Brevet FR2926637A1 — publié le 20090724

Procédé et dispositif pour l'estimation de la vitesse par rapport à l'air d'un véhicule aérien 1 Domaine de l'invention s L'invention porte sur un procédé pour l'estimation du vecteur vitesse par rapport à l'air d'un véhicule aérien. L'invention porte également sur un dispositif de mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette invention est applicable en particulier à des véhicules aériens de faible dimension, évoluant à basse vitesse, comme par exemple certains drones à voilure tournante. 'o Habituellement, la vitesse du véhicule aérien est estimée soit par intégration dans le repère inertiel de mesures accélérométriques provenant d'une centrale inertielle embarquée à bord du véhicule, soit par l'utilisation d'un GPS fournissant directement ou par dérivation par rapport au temps de la position une information de vitesse, soit encore par l'utilisation de capteurs is air (capteurs de pression pour le module de la vitesse et girouettes pour les angles d'incidence et de dérapage). Ces trois techniques ont des défauts particuliers. La présente invention peut-être utilisée pour palier ces défauts, ou venir en complément d'une ou plusieurs de ces techniques. 20 Le principe de base de l'invention est l'exploitation d'un effet aérodynamique appelé traînée de captation pour un rotor caréné (en anglais "momentum drag" ou "ram drag"). Cette traînée présente la particularité d'être d'intensité proportionnelle à. la vitesse par rapport à la masse d'air du véhicule (appelée par la suite 25 vitesse air par opposition à la vitesse sol, vitesse du véhicule par rapport au sol), contrairement à la plupart des autres forces aérodynamiques qui sont proportionnelles au carré de la vitesse air. Cette particularité rend cette trainée dominante à faible vitesse par rapport aux autres forces aérodynamiques liées à la vitesse air du véhicule. À basse vitesse, l'effet de la traînée de cap- 30 tation apparaîtra donc de manière prépondérante par rapport à l'effet des autres traînées aérodynamiques. C'est ce qui rend intéressant le principe de l'invention. 1 État de la technique connue la plus proche de l'invention. 2.1 Exposé des points caractéristiques des réalisations antérieures. s Il existe plusieurs classes de techniques pour estimer la vitesse d'un vé-hicule aérien. 1 Les techniques inertielles traditionnelles basées sur l'intégration au travers d'un filtre de Kalman, ou d'un autre algorithme de fusion de don-nées, d'informations en provenance de gyromètres et d'accéléromètres io embarqués sur le véhicule dont on souhaite estimer la position et la vitesse. Réf : P. Faurre, Navigation inertielle et filtrage stochastique, DUNOD, 1971 2. L'utilisation de capteurs industrialisés : par exemple l'ajout d'un capteur GPS, ou de capteurs air (solution la plus couramment adoptée). 15 Souvent, on intègre les mesures de ces capteurs additionnels dans le filtre de Kalman. Les mesures du GPS donne des information de position et de vitesse, les capteurs air fournissent des informations de vitesse. 3. Le développement de nouveaux capteurs : une solution en cours de 20 développement consiste à ajouter une caméra et à l'utiliser comme un odomètre visuel (information de vitesse) ou à pratiquer une corrélation entre le terrain et la carte connue (information de position). 2.2 Lacunes ou inconvénients des réalisations antérieures La première classe de méthodes (techniques inertielles traditionnelles) 25 nécessite l'emploi de capteurs de haute précision dont le prix, le poids, l'encombrement et la consommation sont très importants. Elle est incompatible avec des drones de petite taille et de faible coût. La deuxième classe de méthodes donne des résultats suffisamment précis pour être exploitables, dans le cas d'un drome, sous réserve que : 30 û le GPS soit disponible et sa précision suffisante. La disponibilité du signal GPS dépend de la visibilité d'un nombre suffisant de satellites. En outre, les problèmes d'évolution faible de la constellation engendre des disparition ou apparition de satellite qui peuvent introduire des aberrations de mesure. En ces cas, on observe une erreur notable sur 35 les données pouvant être du ordre d'une variation brutale de plus d'une centaine de mètres en position et plusieurs m/s en vitesse. l'écoulement des flux d'air soit régulier autour du véhicule. L'information de vitesse délivrée par les capteurs air n'est réellement exploitable que si l'écoulement du air est suffisamment régulier autour du véhicule. 