Biomimétisme : un drone inspiré des oiseaux pour se faufiler à haute vitesse. © chamnan phanthong, Fotolia

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Biomimétisme : un drone inspiré des oiseaux pour se faufiler à haute vitesse

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Des chercheurs de l'université du Maryland (États-Unis) ont mis au point un drone autonome dont la caméra lui permet d'évaluer tout seul les dimensions d'un passage étroit et de s'y faufiler.

La science s'inspire souvent de la nature pour optimiser les technologies. Début juin, Futura expliquait ainsi comment une équipe de chercheurs de l'Institut des sciences du mouvement Étienne-Jules Marey (CNRS, Aix-Marseille université) avait créé un robot volant capable de modifier sa morphologie pour se faufiler dans des passages étroits. C'est en reproduisant ce que font les oiseaux et les insectes qu'était née cette idée.

Aujourd'hui, c'est également le biomimétisme qui a permis à des scientifiques de l'université du Maryland (États-Unis) de concevoir un drone lui aussi capable de franchir un passage étroit. Mais, contrairement au prototype français cité plus haut, ce drone-ci ne modifie pas sa forme. Il s'agit d'ailleurs d'un modèle grand public, le Parrot Bebop 2.

L'idée n'est pas tant de faire passer un chameau dans le chas d'une aiguille, mais plutôt que le drone puisse évaluer de façon autonome si l'ouverture est suffisamment conséquente pour qu'il puisse s'y faufiler. Avec ce projet baptisé GapFlyt, sans le moindre apprentissage et sans entraînement, le drone peut identifier l'orifice, ses dimensions et s'y faufiler sans percuter les bordures. Le plus surprenant, c'est que, pour cela, les chercheurs n'ont pas bardé le drone de capteurs. Ils se sont contentés d'exploiter une simple caméra monoculaire.

Les chercheurs de l’université du Maryland se sont inspirés de la méthode et des capacités visuelles employées par les oiseaux ou les insectes pour que le drone puisse analyser les dimensions d’un orifice avec peu de capteurs, sinon une caméra, et s’y faufiler. © PRGUMD

Le principe du flux optique

Surtout, ils ont observé la méthode employée par les oiseaux et les insectes, notamment les abeilles, avant de s'aventurer dans un orifice. L’abeille, par exemple, évolue à proximité du trou pendant quelques secondes avant de prendre la décision d'y pénétrer. (Rappelons qu'à l'origine drone est un terme anglais désignant le faux bourdon, le mâle de l'abeille.) Ce drone fait de même et analyse l'environnement en réalisant des petits mouvements avant de se faufiler dans l'interstice.

Comme il est doté d'une seule caméra, les chercheurs ont imaginé une astuce afin que le drone puisse évaluer la brèche. Lorsque le drone observe la paroi, tout ce qui est proche va lui sembler bouger beaucoup plus vite que les éléments les plus éloignés. C'est ainsi qu'il parvient à réaliser une modélisation en 3D de l'environnement du trou. Ce principe assez ancien s'appelle « flux optique », ou « défilement visuel ». Certains insectes, comme les mouches, caractérisent leur environnement grâce au flux optique. De même, les aigles détectent leurs proies à grande distance en vision monoculaire.

Basé sur un Parrot Bebop 2, le drone des chercheurs de l'université de Maryland utilise une simple caméra pour analyser une brèche et pouvoir s'y faufiler à vitesse soutenue. © PRGUMD

Pour le drone, c'est avec le mouvement et sa caméra monoculaire qu'il peut distinguer le premier plan de l'arrière-plan et également déterminer les dimensions exactes de l'orifice. Pour qu'il soit plus réactif et autonome, les chercheurs l'ont équipé d'un processeur graphique (GPU) Nvidia Jetson TX2.

Lors de leurs tests, les scientifiques sont même allés plus loin en cherchant à leurrer le drone en plaçant derrière l'orifice un mur reprenant les motifs de la cloison à franchir. Mais celui-ci ne s'est pas fait berner : preuve que le système d'observation du drone lui permet d'analyser correctement l'emplacement des différents éléments dans l'espace. Mieux encore, c'est avec une vitesse de déplacement de deux mètres par seconde que l'appareil va à la fois évaluer la situation et se faufiler. Pour mettre à l'épreuve le système d'analyse, l'équipe a réalisé des orifices dotés de différentes formes. Lors des tests, le drone est parvenu à franchir l'orifice dans 85 % des cas.

