sous-marin 6 délimité par la surface de l'eau S. Le drone sous-marin 2 est propre à se déplacer par rapport à la station de base 4.
Par le terme « bidirectionnel » on entend l'échange (i.e. la communication) de signaux acoustiques selon deux directions F à savoir d'une part de la station de base 4 au drone sous-marin 2 et d'autre part du drone sous-marin 2 à la station de base 4, pour déterminer la position du drone sous-marin 2 par rapport à la station de base 4 et également échanger des informations au moyen de signaux acoustiques propagés dans l'eau. Les signaux acoustiques sont par exemple émis à cadence fixe.
Autrement dit, par « système bidirectionnel de navigation », on entend un système de navigation et de communication bidirectionnelle.
Par le terme « manœuvrabilité » on entend à la fois la propulsion du drone sous- marin 2 et le contrôle de sa ou ses gouverne(s).
Un signal acoustique émis par la station de base 4 et reçu par le drone sous-marin
2 est appelé « premier signal acoustique » par la suite.
Le premier signal acoustique comprend au moins une première information, déterminée par la station de base 4. La première information est représentative d'un ordre de pilotage et/ou d'une position du drone sous-marin 2.
L'ordre de pilotage est un ordre prédéterminé. Par « ordre prédéterminé », on entend qu'une liste d'ordres est connue et définie au préalable à la fois pour le drone sous-marin 2 et pour la station de base 4. L'ordre de pilotage est par exemple un ordre de remontée en surface, un ordre d'approche (i.e. de déclenchement de la phase d'approche) de la station de base 4, un ordre d'annulation de l'approche vers la station de base 4, un ordre d'arrêt d'urgence, un ordre d'arrimage, un ordre de changement ou de démarrage de mission, un ordre d'attente (i.e. comprenant une trajectoire d'attente TA) ou un ordre de suivre une trajectoire d'attente TA. Optionnellement, la première information est représentative d'une pluralité d'ordres tels que cités ci-dessus.
Optionnellement, la première information est représentative de la position absolue de la station de base 4 afin que le drone sous-marin 2 puisse l'exploiter et déterminer sa propre position absolue.
Le premier signal acoustique permet d'une part de transmettre la première information et d'autre part de déterminer la position du drone sous-marin 2 par rapport à la station de base 4 par le drone sous-marin 2 lui-même, au moyen d'une triangulation décrite ci-après. Optionnellement, la première information comprenant une position du drone sous-marin 2 est fusionnée, une fois reçue par le drone sous-marin 2, avec des données provenant des instruments non représentés du drone sous-marin 2 pour une meilleure précision de navigation.
Un signal acoustique émis par le drone sous-marin 2 et reçu par la station de base 4 est appelé « deuxième signal acoustique » par la suite.
Le deuxième signal acoustique comprend au moins une deuxième information.
Cette deuxième information est une information déterminée par le drone sous-marin 2 et est représentative d'un statut et/ou d'une position du drone sous-marin 2. Le statut du drone sous-marin 2 est un statut prédéterminé.
Par « statut prédéterminé », on entend qu'une liste de statuts est connue et définie au préalable à la fois pour le drone sous-marin 2 et pour la station de base 4. Le statut du drone sous-marin 2 est par exemple une réponse positive ou négative à un ordre de pilotage émis au préalable par la station de base 4, un statut du système de propulsion du drone sous-marin 2, un statut du système de navigation du drone sous-marin 2, un statut du système de pilotage du drone sous-marin 2, un statut du système de manœuvrabilité (30) (par exemple concernant les gouvernes), un statut du système d'énergie (par exemple concernant les batteries), un statut d'un capteur du drone sous-marin 2, un statut d'un actionneur du drone sous-marin 2 ou une donnée de repérage du fond marin. Optionnellement, la deuxième information est représentative d'une pluralité de statuts. Le deuxième signal acoustique permet, à la station de base 4, d'une part de transmettre la deuxième information et d'autre part de déterminer la position du drone sous-marin 2 par rapport à la station de base 4, au moyen d'une triangulation décrite ci-après. En relation avec la figure 1 , le drone sous-marin 2 comprend un émetteur- récepteur 10A connecté par une liaison 1 1 A à une unité 12A de traitement de signal acoustique. En variante, le drone sous-marin 2 comprend une pluralité d'autres émetteurs-récepteurs non représentés, chacun respectivement connecté à une autre unité de traitement de signal acoustique, non représentée. Une unité de traitement de données 14A est connectée par une liaison 15A à l'unité 12A de traitement de signal. L'unité de traitement de données 14A est par exemple formée d'une mémoire 16A associée à un processeur 18A.
