Brevet FR2918783A1 — publié le 20090116

La présente invention concerne un système d'évitement de collisions et de conflits pour des avions autonomes sans pilote (UAV). Le fonctionnement d'avions sans pilote (UAV) exige que ceux-ci puissent être insérés immédiatement dans le trafic aérien civil et militaire. En particulier en cas d'absence de contact avec la station au sol, l'UAV doit être en mesure d'éviter automatiquement des collisions potentielles en respectant la réglementation du trafic aérien, sans enfreindre les frontières de service proprement dites ni pénétrer dans des espaces aériens limités. On utilise à cet effet le système TCAS. Ses composants de détection lui permettent de déterminer la position relative d'un autre avion, il détermine ensuite le risque de collision et ensuite les instructions de dégagement réactives et les propose au pilote humain pour éviter des collisions à court terme. Le procédé "Free flight conflict detection and resolution analysis" -(analyse de détection et de résolution de conflits en vol libre) (Kroyel, Mueller, Hunter) propose un système à deux niveaux (tactique, stratégique) pour éviter les conflits du trafic aérien. Dans l'article "A Hybrid A* Automaton approach to online patte planning with obstacle avoidance" (Approche hybride par automate A* de prévision de trajectoire en ligne avec évitement d'obstacle) de N.D. Richards, M. Sharma, D.G. Ward, dans AIAA 2004-6229, pages 1-17, 2004, on recommande une recherche de trajectoire A* basée sur des segments de mouvement. En revanche, selon la présente invention, on propose ce qui suit : Le système utilise des capteurs embarqués disponibles pour obtenir une image de l'espace aérien environnant. La position ainsi déterminée est alors étudiée quant aux cas de menaces de conflits (collisions, infractions TCAS, violations de l'espace aérien). Si l'on constate un problème, une recherche est lancée quant aux possibilités de dégagement, les itinéraires de dégagement correspondant autant que possible à la réglementation du trafic aérien. Selon le budget temps disponible on utilise un algorithme réactif à court terme au moyen d'une instruction FCS directe ou un algorithme de programmation de trajectoire à moyen terme qui détermine un plan de vol optimisé selon des conditions additionnelles aérotechniques ou économiques. Dans chaque cas, l'UAV est ramené sur l'itinéraire initial. Le procédé et le système proposés présentent les avantages suivants . L'introduction d'un système embarqué dans des UAV autonomes pour éviter des conflits et des collisions permet de les incorporer dans l'espace aérien civil et militaire de manière parallèle et transparente par rapport à des avions traditionnels. L'algorithme embarqué permet au système de fonctionner indépendamment d'une transmission de données. Compte tenu des zones TCAS, il n'en résulte aucune nuisance inutile pour le reste du trafic aérien. Le système hybride permet aussi bien de couvrir des aspects critiques au niveau de la sécurité que d'insérer des algorithmes développés de manière plus approfondie pour tenir compte de conditions additionnelles compliquées lors de la détermination de la route de dégagement. Des particularités de la présente invention résultent de la description dans laquelle le système est expliqué avec ses composants et son mode d'action au moyen de représentations schématiques. Sont montrées : Figure 1 : les sous-systèmes individuels du système proposé, Figure 2 : la manoeuvre de dégagement exécutée par le système, Figure 3 : les zones d'espace aérien utilisées pour l'analyse de la position et Figure 4 : un diagramme de déroulement du processus 15 décisionnel. Les composants du système d'évitement de conflits et de collisions Le système proposé utilise des capteurs embarqués 20 disponibles pour obtenir une image de l'espace aérien environnant. La position ainsi déterminée est alors étudiée quant aux cas de menaces de conflits (collisions, infractions TCAS, violations de l'espace aérien). Si un problème est constaté, une recherche hiérarchique est 25 lancée sur des possibilités de dégagement, les itinéraires de dégagement correspondant autant que possible à la réglementation du trafic aérien. Selon le budget temps disponible on utilise un algorithme réactif à court terme