Brevet FR2942536A1 — publié le 20100827

La présente invention concerne l'estimation de la vitesse de déplacement d'un véhicule volant en utilisant des moyens de mesure embarqués, et plus particulièrement l'estimation de la vitesse d'un drone en utilisant des 5 accéléromètres et un microcontrôleur embarqué. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Dans le domaine des véhicules volants, divers moyens sont connus pour estimer la vitesse de vol d'un aéronef. La mesure la plus classique est effectuée au moyen d'un 10 anémomètre ou badin. Cependant, un tel instrument n'est pas précis pour des vitesses faibles. Il est également possible d'estimer la vitesse au moyen d'un récepteur GPS. Cependant, il est actuellement envisagé de faire voler des drones de petites dimensions 15 dans des bâtiments, notamment à des fins d'inspection. Dans une telle situation, le signal GPS n'arrive pas ou mal jusqu'au drone, et n'est donc pas exploitable. Si un tel drone est équipé d'accéléromètres, il est tentant d'intégrer le signal provenant de ces 20 accéléromètres pour en déduire la vitesse. Cependant, il est bien connu qu'un tel signal finit par dériver, assez rapidement. On peut bien sûr recourir à des accéléromètres plus performants, au détriment du coût et de la masse. 25 Il a été également envisagé d'estimer la vitesse du drone en exploitant des images prises par une caméra embarquée. Cependant, le traitement de l'image requiert une puissance de calcul importante et doit donc en pratique être effectuée par une station au sol. Les temps 30 de transmission et de traitement conduisent à un retard dans l'estimation de la vitesse. On peut encore utiliser des télémètres laser ou doppler, qui posent également le problème de leur masse et de leur coût. 35 OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet de fournir un moyen simple et peu onéreux d'estimation de la vitesse de déplacement d'un aéronef, ne souffrant pas des inconvénients 5 précités. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose procédé de détermination d'une vitesse de déplacement d'un véhicule volant, comportant l'étape de mettre en oeuvre 10 des moyens de calcul pour : - estimer le module d'une force aérodynamique Faero s'exerçant sur le véhicule volant ; - en déduire la vitesse du véhicule de déplacement par la relation FQero = kv2 , où v est la vitesse 15 recherchée, et k un coefficient de proportionnalité. S'il n'y a pas de vent (comme attendu lors d'un vol en intérieur), ou si le vent est faible, on obtient ainsi une estimation de la vitesse du véhicule volant par rapport au sol. 20 Selon un mode préféré de mise en oeuvre, l'estimation du module de la force aérodynamique comprend les étapes de . - estimer une force de poussée Fpsubie par le véhicule en raison de l'action de son ou de ses 25 moyens de poussée ; - estimer une force inertielle F;,, = m • (â - g) , où m est la masse du véhicule, â est l'accélération du véhicule et g l'accélération de la gravité ; - en déduire la force aérodynamique par la relation de 30 Newton Faero = Fn -Fp , puis en estimer son module. Ces estimations peuvent être réalisées à partir de moyens très simples et peu coûteux. L'orientation du drone par rapport à un repère fixe est connue à l'aide d'accéléromètres et de gyromètres, ce qui permet 35 d'orienter correctement les forces. L'estimation de la force inertielle peut être réalisée simplement en mesurant grâce aux accéléromètres l'accélération subie par le drone, et, connaissant la masse du drone entrée en mémoire préalablement au vol, il est facile d'en déduire la valeur de la force inertielle. En pratique, si l'accélération subie par le drone est très faible, la force inertielle se réduit au poids du drone Fing.e-m•g, ce qui est simple à estimer, connaissant l'orientation du drone. Enfin, la force de poussée Fp peut être estimée simplement à partir de la mesure de la puissance effectivement fournie à le ou les moteurs du véhicule volant, en faisant l'hypothèse d'une relation entre la puissance fournie et la poussée délivrée. En pratique, si le drone est équipé de moteurs électriques, il suffira de mesurer le courant fourni aux moteurs pour estimer les poussées développées, ou encore, de déduire la poussée délivrée de la simple mesure de la vitesse de rotation du moteur, ou de la tension appliquée à ses bornes. Ce procédé de mesure de vitesse trouve une application avantageuse dans le cas d'un véhicule pour lequel la portance est totalement fournie par le ou les moteurs. Dans ce cas, la force aérodynamique se réduit à une traînée qui peut, dans des conditions de vol normales, être estimée à l'aide d'un coefficient constant, indépendant de l'attitude du véhicule, de sorte que l'estimation du module de la force aérodynamique se trouve notablement simplifiée. