Brevet FR2985581A1 — publié le 20130712

L'invention concerne les drones à voilure tournante tels que les quadricoptères et analogues. Ces drones sont pourvus de rotors multiples entraînés par des moteurs respectifs commandables de manière différenciée afin de piloter le drone en attitude et en vitesse. Un exemple typique d'un tel drone est le AR.Drone de Parrot SA, Paris, France, qui est un quadricoptère équipé d'une série de capteurs (accéléromètres, gyromètres trois axes, altimètre), d'une caméra frontale captant une image de la scène vers laquelle est dirigé le drone, et d'une caméra de visée verticale captant une image du terrain survolé. Ce drone est piloté par l'utilisateur au moyen d'un dispositif de télécommande déportée - ci-après désigné "appareil" - relié au drone par une liaison radio. Les WO 2010/061099 A2 et EP 2 364 757 Al (Parrot SA) décrivent un tel drone ainsi que son principe de pilotage par l'intermédiaire d'un téléphone ou baladeur multimédia à écran tactile et accéléromètre intégré, par exemple un téléphone cellulaire de type iPhone ou un baladeur ou une tablette multimédia de type iPod Touch ou iPad (marques déposées de Apple Inc., USA). Ces appareils incorporent les divers organes de contrôle nécessaires à la détection des commandes de pilotage et à l'échange bi- directionnel de données avec le drone via une liaison sans fil de type réseau local Wi-Fi (IEEE 802.11) ou Bluetooth (marques déposées). Ils sont en outre pourvus d'un écran tactile affichant l'image captée par la caméra frontale du drone, avec en superposition un certain nombre de symboles permettant l'activation de commandes par simple contact du doigt de l'uti- lisateur sur cet écran tactile. Plus précisément, le drone est piloté par l'utilisateur au moyen de signaux émis par le détecteur d'inclinaisons de l'appareil, inclinaisons qui seront répliquées par le drone : par exemple, pour faire avancer le drone l'utilisa- teur incline son appareil selon son axe de tangage, et pour déporter le drone à droite ou à gauche il incline ce même appareil par rapport à son axe de roulis. De cette manière, si le drone est commandé de manière à s'incliner ou "plonger" vers le bas (inclinaison suivant un angle de tangage), il progressera vers l'avant avec une vitesse d'autant plus élevée que l'inclinaison sera importante ; inversement s'il est commandé de ma- nière à se "cabrer" dans le sens opposé, sa vitesse ralentira progressivement puis s'inversera en repartant vers l'arrière. De la même façon, pour une commande d'inclinaison suivant un axe de roulis le drone penchera à droite ou à gauche, provoquant un déplacement linéaire en translation ho- rizontale vers la droite ou vers la gauche. L'utilisateur dispose d'autres commandes affichées sur l'écran tactile, notamment de "montée/descente" (commande des gaz) et de " pivotement à droite/ pivotement à gauche" (pivotement du drone autour de son axe de lacet). Le drone est également pourvu d'une commande de passage en point fixe : lorsque l'utilisateur lâche toutes les commandes de son appareil de télécommande, le drone s'immobilise au point fixe et s'y stabilise de façon entièrement automatique. La caméra vidéo du drone est utilisable non seulement pour le pilotage en "mode immersif" (c'est-à-dire où l'utilisateur se sert de l'image de la camé- ra embarquée de la même façon que s'il se trouvait lui-même à bord du drone), mais également pour capter des séquences d'image d'une scène vers laquelle est dirigé le drone. L'utilisateur peut ainsi se servir de la caméra du drone de la même façon que d'une caméra ou d'un caméscope qui, au lieu d'être tenu à la main, serait porté par le drone. Mais dans son vol le drone est sujet à de nombreux mouvements parasites qui vont provoquer des oscillations et sautillements intempestifs de l'image captée par la caméra. En particulier, avec la caméra qui pointe dans la direction principale du drone (direction correspondant à l'axe de roulis), tout mouvement autour de l'axe de tangage (perpendiculairement à l'axe de la caméra) produira sur l'image des oscillations verticales dégradant fortement la lisibilité et la qualité de l'image captée. Or, comme on l'a exposé plus haut, les déplacements du drone, qu'ils soient commandés par l'utilisateur ou asservis par le pilote automatique, résultent principalement de mouvements de bascule autour des axes de tangage (déplacement avant/arrière) et de roulis (déplacement gauche/droite), qui sont inhérents au principe même de fonctionnement d'un drone de type quadricoptère. On connaît certes de nombreuses techniques de stabilisation d'image, mais ces techniques ne sont malheureusement pas applicables au cas particulier évoqué ici : - dans la mesure où le drone est un objet volant qui n'est pas lié à un support, les systèmes mécaniques de stabilisation à bras et contre- poids déportant le centre de gravité de la caméra au niveau d'un cardan (technique steadicam) ne sont pas utilisables ; - la stabilisation par déplacement en temps réel d'éléments optiques de l'objectif, ou du capteur dans le plan focal, qui sont des techniques cou- ramment appliquées en photographie, ne sont pas non plus envisagea- bles compte tenu du choix comme caméra d'un composant miniature intégré, pour des questions de poids et d'encombrement ; - enfin, le post-traitement de l'image vidéo, avec ou sans utilisation de données gyroscopiques recueillies pendant le vol, requerrait des res- sources de calcul relativement importantes, incompatibles avec la ca- pacité du microcalculateur embarqué par le drone, et introduirait un temps de latence non