Développement d’une carte de navigation, d’un système navigation INS/GPS hybride à base de filtrage de Kalman Étendu pour une navigation précise et fiable du ballon stratosphérique

Projet de maitrise en collaboration avec l'industrie dans le cadre du projet d'équipe :
Développement d’un système de navigation INS/GPS et de stabilisation AHRS pour un Ballon Stratosphérique pour de l’imagerie Hyper spectrale

D’abord, une analyse des types de capteurs de navigation inertiels et récepteur GNSS existant sera étudiée et comparés par le stagiaire. Une analyse des performances aux altitudes stipulées pour ce genre de mission entre 18.5 et 23 Km seront alors prise en compte pour sélectionner les meilleurs capteurs de navigation pouvant délivrer des données précises et fiables à ces altitudes, températures et pressions atmosphériques données avant leur intégration. Pour les capteurs inertiels, les métriques seront bien évidemment les variances d’Allan pour vérifier la stabilité à long terme des erreurs affectant les accéléromètres et gyroscopes. Ensuite, des tests en laboratoire avant hybridation seront menés de manières intensives en vue de valider définitivement le type et la catégorie de capteurs individuels INS et récepteur GPS avec le partenaire. Une fois cette tâche importante achevée, le stagiaire passera à la fusion de capteurs INS/GPS suivant des modèles d’états connus et industriellement prouvés et approuvés, en proposant des modèles d’estimation d’erreur inertielle avec 15, 17 et 19 états, pouvant fonctionner dans des conditions standard. Une fois L’algorithme de Kalman Étendu implémenté et fonctionnel, le prototype rentrera dans des phases de validation en interne dans le milieu Laboratoire avec des tests de fonctionnalités multiples afin d’en évaluer les précisions, erreurs, effets de températures sur les gyroscopes, et sur la sortie du filtre, avec la possibilité de réglage additionnel du filtre (estimateur) voir même une modification mineure du gain du filtre en une version adaptative en proposant des méthodes dites ‘’adaptive Fading’’ avec un ou plusieurs coefficients lambda. Enfin, la troisième et dernière phase, une fois le système INS/GPS fusionné validé, des tests en vol avec le partenaire industriel seront programmés pour une validation avancée en condition de vol réel et vérifier que les RMS en position et vitesse sont bien réduits, bornés et inclus dans l’ellipsoïde de confiance admissible.

Dans ce projet, et d'une façon plus générale, 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’autres 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.

Connaissances requises

Programmation, Matlab, Systèmes embarqués, Algorithme de navigation

Programme d'études visé

Maîtrise avec projet, Maîtrise avec mémoire

Domaines de recherche

Aérospatiale

Financement

Bourse de recherche MITACS/LASSENA, selon 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