Brevet FR3054334A1 — publié le 20180126

L'invention concerne les appareils motorisés volants pilotés à distance, ci-après désignés généralement sous la dénomination de "drones". L'invention s'applique tout particulièrement aux drones à voilure tournante tels que les quadricoptères, dont un exemple typique est le Bebop de Par- rot SA, Paris, France, qui est un drone 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. Mais l'invention peut s'appliquer aussi bien à d'autres types de drones, par exemple les drones à voilure fixe, notamment de type "aile volante" tel que par exemple le modèle eBee de SenseFly, Cheseaux-Lausanne, Suisse, qui est un drone de cartographie professionnelle de terrain, ou encore le modèle Disco récemment présenté par Parrot SA, Paris, France. Les drones à voilure tournante sont pourvus de rotors multiples entrainés par des moteurs respectifs commandables de manière différenciée afin de piloter le drone en attitude et en vitesse. Les documents 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 terminal tel qu'un téléphone ou baladeur multimedia à écran tactile et accéléromètre intégré, par exemple un téléphone cellulaire de type iPhone ou une tablette multimedia de type iPad (marques déposées). Ces appareils incorporent les divers organes de contrôle nécessaires à la détection des commandes de pilotage et à l'échange bidirectionnel de don- nées avec le drone via une liaison sans fil de type réseau local Wi-Fi (IEEE 802.11) ou Bluetooth. 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'utilisateur sur cet écran tactile. La caméra video frontale du drone peut être utilisée pour capter des sé- quences d'images d'une scène vers laquelle est tourné le drone. L'utilisateur peut ainsi se servir 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. Les images recueillies peuvent être enregistrées puis diffusées, 3054334 2 mises en ligne sur des sites web d'hébergement de séquences video, envoyées à d'autres internautes, partagées sur des réseaux sociaux, etc. La caméra frontale est avantageusement une caméra orientable, afin d'orienter de façon contrôlée dans une direction prédéterminée l'axe de 5 visée, et donc le champ des images transmises avec le flux video. Une technique mise en oeuvre notamment dans l'appareil Bebop précité et décrite dans le EP 2 933 775 Ai, consiste à utiliser une caméra grand-angle haute définition munie d'un objectif à champ hémisphérique de type fisheye couvrant un champ d'environ 180° et à fenêtrer en temps réel 10 l'image brute délivrée par ce capteur, par un traitement logiciel assurant la sélection des pixels utiles de l'image brute dans une zone de capture déterminée en fonction d'un certain nombre de paramètres, dont des commandes de pointage dans la direction d'une cible particulière choisie par l'utilisateur ou suivie automatiquement par le drone. En variante, ou même 15 en complément, du contrôle de l'axe de visée de la caméra par un logiciel de fenêtrage, il est également possible de monter la caméra sur un support articulé trois-axes de type gimbal avec suspension à la Cardan, muni de servomoteurs pilotés en fonction des données gyrométriques et des commandes de pointage. L'invention s'applique bien évidemment à tout 20 type de caméra, orientable ou non, et quel que soit son mode de poin- tage. Dans un mode dit de poursuite (tracking), le drone peut être programmé pour suivre une cible mobile dont les coordonnées sont connues et pour que pendant son vol, l'axe de visée de la caméra soit dirigé vers ladite 25 cible. Cette cible est typiquement le terminal lui-même, porté par un utili- sateur qui peut être en mouvement (par exemple en train de pratiquer un sport où il se déplace - course, glisse, conduite, etc.). Dans ce mode, le drone est capable de filmer les évolutions de l'utilisateur sans que celui-ci n'ait à agir sur les déplacements du drone et sur l'axe de visée de la ca- 30 méra. À cet effet, les coordonnées du terminal, obtenues par une centrale GPS équipant celui-ci de façon en soi connue, sont communiquées au drone par la liaison sans fil, et le drone peut donc ajuster ses déplacements de manière à suivre le terminal et à ce que l'axe de visée de la caméra reste dirigé vers le terminal. 3054334 3 On cannait déjà cette fonctionnalité dans certains produits du commerce, mais les possibilités de prise de vues restent très limitées en termes de trajectoires pouvant être parcourues par le drone pendant le filmage, et en termes de la façon dont le drone parcourt cette trajectoire. 