Système de planification de chemins aériens en 3D : préparation de missions et replanification en cas d'urgence

par Zeineb Baklouti

Thèse de doctorat en Informatique

Soutenue le 13-09-2018

à Valenciennes , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-....) (laboratoire) et de ComUE Lille Nord de France (Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE)) .


  • Résumé

    L’enjeu de planification de vol à bord d’un hélicoptère en tenant compte des différents paramètres environnementaux constitue un facteur clé dans le secteur aéronautique afin d’assurer une mission en toute sécurité avec un coût réduit. Ce défi concerne à la fois la phase de préparation de la mission sur une station au sol mais aussi en cours de vol pour faire face à un évènement imprévu. Nous citons un premier exemple de mission de type recherche et sauvetage qui dispose d’un temps limité pour localiser et rechercher des personnes en danger. Pour ce faire, le plan de vol généré doit suivre le relief du terrain à des altitudes relativement basses entre des points de passage désignés. L’objectif est de permettre au pilote de localiser une victime dans une durée bornée. Un deuxième type de mission comme l’assistance médicale a la particularité d’assurer un vol qui favorise le confort du passager ainsi qu’une route qui minimise le temps de vol selon la criticité de la situation. Pendant la phase dynamique, lorsqu’il s’agit d’un événement complexe telle qu’une panne moteur, une replanification de la mission devient nécessaire afin de trouver un chemin aérien qui permet d’atterrir en toute sécurité dans les plus brefs délais. Dans un autre exemple comme l’évitement d’obstacle dynamique ou de zone dangereuse, il s’agit de calculer un autre plan de vol pour atteindre la destination. Cependant à ce jour, les pilotes ne bénéficient pas de système d’autoroutage 3D permettant la replanification dynamique de mission face à une situation d’urgence. Face au défi de génération d’un plan de vol optimal, nos réflexions profondes ont abouti à la proposition d’un nouveau système de planification de chemin, pour des aéronefs, dédié à la préparation de mission avant le vol ainsi qu’à la replanification dynamique en cours de vol face à une situation d’urgence. Le système de planification peut être déployé sur une station au sol ou bien intégré comme fonction avionique au sein de l’aéronef. Les résultats obtenus ont abouti à un brevet déposé devant l’INPI et à plusieurs actions de transfert technologique au sein d’Airbus Hélicoptères. Le système s’appuie sur des techniques de discrétisation de l’espace et de calcul du plus court chemin afin de générer automatiquement des solutions flexibles en terme de profil de chemin en respectant plusieurs contraintes liées à l’appareil, le terrain et l’environnement. La solution proposée est générique et capable de s’adapter selon le type de l’aéronef, le type de la mission et la fonction objectif à minimiser. Le système de planification peut offrir des solutions avec différents compromis entre le temps d’exécution et la qualité du chemin selon le temps disponible qui peut être corrélé avec la criticité de la situation. Le fonctionnement du système de planification de chemin se compose principalement de deux phases : le prétraitement et le routage. La phase de prétraitement permet une discrétisation multi-altitude de l’espace 3D selon une précision donnée et la génération automatique d’un graphe de navigation avec une connexité paramétrable. La phase de routage 3D calcule le chemin en prenant en considération un ensemble de contraintes telles que les limitations angulaires en horizontal et en vertical et une fonction objectif à minimiser tels que la distance, le carburant, le temps, etc. Lors de la phase d’exploration du graphe, le système de planification peut communiquer avec le modèle de performance de l’appareil afin de minimiser une fonction coût liée à la performance et de s’assurer au fur et à mesure de la faisabilité de la mission. La génération automatique des plans de vol et la replanification dynamique représentent une brique essentielle pour concevoir des systèmes d’assistance au pilote ainsi que des aéronefs autonomes.

  • Titre traduit

    System for 3D flight planning : mission preparation and emergency replanning


  • Résumé

    Helicopter flight planning is a key factor in the aeronautics domain in order to ensure a safe mission at a reduced cost taking into consideration different environmental parameters like terrain, weather, emergency situations, etc. This challenge concerns both the mission preparation phase using a ground station and also during the flight to cope with a complex event (mechanical failure, dynamic obstacle, bad weather conditions, etc.). We quote as a first example a Search and Rescue mission that should be performed in limited time to locate persons in danger. To achieve that, the generated flight path must follow the terrain profile at relatively low altitudes crossing the predefined waypoints. The objective is to allow the pilot to locate a victim in a short time. Another example for a mission of medical assistance where the helicopter should ensure the comfort of patients as well as minimizing the flight time to respect critical situations. During the flight, when a complex event occurs such as engine failure, re-planning the mission becomes necessary in order to find a new path that could guarantee safe landing. Unfortunately, pilots do not benefit from an embedded 3D path planning system that enables dynamic mission re-planning in case of emergency. To tackle the challenge of generating an optimal flight plan, we proposed new path planning system dedicated to mission preparation and dynamic path re-planning during critical situations. The planning system can be deployed on a ground station or embedded as an avionic function in the aircraft. The achieved results are registered as a patent at National Institute of Intellectual Property and deployed inside Airbus Helicopters through several technology transfers. The system relies on 3D space discretization and shortest path planning techniques to generate automatically flexible path profiles that respect several. The proposed solution is generic and is able to adapt to the aircraft model, mission and the objective function to be minimized. The path planning system can offer solutions with different tradeoffs between timing and path quality within the available runtime depending on the criticality of the situation. The functioning of the path planning system consists mainly of two phases : preprocessing and routing phase. The preprocessing allows a multi-altitude discretization of the 3D space according to a given precision and generate automatically a navigation graph with a configurable density. The 3D routing phase calculates the path by considering a set of constraints such as horizontal and vertical angular limitations and the objective function such as distance, fuel, time, etc. During the graph exploration phase, the path planning system can communicate with the aircraft performance model to evaluate a given criterion. Automatic flight path generation is an essential building block for designing pilot assistance systems and autonomous aircraft. In summary, we succeeded to reach the industrial expectations namely : the evaluation of mission feasibility, performances improvement, navigation workload reduction, as well as improving the flight safety. In order to realize the proposed solution, we designed a new tool for automatic 3D flight path planning. We named our tool DTANAV : Demonstration Tool for Aircraft NAVigation. It allows to apply the proposed planning process on real scenarios. Through the tool interface, the user has the possibility to set the parameters related to the mission (starting point, end point, aircraft model, navigation ceiling, etc.). Other algorithmic parameters are defined in order to control the quality and the profile of the generated solution.



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