négligeable ne permettant pas un contrôle efficace du drone en temps réel. Le problème de l'invention est de trouver une autre technique de stabilisa- tion qui permette de produire une séquence d'image vidéo avec le moins possible de mouvements indésirables répercutés dans l'image. L'idée de base de l'invention consiste à adapter le contrôle des moteurs du drone de façon à limiter à un minimum les mouvements parasites de la caméra. Pour cela, l'utilisateur choisit un mode de prise de vue particulier (travelling, panoramique ...), qui définit automatiquement pour le drone une trajectoire correspondante présélectionnée, adaptée de manière à minimiser les oscillations parasites, avec modification appropriée des asservissements du drone en fonction du mode de prise de vue choisi. Le drone passe alors dans un mode d'autopilotage stabilisé contrôlant ses mouvements dans l'espace. La prise de vue par la caméra vidéo peut alors être activée, le contrôle du pilote automatique s'adaptant de lui-même aux contraintes de la vidéo stabilisée. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de pilotage, au moyen d'un appareil de télécommande, d'un drone à voilure tournante à rotors multiples entraînés par des moteurs respectifs commandables de manière différenciée pour piloter le drone en attitude et en vitesse. Le drone comporte une caméra video embarquée apte à capter une séquence d'images d'une cible vue depuis le drone et à transmettre cette séquence à l'appareil. De façon caractéristique, ce procédé comprend les étapes suivantes : - sélection par l'utilisateur d'un mode de prise de vue prédéterminé, défini par un jeu de paramètres décrivant une trajectoire à imprimer au drone, ces paramètres appartenant au groupe comprenant : mode de prise de vue en point fixe ou en déplacement ; type de déplacement, en translation ou en rotation ; vitesse du déplacement ; direction ou axe du déplacement ; sens du déplacement ; durée du déplacement ; altitude de prise de vue ; - génération de valeurs de consigne à partir dudit jeu de paramètres, et application de ces consignes à une chaîne de traitement de contrôle des moteurs du drone ; - une fois le drone stabilisé sur une trajectoire conforme auxdits paramètres, activation de la prise de vue par la caméra video. Le premier mode de prise de vue possible est un mode en point fixe. Dans ce cas, le jeu de paramètres est apte à décrire une trajectoire à vi- tesse de déplacement nulle en rotation et en translation. Le deuxième mode de prise de vue possible est un mode travelling frontal ou latéral. Dans ce cas, le jeu de paramètres est apte à décrire une trajectoire en translation à vitesse de déplacement constante le long d'une direction ho- rizontale, cette direction horizontale étant parallèle à l'axe de la caméra pour un travelling frontal et perpendiculaire à l'axe de la caméra pour un travelling latéral, la trajectoire étant orientée vers l'avant ou l'arrière pour un travelling frontal, et vers la gauche ou vers la droite pour un travelling latéral. Les valeurs de consigne peuvent notamment être générées sous forme de consignes angulaires selon un angle de tangage du drone pour un travelling frontal, ou selon un angle de roulis du drone pour un travelling latéral, ces consignes angulaires étant appliquées : - pendant une phase transitoire : à la chaîne de traitement configurée en une boucle fermée d'asservissement de vitesse horizontale apte à per- mettre au drone d'atteindre ladite vitesse de déplacement paramétrée, puis - une fois la vitesse de déplacement atteinte : à la chaîne de traitement configurée en boucle ouverte de contrôle de vitesse horizontale, avec désactivation de ladite boucle fermée d'asservissement. Avantageusement, la génération de consignes comprend la génération de consignes additionnelles représentatives d'une vitesse horizontale compensatrice de la composante du vent dans la direction de déplacement du drone. Ces consignes additionnelles peuvent être figées à une valeur constante lorsque l'erreur de l'asservissement de vitesse horizontale passe au-dessous d'un seuil prédéterminé. Le troisième mode de prise de vue possible est un mode panoramique. Dans ce cas, le jeu de paramètres est apte à décrire une trajectoire en rotation, dans un sens ou dans l'autre, autour d'un axe vertical perpendicu- laire à l'axe de prise de vue de la caméra. Dans une première mise en oeuvre, convenant à un simple effet de panoramique video, l'axe vertical est l'axe de lacet du drone, et les valeurs de consigne comprennent des consignes nulles d'angles de tangage et de roulis. En particulier, les valeurs de consigne générées comprennent une consi- gne en lacet constante propre à générer une rotation continue autour dudit axe vertical, et appliquée à la chaîne de traitement configurée en une boucle fermée d'asservissement angulaire, les consignes d'angles de tangage et de roulis étant appliquées à la chaîne de traitement avec désacti- vation de la boucle fermée d'asservissement de vitesse horizontale. Dans une seconde mise en oeuvre, convenant à la réalisation d'un panorama réalisé par assemblage d'images fixes successives, l'axe vertical est un axe vertical passant par la pupille d'entrée de la caméra, et les valeurs de consigne comprennent des consignes d'angles de tangage et de roulis propres à générer un mouvement le long d'une trajectoire circulaire s'étendant dans un plan horizontal et centrée sur la pupille d'entrée de la caméra. en particulier, les valeurs de consigne générées comprennent une consi- gne en lacet propre à générer une rotation par pas successifs autour