Comme cela a été présenté en Section 1.5, la vision trouve de nombreuses applications en aéronautique. L’une d’elles est l’atterrissage automatique utilisant la commande par as- servissement visuel. Cette section présente un état de l’art de ces commandes appliquées à l’atterrissage en fonction du type des primitives employées : celles contenues dans le plan image et celles exprimées dans l’espace 3D.
3.2.1 IBVS
Un pilote d’avion, lorsqu’il est en phase d’approche, n’estime pas sa position par rapport à la piste, du moins pas consciemment et pas directement. Les informations dont il dispose sont celles fournies par son système visuel et son oreille interne et qui suffisent à sa perception. Basé sur ce fait établi par la communauté de la perception en aéronautique [Gibb 2010] et présenté Section1.3.2.2, les études suivantes proposent des mesures issues du plan image pour réaliser l’atterrissage. On commence par présenter des méthodes reposant sur des primitives géométriques avec des schémas de commande linéaire et non-linéaire. Nous poursuivrons sur des commandes à base de flux optique pour enfin conclure sur des tâches simples d’asservis- sement visuel appliqués à des atterrissages rudes.
Commande linéaire et primitives géométriques. L’approche vers la piste est une phase où les paramètres de vol (vitesse, masse, altitude) ne changent que très peu. Le comportement de l’avion, qui est un système sous-actionné et à la dynamique non linéaire, peut être simplifié. Un ensemble de méthodes se base sur une linéarisation de la dynamique de vol autour de ce point de fonctionnement.
Établissant le lien entre la matrice d’interaction de l’asservissement visuel et l’état de l’avion, une commande basée sur la représentation d’état est mise en place dans [Rives 2002]. Toujours basées sur ce lien et cette commande, plusieurs études explorent différentes primitives visuelles pour obtenir un meilleur comportement. Dans [Rives 2002], les trois lignes de la piste sont utilisées sous la représentation polaire (ρ, θ), afin de contrôler la position et l’orientation de l’avion. Du fait du parallélisme de ces trois droites, on peut noter qu’il n’y a pas une commande explicite du point d’atterrissage. De plus, ces primitives n’ont pas un découplage avec les degrés de liberté que l’on désire commander.
Cette méthode a été appliquée pour le suivi de route d’un dirigeable dans [Rives 2004]. Dans ce cas, les primitives choisies sont liées de manière plus directe aux degrés de liberté à contrôler. En l’occurrence, le point de fuite et l’horizon présentent de bonnes propriétés pour le contrôle des rotations alors que les deux droites de la route permettent de contrôler l’erreur latérale et l’altitude de l’aéronef. Reprenant le point de fuite et les trois droites de la piste, présentés Fig. 3.2a, [Bourquardez 2007a] combine ces dernières de manière judicieuse pour aboutir à un comportement découplé pour l’alignement et le maintien d’une hauteur par rapport à la piste. Par la suite, dans [Bourquardez 2007b], un suivi de trajectoire basée sur la dynamique de l’avion est proposé afin de réaliser la tâche d’alignement, d’approche et d’arrondi. Reprenant les primitives de base de [Rives 2004], [Azinheira 2008] les combine avec des fonctions trigonométriques pour aboutir à un meilleur comportement, testé en simulation avec des perturbations de vent.
3.2 État de l’art de l’atterrissage basé vision 91 Conservant la même commande linéaire mais avec une nouvelle primitive, [Gonçalves 2010] utilise l’homographie entre l’image courante et une image de référence sélectionnée dans une banque d’images, présenté Fig.3.2c. La trajectoire désirée est ainsi matérialisée par une suite d’images. Cette solution a été testée intensivement avec un simulateur réaliste modélisant le comportement de l’avion, du vent et de la chaîne image. Parmi les points critiques, on peut objecter que cette méthode nécessite beaucoup d’informations pour réaliser une trajectoire qui, dans sa phase de descente, avant l’arrondi, est très simple. Une autre remarque, liée à la vision, est le passage entre les images de référence, qui peut s’appuyer sur une mesure des résidus de l’algorithme de suivi ou la position GPS, mais qui fait perdre le sens de l’atterrissage purement basé vision. De plus, en s’approchant du sol, l’hypothèse de scène planaire qui était valable loin de la piste, peut être mise en défaut par la présence d’objets 3D et conduire à une mauvaise estimation de l’homographie.
