Levés aéroportés par drones Formation continue à l'ordre des Arpenteurs-Géomètres du Québec

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1 Levés aéroportés par drones Formation continue à l'ordre des Arpenteurs-Géomètres du Québec Marcel Laberge, g. et André Verville, a.-g., Février 2015 Table des matières 1. Revue des méthodes de levés sans contact Évolution de la photogrammétrie et des produits dérivés La règlementation aérienne au Canada Les aéronefs sans pilote (UAV) , Les appareils à ailes rotatives Les appareils à ailes fixes Les caméras et leurs systèmes de stabilisation Les équipements de contrôle et de télémétrie Les conditions de vol Les précisions escomptées Les systèmes de planification de vol et de contrôle au sol Les logiciels de traitement d'images Les applications en géomatique et produits dérivés Dangers opérationnels Les menaces Coup d'oeil sur le futur Quelques hyperliens d'intérêt Note des formateurs: Il faut se référer au document PowerPoint pour voir l'ensemble des diapositives utilisées lors de la présentation du cours devant un auditoire. Ce document fait abstraction de plusieurs de ces dernières et se concentre sur le texte de chacune des parties du cours. 1

2 Plateforme et hauteur: Les drones, particulièrement les micro-drones, ont permis la prise de photographies à partir d une plage d altitudes qui était laissée pour compte depuis toujours. La photographie à basse altitude ne peut se faire qu à basse vitesse également: un avion a toujours une vitesse minimale en deçà de laquelle il est impossible de voler sans provoquer le décrochage. Pour qu un avion ou même un ultraléger puisse voler de manière sécuritaire, il doit généralement maintenir un déplacement par rapport au sol d au moins 50 nœuds pour les appareils les plus lents, soit 93 km/h, afin de conserver une marge de manœuvre qui lui évitera de décrocher s il change de direction et tombe soudainement «vent arrière» (en «vent arrière», la vitesse du vent se soustrait à la vitesse par rapport au sol). À cette vitesse, l appareil parcourt 5cm durant un temps d exposition de 1/500 e de seconde pour prendre une photo et on serait donc limité à environ 10cm de résolution pour éviter des photographies «bougées». À cause de leur légèreté et de leur relative grande envergure d aile par rapport à leur poids, des drones de type avion ou aile volante sont capables de vitesses beaucoup plus basses, ce qui permet en général des résolutions plus grandes, pouvant aller dans certains cas aussi bas que 2-3cm/pixel, quoique en général on se limite à 4cm/pixel. Pour les plus hautes résolutions, les UAV à aile rotative, qui sont capables de vitesses très basses et même de vol stationnaire, on est en mesure de voler à des altitudes aussi basses que désirées et de résolutions même plus grandes que 1cm/pixel. Spectre: Pour le spectre, la meilleure flexibilité se situe au niveau de l avion conventionnel, en raison des plus grandes possibilités en termes de poids et d encombrement de l appareillage de mesure. Il n est pas rare que l appareillage embarqué dans un avion dépasse les kg, cette catégorie de poids n est à l évidence accessible que pour les drones grand format de type militaire. Nous assisterons au cours des prochaines années à la miniaturisation des systèmes de capteurs, rendant ainsi accessibles de plus en plus d options aux drones et même aux micro-drones: l évolution ira en ce sens. Pour l instant, seules les caméras conventionnelles dans le spectre du visible et quelques exceptions dans l infra-rouge sont accessibles aux catégories de poids sous les 5 kg de charge utile que permettent les drones commercialement accessibles. Nous pensons cependant que le prochain bénéficiaire pourrait être le lidar, avec des adaptations miniaturisées des lidars terrestres. 2

3 Évolution des méthodes Autrefois, l aérotriangulation était réalisée par la mesure des «coordonnées photo» d un nombre limité de «points de transfert», permettant ainsi de lier les photographies aériennes entre elles dans l espace, à l intérieur d un bloc de photographies successives. L informatique a permis dans un premier temps d assister ces techniques de mesure effectuées par un opérateur chevronné. Plus récemment, les développeurs de logiciels ont mis au point des techniques permettant d identifier automatiquement ces points de transfert à l aide de techniques de corrélation d images. Ce niveau d automatisation a également permis de sélectionner automatiquement des centaines et même des milliers de points de transfert, renforçant ainsi la solidité du lien géométrique entre les photographies. De cette solidité accrue, il ne restait qu un pas à franchir pour en déduire les paramètres principaux de la géométrie et des distorsions de lentilles. C est ainsi que les nouveaux logiciels ont permis de s affranchir des caméras dites «métriques» qui équipaient depuis toujours les systèmes de prise de vue aériens. Plutôt que de produire des lentilles parfaites comportant des distorsions négligeables, on a plutôt opté pour la quantification et la paramétrisation des distorsions de lentilles d appareils beaucoup moins coûteux. Il est donc possible aujourd hui de paramétrer avec une qualité surprenante les images provenant de caméras reconnues pour les distorsions attribuables à leurs courtes focales comme les GoPro. Malgré les avancées récentes dans le monde du divertissement et des cinémas maison, les systèmes d affichage stéréoscopique requièrent des équipements spéciaux qui utilisent des lunettes polarisées ou à obturateurs synchrones avec l écran d affichage. La vision stéréoscopique produit encore aujourd hui le meilleur environnement immersif afin de plonger notre cerveau dans la réalité tridimensionnelle d une scène reproduite photographiquement. L ordinateur est par contre en mesure d apporter une vision tridimensionnelle qui s en approche en utilisant le déplacement du point de vue en temps réel et des techniques de pointé adaptées à la troisième dimension, permettant les pointés tridimensionnels et des mesures de grande qualité. Évolution des produits Les systèmes assistés ont permis non seulement une plus grande rapidité dans la production de produits dérivés mais ils ont également offert cette production à un plus grand nombre. Les logiciels et équipements de photogrammétrie étaient autrefois considérés comme les outils de travail de firmes spécialisées dans le domaine de la cartographie, qui ne faisaient que ça et qui travaillaient pour le compte de leurs clients. Aujourd hui, les outils logiciels photogrammétriques sont utilisés directement par des utilisateurs des autres domaines de pratique, en complément à d autres outils et spécialités. Il s agit du changement de paradigme qui accompagne naturellement la maturation des technologies. Aux débuts de la photographie, on allait chez le photographe pour se faire photographier: c était lui l expert qui possédait l équipement et les compétences La photogrammétrie d'autrefois offrait un éventail limité de produits dérivés: carte topographique, courbes de niveau et images orthorectifiées. La génération automatique de nuages de points a élargi la gamme à cet égard et on obtient maintenant des modèles numériques de surface (MNS ou DSM), des modèles numériques de terrain (MNT ou DTM), des nuages de points, des orthomosaiques et même des animations vidéo tridimensionnelles. Les logiciels spécialisés qui permettent l'obtention de ces produits ont non seulement évolué au sens de leur fonctionnalité mais également au niveau de leur coût d'acquisition. 3

4 Quelques définitions : MNT : Un Modèle Numérique de Terrain (MNT) est une représentation 3D de la surface d'un terrain ou d'une planète, créée à partir des données d'altitude du terrain. Le MNT ne prend pas en compte les objets présents à la surface du terrain tels les plantes et les bâtiments. MNE : Un Modèle Numérique d'élévation (MNE) est une représentation des élévations sur un terrain comprenant les plantes et les bâtiments. On l appelle aussi le MNS ou Modèle Numérique de Surface. Nuage de points : Couramment appelé «point cloud», le nuage de points issu de l analyse des images aéroportées est un ensemble de points de données dans un système de coordonnées à trois dimensions. Ces points se définissent en général par les coordonnées x, y et z et servent à représenter une surface tridimensionnelle. Grâce à l auto corrélation des images stéréoscopiques et aux faisceaux perspectifs, les logiciels de photogrammétrie spécialisés génèrent des mesures à un grand nombre de points d'une façon automatique. Le fichier de données issu du traitement est généralement en format.las Contrairement aux données Lidar à retour multiples de l onde lumineuse qui permet de classifier certains points comme étant «sol», «bâtiment» ou «végétation», le nuage de points photogrammétrique ne permet de positionner dans l espace (X,Y,Z) que le premier obstacle rencontré par rapport au point focal. Le résultat est donc un modèle numérique d élévation (MNE) ou de surface (MNS). Il est entendu que sur un territoire complètement dénudé d obstacle, il pourrait à la limite être considéré comme un MNT (Modèle numérique de Terrain) 4

