Prendre la bonne décision pour éviter une collision

Le Conseil national de recherches du Canada facilite la recherche sur les techniques de détection et d’évitement afin de rendre les drones plus sûrs

Le 17 juillet 2018— Ottawa (Ontario)

Grâce aux progrès technologiques que connaissent les véhicules aériens sans pilote – plus communément appelés « drones » — l'usage de ces derniers ne se limite plus aux loisirs et à la surveillance des infrastructures, mais est élargi à d'autres applications, dont les transports et la livraison de colis. Le développement de prototypes assez petits pour se loger dans la paume de la main ou suffisamment grands pour servir de taxi aérien a fait naître le besoin pressant de solutions technologiques qui permettront aux drones de trouver plus aisément leur place dans un espace aérien déjà très encombré. Le Conseil national de recherches du Canada (CNRC) étudie, élabore et teste des technologies de détection et d'évitement qui ont justement pour but d'éviter d'éventuelles collisions entre drones et avec d'autres aéronefs.

Une nouvelle approche expérimentale grâce à un pseudo-drone

Pour qu'un drone puisse effectuer des opérations de routine hors de la vue du pilote, il est impératif de mettre au point puis de tester diverses solutions technologiques. En effet, les drones doivent pouvoir communiquer entre eux et surveiller l'espace aérien, détecter d'autres appareils et appliquer une méthode qui leur permettra de prendre des décisions intelligentes de manière à éviter les collisions. Ces fonctions de détection et d'évitement doivent demeurer opérationnelles même quand il est impossible de contrôler le drone à distance.

Les chercheurs du CNRC ont imaginé une nouvelle approche pour tester ces systèmes de détection et d'évitement : ils ont recours au simulateur un vol Bell 205. En effet, cet appareil est pourvu de commandes automatiques contrôlées par ordinateur lui permettant de fonctionner seul. Le Bell 205 du CNRC est en quelque sorte un pseudo-drone accompagné d'un pilote, prêt à prendre la relève si jamais quelque chose cloche. Ce substitut de drone présente plusieurs avantages pour les vols d'essai.

  • L'appareil peut transporter une cargaison beaucoup plus lourde qu'un drone de petite taille. Il n'est donc pas nécessaire de miniaturiser l'équipement avant de le tester en vol.
  • La présence d'un pilote permet de tester des systèmes ou de l'équipement au développement incomplet sans courir le risque de perdre le drone. Cette approche donne accès à l'espace aérien sans qu'on ait à obtenir les autorisations supplémentaires qu'exigerait l'essai d'un drone. Il est également possible d'effectuer les tests dans les vraies contraintes opérationnelles de l'espace aérien, en raison du trafic voisin, à l'aéroport international d'Ottawa. Les résultats des tests reflètent donc l'utilisation du drone dans des conditions réelles.

Essai en vol d'une technologie d'évitement novatrice

Les technologies d'évitement automatique procurent au drone l'intelligence artificielle dont il a besoin pour calculer les risques de collision avec un autre appareil et modifier sa course afin de ne pas trop s'en approcher. Pareille technologie doit pouvoir discerner une menace puis prendre une décision qui sera validée dans un laps de temps donné. Les chercheurs du CNRC ont élaboré et testé en vol un algorithme d'évitement qui recourt à un modèle dynamique pour déterminer le moment ultime auquel le drone doit changer de trajectoire afin de ne pas heurter un autre appareil.

L'algorithme en question analyse en continu les données d'un capteur, puis passe à travers une succession de décisions sur la probabilité d'une collision afin d'établir comment et quand changer de direction. Lorsqu'il détecte une menace, le drone avertit son pilote et lui indique ce qu'il ferait automatiquement advenant le cas où la communication ne pourrait être établie ou si le pilote ne peut prendre le relais, obligeant le drone à intervenir seul. L'algorithme tient compte de l'incertitude liée à la situation et utilise un arbre décisionnel pour déterminer la manœuvre la plus appropriée. Ce faisant, il est tenu de respecter les « règles de l'air » et prend en compte les limites de la maniabilité du drone. L'algorithme retarde aussi la manœuvre le plus longtemps possible, car les données du capteur gagnent en précision à mesure que l'autre appareil approche, ce qui laisse au pilote le temps de résoudre le problème au moyen de connaissances qui pourraient échapper au système automatique (les procédures ou les routes particulières à l'espace aérien local, par exemple, voire des informations sur le plan de vol de l'autre appareil ou l'établissement d'une liaison radio avec ce dernier).

