Conception et réalisation d un démonstrateur pour un système hybride projectile/drone miniature (GLMAV). Bilan

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1 Conception et réalisation d un démonstrateur pour un système hybride projectile/drone miniature (GLMAV). Bilan P. GNEMMI 1, S. CHANGEY 1, M. BOUTAYEB 2, R. LOZANO 3, R. SIRYANI 4 1 ISL, Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis, 5 rue du Général Cassagnou, Saint-Louis Cedex 2 CRAN, Institut Universitaire de Technologie Henri Poincaré, 186 rue de Lorraine, Cosnes et Romain 3 HEUDIASYC, Université de Technologie de Compiègne, Centre de Recherches de Royallieu, Compiègne Cedex 4 SBG-Systems SAS, 6 rue Lionel Terray, Rueil Malmaison patrick.gnemmi@isl.eu, sebastien.changey@isl.eu, boutayeb@univ-lorraine.fr, rogelio.lozano@hds.utc.fr, siryani@sbg-systems.com Résumé Dans le cadre de la protection du citoyen et des infrastructures vitales et des réseaux, l Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL) a proposé un concept innovant de drone miniature : il s agit de lancer à partir d un tube portable dédié, un projectile subsonique qui se transforme en drone miniature (MAV) une fois arrivé au-dessus du site à observer. Un tel système hybride, appelé GLMAV pour Gun Launch Micro Air Vehicle, est dédié à toutes formes de surveillance et de contrôle de personnes et d infrastructures par la voie aérienne puisqu il est doté d un système de vision embarqué avec transmission des images en temps réel. L ISL s est associé au CRAN (Université de Lorraine), à l unité mixte de recherche HEUDIASYC (Université de Technologie de Compiègne) du CNRS et à la très petite entreprise SBG Systems SAS. Le GIGN et la DGA en tant qu experts opérationnels et MBDA- Systems en France en tant qu expert industriel ont été associés au comité de pilotage du projet. Le bilan des travaux relatifs à ce projet après quarante cinq mois d études est présenté dans cette publication. Abstract Within the framework of the protection of the citizen and of the vital infrastructures and the networks, the French-German Research Institute of Saint Louis (ISL) proposed an innovative concept of a miniature air vehicle: it is a question of launching from a dedicated portable tube, a subsonic projectile which is transformed into a Micro Air Vehicle (MAV) once arrived over the site to be observed. Such a hybrid system, named GLMAV for Gun Launch Micro Air Vehicle, is devoted to any forms of surveillance and control of people and infrastructures by air, because it is equipped with an embarked vision system with real-time image transmission. The ISL associated the CRAN (University of Lorraine), the CNRS joint unit of research HEUDIASYC (University of Technology of Compiègne) and the very small company SBG Systems SAS. The GIGN and the DGA as operational experts and MBDA-Systems in France as industrial expert were associated to the steering committee of the project. The assessment after forty five months of studies concerning that project is presented in this report. 1. Introduction En 2009, un tour d'horizon des activités drones dans le contexte international montre que l utilisation de véhicules aériens sans pilote (Unmanned Air Vehicle soit UAV ou drone) est primordiale. En effet, les drones font l objet d un intérêt croissant de la part de plusieurs pays et l emploi de ces engins qui volent sans pilote semble particulièrement bien adapté à des opérations de surveillance et détection sur des sites sensibles ou en milieu hostile. Dans les cadres de la sécurité civile et de situations conflictuelles ou de combats rapprochés, un opérateur ou un groupe d intervenants (policiers, gendarmes, douaniers, pompiers, fantassins, etc.) devrait pouvoir utiliser un drone miniature pour explorer la zone difficile, afin d accéder immédiatement à la vue du terrain et pour éviter les pertes humaines. Après examen des différents types d appareils existants ou en cours de développement et fort des compétences de l ISL en lancement de projectiles par «effet canon» et en aérodynamique des voilures tournantes, un nouveau concept utilisant ces compétences a été proposé : le Gun Launched Micro Air Vehicle (GLMAV). Il s agit d amener le drone miniature très rapidement sur le site où il commence à être opérationnel en utilisant une énergie délivrée extérieurement à l appareil. Cet appareil original conditionné dans une enveloppe constituant un projectile est donc lancé par un tube dédié portable. Puis, lorsque le projectile atteint son apogée il est transformé en une plateforme drone miniature qui devient opérationnelle audessus du site à observer. La Figure 1 montre une photomontage du lanceur balistique, de la plateforme GLMAV et de la station sol à partir de prises de vue réelles.