5 Règlementation canadienne L avènement des drones et leur pénétration rapide sur le marché civil a quelque peu décontenancé Transports Canada. La règlementation en place avant l automne 2014 n était pas adaptée à ce nouveau contexte et les autorités de Transports Canada, tout comme celles de plusieurs pays ont eu à statuer sur l aspect sécuritaire de l apparition en masse de ces engins dans leur espace aérien respectif. Transports Canada était et est toujours concerné par la règlementation de la FAA ( Federal Aviation Administration ) des États-Unis et vise, dans la mesure du possible, à s orienter sur les mêmes paramètres d utilisation et de règlementation. Il est très difficile de couvrir tout le spectre, car l industrie des UAV est en constante évolution et même si la miniaturisation est de mise, il se développe en parallèle des drones avec plus d autonomie de vol, plus lourds et plus puissants qui doivent aussi faire partie de l équation. Ce que nous présentons lors de cette formation, couvre les microdrones, mais Transports Canada doit suivre l ensemble des phénomènes et être cohérent dans son approche. Il incombe donc aux utilisateurs de rester alertes à tous les changements en consultant régulièrement la section portant sur ce sujet sur le site Web de Transports Canada à l adresse suivante : 5

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8 Historique Un planeur bien équilibré vole tout seul sans action du pilote sur les commandes. On peut donc remonter assez loin dans le temps pour retrouver les ancêtres des avions sans pilote d aujourd hui. Le terme «drone» faisait d ailleurs référence au bourdonnement des moteurs de certains de ces appareils, qui aurait été apparenté à celui d un faux-bourdon. L envoi en l air d appareils dans pilote a longtemps été une solution militaire qui permettait de réduire les risques en pertes humaines associées à des activités aériennes périlleuses, que l on soit une cible ou un attaquant. La fonction surveillance est arrivée plus tard, en fonction des capacités de récupération des appareils ou de leur contenu ou également avec les possibilités de télécommunications permettant cette récupération à distance. Ce qui est nouveau et contemporain, c est leur accessibilité grandissante aux civils, ce qui n est pas sans causer des maux de tête aux autorités réglementaires de l espace aérien. Terminologie Il n existe à peu près pas d appareil volant qui ne dispose d aucun système de communication avec une station au sol. Même dans des cas d autonomie totale, il est toujours possible de communiquer avec l appareil en vol afin de soit lui fournir de nouvelles instructions, soit de s informer sur ses activités et ses observations. Il existe une grande variété de fonctions de contrôle et chaque appareil offre différentes caractéristiques relatives à son pilotage à distance et à l assistance automatisée des fonctions de vol. On utilise le terme «télépilotage» pour indiquer le fait d actionner les commandes de vol d un appareil à distance à partir du sol et le terme «autonomie» pour qualifier la capacité d un appareil à naviguer momentanément ou à plus long terme sans fonction de télépilotage. En pratique, une majorité grandissante des appareils volant en autonomie peut poursuivre et terminer ses opérations sans aucun lien de communication avec la station au sol et le pilote, ce qui devient et avec raison un important sujet de préoccupation pour les autorités de régulation de l espace aérien puisqu il n y a alors plus moyen de réagir à des situations inattendues. Mentionnons en terminant que le terme «immersion» est la traduction française de l acronyme peu élégant FPV utilisé dans le monde du modélisme aérien. Ce mode de vol permet le pilotage à distance d un appareil qui peut ainsi voler loin de la portée visuelle immédiate du pilote, donnant ainsi accès à une foule de nouvelles possibilités mais comportant par ailleurs son lot de dangers et de difficultés. Le vol en immersion est à toutes fins pratiques interdit par les autorités de règlementation, à moins de disposer de moyens exemplaires assurant la sécurité de l appareil et des autres usagers de l espace aérien. Pour cette raison, lorsque le UAV dispose de ce genre de fonction, il est fortement recommandé d utiliser un opérateur de caméra indépendant du pilote et ainsi de partager les tâches: le pilote assure le contrôle de l appareil en vol à vue et l opérateur de caméra manipule à distance les fonctions de positionnement de la caméra et de prise de vues. 8

9 3 types L autogire utilise un rotor à axe vertical en rotation libre pour assurer une poussée verticale et un second à l horizontale pour la poussée longitudinale dans l axe de vol de l appareil. C est la vitesse de l appareil par rapport à l air ambiant qui fait tourner le rotor principal et qui permet de maintenir cette poussée verticale, il faut donc lui inculquer cette vitesse de rotation initiale au décollage par un système d embrayage et de désembrayage au moteur de propulsion jusqu à ce que l appareil ait atteint une vitesse minimale supportant l autorotation. Les autogires sont capables de décollages et atterrissages courts mais ne peuvent pas décoller ni atterrir à la verticale comme des hélicoptères. Extrêmement rares, il existe bien des modèles réduits d autogires pour les amateurs mais à notre connaissance aucun drone n utilise cette technologie. L hélicoptère est l appareil à ailes rotatives le plus connu. La puissance du moteur est directement appliquée au rotor principal mais ce faisant, l effet de couple aurait tendance à faire pivoter l appareil dans le sens inverse de celui des pales lorsqu on applique la puissance, on utilise donc un rotor de queue qui applique la poussée latérale qui annule cet effet et permet de maintenir l assiette de l appareil. L application de cette force latérale est modulée par des pédales, donnant ainsi un effet de lacet dans un sens ou l autre à l appareil. Les déplacements avant, arrière, gauche et droite sont provoqués par un mécanisme complexe appelé plateau cyclique qui permet de modifier l angle d attaque des pales en fonction de leur position par rapport aux axes de l appareil. Le pilote contrôle cet effet à l aide d un manche unique, appelé «cyclique». La poussée verticale est aussi modulée par la vitesse de rotation des pales (vitesse du moteur, assurée par le levier des gaz), mais aussi par une commande modifiant l angle d attaque des pales de manière commune, appelée «collectif», le plus souvent les deux commandes sont sur le même manche. Le pilotage d un hélicoptère est complexe et requiert une action coordonnée des deux mains et des deux pieds du pilote, qui se transforme ainsi en équilibriste. Sur des appareils télépilotés, on simplifie la tâche du pilote en couplant des commandes ensemble et en effectuant un paramétrage fin des leviers de commande de la radio-commande, afin de palier au fait que le pilote ne ressent pas les tendances de l appareil puisqu il ne fait pas corps avec ce dernier. Dans le cas d un multicoptère, c est la modification constante de la vitesse de rotation de chacun des rotors qui permet d imprimer à l appareil les mouvements désirés. La coordination de la vitesse de plusieurs rotors n est cependant pas une tâche qui peut être effectuée par un humain, peu importe le type de manettes ou de pédales que l on pourrait concevoir. Les changements de vitesse de rotation des rotors doivent être instantanés et d une grande précision, ce qui serait d ailleurs impossible à partir d une configuration à contrôles mécaniques et à moteurs à essence: ça prend absolument des moteurs électriques, dont la vitesse de rotation est modulée avec une grande précision et avec un temps de réponse instantané. On atteint cette précision en utilisant des moteurs sans balais, qui peuvent accélérer et freiner très rapidement, pourvu qu on leur fournisse un courant électrique parfaitement 9

