Nicolas Dousse

DOCTORANT EN MICROTECHNIQUE À L'EPFL

Nicolas Dousse est actuellement en Doctorat à l'EPFL dans la section de Microtechnique. Il travaille sur des techniques d'évitement de collisions pour des véhicules personnels aériens (des hélicoptères automatisés avec passagers). Il est actif au sein du Laboratoire des systèmes intelligents. Nicolas est également membre de l'association Drone Adventures qui tend à promouvoir l'usage civile des drones.

Auparavant, il a effectué un Master en Aéronautique à Toulouse à l'ISAE, l'Institut Supérieure de l'Aéronautique et de l'Espace, où il a pu profiter d'un enseignement mixte, entre des professeurs et des ingénieurs d'Airbus, lui donnant un sens plus pratique de l'ingénierie aéronautique.

Nicolas est titulaire d'une licence de pilote d'avion privé avec environ 140 heures de vol à son actif. Il pratique également le parachutisme ayant environ 70 sauts à son actif.

Un autopilote, comment ça marche?

Les avions de ligne modernes sont tous équipés d’un (ou plusieurs) autopilote(s). Ceux-ci peuvent être connectés pour presque tout le vol. En effet, les autopilotes sont certifiés pour être enclenchés dès 50 pieds au-dessus du sol (~25m) et peuvent être actifs jusqu’à la sortie de la piste à l’aéroport d’arrivée, voire même jusqu’à la porte du terminal.

A l’heure actuelle, seul le décollage ne peut pas être effectué de manière automatique. Non pas qu’il s’agisse d’une manoeuvre compliquée, bien au contraire, mettre plein gaz et tirer légèrement sur le manche lorsqu’on a atteint une vitesse donnée est assez simple. La difficulté survient lorsqu’on prend en compte un éventuel problème technique ou l’environnement autour de l’avion sur la piste. On peut penser entre autre aux oiseaux ayant décidé de décoller en même temps. Sa vitesse de décision dépendant de  la longueur de la piste, le pilote doit choisir s’il interrompt le décollage ou non. Au-delà de cette vitesse le décollage est obligatoire vu que la distance restante de la piste n’est pas suffisante pour freiner.

Maintenant que l’on sait quand un autopilote peut être enclenché, voyons le principe de fonctionnement de ce dernier.

Un autopilote a besoin de quatre types d’éléments pour remplir sa mission : des consignes, des capteurs, d’actionneurs et une logique pour relier les trois.

Les consignes

Un autopilote, c’est comme un ordinateur, c’est bête par principe. Il ne sait jamais ce que vous voulez faire et fait uniquement ce que vous lui ordonnez de faire (soit dit en passant, ce que vous souhaitez faire et ce que vous ordonnez de faire peut être différent et est source de nombreux énervements et jurons adressés à notre ordinateur).

L’autopilote a besoin donc de consignes à respecter. Par consignes, on entend une vitesse et une altitude de croisière, un taux de montée ou de descente, un cap à suivre ou un savant mélange de toutes ces informations.

Ces consignes sont données par le pilote selon la phase de vol et les ordres reçus par le contrôleur au sol.

Les capteurs

Un autopilote, non seulement c’est bête, mais en plus, c’est sourd, aveugle et ne sait pas maintenir naturellement son équilibre. Il faut donc lui fournir des capteurs afin qu’il puisse connaître son état, soit par exemple sa vitesse, son altitude, son orientation dans l’espace. En plus, il doit aussi connaître l’état des différents moteurs (réacteurs, ailerons, élévateurs, …).

Dans un prochain billet, je détaillerai les capteurs présents sur un avion de ligne.

Les actionneurs

Pour réaliser ses objectifs, l’autopilote a également besoin de moyens pour changer l’état de l’avion : les actionneurs. En effet, en plus d’être bête, incapable de mesurer l’état de son environnement, il ne peut pas non plus modifier ce dernier. Grâce aux actionneurs, l’autopilote peut modifier l’état de l’avion afin qu’il puisse relier les consignes données par le pilote à l’état de l’avion mesuré par les différents capteurs.

Un avion de ligne standard a deux ou quatre réacteurs permettant de changer la vitesse de l’avion, un aileron au bout de chaque aile permettant d’incliner l’avion vers la gauche ou la droite pour effectuer les virages, un empennage horizontal (la petite paire d’ailes à l’arrière du fuselage) permettant à l’avion de monter ou descendre et un empennage vertical permettant à l’avion de tourner « horizontalement ». Chaque manoeuvre (virage, montée, descente, etc.) est une savante combinaison de plusieurs de ses actionneurs. Sur papier cela semble compliqué, mais une fois derrière le manche à balais d’un avion, cela fait plus de sens.

La logique

Maintenant que l’on sait ce que l’on veut de l’autopilote, qu’on lui a donné les moyens de mesurer son environnement et de le modifier, il faut réfléchir à une logique pour relier le tout.

C’est le domaine de l’automatique qui pose le cadre théorique mathématique. L’algorithme le plus connu est appelé contrôleur PID et est composé de trois parts nommées Proportionnel, Intégral et Dérivée (d’où le nom).

La partie proportionnelle calcule l’erreur entre la commande désirée (par exemple une altitude de croisière) et la valeur actuelle mesurée (par exemple l’altitude actuelle de l’avion). Une commande proportionnelle à cette erreur est envoyée aux actionneurs.

La partie intégrale additionne les erreurs au cours du temps. On peut montrer que ce terme permet d’annuler ce qu’on appelle les erreurs statiques.

Quant à la partie dérivée, elle calcule la variation de l’erreur au cours du temps. Cette partie a un effet de stabilisation ou d’amortissement du contrôle.

A la fin, la commande envoyée aux actionneurs est une combinaison pondérée de ces trois effets. Toute la science consiste à trouver la meilleure pondération possible entre les trois termes pour que l’avion se comporte le mieux à la fin. 

Exemple

Pour illustrer le principe, prenons un exemple de contrôle d’altitude. Le pilote souhaite changer son altitude de croisière. Il envoie donc la nouvelle altitude désirée à l’autopilote. L’autopilote connaît son altitude grâce à une fusion intelligente des informations qui lui proviennent du GPS, du capteur de pression et des capteurs inertiels (capteurs mesurant les accélérations et les vitesses angulaires de l’avion). Finalement, l’algorithme de contrôle calcule et envoie la nouvelle position aux actionneurs, dans ce cas-ci, les élévateurs. Ensuite le procédé se répète à intervalle de temps régulier (de l’ordre de quelques millisecondes) avec la nouvelle mesure d’altitude.

Conclusion

En conclusion, on remarque que le développement d’un autopilote est une tâche compliquée, réunissant de nombreux domaines scientifiques. La même analyse peut être faite pour une voiture automatique, un drone ou même le métro M2 de Lausanne.

Du même auteur

Les newsletters de Bilan

Le cercle des lecteurs

Le Cercle des Lecteurs est une plate-forme d'échanger sur tout ce qui touche votre magazine. C'est le reflet de vos opinions, et votre porte-parole le plus fidèle. Plus d'info

Image Footer

"Tout ce qui compte.
Pour vous."