Le drone sous-marin 2 est configuré pour recevoir les premiers signaux acoustiques de la station de base 4 et pour émettre des deuxièmes signaux acoustiques à la station de base 4, afin de déterminer sa position et échanger des premières et deuxièmes informations définies ci-dessus. En utilisant les premiers signaux acoustiques, le drone sous-marin 2 est configuré pour naviguer selon un mode « téléguidage », dans lequel un opérateur de la station de base 4 transmet des consignes de guidage, et configuré pour naviguer dans un mode « autoguidage », dans lequel le drone sous-marin 2 définit lui-même des consignes de déplacement sans utiliser les premiers signaux acoustiques.
A réception des premiers signaux acoustiques, l'émetteur-récepteur 10A embarqué dans le drone sous-marin 2 est configuré pour transformer les premiers signaux acoustiques en un signal électrique. L'unité 12A de traitement de signal est configurée pour recevoir ce signal électrique de l'émetteur-récepteur 10A par la liaison 1 1 A, traiter ce signal et le transmettre par la liaison 15A à l'unité de traitement de données 14A.
L'unité de traitement de données 14A dans le drone sous-marin 2 est configurée pour traiter le signal électrique reçu de l'unité 12A de traitement de signal par l'entrée 15A. L'unité de traitement de données 14A dans le drone sous-marin 2 est, par exemple, configurée pour traiter la première information et/ou générer une consigne de déplacement du drone sous-marin 2.
Pour émettre le deuxième signal acoustique du drone sous-marin 2, l'unité de traitement de données 14A est configurée pour générer un signal électrique comprenant au moins une deuxième information et l'envoyer à l'unité 12A de traitement de signal par la liaison 15A. L'unité 12A de traitement de signal est configurée pour traiter le signal électrique, et le transmettre par la liaison 1 1 A à l'émetteur-récepteur 10A. L'émetteur- récepteur 10A, embarqué dans le drone sous-marin 2, est alors configuré pour émettre le deuxième signal acoustique. Dans la mémoire 16A embarquée dans le drone sous-marin 2 des données sont stockées telles que l'agencement des émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E de la station de base 4 relativement les uns par rapport aux autres et les statuts comme les ordres prédéterminés décrits ci-dessus. L'architecture de l'unité 12A de traitement de signal sera décrite plus en détail ci-après en relation avec la figure 2.
Le drone sous-marin 2 comprend en outre un système de manœuvrabilité 30 connecté à l'unité de traitement de données 14A par une liaison 32. Conformément à une consigne délivrée par l'unité de traitement de données 14A, le système de manœuvrabilité 30 est notamment configuré pour déplacer le drone sous-marin 2. Le système de manœuvrabilité 30 comprend par exemple une hélice non représentée, un propulseur à réaction, non représenté, ou tout autre moyen de propulsion dans l'eau, non représenté, ainsi que des gouvernes, non représentées, et un ballast, non représenté.
Optionnellement, le drone sous-marin 2 comprend un système de navigation (non représenté), un système de pilotage (non représenté), un ou plusieurs capteurs (non représenté(s)) et un ou plusieurs actionneurs (non représenté(s)).
La station de base 4, également appelée station de « docking » (de l'anglais « docking station »), est immobile par rapport au fond sous-marin 5 auquel elle est attachée selon l'exemple de la figure 1 . En variante, la station de base 4 est mobile. Par exemple, la station de base 4 est connectée à une plateforme, un sous-marin ou un bateau, non représentés, propres à se déplacer.
Dans l'exemple de la figure 1 , la station de base 4 comprend quatre émetteurs- récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E de signaux acoustiques connectés chacun, par une liaison 1 1 B, à une unité 12B, 12C, 12D, 12E de traitement de signal acoustique. De préférence, les quatre émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E, placés de façon orthogonale l'un par rapport à l'autre, forment un tétraèdre non représenté. Plus la distance entre deux émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E est importante, meilleure est la précision de positionnement par triangulation. Par exemple, la distance entre chaque émetteur-récepteur 10B, 10C, 10D, 10E est obtenue en fonction de la taille de la station de base 4 elle-même dépendante de celle du drone sous-marin 2. Par exemple, pour un drone sous-marin 2 en forme cylindrique d'un diamètre de 600 mm, une distance est comprise entre un et deux mètres.
En variante, non représentée, la station de base 4 comprend trois émetteurs- récepteurs. En variante encore, la station de base 4 comprend N émetteurs-récepteurs, N étant un nombre entier entre 5 et 7.