10 synchronisé et modulé: on fait appel à des ordinateurs pour ce faire. Il y a donc un ordinateur principal, appelé «contrôleur de vol» qui utilise les données de plusieurs capteurs en temps réel, dont celles d une micro-plateforme inertielle, afin de moduler la vitesse relative de tous les rotors. Ce contrôleur de vol envoie un signal de vitesse sous forme de modulation de fréquence (Pulse Width Modulation ou PWM) à un module de contrôle pour chacun des moteurs (Electronic Speed Control ou ESC), lequel possède son propre ordinateur et génère un courant continu modulé en fonction de la valeur PWM reçue du contrôleur de vol et destiné au moteur qu il contrôle. L action coordonnée de chacun de ces composants permet au multicoptère de voler et de se déplacer dans l espace. Les instructions de vol permettant le mouvement ne sont que des changements appliqués par rapport à la position d équilibre par le pilote ou par des automatismes programmés et faisant appel à un GPS et une boussole électronique. Avantages Le vol stationnaire ou lent des hélicoptères et des multicoptères ouvre la voie à des résolutions photographiques inaccessibles jusqu à tout récemment, en permettant le vol à basse altitude. La faible vitesse favorise également l utilisation de supports de caméra gyro-stabilisés, les caméras étant moins soumises à la pression d air associée à la vitesse de l appareil. Ces supports de caméra permettent aussi d orienter les caméras de différentes façons, donnant ainsi une plus grande flexibilité pour de la photographie oblique ou de la vidéo. En ce qui concerne leur pilotage, les appareils à ailes rotatives permettent à peu près tous les modes de contrôle: télépilotage direct, télépilotage assisté par GPS et vol entièrement automatique, incluant des changements de mode ordonnés par le pilote au cours du même vol. Il sont conçus pour être pilotés en vol à vue mais leur flexibilité leur permet de sortir du champ visuel du pilote, lequel peut alors les piloter à l aide des données de télémétrie uniquement ou en ayant recours à un visuel transmis par l appareil et un système d immersion. Ils peuvent bien sûr fonctionner en totale autonomie et exécuter un plan de vol pré-programmé, incluant le décollage et l atterrissage automatiques. Désavantages À l exception de l autogire, les appareils à voilure rotative requièrent jusqu à 10 fois plus d énergie qu un appareil à voilure fixe. Les hélicoptères télécommandés peuvent être équipés de moteurs à combustion ou à turbine, ce qui leur donne une autonomie respectable pouvant aller jusqu à 1 heure ou même plus mais dans tous les cas de multicoptères, on doit absolument travailler avec des moteurs électriques et l autonomie de vol est directement associée à la capacité des batteries embarquées. Le problème devient alors celui de leur poids: si on en met trop, on réduit plutôt que d améliorer la durée de vol à cause du poids des batteries. On a donc une plage maximale d environ 30 minutes pour ce type de configuration dans les meilleurs cas, réduite en fonction du poids de la charge utile (caméra et nacelle gyro-stabilisée). Le résultat au net est une autonomie de 15 à 20 minutes dans les meilleurs cas, qui ne pourra s améliorer que si on trouve des batteries plus performantes que les Lithium-Ion Polymer (LiPo pour les intimes) utilisées actuellement. Un conseil: ne croyez jamais sur parole les fabricants de drones multicoptères qui vous disent que leurs appareils peuvent voler 45 minutes. Tout comme un hélicoptère, un multicoptère doit sa "survie" au bon fonctionnement de plusieurs dispositifs complexes et la panne de ceux-ci a des conséquences dramatiques et immédiates. De plus, la plupart des multicoptères ne disposent de très peu de redondance pour la majorité des systèmes et composants nécessaires au vol et les cas de pertes de contrôle, fugues et chutes de ce genre d'appareil n'a d'égal que la popularité de ces derniers auprès des amateurs. On doit donc être particulièrement prudent dans l'utilisation de ce genre d'aéronef en survol de zones habitées, voies de circulation ou rassemblement de personnes en raison du danger immédiat qu'il est susceptible de représenter en cas de chute. 10

11 2 types L aviation a utilisé une grande variété de configurations au cours de l histoire mais le principe reste le même: un profilé fixe avec une courbure différente sur ses deux surfaces qui crée une poussée verticale résultant du différentiel de pression d air entre le dessus et le dessous de ce profilé. L avion conventionnel produit cette portée sur une paire d ailes à proximité du centre de gravité de l appareil, en y ajoutant des ailerons et des volets pour en modifier la portance et des profilés orientables (empennage) à l arrière pour la manœuvrabilité et éliminer l effet de couple du complexe moteur-hélice. Pour l aile volante, la manœuvrabilité en lacet est généralement assurée soit par des ailettes en bout d ailes, soit par de petits aérofreins mais certains petits modèles ne disposent d'aucun mécanisme spécifique à cet effet et vont plutôt contrôler leur orientation par l'entremise d'un vol coordonné (incliner l'appareil pour virer). L aile volante est la configuration qui procure le maximum de portance par rapport au poids. Notons en terminant que pour des drones ou des modèles réduits qui utilisent des hélices pour la propulsion, on préfère en général des configurations un peu plus sécuritaires qui mettent les hélices à l arrière. Avantages Une configuration de type avion ne possède qu un seul moteur et la vitesse de rotation de l hélice n a pas à être modulée finement en temps réel. Les boucles de rétroaction qui maintiennent la stabilité du vol s adressent toutes à de petits servo-moteurs qui modifient la géométrie des ailes et des gouvernes et ces derniers utilisent très peu d énergie. Un UAV de ce type est capable de monter en altitude relativement facilement et n a pas presque pas besoin d énergie pour maintenir une altitude donnée, on peut donc s attendre à une autonomie de vol autour de 45 minutes. Comme l appareil vole généralement plus haut et à plus haute vitesse qu un appareil à ailes rotatives, on parcourt de plus grandes distances et on est en mesure de couvrir un territoire beaucoup plus grand. Désavantages Un UAV de type avion a besoin d espace pour le décollage et l atterrissage. Quelques appareils peuvent décoller en les lançant en l air manuellement, ce qui est très avantageux mais la plupart ont besoin de plus d espace pour l atterrissage, à moins d être équipés de parachutes. On a donc besoin non seulement d un espace dégagé, mais aussi relativement plat et libre d'obstacles, ce qui requiert quelquefois des décollages et atterrissages à partir d un chemin ou de la bordure d une route. À cause de la vitesse et de la plus longue portée de ces appareils, il est beaucoup plus rare de les piloter en commande 11

12 directe et en vol à vue (mode télépilotage) et ils suivent presque toujours un plan de vol pré-programmé afin de couvrir le territoire à photographier. Les équipements de télémétrie à la station au sol permettent de suivre le déroulement du vol, généralement à l aide d une carte ou d une couverture Google en toile de fond, mais la distance fait en sorte que l appareil est aux limites du champ de vision du pilote et fonctionne en presque totale autonomie. Les actions du pilote se résument alors à des instructions de vol indirectes, telles que vol stationnaire en cercle, changement d altitude, déplacement vers un point de destination indiqué sur la carte électronique, retour à son point de décollage ou atterrissage à l'un ou l'autre des endroits préalablement programmés lors de la planification du vol. Les pilotes capables de réellement piloter ces appareils en commande directe sont plutôt rares. Ce type de UAV impose des contraintes quant à la vitesse minimale, donc à l altitude minimale à partir de laquelle il est capable de produire des photographies de qualité. Comme les caméras sont en général solidaires de l appareil dans lequel elles sont encastrées, la verticalité des prises de vues est sujette à de plus grandes variations en fonction des mouvements de tangage et de roulis de l appareil et finalement, la production de photographies obliques est limitée et celle de vidéos à toutes fins pratiques inutile, à moins que l appareil ne soit équipé d une seconde caméra orientée vers l avant. La vidéo prise dans de telles conditions ne sera cependant jamais de qualité et ne pourra servir que pour le pilotage de l appareil en immersion ou la documentation du vol. En terminant, ce genre d'appareil est relativement léger pour son envergure et il doit tenir compte de la vitesse du vent: en vent arrière, il ne doit pas ralentir au point de décrocher et sa vitesse par rapport au sol a tendance à être élevée et en vent debout, il doit combattre ce dernier et sa vitesse par rapport au sol pourrait être considérablement réduite, allant dans des cas extrêmes jusqu'à compromettre sa capacité à revenir à son point de départ. Certains appareils sont équipés de tubes pitot de manière à mesurer la vitesse et la direction du vent et prennent ces mesures en considération dans la navigation ou même dans la décision de poursuivre ou d'interrompre un vol. 12

