Détection d'obstacles et prévention des collisions pour les véhicules sans pilote

La prévention des collisions désigne la capacité d’un système autonome ou télécommandé à détecter les obstacles dans son environnement et à modifier sa trajectoire pour les éviter. Il s’agit d’un concept plus large que la détection d’obstacles, qui se concentre sur l’identification des dangers potentiels, car il inclut également la prise de décision et l’exécution de manœuvres visant à prévenir les collisions.

Dans les véhicules sans pilote, notamment les drones (véhicules aériens sans pilote), les véhicules terrestres sans pilote (UGV), les véhicules de surface sans pilote (USV) et d’autres plateformes robotiques, la prévention des collisions est essentielle pour permettre une navigation autonome, garantir la réussite des missions et protéger à la fois les biens et les personnes.

Ces systèmes sont fondamentaux dans les opérations au-delà de la ligne de vue (BVLOS), où les pilotes à distance ne peuvent pas voir directement le véhicule et doivent s’appuyer sur les systèmes embarqués pour naviguer de manière sûre et efficace. Que ce soit pour la topographie aérienne, la logistique autonome ou la reconnaissance sur le champ de bataille, la prévention des collisions est une exigence incontournable dans le domaine des technologies sans pilote.

Fonctions clés : détection, évaluation et manœuvres

Système anticollision pour UAS BVLOS, Casia, de uAvionix.

La prévention des collisions implique généralement trois processus fondamentaux :

• Détection des obstacles : des capteurs tels que LiDAR, radar, capteurs à ultrasons et systèmes basés sur la vision balayent l’environnement pour identifier les objets ou le terrain à proximité.
• Évaluation des risques : l’ordinateur de bord utilise des algorithmes de vision par ordinateur ou une logique basée sur des règles pour évaluer la probabilité d’une collision en fonction de la proximité et de la trajectoire de l’objet.
• Manœuvres d’évitement : une fois qu’une menace est détectée, le système effectue un changement de trajectoire ou un ajustement de vitesse en temps réel pour éloigner le véhicule de l’obstacle.

Ces processus sont gérés par des logiciels embarqués de plus en plus sophistiqués qui permettent une prise de décision dynamique, même dans des environnements encombrés ou sans GPS.

Types de systèmes anticollision

La conception d’un système anticollision varie en fonction de la plate-forme, du cas d’utilisation et du contexte environnemental. Cependant, la plupart des systèmes se répartissent en plusieurs grandes catégories en fonction de la manière dont ils détectent et interprètent leur environnement :

Solution anticollision de Sense Aeronautics.

Systèmes basés sur des capteurs

Les conceptions basées sur des capteurs constituent la colonne vertébrale de la plupart des systèmes de prévention des obstacles. Elles peuvent inclure :

• LiDAR : offre une cartographie 3D haute résolution de l’environnement et excelle dans les scénarios en extérieur et à longue portée. Couramment utilisé dans les drones et les véhicules terrestres autonomes.
• Radar : résistant au brouillard, à la pluie et à la poussière, il convient aussi bien aux plateformes aériennes que terrestres.
• Capteurs à ultrasons : économiques et fiables pour la détection à courte portée, généralement utilisés dans les véhicules terrestres autonomes d’intérieur ou les drones volant à basse altitude.
• Capteurs infrarouges : utiles dans les environnements à faible luminosité ou à contraste thermique, souvent utilisés dans les applications de défense ou nocturnes.
• Capteurs basés sur la vision (caméras) : utilisent des caméras monoculaires, stéréoscopiques ou RVB-D pour générer des cartes de profondeur et des images de l’environnement afin d’identifier les obstacles.

Systèmes de vision par ordinateur

Les systèmes avancés de prévention des collisions utilisent la vision par ordinateur basée sur l’IA pour interpréter les données des caméras, ce qui leur permet de classer et de prédire les mouvements des obstacles. Ces algorithmes permettent aux drones de « comprendre » les scènes, en distinguant les objets statiques des objets dynamiques tels que les piétons ou les véhicules.

La navigation basée sur la vision prend également en charge le SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), essentiel pour naviguer dans des environnements inconnus. Ces systèmes sont particulièrement utiles pour les drones volant dans des zones sans GPS, des canyons urbains ou à l’intérieur.

Systèmes de fusion de capteurs

Afin d’améliorer leur robustesse, de nombreux systèmes modernes intègrent plusieurs capteurs, combinant les données LiDAR avec les flux de caméras ou les entrées radar. Cette approche de fusion des capteurs améliore la fiabilité et la précision, en particulier dans les scénarios critiques ou imprévisibles. Par exemple, un drone peut utiliser le LiDAR pour la cartographie structurelle et le radar pour maintenir la détection des obstacles dans des conditions météorologiques défavorables.

Composants d’un système anticollision

La conception d’un système anticollision fiable implique une intégration complexe d’éléments matériels et logiciels. Ces composants fonctionnent ensemble pour garantir que les systèmes sans pilote puissent naviguer en toute sécurité dans des environnements dynamiques et imprévisibles.

