Programme de la réunion du 
Groupe de Travail inter GdR
GT2 - Drones et GT UAV - MACS

Jeudi 02 octobre 2008
ENSAM Paris
Boulevard de Hôpital, Paris 13ème, Salle P2.

9h15: Accueil et café

9h30 – 10h30 : Carlos Silvestre, IST/ISR, Lisbon Portugal
UAV developments under the HELICIM and OBSERVFLY Projects

The present talk will address topics on aerial vehicle guidance navigation and control from both a practical and a theoretical perspective. The presentation is rooted in the developments carried out at ISR/IST under the HELICIM and OBSERVFLY projects. 
In recent years, there has been an increasing interest in developing and using Uninhabited Air Vehicles (UAVs) as tools for ocean surface data acquisition. However, the use of fixed wing UAVs for ocean applications is still limited to a few scientific institutions scattered worldwide, and most vehicles have been designed to conduct simple survey missions that in general do not require close interaction between the operator and the environment. The OBSERVFLY project aims at developing a versatile UAV for marine science applications with special emphasis on the location and tracking of marine mammals and commercially important or threatened pelagic species such as the Atlantic Tuna. The HELICIM project focuses on the development of nonlinear control and navigation systems to be used in an Autonomous Helicopter for critical infrastructure monitoring. Accurate health monitoring and diagnosis of critical infrastructures will increase the efficiency of maintenance and repair plans, with inherent benefits in terms of cost reduction and damage minimization in case of disaster. This presents an opportunity for the development of advanced robotic surveying tools, namely UAVs able to perform high accuracy tri-dimensional surveys of structures with the objective of producing, in real time, accurate data sets with the required spatial and temporal resolutions and thereby providing quantitative information vital for a well-founded diagnosis.
The research work under these two projects will focus on bridging the gap between theory and practice, by taking into account actual characteristics of the systems at hand in the development process. 

10h30 – 11h30 : Robert Mahony, Australian National University
Gradient like observers for invariant systems

This talk considers the considers the design of non-linear observers for invariant kinematic systems posed on finite-dimensional connected Lie groups. Both the case of full-state measurements and partial-state measurements are considered with the measurement process modelled by a transitive group action acting on a manifold termed the output space. 
Concepts of synchrony (between observer and the plant) and invariant innovations are used to provide a structure theory for observer design. A gradient like construction is proposed to design the innovation terms, leading to strong (almost) global convergence properties for observation error. Such a construction requires a cost function with certain invariance properties and I give a short discussion of how such functions can be generated. The proposed approach has been successfully applied to the design of attitude filters on aerial robotic vehicles.

11h30 – 12h30 : Patrick Fabiani, ONERA
Le projet ReSSAC : aboutissements et perspectives

Le projet ReSSAC (Recherche et Sauvetage par un Système Autonome Coopérant) de l'Onera a eu pour objectif d'explorer la faisabilité de développer des capacités de contrôle intelligent et autonome de la mission dans des avioniques embarquées pour drones. 
Dans le cadre du projet ReSSAC, les missions confiées au drone ont consisté à accomplir des tâches d'exploration, de cartographie et d'atterrissage autonome en terrain non préparé et mal connu. Différents scénarios ont été démontrés avec un degré d'intervention et d'autorité variable des opérateurs au sol, y compris le niveau d'autonomie complète sans intervention humaine autre que la validation sur photo de l'objectif final. Le drone réalise une exploration préliminaire de la zone de recherche par caméra vidéo. Différents modules fonctionnels sont embarqués sur ReSSAC.
L'avionique embarquée de guidage-navigation assure la sécurité des vols autonomes, notamment la stabilisation, le guidage, le décollage, l'atterrissage, l'évitement d'obstacle et la navigation autonomes et fiables du drone. L'avionique embarquée de contrôle d'exécution de la mission séquence les différentes phases de recueil d'information, traitement, décision et mise en oeuvre de la stratégie de comportement. Les algorithmes de traitement d'image embarqués permettent de détecter les obstacles et de proposer des sites d'atterrissage potentiels. L'algorithme de planification embarqué optimise une stratégie de comportement pour poursuivre la mission en tenant compte notamment des obstacles, de la distance du site au rescapé, de la consommation de carburant et des probabilités de pouvoir se poser. Le drone la met ensuite en œuvre de façon autonome et l'opérateur valide le choix final du site d'atterrissage et déclenche le redécollage pour retour à la base.
L'Onera a pu ainsi démontrer sur l'architecture informatique embarquée sur les drones ReSSAC, la faisabilité de drones disposant de capacités de décision et de traitement d’information embarqués, c’est-à-dire posséder non seulement une autonomie comportementale (contrôle du vol et de la navigation adaptatif aux écarts ou obstacles détectés) et mais aussi une certaine autonomie décisionnelle (capacités de replanification des objectifs intermédiaires et de décision embarquée en présence d’aléas). Ces capacités d'autonomie permettent d'envisager de réaliser des missions en contexte dangereux, hors vue, temporairement hors communication, avec exploration et atterrissage en campagne, sur un terrain non coopératif, non préparé et mal connu.
Les travaux en cours à la suite de ce projet concernent la coopération entre plusieurs robots hétérogènes incluant des drones et des robots, le développement de capacités sensori-motrice de navigation autonome en environnement quelconque, et la sûreté de fonctionnement d'avioniques hautement adaptatives et capables de comportements autonomes.