2 et MBDA-Systems en France s était annoncé en tant «qu opérateur industriel» potentiellement intéressé par un éventuel transfert de technologie et comme conseil pour les aspects industriels. 2. Programme scientifique et technique du projet, résultats Le programme scientifique et technique de ce projet a été décomposé en 1 tâche de management et en 6 tâches techniques. Des compétences multiples ont été mises en œuvre dans ce projet. Sa structure a été élaborée par compétences de manière à ce que chacune des tâches constitue un bloc dont le taux de recouvrement est inférieur à 15%. Toutes les tâches qui ont nécessité un recouvrement ont été coordonnées entre elles ; en particulier, la réalisation des essais pour la validation des différentes phases du projet a été réalisée dans l une ou l autre tâche et l on a veillé à éviter la redondance des essais. Fig. 1 : concept du GLMAV Les avantages majeurs de ce concept par rapport à un drone miniature plus classique à décollage vertical sont exposés dans [1]. Deux scénarii opérationnels sont envisagés : l engin commence l observation à 100 m au dessus de la zone à traiter située à 100 m ou 500 m du lieu de lancement. Le vol du GLMAV a été donc été scindé en 3 phases : le vol balistique d un projectile classique jusqu au voisinage de son apogée, la phase transitoire de transformation du projectile en drone miniature, le vol opérationnel piloté pour l observation. Le projet de 45 mois a été étudié dans le cadre d un financement ANR dans le thème CSOSG. Le projet «DEMONSTRATEUR_GLMAV» a été bâti autour d un consortium composé des 4 partenaires suivant : Tab. 1 : partenaires du consortium Partenaire 1 Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL) 2 Centre de Recherche en Automatique de Nancy (CRAN) UMR-CNRS Heuristique et Diagnostic des Systèmes Complexes (HEUDIASYC) UMR-CNRS-6599 Organisme de recherche Oui Oui Oui Entreprise 4 SBG Systems SAS Oui L ISL a assuré la coordination des travaux du consortium. Le Groupe d Intervention de la Gendarmerie Nationale (GIGN) et la Direction Générale de l Armement (DGA) s étaient déclarés en tant «qu opérateur étatique» 2.1 Tâche 0 Cette tâche a consisté à faire le lien entre les différents partenaires, à s assurer de la cohérence des travaux effectués dans les différentes tâches et sous-tâches et à assurer la présidence du comité de pilotage. Le comité de pilotage est composé des partenaires ISL, CRAN, HEUDIASYC et SBG Systems, des opérateurs publics GIGN et DGA et de l opérateur industriel MBDA Systems en France. 7 compte-rendus d avancement [1-7] et 5 articles aux différentes manifestations du WISG [8-12] permettent de suivre les avancées réalisées au cours du projet. Les détails des travaux de chacune des tâches sont présentés dans 13 rapports techniques [13-25]. De plus, 27 publications et communications internationales ont été produites : 4 internationales multipartenaires, 13 internationales monopartenaires dont 5 dans des revues à comité de lecture, 7 françaises multipartenaires et 3 françaises monopartenaires sous forme de travaux individuels sanctionnés. 24 présentations des travaux du projet ont été soutenues essentiellement lors de visites à l ISL de personnes des mondes académiques et industriels. A cela s ajoute 2 articles de vulgarisation par des journalistes de revues et 4 participations à des compétitions de drones miniatures. Toutes ces publications, conférences et articles sont référencés dans le rapport final [7]. 2.2 Tâche 1 réalisation du lanceur et de la plateforme GLMAV, réalisation des essais Cette tâche a été dédiée, d une part, à la conception et à la réalisation du lanceur balistique portable permettant d amener la plateforme GLMAV en mode projectile vers le point où l observation peut commencer. Des simulations en balistique intérieure ont servi au dimensionnement de ce lanceur. Le lanceur balistique portable dédié de moins de 10 kg, de 80 mm de diamètre et de 1 m de long a été réalisé

