L’optimétre et les drones

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Partenaire depuis quelques mois maintenant avec Fpv Passion, nous vous proposons un article rédigé par notre Fréd Giacomaggi.Le sujet de cette semaine, la technologie « Optimétre ».


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L’Optimaître des multirotors et le FPV Racing


Vous l’avez peut-être vu, FPV-Passion était à Eurosatory. Il est probable que vous vous soyez interrogés sur notre présence à un salon basé sur l’armement et la défense. Tout d’abord, les acteurs les plus importants du multirotor et des UAV y était. Mais aussi tous les ingénieurs, valideurs de projet, concepteurs de machines volantes aux milles fonctions et qui peuvent avoir un rapport avec l’armée y étaient aussi. Que ce soit pour larguer du matériel, envoyer une flotte de multirotors, quadriller une zone, surveiller un terrain… Tout ce qui vole de façon autonome intéresse les forces armées. Nous avons croisé bien des engins volants et le multirotors en vogue actuellement est un tricoptère allié à une aile volante. Voici deux autres machines :

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Un dualcopter basé sur une carte mutiwii :

Eznov développe cet UAV dans lequel on glisse un smartphone et qui fera une reconnaissance de zone en la décomposant en photographies, nous en reparlerons en détails dans un prochain article :

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Mais ce qui nous a amené à Eurosatory, c’est avant tout le projet OptiMètre. Un concept basé sur un système de guidage des multis sans GPS. Extrêmement précis et très simple, ce qui est croyez-moi sa plus grande qualité. Encore une fois, vous vous interrogez mais cette fois sur le rapport avec le FPV Racing. Il y en a un, vous verrez. Mais d’abord il faut que je vous explique le concept. Procédons ainsi :

  1. L’histoire du concept
  2. Le principe de base
  3. Les applications commerciales
  4. Application au FPV Racing

L’histoire d’une idée : la règle optique

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Le LMS 400

Première étape

Plusieurs systèmes ont été créés pour mesurer les distances d’un bâtiment ou d’un objet avec une photo. Un tel système, qu’il soit purement numérique ou associé à une photographie argentique, ou même à base de pixels, serait un peu le graal pour bien des corps de métier. J’ai vu en action un appareil destiné à mesurer la taille des animaux qui fonctionnait avec un laser mais ne donnait pas toujours des résultats précis. Il ne fonctionnait que si l’animal était dans une certaine position. Plus tard d’autres dispositifs comme le LMS400 sont arrivés sur le marché, il utilise des lasers pour mesurer les dimensions et les contours d’un objet, même s’il est en mouvement. Que ce soit pour mesurer une façade, un objet ou un animal à partir d’une photo, les solutions comme l’utilisation des pixels sont nombreuses mais ont toutes des inconvénients.

Une solution de mesure à distance possède de nombreuses applications et débouchés. Dans les années 70, Francis Bretaudeau le créateur d‘OptiMètre, s’est penché sur la question. Il voulait créer un outil pour mesurer les façades par exemple.

Lorsqu’on crée un concept, il faut toujours aller au plus simple. Les solutions alambiquées ne sont pas forcément les meilleures. Facilité d’utilisation, de mise en place et d’intégration sont les maîtres mots d’un système réussi. Or, qu’y a t-il de plus simple et de plus fiable qu’une technologie basée sur une propriété physique, en l’occurrence optique ?

Je vous ai préparé ce magnifique schéma, représentatif de mon immense maîtrise des logiciels de traitement d’image. Il a au moins le mérite d’être clair :

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Le flash de l’appareil se reflète sur les CD, positionnés sur l’immeuble

En mesurant la distance entre les surfaces réfléchissantes, on obtient la distance entre elles, à l’échelle et exprimée en millimètres. Cela fonctionne aussi si vous n’êtes pas parfaitement en face et que l’angle n’est pas trop prononcé. Un logiciel dédié permet d’obtenir les résultats, mis au point par Francis et son équipe. L’inventeur de ce système vous explique sa règle optique :

 » C’est adapté pour faire des mesures sur une surface plane, et ça évite d’avoir à mettre en œuvre une ou deux échelles, ou d’autres équipements pour réaliser ce genre de mesures. On a développé un logiciel permettant de dessiner des formes sur la photo et d’avoir directement les mesures en mm « .

