Développement d’un système de navigation INS/GPS et de stabilisation AHRS pour un Ballon Stratosphérique pour une application en Imagerie Hyper spectrale

Dans ce projet, le défi est de développer un système de navigation hybride INS/GPS pour la navigation d’un ballon stratosphérique de la compagnie Lux, et ceci pour une navigation à une altitude entre 18.5 et 23 Km. Le système de navigation en question se composera de capteurs inertiels ou d’un bloc inertiel appelé IMU (Inertial Measurement Unit) et d’un récepteur GPS ou GNSS (Global Navigation Satellite System) fusionné à l’aide d’un algorithme de fusion de capteurs appelé : Filtre de Kalman Étendu (FKE), largement répondu dans l’industrie et très fiable pour des applications de type aérospatiale. Toutefois, vu la nature de l’aéronef et les ondulations encourue à de telles altitudes de vol, le navigateur INS/GPS ou la NAVIBOARD présente un aspect critique pour le control du ballon et pour d’éventuelles phase de vols autonomes. Il devra en l’occurrence être très précis, très fiable mais aussi interfacé et gérable totalement par l’ordinateur de bord qui devra être aussi développé via une architecture optimisée pour cette application et type de vols précis. Un développement de l’algorithme de type Kalman étendu comme estimateur d’état sera nécessaire en plus d’une implémentation d’une version optimisée de l’estimateur en question afin d’estimer les états de navigation de manière quasi permanente à haute fréquence et fournir ainsi des données pertinentes au contrôleur de bord ou l’autopilote appelé ici : CONTROLBOARD. D’auBourse MITACS tres capteurs additionnels à la fusion INS/GPS seront explorés et sélectionnés comme des Baro altimètres, capteurs magnétométriques, etc. Une fois les performances de la NAVIBOARD atteintes, un autre point crucial sera de développer cette fois ci un system de stabilisation de nacelle à base de capteurs inertielles gyroscopiques, ou IMU avec algorithme AHRS (Attitude Heading Reference System) qui servira à pointer et à poursuivre (tracker) un point précis au sol afin que le capteur Hyper spectral de plus de 6 Kg puisse collecter les données d’imagerie extrêmement précises et exploitable par la suite soit en temps réel via télémétrie ou en post traitement une fois le ballon revenu au Sol au point d’atterrissage. Un algorithme de tracking du point ou de plusieurs points au sol sera développé afin de maintenir un niveau d’exploitation des données hyper spectrale à son optimum. Pour se faire, une Nacelle Gyrostabilisée sera donc développée avec une combinaison filtre de Kalman et contrôleur afin de pointer le capteur de la compagnie ABB avec une précision et une stabilité admissible tel que requis dans ces applications d’imagerie. Enfin, l’ordinateur de Bord et son architecture seront développées conjointement avec la compagnie Lux et ses partenaires du projet afin que cela s’inscrive dans les performances envisagée pour l’application d’imagerie Hyper spectrale actuelle, mais aussi que cela s’inscrive dans les visées et projets futures d’Lux envisageant des applications diverses avec différents capteurs embarqués nécessitant des ressources différentes et une gestion de capteurs embarquées complétement évolutive.

Plus spécifiquement :
Dans ce stage, le Postdoc avec son expérience et son background sur les multiples taches des trois jeunes stagiaires, aura à développer des analyses pertinentes des systèmes industriels existants et compétitifs, avec des recommandations claires et bien orientés afin d’aider les stagiaires à effecteur leurs taches respectives sur les meilleures bases. Le Postdoc sera chargé de préparer les benchtest au niveau du Laboratoire LASSENA pour chacun des sous projets objet du présent projet et challenge. Il devra aussi développer les algorithmes mathématiques, qu’ils soient de navigation (Filtres de Kalman Étendu), ou de control comme le PID ou le PID adaptatif, ou voir encore développer des techniques de mesures ou métriques pour dimensionner le Flight management computer en étant interconnecté a tous les capteurs de bord, et en assurant toutes les fonctionnalités de manière simultanée. Le Postdoc sera le chef de projet au niveau du Laboratoire LASSENA et aura certainement la charge d’optimiser le travail des stagiaires dans leurs taches respectives, il devra aussi s’assurer que le payload total, poids emporté par le ballon restera dans la limite admissible au vol stratosphérique.  En plus de ses taches, le Postdoc devra préparer une série de publications dans des magazines comme Inside GNSS, Inside Unmanned Systems, ou encore et surtout dans des journaux internationaux donnant ainsi de la visibilité au Laboratoire LASSENA mais aussi au partenaire industriel du Projet : Lux. Parmi ces journaux, et pour ne citer que les plus importants : AIAA Journal of Aerospace Information Systems, IEEE Transaction on Aerospace and Electronics, MDPI Aerospace, etc.

Connaissances requises


Programmation C, Matlab, simulation, algorithmes, navigation, systèmes embarqués

Programme d'études visé

Postdoctorat

Domaines de recherche

Aérospatiale

Financement

Bourse MITACS/LASSENA, selon l'expérience du candidat 

Autres informations

Date de début : 2020-09-01 

Partenaires impliqués : ABB et Aerolux 

Personne à contacter

René Jr Landry | renejr.landry@etsmtl.ca