Levé par drone dans des vents de 45km/h

Alors que les levés par drone deviennent de plus en plus populaires, les géomètres veulent tirer un meilleur parti de leurs drones dans les situations quotidiennes. Dans certains endroits, notamment dans les environnements alpins ou côtiers, cela signifie effectuer des levés dans des conditions de vent fort. Il est courant pour les fabricants de drones de revendiquer des tolérances élevées au vent, mais comment cela se passe-t-il dans la vie réelle ?

La limite de vent spécifiée pour Marlyn est de 45km/h pour le décollage et l'atterrissage en mode hélicoptère, et de 55km/h pour la mission de cartographie proprement dite en mode avion. Afin d'en faire la démonstration dans un cadre réel, ce document décrit une étude réalisée dans des conditions de vent proches des limites recommandées aux utilisateurs de Marlyn . Cela permet à la fois de prouver que Marlyn peut voler à ces vitesses de vent élevées et de montrer l'effet minimal que cela a sur les données d'enquête, démontrant ainsi son applicabilité en tant qu'outil d'enquête quotidien.

Introduction à la zone d'enquête

Ce vol a été effectué le 27 octobre 2020 au siège et au terrain d'essai de Atmos' à Valkenburg, aux Pays-Bas, dont l'emplacement est indiqué ci-dessous.

Jusqu'en 2006, ce site était utilisé par la Marine royale néerlandaise comme base aérienne pour sa flotte de 13 avions Lockheed P-3 Orion. La situation côtière de Valkenburg en faisait l'endroit idéal pendant la guerre froide pour que les P-3 chassent les sous-marins soviétiques opérant en mer du Nord et dans le canal English . Aujourd'hui, il est utilisé comme espace aérien ouvert pour que les entreprises de drones puissent tester et développer leurs produits.

La situation de Valkenburg, à seulement 3 km de la côte, est également idéale pour tester un drone dans des conditions de vent fort. Pendant environ deux tiers (227 jours) de l'année, le vent froid de la mer du Nord souffle en rafales de plus de 30 km/h (selon les données sur le vent obtenues par croisement visuel).

Depuis 2013, chaque drone qui a quitté l'usine de Atmos a subi des tests avant expédition à cet endroit. Ainsi, pour pouvoir tester, produire et expédier des drones de manière efficace, Marlyn doit être capable de tolérer des vents violents lors de chaque mission de cartographie sans dégradation significative des performances des relevés.

La tâche de l'enquête

Les données recueillies dans le cadre de ce projet étaient un relevé standard effectué dans le cadre d'un test en vol d'inspection avant livraison, au cours duquel une mission de cartographie est effectuée pour s'assurer que le drone est garanti pour effectuer des relevés précis dès sa sortie de l'emballage. Ce n'est que si le résultat de cette enquête est conforme aux normes de qualité requises que le système peut être expédié, dans ce cas précis pour un client en Thaïlande.

Pour cette mission spécifique, la tâche d'enquête a été déterminée comme étant la prise d'un modèle numérique de terrain de l'ancienne piste de roulage et de la ligne de vol montrée sur l'image ci-dessus. La zone d'étude comprenait plusieurs points connus qui devaient servir de points de contrôle et de vérification pour contrôler la précision absolue du modèle. Le vol devait être effectué à 110 m d'altitude, ce qui a permis d'obtenir une distance d'échantillonnage au sol (GSD) de 1,45 cm/px. La zone d'étude totale était de 21Ha.

Par conséquent, la tâche d'enquête était une simple petite zone qui, on peut le supposer, reproduit une enquête quotidienne entreprise par un utilisateur sur le terrain.  

Le drone

Le drone utilisé pour ce test était le Marlyn de Atmos. Le Marlyn utilisé pour ce test était équipé de la caméra Sony RX1RII 42MP RGB, avec le module AsteRx-m2 PPK installé sur Septentrio .