au moyen d'une instruction FCS directe ou 30 un algorithme de programmation de trajectoire à moyen terme qui détermine un plan de vol optimisé selon des conditions additionnelles aérotechniques ou économiques. Dans chaque cas, l'UAV est ramené sur l'itinéraire initial. La figure suivante montre les sous-systèmes individuels du système proposé (à gauche) ainsi que la 5 manoeuvre de dégagement (à droite) . Le système informatique Le système est réalisé dans un ou plusieurs calculateurs physiques à bord de l'UAV. Le système peut 10 être réalisé normalement en principe également dans un calculateur. Une dissociation sur plusieurs calculateurs est toutefois possible si, soit la puissance de calcul d'un calculateur n'est pas suffisante, les logiciels critiques au niveau sécurité doivent être séparés des 15 logiciels non critiques au niveau sécurité, soit les modules doivent être répartis de manière fonctionnelle sur différents calculateurs. Capteurs de position pour détermination des positions 20 des avions volant à proximité. Le système utilise tous les capteurs disponibles à bord de l'UAV pouvant être mis en oeuvre pour reconnaître d'autres avions et obstacles. Des exemples de capteurs sont : 25 Capteur TCAS Radar Capteurs à infrarouges Capteurs optiques 30 Prévision de trajectoire et évaluation de risque pour tous les avions volant à proximité Le module de prévision de trajectoire extrapole les trajectoires de tous les objets détectés par les capteurs et à partir de cela établit un pronostic pour les trajectoires de ces objets. Pour chaque objet on calcule si une collision peut se produire, tandis qu'avec les trajectoires prévues et le plan de vol spécifique on vérifie une éventuelle violation de zones autour de l'avion. Ces zones comprennent les zones TCAS Avis de Trafic (TA) et Avis de Résolution (RA), voir figure 3. Si une violation de la zone TCAS RA est pronostiquée, une manoeuvre de dégagement programmée est lancée. En outre, une autre zone est initiée (Autonomous Avoidance Zone/zone d'évitement autonome [AA]). Une menace de violation de cette zone déclenche une manoeuvre de dégagement réactive. Toutes les zones comportent deux composantes : une distance fixe inviolable autour de chaque avion et un délai pour atteindre cette limite. Il en résulte un ensemble de zones comme schématisé à la figure 3. Les dangers possibles sont hiérarchisés en fonction de la violation de zones la pire possible. Cette hiérarchisation détermine alors le type de la manoeuvre de dégagement. Dans le cas de plusieurs violations identiques, un itinéraire de dégagement est choisi qui évite tous les conflits connus. Module de détermination de limitations de l'espace aérien Les manoeuvres de dégagement tiennent compte de limitations quelconques de l'espace aérien. Des manoeuvres de dégagement peuvent en particulier être programmées de manière à ce qu'elles ne quittent pas un corridor spécial autour de la trajectoire de vol initiale. De plus, des espaces aériens peuvent être marqués comme fermés. Ceux- ci ne sont alors pas pris en compte par l'algorithme. Toutes les limitations d'espace aérien sont mises à la disposition des algorithmes de programmation par un module système. Module de détermination de la performance de vol disponible de l'avion proprement dit Des manoeuvres de dégagement possibles dépendent de la performance de vol de l'avion disponible au moment du conflit. Celle- ci peut être réduite à partir de la performance nominale par des erreurs techniques, des limitations externes ou par la position actuelle de vol. Un moduleûsystème surveille ces limitations et filtre de possibles manoeuvres de dégagement de telle manière que celles-ci ne se produisent qu'à l'intérieur des limites de performance de vol mises à disposition. Logique de décision pour la détermination des règles de dégagement appropriées La détermination de l'algorithme de dégagement choisi (réactif ou prévu) ainsi que la stratégie de dégagement choisie se produit dans un processus décisionnel hiérarchisé à deux niveaux selon la figure 4 . Tout d'abord on décide si l'on dispose d'assez de temps pour le calcul et la réalisation d'une manoeuvre prévue de dégagement. Si ce n'est pas le cas, on évite aussitôt de manière réactive. Si on dispose d'assez de temps, un algorithme