3 et son utilisation à été validée (Figure 3). Il permet de lancer avec une accélération inférieure à 2500 g la plateforme GLMAV en mode projectile à 500 m de portée avec une vitesse de lancement de 100 m/s [13]. Fig. 2 : lanceur balistique Elle a également été consacrée à la conception et à la réalisation de la plateforme GLMAV durcie à l accélération. La plateforme est basée sur un principe à deux rotors coaxiaux contrarotatifs. Des simulations numériques en résistance des matériaux et en mécanique des fluides ont permis de dimensionner la plateforme (Figure 4). La réalisation d un lanceur de laboratoire a permis d effectuer des essais de tenue à l accélération des différents composants de la plateforme. La version 2.0 finale de la plateforme GLMAV à deux rotors coaxiaux contrarotatifs lors du vol opérationnel a été réalisée, ses composants ont été validés pour la tenue à l accélération. Fig. 4 : photographies de la version 2.0 finale de la plateforme GLMAV 2.3 Tâche 2 réalisation de l autopilote embarqué durci à l accélération Cette tâche a été dévolue à la conception et à la réalisation de la platine électronique qui accueille l autopilote embarqué (Figure 6). Elle est très compacte et les fonctionnalités de cette carte mère ont été éprouvées à plusieurs reprises par des essais de tous types. Cette platine électronique double face comporte un processeur Gumstyx. Il permet la gestion de la transmission, par protocole ZigBee, des ordres de haut niveau provenant de la station sol. La platine supporte donc un émetteur-récepteur ZigBee. Ces ordres de haut niveau permettent au processeur de calculer les lois de commande en temps réel qu il est nécessaire de transmettre à chaque moteur des deux rotors et aux servo-moteurs. Les servo-moteurs commandent le plateau cyclique du rotor inférieur qui luimême pilote l attitude de la plateforme. Ce processeur assure aussi la gestion de la transmission, par protocole WIFI, des images vidéo provenant du système de vision [16]. Fig. 3 : schéma de la version 2.0 finale de la plateforme GLMAV Elle a également été validée sur le plan fonctionnel et elle est prête à recevoir l autopilote dans son calculateur embarqué. Les rotors supérieur et inférieur ont des diamètres de 0,35 m et 0,25 m, respectivement. Le GLMAV complètement opérationnel pèse 1,05 kg (Figure 5) [14]. Enfin, cette tâche a englobée la validation des démonstrations du fonctionnement de la version finale de la plateforme GLMAV dans les configurations de vol d intérieur, d extérieur sans et avec vent. Cette validation a été réalisée en utilisant les commandes manuelles de haut niveau [15]. Fig. 5 : synoptique des éléments du GLMAV A cette carte mère est adossée la centrale de navigation inertielle IG-500N de SBG Systems SAS dont les signaux

4 sont fusionnés avec un GPS et un baromètre. Cette IMU a été améliorée pour accroître la précision en attitude et en hauteur par le choix de nouveaux capteurs et par l amélioration des algorithmes de fusion des données des capteurs (Figure 7) [17]. Tous les composants électroniques ont été conçus et réalisés de manière à résister à l accélération de départ. Cependant, certains éléments de la carte électronique ont dû être durcis pour résister à l accélération de 2500 g, ce qui a été validé par de nombreux essais [18]. ont aussi servis à la conception et à la réalisation du lanceur balistique de la tâche 1. La stabilité balistique du GLMAV en mode projectile équipé de quatre empennages aérodynamiquement optimisés et déployés