Pour effectuer la triangulation, comme décrite ci-dessous, au moins trois émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D sont nécessaires. Le quatrième émetteur-récepteur 10E de l'exemple de la figure 1 apporte une précision supplémentaire et une robustesse au système bidirectionnel de navigation 1 .
La station de base 4 comprend en outre une unité de traitement de données 14B, formée d'une mémoire 16B associée à un processeur 18B et connectée par une liaison 15B aux unités 12B, 12C, 12D, 12E de traitement de signal respectivement associées aux émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E.
La station de base 4 est configurée pour déterminer la position du drone sous- marin 2 par triangulation du deuxième signal acoustique émis par l'émetteur-récepteur 10A du drone sous-marin 2 et reçu par la pluralité d'émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E de la station de base 4. La station de base 4 est également configurée pour émettre des premiers signaux acoustiques comprenant la première information.
Pour émettre des premiers signaux acoustiques, l'unité de traitement de données 14B dans la station de base 4 est configurée pour générer un signal électrique correspondant à la première information, à partir des ordres prédéterminés stockés dans la mémoire 16B de même que les statuts précédemment décrits. Les unités 12B, 12C, 12D, 12E de traitement de signal sont configurées pour traiter le signal électrique et l'envoyer à leur émetteur-récepteur 10B, 10C, 10D, 10E respectif configuré pour émettre le premier même signal acoustique.
A réception d'un deuxième signal acoustique, les émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E sont configurés pour recevoir le deuxième signal acoustique et le transmettre, via les unités 12B, 12C, 12D, 12E de traitement de signal auxquelles ils sont chacun associés, à l'unité de traitement de données 14B. L'unité de traitement de données 14B est configurée pour restituer la deuxième information, transmise et déterminée par le drone sous-marin 2 et représentative d'un statut et/ou d'une position du drone sous-marin 2, à un opérateur. Optionnellement, l'unité de traitement de données 14B est configurée pour générer une alerte lorsque le drone sous-marin 2 entre ou sort d'une zone prédéterminée autour de la station de base 4 délimitant la portée de la communication bidirectionnelle.
La station de base 4 comprend en outre un logement 20, configuré pour accueillir le drone sous-marin 2, et adapté à la forme du drone sous-marin 2. Par exemple, pour un drone sous-marin 2 en forme cylindrique, le logement 20 est délimité par des parois formant un cône convergent présentant un axe de rotation R.
Selon un aspect particulier, les émetteurs-récepteurs 10A, ... 10E sont des transducteurs acoustiques (non représentés) configurés pour convertir des signaux acoustiques en signaux électriques ou vice-versa. Un transducteur acoustique est à la fois un hydrophone , c'est-à-dire un microphone sous-marin, (non représenté) configuré pour transformer des signaux acoustiques (sous la forme de vibrations sonores) en signaux électriques et un haut-parleur (non représenté) configuré pour transformer des signaux électriques en signaux acoustiques.
Chaque premier et deuxième signal acoustique émis comprend un identifiant de l'émetteur-récepteur 10A, ... 10E auquel il est associé.
Le débit de communication, c'est-à-dire le nombre de premières et deuxièmes informations échangées par seconde entre le drone sous-marin 2 et la station de base 4 dépend des caractéristiques d'émission-réception des émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E de la station de base 4 et de l'émetteur-récepteur 10A du drone sous-marin 2.
La fréquence de chaque signal acoustique est choisie en prenant en compte un ou plusieurs aspects, tels que :
- l'amortissement (absorption) du son qui augmente avec la fréquence ;
- la taille des sources qui est importante pour de basses fréquences ;
- la distance entre deux points contigus, dit résolution spatiale, liée à la longueur d'onde, qui devient meilleure avec une fréquence élevée ;
- la réponse éventuelle de la cible qui a sa propre fréquence ; et/ou
- les impacts environnementaux, surtout pour les systèmes fixes ou à vocation scientifique.
La portée du signal acoustique transmis dans l'environnement sous-marin 6 dépend de sa fréquence et de la puissance des émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E de la station de base 4 et de l'émetteur-récepteur 10A du drone sous-marin 2. Par exemple, la fréquence de chaque signal acoustique émis par la station de base 4 ou émis par le drone sous-marin 2 est comprise entre 30 Hz et 1 ,5 MHz et de préférence entre 10 kHz et 100 kHz pour une portée maximale du signal acoustique de plusieurs kilomètres, par exemple sensiblement égale à 2 km.
