ENSMM de Besançon. PROJET µdrone. Pascal PAQUIER. Coordinateur projet µdrone

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1 ENSMM de Besançon PROJET µdrone Pascal PAQUIER Coordinateur projet µdrone Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques TEMIS Technopole Microtechnique et Scientifique 26, chemin de l Epitaphe Besançon cedex Tél. : +33 (0) Fax : +33 (0) Site web :

2 Présentation du projet µdrone C est en 2003 que l Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques de Besançon (ENSMM) a entrepris la conception et la réalisation d un drone miniature, c est-à-dire un petit aéronef sans pilote capable d effectuer en totale autonomie des missions de reconnaissance et de surveillance en milieu urbain. Un tel projet, à la pointe de l innovation, réunit les performances des technologies les plus récentes en matière de microtechniques, microsystèmes et mécatronique. Il a su rassembler et coordonner au sein de l ENSMM des compétences pluridisciplinaires dans des domaines aussi divers que : les microtechniques, l optronique, l automatique des systèmes complexes (asservissement par des lois de commande), la propulsion et le vol à basse énergie, la maîtrise de l usinage de pièces complexes, les techniques de moulage complexe en matière composite carbone/kevlar, la gestion de la sûreté et de la sécurité des personnels servants. Caractéristiques techniques du µdrone Système de propulsion D une envergure inférieure à 70 cm et d un poids avoisinant les 2 kg, le µdrone est doté d une propulsion électrique. Loin des configurations simples et déjà commercialisées tels les quadricoptères, l ENSMM propose un concept global unique basé sur un système de double hélice contrarotative quadripale fournissant la poussée soulevant l engin, deux petites hélices à pas variable pour la stabilisation du vol (tangage et roulis) et deux autres placées comme sur un avion bimoteur qui assurent la propulsion (cf. figures ci-dessous). Reprenant ainsi le principe du girodyne qui dissocie la sustentation de la propulsion, cette différence fondamentale fournit l avantage de maintenir l appareil à l horizontal. Cela favorise ainsi le vol stationnaire et surtout, rend possible une prise vidéo en continu tout en évitant d orienter les caméras vers le sol lors des déplacements, risquant ainsi d aveugler le drone. Le µdrone pivote sur lui-même grâce à l application d un différentiel de vitesse entre ses deux moteurs principaux (lacet). Module contrarotatif Moteurs de contrôle d assiette Moteurs de propulsion Électronique Roulis Tangage Sustentation Lacet Déplacement Principe de fonctionnement du µdrone

3 Pilotage automatique et électronique embarquée Un système de navigation embarqué comprenant une centrale inertielle (CI) ainsi qu un GPS doit conférer au drone une stabilisation d assiette et un pilotage automatiques. La centrale inertielle choisie incluant 3 gyroscopes, 3 accéléromètres et 3 magnétomètres plus un capteur thermique - fait partie de la gamme des centrales MEMS qui sont les seules suffisamment petites et légères pour être embarquées dans un drone miniature. La stabilisation et le pilotage automatiques du µdrone étant complexes à réaliser, un effort particulier a donc porté sur la modélisation du comportement de l'engin volant et de la loi de commande associée. L'implémentation de cette loi de commande associée à la gestion de capteurs et au calcul de trajectoire selon les contraintes des ordres de haut niveau fournis par un opérateur inexpérimenté dans le domaine du pilotage nécessite une puissance de calcul importante. Pour l unité de calcul, la solution choisie a été d utiliser un processeur coldfire puissant mais compatible avec une application embarquée : consommant peu, mais fournissant suffisamment de mémoire pour les calculs de stabilisation en vol du drone et pour l acquisition et le traitement des images. Le système d exploitation uclinux a été préféré pour ses capacités à gérer les tâches du calculateur (réception des données GPS, prédiction du comportement en vol du drone, calcul des lois de commande, réception des ordres depuis la station au sol ) et la mémoire associée. Il est également capable de composer avec la complexité de la transmission haut débit des images et de la télémesure. Centrale Inertielle Sonars Caméra Carte globale GPS Carte WIFI Architecture globale et agencement de l électronique embarquée Système de guidage Un dispositif de recherche d'objectifs et d'évitement d'obstacles utilisant la télémétrie ultrason (avec sonars) et associé à un système spécifique d'acquisition et de traitement de vidéos viendra finalement équiper le drone pour lui conférer un système de guidage et d'observation robuste et performant. Les deux caméras, loin d être une charge passive sur le drone, fournissent des données complémentaires aux sonars pour la détection d obstacle. L intercorrélation des deux images fournies est calculée rapidement sur le système embarqué avant transmission. La détection d'obstacle s'obtient en fusionnant une mesure classique par sonar de temps de vol pour la distance de l'obstacle, complétée d'une mesure de stéréoscopie acoustique pour la mesure d'azimut de l'obstacle dont le résultat complète à courte portée celui de la stéréoscopie optique, moins précise mais permettant une prédiction de trajectoire à plus long terme. Station au sol Une station au sol permet de maintenir en permanence la communication avec le drone en vue de l'analyse de tous les paramètres de vol (position, orientation, obstacles environnants) et garantit ainsi des fonctions de sécurité en donnant la possibilité à un opérateur de reprendre le contrôle partiel ou total du drone par radiocommande. Une communication haute fréquence unidirectionnelle ou bidirectionnelle devra permettre l analyse et le traitement des vidéos transmises, la reconnaissance des objectifs et la mémorisation du parcours du drone. Toutes les données transitant entre le drone et la station au sol sont numériques. La station au sol se limite à un PC équipé d une interface WiFi connectée à une antenne directionnelle.