Prévision du vent

Comme le montre l'image ci-dessous, les prévisions de vent sur le lieu du vol ce jour-là étaient indiquées par une couleur bleu clair, que la légende indique comme étant de 25 nœuds (45km/h ou 12,5m/s). Cette prévision ne montre également que la vitesse moyenne du vent soutenu, on peut donc supposer par expérience que les rafales de vent localisées dépasseront 55km/h (15m/s) sur de courtes portions du vol.

Ce jour-là, les prévisions de vent à 100 m au-dessus du sol indiquaient des rafales atteignant et dépassant la limite de 45 km/h du drone. Comme Marlyn avait démontré à plusieurs reprises dans le passé qu'il était capable de fonctionner en toute sécurité dans ces conditions, la décision a été prise d'effectuer le vol malgré le fait que les vents étaient à la limite de ce que Marlyn était conçu pour gérer.

Lors de la planification d'un vol de drone, il est sage de travailler avec des prévisions aéronautiques à 100m plutôt qu'avec des prévisions normales au niveau du sol, en raison des différences de force et parfois même de direction du vent entre ces deux altitudes. Au niveau du sol, le vent se trouve à l'intérieur de ce que l'on appelle une "couche limite", ce qui signifie que la friction avec des objets tels que le terrain, les bâtiments et les arbres, fait que la vitesse du vent est inférieure à celle que subit le drone en vol. Par conséquent, plus on s'éloigne du sol, moins cette friction a d'effet et plus la vitesse du vent est élevée. Un exemple visuel de ce phénomène est illustré ci-dessus.

Qu'est-ce que cela signifie pour un drone ? Selon les conditions locales, la vitesse du vent à l'altitude du mode hélicoptère de Marlynpeut être deux fois supérieure à celle du vent au niveau du sol.

Pour faire le lien avec nos prévisions, bien que la vitesse de base du vent en altitude soit de 45 km/h, la lecture au sol était un peu plus faible, autour de 35 km/h. Cela souligne l'importance de toujours vérifier les prévisions correctes. Cela souligne l'importance de toujours vérifier les prévisions correctes, et l'importance d'avoir un drone qui peut résister à des limites de vent plus élevées si les circonstances changent.

Le vol d'arpentage par drone

Le vol en question était une simple cartographie de couloir pour permettre à Marlyn de couvrir la zone d'enquête. Il peut être intéressant pour le lecteur de noter que Marlyn utilise une cartographie de couloir améliorée, ce qui signifie que lors d'un virage à 90 degrés comme celui illustré ici, le drone est programmé pour continuer à prendre des photos et conserver le chevauchement frontal et latéral spécifié, évitant ainsi de perdre du temps à tourner et à revenir dans la deuxième partie du couloir.  

Les paramètres de l'étude ont utilisé une altitude de cartographie de 110m, des altitudes de transition VTOL de 70m, et un recouvrement latéral de 60%. Le recouvrement frontal de cette étude a été prédéfini en utilisant un intervalle de temps de 1Hz pour la capture d'images, la vitesse du drone étant régulée pour maintenir un recouvrement frontal minimum de 70%. Dans le logiciel Marlyn, l'utilisateur a le choix entre cette capture d'image basée sur le temps ou une capture d'image basée sur la position où le pourcentage de recouvrement frontal peut être ajusté par l'utilisateur avant le vol.

La figure ci-dessus donne également une indication de la direction du vent. En général, les meilleurs résultats par vent fort sont obtenus lorsque le vent est orienté à environ 45 degrés par rapport aux lignes de vol, ce qui est proche de la situation pour la majeure partie du vol dans ce cas.

Le vol a également été planifié avec un réglage de sécurité de 20% de retour à la maison de la batterie, mais en raison de la durée relativement courte (10 minutes) du vol, il était bien dans le temps de vol possible de Marlynet ne serait donc pas nécessaire.  

