Découverte de la loi fondamentale de la maniabilité du vol à grande vitesse

L'extraordinaire capacité des oiseaux et des chauves-souris à voler à grande vitesse dans des environnements encombrés tels que les forêts a longtemps fasciné les humains. Cela soulève une question évidente : comment font ces créatures ?

De toute évidence, ils doivent reconnaître les obstacles et exercer le contrôle fin nécessaire sur leurs mouvements pour éviter les collisions tout en poursuivant leur objectif. Et ils doivent le faire à une vitesse extraordinaire.

D'un point de vue conventionnel de commandement et de contrôle, c'est une tâche difficile. La reconnaissance d'objets et le jugement de distance sont à la fois des problèmes difficiles et la planification d'itinéraires encore plus difficile.

Même avec les vastes ressources informatiques auxquelles les humains ont accès, il n'est pas du tout évident de savoir comment s'attaquer à ce problème. Alors, comment les animaux volants le gèrent avec des yeux immobiles, des optiques à foyer fixe et un traitement de données beaucoup plus limité est quelque chose d'un casse-tête.

Aujourd'hui, Ken Sebesta et John Baillieul de l'Université de Boston révèlent comment ils ont réussi à le déchiffrer. Ces gars disent que les animaux volants utilisent un algorithme relativement simple pour se débrouiller dans le fouillis et que cela leur a permis de dériver une loi fondamentale qui détermine les limites du vol agile.

Leur approche repose sur une idée appelée détection de flux optique qui a fait l'objet d'une attention croissante ces dernières années. L'idée ici est de penser le champ de vision, non pas comme un ensemble d'objets discrets à différentes distances, mais simplement comme un ensemble de points qui se déplacent à travers le champ de vision.

La vitesse de déplacement dans le champ de vision dépend de facteurs tels que la taille et la distance de l'objet ainsi que la vitesse de vol.

Cependant, l'optique de la vue simplifie considérablement certains calculs concernant ce système. En particulier, il permet une détermination très simple d'une collision imminente.

Il s'avère que, étant donné qu'un globe oculaire vole à une vitesse constante vers un objet, le taux de changement de la taille de l'image de l'objet sur la rétine du globe oculaire détermine le temps d'impact. C'est un calcul simple qui ne nécessite aucune connaissance de la taille de l'objet, de la distance ou même de la vitesse de fermeture.

Il devient alors relativement simple de déterminer quand une collision est imminente et d'ajuster le cap en conséquence. C'est quelque chose qui peut être fait avec un retour direct du système optique d'une manière très efficace.

Le travail que Sebesta et Baillieul ont fait est de généraliser ce calcul pour n'importe quel point du champ visuel et de calculer non seulement quand une collision est imminente mais quand le globe oculaire passe l'objet.

Ils appliquent ensuite cette méthode au champ visuel dans son ensemble pour déterminer quand des collisions sont probables et pour créer un système de contrôle qui permet d'effectuer des ajustements de cap.

Leur conclusion est que l'approche par flux optique conduit à une limite fondamentale sur l'agilité du vol à grande vitesse. Les facteurs qui déterminent cela sont la taille et la densité des obstacles dans le champ de fouillis et une quantité que Sebesta et Baillieul appellent l'autorité de direction, essentiellement le rayon de braquage du pilote.

Il s'avère qu'il existe un niveau critique de maniabilité. il est démontré qu'il existe des niveaux critiques d'autorité de direction, légèrement en dessous desquels il est presque impossible de traverser un champ d'obstacles et légèrement au-dessus desquels il est presque certain qu'il y aura une trajectoire réalisable sans collision, disent-ils.

C'est un résultat fascinant. Il impose une limite fondamentale à la capacité de tout pilote de naviguer dans un environnement à grande vitesse. Il permet également le développement d'un algorithme relativement simple pour atteindre cette limite, ou quelque chose qui s'en rapproche, en utilisant le retour de données d'image.

En effet, Sebesta et Baillieul exploitent déjà cela dans un drone sur mesure basé sur la célèbre cellule quadricoptère, équipé de capteurs de mouvement, d'une caméra embarquée et d'un ordinateur monocarte Gumstix Fire. Notre laboratoire effectue actuellement des tests de vol libre en intérieur ainsi que des tests de vol extérieurs captifs sélectionnés, disent-ils.

Cela ouvre la possibilité à des véhicules micro-aériens autonomes de plonger et de plonger dans des environnements encombrés comme des éperviers à travers une forêt. Et le faire dans un avenir pas trop lointain.

Réf : arxiv.org/abs/1203.2816 : Vol agile inspiré des animaux utilisant la détection de flux optique

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