dudit axe vertical, entre des points fixes décalés angulairement définis par une référence en cap incrémentée après chaque prise de vue, et appliquée à la chaîne de traitement configurée en une boucle fermée d'asservissement angulaire. Le quatrième mode de prise de vue possible est un mode plan grue. Dans ce cas, le jeu de paramètres est apte à décrire une trajectoire en translation à vitesse constante, dans un sens ou dans l'autre, le long d'une direction faisant un angle avec le plan de l'horizontale. Les valeurs de consigne peuvent notamment être appliquées: - pendant une phase transitoire : à la chaîne de traitement configurée en une boucle fermée d'asservissement de vitesse, apte à permettre au drone d'atteindre la vitesse de déplacement et de suivre ladite direction de déplacement par génération de consignes angulaires selon des angles de tangage et de roulis du drone, puis - une fois la vitesse de déplacement et la direction de déplacement at- teintes : à la chaîne de traitement configurée en une boucle ouverte de contrôle de vitesse, avec désactivation de ladite boucle fermée d'asservissement. Dans tous les modes de prise de vue, le procédé peut avantageusement comprendre en outre l'application par l'utilisateur de commandes de cor- rection de trajectoire, superposées auxdites valeurs de consigne générées à partir dudit jeu de paramètres. 0 On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre du dispositif de l'invention, en référence aux dessins annexés où les mêmes références numériques désignent d'une figure à l'autre des éléments identiques ou fonctionnellement semblables. La Figure 1 est une vue d'ensemble montrant le drone et l'appareil de télécommande associé permettant son pilotage à distance. La Figure 2 est une illustration schématisant le mouvement à imprimer au drone pour réaliser une prise de vue en travelling frontal. La Figure 3 est une illustration schématisant le mouvement à imprimer au drone pour réaliser une prise de vue en travelling latéral. La Figure 4 est une illustration schématisant le mouvement à imprimer au drone pour réaliser une prise de vue en panoramique. La Figure 5 est une illustration schématisant le mouvement à imprimer au drone pour réaliser une prise de vue en mode plan grue. La Figure 6 montre un exemple de commandes présentées à l'utilisateur sur l'écran du dispositif pour une prise de vue en mode travelling. La Figure 7 montre un exemple de commandes présentées à l'utilisateur sur l'écran du dispositif pour une prise de vue en mode panoramique. La Figure 8 montre un exemple de commandes présentées à l'utilisateur sur l'écran du dispositif pour une prise de vue en mode plan grue. La Figure 9 est un schéma par blocs des différents organes de contrôle, d'asservissement et de pilotage assisté du drone dans une configuration de pilotage asservi conventionnel. La Figure 10 est un schéma correspondant à celui de la Figure 9, modifié pour une configuration d'autopilotage en mode travelling. La Figure 11 est un schéma correspondant à celui de la Figure 9, modifié pour une configuration d'autopilotage en mode panoramique. La Figure 12 est un schéma correspondant à celui de la Figure 9, modifié pour une configuration d'autopilotage en mode plan grue. 0 On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention. Sur la Figure 1, la référence 10 désigne de façon générale un drone, qui est par exemple un quadricoptère tel que le modèle AR.Drone de Par- rot SA, Paris, France, décrit notamment dans les WO 2010/061099 A2 et EP 2 364 757 Al précités, ainsi que dans les WO 2009/109711 A2 (qui décrit un exemple de système de stabilisation automatique à partir des informations fournies par un altimètre et une caméra à visée frontale) et FR 2 915 569 Al (qui décrit notamment le système de contrôle avec gy- romètres et accéléromètres utilisé par le drone). Le drone 10 comporte quatre rotors coplanaires 12 dont les moteurs sont pilotés indépendamment par un système intégré de navigation et de contrôle d'attitude. Il est pourvu d'une première caméra 14 à visée frontale permettant d'obtenir une image de la scène vers laquelle est orienté le drone, par exemple une caméra grand angle à capteur CMOS. Le drone comporte également une seconde caméra à visée verticale (non représentée) pointant vers le bas, apte à capter des images successives du terrain survolé et utilisée notamment pour évaluer la vitesse du drone par rapport au sol. Des capteurs inertiels (accéléromètres et gyromètres) permettent de mesurer avec une certaine précision les vitesses angulaires et les angles d'attitude du drone, c'est-à-dire les angles d'Euler décrivant l'inclinaison du drone. De façon générale, par "inclinaison", on entendra l'inclinaison du drone par rapport à un plan horizontal d'un repère terrestre fixe, étant entendu que les deux composantes longitudinale et transversale de la vitesse horizontale sont intimement liées à l'inclinaison suivant les deux axes respectifs de tangage et de roulis. Un télémètre à ultrasons disposé sous le drone fournit par ailleurs une mesure de l'altitude par rapport au sol. En ce qui concerne la vitesse linéaire de translation du drone, celle-ci est évaluée par analyse de l'image fournie par la caméra à visée verticale du drone en combinaison avec les données accélérométriques, grâce à un logiciel qui estime le déplacement de la scène captée par la caméra d'une image à la suivante et applique à ce déplacement estimé un facteur d'échelle fonction de l'altitude mesurée. Le drone 10 est piloté par un appareil de télécommande distant 16 pourvu d'un écran tactile 18 