13 Action Cams Popularisées par la firme GoPro et les caméras du même nom, ce genre de caméra a littéralement explosé sur le marché des dernières années. Elles sont petites, offrent des boîtiers étanches leur permettant de filmer sous l eau et les mettant à l abri des conditions adverses comme le sable ou la boue et finalement elles comportent des systèmes de fixation polyvalents. Ces caméras sont généralement équipées de lentilles fixes et de très courtes focales, qui présentent des distorsions trop importantes pour la photographie ou de la vidéo de paysages, mais il est possible de corriger les photographies et les vidéos produits à l aide de logiciels. Leurs très courtes focales procurent une profondeur de champ qui élimine le besoin de mise au point, ce qui les rend très intéressantes pour des prises de vues où le mouvement de la caméra ou de l objet rendent ce genre d ajustements difficiles ou impossibles. Ajoutons enfin que ces caméras sont celles qui pardonnent le plus les vibrations, les remplaçant cependant par un effet dit «Jello» du vidéo assez désagréable. Ce sont à la base des caméras vidéo mais elles peuvent également prendre des photos, quelquefois les deux en même temps, et elles comportent toujours une fonction de temporisation «time-lapse» de la prise de photo ou de la vidéo qui est très utile lorsqu on désire utiliser ce genre de caméra embarquée dans un drone. Pour la prise de photos, les résultats que l'on en obtient sont dans le meilleur des cas ordinaires, en raison du peu de contrôle de l'opérateur sur les modes et la durée d'exposition, la mise au point et également le fait qu'elles ne sont pas dotées d'obturateurs mécaniques. Caméras Réflex (SLR pour Single Lens Reflex) Ce sont les caméras professionnelles ou semi professionnelles couramment utilisées dont les fabricants les plus connus sont Nikon et Canon. Elles offrent un choix illimité de configurations, accessoires et lentilles et elles possèdent aujourd hui des capacités qui rivalisent avec les caméras vidéo professionnelles. Comme elles sont en général plus légères que les caméras vidéo professionnelles, elles vont souvent être montées à bord de drones pour des prises de vues cinématographiques. Les caméras réflex sont en général équipées de capteurs de 24x36mm, soit de même surface que le traditionnel film 35mm. Ces caméras produisent la meilleure qualité photographique mais elles requièrent un UAV capable d'en soulever le poids qui, avec sa nacelle, s'élève généralement à plus de 2 kg. 13

14 Caméras réflex sans miroir (Mirrorless SLR) Plus légères que les caméras Réflex, elles possèdent des lentilles amovibles et un système d obturation mécanique similaire à celui des caméras réflex mais pas de miroir ni de viseur optique, ce qui a pour effet d en réduire le poids et l encombrement. Dans un même ordre d idées, pour favoriser des dimensions réduites, on utilise souvent des capteurs demi format de 16,7 x 25,1mm, appelés APS-C. Les modèles les plus récents offrent des résolutions maximales autour de 24 mégapixels et la qualité de leur optique permet de s assurer d images nettes jusqu à la résolution maximale de leurs capteurs. Leur poids est inférieur à 500g et elles sont de bonnes candidates comme caméras embarquées puisqu elles offrent le meilleur rapport entre la qualité de l image et le poids. Caméras vidéo Lorsqu on parle de caméras vidéo, on quitte le monde de la photographie et on parle plutôt de cinématographie. Pour embarquer des caméras de ce type dans un UAV, on cherchera le meilleur rapport qualité-poids et on l obtient actuellement avec des modèles qui pèsent entre 2kg et 5 kg. Le poids élevé de la caméra et de son système de stabilisation nécessite des multicoptères grand format, généralement à huit rotors et même dans de tels cas, les temps de vol sont généralement entre 5 et 10 minutes. Caméras intégrées Il y en a quelques modèles actuellement (DJI Phantom Vision 2 Plus et Inspire 1) et leur nombre va probablement exploser au cours des prochaines années et même des prochains mois, puisque GoPro vient d annoncer qu il va produire des drones-caméras intégrés. Pour ce genre d intégration, on sélectionne les composants pour un poids minimal mais on équipe également la caméra d un système d orientation gyro-stabilisé à 2 ou 3 axes. Ce niveau d intégration permet aujourd hui d atteindre des hauts sommets en termes de production vidéo aéroportée, mais on devra cependant se contenter d une qualité inférieure à celle des caméras de type réflex pour la photographie, en raison de mécanismes de lentilles et de mise au point optimisés pour la vidéo et non la photographie. Avec la qualité grandissante des systèmes de traitement d images, ce ne sera peut-être pas un si grand problème: on devra peut-être voler plus bas et prendre un plus grand nombre de photos. 14

15 Nacelles à 2 axes Les systèmes à deux axes permettent la stabilisation des axes du roulis et du tangage de la caméra. Les mouvements horizontaux sont effectués en faisant pointer l appareil dans une direction différente. On utilise ce genre de configuration lorsque le train d atterrissage de l appareil ne permet pas d orienter la caméra dans une autre direction que celle du devant de l appareil sans que celui-ci n apparaisse dans le champ visuel de la caméra. Dans une telle configuration, le mouvement de roulis est souvent verrouillé à l horizontale et ne possède pas d ajustement fin mais il est quelquefois possible d assigner l un des canaux de la télécommande radio pour les ajustements fins sur cet axe. Le mouvement de tangage est généralement assigné à l un des canaux de la télécommande, ce qui permet de modifier l angle de visée de la caméra entre l horizontale (axe de visée vers l horizon) et la verticale (axe de visée vers le nadir) et toutes les positions entre les deux pour des photos obliques. Une nacelle à deux axes peut être contrôlée par le pilote de l'appareil, puisque ce dernier ne fait que des corrections d'angle de visée de temps en temps et que ces corrections n'occupent qu'une partie de son temps. Les nacelles récentes possèdent leur propre capteur inertiel et leur propre système qui applique la rétroaction appropriée sur deux axes de rotation qui supportent la caméra. Lorsqu une nacelle de caméra est générique et qu elle est conçue pour s adapter à plusieurs modèles différents de caméras, il faut toujours installer la caméra de manière à réduire les efforts de positionnement des mouvements de rotation au minimum. Il faut ensuite utiliser un logiciel de configuration qui permet d ajuster les paramètres des boucles de rétroaction pour obtenir un mouvement fluide et sans vibrations, travail qui peut quelquefois être fastidieux. Nacelle à 3 axes Une nacelle à trois axes stabilise tous les mouvements de la caméra par rapport à son support (le UAV) et pointe toujours dans la même direction, peu importe l angle ou le mouvement imprimé au drone. On peut donc faire pivoter l appareil sur son axe de lacet et la caméra pivotera à l inverse pour toujours viser dans la même direction. Cette configuration est conçue pour les appareils qui possèdent un train d atterrissage rétractable et qui permet de libérer le champ de vision de la caméra sur 360º. On peut cependant configurer la nacelle afin que le système d orientation du lacet agisse plutôt comme un amortisseur des mouvements de rotation du drone: on limite ainsi les mouvements de rotation à l intérieur d une plage horizontale de 10-15º, ce qui permet de maintenir la caméra à l intérieur d un axe de visée qui se maintient dans la zone libre entre les pattes de l appareil: les mouvements brusques de rotation de 15

