Etat de l’art
L’état de l’art dans le contrôle des quad-rotors a changé drastiquement durant les années précédentes. Un très grand nombre de projets traitant se problème ont vu le jour et ont soudainement augmentés. Et on peut maintenant considérer qu’ils sont pour la plupart basés sur des jouets commerciaux modifiés pour avoir plus de capteurs et plus de capacités de communication.
Plusieurs instituts de recherches sont en train d’activement étudier et développer de nouveaux véhicules aériens, réduisant leur taille et leur poids tout en augmentant leur performance, et en leur ajoutant plus de fonctionnalités comme par exemple le Harvard Micro-roboticsLaboratory aux USA [6] et le laboratoire des systèmes autonomes à ETH de Zurich en Suisse [7]. Aussi de nombreuses agences et compagnies jouent un rôle important dans la fabrication et le développement des UAVs comme par exemple la DARPA (Defence Advanced ResearchProjects Agency) aux USA [8], Proxdynamics en Novège, et Syma aux USA. On peut citer les plus importants projets de construction de quadrotors comme :
• Stanford « Mesicopter » : Une équipe de l’Université de Stanford a travaillé sur la conception et le design d’un mesicopter a quatre rotors de l’échelle centimétrique en utilisant les techniques de fabrication des micros circuits. Ce travail a été financé par la NASA. La contrainte principale de fabrication d’un aéronef d’une telle taille était qu’à cette échelle l’air devenait un milieu très visqueux, ou comme on le dit par les termes aérodynamiques, un mesicopter avait un nombre de Reynolds très bas. Malheureusement la conception des hélices n’a pas atteint le taux d’efficacité désiré et le Mesicopter n’a jamais pu porter le poids de sa propre source d’énergie.
• Le MD4-200 : c’est l’un des meilleurs quadrotors compact et la faible vitesse de rotation de ces hélices qui lui confère une grande discrétion. Il pèse moins d’un kilo, bénéficie d’un temps de vol de 30 minutes et peut soulever une charge de 200 grammes. Sa hauteur de fond les 1000 mètres.
Actuellement plusieurs quadrotors sont sur le marché comme le DJI Phantom (Figure 10) et le Parrot AR Drone. Cette nouvelle génération de drones n’est pas chère et très légère.
Ainsi ces avancées ont été accomplies grâce au travail de chercheurs de renommée internationale comme Pounds et al. Qui ont présentés l’analyse fondamentale de la dynamique Introduction aux UAVs de sa catégorie, par son format et les approches du contrôle à travers la conception d’un quadrotor de 4 kg capable de porter une charge utile de 1 kg. [9]
Bouabdallah et Siegwart ont obtenus des résultats impressionnants dans le contrôle et l’estimation de l’état avec une plateforme quadcopter et une station de base terrienne. Les images était envoyées vers la station terrienne, puis elles étaient traitées et les commandes transmises à nouveau vers le qudrotor à travers un lien de communication radio [10].
De plus récents cas d’usage de quadrotors pour des applications civiles se sont déroulés quand un Tsunami a frapper la centrale nucléaire de Fukushima au Japon le 11 Mars 2011. Due à la situation très dangereuse et aux radiations autour de la centrale, Tokyo Electric Power (TEPCO) a utilisé un micro-drone de fabrication américaine afin de prendre des photos aériennes de la zone touchée [11].
Et actuellement les universités et le centres de recherche ont commencé à utiliser ces quadrotors comme une plateforme expérimentale dans différents projets de recherche comme la surveillance et la navigation autonome [12], l’interaction homme-machine [13], et aussi comme assistance sportive en fournissant aux athlètes une imagerie externe de leurs entrainements [14].
Concept
Le quadrotor consiste en un châssis principale ayant quatre bras connectés centralement entre eux et de quatre moteurs brushless attachés au bout de chaque bras. Quatre rotor/hélices sont fixés sur chaque moteur. Les quatre rotors avec angle fixe représentent un pas fixe pour générer une force équivalente au bout de chaque bras afin de soulever le poids du châssis et de la charge utile. Tous les moteurs sont rattachés à des contrôleurs électroniques de vitesse afin de contrôler la vitesse de chacun d’eux. Les contrôleurs électroniques de vitesse sont connectés entre eux en parallèle à la carte de distribution de puissance. Une batterie est utilisée comme source d’énergie et la rotation des hélices est contrôlée par la télécommande radio.