à la sortie du tube de lancement a été validée expérimentalement par des tirs au terrain d expériences de l ISL. La Figure 9 montre des images du déploiement des empennages. Ces tirs ont mis en évidence la disponibilité de tous les capteurs après 3,5 secondes, soit avant l apogée de la trajectoire balistique. Ceci permet de traiter la phase transitoire de freinage du GLMAV en mode drone jusqu au vol stationnaire opérationnel [20]. Fig. 6 : centrale de navigation inertielle du GLMAV 2.4 Tâche 3 système complet de vision avec transmission des images Cette tâche a consisté à étudier et à réaliser un dispositif pour l observation de la scène et pour le pilotage de la plateforme ainsi que le système de transmission des séquences vidéo. A l origine du projet deux dispositifs étaient prévus pour assurer les deux fonctionnalités, mais très rapidement la décision de ne réaliser qu un seul dispositif pour les deux fonctionnalités a été prise pour des raisons d encombrement et de masse. Ainsi, une caméra haute définition placée derrière une optique placée ellemême derrière un prisme séparateur permet d obtenir des prises de vues à l horizontale et à la verticale (Figure 8). La gestion de la prise d images est assurée par le calculateur embarqué Gumstyx. Le système de vision permet d obtenir des images des vues horizontale et verticale de qualité VGA acquises par la caméra de 1296 pixels par 964 pixels ; la transmission WIFI s effectue à une cadence maximale de 14 Hz à une distance de 500 m. Un stockage de ces images à bord est également réalisé pour pouvoir servir de preuve, si nécessaire [19]. Fig. 8 : centrale de navigation inertielle du GLMAV 2.6 Tâche 5 étude de la phase transitoire de déploiement des rotors Cette tâche a été consacrée à la phase de vol transitoire de transformation du projectile en drone miniature, dans le but d optimiser le déploiement de la plateforme des rotors. Essentiellement, une modélisation de cette phase associée à des simulations de trajectoires à 6 degrés de liberté a été réalisée (Figure 10) [21]. Fig. 7 : dispositif de vision et image scindée en deux champs de vue transmise à la station sol 2.5 Tâche 4 étude de la phase de vol balistique Cette tâche a considéré l étude de la phase de vol balistique du projectile afin de maîtriser la trajectoire de celui-ci. Des simulations de mécanique du vol à 6 degrés de liberté ont permis de définir les conditions de lancement de la plateforme en mode projectile. Les données obtenues Fig. 9 : stratégie de la commande pour la phase transitoire Des essais en soufflerie subsonique entrepris au cours de l été 2013 avec la plateforme finale du GLMAV ont permis de caractérisé son aérodynamique en fonction de la vitesse du vent et des vitesses de rotation des rotors. Sur cette base expérimentale un modèle mathématique a été élaboré pour examiner les conditions de freinage de la plateforme jusqu à arriver au vol stationnaire opérationnel [22].

5 Fig. 10 : loi de commande pour la phase transitoire 2.7 Tâche 6 étude de la phase de vol fonctionnel opérationnel Cette tâche a été dédiée à l étude du vol fonctionnel opérationnel stabilisé pour permettre la prise d images vidéo rendue difficile par d éventuelles rafales de vent. Il s agit dans cette tâche de faire l analyse et la synthèse de lois de commande garantissant un vol sûr du GLMAV en mode opérationnel qui tient compte des différentes contraintes liées au tir, aux rafales de vent et incertitudes. La modélisation fine de la dynamique du birotor qui consiste en l obtention d un modèle dynamique précis de l évolution en 6 degrés de liberté du birotor GLMAV a été réalisée. Plusieurs lois de commande ont été envisagées. Une commande hiérarchique synthétisée par backstepping a