de programmation est lancé. Cet algorithme est basé sur un algorithme de recherche de trajectoire A* mais qui démarre le cas échéant plusieurs fois avec différentes conditions additionnelles. Cette configuration dépend du scénario, les possibilités types sont : 1. Recherche de trajectoire horizontale 2D vers la droite 2. Recherche de trajectoire verticale 2D au-dessus ou en-dessous 3. Recherche de trajectoire 3 D au-dessus à droite ou en-dessous à droite 4. Recherche de trajectoire horizontale 2D vers la gauche 5. Recherche de trajectoire complète 3D Dans chaque cas on vérifie si la recherche de trajectoire se déroule suivant un intervalle de temps donné. Si aucune solution n'est trouvée dans ce laps de temps et par conséquent si une menace de violation de zones AA est pronostiquée, la décision niveau 1 est répétée et éventuellement l'algorithme réactif est déclenché comme réseau de sécurité. Détermination de l'itinéraire de dégagement programmé, y compris le retour à la trajectoire de vol initiale Calcul de la trajectoire de vol réactive pour la détermination rapide d'une voie de dégagement simple. L'algorithme réactif génère une manoeuvre simple en courbe qui fait voler l'avion hors de la zone dangereuse. D'éventuelles manoeuvres sont limitées par des modules quant à la performance de vol et aux limitations de l'espace aérien. Si la zone dangereuse est évitée, une manoeuvre de vol de retour sur la trajectoire initiale est introduite. Ces manoeuvres sont transmises comme des instructions directes au système de commande de l'avion. Calcul planifié de la trajectoire de vol pour détection d'une voie de dégagement optimale Un algorithme de programmation de trajectoire, par exemple A*, est mis en oeuvre qui permet de calculer une trajectoire optimale au moyen d'une fonction coût donnée. L'algorithme réunit de petits segments de trajectoire de mouvement, segments de mouvement, en différentes combinaisons pour trouver ainsi la combinaison optimale pour la fonction coût donnée. Ces segments de trajectoire sont donnés comme des segments de vol, contenant par exemple des courbes et des segments droits. D'éventuelles manoeuvres sont limitées par des modules quant à la performance de vol et aux limitations de l'espace aérien. L'algorithme de recherche de trajectoire est réglé de telle manière qu'il cherche comme objectif un élément non dangereux sur la trajectoire initiale. Cela permet à l'itinéraire de dégagement de revenir d'une position de l'itinéraire initial à une position sur l'itinéraire initial. La fonction coût détermine quel est l'itinéraire optimal pour l'algorithme de programmation. Ici différents paramètres peuvent être utilisés (également en combinaison). Par exemple : - Longueur ou durée de l'itinéraire de dégagement - Consommation de carburant - Réglementations du trafic aérien - Nombre des manoeuvres nécessaires ou des 30 modifications de manoeuvres nécessaires - Facteurs de charge pendant la manoeuvre - Pénétration dans un espace aérien non souhaité ou interdit La trajectoire de dégagement optimale ainsi calculée est alors introduite dans le plan de vol initial. Obstacles dynamiques Les zones décrites sous 0 dépendent de la géométrie relative de l'avion proprement dit par rapport à tout partenaire de collision éventuel. Il en résulte une situation très dynamique dans laquelle la forme et la taille des zones changent non seulement en permanence pendant le vol mais aussi à chaque étape d'une planification de dégagement. Pour saisir correctement cette situation, il est nécessaire d'extrapoler les trajectoires de vol de tous les avions concernés à chaque étape d'une planification et d'actualiser en même temps les calculs de zones. Les algorithmes travaillent avec ces zones extrapolées. L'extrapolation permet d'intercepter des erreurs produites par l'introduction de tampons autour des zones décrites sous O. Dans tous les cas il est important que l'on puisse aussi voler sur les trajectoires calculées pendant la manoeuvre de dégagement car en cas d'écart important par rapport à la trajectoire prévue, les zones actuelles ne correspondent pas à celles prévues et par conséquent cela peut déclencher des conflits. Aspects sécurité Le système comporte deux fonctionnalités principales pour le dégagement : 1. Un système partiel réactif critique au niveau sécurité. Celui-ci peut calculer une manoeuvre de dégagement très rapidement. La manoeuvre ne sera contraire à aucune condition additionnelle forte, comme par exemple un avis TCAS mais ne garantira aucune trajectoire de vol optimale. 