Développement du calculateur/ordinateur de bord avec une architecture et interfaces multiples avec les différents capteurs embarqués de navigation (NAVIBOARD) et fonctionnalités du contrôleur

Projet de recherche en collaboration avec l'industrie:
Développement d’un système de navigation INS/GPS et de stabilisation AHRS pour un Ballon Stratosphérique pour de l’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’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.

Plus spécifiquement :
Le stagiaire devra fournir une analyse sous forme de bilans d’énergie, bilan de communications, et aussi analyse des ressources de calcul et de vitesse de processeurs nécessaires pour le traitement des informations provenant des différents capteurs du ballon stratosphérique, en classifiant par blocs, la partie Télémétrie, la partie navigation, la partie Contrôleur, et aussi la partie purement calculateur. La prise en compte de la mémoire nécessaire du calculateur, les mesures des capteurs, leurs résolutions, précisions erreurs et aussi la fréquence d’échantillonnage du processeur seront des facteurs et paramètres clés dans le design du calculateur. L’ordinateur de bord devra non seulement gérer les interfaces de communications à bord entre les différents cartes embarquées, mais aussi les sous-systèmes tels que la nacelle gyrostabilisées, ainsi que le diagnostic des fonctionnalités avionique de bord, avec détection de pannes et d’anomalie des différents capteurs intégrés à Bord. Le développement d’un processeur DSP FPGA-Dual ARM comme ceux des architectures SDR Software Defined Radios seront privilégiées comme architecture de base. Une fois les fonctionnalités initiales implémentés et mise en fonction, des tests en vol avec le partenaire industriel seront programmés pour une validation avancée en condition de vol réel. Une vérification des standards avioniques pour des drones ou des ballons sera effectué auprès de Transport Canada avec le partenaire Lux afin de respecter le plus le design éventuellement sujet a une phase de certification ultérieure.

Connaissances requises

Programmation, C, Matlab, Systèmes embarqués, Navigation, Algorithmes de fusion 

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