Automatic landing on aircraft carrier by visual servoing

International audienceThe landing on carrier is a very difficult task even for trained pilots. This paper presents a method to land automatically using aircraft sensors and three visual features inspired by visual cues used by pilots. These features whose link with the aircraft state is established, are introduced in a control scheme using a linearized aircraft model. The control law demonstrates a large convergence domain using simulated visual features and a 3D tracker applied on synthetic images

Visión por computador para UAS

La visión por computador es una parte de la inteligencia artificial que tiene una aplicación industrial muy amplia, desde la detección de piezas defectuosas al control de movimientos de los robots para la fabricación de piezas. En el ámbito aeronáutico, la visión por computador es una herramienta de ayuda a la navegación, pudiendo usarse como complemento al sistema de navegación inercial, como complemento a un sistema de posicionamiento como el GPS, o como sistema de navegación visual autónomo.Este proyecto establece una primera aproximación a los sistemas de visión articial y sus aplicaciones en aeronaves no tripuladas. La aplicación que se desarrollará será la de apoyo al sistema de navegación, mediante una herramienta que a través de las imágenes capturadas por una cámara embarcada, dé la orden al autopiloto para posicionar el aparato frente la pista en la maniobra de aterrizaje.Para poder realizar ese cometido, hay que estudiar las posibilidades y los desarrollos que el mercado ofrece en este campo, así como los esfuerzos investigadores de los diferentes centros de investigación, donde se publican multitud soluciones de visión por computador para la navegación de diferentes vehículos no tripulados, en diferentes entornos. Ese estudio llevará a cabo el proceso de la aplicación de un sistema de visión articial desde su inicio. Para ello, lo primero que se realizará será definir una solución viable dentro de las posibilidades que la literatura permita conocer. Además, se necesitará realizar un estudio de las necesidades del sistema, tanto de hardware como de software, y acudir al mercado para adquirir la opción más adecuada que satisfaga esas necesidades. El siguiente paso es el planteamiento y desarrollo de la aplicación, mediante la defnición de un algoritmo y un programa informático que aplique el algoritmo y analizar los resultados de los ensayos y las simulaciones de la solución. Además, se estudiará una propuesta de integración en una aeronave y la interfaz de la estación de tierra que debe controlar el proceso. Para finalizar, se exponen las conclusiones y los trabajos futuros para continuar la labor de desarrollo de este proyecto

Study of Future On-board GNSS/INS Hybridization Architectures

Un développement rapide et une densification du trafic aérien ont conduit à l'introduction de nouvelles opérations d'approches et d'atterrissage utilisant des trajectoires plus flexibles et des minimas plus exigeants. La plupart des opérations de navigation aérienne sont actuellement réalisées grâce au GNSS, augmenté par les systèmes GBAS, SBAS et ABAS qui permettent d'atteindre des opérations d'approches de précision (pour GBAS et SBAS). Cependant ces systèmes nécessitent la mise en place d'un réseau de station de référence relativement couteux et des diffusions constantes de messages aux utilisateurs de l'espace aérien. Afin de surmonter ces contraintes, le système ABAS intègre à bord des informations fournies par les systèmes de navigation inertielle (INS) ainsi améliorant les performances de navigation. Dans cette logique, les avions commerciaux actuels utilisent une solution de couplage des deux systèmes appelée hybridation GPS/baro-INS. Cette solution permet d'atteindre des niveaux de performance en termes de précision, intégrité, disponibilité et continuité supérieurs aux deux systèmes pris séparément. Malheureusement, les niveaux d'exigences requis par les opérations de précision ou les atterrissages automatiques ne peuvent pas encore être totalement couverts par les solutions d'hybridation actuelles. L'idée principale de cette thèse a été d'étendre le processus d'hybridation en incluant d'autres capteurs ou systèmes actuellement disponibles ou non à bord et d'évaluer les niveaux de performance atteints par cette solution de filtre d'hybridation global. L'objectif ciblé est de pouvoir fournir la plupart des paramètres de navigations pour les opérations les plus critiques avec le niveau de performance requis par les exigences OACI. Les opérations ciblées pendant l'étude étaient les approches de précision (en particulier les approches CAT III) et le roulage sur la piste. L'étude des systèmes vidéo a fait l'objet d'une attention particulière pendant la thèse. La navigation basée sur la vidéo est une solution autonome de navigation de plus en plus utilisée de nos jours axée sur des capteurs qui mesurent le mouvement du véhicule et observent l'environnement. Que cela soit pour compenser la perte ou la dégradation d'un des systèmes de navigation ou pour améliorer la solution existante, les intérêts de l'utilisation de la vidéo sont nombreux. ABSTRACT : The quick development of air traffic has led to the improvement of approach and landing operations by using flexible flight paths and by decreasing the minima required to perform these operations. Most of the aircraft operations are supported by the GNSS augmented with GBAS, SBAS and ABAS. SBAS or GBAS allow supporting navigation operations down to precision approaches. However, these augmentations do require an expensive network of reference receivers and real-time broadcast to the airborne user. To overcome, the ABAS system integrates on-board information provided by an INS so as to enhance the performance of the navigation system. In that scheme, INS is coupled with a GPS receiver in a GPS/baro-INS hybridization solution that is already performed on current commercial aircraft. This solution allows reaching better performance in terms of accuracy, integrity, availability and continuity than the two separated solutions. However the most stringent requirements for precision approaches or automatic landings cannot be fulfilled with the current hybridization. The main idea of this PhD study is then to extend the hybridization process by including other sensors already available on commercial aircraft or not and, to assess the performance reached by a global hybridization architecture. It aims at providing most of the navigation parameters in all operations with the required level of performance. The operations targeted by this hybridization are precision approaches, with a particular focus on CAT III precision approach and roll out on the runway. The study of video sensor has been particularly focused on in the thesis. Indeed video based navigation is a complete autonomous navigation opportunity only based on sensors that provide information from the dynamic of the vehicle and from the observation of the scenery. Moreover, from a possible compensation of any loss or degradation of a navigation system to the improvement of the navigation solution during the most critical operations, the interests of video are numerous