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de l'unique figure qui est une vue en perspective d'un drone équipé de moyens d'estimation de la vitesse selon l'invention.35 DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES En référence à la figure 1, l'invention est ici décrite en relation avec un drone 1 d'un type particulier comprenant quatre groupes motopropulseurs 2, ici des moteurs électriques équipés chacun d'un rotor 3 sans variation cyclique de pas, et portés chacun au bout d'un bras pour délivrer une poussée sensiblement verticale quand le drone est dans une position stationnaire, selon une assiette horizontale. Les groupes motopropulseurs forment des moyens de poussée participant tant à la sustentation qu'à la propulsion du drone. Pour provoquer une prise d'altitude en partant d'une telle position stationnaire, il suffit d'augmenter simultanément la puissance des quatre groupes motopropulseurs. Pour provoquer un déplacement longitudinal, il suffit d'incliner légèrement le drone dans la direction désirée en augmentant momentanément la puissance d'un ou deux groupes motopropulseurs par rapport à la puissance délivrée aux autres motopropulseurs. Une fois le drone dans une attitude inclinée, celui-ci avance tout seul sous l'effet de la composante non porteuse de la poussée cumulée des groupes motopropulseurs. L'invention a pour objet d'estimer la vitesse, par 25 la mise en oeuvre de moyens de calculs embarqués très simples. A cet effet, le drone est équipé d'un microcontrôleur 10 adapté à mettre en oeuvre selon l'invention un petit programme de calcul de la vitesse 30 stocké dans une mémoire morte 11. En outre, le drone comporte une centrale inertielle 12, comprenant essentiellement des accéléromètres, capable de déterminer une accélération subie par le drone lors de son déplacement. La centrale inertielle permet à tout instant de déterminer une orientation du drone dans l'espace, relativement à un repère fixe. En particulier, la centrale inertielle 12 comporte des gyromètres qui permettent de connaître l'orientation d'un vecteur unitaire n' qui repère une orientation de drone dans l'espace par rapport à un repère fixe R, ainsi que l'angle cD qui repère la position angulaire du drone autour d'un axe dirigé selon le vecteur ce qui détermine complètement la position du drone dans l'espace. En outre, la centrale inertielle comporte des accéléromètres qui permettent de mesurer les accélérations subies par le drone lors de ses 1~3 déplacements. Soit â l'accélération du drone mesurée par la centrale inertielle. En pratique, la centrale mesure simultanément des accélérations selon trois axes déterminés, par exemple ceux du repère fixe R. Connaissant la masse du drone, qui peut être entrée 20 en mémoire avant le début du vol du drone, il est dès lors facile de déterminer la force inertielle subie par le drone Fä =m•-) (1) où g est l'accélération de la gravité qui est bien sûr 25 orientée selon la verticale locale. En pratique, on détermine les trois composantes de la force inertielle dans le repère R. Le drone comporte également des moyens de gestion 13 de l'alimentation des groupes motopropulseurs, qui, en 30 réponse à des signaux de conduite provenant d'une station au sol, distribue la puissance provenant de moyens de batterie à chacun des groupes motopropulseurs 2. Sachant que la poussée développée par chacun des groupes motopropulseurs 2 est directement liée à la puissance 35 qu'il reçoit, il est alors très simple de déterminer le module de la poussée de chacun des groupes motopropulseurs. Par exemple, on peut faire l'hypothèse que la poussée d'un groupe motopropulseur est directement liée à la vitesse de rotation du moteur associé de sorte que la simple mesure de la vitesse de rotation du moteur permet de connaître la poussée développée par le groupe motopropulseur. Connaissant l'orientation de la poussée pour chaque groupe motopropulseur (ici, les poussées sont toutes parallèles au vecteur unitaire n, on en déduit donc les poussées, respectivementFi, F2, F3, F4, de chacun des groupes motopropulseurs. En faisant la somme vectorielle des poussées de tous les groupes motopropulseurs, on détermine ainsi la force de poussée totale Fp appliquée au drone, dont les trois composantes sont également exprimées dans le repère R. D'après l'équation de Newton, la force aérodynamique subie par le drone par son déplacement peut être déduite par la relation suivante : Faero - FP (2) dont les valeurs des trois composantes, dans le repère R, s'obtiennent par soustraction des composantes respectives de la force inertielle et de la force de poussée dans ce même repère. On sait que la force aérodynamique subie par le drone est proportionnelle à la vitesse v de déplacement du drone au carré, et à un coefficient de proportionnalité k qui dépend notamment de la taille du drone. Ainsi, la vitesse se déduit du simple calcul : v= (3) Où Faero est le module de la force aérodynamique Faero , c' est-à-dire la valeur Fero,x +Fero,r +Fero,z }'/z , où Faero,X Faero,Y,Faero,z sont les composantes de la force aérodynamique dans le repère fixe R. Il suffit donc de connaître la valeur du coefficient de proportionnalité k, qui peut être entrée en mémoire avant le début du vol. Dans le modèle le plus simple, celui-ci peut être considéré comme constant et peut donc être également entré en mémoire. Dans le cas d'espèce, l'effort aérodynamique est essentiellement un effort de traînée, pour lequel le coefficient k ne dépend que peu, pour les attitudes et les incidences de vol normales, de l'angle d'incidence. On ne commet donc pas une grande erreur en considérant le coefficient k comme constant. Cependant, dans un modèle plus sophistiqué, le coefficient k peut dépendre de l'angle d'incidence du drone. Cette dépendance peut être prise en compte par la programmation d'une relation simple, ou encore par l'intermédiaire d'une table de valeurs liant le coefficient k à l'angle d'incidence. 