particulièrement été étudiée et elle a fourni d excellents résultats en simulation. Cette approche de commande robuste a été implémentée dans le calculateur embarqué d une version allégée du GLMAV et les résultats expérimentaux sont satisfaisants. La Figure 12 montre une photographie de cette version du GLMAV en vol dans un laboratoire [22, 23]. Fig. 11 : GLMAV allégé en vol dans un laboratoire La prise en compte de perturbations a été pensée de manière à ce que la structure d observation permette de considérer les efforts aérodynamiques externes (vent, par exemple) ; cette structure est applicable pour des efforts variables dans une certaine mesure. Ces lois fonctionnent en simulation, mais leur mise en œuvre sur la plateforme finale du GLMAV a posé quelques problèmes (Figure 13). Ainsi des premiers résultats encourageants ont été obtenus en vol d intérieur, mais leur implantation n a pas été assez concluante pour l appliquer en vol d extérieur [25]. Par contre, comme il a été mentionné précédemment le vol en extérieur piloté manuellement a montré les possibilités du GLMAV [15]. Fig. 12 : version finale du GLMAV dans un support de laboratoire à 3 DDL pour tests de vol 3. Conclusion L objectif très ambitieux initial n a été atteint que partiellement, puisque la démonstration complète de la validité du concept n a pas été possible, principalement pour les deux raisons suivantes : L étude de la phase transitoire nécessite encore des travaux expérimentaux en soufflerie pour vérifier le bon déroulement du déploiement de la platine supportant le birotor. L autopilote pour réaliser le vol automatique stationnaire et de croisière nécessite aussi des travaux complémentaires. Cependant, à partir de schémas d un lanceur et d une plateforme, le consortium a réussi à réaliser un système dont les trois composantes principales (lanceur balistique, plateforme, station sol) ont été validées séparément sur le plan fonctionnel. L ISL a décidé de poursuivre les études sur les deux points cités précédemment sur ses fonds propres pour aboutir à cette démonstration complète. Remerciements Les auteurs remercient vivement l Agence Nationale de la Recherche pour le support qu elle a accordé à ce projet dans le cadre du thème «Concepts Systèmes et Outils pour la Sécurité Globale». Les auteurs remercient également le GIGN, la DGA et MBDA-Systems en France de s être associés au comité de pilotage de ce projet ANR. Les auteurs remercient tous les contributeurs des quatre partenaires pour leur engagement et leur disponibilité dans l avancement dans ce projet de grande envergure. Références [1] Gnemmi P., Changey S., Boutayeb M., Lozano R., Siryani R., Compte-rendu intermédiaire T0 + 6 mois : Projet ANR-09-SECU-12, 2009, Rapport ISL-CR/FV 526/2010, 2010 [2] Gnemmi P., Changey S., Boutayeb M., Lozano R., Siryani R., Compte-rendu intermédiaire T , Rapport ISL-CR/FV 516/2011, 2011 [3] Gnemmi P., Changey S., Boutayeb M., Lozano R., Siryani R., Compte-rendu intermédiaire T0 + 18

6 2009, Rapport ISL-CR/FV 542/2011, 2011 [4] Gnemmi P., Changey S., Boutayeb M., Lozano R., Siryani R., Compte-rendu intermédiaire T , Rapport ISL-CR/FV 512/2012, 2012 [5] Gnemmi P., Changey S., Boutayeb M., Lozano R., Siryani R., Compte-rendu intermédiaire T , Rapport ISL-CR/FV 529/2012, 2012 [6] Gnemmi P., Changey S., Boutayeb M., Lozano R., Siryani R., Compte-rendu intermédiaire T , Rapport ISL-CR/FV 518/2013, 2013 [7] Gnemmi P., Changey S., Boutayeb M., Lozano R., Siryani R., Compte-rendu de fin de projet : Projet ANR-09-SECU-12, DEMONSTRATEUR_GLMAV, Programme CSOSG 2009, Rapport ISL-/FV 342/2013, 2013 [8] Gnemmi P., Changey S., Boutayeb M., Lozano R., Siryani R., Conception et réalisation d un démonstrateur pour un système hybride