La précision de localisation par triangulation est variable selon la technologie utilisée, notamment selon le nombre d'émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E utilisés, comme décrit ci-dessus. Une augmentation de la fréquence acoustique permet généralement une meilleure précision (selon les conditions d'environnement), au détriment de la portée diminuant avec l'augmentation de la fréquence. La fréquence entre 10 kHz et 30 kHz permet une précision de l'ordre du centimètre, par exemple une précision entre 1 et 15 cm. Dans l'exemple de la figure 1 , l'unité de traitement de données 14A et l'unité de traitement de données 14B sont de types différents l'une par rapport à l'autre. Par exemple, l'unité de traitement de données 14A dans le drone sous-marin 2 est adaptée pour remplir des exigences d'intégration à bord du drone sous-marin 2, telles que taille, consommation d'énergie ou robustesse contre les vibrations. En variante, l'unité de traitement de données, non représentée, est du même type dans la station de base et dans le drone sous-marin.
En relation avec la figure 2, l'unité 12A de traitement de signal est décrite plus en détail. L'unité 12A de traitement de signal comprend une chaîne d'émission de signaux 50 et une chaîne de réception de signaux 52. Les autres unités 12B, 12C, ... 12E de traitement de signal comprennent la même architecture.
La chaîne d'émission de signaux 50 comprend, reliés en série, au moins un encodeur 54, un entrelaceur 56, un module de mappage 58, un multiplexeur temporel 60 utilisant des fréquences ou signaux pilotes 62, un modulateur 64 et un amplificateur 66. La chaîne d'émission de signaux 50 est configurée pour recevoir le signal électrique de l'unité de traitement de données 14A, 14B respectivement par la liaison 15A, 15B, et de fournir, via la liaison 1 1 A, 1 1 B, un signal électrique amplifié par l'amplificateur 66.
Optionnellement, la chaîne d'émission de signaux 50 comprend un module de chiffrage
(ou cryptage), non représenté, et configuré pour chiffrer ou crypter la première ou deuxième information.
La chaîne de réception de signaux 52 comprend, reliés en série, au moins un démodulateur 70, un module de filtrage en bande de base 72, un module de détection des fréquences ou signaux pilotes 74, un module de correction de l'effet doppler 76, un module de démappage 78, par exemple pour une modulation MFSK, un désentrelaceur 80 et un décodeur 82. La chaîne de réception de signaux 52 est configurée pour recevoir un signal électrique par la liaison 1 1 A, 1 1 B de l'émetteur-récepteur 10A, et de fournir, via la liaison 15A, 15B, le signal électrique.
Optionnellement, la chaîne de réception de signaux 52 comprend aussi un module de déchiffrage (ou décryptage), non représenté, et configuré pour déchiffrer ou décrypter la première ou deuxième information, si celle-ci a été chiffrée à l'émission. La chaîne d'émission de signaux 50 et la chaîne de réception de signaux 52 sont connues en soi et ne seront donc pas décrites plus en détail ici.
En relation avec la figure 3, la triangulation est le principe permettant de déterminer la position d'un objet par rapport à une pluralité de positions de référence en mesurant les angles entre la position de l'objet et les positions de référence connues.
Pour déterminer la position de l'objet, dans un plan (2D), au moins deux positions de référence sont nécessaires. En trois dimensions (3D), une position comprend trois degrés de liberté. Ainsi, dans un repère 3D, au moins trois positions de référence (non représentés) sont requises.
Sur la figure 3(a), la triangulation dans un plan (2D) est représentée et sur la figure
3(b), la triangulation en 3D est représentée. La figure 3(a) montre l'émetteur- récepteur 10A du drone sous-marin 2 et deux émetteurs-récepteurs 10B, 10C de la station de base 4 dans un repère comprenant des axes x' et y'. Par exemple, un signal acoustique émis par le drone sous-marin 2 se propage à partir de l'émetteur-récepteur 10A. La distance entre l'émetteur-récepteur 10A et les émetteurs-récepteurs 10B, 10C étant différente, le signal n'est pas reçu au même moment par les deux émetteurs-récepteurs 10B, 10C. Par calcul de la différence de temps de réception du signal acoustique entre les deux émetteurs-récepteurs 10B, 10C, et à partir de la connaissance de la célérité du son dans l'eau, un angle a et la distance D entre l'émetteur-récepteur 10A et le centre du repère x', y' sont déterminés.