12h30 – 14h : Déjeuner

14h00 – 15h00 : Claude Samson, INRIA
Commande d'une classe de véhicules sous-actionnés et application aux drones de type VTOL
 
Ce travail porte sur la commande par retour d'état de véhicules sous-actionnés, dans le but de stabiliser des trajectoires de référence. Il concerne des systèmes munis i) d'un propulseur générant une force de poussée dans une direction liée au véhicule, et ii) 
d'actionneurs permettant de générer trois couples indépendants. Ceci correspond à une structure d'actionnement classique, telle qu'on la trouve par exemple sur les avions, sous-marins, ou véhicules de type VTOL ("Vertical Take-Off and Landing"). Une méthode de synthèse de commandes par retour d'état est proposée pour différents modes opérationnels: stabilisation de la direction de poussée, de la vitesse, ou de la position du véhicule. Les deux premiers objectifs correspondent typiquement à un fonctionnement en mode joystick. Le dernier est associé à un fonctionnement complètement autonome. Une des motivations de ce travail concerne les problèmes de robustesse vis-à-vis de perturbations extérieures (vent, courant, etc). Les lois de commande non-linéaires proposées permettent de compenser certaines erreurs de modèles et d'assurer un comprtement robuste face à ces perturbations. Ceci sera illustré en simulation pour un véhicule de type VTOL (l'HoverEye de 
Bertin Tech.).

15h00 – 16h00 : Nicolas Marchand, GIBSA-Lab
Quelques contributions à la commande bornée de l’attitude des engins volants
 
Dans cette présentation, nous présenterons des contributions récentes à la commande d’attitude. Ces recherches ont été motivées par le développement récent des micro-robots volants (taille centimétrique) qui posent de nouveaux problèmes en terme de commande. Parmi ces problèmes on peut citer la très faible capacité de calcul embarquable, la très forte sensibilité aux perturbations ou l’imprécision de la réalisation mécanique. Les approches proposées sont issues de travaux initialement proposés pour les chaînes d’intégrateurs linéaires que nous avons ensuite étendus aux robots volants. Elles permettent une stabilisation globale au moyen d’une commande bornée de l’attitude d’un engin volant. Elles présentent des propriétés de robustesse intéressantes notamment par rapport à une mauvaise connaissance (voire une non-connaissance totale) de la matrice d’inertie. Une version retour d’état utilisant une mesure d’attitude et une version retour de sortie utilisant les mesures capteurs seront présentées.

16h00 – 17h00 : Nicolas Guenard, CEA List
Commande intuitive de drone miniature à voilure tournante
J.M. Alexandre, L. Eck, N. Guenard, B Herisse, J. Courbon, F.X. Russotto, Y. Measson 

Les mini-drones suscitent depuis quelques années un vif intérêt pour de nombreuses applications en particulier dans le domaine de la sécurité civile (surveillance de sites sensibles, gestion de crise). Pour être utilisable par les équipes de sécurité, ces robots doivent disposer d’une commande parfaitement intuitive de telle sorte que le drone puisse être considéré comme un « capteur mobile » à qui on assignerait des ordres de haut niveau. Dans ce contexte le CEA LIST développe ou a développé plusieurs niveaux de commandes intuitives allant du simple mode télé opéré incluant la fonction d’évitement automatique d’obstacle, à la navigation autonome complète indoor ou outdoor. Parmi ces fonctions, on distingue la stabilisation d’assiette, le contrôle en altitude et l’atterrissage automatique, la localisation et la navigation autonome en extérieur sur trajectoire GPS, la localisation et la navigation autonome sans GPS (reconstruction visuelle 3D et localisation dans l’espace capteur du drone) ainsi que l’évitement automatique d’obstacles. Ces fonctions sont implémentées dans un prototype de mini drone développé par le CEA LIST et basé sur l’architecture X4-flyer. Celui-ci intègre de nombreux capteurs comme une centrale inertielle, un GPS, une camera, un baromètre et dispose d’une motorisation brushless puissante. Des vidéos illustrant ces travaux sont disponibles sur le site http://www.ist-microdrones.org/. Dans ce cadre, le CEA LIST participe à de nombreux projets nationaux et internationaux comme le projet FP6 IST µdrones.