Afin que les drones puissent accéder partout

Dans les grottes et les cavernes, où il fait nuit et quand il n'y a pas de GPS, les exigences imposées aux capteurs intelligents sont très élevées. | Photo: Jérôme André

Les surfaces brillantes, les grilles ou même de simples clôtures en treillis présentent un défi pour les drones autonomes car elles sont difficiles à détecter en vol, explique Teddy Loeliger, responsable du groupe Sensor Electronics à la Haute école des sciences appliquées de Zurich (ZHAW). Pour éviter les obstacles assurément, les capteurs embarqués doivent mesurer en permanence les distances dans leur environnement, même lorsque les contours sont flous ou que les objets disparaissent dans le brouillard ou l’obscurité. «Les systèmes optiques classiques peuvent rapidement atteindre leurs limites.»

Le chercheur teste de nouveaux capteurs dans une petite halle à Zurich. Ceux-ci émettent des ondes infrarouges dont la luminosité est modulée à une certaine fréquence (fréquence de modulation). Ils analysent le signal réfléchi pour déterminer à quelle distance se trouvent les objets – une technologie appelée 3D-TOF pour «3D-Time-of-Flight».

Les capteurs utilisent plusieurs fréquences afin de détecter grilles, clôtures et surfaces vitrées. Un algorithme élimine les interférences gênantes, ce qui permet de générer des images 3D précises. «Ces capteurs sont des caméras qui fournissent en même temps des informations spatiales précises», explique Teddy Loeliger. Cette technologie est particulièrement utile dans les environnements sombres ou dépourvus de structures lorsqu’elle est associée à un radar ou à des capteurs optiques standards qui analysent l’environnement grâce à l’IA.

La technologie 3D-TOF présente toutefois un inconvénient: sa consommation d’énergie. Les capteurs doivent émettre de la lumière en permanence. L’équipe tente de n’utiliser qu’une partie des ondes pour réduire le débit de données et donc la consommation. Cela fonctionne bien à faible distance, mais l’éclairage est trop énergivore au-delà de 10 mètres.

Des caméras «événementielles» inspirées de la vision humaine offrent une autre piste. «Nos yeux n’envoient pas en permanence des images complètes au cerveau. Ils détectent avant tout les changements», explique Davide Scaramuzza, spécialiste des drones à l’Université de Zurich. Dans ces capteurs, un pixel surveille la luminosité dans son champ de vision. Il signale les changements importants et livre des informations sur la position et l’instant à la microseconde près.

Cette analyse repose sur des réseaux neuronaux entraînés dans un environnement simulé. «Chaque pixel est pour ainsi dire intelligent», poursuit le chercheur. Les caméras événementielles fonctionnent aussi bien en plein soleil que dans l’obscurité presque totale et emploient peu de données. Les drones réagissent plus vite qu’un être humain, en moins d’une milliseconde.

Si un système tombe en panne, un autre prend le relais

Davide Scaramuzza et son équipe ont établi des records et remporté des courses contre des professionnels avec leur drone autonome. Il reconnaît les atouts de la technologie 3D-TOF, mais estime que les caméras événementielles ont plus d’avantages sur de grandes distances et à haute vitesse. Elles rencontrent des difficultés lorsque les drones volent très vite et passent près d’obstacles, car les variations très rapides de la luminosité font exploser le débit de données.

L’important est de choisir le système d’orientation adapté à chaque application. Les caméras événementielles sont idéales pour les vols de reconnaissance, la 3D-TOF dans les espaces sombres et confinés. Combinée à d’autres capteurs, la 3D-TOF est adaptée aux environnements sans signal GPS et encombrés tels que les tunnels, les cavernes et les installations industrielles, note Christian Bermes, expert en robotique à la Haute école spécialisée des Grisons. En font partie les caméras optiques, radars et lidars (mesure de distance par laser). Si un système tombe en panne, les autres prennent le relais.

L'homme et la machine - une équipe forte

Les domaines d’application sont multiples: recherche et sauvetage de personnes, inspection de ponts, de tunnels et de lignes électriques, ou surveillance de forêts et suivi de la faune. Teddy Loeliger a aussi testé ses drones en collaboration avec des humains. On peut aussi commander ses capteurs 3D-TOF par gestes. Une combinaison idéale: l’humain coordonne l’intervention tandis que le drone vole dans des lieux dangereux, d’accès difficile, près de lignes électriques, à travers d’étroits passages d’usines chimiques et le long de clôtures de sécurité.