Dans un autre exemple, également en référence à la figure 3(a), des signaux acoustiques sont émis simultanément par les émetteurs-récepteurs 10B, 10C et reçus par l'émetteur-récepteur 10A. L'agencement des émetteurs-récepteurs 10B, 10C, relativement les uns par rapport aux autres, étant connu du drone sous-marin 2, la différence d'instants de réception des signaux acoustiques par l'émetteur-récepteur 10A permet de déterminer l'angle a entre l'émetteur-récepteur 10A et les émetteurs-récepteurs 10B, 10C.
Le principe de triangulation tridimensionnelle est représenté sur la figure 3(b) montrant un repère x-y-z (direction est-direction nord-profondeur) comprenant un plan P. Le plan P comprend les axes x'-y' de la figure 3(a), et les émetteurs-récepteurs 10A, 10B, 10C.
Plus précisément, à partir d'un signal acoustique émis par l'émetteur-récepteur 10A comme source de signal, chaque émetteur-récepteur 10B, 10C (et 10D, 10E non représentés sur la figure 3(b)) identifie et reçoit alors le signal acoustique émis par la source. La différence d'arrivée du signal acoustique entre deux émetteurs-récepteurs respectivement 10B, 10C (et 10D, 10E non représentés sur la figure 3(b)) émis par l'émetteur-récepteur 10A permet de déterminer l'angle entre les deux émetteurs- récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E considérés et l'émetteur-récepteur 10A. La combinaison des angles dans les différents plans (composés de l'émetteur-récepteur 10A comme source et de deux émetteurs-récepteurs 10B, 10C, 10D, 10E) permet alors de déterminer l'élévation β et l'azimut γ de l'émetteur-récepteur 10A du drone sous-marin 2 dans un repère x, y, z adapté et centré sur la station de base 4. La position du drone sous-marin 2 est ainsi déterminée.
En particulier, la distance est déterminée à partir de la connaissance de la célérité du son dans l'eau, sensiblement entre 1450 et 1550 m/s, et de la mesure de la durée mise par l'onde acoustique pour parcourir la distance drone sous-marin 2 - station de base 4. Pour ce faire, les horloges de la station de base 4 et du drone sous-marin 2 sont synchronisées par un procédé, non représenté, par exemple lors de l'arrêt du drone sous- marin 2 dans la station de base 4 entre deux missions. Les horloges sont notamment suffisamment stables pour permettre une localisation par calcul du temps de propagation pendant la mission.
En variante, les horloges sont synchronisées pendant la mission, par échange bidirectionnel de signaux acoustiques permettant de supprimer la dérive d'une horloge et synchroniser des horloges à nouveau. Pour ce faire, le premier ou deuxième signal acoustique comprend une trame acoustique de synchronisation des horloges de la station de base 4 et du drone sous-marin 2.
Avec le principe décrit ci-dessus, la position relative du drone sous-marin 2 par rapport à la station de base 4 peut être déterminée. La position absolue du drone sous- marin 2 est définie lorsque la position absolue de la station de base 4 est connue, qu'elle soit implémentée par un opérateur avant le lancement du drone sous-marin 2 ou communiquée au sein d'un signal transmis.
Le système bidirectionnel de navigation 1 et de communication sous-marine permet d'échanger des informations pendant la mission du drone sous-marin 2 et en particulier pendant l'approche de la station de base 4, comme décrit plus en détail ci- après. Autrement dit, selon la présente invention la navigation du drone sous-marin 2 est optimisée grâce à la mise en œuvre d'un système bidirectionnel de communication entre le drone sous-marin 2 et la station de base 4.
Sur la figure 4, un procédé d'approche de la station de base 4 (« Homing » en anglais) est représenté. Au cours de l'exécution du procédé d'approche de la station de base 4, plusieurs échanges bidirectionnels d'informations entre le drone sous-marin 2 et la station de base 4 sont effectués. Le système bidirectionnel de navigation 1 sous-marine est donc utilisé pour affiner la trajectoire du drone sous-marin 2.
Le procédé comprend successivement une phase de recalage 100, une phase de déclenchement d'approche 1 10 et une phase d'approche finale 120.
En fin de mission opérationnelle, le drone sous-marin 2 débute son approche en indiquant à la station de base 4 son souhait de s'arrimer lors de son entrée dans la zone prédéterminée autour de la station de base 4 délimitant la portée de communication bidirectionnelle selon l'invention.
Lors de l'étape initiale 130 au début de la phase de recalage 100, le drone sous- marin 2 se déplace, de manière autonome vers une première position de recalage P1 qu'il estime, à tort, être une deuxième position P2 prédéterminée de déclenchement d'approche. La deuxième position P2 est par exemple renseignée avant la mission opérationnelle et stockée dans la mémoire du drone sous-marin 2, ou communiquée pendant la mission. Ayant navigué pendant sa mission grâce à ses propres instruments, sujets à dérive, la position de recalage P1 réelle du drone sous-marin 2 ne correspond pas, en effet, à la deuxième position P2 prédéterminée.