En vol

Vous trouverez ci-dessous un extrait des données du pilote automatique pendant le vol de cartographie. Les lignes en bleu foncé montrent la différence entre la vitesse de l'air (la vitesse que le drone "voit" grâce aux mesures du tube de Pitot) et la vitesse au sol (la distance réelle que Marlyn parcourt au sol, déterminée par le GPS). Pour comprendre cette différence, prenons l'exemple d'un drone qui se trouve dans une soufflerie en fonctionnement avec un débit de 20 km/h. La vitesse de l'air est de 20 km/h, mais la vitesse au sol est de 0 km/h. Par conséquent, en soustrayant la vitesse de l'air de la vitesse au sol, on obtient la vitesse au sol. Par conséquent, en soustrayant la vitesse de l'air et la vitesse au sol, il est possible de générer une image en temps réel très précise de la vitesse du vent, en particulier pour les parties du vol où le drone vole dans le vent.

Le tracé bleu foncé de la vitesse air-sol montre une grande variation de pics et de creux pendant le vol, qui provient des différentes parties du relevé dans lesquelles le drone est pointé contre le vent ou sous le vent. Les pics de ce graphique sont les plus significatifs, car ils montrent les vitesses maximales des rafales de vent rencontrées pendant les parties du vol où Marlyn vole contre le vent, car ce sont les points où vous obtenez une indication de la vitesse réelle du vent.  

Ce graphique montre qu'au cours du vol, Marlyn a subi des rafales de vent allant jusqu'à 57 km/heure, plusieurs fois jusqu'à 50 km/heure, et une vitesse moyenne soutenue de 35 à 45 km/heure. Par conséquent, on peut supposer que les informations sur le vol et les données indiquées représentent les valeurs de vent élevé qui sont incluses dans les spécifications de Marlyn.

Atterrissage

L'atterrissage est la principale préoccupation lors de l'utilisation d'un aéronef à voilure fixe dans des vents forts, car c'est la partie du vol dans laquelle le contrôle complet est le plus nécessaire, et aussi le plus difficile à atteindre. C'est pourquoi, après que Marlyn soit descendu à 20 m d'altitude au-dessus du sol, le reste de l'atterrissage est effectué manuellement par l'utilisateur à l'aide du RC de Marlyn(de la même manière qu'un drone multirotor). La vidéo de l'atterrissage de ce vol exact se trouve ici, et sert également d'exemple de la façon d'atterrir par grand vent.

Pour permettre un contrôle total par grand vent, Marlyn est équipé d'un quadrirotor en mode hélicoptère, qui offre un contrôle total dans les 6 degrés de liberté, avec des extrémités d'ailes rotatives pour permettre de petits ajustements de tangage, de roulis et de lacet en temps réel. Lors de l'atterrissage d'un drone VTOL, il est extrêmement important d'atterrir avec une vitesse verticale uniquement (c'est-à-dire sans mouvement horizontal), ce niveau de contrôle est donc très important pour les opérations par grand vent. Marlyn est également conçu pour se pencher face au vent à un angle de 40 degrés ou plus, de sorte que lorsque la première jambe d'atterrissage touche le sol, les moteurs réduisent leur puissance et la force du poids du drone le force à atterrir sur sa base stable en forme de croix. Ainsi, le comportement de rebondissement et de basculement que l'on observe avec d'autres VTOL est très improbable, même lorsque les vents dépassent de loin le maximum de 30 km/h imposé par ces produits.

Post-traitement (données d'enquête par drone)

Après le vol, les résultats ont été traités par PPK à l'aide du logiciel Atmos Geotagger (une présentation de ce logiciel est disponible ici). Afin de tenir compte des déviations dues au vent, les angles d'orientation du drone à chaque instant ont également été extraits pour être utilisés dans l'étape de photogrammétrie. Il en résulte un ensemble d'images et de géotags qui ont ensuite été traités avec Agisoft Metashape, le système de coordonnées utilisé étant Amersfoort / RD New (EPSG::28992). Pour les données RINEX, une VRS (Virtual Reference Station) a été fournie par 06-GPS, un fournisseur néerlandais de données GNSS.

Le rapport de qualité pour ce travail de traitement peut être téléchargé ici, mais il sera également résumé ci-dessous. Pour télécharger le jeu d'images géolocalisées pour votre propre traitement, vous pouvez également cliquer ici.