16 l appareil sont alors amortis pour des mouvements panoramiques (pan) plus doux. Lorsqu on utilise la caméra en mode vidéo, une nacelle à trois axes peut requérir des contrôles distincts de positionnement sur ses trois axes afin de mieux cadrer le sujet. Il va de soi qu un pilote ne peut à la fois piloter l appareil et appliquer des mouvements de caméra sur ses trois axes; on a alors recours à un opérateur de caméra dont le rôle est réservé au contrôle de cette dernière, laissant le soin au pilote de contrôler les mouvements de l appareil. Cette séparation des tâches est généralisée pour le captage cinématographique et est généralement associé à un système de transmission du flux vidéo capté par la caméra, qui sera utilisé par l'opérateur de cette dernière afin d'effectuer son cadrage. Asservissement par moteurs servo Un moteur servo est un petit boîtier doté d un moteur dit «à pas» ou en anglais un «stepper motor». Un moteur de ce type est conçu pour tourner en incréments de quelques degrés seulement à chaque impulsion que l on lui donne. Les moteurs servo sont dotés d un petit engrenage et d un levier monté sur un levier ou un système d'engrenage et de courroie dentée qui permettent de transmettre ce mouvement à l'axe de la caméra. À ce niveau de découplement par rapport aux pas du moteur, le mouvement ainsi attribué aux axes d une caméra peut apparaître régulier et constant. La vitesse de réaction de ces systèmes se fait cependant avec un certain délai et bien que ces systèmes puissent orienter correctement une caméra, ils sont en général incapables de réagir assez rapidement à des mouvements brusques du UAV. À toutes fins pratiques, cette technologie est sur le point de disparaître à la faveur de celle des moteurs sans balais. Asservissement par moteurs sans balais (brushless) Les moteurs sans balais sont des moteurs fonctionnant sur le même principe que celui des rotors, mais on en a modifié le bobinage pour les fairetravailler en mode statique plutôt qu en rotation continue. Le moteur sans balai applique une force de maintien magnétique qui conserve l axe de rotation du moteur dans une position donnée et qui s oppose à son mouvement. Les changements de position sont ordonnés par un micro-ordinateur qui traite les informations provenant d une puce inertielle montée de manière solidaire au support de la caméra: tout mouvement de ce capteur est immédiatement contré par des micro-changements ordonnés aux moteurs, dans un système de boucle de rétroaction. Les nacelles de caméra à moteurs sans balais qui ont été mis au point pour être utilisés sur des drones sont tellement populaires que des systèmes de ce type sont entrain de remplacer tous les mécanismes complexes de «steadycams» jusqu ici utilisés dans l'industrie cinématographique. 16

17 La règle générale pour l utilisation des fréquences radio est que l'on doit avoir un permis pour utiliser une fréquence donnée. Il existe cependant des exceptions à cette règle et qui attribuent certaines gammes de fréquence à des utilisations sans permis, mais à certaines conditions. Si on partage une fréquence avec d autres utilisateurs, Industrie Canada impose des restrictions sur la durée des émissions, la puissance des émetteurs ainsi que leur localisation et la directivité de leur système d antenne (intérieur, extérieur), afin de permettre la réutilisation d une même fréquence à un autre endroit distinct. Il existe ainsi des fréquences publiques fixes et réutilisables pour différents usages, comme les télécommandes de voitures ou de portes de garage par exemple, qui ne sont utiles qu à courte distance et pour une durée limitée. Certaines fréquences fixes étaient autrefois disponibles pour les amateurs de modèles réduits mais ces fréquences devenaient rapidement encombrées lors d événements ou de rencontres de ces mêmes amateurs. Il y avait par ailleurs toujours une possibilité que deux amateurs soient actifs en même temps dans un même secteur, avec les risques de pertes de contrôle qui y sont associés. L avènement des systèmes de télécommunications numériques a permis de multiplier le nombre d utilisateurs d une certaine plage de fréquences en distribuant les flux d information sur plusieurs canaux prédéterminés. Les systèmes de téléphonie et de transport de données par cellulaire fonctionnent sur ce principe et Industrie Canada récolte une fortune en redevances de la part des opérateurs téléphoniques en leur attribuant certaines plages de fréquence sur lesquelles ils ont l exclusivité. Ces techniques ont également permis aux autorités réglementaires de réserver certaines plages de fréquences très limitées à une utilisation publique qui ne requiert par de permis spécifique de la part des utilisateurs. On pense par exemple aux 11 canaux réglementés pour le Wifi dans la bande de 2,4 GHz. Des mécanismes inhérents aux transmetteurs/récepteurs Wifi permettent à ces derniers de retrouver les flux de données qui leurs sont destinés et d ignorer ceux qui ne les concernent pas avec comme résultat une simple baisse de la capacité de transport lorsque les canaux sont trop encombrés, sans perte de données. Parmi ces mécanismes, on ajoute celui de transmetteurs qui partagent les transmissions sur un grand nombre de canaux en limitant la durée de transmission sur chaque canal, permettant ainsi à d autres utilisateurs de les utiliser en même temps. On a donc le droit d utiliser des équipements de 17

18 télécommunications génériques sans permis spécial si ces derniers sont conformes à ce qu on appelle les bandes ISM, pour Industrielle, scientifique et médicale généralement assignées par pays, avec certaines distinctions mais également avec des grandes lignes que partagent plusieurs pays. Les transmetteurs et les récepteurs utilisés pour les aéronefs non habités de type commercial se retrouvent donc en général dans l une ou l autre des plages publiques de type ISM. Aux États-Unis et au Canada, la puissance émettrice est généralement limitée à 100mW, ce qui donne une portée allant de 1 à 2 kilomètres mais, à cause des hautes fréquences utilisées, cette portée est très sensible aux obstacles qui pourraient se situer entre le transmetteur et le récepteur et des réductions importantes de la qualité du signal peuvent survenir dans de telles conditions. On doit donc garder notre appareil en ligne de vue directe pour éviter les mauvaises surprises. De plus en plus de communications entre le poste de contrôle et l aéronef sont bidirectionnelles, ce qui permet aussi bien l envoi de commandes de vol que la réception et l affichage en temps réel des informations de vol, recréant ainsi la plupart des indicateurs et cadrans d un appareil qu on aurait piloté physiquement nous-mêmes. En terminant, on ajoute en plus la transmission en temps réel du flux vidéo saisi par une caméra embarquée: on comprend que la quantité d information qui circule est importante et on utilise quelquefois un transmetteur spécial à 5,8 GHz et des antennes spéciales omnidirectionnelles pour assurer une transmission vidéo acceptable. Le fournisseur DJI Innovations utilise quant à lui les fréquences Wifi pour transporter son propre signal encrypté, dans un ensemble de télémétrie appelé Lightbridge. Il existe un grand nombre de fournisseurs génériques de télécommandes radio, les plus connus sont Futaba, Spektrum et Hitec. Les hauts de gammes proposent des systèmes à deux voies qui permettent un certain niveau de télémétrie en provenance de l appareil en vol. Leur adaptabilité à des conditions particulières et à certains types d appareils varie énormément et il est intéressant de souligner l arrivée sur le marché du protocole ouvert comme OpenTX pour les télécommandes, véritable révolution pour les modélistes amateurs et offert par le fournisseur FrSky. Pour la télémétrie, il existe une très grande variété de systèmes dits «propriétaires» vendus par les fournisseurs d appareils mais il faut souligner le protocole ouvert MAVLINK qui est inclus dans des transmetteurs-récepteurs très économiques offerts par la société 3D Robotics et qui est reconnu par un certain nombre de contrôleurs de vol. 18