2. Un système partiel non critique au niveau sécurité basé sur un algorithme de programmation. Cet algorithme a besoin de plus de temps et est plus complexe car il tient compte de toutes les conditions additionnelles possibles et garantit un itinéraire de dégagement optimal. A chaque moment, également lorsque l'algorithme de programmation est en cours, on vérifie si la situation est critique (menace de violation de zones AA). Si cela est le cas, l'algorithme de sécurité réactif est aussitôt activé. Résumé L'introduction dans des UAV autonomes d'un système embarqué pour éviter des conflits et des collisions permet de les incorporer dans l'espace aérien civil et militaire parallèlement et en transparence par rapport aux avions traditionnels. L'algorithme embarqué permet au système de fonctionner indépendamment d'une transmission de données. Compte tenu des zones TCAS, il n'en résulte aucune nuisance inutile pour le reste du trafic aérien. Le système hybride permet aussi bien de couvrir des aspects critiques au niveau sécurité que d'insérer des algorithmes développés de manière plus importante pour tenir compte de conditions additionnelles compliquées lors de la détermination de la courbe de dégagement. D'après ce que nous savons, les composantes suivantes du système sont nouvelles: -Procédé à deux niveaux, de manière réactive et de 30 manière programmée, le niveau réactif étant critique au niveau sécurité Prise en considération des zones TCAS pour ne pas déclencher de RA - Processus de décision de la direction vers laquelle il faut dégager - Retour à l'itinéraire initial (souvent peu clair 5 chez d'autres) Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir 10 du cadre de l'invention. Références bibliographiques : Algorithme A* P. E. Hart, N. J. Nilsson, B. Raphael, "Correction to: A Format Basis for the Heuristic Determination of Minimum Cost Paths", SIGART Newsletter, 37, pp. 28-29, 1972 Segments de trajectoires (primitives de mouvement) - N.D. Richards, M. Sharma, D.G. Ward, "A Hybrid A*/Automation Approach to On-fine Path Planning with -Obstacle Avoidance", AIAA 2004-6229, pp. 1-17, Procédé à deux niveaux "tactique" et "stratégique" Free Flight Conflight Detection (Kroyel, Mueller, Hunter) TCAS ICAO Annex 10, "Surveillance Radar and Collision Avoidance Systems", ICAO Annex 10 Vol. IV, 2002-Évitement de conflits : Aircraft Separation Systems Free Flight Conflight Detection (Kroyel, Mueller, 20 Hunter) Évitement de collisions, comme - Multisensor based Fully Autonomous Non-Cooperative Collision Avoidance System for UAVs (Fasano et al) - Autonomous Collision Avoidance of flying Vehicles 25 (Szu et al) - Sense And Avoid (SAA) & Traffic Alert and Collision Avoidance System (TCAS) Integration for Unmanned Aerial Systems (UAS) (Portilla et al) - UAV TRAJECTORY DESIGN USING TOTAL FIELD COLLISION 30 AVOIDANCE (Sigurd et al) REVENDICATIONS 1. Système d'évitement de collisions et de conflits pour avions autonomes sans pilote (UAV), caractérisé en ce que - le système utilise des capteurs embarqués disponibles pour obtenir une image de l'espace aérien environnant, - la position ainsi déterminée est alors étudiée quant aux cas de menaces de conflits (collisions, infractions TCAS, violations de l'espace aérien) et - lors de la constatation d'un problème, une recherche est lancée sur des possibilités de dégagement, les itinéraires de dégagement correspondant autant que possible à la réglementation du trafic aérien 2. Système d'évitement de collisions et de conflits selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise selon le budget-temps disponible, un algorithme réactif à court terme au moyen d'une instruction FCS directe ou un algorithme de programmation de trajectoire à moyen terme, qui détermine un plan de vol optimisé selon des conditions additionnelles aérotechniques ou économiques. 3. Système d'évitement de collisions et de conflits selon 25 la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que - l'UAV est ramené sur l'itinéraire initial.