1l conviendra alors d'équiper le drone d'un capteur d'incidence, ou de déduire l'incidence à partir des données mesurées par la centrale inertielle. Ainsi, la vitesse peut se déduire très simplement, avec des calculs très réduits, à partir d'une mesure d'accélération et d'une indication de la poussée. Cette estimation de la vitesse ne fait appel à aucun capteur spécifique de vitesse. De préférence, la vitesse ainsi estimée n'est pas utilisée directement, mais fait l'objet d'un filtrage. De préférence, on met en oeuvre un filtre de recalage et prédiction, comme expliqué ci-dessous. Si Vmes est la vitesse mesurée selon l'invention, on détermine une vitesse filtrée vf/ de la façon suivante. Dans une première étape, la vitesse filtrée est recalée par rapport à sa valeur au pas précédent en tenant compte de la vitesse estimée : ~i-1))+K(ve5.~(i-1)-vf/(i-1� (4) Où K est un gain de pondération du recalage. Dans une deuxième étape, on prédit la vitesse filtrée au pas suivant de la façon suivante. On commence tout d'abord par estimer une force aérodynamique au pas suivant en utilisant la valeur de la vitesse filtrée recalée au pas i Faero(i)=k',i(i) (5) Puis, connaissant la valeur de la force de poussée Fp(i), mesurée comme expliquée ci-dessus, on en déduit une 10 accélération estimée : a(i)= m {mg'+Fp(i)+Faero(i)} (6) En variante, on pourra également utiliser l'accélération mesurée par les accéléromètres de la centrale inertielle. La vitesse filtrée au pas suivant sera alors prédite en 15 ajoutant à la valeur actuelle de la vitesse filtrée un accroissement calculé à partir de l'accélération ainsi estimée, en l'occurrence ici : 1-;fl(i+1)=vrl(i)+At•â(i). (7) Où At est le pas d'échantillonnage. On attend alors la 20 mesure de la vitesse au pas i+1 pour recaler la vitesse ainsi estimée selon la relation (4). Des essais ont permis de vérifier qu'un tel filtrage donne un signal de vitesse fiable, sans dérive. L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être 25 décrit, mais englobe toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications. En particulier, bien que l'on ait décrit l'invention en relation avec un véhicule volant dont l'effort de sustentation est assuré par les groupes motopropulseurs, on pourra également appliquer 30 l'invention à un véhicule volant dont l'effort de sustentation est fourni partiellement ou totalement par une ou plusieurs surfaces portantes. Dans ce cas, la force aérodynamique estimée selon l'invention est la somme d'une force de traînée et d'une force de portance. Cette dernière dépend essentiellement de l'incidence de :L'appareil, et il conviendra alors de mesurer cette incidence à l'aide d'un capteur spécifique. En outre, on pourra coupler cette détermination de 5 la vitesse selon l'invention avec un dispositif de vision muni d'une caméra dont les images sont exploitées pour recaler périodiquement la vitesse ainsi déterminée. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination d'une vitesse de déplacement d'un véhicule volant, comportant l'étape de mettre en oeuvre des moyens de calcul (10,11) embarqués pour : - estimer le module d'une force aérodynamique Foero s'exerçant sur le véhicule volant ; - en déduire la vitesse du véhicule de déplacement par la relation Faero = kv2 , où v est la vitesse recherchée, et k un coefficient de proportionnalité. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'estimation du module de la force aérodynamique comprend les étapes de : - estimer une force de poussée F~ subie par le véhicule en raison de l'action de son ou de ses moyens de poussée (2,3) ; - estimer une force inertielle Fin =m•(â-g), où m est la masse du véhicule, â est l'accélération du véhicule et g l'accélération de la gravité, subie par le véhicule lors de son déplacement ; - en déduire la force aérodynamique par la relation de Newton Fae.o =F;n ùPr , puis en estimer son module. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre l'étape de filtrer la vitesse ainsi estimée pour déterminer une vitesse filtrée v'f/(i). 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape de filtrage comprend l'opération de déterminer la valeur de la vitesse filtrée au pas suivant vf/(i+1) ajoutant à la vitesse filtrée au pas actuel un accroissement qui dépend d'une accélération â(i) subie par le véhicule au pas actuel. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'accélération est estimée selon la relationa 0 = m }mg + i (r) + Faero @ )} ,où -É(i) est une estimation de la force de poussée au pas actuel, et Faero(i) est une estimation de la force aérodynamique subie par le véhicule volant en utilisant la valeur de la vitesse 5 filtrée au pas actuel : FQe,o(i)=kv'l(i) .