19 Tout comme la photographie aérienne standard, l acquisition de données aériennes aéroportées par technologie de drones a ses contraintes physiques. Il faut toujours garder en tête que meilleure sera la qualité des images ou données aéroportées, meilleurs seront les résultats finaux, au niveau visuel et au niveau de la qualité métrique de ceux-ci. Comme les caméras ne sont pas munies de systèmes de compensation de filé de l image (FMC ou Forward Motion Compensation) et bien que certaines soient munies d un système de stabilisation, la vitesse de vol doit être prise en considération. La turbulence causée par les vents est également d une importance capitale, car elle provoque un mouvement angulaire de la caméra et est susceptible de créer un flou sur les images. Ces artéfacts diminuent la résolution et l efficacité de l auto corrélation, affectant ainsi le nombre de points interpolés pour la confection des nuages de points. Évidemment, de forts vents affectent aussi la qualité de l acquisition des données GPS et inertielles, qui rendront plus difficile le positionnement dans l espace des centres perspectifs des images. Il va de soi qu un bon ensoleillement, un angle solaire adéquat, l absence de condensation dans l air et de nuages ou d ombrage amélioreront grandement la qualité de tous les produits dérivés. C est l une des erreurs les plus répandues de ne tenir compte que partiellement de ces facteurs déterminants. La qualité est donc directement reliée aux actions entreprises par les opérateurs et souvent dissociée de l équipement comme tel. Les compétences des opérateurs de systèmes aéroportées sont donc de mise et bien que les systèmes embarqués s opèrent avec beaucoup d automatismes, il est nécessaire de bien comprendre l environnement et d interagir au besoin afin d assurer la qualité finale de la prise de vue aérienne. 19

20 Il s agit ici d un sujet sensible qui soulève un grand nombre de questions légitimes. Peut-on obtenir des précisions qui soient acceptables des produits dérivés de l acquisition aéroportée? La réponse est oui, mais Bien que les systèmes de télémétrie de vol comme les récepteurs GPS et inertiels intégrés soient de moindre qualité que ceux utilisés dans des systèmes conventionnels comme des aéronefs, il existe plusieurs points qui en compensent grandement les imprécisions soient : Comme l objectif de la caméra est beaucoup plus rapproché du sol, les déformations sont moindres d une part; D autre part l acquisition avec des recouvrements longitudinaux et latéraux beaucoup plus grands que ce qui est normalement utilisé en photographie aérienne standard (avion) est un prérequis essentiel. En avion, les coûts d acquisition sont très élevés et il est très onéreux, par exemple d avoir un recouvrement latéral important, ce qui n est pas le cas avec les drones. Ceci permet aux logiciels de traitement de l image d effectuer une auto corrélation de bien meilleure qualité métrique et de raffiner la solution photogrammétrique finale. La texture des éléments au sol est aussi un facteur important. Si la photographie est prise par forts vents en milieu forestier, par exemple, les résultats de l auto corrélation seront déficients et cela peut même créer des zones où il devient impossible d obtenir une solution photogrammétrique rigoureuse. Il convient également de se poser la question à savoir si des contrôles photogrammétriques au sol seront nécessaires. Si oui, il est important de prévoir avant la mission un balisage au sol ou de s assurer que des détails physiques identifiables apparaîtront sur les images. Il existe toute une réflexion à savoir quel sera l usage final des données pour savoir si une précision relative ou absolue sera nécessaire. Par exemple, un plan de ferme ou un calcul de volume toléreront surement mieux une précision relative de 2-3 mètres qu une orthophoto où l on doit superposer un plan cadastral. Encore une fois, la compétence de l opérateur jumelée à une bonne connaissance du produit final est un atout majeur. Plusieurs tests ont été effectués par les formateurs démontrant que le niveau de précision à partir d un jeu de données acquises par drones est tout à fait comparable s il est effectué dans le bon contexte et avec tout le soin qu il nécessite. Des résultats de volumétrie inférieurs à 1.5% de différence avec les levés aériens standards ainsi que des précisions métriques sous les 5-10 centimètres sont possibles. 20

21 Plusieurs solutions sont possibles sur le marché, à partir des solutions fournies directement par le manufacturier jusqu au logiciels «open source». Évidemment, les systèmes fournis par les manufacturiers sont spécialement conçus pour l appareil acquis par l usager et sont beaucoup plus conviviaux que les systèmes «libres». Leur opération est simple, mais aussi limitée aux fonctions auxquelles le manufacturier aura bien voulu donner accès. Ils comportent généralement plusieurs fonctions de «sécurité assistée» qui permettent une opération mieux contrôlée et qui peuvent éviter des dommages aux appareils. En général, ils répondent mieux aux exigences de la règlementation en termes de sécurité aérienne. Les logiciels d accès «libres» peuvent être tout aussi fonctionnels mais nécessitent une expérimentation qui est souvent longue et ardue et qui peut déboucher sur des expériences négatives (essais et erreurs). Mais si on veut bien y mettre le temps et l effort, on peut y arriver avec quelques connaissances de base minimales et du support qui est soit disponible sur le «Net», soit par une communauté de pratique à laquelle on appartient. Le niveau de raffinement des contrôles et du paramétrage des logiciels d accès libre peut être très spécifique et sera dans certains cas être plus élevé que les systèmes dits propriétaires, mais la responsabilité d utilisation et de contrôle est celle de l opérateur, ce qui est un facteur de complexité et de responsabilité supplémentaire auquel il faut adhérer. 21

22 Nous assistons ici au même phénomène que pour les logiciels de contrôle de vol. Il existe toute la gamme de logiciels fournis par les manufacturiers qui confronte également les logiciels d accès «libre». Il faut vérifier que le format des paramètres de télémétrie des drones soit compatible aux logiciels que l on utilise, car bien que plusieurs soient en format ASCII et que l on puisse les manipuler au besoin, certains manufacturiers les conçoivent sous forme binaire pour qu ils soient obligatoirement rattachés à leur propre logiciel de traitement d image. De manière générale, les produits extraits de ces logiciels sont : Rapport de qualité des données Rapports d aérotriangulation Ortho-mosaïques Nuages de points Modèles numériques d élévation Tuiles Google Les formats varient généralement et peuvent au besoin être «paramétrés» par l usager au moment du traitement. Certains des logiciels de traitement sont conçus de manière à mieux intégrer la photogrammétrie terrestre et les résultats de nature architecturale, par exemple, en permettant une mixité des images obliques et verticales. D autres sont tout simplement plus à l aise pour le traitement des objets tridimensionnels. 22

23 Rapport de vol : L exemple fourni est assez complet et comporte une section «aide» pour une meilleure compréhension; Plans de ferme : Exemples de la même ferme en acquisition RGB et NIR; Plans de drainage : Exemple d un processus automatisé d interprétation des données verticales dans un logiciel externe; Plans de drainage avec topographie: Plan précédent avec interpolation de courbes de niveau; Cartographie planimétrique: Réalisée à partir des images originales et paramètres d orientation externe issue du traitement; Cadastre : Superposition d une planche cadastrale externe sur l orthophoto et la cartographie; Volumétrie : Exemple d un plan topo et de l orthophoto nécessaires aux calculs de volume; Topographie : Exemple de l extraction des courbes de niveau des données de traitement des images aéroportées; Zone inondable : Exemple de l interpolation d une courbe d élévation déterminée issu des extrants du traitement; Paramètres d orientation : Compatible avec les logiciels de photogrammétrie standards ( X, Y, Z, Omega, Phi, Kappa ); Mosaïque : Exemple d un produit standard de mosaïque réalisé avec le logiciel de traitement; Courbes de niveau : Exemple de l extraction des courbes de niveau et superposition sur la mosaïque; Profils : Extraction des profils à partir du MNE; Google Earth : Exemple de l importation de la mosaïque finale dans l environnement Google Earth; Vues et animation 3D : Superposition 3D des images à partir des données du MNE; : Animation 3D à partir du fichier LAS des nuages de points; 23