affichant l'image embarquée par la caméra frontale 14, avec en superposition un certain nombre de symboles permettant l'ac- tivation de commandes de pilotage par simple contact du doigt 20 d'un utilisateur sur l'écran tactile 18. L'appareil 16 est pourvu de moyens de liaison radio avec le drone pour l'échange bidirectionnel de données du drone 10 vers l'appareil 16, notamment pour la transmission de l'image captée par la caméra 14, et de l'appareil 16 vers le drone 10 pour l'envoi de commandes de pilotage. Cette liaison peut être par exemple de type réseau local Wi-Fi (IEEE 802.11) ou Bluetooth (marques déposées). L'appareil 16 est également pourvu de capteurs d'inclinaison permettant de contrôler l'attitude du drone en imprimant à l'appareil des inclinaisons correspondantes selon des axes de roulis et de tangage (on pourra se ré- férer au WO 2010/061099 A2 précité pour plus de détails sur ces aspects du système). Comme indiqué en introduction, l'appareil de télécommande 16 est avantageusement constitué par un téléphone ou baladeur multimedia à écran tactile et accéléromètre intégré, par exemple un téléphone cellulaire de type iPhone, un baladeur de type iPod Touch ou une tablette multimédia de type iPad, qui sont des appareils incorporant les divers organes de contrôle nécessaires à l'affichage et à la détection des commandes de pilotage, à la visualisation de l'image captée par la caméra frontale, et à l'échange bidirectionnel de données avec le drone par liaison Wi-Fi ou Bluetooth. Le pilotage du drone 10 consiste à faire évoluer celui-ci par : a) rotation autour d'un axe de tangage 22, pour le faire avancer ou reculer ; et/ou b) rotation autour d'un axe de roulis 24, pour le décaler vers la droite ou vers la gauche ; et/ou c) rotation autour d'un axe de lacet 26, pour faire pivoter vers la droite ou vers la gauche l'axe principal du drone - et donc aussi la direction de pointage de la caméra frontale 14 ; et/ou d) translation vers le bas 28 ou vers le haut 30 par changement du ré- gime des gaz, de manière à respectivement réduire ou augmenter l'altitude du drone. Lorsque ces commandes de pilotage sont appliquées par l'utilisateur à partir de l'appareil de télécommande 16, les commandes a) et b) de pivo- terrent autour des axes de tangage 22 et de roulis 24 sont obtenues par des inclinaisons de l'appareil 16 respectivement autour de son axe longitudinal 32 et de son axe transversal 34 : par exemple, pour faire avancer le drone il suffit d'incliner l'appareil vers l'avant en le penchant autour de l'axe 32, pour le déporter à droite il suffit d'incliner l'appareil en le pen- chant autour de l'axe 34 vers la droite, etc. Les commandes c) et d), quant à elles, résultent d'actions appliquées par contact du doigt 20 de l'utilisateur (généralement le doigt droit) sur des zones spécifiques correspondantes de l'écran tactile 18. Le drone possède également un système automatique et autonome de stabilisation en vol stationnaire, activé notamment dès que l'utilisateur re- tire son doigt de l'écran tactile de l'appareil, ou automatiquement à la fin de la phase de décollage, ou encore en cas d'interruption de la liaison radio entre l'appareil et le drone. Le drone passe alors à un état de sustentation où il sera immobilisé et stabilisé automatiquement dans cette posi- tion fixe, sans aucune intervention de l'utilisateur. On va maintenant exposer la manière dont sont élaborées les consignes de pilotage des moteurs du drone pour permettre de réaliser des prises de vue au moyen de la caméra frontale 14 avec le minimum de mouvements perturbateurs susceptibles de parasiter l'image captée. On décrira l'exemple de trois modes de prise de vue typiques, à savoir : - travelling, en référence plus particulièrement aux Figures 2, 3, 6 et 10 (le mode "plan fixe" pouvant être considéré comme un cas particulier du mode travelling, avec une vitesse de déplacement nulle) ; - panoramique, en référence plus particulièrement aux Figures 4, 7 et 11 ; - plan grue, en référence plus particulièrement aux Figures 5, 8 et 12. Les Figures 2 et 3 illustrent schématiquement le mouvement à imprimer au drone pour réaliser une prise de vue en mode travelling, respectivement pour un travelling frontal et pour un travelling latéral. Le travelling se caractérise par un mouvement de caméra à vitesse hori- zontale constante, parallèlement au sol. Lorsque cette vitesse est nulle, le travelling se réduit à une prise de vue en plan fixe : il suffit alors à l'utilisateur de sélectionner ce mode "plan fixe" et éventuellement la durée du plan fixe, l'altitude et la direction de la caméra. Le pilote automatique estime alors le vent (voir plus bas), calcule l'angle moyen pour lutter contre le vent et, lorsque la prise de vue est déclenchée, le pilote automatique applique cet angle aux consignes du drone. Pour un travelling frontal, où l'on veut donner l'impression de se rappro- cher ou de s'éloigner d'une cible de la scène captée, par exemple d'un personnage, le déplacement horizontal se fait suivant l'axe principal A de la caméra, c'est-à-dire dans le cas présent le long de l'axe de roulis 24. Cette situation est illustrée Figure 2, dans le cas d'un travelling frontal avant, indiqué par le mouvement de la flèche 36 (pour un mouvement de travelling arrière, le déplacement aurait lieu dans la même direction mais dans le sens inverse, pour produire un effet d'éloignement par rapport au personnage situé dans le champ de la caméra). Dans le cas d'un travelling latéral, le mouvement est opéré suivant un axe horizontal perpendiculaire à l'axe A de la caméra, c'est-à-dire