Le drone sous-marin 2 détermine les coordonnées réelles de sa position de recalage P1 actuelle par triangulation des signaux acoustiques émis et reçus par le drone sous-marin 2 et la station de base 4, comme décrit ci-dessus.
Optionnellement, la phase de recalage 100 commence par une étape d'attente, non représentée. Dans l'étape d'attente, non représentée, le drone sous-marin 2 et la station de base 4 se détectent l'un et l'autre avant la triangulation des signaux acoustiques.
Autrement dit, lors du ralliement du drone sous-marin 2 à la position de recalage P1 , le drone sous-marin 2 effectue une trajectoire d'attente TA prédéterminée, définie au préalable. En d'autres termes, tant que le drone sous-marin 2 ne reçoit pas de signaux acoustiques émis par la station de base 4, il effectue la trajectoire d'attente TA. La forme de la trajectoire d'attente TA est par exemple un cercle ou une géométrie ovale centrée sur la position de recalage P1 . Optionnellement, la trajectoire d'attente TA est réitérée jusqu'à réception par le drone sous-marin 2 d'une information émise au sein d'un signal acoustique par la station de base 4.
Optionnellement, la trajectoire d'attente TA est prédéfinie par des points de cheminement (« waypoints » en anglais) ou des consignes de cap, immersion ou vitesse. A titre d'alternative, la trajectoire d'attente TA est optionnellement une trajectoire contrainte. Par exemple, la trajectoire contrainte comprend des frontières géométriques dont le drone sous-marin 2 ne doit pas sortir. A titre d'exemple, des frontières géométriques sont définies par un rayon de giration ou une forme conique.
Lors de l'étape suivante 140, le drone sous-marin 2, connaissant sa position réelle, détermine une première trajectoire ΤΊ de déplacement de la position de recalage P1 à la « vraie » deuxième position P2 prédéterminée de déclenchement d'approche.
Lors de l'étape suivante 150, le drone sous-marin 2 se déplace selon la première trajectoire T1 ; grâce à son système de manœuvrabilité 30, afin de rallier la deuxième position P2.
Optionnellement, lors du ralliement à la deuxième position P2, le drone sous-marin 2 effectue la trajectoire d'attente TA du type tel que décrit ci-dessus.
A l'issue de la phase de recalage (100), la dérive de la position du drone sous- marin 2 est donc annulée. Lors de l'étape suivante 160, débutant la phase de déclenchement d'approche 1 10 de la station de base 4, le drone sous-marin 2 reçoit un ordre d'approche au sein du premier signal acoustique émis par la station de base 4.
Lors de l'étape suivante 170, le drone sous-marin 2 détermine une deuxième trajectoire T2 de déplacement de la deuxième position P2 à une troisième position P3 prédéterminée de démarrage d'approche finale. La troisième position P3 de démarrage d'approche finale est de préférence localisée sur l'axe de révolution R du cône du logement 20 de la station de base 4.
Lors de l'étape suivante 180, le drone sous-marin 2 se déplace selon la deuxième trajectoire T2, grâce à son système de manœuvrabilité 30, afin de rallier la troisième position P3. Le déplacement selon la deuxième trajectoire T2 est effectué instantanément ou quasi instantanément après réception 160 de l'ordre d'approche et la détermination 170 de la deuxième trajectoire T2.
Optionnellement, lors du ralliement à la troisième position P3, le drone sous-marin 2 effectue la trajectoire d'attente TA du type tel décrit ci-dessus.
Lors de l'étape suivante 190, débutant la phase d'approche finale 120, le drone sous-marin 2 détermine une troisième trajectoire T3 de déplacement de la troisième position P3 à une position d'arrimage PA dans le logement 20 de la station de base 4.
Une telle trajectoire T3 est optionnellement également prédéfinie par des points de cheminement (« waypoints » en anglais) ou des consignes de cap, immersion ou vitesse. A titre d'alternative, la trajectoire d'attente T3 est optionnellement une trajectoire contrainte correspondant à des frontières géométriques dont le drone sous-marin 2 ne doit pas sortir, par exemple définies par un rayon de giration ou une forme conique, de sorte à aligner l'axe longitudinal drone sous-marin 2 avec l'axe d'arrimage de la station de base 4.