24 Les événements Ces événements sont en gros les risques inhérents à l utilisation d un engin volant et aucun pilote ou propriétaire d aéronef non habité n en est entièrement à l abri. Le dérapage est le résultat de mesures incohérentes en provenance des senseurs et dans la presque totalité des cas entre l orientation donnée par la boussole et les mesures de position du récepteur GPS. Un appareil contrôlé par GPS cherche soit à maintenir sa position spatiale, soit à se déplacer pour en atteindre une autre. Une orientation peut être donnée par un récepteur GPS mais cette orientation est plutôt une trajectoire et lorsque les déplacements sont petits, cette mesure de trajectoire est peu fiable. L appareil doit donc se fier à sa boussole électronique afin d appliquer correctement les corrections nécessaires soit au maintien de sa position actuelle, soit pour l amener à une nouvelle position désirée. Si l orientation donnée par la boussole est erronée, cette correction d assiette ne contribue pas à la réduction de la valeur de cette correction, tout en induisant une correction additionnelle sur l axe perpendiculaire. La boucle de rétroaction positionnelle est ainsi faussée et l appareil se met à tourner en rond autour du point qu il cherche à atteindre sans succès. Il va sans dire que des changements importants de mesure de position par le récepteur GPS de l appareil peuvent induire le même genre d incohérence: dans les deux cas, le résultat est le même et la seule manière de reprendre le contrôle d un appareil en dérapage est de désamorcer cette boucle de rétroaction en désactivant le contrôle de positionnement ou de navigation automatique. La première cause d une fugue est celle d un dérapage extrême, causé par une divergence d opinion entre le récepteur GPS et la boussole mais avec une différence angulaire supérieure à 90 degrés et qui fait que l appareil n est plus en mesure de se rapprocher de sa cible et s en éloigne plus ou moins rapidement. La seconde est celle d un changement de position ordonné par le GPS et qui envoie l appareil vers des coordonnées erronées ou sur un point de cheminement d un ancien plan de vol resté en mémoire de l appareil. S il s agit d une divergence GPS/boussole, l appareil tentera alors de corriger sa position mais ses tentatives ne serviront qu à l éloigner et plus il s éloignera de sa cible, plus il s acharnera à accélérer afin de corriger la situation au plus vite. Tant que le cycle de cette divergence ne sera pas brisé, l appareil poursuivra sa fugue jusqu à ce qu il quitte le champ visuel ou même sorte de la zone de contrôle de la télécommande ou de la télémétrie. Plusieurs appareils sont dotés 24

25 d automatismes de sécurité qui ordonnent au contrôleur de vol un retour à son point de départ en cas de perte du signal radio ou d une distance trop grande depuis son point de départ; en cas de fugue, ce mécanisme risque fort d être un échec parce qu il requiert le bon fonctionnement du tandem GPS/boussole qui est justement l une des principales causes de fugues. La boucle de rétroaction qui cause les fugues met souvent les appareils en position d assiette extrême, en relation avec la perpétuelle augmentation de la correction demandée à l appareil. Cette assiette extrême dépasse quelquefois les limites de portance de l appareil, ce qui les amène à s écraser à grande vitesse. La bonne nouvelle, c est que l appareil ne va pas très loin mais la mauvaise, c est que les dommages à l appareil sont plus importants à cause de l énergie cinétique au moment de la chute et que celui-ci est plus à même de provoquer des dommages ou des blessures au point d impact au sol. Des fugues peuvent également être causées par des capteurs inertiels défectueux, mal calibrés ou rendus sourds à cause des vibrations, mais c est l exception et de courte durée. Des capteurs inertiels problématiques vont plutôt causer une instabilité de vol, peu susceptible d alimenter une boucle infernale. Un appareil dont les capteurs inertiels sont défectueux ne volera pas longtemps, il va plutôt s écraser dans les secondes qui suivent le décollage et si la défectuosité apparaît en cours de vol, l appareil va se déstabiliser ou basculer avec une chute presque à la verticale du lieu de la défectuosité. Un capteur inertiel mal calibré peut quelquefois être compensé par une action décisive et ferme du pilote sur la télécommande radio, mais s il est erratique, il sera impossible de maintenir l appareil en vol. L écrasement causé par une défectuosité est soit le résultat d une fugue extrême, soit la conséquence d une séquence de dérapage non repris en main par le pilote en mode manuel, soit celle d une défectuosité importante des capteurs inertiels ou finalement d un bris d équipement en vol. Lorsque les conséquences d un crash sont uniquement des pertes matérielles d appareillage et qu aucun dommage ou blessure n est survenu au sol, on devrait considérer qu il s agit d un dénouement heureux malgré tout. L abordage en vol est en général le pire cas d accident, parce qu il implique deux appareils, dont fort probablement l un d eux est habité. C est un événement extrêmement rare mais tout de même possible et à considérer. L espace aérien est vaste, un aéronef sans pilote est relativement petit et statistiquement les chances de ce qu on appelle des «quasi-accidents» (near-miss en anglais) sont plus élevées que celles d'une collision en vol. Les quasi-accidents doivent obligatoirement être rapportés aux autorités, ce qui en fait tout de même un événement tragique en soi. Il va sans dire qu un aéronef sans pilote peut infliger des dommages importants à n importe quel type d aéronef habité et que ces dommages peuvent entraîner l'écrasement d'un aéronef habité et des pertes de vies humaines. Les causes On a abordé le sujet dans la section qui précède, mais les causes doivent également être classées par catégories. Lectures erronées des senseurs. Les senseurs qui équipent les aéronefs sans pilote peuvent fournir des lectures erronées à l occasion et à plus forte raison puisque ces derniers ne sont généralement pas certifiés pour l aviation. Il faut tout de même souligner que même les capteurs qui équipent les avions de ligne sont susceptibles de défaillances. Bris d équipement en vol. Tout aéronef doit compter sur un ensemble cohérent de composants physiques, mécaniques et électroniques pour décoller et se maintenir en vol. La seule manière qu on peut prévenir les bris d équipement est de vérifier systématiquement si tous et chacun de ces composants sont en parfaite condition et ne soulèvent pas de doute quant à leur fiabilité. L humain a tendance à effectuer des compromis à ce sujet, en qualifiant ses perceptions de la réalité; le terme «suffisamment» se substitue parfois à «parfaitement» avec tous les tons de gris que permet le premier terme Erreurs de pilotage: les erreurs de pilotage sont en général des réactions inappropriées à des situations inattendues. Une majorité des événements dramatiques ou même tragiques mentionnés précédemment peuvent être mitigés par l action appropriée du pilote mais il arrive trop fréquemment que le pilote soit surpris ou désorienté par une situation qui survient plus vite que sa capacité de réaction. Un pilote doit être en mesure de prévoir mentalement les situations pouvant mener à la perte de contrôle de son appareil afin de planifier ses propres réactions éventuelles, parce que le stress et le temps limité ne lui laisseront aucune chance si l analyse de la situation et l arbre de décision doivent s effectuer en quelques secondes seulement. Une perte de contrôle peut également être le fait de l inexpérience d un pilote désorienté ou déconcentré et n avoir aucun rapport avec une défectuosité quelconque. L inexpérience amène quelquefois un pilote à appliquer des corrections d assiette dans la mauvaise direction. Cette situation est plus fréquente avec les 25

