ASSOCIATION INTERNATIONALE POUR LE DEVELOPPEMENT
                                  DE L'ENSEIGNEMENT AU VIET NAM ( AIDEV )

                       

 

 

Réalisation d’un démonstrateur de mini-drone à bas coût

 sur la base d’un modèle réduit d’avion au profit de l’Institut Polytechnique

 de Ho-Chi-Minh Ville (IPHCM) (VIET-NAM).

 

                                                                                                      (par Huynh Huu Thanh)

1 Les objectifs

·     Objectifs généraux

- Aider à la mise à niveau de l’enseignement Universitaire au VIET-NAM sur un projet novateur et utile.

- Contribuer à l’enseignement universitaire au VIET-NAM.

·     Contexte du projet

Les drones, équivalent de l’anglais UAV (Unmanned Aerial Vehicle), sont des aéronefs (avion, hélicoptère ou encore multirotors,…) sans pilote à bord. Ils sont de dimensions et de masses variées, depuis une dizaine de grammes (micro-drones) jusqu’à plusieurs dizaines de tonnes. De même, leurs coûts sont variables, et dépendent fortement de leurs missions.

Surtout utilisés jusqu’à présent pour des missions militaires comme l’observation, le renseignement, l’écoute, etc., leurs perspectives d’applications civiles sont nombreuses comme l’épandage agricole, la surveillance des incendies de forêt, l’inspection des ouvrages d’art, les missions de sécurité civile, le sauvetage, etc.

 La  réalisation d’un drone est un projet complexe, il requiert, en effet, une maîtrise et un savoir faire dans plusieurs domaines de technologies avancées comme la conception des aéronefs, les systèmes avioniques embarqués, les systèmes de transmission et les télécommunications à haut débit, etc.

La figure suivante illustre la complexité des communications d’un drone civil dans l’environnement aérien.

 

                                          

 

·     Objectif spécifique

L’objectif du projet est d’aider l’IPHCM (Institut Polytechnique de Ho-chi-Minh Ville), qui forme des ingénieurs de haut niveau dans plusieurs disciplines scientifiques et techniques, de réaliser un mini-drone comme équipement de laboratoire, en utilisant des technologies nouvelles à bas coût.

En effet, ce moyen est déjà utilisé dans des universités étrangères pour développer de nouveaux concepts pour les systèmes de drones (capteurs à bas coût, autonomie, etc..).

 

2. Partenariat et participants

       

        Ce projet, réalisé à l’Institut Polytechnique de Ho-chi-Minh Ville (IPHCM), VIET-NAM, en particulier le Département Aérotechnique, avec le soutien de l’AIDEV, a bénéficié partiellement du soutien financier du FORIM, organisme partenaire du Ministère de l’Intérieur, de l’Outre-Mer, des Collectivités Territoriales et de l’Immigration (MIOMCTI).

        Les experts ayant contribué directement au projet sont:

-  Dr NGUYEN Anh Thi, co-responsable du projet, Directeur Adjoint de l’Université Nationale du VIET-NAM à Ho-Chi-Minh Ville,

- Dr NGUYEN Vinh Hao, Maitre de conférences à l’IPHCM, Département du Contrôle Automatique,

- Mr TRAN Dang Long, titulaire d’un diplôme de MSc (Master of Science), chef de projet au Département Systèmes Electroniques de l’IPHCM,

- Mr NGO Dinh Tri, titulaire d’un diplôme de MSc (Master of Science), Maitre de Conférences à l’IPHCM, Département Aérotechnique,

- Mr TRAN Xuân Khanh, ingénieur diplômé de l’IPHCM, pour  sa contribution à l’encadrement des étudiants en électronique embarquée,

- Dr NGUYEN Thiên Tong, ex- chef du Département Aérotechnique de l’IPHCM, expert en conception du véhicule aérien,  conseiller pour l’ensemble du projet;

- Dr HUYNH Huu Thanh (AIDEV), co-responsable du projet, ingénieur expert retraité de l’ONERA.

 

3. Réalisation du mini-drone

 

·     Caractéristiques du démonstrateur de mini-drone à réaliser

Le travail consiste à réaliser un démonstrateur de mini-drone, basé sur un modèle réduit d’avion, et en mettant l’accent sur la faisabilité du concept de drone, avec l’utilisation de composants à bas coût.

