Développement d’une centrale de pointage et de stabilisation pour une nacelle dite Gyrostabilisée et qui contiendra ou comportera le capteur d’imagerie hyper spectrale composé lui-même d’un mini téles

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’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.

D'une façon plus spécifique :
D’abord, une analyse des types de capteurs de navigation inertiels et centrales IMU (Inertial Measurement Unit)-AHRS (Attitude Heading Reference System) dites : Strapdown , ou à composantes liées, existant seront étudié et comparés par le stagiaire suivant leur configuration et composante 6DOF, 9DOF et autres. Une analyse des performances de nacelles aux différents degrés de libertés avec 2 puis 3 degrés de liberté seront alors pris en compte pour sélectionner les meilleurs capteurs d’orientation et d’estimation d’attitudes pouvant délivrer des données précises et fiables au contrôleur de la nacelles gyrostablisé sur ses trois (03) axes avant leur intégration, afin de pointer le capteur Hyperspectral de la compagnie ABB pesant 6 Kg de manière optimale. Ensuite, des tests en laboratoire avant hybridation seront menés de manière intensive en vue de valider définitivement le type et la catégorie de capteurs individuels IMU incluant accéléromètres, gyroscopes et magnétomètres avec développement d’un algorithme AHRS propre à la compagnie Lux. Une fois cette tâche importante achevée, le stagiaire passera à la dérivation du contrôleur de la plateforme ou nacelle avec tests multiples sous différents niveaux de vibrations, pouvant fonctionner dans des conditions standard ainsi aussi extrêmes, dont les paramètres seront définis et identifiés avec le partenaire. Pour se faire, une plateforme 6DOF au niveau du laboratoire pourrait être utilisée pour les tests AHRS et contrôleur PID ou PID adaptatif dédié à la nacelle. Une fois L’algorithme de Kalman-AHRS d’estimation d’attitude avec modèle d’Euler et quaternion établi, 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 comme les biais, facteurs d’échelles, bruits blancs, dérive, effets de températures sur les gyroscopes, et sur la sortie du filtre, avec rotations multiples suivant un, deux et trois axes, à des fins aussi de calibrages. Enfin, la troisième et dernière phase, une fois le système gyrostablisé réalisé, testé et validé en laboratoire, des tests en vol avec le partenaire industriel seront programmés pour une validation avancée en condition de vol réel.

Connaissances requises

Programmation, C, Matlab, systèmes embarqués, Algorithmes, navigation 

Programme d'études visé

Maîtrise avec projet, Maîtrise avec mémoire

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