Lors de l'étape finale 200, le drone sous-marin 2 se déplace en suivant sensiblement cette troisième trajectoire T3, jusqu'à l'arrivée à la position d'arrimage PA dans la station de base 4, dans laquelle le drone sous-marin 2 est par exemple maintenu et préparé pour une autre mission. La troisième trajectoire T3 est par exemple sensiblement un segment de droite dont les extrémités sont respectivement la troisième position P3 et la position d'arrimage PA. Une telle trajectoire facilite et sécurise l'arrimage du drone sous-marin 2 à la station de base 4.
Au cours du procédé selon l'invention, un échange continu, quasi continu, ou encore périodique à cadence fixe, de signaux acoustiques entre la station de base 4 et le drone sous-marin 2 est effectué, pour déterminer la position du drone sous-marin 2 et pour l'échange d'informations. Par exemple, pendant l'étape finale 200, la station de base 4 émet un ordre d'annulation de l'approche de la station de base 4 pour éviter une collision. Le drone sous-marin 2 annule alors l'approche et se déplace par exemple vers la deuxième position P2 où il attendra un nouvel ordre de la station de base. Plus généralement, une telle émission d'ordre d'annulation de l'approche est propre à être émise à tout moment par la station de base 4 dès lorsqu'elle estime ou que l'opérateur qui en a le contrôle estime que cela est nécessaire.
Dans un autre exemple, le drone sous-marin 2 étant équipé d'un système d'évitement d'obstacles, non représenté, désactive ce système d'évitement d'obstacle, pour ne pas détecter la station de base 4 comme obstacle lors de l'étape finale 200.
A la fin de l'étape finale 200, l'émission des signaux acoustiques de la station de base 4 et du drone sous-marin 2 est arrêtée. Par le procédé décrit ci-dessus, le drone sous-marin applique donc une stratégie d'approche sécurisée.
Optionnellement, la troisième trajectoire T3 est également utilisée après désarrimage du drone sous-marin 2 de la station de base 4, pour sortir de la station de base 4 avant le début d'une mission opérationnelle. En d'autres termes, la troisième trajectoire T3 est également utilisé pour le lancement du drone sous-marin 2 à partir de la station de base 2.
A titre d'alternative, lors du désarrimage (i.e. relance) le drone sous-marin 2 ne réalise pas forcément la même trajectoire T3. Par exemple, le drone sous-marin 2 adopte une trajectoire « libre » en toute autonomie, puis sa propulsion est activée (par le drone lui-même ou par un opérateur distant) une fois que le drone sous-marin 2 est suffisamment éloigné, au-delà d'une distance prédéterminée, de la station de base 4.
Par exemple, en l'absence de propulsion activé lors de la relance du drone sous- marin 2, le drone sous-marin 2 est par exemple poussé en dehors de la station de base 4, ce qui lui donne de l'élan, puis si le drone a une flottabilité positive, la remontée du drone sous-marin 2 s'opère tranquillement.
Optionnellement, chaque phase de recalage 100, de déclanchement 1 10, ou encore d'approche finale 120 est propre à être validée ou arrêtée par un opérateur.
En variante, une autre trajectoire, non représentée, est utilisée pour le lancement du drone sous-marin 2 à partir de la station de base 2.
Sur la figure 5, un exemple du procédé d'approche de la station de base 4 est représenté. A la fin de sa mission opérationnelle, le drone sous-marin 2 s'approche de la position de recalage P1 afin de débuter le procédé d'approche décrit ci-dessus. La trajectoire globale du drone sous-marin 2 dans l'exemple comprend successivement la position de recalage P1 , la trajectoire d'attente TA, la première trajectoire ΤΊ , la deuxième position P2, la trajectoire d'attente TA, la deuxième trajectoire T2, la troisième position P3, la troisième trajectoire T3 et la position d'arrimage PA. La trajectoire d'attente TA de la figure 5 est de forme ovale à proximité de la position de recalage P1 ou de la deuxième position P2 respectivement.
La distance entre la troisième position P3 et la station de base 4 dépend de la taille et des capacités du drone sous-marin 2. La distance entre la position de recalage P1 et la station de base 4 est par exemple sensiblement égale à 2 km ce qui correspond à la portée du système bidirectionnel selon l'invention et la distance entre la troisième position P3 et la station de base 4 est sensiblement égale à 500 m.
Avantageusement, dans l'exemple de la figure 5, la troisième position P3 est localisée sur l'axe de rotation R du cône pour permettre l'arrimage du drone sous-marin 2 dans le logement 20 correspondant à la forme du drone sous-marin 2. En variante, non représentée, le logement comprend une ouverture plus large que les dimensions du drone sous-marin, permettant l'arrimage du drone sous-marin alors que la troisième position P3 n'est pas localisée sur l'axe de rotation R, mais localisée, à l'extérieur du logement, dans un volume prolongeant le cône du logement (non représenté).