projectile/drone miniature, Workshop 2010), Troyes, France, janvier 2010 [9] Gnemmi P., Changey S., Roussel E., Meder K., Rey C., Wey P., Bernard L., Martinez B., Boutayeb M., Lozano R., Siryani R., Conception et réalisation d un démonstrateur pour un système hybride projectile/drone miniature : état des travaux après 8 mois, Workshop Interdisciplinaire sur la Sécurité Globale (WISG 2011), Troyes, France, janvier 2011 [10] Gnemmi P., Changey S., Roussel E., Meder K., Rey C., Grandvallet B., Chauffaut C., Bernard L., Schertzer S., Wey P., Boutayeb M., Lozano R., Siryani R., Koehl A., Berner C., Martinez B., Conception et réalisation d un démonstrateur pour un système hybride projectile/drone miniature : état des travaux après 20 mois, Workshop 2012), Troyes, France, janvier 2012 [11] Gnemmi P., Changey S., Rey C., Roussel E., Meder K., Metzger N., Schertzer S., Pecheur E., Drouot A., Chauffaut C., Siryani R., Berner C., Wey P., Martinez B., Boutayeb M., Lozano R., Conception et réalisation d un démonstrateur pour un système hybride projectile/drone miniature : état des travaux après 32 mois, Workshop 2013), Troyes, France, janvier 2013 [12] Gnemmi P., Changey S., Boutayeb M., Lozano R., Siryani R., Conception et réalisation d un démonstrateur pour un système hybride projectile/drone miniature : bilan, Workshop 2014), Troyes, France, janvier 2010, article et poster à paraître [13] Gnemmi P, Steinbach C., Krcmar J., Willauer A., Dahhani K., Changey S., Baschung B., Lanceur balistique pour le GLMAV et démonstration du lancement (Tâche 1), Rapport ISL-CR/FV 522/2013, décembre 2013 [14] Changey S., Gnemmi P., Meder K., Roussel E., Rey C., Pecheur E., Sommer E., Berner C., Plateforme GLMAV et tests de tenue à l accélération (Tâche 1), Rapport ISL-CR/FV 523/2013, décembre 2013 [15] Rey C, Gnemmi P., Roussel E., Démonstration du vol opérationnel du GLMAV en commande manuelle (Tâche 1), Rapport ISL-CR/FV 524/2013, décembre 2013 [16] Roussel E., Pecheur E., Changey S., Electronique embarquée du GLMAV (Tâche 2), Rapport ISL- CR/FV 525/2013, décembre 2013 [17] Roussel E., Sommer E., Pecheur E., Changey S., Syriani R., Berner C., Durcissement de l électronique embarquée du GLMAV (Tâche 2), Rapport ISL-CR/FV 526/2013, décembre 2013 [18] Siryani R., Changey S., Amélioration de la précision de la centrale inertielle IG-500N pour le GLMAV (Tâche 2), Rapport ISL-CR/FV 527/2013, décembre 2013 [19] Bernard L., Christnacher F., Metzger N., Roussel E., Schertzer S., Transmission des signaux et système d observation pour le GLMAV (Tâche 3), Rapport ISL-CR/FV 528/2013, décembre 2013 [20] Wey P., Changey S., Roussel E., Pecheur E., Gnemmi P., Berner C., Etude du vol balistique du GLMAV : modélisation, simulation et validation expérimentale (Tâche 4), Rapport ISL- CR/FV 529/2013, décembre 2013 [21] Chauffaut C., Lozano R., Roussel E. Modèle mathématique du birotor GLMAV (Tâche 5), Rapport ISL-CR/FV 531/2013, décembre 2013 [22] Gnemmi P., Spieser E., Martinez B., Rey C., Juncker J., Roussel E., Mesures en soufflerie subsonique pour la phase transitoire du GLMAV (Tâche 5), Rapport ISL-CR/FV 530/2013, décembre 2013 [23] Drouot A., Richard E., Rafaralahy H., Zasadzinski M., Souley H., Zemouche A., Gassmann V., Roussel E., Boutayeb M., Stratégies de commande pour la navigation autonome du GLMAV (Tâche 6), Rapport ISL-CR/FV 532/2013, décembre 2013 [24] Drouot A., Richard E., Rafaralahy H., Zasadzinski M., Souley H., Zemouche A., Gassmann V., Roussel E., Boutayeb M., Mise en œuvre et évaluation des performances du GLMAV (Tâche 6), Rapport ISL-CR/FV 533/2013, décembre 2013 [25] Gassmann V., Roussel E., Rey C. Drouot A., Theodoulis S., Validation expérimentale du GLMAV (Tâche 6), Rapport ISL-CR/FV 534/2013, décembre 2013