Là, vous commencer sérieusement à vous demander où est le rapport avec les le FPV Racing ( Mouhahahaha ! ).

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Etape 2

Lentille de Fresnel et lentille classique

En développant ce concept, on peut imaginer un nouvel usage et d’autres applications. Il suffit d’ajouter à l’équation un composant secret et une lentille de Fresnel afin d’obtenir des mires. Un dispositif simple, basé sur une propriété optique obtenue avec une source lumineuse : une rétroprojection associée à une lentille de Fresnel.   Je ne peux pas vous dévoiler le fonctionnement complet pour des raisons évidentes. Bien que le brevet ait été déposé, restons prudent.

Principe de base

En plaçant un composant et en l’associant à la lentille de Fresnel puis en encastrant le tout dans une caisse ou dans des boites de formes différentes, on obtient une ligne lumineuse qui bouge selon l’endroit d’où vous la regardez.

En ajoutant un second dispositif identique que l’on place à gauche ou à droite, sur le même plan horizontal ou vertical, on obtient donc deux droites. Si on les prolonge, elles se croisent en formant un angle à x degrés. Les LED que vous voyez servent à encoder et le numéro des mires. Ainsi, l’ordinateur embarqué possède tout le nécessaire pour :  » déterminer instantanément la localisation ( coordonnées  x,y,z classiques ) et l’orientation de la caméra ( équivalent du lacet, roulis, tangage). On obtient ainsi une localisation 6D « , nous explique le concepteur de ce système. Deux mires suffisent à localiser une coordonnée. Avec toute une série, on peut tracer des routes virtuelles.

Un système simple

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On obtient ainsi un référentiel partiel

Nous sommes désormais en présence d’un système avec 4 éléments :

  1. Le multi et sa carte de vol ( Pixhawk )
  2. les mires
  3. La caméra ou l’œil humain
  4. Un mini PC ( NUC )

Ce principe s’applique aussi bien à un UAV qu’à un pilote de racer. Dans ce dernier cas la caméra et l’ordinateur sont alors ôtés de l’équation. Il ne reste que les mires et les yeux du pilote. nous y reviendrons pour découvrir quelles usages nous pourrions appliquer en FPV Racing ou simplement au vol en immersion.

Application principale : le guidage sans GPS

En combinant une caméra avec les mires et en insérant un logiciel, le multirotors peut se repérer sans l’aide du GPS. On place une série de mires si on veut guider l’UAV dans un couloir. Les mires peuvent se placer sur un plan horizontal ou diriger les deux droites rouges vers le ciel, sur un plan vertical. Afin de travailler en hauteur.

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Pour obtenir la 3 eme dimension, le multirotors doit connaître la position de la mire et cela est possible grâce à une série de points lumineux qui font penser à un flashcode. Vous les voyez à l’image, ils servent à renseigner l’ordinateur sur le numéro de la mire.

Le PC sait où sont les mires par rapport à un repère commun : pour illustrer, on va rentrer les coordonnées des différentes mires en mémoire. Par exemple dans un bâtiment on va entrer les coordonnées en mètres.  X,y pour le sol et z pour la hauteur.  Par exemple :

  • Mire 1 : coordonnées X=0, Y=0, Z =2 m
  • Mire 4 : coordonnées X=20 m, Y=3m, Z =2,2 m etc…

Travail sur le plan vertical

Travail sur le plan vertical

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Guider un UAV dans un bâtiment ou récupérer une flotte de drones.

Le projet de porte-drones est dans une phase très préliminaire de développement... (Crédits photo: DARPA)

Projet de d’avion porte drones, ici

Le drone français DVF 2000 à l'issu d'un vol dans le filet de l'aviso Commandant Bouan.

Récupération d’un drone avec un filet.

Est désormais possible. On peut utiliser le système seul ou en complément du signal GPS. Cela ouvre des possibilités très larges et il n’y aps que l’industrie des drones qui est concernée. Pour atterrir en plein brouillard, récupérer un multi sur un porte avion plutôt que dans un filet comme ça se fait actuellement…

Bien des procédures existent pour déployer des flottes d’UAV mais rien n’existe pour les récupérer ! L’armée développe des machines à bas couts afin de les abandonner après la mission. Je suis candidat pour aller tous les chercher, moi !