2 Cela est irréaliste à basse vitesse (vol stationnaire ou quasi station- naire) ainsi que pour certaines plateformes de type hélicoptère dont le disque rotor produit localement un fort écoulement vertical. La troisième classe de rnéthodes, en particulier les techniques émergentes à base de vision sont actuellement peu fiables et très lourdes en terme d'effort numérique (temps de calcul et/ou base de données). L'ajout d'un capteur type vision et des moyens de calculs nécessaires n'est pas toujours possible lorsqu'il y a des contraintes strictes de capacité d'emport. 3 Buts de l'invention ro Le système que nous proposons permet d'obtenir une estimation du vecteur vitesse du véhicule aérien par rapport à l'air. Précisément, on équipe le véhicule d'un dispositif de sorte que le véhicule aérien est soumis à une traînée de captation qui est indirectement mesurée et dont on tire une information sur le vecteur vitesse recherché. 15 4 Les moyens de l'invention 4.1 Dispositif Pour engendrer une traînée de captation, on équipe un véhicule aérien d'un rotor caréné additionnel. On peut mesurer cette traînée additionnée aux forces autres que gravitationnelles s'exerçant sur le véhicule à l'aide d'accélé- 20 romètres dont on équipe le véhicule aérien. Le dispositif comporte également une carte d'acquisition et de calcul reliée aux capteurs et actionneurs du véhicule aérien considéré de sorte qu'il est possible de connaître les forces exercés par la voilure du véhicule aérien pour le sustenter. Le rotor caréné est placé de telle sorte que sa vitesse par rapport à la masse d'air soit proche 25 de la vitesse par rapport à la masse d'air du centre de gravité du véhicule aérien. Selon des modes de réalisation particuliers d'un dispositif de l'invention : le rotor peut assurer en partie ou en totalité la sustentation du véhicule. en complément des accéléromètres sus-cités on pourra également équi- 30 per le véhicule aérien d'un trièdre gyrométrique, d'un trièdre magnétométrique, d'un GPS fournissant une information de vitesse et une information de position. Si ces capteurs sont déjà présents à bord du véhicule, on pourra les utiliser. dans le cas où le véhicule aérien présente déjà un rotor caréné, celui-ci 35 pourra être directement utilisé dans le dispositif. 3 .2 Procédé utilisé Un objet de l'invention est un procédé d'estimation de la vitesse d'un véhicule aérien par rapport à la masse d'air dans laquelle il se trouve. Ce procédé consiste à utiliser l'équation Yaccéléromètre = m (Faero + Fcornnaande + Fcaptation) OÙ Yaccéléromètre est la mesure des accéléromètres trois axes, m est la masse du véhicule aérien ajoutée à celle du dispositif, Faero est la valeur des forces aérodynamiques s'exerçant sur le véhicule à voilure tournante qui est connue par ailleurs ou supposée négligeable lorsque le véhicule évolue à basse vitesse, Fcommande est la valeur des forces exercées par la voilure tournante qui est io connue, et Fcaptation est la force de captation engendrée par le rotor caréné du dispositif qui est égale à aVvhicule/air où a est un facteur de proportionnalité connu. En résolvant cette équation, on obtient Vvéhicule/air = (mYaccéléromètre ù Faero ù Fcomnaande) À basse vitesse, on néglige Faero qui est une fonction quadratique de la vitesse du véhicule par rapport à l'air, pour obtenir 1 Vvéhicule/air = a (mYaccéléromètre Fcomrnande) Lorsqu'on dispose d'un GPS, mesurant la vitesse du véhicule aérien par rapport au sol, on peut calculer la vitesse de l'air par rapport au sol par l'équation Vair/soI = ù Vvéhicule/air + Vvéhicule/sol. is Il est possible d'utiliser ce procédé en complément des techniques classiques de navigation inertielle. On aboutira au procédé suivant, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de calcul suivantes : initialisation du vecteur d'état estimé du véhicule au sol à t=0. Ce vecteur d'état estimé a pour composantes le vecteur position (initialisé 20 à la dernière position connue), un vecteur vitesse par rapport au sol (initialisé à zéro), un vecteur vitesse angulaire (initialisé à zéro), des angles d'attitude (initialisés à zéro), et le cap (initialisé à la dernière mesure connue). Puis, itérativement avec un pas de temps égal à la période