5 Un but de l'invention est de proposer à l'utilisateur des possibilités élargies de prises de vues animées d'une cible potentiellement en mouvement, et de mieux contrôler les déplacements du drone au cours de ces prises de vues. L'invention propose à cet effet, selon un premier aspect, un système de 10 prise de vues animées, comprenant un drone pourvu d'une caméra, et une station au sol communiquant par une liaison sans fil avec le drone, les déplacements du drone étant définis par des ordres de pilotage appliqués à un groupe propulseur ou un ensemble de groupes propulseurs du drone. Le drone est apte à se déplacer selon une trajectoire au moins en 15 partie prédéterminée pour réaliser une prise de vues animée d'une cible, et à ajuster l'angle de visée de la caméra au cours des déplacements du drone et le cas échéant de la cible pour qu'à chaque instant l'image prise par la caméra contienne la position de la cible. De façon caractéristique de l'invention, le système comprend des moyens 20 pour déterminer une trajectoire statique du drone par rapport à la cible pour la prise de vues, des moyens pour déterminer une dynamique de déplacement du drone sur la trajectoire statique, et des moyens pour générer à partir des deux déterminations et d'informations de position de la cible au cours du temps des instructions de vol pour le drone. 25 Selon diverses caractéristiques subsidiaires avantageuses : - les moyens pour déterminer une trajectoire statique du drone comprennent des moyens associés à une interface utilisateur de la station au sol pour sélectionner une trajectoire parmi un ensemble de trajectoires mémorisées ; 30 - les moyens pour déterminer une trajectoire statique du drone com- prennent des moyens associés à une interface utilisateur pour faire ajuster au moins un paramètre de la trajectoire sélectionnée ; - les trajectoires mémorisées à sélectionner comprennent au moins deux trajectoires choisies dans le groupe suivant : les trajectoires en 3054334 4 cloche, les trajectoires sur courbe fermée, les trajectoires en hélice, les trajectoires en chandelle ; - le système comprend des moyens pour ajuster sur la trajectoire déterminée une position de début de prise de vues et une position de fin 5 de prise de vues ; - les moyens pour déterminer une dynamique de déplacement comprennent une interface utilisateur permettant de déterminer une évolution de vitesse sur la trajectoire statique ; - la détermination de l'évolution de la vitesse comprend la détermination 10 de points d'arrêt du drone ; - la détermination de l'évolution de la vitesse comprend la détermination d'une inversion de vitesse du drone. La caméra peut être une caméra fixe à champ large de type fish-eye, et il est alors prévu des moyens d'ajustement dudit angle de visée de la camé- 15 ra, aptes à recadrer et retraiter les images à champ large prises par la caméra, ou bien une caméra montée sur un support articulé trois-axes de type gimbal avec suspension à la Cardan muni de servomoteurs, et les moyens d'ajustement dudit angle de visée de la caméra sont des moyens aptes à piloter lesdits servomoteurs. 20 On propose, selon un deuxième aspect de l'invention, une station au sol apte à communiquer par une liaison sans fil avec un drone pourvu d'une caméra pour lui envoyer des ordres de pilotage de manière à ce qu'il se déplace selon une trajectoire au moins en partie prédéterminée pour réaliser une prise de vues animée d'une cible. La station est caractérisée en 25 ce qu'elle comprend des moyens pour déterminer une trajectoire statique du drone par rapport à la cible pour la prise de vues, des moyens pour déterminer une dynamique de déplacement du drone sur la trajectoire statique, et des moyens pour générer à partir des deux déterminations et d'informations de position de la cible au cours du temps des instructions 30 de vol pour le drone. On propose par ailleurs, selon un troisième aspect de l'invention, un procédé pour déterminer une trajectoire devant être suivie par un drone pour la réalisation d'une prise de vues animées d'une cible le cas échéant en mouvement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 3054334 5 - sélectionner une trajectoire statique devant être parcourue par le drone par rapport à la cible ; - déterminer une dynamique de déplacement du drone sur cette trajectoire statique ; 5 - générer à partir de la trajectoire statique sélectionnée, de la dyna- mique déterminée et des coordonnées de la cible, des instructions de vol pour le drone. 