26 appareils à ailes rotatives de type multicoptères, à cause de la difficulté à identifier dans quelle direction se trouve la proue de l appareil: la commande induite par le pilote donne alors le résultat contraire à celui attendu et sa première réaction est d en ajouter pour corriger rapidement une situation qui se dégrade, amenant quelquefois son appareil à frapper l'obstacle qu il tentait justement d éviter. Les appareils modernes comportent des systèmes automatisés qui permettent d éviter ce genre de confusion de la part du pilote mais ils requièrent un tandem GPS/boussole en parfait état de marche, ils ne devraient donc être utilisés que si l appareil est trop loin pour en constater l orientation visuellement et si le pilote sait que le GPS et la boussole sont parfaitement opérationnels. Un pilote ayant peu d expérience devrait toujours faire voler son multicoptère dans l axe de sa ligne de vue vers l appareil avec la queue de ce dernier pointant en sa direction. Il apprendra par la suite petit à petit à contrôler son appareil en direction inverse (la proue pointant vers lui), puis dans les autres directions en effectuant des virages. Les automatismes de contrôle dans toutes les directions de vol viendront avec les heures de pratique et le pilote apprendra à diriger son appareil sans devoir réfléchir à quelle manette activer et dans quelle direction. Procédures et méthodes inappropriées: toutes les décisions malheureuses ou hasardeuses prises par un pilote avant le décollage peuvent également être considérées comme des erreurs de pilotage. En voici quelques exemples: planification de vol effectuée au préalable au bureau et qui n a pas été révisée et validée sur place par un examen minutieux des lieux; limitation volontaire de ses outils afin de sauver du temps ou des efforts, comme effectuer un vol sans station de contrôle au sol par exemple (uniquement avec une télécommande); dépassement des limites d'opération sécuritaire, comme télépiloter un appareil en immersion sans visuel direct de l'appareil et en se fiant uniquement sur le flux vidéo et/ou la télémétrie pour ramener son appareil à son point de décollage. mauvais choix de site pour le décollage ou l atterrissage, incluant des espaces limités ou comportant des obstacles; mauvaise évaluation des conditions météo et en particulier de la force et de la direction du vent, mais aussi la température; inexistence ou défaut d application rigoureuse d une liste de vérification pré-envolée; pression indue à effectuer un vol malgré des signes que toutes les conditions ne sont pas au rendez-vous; mauvais contrôle des personnes assistant à l opération, devenant source de distraction ou de souci pour le pilote; plus grande confiance en l appareillage et à ses systèmes de contrôle qu à ses propres compétences de pilotage. Comment les prévenir On vient de le mentionner: plusieurs défectuosités des capteurs d un aéronef peuvent surprendre un pilote mais si celui-ci apprend à les activer et à les désactiver rapidement, il maximise ses chances de rester en contrôle de son appareil si la situation survient. Notre travail nous oblige souvent à avoir recours à une navigation automatisée afin de suivre un plan de vol précis, c est notre Plan A. Si une situation anormale survient, l idéal est d avorter tous les automatismes d abord et de reprendre le contrôle de l appareil en manuel, ça doit être notre Plan B. Les automatismes de mitigation des pannes qui ont été mis en place dans les paramètres d opération de l appareil ne doivent entrer en fonction qu une fois que toutes les ressources du pilote ont été épuisées, ils devraient d ailleurs entrer en jeu automatiquement le moment venu. Malgré ce qui a été dit précédemment, il arrive parfois qu un appareil détecte lui-même un problème et active automatiquement un automatisme de mitigation (failsafe) et ce, sans que nous soyons intervenu et quelquefois sans que nous en soyons informé par le logiciel de contrôle au sol. Ces situations sont toujours source de stress pour un pilote, mais ce dernier doit être en mesure de reprendre le contrôle de l appareil au besoin. Il doit tout d abord savoir comment et ensuite prendre action pour la reprise de contrôle s il juge que ce sera préférable à la poursuite de l opération automatisée qui est en cours. C est ici qu une solide formation trouve tout son sens. À la fin de chaque vol, on doit être en mesure d en retirer des leçons: soit réaliser honnêtement si nos actions étaient appropriées et mettre en place les procédures ou changements qui sont requis pour s améliorer. On peut également tirer de bonnes leçons de toute erreur commise par d autres et que nous aurions nous-mêmes constaté, en se limitant à appliquer les correctifs pour soi-même, pour les personnes sous notre autorité ou celles qui nous demandent conseil. Quoi faire lorsqu ils surviennent 26

27 On doit tout d abord s assurer de la sécurité des personnes: si on doit détruire un appareil (couper les gaz, l amener au sol rapidement) afin de protéger des personnes ou des aéronefs habités d une collision, on ne doit pas hésiter une seconde. La majorité des petits appareils comportent des batteries de type Lithium Ion Polymère. Il faut savoir que ces batteries réagissent plutôt mal lorsque les cellules qui les composent sont percées: dans certains cas, la réaction chimique exothermique qui s ensuit est suffisamment violente pour provoquer un incendie. On a également la possibilité que des fils soient exposés ou court-circuités lors d un écrasement, provoquant également un incendie. Il faut toujours avoir avec soi un extincteur chimique et être prêt à s en servir en cas d écrasement d un appareil. Une couverture peut également être utile afin d interrompre la rotation dangereuse d hélices avant que l on ait débranché les batteries de l appareil. On sera donc très vigilant et on agira rapidement si on constate qu un appareil se serait écrasé sur le toit d un édifice composé d un matériau qui serait susceptible de prendre feu. Transports Canada exige qu on lui rapporte tout accident ou incident qui est en relation avec la sécurité. On pourra en discuter longtemps mais il faut améliorer la réflexion à cet égard afin de faire en sorte que les incidents qui n ont de conséquence que sur l appareil lui-même ne soient rapportés que dans les cas où la sécurité des personnes, des biens ou des autres aéronefs aurait été compromise ou mise en doute. On n a qu à penser à la multitude de mauvais atterrissages qui surviennent et au cours desquels des appareils sont endommagés et s imaginer la somme de travail que ça représenterait pour les autorités réglementaires d en effectuer le suivi. Les appareils enregistrent presque tous des journaux de vol, soit à même le module de pilotage, soit dans le système de contrôle au sol, ou même sur les deux à la fois. Il faut tirer profit de ces «boîtes noires» et en apprendre plus sur la séquence d événements qui a mené à un événement indésirable ou tragique. Ça fait partie d une discipline à suivre d un processus d amélioration continue, soit non seulement comprendre ce qui s est passé mais également appliquer les correctifs qui permettraient d éviter que la situation se répète, exactement comme le Bureau de la Sécurité des Transports (BST) fait à l échelle des aéronefs habités et des transports maritimes et ferroviaires. 27

28 La diversité de l offre de solutions dans le monde du drone est à la fois un aspect super positif, ainsi qu une menace en soi. Nous parlons ici de l application des solutions des UAV au domaine spécifique de la géomatique appliquée. Comme les coûts d acquisition sont relativement peu élevés pour se procurer un système de levés aéroportés, la principale menace est que plusieurs opérateurs n ayant que très peu ou pas du tout de connaissances relatives à la géomatique y voient une opportunité unique de se lancer en affaires dans ce domaine. Bien qu ils soient généralement de bons ou même d excellents opérateurs, ils n ont pas idée de la finalité des produits et des enjeux ayant trait à la qualité de ceux-ci. Ils y voient généralement qu une solution pour offrir à leur clientèle une image globale du territoire à couvrir. Nous savons tous que dans notre domaine il en est autrement. 28

29 La technologie nous dépasse. L intégration de composantes miniaturisées et de meilleure précision s effectue chaque jour. Il faut être constamment aux aguets des nouveautés et faire une veille technologie intense pour en vérifier l état des mises à jour. Bien que les plates formes volantes évoluent de jour en jour, l impact le plus marquant est au niveau des logiciels d intelligence artificielle qui n ont pas fini de nous surprendre. Qu il s agisse de systèmes anticollision, de «monitoring» des plates-formes en vol, de détection automatique de problèmes logiciels ou de matériel, de prise de contrôle du pilotage manuel en cas d anomalies, tout est maintenant possible. Bien sûr la règlementation aérienne n a pas fini d évoluer et la venue prochaine de transpondeurs embarqués dans les mini-drones permettra surement aux tours de contrôle de «voir» ceux-ci sur leurs écrans. La technologie est déjà là et il nous reste à l apprivoiser et à l'implanter de manière sécuritaire. Il est tout à fait possible de penser à des plates-formes auto-suffisantes en carburant et même alimentées par l énergie solaire pour l exécution de vols de longue durée. D ailleurs, Google et FaceBook ont déjà procédé à l achat de compagnies fabricantes de «super drones» de la taille d avions commerciaux, mus à l énergie solaire et pouvant demeurer en vol pour des périodes prolongées allant jusqu à cinq ans, dans le but d offrir le service «Wifi» sur toute la planète. Il est aussi certain que si Google entre dans la partie, elle collectera des petaoctets de données d imagerie pour son service de diffusion. Google est en train d obtenir une exclusivité mondiale sur l altitude de 65,000 pieds pour ses drones. Imaginons seulement que si des satellites géostationnaires à 280 km d orbite spatiale captent des données à 25 cm. de résolution, à une altitude de 20 kilomètres, ils capteront facilement des données centimétriques Comme on le dit souvent «Sky is the limit» et il se pourrait bien que la limite soit de plus en plus atteignable sous peu. 29