Capteurs

Les « yeux et les oreilles » du véhicule, qui collectent des données environnementales brutes via la détection de proximité, l’imagerie thermique ou la détection optique :

• Caméras thermiques
• Capteurs de proximité
• Capteurs à ultrasons
• Systèmes LiDAR
• Modules radar
• Capteurs infrarouges
• Caméras RVB, stéréo et de profondeur

Unité de traitement

Le moteur de calcul central qui traite les données fournies par les capteurs et prend en charge la prise de décision en temps réel :

• Processeurs et processeurs graphiques embarqués
• Processeurs IA de pointe
• Cartes de contrôle embarquées
• Unités de traitement basées sur FPGA

Logiciels et algorithmes

Couche d’intelligence qui interprète les données et détermine les stratégies de navigation à l’aide de méthodes basées sur des règles ou sur l’IA :

• Algorithmes de détection et de suivi d’objets
• Logique de planification d’itinéraire et d’ajustement de trajectoire
• Modèles de vision par ordinateur basés sur l’IA
• Cartographie environnementale et algorithmes SLAM

Interface de contrôle

Traduit les sorties logicielles en mouvements physiques ou en changements opérationnels dans le véhicule :

• Contrôleurs de moteur
• Systèmes de contrôle de vol
• Actionneurs de navigation
• Régulateurs de vitesse et de cap

Systèmes de communication

Permettent l’échange de données avec les opérateurs, d’autres systèmes ou des stations au sol à des fins de surveillance et de prise de contrôle :

• Liaisons de données RF
• Modules de communication par satellite
• Systèmes de télémétrie Wi-Fi et 5G
• Intégration d’une station de contrôle au sol

Des mécanismes de redondance et de sécurité intégrés sont souvent intégrés aux applications critiques afin d’assurer leur fonctionnement continu en cas de défaillance d’un composant, ce qui renforce la fiabilité du système anticollision dans les scénarios critiques.

Anticollision dans diverses plateformes sans pilote

Si les principes fondamentaux restent les mêmes, la mise en œuvre de l’anticollision varie considérablement selon les types de plateformes :

Systèmes aériens (UAV)

Les drones et UAV utilisent une combinaison de systèmes de vision, de LiDAR et de radar pour éviter les collisions en vol, ce qui est particulièrement important dans les opérations au-delà de la ligne de vue (BVLOS) impliquant des drones et l’évitement d’obstacles. Les drones équipés de systèmes d’évitement d’obstacles sont essentiels pour la livraison de colis, l’inspection des infrastructures et la pulvérisation agricole, car ils opèrent souvent à proximité de personnes ou de structures.

Systèmes terrestres (UGV)

Les UGV utilisent des capteurs de proximité et une cartographie en temps réel pour se déplacer dans les entrepôts, les usines ou sur des terrains accidentés. Ils doivent composer avec des objets statiques, tels que des palettes, ainsi qu’avec des obstacles dynamiques, tels que des travailleurs ou des véhicules. Les systèmes de navigation sécurisés pour les UGV privilégient la détection des obstacles à faible latence et la planification fluide des trajectoires afin de garantir une navigation sécurisée.

Systèmes de surface et maritimes (USV/UUV)

Les navires autonomes s’appuient souvent sur des radars, des sonars et des algorithmes basés sur le COLREG pour naviguer en toute sécurité sur les voies navigables. Ces systèmes évaluent le comportement des autres navires, en suivant les règles internationales de prévention des collisions tout en évitant les bouées, les quais et la faune.
Applications de la technologie de prévention des collisions
Utilisation commerciale
Les entreprises de vente au détail, de logistique et de commerce électronique utilisent des UAV et des UGV équipés de systèmes de détection d’obstacles pour automatiser la livraison et la logistique interne. Les drones équipés de systèmes de prévention des collisions réduisent les risques en milieu urbain, permettant ainsi la livraison du dernier kilomètre sans mettre en danger les piétons ou les biens.

Utilisation industrielle

Dans les entrepôts et les usines, les systèmes de prévention des collisions équipant les robots mobiles autonomes (AMR) contribuent à optimiser la manutention des matériaux et le mouvement des stocks. Sur les chantiers de construction, des UGV robustes équipés d’un système LiDAR de prévention des collisions manœuvrent en toute sécurité dans des environnements en constante évolution.

Utilisation militaire

Dans le domaine de la défense, la prévention des collisions joue un rôle essentiel dans les plateformes autonomes et semi-autonomes. Des drones ISR (renseignement, surveillance, reconnaissance) aux véhicules terrestres sans pilote, ces systèmes permettent aux unités d’opérer de manière indépendante dans des environnements contestés ou dépourvus de GPS. Les systèmes de navigation basés sur la vision et les systèmes DAA contribuent à maintenir l’intégrité des missions, même dans des conditions de guerre électronique.

Relation avec les systèmes de détection et d’évitement

Bien que étroitement liés, les systèmes de détection et d’évitement (DAA) sont spécialement conçus pour répondre aux exigences réglementaires et opérationnelles des aéronefs sans pilote volant dans un espace aérien partagé, en particulier lors d’opérations BVLOS. Les systèmes DAA intègrent une détection à plus longue portée et comprennent souvent une coordination avec d’autres systèmes de gestion du trafic aérien.

Les systèmes anticollision, en revanche, sont conçus pour éviter les obstacles à courte et moyenne portée et sont utilisés dans tous les domaines sans pilote.

Évolution des systèmes anticollision

Les systèmes anticollision permettent aux drones, aux robots et aux navires autonomes de fonctionner avec plus de sécurité, de précision et d’indépendance. En intégrant une gamme diversifiée de capteurs, allant du LiDAR et du radar aux systèmes de vision, et en les combinant avec des logiciels avancés et l’IA, les plateformes sans pilote actuelles peuvent détecter et contourner les obstacles de manière fiable.

À mesure que les systèmes sans pilote continuent d’évoluer, leurs systèmes de prévention des collisions deviendront également plus sophistiqués, tendant vers une autonomie totale dans des environnements dynamiques. Qu’il s’agisse de soutenir la livraison autonome par drone, la logistique d’entrepôt ou la surveillance de défense, la prévention des collisions restera au cœur de la croissance et de la sécurité des opérations sans pilote.