dans le cas présent le long de l'axe de tangage 22 du drone. Il s'agit par exemple de suivre un personnage en train de marcher ou de courir en le maintenant dans le cadre de l'image, en vue latérale. Cette situation est illustrée Figure 3, dans le cas d'un travelling latéral vers la droite, indiqué par le mouvement de la flèche 36 (pour un travelling laté- ral gauche, le mouvement suivrait la même direction, mais en sens oppo- sé). Un deuxième mode de prise de vue possible, le mode panoramique, est illustré Figure 4. Ce mode de prise de vue se caractérise par un mouvement de la caméra autour d'un axe vertical, en l'espèce l'axe de lacet 26 du drone (ou, en va- riante, un axe vertical passant par la pupille d'entrée de la caméra, donc décentré par rapport à l'axe de lacet du drone). Ce mouvement, schématisé par la flèche 40, est effectué à vitesse de rotation constante, dans un sens ou dans l'autre, à une vitesse relativement faible par rapport aux vi- tesses de pivotement couramment utilisées pour faire évoluer le drone en phase de pilotage commandé. On notera également que cette rotation doit être effectuée avec le drone à plat, c'est-à-dire que l'axe A de la caméra (correspondant à l'axe de roulis 24 du drone) doit balayer un plan horizontal parallèle au sol, c'est-à-dire à altitude constante du drone. Concrètement, on laissera la possibilité à l'utilisateur de démarrer la prise de vue panoramique à l'altitude courante du drone, ou bien de donner une altitude de consigne que devra atteindre le drone avant de commencer la prise de vue panoramique. Un troisième mode de vue possible proposé à l'utilisateur est un mode dit "plan grue". Il s'agit de donner l'illusion d'une caméra accrochée à l'extré- mité d'une grue et à laquelle on imprime un mouvement d'éloignement de la cible suivant les trois axes de l'espace. Le mouvement correspondant 42, illustré Figure 5, est défini par les trois coordonnées X, Y, Z d'un vecteur 44 définissant la direction d'éloignement, et par la vitesse (constante) de cet éloignement. Les Figures 6 à 8 donnent des exemples de commandes présentées à l'utilisateur sur l'écran 18 du dispositif de télécommande 16 pour paramétrer les divers modes de prise de vue qui sont mis à sa disposition. Ces commandes peuvent être des commandes tactiles de type bouton, curseur ..., en elles-mêmes bien connues. La Figure 6 illustre l'écran de paramétrage du mode travelling. Un bouton 46 permet la sélection du type de travelling : frontal avant, frontal arrière, latéral droit, latéral gauche, et un curseur 48 permet de définir la vitesse constante de ce travelling (cette vitesse peut être nulle, le travelling se ré- duisant alors à une prise de vue en plan fixe). Des boutons 50 et 52 per- mettent respectivement de déclencher et d'arrêter la prise de vue en travelling, et des fenêtres 54 et 56 indiquent, en cours d'exécution, la distance parcourue et le temps écoulé depuis le début de la prise de vue. La Figure 7 illustre l'écran de paramétrage du mode panoramique. Un bouton 58 permet de définir le sens, horaire ou antihoraire, de rotation et des curseurs 60, 62 et 64 permettent de définir respectivement une altitude de consigne pour l'exécution du panoramique, le nombre de tours ou de fractions de tour de la prise de vue, et la vitesse angulaire de rotation. Les boutons 50 et 52 servent, comme dans le cas précédent, à déclen- cher et arrêter la prise de vue, tandis que les fenêtres 54 et 56 affichent respectivement l'altitude courante du drone et le temps écoulé depuis le début de la prise de vue. La Figure 8 est un exemple d'écran de paramétrage du mode plan grue. Celui-ci comprend trois curseurs 66, 68, 70 définissant les coordonnées X, Y, Z du vecteur définissant la direction d'éloignement, ou bien les coor- données d'un point cible à atteindre. Un autre curseur 72 définit la vitesse du mouvement d'éloignement. Les boutons 50 et 52 servent, comme dans le cas précédent, à déclencher et arrêter la prise de vue, tandis que les fenêtres 54 et 56 affichent respectivement l'altitude courante du drone et le temps écoulé depuis le début de la prise de vue. Diverses autres commandes peuvent être ajoutées à celles que l'on vient de décrire, par exemple une commande fixant a priori la durée de la prise de vue et donc du déplacement contrôlé. Contrôle des vitesses et de l'attitude du drone On va maintenant exposer la manière dont ces trajectoires sont exécutées par le système de l'invention. La Figure 9 est un schéma par blocs fonctionnels des différents organes de contrôle et d'asservissement du drone, dans une configuration permettant un pilotage conventionnel. Les Figures 10 à 12 illustreront les modifications apportées à ce schéma conventionnel pour opérer les prises de vue en mode stabilisé selon l'in- vention, respectivement pour un travelling, un panoramique et un plan grue. On notera que, bien que ces schémas soient présentés sous forme de circuits interconnectés, la mise en oeuvre des différentes fonctions est essentiellement logicielle, et cette représentation n'a qu'un caractère illustra- tif. De façon générale, comme illustré Figure 9, le système de pilotage implique plusieurs boucles imbriquées pour le contrôle de la vitesse horizontale, de la vitesse angulaire et de l'attitude du drone, en plus du contrôle des variations d'altitude automatiquement ou sous l'effet d'une commande de l'utilisateur. La boucle la plus centrale, qui est la boucle 100 de contrôle de la vitesse angulaire, utilise d'une part les signaux fournis par des gyromètres 102 et d'autre part une référence constituée par