Il convient de rappeler qu’un drone est  un système, composé des éléments suivants:

i) le drone proprement dit,  c’est-à-dire le véhicule aérien lui-même, est l’appareil qui sert à embarquer l’ensemble des équipements nécessaires à son fonctionnement,

ii) les équipements embarqués, comprenant d’une part l’avionique embarqué permettant d’assurer le vol autonome du drone, et la charge utile (caméra, enregistreur vidéo, etc..),

iii) une station de contrôle au sol, permettant le contrôle de l’appareil ainsi que l’interface avec les informations délivrées par la charge utile.

 

Le démonstrateur de mini-drone réalisé dans ce projet doit être capable d’effectuer une phase de vol entièrement automatique et de transmettre les ‘images’ à une station de contrôle au sol. Ses composants, ainsi que les fonctions associées, sont illustrés sur la figure suivante.

 

·     Plan de réalisation - Durée

La réalisation du démonstrateur de mini-drone est décomposée en trois phases :

        Phase 1 : Etudes, développement, réalisation

        Phase 2 : Expérimentation, mise au point

        Phase 3 : Intégration, démonstration.

Chacune de ces phases comprend plusieurs étapes qui sont décrites brièvement ci-après.

Phase 1: Définition,  études, développement, réalisation

        - Définition des spécifications pour les différents éléments : cellule, moyen de propulsion, avionique (capteurs, actionneurs, processeurs embarqués) pour le contrôle du vol, système de liaison de données (acquisition, enregistrement des données à bord, interface bord-sol), charge utile (caméra vidéo ), station sol (poste de visualisation et de radiocommande).

        - Organisation et gestion du projet. Recensement des besoins en compétence, du personnel disponible de l’IPHCM. Répartition du travail et planning.

        - Etude, réalisation d’un modèle réduit d’avion (porteur A), acquisition du système de propulsion.

        - Etude et acquisition de l’avionique et des moyens sol de contrôle du vol.

        - Etude et réalisation de logiciel embarqué de reconstitution d’attitude par hybridation des capteurs inertiels (gyromètres, accéléromètres, magnétomètres) et du récepteur GPS.

        - Etude et réalisation de la simulation numérique de l’ensemble du système de mini-drone sur poste de simulation de type PC.

Phase 2 : Expérimentation, mise au point

        - Expérimentation au sol pour la mise au point du système de reconstitution d’attitude.

        - Recalage sur les données de vol et validation du modèle de mécanique du vol

        - Développement d’une loi de pilotage-guidage en vol (phase de vol à définir) et expérimentation au sol.

Phase 3 : Intégration, démonstration en vol.

        - Intégration finale des capteurs et de l’avionique embarquée sur le modèle réduit d’avion,

        - Démonstration en vol et validation sur scénario avec phase de vol autonome.

Plusieurs missions ont été effectuées à l’IPHCM (VIET-NAM) par M. Huynh Huu Thanh pour effectuer le suivi du déroulement du projet et l’encadrement des étudiants.

Ce projet a démarré en Octobre 2010, et est achevé en Juillet 2012  et a donné entière satisfaction. Les figures jointes en Annexe illustrent les principaux résultats obtenus.

 

4 Actions réalisées

 

        - Formation aux techniques d’automatique, de traitement de données, en électronique embarquée,

        - Réalisation du modèle réduit d’avion (porteur A),

        - Etude, sélection et acquisition des éléments pour équiper le porteur (système de propulsion, alimentation), de l’avionique embarquée (capteurs, récepteur GPS, processeur embarqué, liaison de données) et de la charge utile (caméra vidéo), du système de contrôle au sol.

        - Réalisation de logiciels numériques pour diverses fonctions du drone,

  - Encadrement des étudiants à l’emploi de ces différentes techniques.

 

5 Résultats

 

·     Moyens humains

        Ce projet a contribué à former ainsi:

- des étudiants de l’IPHCM (VIET-NAM) (douze étudiants de dernière année), par des stages de fin d’études.

- deux étudiants de ‘master’ de l’IPHCM (VIET-NAM).

·      Matériels

          - Equipements:

             - un modèle réduit d’avion (avion A),

        - Avionique embarquée (récepteur GPS, centrale inertielle, calculateur embarqué, caméra embarquée, système de réception

et de transmission des données et des images vidéo),.

        - Système de contrôle au sol (ordinateur portable de type PC, poste de radio-commande, système de réception et de transmission de données et des images vidéo). 

-Documentation

          ° Documents pédagogiques (méthode d’identification de systèmes, techniques de commande et de traitement des données)

        ° Documents techniques (guidage/pilotage du drone, hybridation des capteurs par filtrage de Kalman,  simulation numérique du comportement du drone).