Principe de fonctionnement
L’ensemble des moteurs de distribution de puissance reçoit l’alimentation de la batterie. Ainsi la carte distribue la puissance de façon égale aux quatre contrôleurs électroniques de vitesse et arrivent finalement sur chaque moteur. Les accéléromètres vont mesurer l’angle du quadrotor sur les axes X, Y, et Z puis ils vont de cette façon ajuster le nombre de rotation par minute (RPM) de chaque moteur afin de se stabiliser.
La stabilité est obtenue en réglant la direct sens opposé au sens des aiguilles d’une montre et l’autre couple au sens inverse des aiguilles d’une montre ce qui va annuler le moment et les effets gyroscopiques.
En utilisant ce principe on pourra ajuster la vit lacet, tangage et roulis désiré. Le nombre de rotation par minute (RPM) de l’arbre moteur est une fonction du voltage fournit au moteur. Le roulis et le tangage peuvent être contrôlés en variant la vitesse du moteur approprié, tandis que le contrôle du lacet se fait en équilibrant correctement les quatre moteurs qui résulte du changement du moment et de la force appliquée pour tourner dans la bonne direction.
Le contrôle du quadrotor implique quatre états différents sont connectés en parallèle avec les autres moteurs. La carte . direction de rotation d’un couple de moteurs de vitesse de chaque moteur afin d’obtenir le :
• Mouvement ascendant (Axe Z): en tant que force de levage et est générée par la poussée produite par les quatre hélices qui tournent à la même vitesse.
• Mouvement de lacet (Axe d’un ensemble approprié de moteurs. En générant un couple de force de deux moteurs voisins, on peut obtenir le lacet.
• Mouvement de tangage (Axe couple de force d’un ensemble de moteurs (moteur avant et arrière).
• Mouvement de roulis (Axe couple de force d’un ensemble de moteurs dans la direction opposée au mouvement (moteurs du côté droit et gauche) .
Le signal d’entrée et généré et transmis par la télécommande radio et reçu par le récepteur sur la carte de contrôle. Les microcontrôleurs décodent les données du signal d’entrée reçu et exécutent les actions appropriée consiste en un accéléromètre et un gyroscope de trois axes stabilise et équilibre le châssis du quadrotor. Selon le signal reçu de la télécommande radio, le processeur contrôle la puissance et le voltage de la batterie pour chaque contrôleur électronique de vitesse via la carte de distribution de puissance. Un mouvement directionnel peut être obtenu en diminuant le voltage du moteur avant et en augmentant le voltage du moteur arrière. Le mouvement de lacet est obtenu par la réduction du voltage du moteur qui tourne vers l’intérieur, et en augmentant le voltage du moteur qui tourne vers l’extérieur.
Les composants
Microcontrôleur
Le microcontrôleur consiste généralement en un gyroscope et un accéléromètre de trois axes. L’accéléromètre est un dispositif qui mesure les forces d’accélération. Le gyroscope est un dispositif utilisé principalement pour la navigation et la mesure de la vélocité angulaire. Le gyroscope à trois axes est souvent implémenté avec l’accéléromètre à trois axes pour obtenir un système de suivi de mouvement de 6 degrés de liberté (Degree of Freedom).
Moteurs
Les moteurs brushless sont beaucoup plus avantageux comparés au moteurs brushed, aux moteurs de force et aux servo moteurs car ils sont plus efficaces, plus fiables, ont une plus grande durée de vie, ont plus de puissance, ont un facteur de bruit réduit, ne font pas d’étincelles ionisantes du commutateur, et ont une réduction de l’interface électromagnétique.
Les moteurs utilisés doivent être identiques car même si une paire de moteurs sont de la même marque, du même modèle et de la même production, leur vitesse peut varier légèrement, et c’est là où le contrôleur de vol joue son rôle.
Hélices
Les hélices sont utilisées pour générer une force aérodynamique de poussée. Une paire qui tourne au sens des aiguilles d’une montre et une autre paire qui tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre annulent l’effet gyroscopique de chaque moteur.
La poussée générée par une hélice dépend de la densité de l’air, du nombre de rotations par minute (RPM), du diamètre, de la forme et de la surface de la lame et de son pas.
L’efficacité d’une hélice dépend de l’angle d’attaque et du ratio de la puissance de sortie sur la puissance d’entrée. La plupart des hélices bien conçues ont une efficacité de plus de 80%.