des consignes de vitesse angulaire 104. Ces différentes informations sont appliquées en entrée d'un étage 106 de correction de la vitesse angulaire, qui pilote lui-même un étage 108 de contrôle des moteurs 110 afin de commander séparément le régime des différents moteurs pour corriger la vitesse angulaire du drone par l'action combinée des rotors entraînés par ces moteurs. La boucle 100 de contrôle de la vitesse angulaire est imbriquée dans une boucle 112 de contrôle d'attitude, qui opère à partir des indications four- nies par les gyromètres 102, par des accéléromètres 114 et par un magnétomètre 116 donnant l'orientation absolue du drone dans un repère géomagnétique terrestre. Les données issues de ces différents capteurs sont appliquées à un étage 118 d'estimation d'attitude de type PI (Propor- tionnel-Intégrateur). L'étage 118 produit une estimation de l'attitude réelle du drone, appliquée à un étage 120 de correction d'attitude qui compare l'attitude réelle à des consignes d'angle générées par un circuit 122 à partir de commandes directement appliquées par l'utilisateur 124 et/ou de données générées en interne par le pilote automatique du drone via le cir- cuit 126 de correction de vitesse horizontale. Les consignes éventuelle- ment corrigées appliquées au circuit 120 et comparées à l'attitude réelle du drone sont transmises par le circuit 120 au circuit 104 pour commander les moteurs de manière appropriée. En résumé, à partir de l'erreur entre la consigne (appliquée par l'utilisateur et/ou générée en interne) et la mesure de l'angle (donnée par le circuit d'estimation d'attitude 118), la boucle 112 de contrôle d'attitude calcule une consigne en vitesse angulaire à l'aide du correcteur PI du circuit 120. La boucle 100 de contrôle de la vitesse angulaire calcule ensuite la différence entre la consigne de vitesse angulaire précédente et la vitesse an- gulaire effectivement mesurée par les gyromètres 102. La boucle calcule à partir de ces informations les différentes consignes de vitesse de rotation (et donc de force ascensionnelle), qui sont envoyées aux moteurs 110 pour réaliser la manoeuvre demandée par l'utilisateur et/ou planifiée par le pilote automatique du drone. Le circuit 122 de calcul des consignes d'angle reçoit également des cor- rections issues d'un circuit 128 d'estimation du vent, dont on décrira plus bas le rôle lorsqu'il s'agira d'exécuter une prise de vue stabilisée. La boucle de contrôle de vitesse horizontale 130 comporte également une caméra vidéo verticale 132 et un capteur télémétrique 134 faisant fonction d'altimètre. Un circuit 136 assure le traitement des images produites par la caméra verticale 132, en combinaison avec les signaux de l'accéléromètre 114 et du circuit d'estimation d'attitude 118, pour produire des données permettant d'obtenir une estimation des vitesses horizontales selon les deux axes de tangage et de roulis du drone, au moyen d'un circuit 138. Les vitesses horizontales estimées sont corrigées par l'estimation de vi- tesse verticale donnée par un circuit 40 et par une estimation de la valeur de l'altitude, donnée par le circuit 142 à partir des informations du capteur télémétrique 134. En ce qui concerne les déplacements verticaux du drone, l'utilisateur 124 applique des commandes à un circuit de calcul de consignes d'attitude 144, consignes qui sont appliquées à un circuit de calcul de consignes de vitesse ascensionnelle V, 146 via le circuit de correction d'altitude 148 recevant la valeur d'attitude estimée donnée par le circuit 142. La vitesse ascensionnelle V, calculée est appliquée à un circuit 150 qui compare cette vitesse de consigne à la vitesse correspon- dante estimée par le circuit 140 et modifie en conséquence les données de commande des moteurs (circuit 108) de manière à augmenter ou réduire la vitesse de rotation simultanément sur tous les moteurs de façon à minimiser l'écart entre vitesse ascensionnelle de consigne et vitesse ascensionnelle mesurée. On va maintenant exposer la manière dont sont élaborées les consignes de contrôle du drone au moyen de ces circuits. Les données de vitesse du drone seront considérées dans un repère lié au corps du drone, savoir le repère {u,v,w} illustré Figure 1. On désignera par : - u la composante de la vitesse de translation horizontale dans la direc- tion de l'axe principal du drone (le long de l'axe de roulis 24) ; - y la composante de la vitesse de translation horizontale dans la direction transversale le long de l'axe de tangage 22) ; et - w la vitesse de translation verticale, le tout dans un repère lié au drone, donc indépendant de l'inclinaison de celui-ci par rapport au repère terrestre de référence. Chacune des quatre hélices i du drone (i = 1 ... 4) exerce un couple Fi et une force de poussée ascensionnelle Fi proportionnelle au carré de la vitesse de rotation coi du moteur : = ark>14 tri = bw't On applique la relation fondamentale de la dynamique, en projection dans le référentiel mobile du drone, ce qui donne les trois équations suivantes : = (rv - qw) - gsin0 - Cxu (pw - ru) + gsincpcose + Cyv Vv = (qu pv) + gcoscpcos0 - a coï (Équations 1-3) p, q et r étant les vitesses angulaires suivant les trois axes, g étant l'accélération de la pesanteur, (1) et 0 étant les deux angles définissant l'inclinaison du drone par rapport à l'horizontale (angles d'Euler), C,, et Cy étant les coefficients de résistance à l'avancement (reflétant les forces de frottement subies par le drone) dans les deux axes horizontaux, a étant un coefficient liant la poussée et la vitesse ascensionnelle à la vitesse de rotation