·     Commentaires

Le choix de réaliser le porteur A spécifique pour l’IPHCM, est judicieux car :

        - d’une part, le porteur est conçu pour répondre au mieux au besoin du démonstrateur de drone: appareil de taille et de masse faible tout en ayant une capacité d’emport largement dimensionnée pour ses besoins ;

         - d’autre part, par la suite, ce porteur peut être reproduit en d’autres exemplaires pour un coût modique, puisqu’il pourra être réalisé par des étudiants de l’IPHCM eux-mêmes.

Les relations avec tous les participants au projet sont agréables, des liens amicaux ont été noués avec le personnel enseignant et qui dépassent ainsi le cadre strict du travail.

 

6 Conclusions

 

·     Encadrement des étudiants

Les étudiants impliqués au projet sont fortement motivés et ont su acquérir et maîtriser très rapidement des nouvelles techniques non enseignées dans leur cursus scolaire  pour fournir un travail apprécié des enseignants.

·     Formation des enseignants 

Les enseignants et participants au projet sont très motivés et ont su d’une part s’adapter rapidement aux nouvelles technologies et d’autre part encadrer les étudiants de manière efficace, malgré l’absence de moyens.

·     Autonomie acquise par le partenaire local,

Dès l’achèvement du projet, le partenaire local devient tout à fait autonome, et est capable de poursuivre le développement des activités nouvelles dans le domaine.

·     Mécanisme de suivi et de capitalisation envisagé.

 Le Département Aérotechnique de l’IPHCM envisage de développer une nouvelle filière (Avionique embarquée), ce qui permettra de compléter la formation des étudiants de l’IPHCM. Le démonstrateur ainsi réalisé servira de support très utile pour les enseignants et les futurs étudiants du Département.

Par ailleurs, les responsables locaux ont prévu d’utiliser l’expérience acquise par cette réalisation pour poursuivre d’autres projets basés sur l’emploi de ce moyen.

·     Principaux enseignements retirés par l’association de l’expérience de ce projet notamment en matière d’impact.

La réalisation de ce projet dans de bonnes conditions a été possible grâce à des relations privilégiées entre les différents partenaires 

L’implication d’acteurs issus de l’immigration est un facteur très favorable pour la transmission du savoir.

·      Recommandations et perspectives pour « l’après projet ».

L’emploi d’un outil expérimental comme ce démonstrateur de mini-drone est un support permettant de développer des études à caractère pluridisciplinaire, notamment des études de type systèmes.

Ce moyen peut intéresser également d’autres Universités du VIET-NAM.

Il importe de promouvoir et de développer ce genre de moyen d’équipement de laboratoire pour d’autres Universités du VIET-NAM pour plusieurs raisons:

° Il est essentiel d’associer les enseignements théoriques par des expérimentations de laboratoire; cela permettra aux enseignants et aux étudiants d’acquérir une expérience de réalisation concrète, indispensable pour la formation de futurs ingénieurs.

° La réalisation expérimentale d’un tel moyen est un motif de forte motivation des étudiants.

 

                Annexe  lllustrations de la réalisation du démonstrateur de mini-drone  

 

                                            

 

              Banc de rotation 3 D portant les équipements (IMU, transceiver Xbee, alimentation)           

                    

         Centrale inertielle (dim 25,4x24,4x 3mm)
               
                                                                   
                       Radio command

   

            

 Modèle d’avion réduit complet – Porteur A      Avionique embarquée (partie)

     

                               

Batterie LiPo – Contrôleur de vitesse de rotation     Ensemble avion et poste de contrôle-sol         

 De l’hélice (collé sur le côté du fuselage)                  Participants du projet et étudiants (1)          

     

                              

Ensemble avion et poste de contrôle-sol                    Porteur A (à gauche) et porteur B (à droite,

    Participants du projet et étudiants (2)                            non utilisé) Participants du projet

 

Vues sur l’écran du poste de contrôle au sol (Portable PC):

 

i) images vidéos provenant de la caméra embarquée (non représentées ici),

ii) trajectoire réelle de l’avion provenant du récepteur GPS embarqué,

iii) trajectoire réelle de l’avion et paramètres  de vol de l’avion

 

Exemple de vue d’une portion  de la trajectoire réelle de l’avion et de quelques paramètres de l’avion  sur l’écran  du poste de contrôle au sol  (écran PC)

 

 

 

 

Exemple de vue de la trajectoire réelle de l’avion  en  trois dimensions  sur l’écran  du poste de contrôle au sol  ( écran PC)

 

 

Vue de la trajectoire réelle de l’avion  provenant du récepteur GPS   sur l’écran  du poste de contrôle au sol  ( écran PC)

 

 

                                                            FIN