0 10 On va maintenant décrire un exemple de réalisation du drone selon l'invention, en référence aux dessins annexés où les mêmes références désignent d'une figure à l'autre des éléments identiques ou fonctionnellement semblables. La Figure 1 est une vue d'ensemble schématique d'un système de prise 15 de vues comprenant un drone et une station au sol. La figure 2 illustre un exemple de trajectoire du drone pour la prise de vues animée d'une cible. La Figure 3 est un schéma par blocs d'un ensemble d'unités fonctionnelles de détermination de trajectoire selon l'invention. 20 La Figure 4 est un schéma par blocs d'un ensemble d'unités fonction- nelles pour la génération d'ordres de pilotage et la commande de l'axe de visée de la caméra du drone. Les Figures 5A-5E illustrent un ensemble de trajectoires statiques types pour le drone. 25 0 On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention. Elle s'applique à un drone, par exemple un drone de type quadricoptère, tel que le Parrot Bebop Drone, dont les divers aspects techniques sont 30 décrits dans les EP 2 364 757 AI, EP 2 613 213 Al, EP 2 450 862 Al ou encore EP 2 613 214 Al précités. Le drone D comporte des rotors coplanaires dont les moteurs sont pilotés indépendamment par un système intégré de navigation et de contrôle d'attitude. Il est pourvu d'une caméra C à visée frontale permettant d'obtenir 35 une image de la scène vers laquelle est orienté le drone. 3054334 6 Le drone peut comporter également de préférence 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. 5 Des capteurs inertiels (accéléromètres et gyromètres) permettent de me- surer avec une certaine précision les vitesses angulaires et les angles d'attitude du drone, c'est-à-dire les angles d'Euler (tangage, roulis et lacet) décrivant l'inclinaison du drone par rapport à un plan horizontal d'un repère terrestre fixe, étant entendu que les deux composantes longitudinale 10 et transversale de la vitesse horizontale sont intimement liées à l'inclinai- son 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. Le drone est également pourvu de moyens de localisation permettant de déterminer sa position absolue dans l'espace, no- 15 tamment à partir de données issues d'un récepteur GPS, ou par d'autres moyens, par exemple par intégration des mesures produites par les capteurs de la centrale inertielle. La caméra C est de préférence une caméra fixe de type fish-eye à champ hémisphérique, comme décrit par exemple dans le EP 2 933 775 Al (Par- 20 rot). Avec une telle caméra, les changements de l'axe de visée de la ca- méra sont réalisés non pas par déplacement physique de la caméra, mais par recadrage et retraitement des images prises par la caméra en fonction d'un angle de visée virtuel, déterminé par rapport à l'axe principal du drone, donné en consigne. 25 Le drone D est piloté par une station au sol T, typiquement sous la forme d'une télécommande, par exemple de type télécommande d'aéromodélisme, d'un téléphone intelligent ou d'une tablette intelligente. Le téléphone intelligent ou la tablette intelligente sont pourvus d'un écran tactile E affichant l'image embarquée par la caméra frontale C, avec en super- 30 position un certain nombre de symboles permettant l'activation de com- mandes de pilotage par simple contact du doigt d'un utilisateur sur l'écran tactile E. Lorsque le drone D est piloté par une station T de type télécommande, l'utilisateur peut être pourvu de lunettes de pilotage en immersion, souvent dénommées lunettes FPV (First Person View). L'appareil T est 35 également pourvu de moyens de liaison radio avec le drone D, par 3054334 7 exemple de type réseau local Wi-Fi (IEEE 802.11), pour l'échange bidirectionnel de données du drone D vers l'appareil T, notamment pour la transmission de l'image captée par la caméra C et de données de vol, et de l'appareil T vers le drone D pour l'envoi de commandes de pilotage. 5 Selon l'invention, le système constitué par le drone D et l'appareil T est configuré pour pouvoir donner au drone la faculté de suivre et de filmer de manière autonome une cible, typiquement la cible constituée par l'appareil T lui-même porté par l'utilisateur, en offrant à l'utilisateur la possibilité de déclencher des trajectoires automatiques pour produire facilement des 10 plans intéressants et esthétiques. Ces plans sont définis par des trajectoires tridimensionnelles recalculées en temps réel relativement à la position de l'utilisateur. Avantageusement, l'utilisateur peut déclencher l'animation par une simple pression sur un bouton de l'écran tactile du terminal T, le drone exécutant 15 les déplacements tout en gardant cadré dans la video le sujet portant le terminal. Selon un aspect de l'invention, le système sépare i) la définition statique de la forme de la courbe 3D représentant la trajectoire adoptée par le drone D de ii) la manière dont cette courbe est parcourue dans le temps. 