T choisie pour le 25 calcul, on exécutera les étapes de calcul suivantes ù prédiction de l'état étendu du véhicule aérien ainsi que des mesures des accélérations et des vitesses angulaires en utilisant une modélisation de sa dynamique. Cet état étendu est composé du vecteur position, du vecteur vitesse par rapport au sol, du vecteur vitesse angulaire, des 4 angles d'attitude, du cap, des forces autres que gravitationnelles et des couples s'exerçant sur le véhicule aérien. û acquisition des mesures d'accélération et de vitesse angulaire au moyen d'un accéléromètre trois axes et d'un gyroscope trois axes solidaires du véhicule aérien et du cap magnétique au moyen d'un magnétomètre en utilisant les angles d'attitude du état estimé. Les écarts entre les mesures prédites et effectuées (écarts appelés innovations par la suite) sont reliés par l'intermédiaire d'une formule à la vitesse air du véhicule. Io Notations On se place dans le référentiel terrestre supposé galiléen pour les besoins et la durée de l'expérimentation. On considère deux repères dans ce référentiel : û le repère inertiel dont l'origine est le point de décollage du vecteur 15 aérien. Les axes du trièdre direct sont respectivement dirigés vers le nord, l'est et le centre de la terre. û le repère attaché à le véhicule (appelé par la suite repère "véhicule") dont l'origine est au centre de gravité du véhicule et les axes sont respectivement l'axe longitudinal du véhicule, l'axe latéral, le troisième 20 vecteur étant tel que le repère soit direct. L'exposant b (resp i) signifie que le vecteur est exprimé en repère véhicule (respectivement inertiel). On considère un vecteur aérien assimilé à un corps solide à 6 degrés de liberté soumis à des forces et des couples. On utilise l'indice e ou p pour 25 les valeurs estimées ou prédites et l'indice k pour désigner le pas de temps considéré : û Xi représente la position du véhicule en repère inertiel X = [x y z]T V' représente la vitesse du véhicule en repère véhicule V = [u v w]T û Q est le vecteur des angles d'Euler Q = [0 B]T roulis, tangage et 30 lacet û St représente les vitesses angulaires du véhicule 5-2 = [p q r]T û I est la matrice d'inertie du véhicule û m est la masse du véhicule (incluant les équipements du dispositif) ù g' est le vecteur gravité exprimé dans le repère inertiel 35 Le véhicule est soumis à des forces et à des couples, appelés entrées du système. Ces grandeurs correspondent aux commandes, à la traînée de captation et éventuellement à d'autres forces aérodynamiques. On note û Fcaptation et I captation la force et le couple dus à la traînée de captation. ao û Faero et Faero la force et le couple dus aux effets aérodynamiques à l'exclusion de la traînée de captation. û Fcommande et rcommande la force et le couple dus aux commandes ap- 5 paraissant dans les équations de la dynamique. Les données des capteurs présents sur le véhicule sont rassemblées en un vecteur de mesures Ym qui peut comprendre : ù I/v mesures données par le trièdre d'accéléromètres exprimées dans le repère véhicule ù YSt mesures données par le trièdre des gyromètres ù YAI mesures rnagnétométriques. 5 Description d'un exemple détaillé de réalisation. A titre d'exemple, nous exposons ici un algorithme de fusion de données ro utilisant les techniques inertielles classiques et les données en provenance du dispositif de l'invention. Il fournit, en temps discret, une estimation du vecteur vitesse par rapport à l'air d'un véhicule aérien. ù L'état du véhicule à l'instant k, estimé Xek(resp prédit Xpk), se corn-pose de la vitesse, des angles d'attitude, et des vitesses angulaires. On 15 note Xek = [V Q S2]T ù La dynamique du véhicule est écrite sous la forme d'une équation différentielle ordinaire en temps continu par X = f (X, U), où X représente l'état du véhicule et U les commandes et entrées du système. U comporte la traînée de captation et des commandes. 