Commande référencée vision pour drones à décollages et atterrissages verticaux

La miniaturisation des calculateurs a permis le développement des drones, engins volants capable de se déplacer de façon autonome et de rendre des services, comme se rendre clans des lieux peu accessibles ou remplacer l'homme dans des missions pénibles. Un enjeu essentiel dans ce cadre est celui de l'information qu'ils doivent utiliser pour se déplacer, et donc des capteurs à exploiter pour obtenir cette information. Or nombre de ces capteurs présentent des inconvénients (risques de brouillage ou de masquage en particulier). L'utilisation d'une caméra vidéo dans ce contexte offre une perspective intéressante. L'objet de cette thèse était l'étude de l'utilisation d'une telle caméra dans un contexte capteur minimaliste: essentiellement l'utilisation des données visuelles et inertielles. Elle a porté sur le développement de lois de commande offrant au système ainsi bouclé des propriétés de stabilité et de robustesse. En particulier, une des difficultés majeures abordées vient de la connaissance très limitée de l'environnement dans lequel le drone évolue. La thèse a tout d'abord étudié le problème de stabilisation du drone sous l'hypothèse de petits déplacements (hypothèse de linéarité). Dans un second temps, on a montré comment relâcher l'hypothèse de petits déplacements via la synthèse de commandes non linéaires. Le cas du suivi de trajectoire a ensuite été considéré, en s'appuyant sur la définition d'un cadre générique de mesure d'erreur de position par rapport à un point de référence inconnu. Enfin, la validation expérimentale de ces résultats a été entamée pendant la thèse, et a permis de valider bon nombre d'étapes et de défis associés à leur mise en œuvre en conditions réelles. La thèse se conclut par des perspectives pour poursuivre les travaux.The computers miniaturization has paved the way for the conception of Unmanned Aerial vehicles - "UAVs"- that is: flying vehicles embedding computers to make them partially or fully automated for such missions as e.g. cluttered environments exploration or replacement of humanly piloted vehicles for hazardous or painful missions. A key challenge for the design of such vehicles is that of the information they need to find in order to move, and, thus, the sensors to be used in order to get such information. A number of such sensors have flaws (e.g. the risk of being jammed). In this context, the use of a videocamera offers interesting prospectives. The goal of this PhD work was to study the use of such a videocamera in a minimal sensors setting: essentially the use of visual and inertial data. The work has been focused on the development of control laws offering the closed loop system stability and robustness properties. In particular, one of the major difficulties we faced came from the limited knowledge of the UAV environment. First we have studied this question under a small displacements assumption (linearity assumption). A control law has been defined, which took performance criteria into account. Second, we have showed how the small displacements assumption could be given up through nonlinear control design. The case of a trajectory following has then been considered, with the use of a generic error vector modelling with respect to an unknown reference point. Finally, an experimental validation of this work has been started and helped validate a number of steps and challenges associated to real conditions experiments. The work was concluded with prospectives for future work.TOULOUSE-ISAE (315552318) / SudocSudocFranceF