Simulation et implémentation d'accostage autonome de multicoptère sur paroi verticale

De nombreuses structures telles que les éoliennes, les lignes électriques, les barrages ou les ponts sont particulièrement difficiles d'accès pour l'homme et doivent pourtant régulièrement être inspectées et entretenues. Pour économiser le temps nécessaire aux techniciens pour accéder aux zones d'intérêt, des solutions faisant appel à des véhicules aériens sans pilotes (UAV) sont utilisées. Cependant, ces véhicules sont d'avantage dédiés à l'inspection et la surveillance, et leur emploi pour des tâches d'entretien n'en est qu'à son balbutiement. Afin de contribuer à la démocratisation des manipulateurs aériens dédiés à l'entretien d'infrastructures, ce mémoire propose un environnement virtuel pour simuler l'accostage de drones à des parois verticales. Une stratégie d'accostage autonome y est développée et validée expérimentalement. L'accostage est une solution proposée depuis peu pour remédier aux problèmes d'autonomie des drones, et aux limitations des performances du manipulateur embarqué. En effet, une fois le véhicule solidement accroché à la structure, il peut éteindre ses moteurs et son manipulateur devient capable d'effectuer des tâches d'intensité plus importante et de manière plus précise. Pour mener à bien la réalisation et la validation de la simulation d'une telle manœuvre, un véhicule de démonstration ainsi que son système d'attache, pour se fixer à une surface verticale, sont conçus. La méthode pour modéliser l'accostage consiste à modifier un environnement de simulation existant et à y implémenter un code qui décrit le comportement du dispositif d'accrochage. Pour démontrer l'efficacité de cette simulation une stratégie d'accostage autonome est élaborée dans l'environnement virtuel puis exécutée expérimentalement. Cette stratégie doit permettre d'accoster automatiquement un drone mutlirotors à une surface verticale. On suppose qu'un pilote place approximativement le drone face à une zone d'accostage possédant un faible rayon de courbure. La surface doit aussi être suffisamment large pour permettre au véhicule d'accoster facilement malgré les imprécisions de son système de positionnement GPS. Le drone effectue ensuite seul l'approche finale, l'accroche de son système d'accostage à la paroi, l'atterrissage et l'arrêt des moteurs.

Abstract

Many structures such as wind turbines, power lines, dams or bridges are particularly difficult for humans to access and yet need to be regularly inspected and maintained. To save the time needed for rope access technicians to reach the areas of interest, solutions using Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are employed. However, these vehicles are more dedicated to inspection and surveillance, and their deployment for maintenance tasks is still in its infancy. In order to contribute to the democratization of aerial manipulators dedicated to infrastructure maintenance, this thesis proposes a virtual environment to simulate the perching of UAVs on vertical walls. An autonomous perching strategy is developed within the simulation and experimentally validated. Perching is a newly proposed solution to increase the operating time of UAVs, and to improve the performance of the onboard manipulator. Once the vehicle is firmly attached to the structure, it can indeed turn off its motors, and its manipulator becomes able to perform tasks of greater intensity and more accurately. To carry out the realization and the validation of the simulation of such a maneuver, a demonstration vehicle as well as its attachment system, to perch itself on a vertical surface, are designed. The approach to model the perching is to modify an existing simulation environment and to implement a code that describes the behavior of the perching device. To demonstrate the effectiveness of this simulation, an autonomous perching strategy is developed in the virtual environment and then experimentally conducted. This strategy aims at automatically perching a multirotor UAV on a vertical surface. It is assumed that a pilot places the UAV approximately in front of a perching area with a small radius of curvature. The surface must also be large enough to allow the vehicle to successfully perch despite the inaccuracies of its GPS positioning system. The drone then performs on its own the final approach, the attachment of its perching system to the wall, the landing and the powering off of the motors. Once the vehicle has completed its tasks, it takes off again, detaches from the wall and hoover at a certain distance from it. The results of the experimental perching, compared to those obtained in the modeling, demonstrate the capacity of the simulation environment thus set up to allow the complete and reliable development of an autonomous perching method.