20 En référence maintenant à la Figure 2, on va expliquer plus en détail la génération d'une trajectoire particulière pour réaliser une prise de vues animées visant la cible. Dans l'exemple pris ici à des fins purement illustratives, la forme de la trajectoire du drone est celle d'une courbe en cloche C : le drone filme la 25 cible en parcourant une parabole passant juste au-dessus de la cible (en l'espèce l'utilisateur, qui porte l'appareil T) pour se retrouver de l'autre côté. Cette trajectoire pourrait dans une première approche être définie simplement par l'équation paramétrique d'une parabole, à savoir : 30 X(t) = t Z(t) = H-(t-t0)2 Mais si l'on décrit cette courbe au cours du temps, on comprend que les 35 vitesses de déplacement sont importantes au début et à la fin, et que le 3054334 8 drone va ralentir au sommet de la parabole. Ceci s'explique par le fait que la manière dont on exprime la forme de la courbe est intimement liée à celle avec laquelle on la décrit au cours du temps (ici en l'occurrence une vitesse constante selon l'axe X). 5 Selon l'invention, le système est agencé pour permettre à l'utilisateur de contrôler le déroulement de l'animation en pouvant influencer la vitesse de déplacement du drone sur la trajectoire choisie, de manière à pouvoir accélérer le déplacement, le ralentir, immobiliser le drone pendant un certain moment, voire même l'amener à parcourir la trajectoire en sens inverse. 10 On utilise à cet effet une architecture électronique de pilotage, de préfé- rence une architecture logicielle, qui permet de séparer la génération des trajectoires et la génération de la manière dont le drone va se déplacer sur ces trajectoires. En référence à la figure 3, le bloc 110 a pour objet de décrire la forme de 15 la trajectoire, à savoir de la courbe dans l'espace à trois dimensions que le drone va décrire, indépendamment de toute dynamique. Cette trajectoire est décrite par une courbe paramétrée : M(u) = (x(u), y(u), z(u)) avec un début à u=u0 et une fin à u=u1. Dans le présent exemple, la trajectoire est décrite par rapport à l'origine 0(0,0,0), qui représente la position du terminal T porté par l'utilisateur. Dans le présent exemple d'une parabole, on a: x(u) = (1-2u).x0 y(u) = (1-2u).y0 z(u) = 4*u*(u-1).Hi-z0 30 avec u0 = 0, u1 = 1 et M0(x0,y0,z0) la position du drone par rapport à l'uti- lisateur au lancement de l'animation. Toujours en référence à la Figure 3, le bloc 120 a pour objet, une fois la forme de la trajectoire définie, de définir à chaque instant la vitesse de parcours de cette trajectoire par le drone. Le bloc 120 admet en entrée la 35 vitesse souhaitée y, qui peut : 20 25 3054334 9 - soit dépendre de la progression de la trajectoire, par exemple pour ralentir au début et à la fin : = v(u) = v(u(t)) - soit être redéfinie à chaque instant, par exemple par une programmation de l'utilisateur, soit : v=v(t) Le bloc 120 reçoit également en entrée la courbe M(u) et le temps t. A partir des paramètres, M(u), v et t, le bloc 120 détermine l'évolution du paramètre u en fonction du temps par les étapes suivantes : - calcul du gradient de la trajectoire à la position courante : g = dM/du(u) - calcul de la vitesse curviligne désirée y = v(t) ou y = v(u(t)) ; et - détermination de l'incrément du paramètre u correspondant à un in- 20 crément de temps dt, soit : u(t+dt) = u(t) + tedt/lIgn On notera ici que dans les cas où la trajectoire est mal définie et com- 25 prend des singularités, le gradient peut être nul. La notion de vitesse n'a alors pas de sens puisque M(t) n'est pas dérivable à cet instant. On incrémente donc le paramétrage u d'un petite variation du pour sortir de la singularité, soit : 30 u(t+dt) = u(t)+du où du est fixé et très petit devant lui-u01. On obtient donc en sortie du bloc 120 l'évolution du paramétrage u en fonction du temps t. 5 10 15 3054334 10 Il est alors possible d'engendrer la consigne de position du drone à chaque instant en calculant M(u(t)). Ce calcul est effectué par le bloc 130 de la Figure 3. La trajectoire ainsi générée vérifie alors les propriétés suivantes : 5 - M(t) = M(u(t)) : la trajectoire est conforme à la forme désirée ; - à tout instant, la vitesse désirée est respectée : ildM/dtil = Iv(01; - u(t) est strictement croissante et varie de u0 à u1 en un temps fini si v(t) > vmin > 0 ; et - u(t) est strictement décroissante et atteint la valeur de départ u0 en un 10 temps fini si v(t) REVENDICATIONS1. Système de prise de