En octobre 2017, après s'être dotés de moyens pour réaliser des vols où les collisions sont évitées de justesse, les chercheurs du CNRC ont mis leur algorithme à l'essai en se servant de l'hélicoptère Bell 205 comme pseudo-drone et du Mark IV de Harvard comme « intrus ». Même si les deux appareils volaient au-delà de la limite permettant d'établir visuellement le point de collision probable, l'algorithme a réussi à détecter l'intrus, à évaluer la menace et à prendre les décisions de navigation qui lui ont permis de retarder la manœuvre jusqu'à la dernière minute. L'algorithme a accompli cet exploit en respectant la « distance d'évitement » que les chercheurs avaient préétablie pour tester le mode d'évitement en autonomie totale. Les six vols d'essai ont été couronnés de succès et, selon les pilotes de l'avion jouant le rôle d'intrus, les manœuvres exécutées étaient toutes convenables.

Les chercheurs reprendront leurs vols d'essai durant l'été 2018 pour tester la technologie de nouveau, cette fois en assouplissant certaines règles de l'arbre décisionnel de manière à évaluer un scénario dans lequel l'aéronef qui s'approche sera détecté plus tard. Ils recueilleront les données physiologiques et les commentaires subjectifs des pilotes pour étudier leur réaction lorsqu'arrive un drone au comportement imprévisible. Ces essais éclaireront les chercheurs sur les implications d'un système automatique poursuivant des objectifs identiques sur le plan de la sécurité, mais qui adhère à des règles différentes. On apporte actuellement la dernière touche au prototype du système – algorithmes et caméra inclus –, au cas où des fabricants aimeraient intégrer les technologies sous-jacentes à un produit quelconque en vue de les exploiter commercialement sous licence.

Perfectionnement et validation d'une technologie de détection et d'évitement au sol

Les chercheurs du CNRC coopèrent avec Seamatica Aerospace et Drone Delivery Canada (DDC) pour tester un système radar mobile de détection et d'évitement qui scrute le ciel pour y repérer les aéronefs et avertit le pilote du drone quand il en décèle un. Un capteur au sol est parfois préférable pour certains drones et missions, par exemple quand les opérations se déroulent dans un rayon de dix kilomètres du capteur ou quand le drone n'est pas assez puissant pour avoir à son bord un système de détection et d'évitement.

Grâce à son Twin Otter de recherche, le CNRC a délibérément coupé la route d'un drone piloté par DDC pour aider Seamatica à peaufiner son logiciel de détection radar et de résolution des conflits. Les essais effectués avec le drone dans le champ visuel du pilote ont pris fin, et on a trouvé un site près d'Ottawa pour réaliser les prochains tests, hors de la visibilité directe. Ces validations terminées, le système sera déployé dans une zone expérimentale hors champ, dans le cadre de l'un des projets pilotes sur les opérations hors visibilité directe (BVLOS) de Transports Canada en vue de prouver que des marchandises peuvent être livrées en toute sécurité aux communautés éloignées du Canada.

Appuyer l'industrie et les organismes de réglementation

Le CNRC joue un rôle capital dans le développement des technologies de détection et d'évitement, non seulement en raison de l'expertise considérable qu'il cumule dans la recherche et les essais en vol, dans le domaine des capteurs et dans l'intégration des systèmes, mais aussi parce que les fabricants et les organismes de réglementation le considèrent comme un organisme impartial, digne de confiance. Depuis 2007, le CNRC participe aux efforts déployés par le Canada pour définir les règles qui régiront l'exploitation des drones en analysant les normes opérationnelles et la réglementation envisagées d'après les résultats des travaux sur les capacités et les lacunes des drones. Le CNRC a aussi contribué à faire progresser la recherche sur les drones en mettant les bandes vidéo de ses vols d'essai à la disposition du public, notamment des universités et des chercheurs qui s'intéressent aux systèmes d'évitement des collisions.

Pour en savoir plus sur le CNRC ainsi que sur ses programmes, son savoir-faire et ses installations en aérospatiale, consultez la page Web sur l'expertise du CNRC dans la recherche-développement en aérospatiale.

Documentation d'appoint

Programme Systèmes aériens civils sans pilote

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