Résultats de l'enquête

Pour rester utilisable, il ne suffit pas de pouvoir voler dans le vent, les résultats de l'enquête doivent être identiques à ceux obtenus un jour sans vent, tout en conservant une précision de niveau enquête.

Considérons tout d'abord le niveau de chevauchement des images. On peut voir sur la sortie ci-dessus que dans toute la zone d'étude, le chevauchement d'images requis était encore bien en deçà des niveaux requis (9 images ou plus) pour un relevé précis. Il en résulte un modèle de 526 208 points de rattachement sur la zone de 23,6 hectares.

Ce point présente un intérêt particulier en raison des vents violents. Si un drone à aile fixe n'a qu'une seule hélice en mode avion, il doit se pencher latéralement face au vent pour contrer la force d'un vent de travers et rester sur la ligne de vol, ce qui a un effet négatif sur le chevauchement qui peut être réalisé. Marlyn "crabe" le long d'une ligne de vol, et avoir 2 moteurs de vol signifie qu'il peut corriger sa course pour rester sur la ligne de vol tout en conservant l'imagerie nadir avec le sol, résultant dans le chevauchement élevé entre les images vues ci-dessus. Il en résulte également une trajectoire de vol extrêmement stable tout au long de la mission, comme le montre la trajectoire de localisation des images.

Il convient également de noter l'amélioration de la cartographie des couloirs en action. Vous pouvez voir que la trajectoire de vol de Marlyn coupe légèrement le coin du couloir, ce qui signifie que pendant le virage, les niveaux de chevauchement requis sont toujours maintenus et que les images couvrent toujours la zone d'étude requise.

Si l'on s'en tient strictement aux lignes de vol et au niveau de recouvrement, on peut supposer qu'il serait difficile de distinguer ce jeu de données par grand vent de celui qui a été réalisé un jour plus calme.

Pour ce projet, un total de 11 points connus a été utilisé à la fois pour renforcer la qualité du modèle et pour vérifier la précision absolue. Ces points ont été répartis entre 6 points de contrôle au sol et 5 points de vérification. Les erreurs résultantes de chaque point de contrôle sont indiquées ci-dessous ;

Comme le montrent les points de contrôle, les niveaux de précision absolue sont satisfaisants pour une mission de relevé par drone. En règle générale, les précisions absolues d'un relevé par drone sont généralement de 2 à 3 fois la DSG dans l'horizontale (X, Y) et jusqu'à 5 fois la DSG dans la verticale (Z). Dans le cas présent, les erreurs en X et Y sont inférieures à 2 fois le GSD de 1,45 cm, et les erreurs en Z sont même proches de 1 fois le GSD, ce qui est impressionnant si l'on considère que la zone de relevé elle-même était principalement une zone plate et goudronnée sans beaucoup d'éléments majeurs à partir desquels établir des points d'attache précis.

A partir de ces résultats, on peut donc également conclure que les niveaux de précision que l'on peut obtenir à partir d'un relevé par vent fort sont presque indiscernables de ceux qui sont obtenus lors d'une journée plus calme, et sont également dans ce qui est considéré comme une précision de haut niveau pour un relevé par drone.

Conclusion

La limite de vent spécifiée de Marlyn est de 45km/h en mode hélicoptère et de 55km/h en mode avion. Cet exemple montre qu'il est effectivement possible pour un géomètre de voler confortablement avec Marlyn à ces vitesses de vent élevées, et d'obtenir des données avec un très haut degré de précision.

Il convient de noter que des considérations supplémentaires sont toujours nécessaires pour voler dans des vents forts, et même avec Marlyn , les utilisateurs doivent être prudents et vigilants pour s'assurer que les niveaux de vent restent dans les limites des spécifications du drone. Les données montrent néanmoins l'utilité et l'applicabilité de Marlynen tant qu'outil d'enquête quotidien dans des environnements venteux (et non venteux).

A partir de ces résultats, on peut donc également conclure que les niveaux de précision que l'on peut obtenir à partir d'un relevé par vent fort sont presque indiscernables de ceux qui sont obtenus lors d'une journée plus calme, et sont également dans ce qui est considéré comme une précision de haut niveau pour un relevé par drone.