vues animées, comprenant un drone (D) pourvu d'une caméra (C) et une station au sol (T) communiquant par une liaison sans fil avec le drone, les déplacements du drone étant définis par des ordres de pilotage appli- gués à un groupe propulseur ou un ensemble de groupes propulseurs du drone, le drone étant apte à se déplacer selon une trajectoire au moins en partie prédéterminée pour réaliser une prise de vues animée d'une cible (T), et à ajuster l'angle de visée de la caméra (C) au cours des déplacements du drone et le cas échéant de la cible pour qu'à chaque instant l'image prise par la caméra contienne la position de la cible, le système étant caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens (110) pour déterminer une trajectoire statique du drone par rapport à la cible pour la prise de vues ; - des moyens (120) pour déterminer une dynamique de déplacement du drone sur la trajectoire statique ; et - des moyens (130, 230, 240) pour générer des instructions de vol pour le drone à partir des deux déterminations et d'informations de position de la cible au cours du temps. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (110) pour déterminer une trajectoire statique du drone comprennent des moyens associés à une interface utilisateur (IU1) de la station au sol (T) pour sélectionner une trajectoire parmi un ensemble de trajectoires mémorisées. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (110) pour déterminer une trajectoire statique du drone comprennent des moyens associés à une interface utilisateur (IU1) pour faire ajuster au moins un paramètre de la trajectoire sélectionnée. 4. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les trajectoires mémorisées comprennent au moins deux trajectoires choisies dans le 3054334 15 groupe suivant : les trajectoires en cloche, les trajectoires sur courbe fermée, les trajectoires en hélice, les trajectoires en chandelle. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des 5 moyens (110) pour ajuster sur la trajectoire déterminée une position de début de prise de vues et une position de fin de prise de vues. 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (120) pour déterminer une dynamique de déplacement du drone sur la tra- 10 jectoire statique comprennent une interface utilisateur (IU2) permettant de déterminer une évolution de vitesse sur la trajectoire statique. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la détermination de l'évolution de la vitesse comprend la détermination de points 15 d'arrêt du drone. 8. Système selon la revendication 6 , caractérisé en ce que la détermination de l'évolution de la vitesse comprend la détermination d'une inversion de vitesse du drone. 20 9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caméra est une caméra fixe à champ large de type fish-eye, et en ce qu'il comporte des moyens d'ajustement dudit angle de visée de la caméra, aptes à recadrer et retraiter les images à champ large prises par la caméra. 25 10. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caméra est une caméra montée sur un support articulé trois-axes de type gimbal avec suspension à la Cardan muni de servomoteurs, et en ce qu'il comporte des moyens d'ajustement dudit angle de visée de la caméra, aptes à pilo- 30 ter lesdits servomoteurs. 11. Station au sol (T), apte à communiquer par une liaison sans fil avec un drone (D) pourvu d'une caméra pour lui envoyer des ordres de pilotage de manière à ce qu'il se déplace selon une trajectoire au moins en partie prédéterminée pour réaliser une prise de vues animée d'une cible, 3054334 16 la station étant caractérisée en ce qu'elle comprend : - des moyens (110) pour déterminer une trajectoire statique du drone par rapport à la cible pour la prise de vues ; - des moyens pour (120) pour déterminer une dynamique de déplace- 5 ment du drone sur la trajectoire statique ; et - des moyens (130) pour générer des instructions de vol pour le drone à partir des deux déterminations et d'informations de position de la cible au cours du temps. 10 12. Procédé pour déterminer une trajectoire devant être suivie par un drone (D) pour la réalisation d'une prise de vues animées d'une cible le cas échéant en mouvement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - sélectionner une trajectoire statique devant être parcourue par le 15 drone par rapport à la cible ; - déterminer une dynamique de déplacement du drone sur cette trajectoire statique ; et - générer des instructions de vol pour le drone à partir de la trajectoire statique sélectionnée, de la dynamique déterminée et des coordon- 20 nées de la cible.