Contributions à l'asservissement visuel de véhicules aériens autonomes

Abstract

L asservissement visuel est une technique de commande reposant sur des mesures issues d une caméra. Cette technique est apparue à la fin des années 80 pour contrôler des robots mobiles ou des bras manipulateurs. Depuis peu, l asservissement visuel est appliqué aux engins volants, pour lesquels ce type de contrôle a un fort potentiel opérationnel. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la conception d asservissements visuels pour deux types d engins volants : les minidrones à voilures tournantes et les avions. Nous essayons autant que possible de spécifier le problème en termes de régulation dans l image en prenant en compte des contraintes forte sur la nature des capteurs utilisés. Ainsi nous considérons uniquement les capteurs embarqués, autonomes, et dont la qualité est compatible d un asservissement précis. Pour cela, nous proposons des lois d asservissement visuels adaptés à la dynamique des engins considérés, à leurs structures de contrôle et à leurs systèmes de mesures. Pour les minidrones à voilures tournantes, une série de lois de commande est proposée pour stabiliser l engin relativement à une cible plane dont quelques amers sont détectés en temps réel. Ces commandes ont la particularité de ne pas nécessiter de mesure de vitesse de translation. Caractéristique intéressante puisque cette grandeur est particulièrement difficile à mesurer sans GPS. L un des algorithmes a été validé en vol sur la plateforme Hovereye de Bertin Technologies, il s agissait, à notre connaissance du premier asservissement visuel basé image, réalisé en intérieur, sur un minidrone. Pour les engins à voilures fixes une nouvelle technique d atterrissage autonome basée sur la détection des bords de la piste est proposée. Cette technique est basée image et prend en compte les spécificités du vol d un avion ainsi qu une estimation de la vitesse du vent. La validation de cette approche est réalisée sur un simulateur complexe incluant la chaîne de traitement d image. Enfin, nous avons cherché de nouvelles applications à l asservissement visuel basé image d engins à voilures fixes. Une loi de commande permettant une stabilisation précise sur une orbite d observation a ainsi été synthétisée. Elle repose sur la détection d un unique amer et du flux optique de translation. Des simulations illustrent les performances de ce dernier algorithme.The visual servo control technology is based on measurements form a camera. This technique appeared in the late 80 s to control mobile robots or manipulators. Recently, visual servoing is applied to flying vehicles, for which this type of control has a strong operational potential. In this thesis, we focus on the design of visual servoing for two types of flying vectors : the VTOL minidrones and fixed-wing aircrafts. We try wherever possible to specify the problem in terms of regulation in the picture by taking into account the limitations of the sensors used. Thus we consider only the onboard sensors autonomous, and whose quality is consistent with a the considered visual servoing tasks. For this, we propose visual servoing laws adapted to the considered systems intheir control structures and their measurement systems. For VTOL minidrones, a series of control laws is proposed to stabilize the vehicle with respect to a relativity flat target which some landmarks are detected in real time. These commands have the distinction of not requiring measurements of the speed of translation. This characteristic is especially interesting, since this variable is particularly difficult to measure without GPS. One of the algorithms has been, validated in fight ion the platform. HoverEye developed by Bertin Technologies, it was, to our knowledge the first image based visual servoing, conducted indoors on a minidrones. For fixed-wing aircrafts, a next autonomous landing technique based on the detection of runway s edges is proposed. This technique is image based and takes into account the specificities of aircraft flight dynamics. Moreover a specific estimate of cross-wind is proposed. Validation of this approach is performed on a complex simulator which includes images processing. Finally, we sought new applications in image based visual servoing for fixed-wing aircrafts. A control law for precise stabilization on observation orbit has been synthesized. It is based on the detection of a single landmark and translational optical flow. Simulations illustrate the performance of that algorithm.NICE-BU Sciences (060882101) / SudocSudocFranceF