  • Le projet GapFlyt, de l'université de Maryland (États-Unis), exploite le concept de flux optique utilisé par les oiseaux et les insectes.
  • La caméra monoculaire sait évaluer la configuration d'un orifice dans un mur grâce aux déplacements du drone.
  • Le drone parvient à passer l'orifice sans apprentissage dans 85 % des cas.
Pour en savoir plus

Biomimétisme : le drone qui vole (presque) comme un oiseau

Article de Nathalie Mayer publié le 24/12/2016

Les drones d'aujourd'hui sont essentiellement conçus comme des hélicoptères ou des avions. Et comme eux, ils manquent parfois cruellement de maniabilité. Les oiseaux, eux, savent s'adapter à des conditions aéronautiques très différentes. Une observation simple qui a conduit une équipe de chercheurs à imaginer un drone qui vole (presque) comme un oiseau !

« Les oiseaux sont capables de transformer radicalement la taille et la forme de leurs ailes, car elles sont composées d'un squelette articulé, contrôlé par des muscles et recouvert de plumes qui peuvent se chevaucher pendant le pliage. Nous nous en sommes inspirés », explique Matteo di Luca, chercheur au Laboratoire des systèmes intelligents de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse). S'inspirer des ailes des oiseaux pour imaginer un drone plus efficace : l'idée semble des plus évidentes mais n'a pourtant été que relativement peu exploitée. En raison sans doute de la difficulté de la mettre en œuvre. Pas si facile d'imiter la nature...

En matière de techniques de vol, les oiseaux disposent d'une large palette de possibilités. Pour éviter des obstacles, virer serré ou résister aux turbulences, les oiseaux ont en effet développé des ailes à hautes performances. Os, plumes et muscles, en une configuration sophistiquée, permettent aux oiseaux de prendre leur envol et de virevolter à loisir. La structure des ailes, tout particulièrement, est ainsi faite qu'ils sont capables d'en modifier l'envergure ou la forme, permettant toutes sortes de prouesses. Pour braquer, par exemple, ils peuvent étendre l'une de leurs ailes et rétracter l'autre.

Des ingénieurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (Suisse) ont imaginé un drone doté d’ailes rétractables et recouvertes de plumes. De quoi le rendre plus maniable et lui permettre de mieux s’adapter à différentes conditions de vol (vents, obstacles, etc.). La figure (a) montre le squelette (Skeleton) d'une aile d'oiseau avec ses plumes et, en rouge, sa partie la plus mobile, les rémiges primaires (Primary flight feathers). Le drone de l'EPFL reproduit partiellement cette structure. © École polytechnique fédérale de Lausanne

Un drone avec des ailes d’oiseau

Le défi, pour l'équipe de l'EPFL, aura donc été de concevoir et de fabriquer des mécanismes de déformation semblables à ceux des oiseaux. Et de trouver le bon compromis entre efficacité aérodynamique et poids du drone. Ainsi, les ailes du drone-oiseau sont largement construites à base de matériaux composites qui maximisent leurs résistances tout en limitant le poids. Les plumes artificielles du drone-oiseau sont constituées d'une couche de fibre de verre recouverte d'un tissu en nylon, le tout renforcé par des fibres de carbone.

Lorsque les ailes sont totalement déployées, le drone-oiseau vole un peu à la manière des drones classiques. De manière « agressive », comme disent les chercheurs de l'EPFL. Mais rabattre l'extrémité de ses ailes lui permet de résister à des vents violents. Et grâce à un système de contrôle asymétrique, ses ailes peuvent chacune être commandées de manière indépendante. Des facultés d'adaptation qui pourraient être fort utiles lorsqu'il s'agira pour le drone-oiseau de voler à basse altitude, dans un environnement urbain balayé par des vents difficilement prévisibles.

Les travaux de cette équipe intéresseront sans doute plus largement le monde de l'aéronautique, qui cherche toujours des solutions pour faire évoluer les gouvernes des avions. « Grâce à notre projet d'ailes pliables, nous avons découvert que nous n'avions pas besoin d'ailerons pour aider notre drone à tourner. En changeant son envergure et sa surface portante, nous le faisons virer automatiquement », conclut Dario Floreano, directeur du laboratoire.

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