20 ù Le calcul du état du véhicule au pas de temps suivant prendra en compte le modèle dynamique du véhicule ci-dessus faisant intervenir la traînée de captation. Celle-ci s'exprime sous forme d'une force et d'un couple proportionnels à la vitesse air du véhicule : on notera Fcaptation = aVair, "'captation = arVair où a et ar sont des facteurs de 25 proportionnalité. ù la fonction f prend la forme suivante : mV = ùSZ X mV + mÿ + Faero + Fcaptation + Fcommande Q = G(s-2, Q) IS2 = ùS2 X ISZ + aero + "'captation + "'commande Où p + (q sin(0) + r cos(0)) tan(0) 1 G(SZ, Q) = q cos(çb) - r sin(çb) L (gsin(0) + rcos(0))cos(0)ùr j la prédiction des mesures accélérométriques, gyrométriques et magnétométriques au pas de temps suivant s'obtient au travers des formules suivantes, un accéléromètre mesurant la somme des forces exercées sur le véhicule exception faite de la gravité, un gyroscope mesurant la vitesse angulaire et un magnétomètre les trois composantes du champ 6 magnétique dans un repère direct permettant d'obtenir en utilisant les angles d'attitude connus une mesure du cap par projection : 1 Yaccéléromètre = 1 (Faero + Fcaptation + Fcommande) Ygyromètre ù 1-2 Ymagnétomètre = la méthode utilisée pour le calcul des gains de la matrice de recalage K est la technique du filtrage de Kalman décrit ci après. Les matrices de covariance de la dynamique sont initialisées avec des valeurs compatibles de la dynamique du véhicule considéré (accélérations, vitesses angulaires...). La fréquence d'actualisation du filtre est synchronisée avec celle de la centrale inertielle, par exemple à 75Hz. Classiquement, les formules de mise à jour du filtre de Kalman se font en temps discret. Une attention particulière est portée à maintenir la matrice de covariance du bruit de dynamique définie positive. On note Pp la matrice de covariance du état utilisée pour la prédiction, Pe la matrice de covariance du état pour l'estimation, Q la matrice de covariance du bruit de dynamique, R la matrice de covariance du bruit de mesure, Xp l'état prédit, Xe l'état estimé, A la matrice du système linéarisé autour du point courant, C la matrice de mesure linéarisée autour du point courant, et T le pas de temps (entre deux itérations du algorithme). Comme décrit plus haut dans ce document, on effectue une prédiction(en temps discret) du temps k au temps k + 1, pour obtenir Xp et Pp , ensuite on effectue la phase de recalage en utilisant les mesures pour obtenir Xe et Pe. Les mises à jours sont faites comme suit : Xpk+1 = Xek + F(Xek, U)T T2 PPk+1 = (I + Ak+1T)Pek(I + Ak+1T)T + QT + (Ak+1Q + QA +1) T3 + Ak+1QA7+1 3 Ypk+1 = IFcaptation + Fcommande + Faerodynamique, tPk+1, NIpk+1 1T Kk+1 = Ppk+lCk+l (R + Ck+lPpk+lCk+1)ù1 Xek+l = Xpk+l + Kk+l (York+l ù Ypk+l ) Pek+l = (I ù Kk+lCk+1)Ppk+l(I Kk+lCk+1)T + Kk+1RKk+l La différence entre les mesures prédites Yp et effectuées Ym permet de recaler l'état du véhicule aérien selon la formule : Xek+l = Xpk + Kk+1(Ymk+l ù Ypk+l ) 7 Revendications 1. Dispositif d'estimation de la vitesse par rapport à l'air Vvéhicule/air d'un véhicule aérien caractérisé en ce qu'il est constitué d'une rotor caréné placé s de telle sorte que la vitesse par rapport à l'air de son centre de gravité soit proche de celle du centre de gravité du véhicule aérien, et d'accéléromètres trois axes dont les données sont exploitées par une carte d'acquisition et de calcul pour estimer la vitesse Vvéhicule/air qui n'est pas directement mesurée, en utilisant l'équation suivante : 1 Yaccéléromètre = ù(Faero + Fcaptation + Fcommande) ro où Yaccéléromètre est la mesure des accéléromètres trois axes, Faero est la valeur des forces aérodynamiques s'exerçant sur le véhicule à voilure tournante qui est connue par ailleurs ou supposée négligeable lorsque le véhicule évolue à basse vitesse, Fcommande est la valeur des forces exercées par la voilure tournante qui est connue, et Fcaptation est la force de captation engendrée 15 par le rotor caréné du dispositif qui est égale à aVair où a est un facteur de proportionnalité connu. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rotor caréné participe de manière prépondérante à la sustentation du véhicule aérien. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 complété par 20 un capteur de type GPS mesurant la vitesse du véhicule aérien par rapport au sol permettant de calculer la vitesse de l'air par rapport au sol par l'équation Vair/sol = ù Vvéhicule/air + Vvéhicule/sol 4. Procédé d'estimation de la vitesse d'un véhicule aérien par rapport à l'air, mis en oeuvre par le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on effectue une estimation de la vitesse Vvéhicule/air 25 du véhicule aérien en complément des équations déjà utilisées en techniques inertielles classiques, l'équation suivante : Yaccéléromètre = M (Faero + Fcaptation + Fcommande) 8