L’angle d’attaque est affecté par la vélocité relative, donc une hélice aura une efficience différente à une vitesse de moteur différente.
Contrôleur électronique de vitesse
Un contrôleur électronique de vitesse est un circuit électronique utilisé pour varier la vitesse d’un moteur électrique et il sert aussi comme frein dynamique du système. L’ESC contrôle le moteur brushless en convertissant le courant continu provenant de la batterie en un courant triphasé alternatif. L’ESC doit gérer le courant maximum que le moteur peut consommer, et pouvoir l’alimenter au bon voltage.
Batterie
Les batteries Lithium Polymère (LiPo) sont les plus fréquemment utilisées à cause de leur poids léger, leur densité d’énergie, leur longue autonomie et la possibilité de les recharger. La capacité d’une batterie est mesuré en Ampère-heure (Ah) et varient pour les drones de taille moyenne entre 2 à 3 Ah. Plus grande est la capacité, plus long sera le temps de vol.
Télécommande radio
Un système de contrôle radio a besoin d’un transmetteur et d’un récepteur. Il est utilisé pour plusieurs raisons comme l’atterrissage.
Pour un UAV on a besoin au minimum de quatre canaux. Ces canaux sont associés généralement aux mouvements de Le contrôle par Wifi se fait par util Smartphone. Le Wifi peut prendre en charge la transmission de données ainsi que la transmission des images, mais il est beaucoup plus difficile de le régler et de l’implémenter.
Comme c’est le cas avec tous les transmetteur.
Quant avec le contrôle par fréquence radio on peut envoyer des données depuis un ordinateur ou un microcontrôleur vers le drone en utilisant un transmetteur
Conclusion
Dans ce chapitre nous avons présenté l’historique ainsi que l’état de l’art des systèmes aériens autonomes pour ensuite citer les différents composants standards d’un drone et ses caractéristiques.
Inspection des infrastructures
Problématique
L’inspection sur terrain des infrastructures réseau est un aspect critique pour l’optimisation et le maintien de la qualité et de l’intégrité des services fournis par un opérateur.
Actuellement, ces inspections sont faites exclusivement par les humains et de telles inspections prennent beaucoup de temps, sont chères, sont potentiellement dangereux, sont sujets à l’erreur humaine, sont perturbants pour le voisinage de l’infrastructure, et manquent de rapidité de réaction en cas de scénario catastrophe.
Alors comment pourrais-t-on éliminer les problèmes rencontrés lors des opérations actuelles d’inspection des infrastructures de télécommunications, et à la fois optimiser ces opérations ?
Notre travail décrit un mécanisme d’inspection pour les infrastructures de télécommunications basé sur l’exploitation de drones autonomes ou bien contrôlés a distances par Radio Commande avec la capacité d’exécuter des opérations d’inspection complexes dans des régions et à des hauteurs difficiles à atteindre.
Problèmes rencontrés
La gestion des infrastructures du réseau requiert une inspection régulière des aspects physiques comme les tours, les mâts, les transmetteurs, etc. qui se situent sur le terrain. De telles inspections sont des opérations importantes pour le déploiement, l’exploitation, la maintenance et l’expansion des infrastructures du réseau. Les majeures parties de telles inspections sont exécutés par les humains, ce qui relève les problèmes suivants :
• Opérations lentes et couteuses : Les inspections pour identifier les causes principales des pannes requièrent l’utilisation de véhicules ou bien d’hélicoptères dirigés par des équipes composés de plusieurs personnes. Le cout pour déterminer la cause de la panne revient plus cher que la réparation de la panne. La logistique et la coordination requise afin de réparer une panne peut facilement prendre plusieurs heures et couter des milliers d’euros. La réparation des pannes est souvent de nature sensible au temps, et chaque heure d’une panne non réparé causé par le temps de réponse lent de l’être humain peut couter des milliers d’euros et entrainer l’insatisfaction du client. Les pannes qui sont réparées manuellement peuvent aussi accaparer la main d’oeuvre disponible et ralentir les opérations de déploiements courantes ce qui entraine des couts de main d’oeuvre plus élevés.
• Risques potentiels : La hauteur (de 15 à 300 mètres) des tours et les équipements en état de marche qui sont inspectés sont une source de danger pour le personnel. Le taux de mortalité ainsi que les risques de blessures du aux chutes et aux brulures est haut. A côté du risque pour le personnel exécutant l’inspection, il y a aussi un risque pour le public environnant.