On conçoit qu'avec un tel procédé d'approche de la station de base 4 dans le système bidirectionnel de navigation 1 sous-marine, la sécurité de navigation du drone est optimisée de sorte à protéger le drone sous-marin 2, comme la station de base 4, d'une avarie lors de l'approche et l'arrimage du drone sous-marin 2 à la station de base 4.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système bidirectionnel de navigation (1 ) sous-marine comprenant une station de base (4) et un drone sous-marin (2) autonome propre à se déplacer par rapport à la station de base (4),
le drone sous-marin (2) étant configuré pour déterminer sa propre position par rapport à la station de base (4), par triangulation d'au moins trois premiers signaux acoustiques :
émis simultanément et respectivement par au moins trois émetteurs-récepteurs (10B, 10C, 10D, 10E) de la station de base (4), et
comprenant chacun au moins une première information, déterminée par la station de base (4), et représentative d'un ordre de pilotage et/ou d'une position du drone sous-marin (2),
la station de base (4) étant configurée pour déterminer, la position du drone sous- marin (2) par rapport à sa propre position, par triangulation d'un deuxième signal acoustique reçu par ses au moins trois émetteurs-récepteurs (10B, 10C, 10D, 10E) et : émis par un émetteur-récepteur (10A) de signaux acoustiques du drone sous- marin (2), et
comprenant au moins une deuxième information, déterminée par le drone sous- marin (2), et représentative d'un statut et/ou d'une position du drone sous-marin
(2).
2. Système bidirectionnel de navigation (1 ) sous-marine selon la revendication 1 , dans lequel le drone sous-marin (2) comprend une mémoire (16A) configurée pour stocker l'agencement des émetteurs-récepteurs (10B, 10C, 10D, 10E) de la station de base (4) relativement les uns par rapport aux autres.
3. Système bidirectionnel de navigation (1 ) sous-marin selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque premier ou deuxième signal acoustique comprend en outre un identifiant de l'émetteur-récepteur (10A, 10B, 10C, 10D, 10E) auquel il est associé.
4. Système bidirectionnel de navigation (1 ) sous-marine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la station de base (4) comprend au moins quatre émetteurs-récepteurs (10B, 10C, 10D, 10E) configurés pour émettre simultanément chacun un premier signal acoustique comprenant ladite première information.
5. Système bidirectionnel de navigation (1 ) sous-marine selon la revendication 4, dans lequel les au moins quatre émetteurs-récepteurs (10B, 10C, 10D, 10E) de la station de base (4) sont agencés en forme de tétraèdre.
6. Système bidirectionnel de navigation (1 ) sous-marine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque émetteur-récepteur (10A, 10B, 10C, 10D, 10E) est un transducteur acoustique.
7. Système bidirectionnel de navigation (1 ) sous-marine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fréquence des signaux acoustiques échangés entre la station de base (4) et le drone sous-marin (2) est comprise entre 10 kHz et 30 kHz.
8. Système bidirectionnel de navigation (1 ) sous-marine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins l'une des première ou deuxième informations est chiffrée.
9. Système bidirectionnel de navigation (1 ) sous-marine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'ordre de pilotage du drone sous-marin (2) est un ordre prédéterminé appartenant au groupe comprenant au moins :
un ordre de remontée en surface,
un ordre d'approche de la station de base (4),
un ordre d'annulation de l'approche vers la station de base (4),
- un ordre d'arrêt d'urgence,
un ordre d'arrimage,
un ordre de changement ou de démarrage de mission,
un ordre d'attente,
un ordre de suivre une trajectoire d'attente (TA),
et dans lequel le statut du drone sous-marin (2) est un statut prédéterminé appartenant au groupe comprenant au moins:
une réponse positive ou négative à un ordre de pilotage émis au préalable par la station de base (4),
un statut du système de propulsion du drone sous-marin (2),
- un statut du système de navigation du drone sous-marin (2),
un statut du système de pilotage du drone sous-marin (2), un statut d'un système de manœuvrabilité (30),
un statut du système d'énergie,
un statut d'un capteur du drone sous-marin (2),
un statut d'un actionneur du drone sous-marin (2),
une donnée de repérage du fond marin.
10. Système bidirectionnel de navigation (1 ) sous-marine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins l'un des premier ou deuxième signal acoustique comprend une trame acoustique de synchronisation des horloges de la station de base (4) et du drone sous-marin (2).
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