Quoiqu’il en soit, une solution pour qu’un UAV puisse repérer dans un endroit clos est très prometteuse. La dépendance aux satellites est une contrainte autant qu’une solution.

J’imagine que les compagnies aériennes et les industries aéronautiques et de défense seront intéressées… La preuve :

 Francis avec un représentant d’un grand groupe aéronautique et de défense »

Francis avec un représentant d’un grand groupe aéronautique et de défense »

Application tierce : le FPV Racing

On en arrive à la partie qui nous intéresse plus : le FPV racing et ce que peut apporter le système Optimetre au vol en immersion et au FPV Racing.

Cette fois, oubliez la caméra. Remplacez la par votre œil. En arrivant près des mires, selon votre hauteur, vous verrez les deux lignes plus ou moins inclinées. Plus leur angle est obtu par rapport au sol, plus vous êtes haut. En baissant les gaz, vous perdrez de l’altitude et les lignes rouges  » s’applatiront « . Lorsqu’elles se rejoindront, vous serez à la bonne altitude pour passer la porte !

C’est donc une indication visuelle aussi simple qu’efficace. L’intérêt est multiple mais le premier qui me vient à l’esprit, c’est celui de l’apprentissage.

Imaginez maintenant une gate de 40 cm de hauteur. Pour la franchir, cela va être très difficile. Une aide serait la bienvenue ! Telles quelles, les mires d’Optimetre peuvent vous y aider. Il suffit d’en placer deux devant chaque gate et en observant le comportement des lignes rouges, vous saurez si vous volez trop haut ou trop bas.

Exemple didactique

Un pilote débutant pourra profiter de ce système pour apprendre à gérer ses gaz, son altitude ou à retrouver son assiette. Pour un pilote plus aguerri, les mires pourraient servir lors d’une course avec des obstacles étroits. Pour du super low riding.

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Réalité augmentée

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Gates incrustées dans la vidéo

Walkera propose déjà un jeu vidéo basé sur l’incrustation d’images 3D et le GPS dans lequel il faut passer des portes virtuelles avec son multirotors. Je vous en parlais ici.
On peut incruster dans les lunettes les lignes rouges des mires qui servent à visualiser la hauteur de vol. La vidéo serait alors un atout supplémentaire qu’on pourrait lier à l’OSD.

Tout reste à imaginer et il est parfois plus difficile de définir tous les champs d’applications d’un concept que de le créer.

L’autre possibilité : les courses de nuit.

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Du bruit à droite, pas à gauche

Actuellement nos caméras analogiques gèrent très la basse luminosité. Mais le numérique arrive à grand pas et nous volerons un jour en HD. Les basses lumières seront alors un vrai problème car seul les capteurs de grande taille ( 24 x 36 mm ), avec un nombre de pixels limités, savent gérer le bruit numérique. C’est à dire le moutonnement que vous observez quand vous faîtes une photo dans l’obscurité avec votre smartphone.

Les vols de nuit numériques pourraient bien avoir besoin d’un système secondaire pour que l’image ne soit pas trop polluée par le bruit. Les mires d’optimetre seraient la solution sous la forme de couloirs incrustés dans l’image.

La HD n’a pas que des avantages ! Faites une photo ce soir dans une pièce peu éclairée avec votre téléphone et vous comprendrez.

De multiples applications

Qu’il s’agisse d’UAV, de course, d’armée, d’industrie… La simplicité de mise en place et la fiabilité des mires d’optimetre augurent d’un bel avenir.

S’affranchir du GPS n’est pas chose aisée et les systèmes actuels comme la motion capture qui nécessite beaucoup de matériel ou les solutions alternatives comme l’ultra White band sont complexes à mettre en œuvre. Comme je vous le disais, rien ne vaut la simplicité.

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Photo - Google Photos - Mozilla Firefox_2016-06-23_11-27-07robot-litis-fr_FR-14234Un grand merci à Frédéric pour cet article et son partage.

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