[Miller 2008] propose un nouvel ensemble de primitives, représentées Fig. 3.2b, constitué par la distance suivant l’axe y de la caméra entre le point de fuite et le point d’impact1, l’angle
dans l’image de la ligne centrale de la piste et la coordonnée x du point de fuite. Les primi- tives proposées sont intéressantes pour leur propriété de couplage avec les degrés de liberté que l’on souhaite contrôler, mais la justification de leur utilisation, le schéma de commande et les résultats restent incomplets. Contrairement aux précédentes primitives concernant l’atter- rissage sur piste, seules celles proposées dans [Miller 2008], présentent l’avantage d’avoir une valeur désirée constante au cours de la descente (avant l’arrondi).
(a) [Bourquardez 2007a] (b) [Miller 2008] (c) [Gonçalves 2010]
Figure 3.2 – Différentes primitives utilisées avec une commande linéaire.
Commandes avancées et primitives géométriques. Des commandes plus élaborées que la commande linéaire, ont été étudiées, afin de prendre en compte de manière plus fine la dynamique complexe de l’aéronef. Dans [Zhang 1999], afin de tenir compte de la dynamique d’un dirigeable pour le suivi d’un objet, la dynamique de l’aéronef a été rapportée dans le plan de l’image, et la commande appliquée, déduite d’une inversion dynamique. Des méthodes de commandes non linéaires basées vision concernant le guidage d’engins à vol vertical à l’aide de points [Hamel 2002,Hamel 2004], puis de droites [Mahony 2005], ont ensuite essaimé vers l’atterrissage d’aéronefs à voilure fixe. Dans [Le Bras 2009], les primitives proposées pour l’alignement sont les droites de la piste exprimées sous la forme de coordonnées de Plücker,
1. L’auteur de ce document n’avait pas eu connaissance de cette étude, à l’époque où il a proposé la
présentées Fig. 3.3a. Pendant les phases de descente et d’arrondi, les coins de la piste et la direction de descente sont combinés pour obtenir une droite virtuelle exprimée en coordonnées de Plücker. Ces primitives entrent dans un schéma de commande non linéaire dans lequel est introduit un estimateur de vent. Ces méthodes non-linéaires sont étendues au suivi de trajectoires circulaires, utilisant un seul repère visuel dans [Le Bras 2010], ou à l’atterrissage d’hélicoptère utilisant une homographie en tant que primitive [de Plinval 2011]. Autre schéma de contrôle avancé, [Lee 2012] propose une commande adaptative à mode glissant, pour tenir compte de l’effet de sol, basée sur des primitives de l’image, pour l’atterrissage d’un drone hélicoptère.
Utilisation du flux optique. Reprenant le contrôle latéral et longitudinal de la phase d’approche de [Le Bras 2009], [Serra 2010] y ajoute un contrôle longitudinal lors de la phase d’arrondi, basé sur le flux optique de divergence. Ce flux optique est d’ailleurs proposé par les approches bio-inspirées permettant des touchers en douceur [Ruffier 2004, Beyeler 2009]. Dans ces dernières applications, les drones ont une faible charge utile, ils nécessitent donc des capteurs légers et simples fournissant une information localisée mais utilisable pour le suivi de relief, l’évitement d’obstacle ou l’atterrissage. Pour revenir à des approches plus "classiques", [Hérissé 2012] étudie l’atterrissage d’engins à voilure tournante sur une plateforme mouvante en utilisant un schéma de commande non linéaire basé sur le flux optique (Fig. 3.3b).
(a) [Serra 2010] (b) [Hérissé 2012]
Figure 3.3 – Différentes primitives utilisées avec une commande non linéaire.
Tâches simplifiées d’asservissement visuel. [Huh 2010,Kummer 2011] étudient des at- terrissages d’avions en mousse expansible nettement moins conventionnels que ceux effectués sur piste. En effet, du fait de la robustesse de l’avion, l’atterrissage consiste simplement à impacter une demi sphère gonflée d’air. L’extraction de l’image de ce dôme est facilitée par sa couleur rouge dans [Huh 2010] et dans les deux études, la tâche d’asservissement se résume à centrer ce dôme dans l’image pour que l’avion se dirige vers lui pour l’impacter.