co, et m étant la masse du drone. On applique de la même façon le théorème du moment dynamique au système, toujours en projection dans le référentiel mobile, ce qui conduit aux trois équations suivantes : 1,1:1 + qr(lz - ly) = - Iyq + Pr (lx - 1z) = la(ffiï - ci)ï) Izt + pq(ly - lx) = b(idf - co-j + co - coï) (Équations 4-6) IX, Iy et IZ étant des paramètres représentatifs du coefficient d'inertie du drone dans les trois axes, et 1 étant la distance séparant le moteur de son centre de gravité. Dans ces équations, le premier terme du membre de gauche correspond au moment dynamique du système, le second terme représente la contribution au moment dynamique des forces de Coriolis, et le membre de droite correspond aux moments exercés par les forces ascensionnelles Fi et les couples Fi créés par les hélices de chacun des rotors. Enfin, on démontre la relation suivante faisant intervenir les trois angles d'Euler (p., 0 et y : p + (cisimp + rcos(p)tan0 qcoscp rsincp cisinfia + rcostp = cos0 (Équations 7-9) Le comportement du système est donc décrit au total par neuf équations à neuf inconnues. Au voisinage du point d'équilibre, avec le drone en sustentation à l'horizontale (vitesse et inclinaison nulles), on aura : u = v w = 9 = On notera que les consignes de trajectoire sont directement appliquées en entrée du circuit 122 en boucle ouverte, le circuit 126 de correction de vitesse horizontale de la Figure 9 étant ici désactivé de manière à ne pas produire d'oscillations autour d'une position de consigne sous l'influence d'un asservissement de vitesse. Ceci permet de limiter le plus possible les mouvements en angle (qui sont normalement inhérents à l'asservissement de vitesse d'un quadricoptère) afin de ne pas avoir trop de mouvements présents dans l'image. Autrement dit, pour stabiliser l'image on acceptera de subir de légères varia- tions de la vitesse de déplacement horizontale pendant la trajectoire du travelling, en éliminant les légères oscillations autour des axes de tangage et/ou de roulis qui sinon parasiteraient fortement l'image captée par la caméra. Plus précisément, après avoir choisi la direction et le sens du mouvement de travelling souhaités, on récupère une vitesse de consigne de l'utilisa- teur Vx'f = constante ou bien VyY'f= constante. Si l'on prend l'exemple d'un mouvement dans le plan suivant l'axe principal du drone, c'est-à-dire suivant l'axe A de la caméra (correspondant à un travelling frontal), on aura : = -g(8)- Cx *u Pour un angle 0 tel que 0 La référence angulaire envoyée à la boucle de contrôle d'angle est donc la référence de vitesse, transformée par la relation ci-dessus, et ceci en boucle ouverte pour éviter les mouvements d'oscillation préjudiciables à la qualité de l'image captée. Du fait de cette absence d'asservissement en boucle fermée, il peut être avantageux de compenser les perturbations extérieures (modélisées par un vent constant), ou plus précisément la projection du vecteur vitesse du vent sur l'axe de déplacement de la trajectoire. Cette correction est opérée par le circuit 128. Les perturbations extérieures modélisées par un vent constant dans la direction du mouvement peuvent s'exprimer par : Vxhorzalr = -9(0) - Cx * V xhorzair Comme Vs01 = Vair - Vvent , on a donc Vxhorzve. nt = 0 dans le vent (hypothèse de vent constant sur la durée de la prise de vue), d'où : Vxhorzsol = -9(0) Cx * Vxhorzsot - CX * V - xhorzvent Lorsque l'on est en régime permanent, on élimine l'effet de cette compo- sante en adaptant la référence d'angle comme suit : eref (k) = --C: * Vxhorzref + 9correction (k) avec: Ocorrection(k) = °correction(k - 1) + K * (Vxhorzref Vxhorzmes(k)) Avantageusement, pour limiter les mouvements en angle liés au contrôle, dès que l'erreur de vitesse passe sous un seuil prédéterminé, le terme de compensation est figé à une valeur constante pendant tout le temps de la prise de vue. Une autre possibilité consiste à choisir la valeur du gain K de façon que le terme additif correspondant ne change que très lentement par rapport à la dynamique du drone, par exemple sur une dizaine de se- condes. Prise de vue en mode panoramique La Figure 11 illustre les modifications apportées au schéma de la Figure 9 pour l'exécution de la prise de vue en mode panoramique. Les paramètres définis par l'utilisateur comprennent des consignes de vi- tesse angulaire pour le déroulement du panoramique, appliquées par un circuit 158 directement au circuit 104 de la boucle de contrôle de vitesse angulaire, et une consigne éventuelle d'altitude (altitude à atteindre par le drone, et à partir de laquelle sera déclenchée la prise de vue panorami- que), appliquée à un circuit de consigne d'altitude 160. Ici encore, de la même manière que ce qui a été expliqué pour le mode travelling, on peut laisser à l'utilisateur la possibilité de superposer, pendant la prise de vue, des commandes de déplacement horizontal, appliquées au circuit 12, et/ou des commandes de correction d'altitude, super- posées en 162 aux consignes délivrées par le circuit 160. Le circuit 160 applique directement les consignes paramétrées au circuit 144 de calcul des consignes d'altitude. Ici encore, le circuit 126 (visible sur la Figure 9) de correction de la vitesse horizontale est désactivé, de manière à limiter le plus possible les mou- vements d'oscillation autour des axes de tangage et de roulis. Pour réaliser la prise de vue panoramique, le drone opère simplement avec les consignes suivantes : f \0 SO re f 0 (Ore Ore t courant rre f constante/ En d'autres termes, l'asservissement en vitesse est déconnecté, les consignes