• Sujet à une évaluation erronée : Les opérations d’inspection exécutés par les humains sont sujets aux erreurs à cause de plusieurs raisons comme les conditions météorologiques (vent, chaleur, froid, neige, etc.) et les structures qui requièrent des inspections rapides et superficiels, etc.
• Impacte perturbant pour les clients ou les habitants du voisinage de la zone de l’opération : Hélicoptères, camions, équipes, et barrages routiers ont un significatif impact négatif sur la communauté habitant la zone où l’inspection prend place.
L’efficacité ou la fréquence des inspections peut résulter en des visites répétés autour des propriétaires des résidences. Les infrastructures situées sur le toit des habitations requièrent que les ingénieurs se rendent sur le toit. Un tel accès aux infrastructures qui implique de traverser la propriété privé, a besoin d’une coordination entre le propriétaire de la résidence et l’opérateur.
Objectifs de l’audit
Contrôle de qualité : Durant l’opération, ou avant l’acquisition des informations sur l’état d’une infrastructure, les composants de l’infrastructure tel qu’un mât, une tour, ou un transmetteur sont inspectés par l’opérateur afin de prévenir les éventuels problèmes, accidents et pannes futures.
Identification et réparation des pannes : Les incidents, les désastres, le mauvais temps, et les problèmes d’installation et de maintenance peuvent causer des pannes. Quand un incident survient, l’infrastructure réseau doit être auditée afin de repérer l’endroit exact, l’échelle, et la source de la panne afin de déterminer la solution qui convient.
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Table des matières
Remerciements
Résumé
Abréviations
Table des matières
Liste des Tableaux
Liste des Figures
Introduction Générale
Chapitre 1 Introduction aux réseaux cellulaires
1.1 Introduction
1.2 Evolution des systèmes Cellulaires
1.3 Les différentes normes de communications mobiles
1.3.1 La première génération (1G)
1.3.2 La deuxième génération (2G)
1.3.2.1 Les caractéristiques du réseau GSM
1.3.2.2 Architecture du réseau GSM
1.3.2.2.1 Sous-système radio (BSS)
1.3.2.2.2 Sous-système réseau (NSS)
1.3.2.2.3 Sous-système de maintenance
1.3.3 Le GPRS (2.5G)
1.3.4 La troisième Génération (3G)
1.3.5 La quatrième génération (4G)
1.4 Conclusion
Chapitre 2 Introduction aux UAVs
2.1. Introduction
2.2. Historique
2.2.1. Ohemichen (1920)
2.2.2. Hélicoptère de Bothezat
2.2.3. Quadrotor Model A de Concertawings (1956)
2.2.4. Curtiss-Wright VZ-7 (1958)
2.3. Etat de l’art
2.4. Concept
2.5. Principe de fonctionnement
2.6. Les composants
2.6.1. Microcontrôleur
2.6.2. Moteurs
2.6.3. Hélices
2.6.4. Contrôleur électronique de vitesse
2.6.5. Batterie
2.6.6. Télécommande radio
2.7. Conclusion
Chapitre 3 Inspection des infrastructures de Télécommunications
3.1. Problématique
3.2. Problèmes rencontrés
3.3. Objectifs de l’audit
3.4. Exploitation des drones
3.4.1. Design et construction du châssis
3.4.1.1. Les composants
3.4.2. Méthodologie d’assemblage
3.4.2.1. Outils utilisés pour l’assemblage
3.4.2.2. Assemblage hors-châssis
3.4.2.3. Assemblage complet avec les composants électroniques
3.4.2.4. Installation et configuration de la station de base
3.5. Vols d’essaies
3.7. Conclusion
Chapitre 4 Illustration d’une intervention en cas réel
4.1. Introduction
4.2. L’optimisation radio
4.3. Concept de l’optimisation radio
4.4. Processus d’optimisation radio du réseau
4.4.1. Pré-analyse
4.4.2. Analyse des plaintes des abonnées
4.4.3. Collecte / analyse des statistiques OMC-R ou bien analyse des KPIs
4.4.4. Collecte / analyse des mesures de drive test
4.4.5. Proposition / implémentation du changement
4.5. Evaluation de la performance
4.6. Opération d’optimisation radio
4.6.1. Déclenchement du drive test
4.6.2. Analyse du drive test
4.6.3. Déclenchement de l’opération d’audit
4.6.4. Diagnostique de l’opération d’audit
4.7. Conclusion
Conclusion Générale
Bibliographie
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