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Auteur(s)
-
Luc JAULIN : Professeur en robotique - Robex, Lab-STICC, ENSTA-Bretagne
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Lire l’articleINTRODUCTION
Vu du grand public, un drone est souvent considéré comme un objet volant autostabilisé, téléopéré et muni d’une caméra. Il est aussi souvent mentionné comme un avion de guerre sans pilote avec un certain degré d’autonomie capable de procéder à des missions militaires. Pourtant, un drone n’est pas forcément volant. Il s’agit d’un robot mobile qui peut être aérien, terrestre ou sous-marin, naviguant ou roulant. Un drone peut donc être considéré en première approche comme un véhicule sans personne à bord, de toute taille, avec un degré d’autonomie élevé. Il est capable de naviguer d’un point à un autre, en évitant les obstacles et avec souvent une mission à effectuer.
Différents types de missions peuvent être données à un drone, comme la cartographie d’une zone, le transport d’un colis, la recherche d’une épave sous-marine. Les drones sont de plus en plus utilisés pour des missions longues et pénibles, comme certains travaux agricoles, le nettoyage (comme le passage de l’aspirateur) ou pour des missions dangereuses pour l’être humain (intervention dans des zones irradiées, recherche de personnes suite à une avalanche ou un tremblement de terre). Ils sont indispensables dans les zones impossibles d’accès pour l’humain (très grand fonds, planètes lointaines, intérieur des volcans, etc.).
L’un des enjeux pour le drone est l’autonomie. Pour des tâches répétitives qui demandent une localisation précise et un cahier des charges à respecter, les drones pourront exécuter sans risque d’erreur une procédure logique en obéissant scrupuleusement au programme informatique qui le pilote. De plus, dans certains environnements, comme le fond le l’océan, ou les planètes lointaines, la téléopération est presque impossible. Il faudra donc donner à ces robots le degré d’autonomie le plus élevé possible. Un autre des défis à relever est la sécurité. Aucune erreur ne sera permise au drone. Il faut être certain qu’il ne provoquera pas de collision, que le robot ne prendra aucun risque et qu’il ne va pas échouer dans sa mission.
Pour développer cette autonomie, il faut une bonne compréhension de la dynamique du robot afin de pouvoir le simuler et le commander. Pour cela, il nous faut comprendre précisément comment le robot s’oriente et bouge. La géométrie non euclidienne possède un rôle fondamental dans cette représentation. Cet article propose de décrire les outils géométriques associés aux déplacements des drones, et d’expliquer comment utiliser des outils afin de modéliser proprement les drones et les amener progressivement vers une autonomie complète.
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Orientation dans l’espace
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1. Qu’est-ce qu’un drone ?
Un drone sera vu ici comme un solide capable de se mouvoir dans un environnement fluide (air ou eau) de façon autonome. Ainsi, ne seront pas considérés comme des drones :
-
un robot manipulateur qui est articulé et qui n’est donc pas un corps solide ;
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les voitures autonomes car elles n’évoluent pas dans un fluide ;
-
les bateaux autonomes car ils évoluent à l’interface entre deux fluides ;
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les satellites qui ne s’appuient pas sur un fluide.
Un drone fait donc partie de la classe des robots mobiles autonomes. Il comprend :
-
des capteurs qui vont collecter des informations sur son environnement et son état, comme son orientation et sa position ;
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des actionneurs qui vont permettre le déplacement ;
-
une intelligence (ou régulateur), qui va chercher à calculer comment agir sur les actionneurs à partir des informations collectées afin de se déplacer suivant la direction souhaitée.
Les drones sont en constante évolution, principalement depuis les années 2000, dans le domaine militaire ou maritime, médical, agricole, spatial, etc. C’est le cas par exemple de la chasse aux mines où des drones ratissent une zone pour détecter la présence de mines, de la recherche des boîtes noires d’un avion qui s’est abîmé en mer et de l’exploration de planètes. La robotique mobile est une discipline qui cherche à concevoir des robots capables d’aider dans ce type de tâches de façon plus ou moins autonome. Elle utilise des outils des mathématiques appliquées comme l’automatique, le traitement du signal, l’informatique ou l’électronique.
L’un des objectifs de cet article est de donner quelques outils géométriques qui permettent de modéliser et de contrôler des drones. Ces drones seront modélisés par des équations d’état à temps continus, c’est-à-dire une équation différentielle vectorielle du premier ordre de la forme :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - DOMBRE (E.), KHALIL (W.) - Robot manipulators : modeling, performance analysis and control. - ISTE Ltd. (2007).
-
(2) - BEARD (R.), McLAIN (T.) - Small Unmanned Aircraft, Theory and Practice. - Princeton University Press (2012).
-
(3) - LAUMOND (J.P.) - La robotique mobile. - Hermès (2001).
-
(4) - JAULIN (L.) - La robotique mobile, Cours et exercices. - ISTE (2015).
-
(5) - SOLA (J.), DERAY (J.), ATCHUTHAN (D.), ATCHUTHAN (D.) - A micro Lie theory for state estimation in robotics. - In arXiv: 1812.01537 (2018).
-
(6) - MURRAY (R.M.), LI (Z.), SASTRY (S.) - A mathematical introduction to robotics manipulation. - CRC Press (1994).
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