de roulis et de tangage sont nulles, et la consigne de rotation autour de l'axe de lacet est une consigne de rotation à vitesse angulaire constante. Comme dans le cas précédent, il est possible de prévoir une correction permanente des perturbations extérieures modélisées par un vent cons-30 tant. Selon un autre aspect de l'invention, le mode panoramique peut être utilisé pour générer une succession de prises de vue fixes qui seront ensuite raccordées ensemble pour donner un panorama sur 360° de la scène autour du drone. Dans ce cas, le mouvement du drone n'est plus un mouvement de rotation continue autour d'un axe vertical, mais un mouvement par pas successifs entre des points fixes décalés angulairement, définis par une référence en cap incrémentée après chaque prise de vue. Le pas de rotation est bien entendu choisis pour assurer un recouvrement suffisant entre les vues fixes successives. Une contrainte spécifique à ce type de prise de vue est le fait que la rotation s'effectue autour d'un axe vertical passant par la pupille d'entrée de la caméra et non plus pas l'axe de lacet du drone, pour éviter des déformations géométriques qui ne permettraient pas un raccordement satisfaisant des images successives, compte tenu de l'écart relativement important de ces deux axes (de l'ordre de 15 cm). Le mouvement de rotation autour d'un axe vertical doit alors être complété par un déplacement linéaire horizontal. Les consignes nécessaires sont calculées par un circuit 164 à partir des consignes de vitesse angulaire en lacet générées par le circuit 158 et de l'estimation d'attitude donnée par le circuit 118. Le résultat est délivré à un circuit 166 de correction des vitesses linéaires horizontales, qui reçoit également l'estimation des vitesses horizontales données par le circuit 138 et génère les consignes nécessaires, appliquées via 168 au circuit 122 de calcul des consignes angulaires en tangage en roulis. Plus précisément, il convient de produire des commandes permettant au drone de suivre, dans le plan horizontal, une trajectoire circulaire centrée sur la pupille d'entrée de la caméra, c'est-à-dire d'imprimer au drone une vitesse selon l'axe y du drone, axe orienté tangentiellement par rapport à cette trajectoire. La consigne de vitesse d'avancement tangentielle au cercle envoyée à la boucle d'asservissement en vitesse, notée Vyre f , est déduite directement de la consigne de vitesse angulaire de rotation autour de l'axe vertical, donnée par l'utilisateur. Pour une trajectoire de rotation uniforme autour d'un centre fixe, on a : V= * R V étant la vitesse tangentielle (vitesse latérale selon l'axe y du drone), étant la vitesse angulaire du drone, et R étant le rayon du cercle, c'est-à-dire le décalage entre l'axe de lacet (axe vertical passant par le centre d'inertie du drone) et l'axe vertical passant par la pupille de la caméra. La vitesse angulaire est donnée par l'expression suivante : 111 = cos( cos( gsinço + rcosp r * cosço La commande envoyée est alors donnée par : (1737,-,f\ ( .1p * R (mesuré * c°s(1) * R Vx7.,f = 0 = cos° ri-ef / constante 0 constante Ainsi, l'utilisateur choisit une vitesse de rotation autour de Faxe de la caméra frontale, de laquelle on déduit une vitesse de consigne d'avancement suivant l'axe y du drone. Le drone décrit alors un cercle centré sur la pupille d'entré de la caméra, à la vitesse de rotation souhaitée par l'utilisateur. Prise de vue en mode grue La Figure 12 illustre les modifications apportées au schéma de la Figure 9 pour l'exécution de la prise de vue en mode grue. Les consignes de position X, Y, Z définissant la direction de la trajectoire sont appliquées par l'utilisateur à un circuit 170 puis à un circuit de correction de position 172 comparant la position de consigne à la position réelle mesurée, produite par un circuit d'estimation de position 174. Les consi- gnes issues du circuit 172 sont éventuellement superposées en 176 à des commandes appliquées directement par l'utilisateur, si on laisse à celui-ci la faculté d'apporter pendant la prise de vue des modifications à la trajectoire préprogrammée. Ici encore, on notera que le circuit 126 de la Figure 9 de correction de vitesse horizontale est désactivé, le contrôle opérant en boucle ouverte de manière à minimiser les mouvements d'oscillation du drone autour des axes de roulis et de tangage. La commande produite est une commande en angle, calculée à partir de l'écart de position entre la référence et la position courante pour que la vitesse soit constante le long de la trajectoire : (Xref\ constante) Yref = (constante Zrefl constante 10 Le principe du contrôle est le même que celui du mode travelling, avec des déplacements simultanés dans les deux directions horizontales à la fois et également dans la direction verticale : - pour les mouvements horizontaux, la consigne de vitesse constante pa- 15 ramétrée par l'utilisateur est convertie en commandes angulaires, avec éventuellement compensation des perturbations extérieures (vent constant), afin de minimiser les mouvements de la caméra ; - pour les mouvements verticaux, la vitesse de montée ou de descente est définie indépendamment des vitesses horizontales, à partir de la 20 valeur de vitesse maximale choisie par l'utilisateur, de manière à at- teindre le plus rapidement possible le point (X,Y,Z) paramétré par l'utilisateur. Lorsque la position courante est proche de la position souhaitée, le contrôle est désactivé et la prise de vue en plan grue peut alors commencer, à vitesse constante suivant la direction prédéfinie et de 25 manière entièrement automatique.