4 Le projet µdrone : les résultats obtenus et le bilan Concours drones DGA / ONERA En juin 2003, le projet µdrone a été sélectionné 3 ème parmi 20 candidatures d écoles d ingénieurs et d universités au concours international universitaire de drones miniatures (http :// lancé en 2002 par la Délégation Générale pour l Armement (DGA) et organisé par l Office National d Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA). Ce concours vise à démontrer la faisabilité technique et l'intérêt opérationnel des drones miniatures d'une envergure d'au plus 70 cm. Destinés à équiper le fantassin à l'horizon 2010, ces mini-drones seront essentiellement utilisés pour des missions de surveillance. L ENSMM a bénéficié comme les autres lauréats d une subvention de 40 k, pour l étude et la réalisation d un prototype innovant de drones miniatures. Du 12 au 15 Septembre 2005 : la première édition du concours de drones miniatures de la DGA se déroule au camp militaire de Mourmelon (51). L ENSMM classée 5 ème obtient 4 mentions liées à l innovation dans les domaines : - Innovation électronique : Meilleur de la catégorie, - Innovation asservissement, - Innovation mécanique, aérodynamique, plate-forme, - Exploitation et traitement d images. Les prototypes réalisés De 2003 à 2006, plusieurs prototypes du µdrone ont été réalisés. Le dernier en date (photo de droite) dont toute la chaîne de propulsion ainsi que l électronique embarquée ont été revues et fiabilisées, est opérationnel. Il fait l objet d une première campagne d essais. Les moyens humains déployés Ce sont 64 élèves ingénieurs de l ENSMM qui ont travaillé de 2002 à 2006 sur le projet µdrone représentant ainsi : - 27 Projets de Fin d Etudes (PFE), - 12 stages de DEA ou de Master spécialisé, - 3 CDD de 6 mois. Ce sont près de 20 enseignants chercheurs, ingénieurs ou techniciens de l ENSMM qui ont contribué à l encadrement scientifique et technique du projet µdrone. Quatre laboratoires de recherche ont ainsi été impliqués dont trois départements de l Institut FEMTO-ST de Besançon : - le LMA : Département de Mécanique Appliquée, - le LCEP : Département de Chronométrie, Electronique et Piézoélectricité, - le LPMO : Département de Physique et Métrologie des Oscillateurs, ainsi que le Laboratoire d Automatique de Besançon (LAB). Les Partenaires financiers Le projet a été soutenu par : - La DGA, - L agence pour l innovation : Oséo Anvar (3 aides obtenues en 2005 et 2006), - La société SilMach (Besançon), - L Association des Ingénieurs en Mécanique et Microtechniques (AIMM de Besançon), - La conférence IDDRG 2005.

5 Galerie photos Prototype présenté lors du concours de drones DGA / ONERA (Mourmelon, septembre 2005) Système d hélice à pas variable Le µdrone sur son banc d essais Le µdrone en situation de décollage (dernier prototype) L électronique embarquée Version finale du µdrone avec carénage

6 Fiche technique du µdrone