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Drone marin de surface et procédé de caractérisation d'un milieu subaquatique
mis en oeuvre par un tel drone
DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION
La présente invention concerne de manière générale les bateaux sans
équipage adaptés à se déplacer de manière autonome ou via un pilotage à
distance.
Elle concerne également un procédé d'exploration d'un milieu
subaquatique.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Les bateaux sans équipage adaptés à se déplacer de manière autonome
ou via un pilotage à distance, appelés aussi drones marins de surface , ou
drones bateaux , connaissent actuellement un fort développement.
Ces drones marins, également appelés unmanned surface
vehicule en anglais (c'est-à-dire véhicules de surface sans équipage), sont
en
particulier utilisés à des fins militaires, pour éviter d'exposer la vie d'un
pilote.
Ils sont également utilisés à des fins océanographiques, car, de par leur
mobilité, ils permettent une caractérisation plus complète d'un environnement
marin qu'une bouée d'observation fixe. En outre, réaliser une série
d'observations
au moyen d'un tel drone est généralement moins couteux que de recourir à un
navire d'exploration classique, manoeuvré par un équipage.
Pour pouvoir mesurer une profondeur d'une colonne d'eau située sous
un tel drone marin de surface, ou pour détecter la présence de poissons dans
cette colonne d'eau, il est connu de l'équiper avec un sonar de type mono-
faisceau, c'est-à-dire à un seul émetteur, simple et léger. L'article Fish
findings
with autonomous surface vehicules for the pelagic fisheries , de R. Hauge et
al.
(Oceans 2016 MTS/IEEE Monterey, pages 1 à 5), par exemple, décrit un petit
voilier autonome (sans équipage), équipé d'un unique émetteur, faiblement
consommateur, disposé à l'extrémité inférieure d'une quille du voilier.
Il est connu aussi d'équiper un bateau sans équipage avec un sonar
multifaisceaux (à plusieurs émetteurs et plusieurs récepteurs) permettant
d'obtenir
des données de profondeur pour toute une ligne de mesure perpendiculaire à
l'axe longitudinal de la coque du bateau, et donc perpendiculaire à la
direction de
marche de ce bateau. Cela est toutefois nettement plus contraignant que
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d'employer un sonar mono-faisceau car la forme de la coque doit alors être
adaptée pour installer une antenne ultrasonore multifaisceaux, et car cela
augmente nettement la consommation énergétique du bateau.
Un tel sonar multifaisceaux comprend classiquement un ensemble
d'émetteurs sonores ou ultrasonores, répartis le long de l'axe longitudinal du
bateau. Ces émetteurs émettent un ensemble d'ondes sonores (ou ultrasonores)
suivant des directions d'émissions respectives coplanaires, contenue dans un
plan
d'émission perpendiculaire à l'axe longitudinal du bateau. Autrement formulé,
ces
ondes sonores sont émises de manière directive, formant ensemble une nappe (la
fauchée ) qui s'étend sous le bateau, à l'aplomb de celui-ci. Ces directions
d'émission couvrent un secteur angulaire donné, présentant généralement une
ouverture de plusieurs dizaines de degrés. Les ondes sonores émises par le
sonar
atteignent différents points du fond marin, situés le long de la ligne de
mesure
précitée. Des récepteurs, adaptés à détecter des ondes sonores réfléchies par
le
fond, permettent alors d'obtenir des données de profondeur pour différents
points
de cette ligne de mesure. Ces récepteurs sont disposés plus précisément le
long
d'une ligne perpendiculaire à l'axe longitudinal du bateau, ce qui permet, en
combinant les signaux qu'ils reçoivent, de déterminer de quel point de la
ligne de
mesure provient une onde sonore rétro-réfléchie donnée.
Un tel sonar multifaisceaux classique permet, lorsque le bateau se
déplace (en ligne droite), d'obtenir, ligne par ligne, une image
bidimensionnelle
représentative de la topographie du fond marin considéré.
OBJET DE L'INVENTION
Dans ce contexte, la présente invention propose un drone marin de
surface comprenant un sonar embarqué, le sonar, du type multifaisceaux,
comportant une pluralité d'émetteurs d'ondes sonores disposés le long d'un
premier axe et une pluralité de récepteurs d'ondes sonores disposés le long
d'un
deuxième axe qui n'est pas parallèle au premier axe.
Selon l'invention, le drone marin comprend en outre :
- un système de pilotage du sonar configuré pour commander, pour une
position donnée du drone marin, une pluralité d'émissions successives d'ondes
sonores,
le système de pilotage pilotant les différents émetteurs, à chaque
émission, par une pluralité respective de signaux d'émission, chaque signal
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d'émission présentant une amplitude et un décalage temporel par rapport à un
signal de référence,
le système de pilotage faisant varier les amplitudes ou les décalages
temporels respectifs desdits signaux d'émission, au cours de ladite pluralité
d'émissions, conformément à une séquence de variation d'émission
prédéterminée, l'ensemble des ondes sonores émises au cours de ladite
pluralité
d'émissions couvrant un volume d'observation donné, et
- une unité d'acquisition configurée pour :
- acquérir, pour chacune desdites émissions, des signaux d'écho
captés par les récepteurs du sonar en réponse à l'émission considérée, et pour
- déterminer, à partir des signaux d'écho acquis en réponse à ladite
pluralité d'émissions, une image tridimensionnelle représentative du contenu
du
volume d'observation.
A la différence d'un sonar multifaisceaux classique tel que présenté en
préambule, avec le sonar multifaisceaux équipant le drone selon l'invention,
il est
possible d'obtenir une image tridimensionnelle représentative du contenu du
volume d'observation, depuis une position donnée du drone, sans nécessiter
pour
cela qu'il ne se déplace.
Actuellement, les sonars multifaisceaux permettant de déterminer une
image tridimensionnelle d'un environnement subaquatique depuis une position
fixe
sont, du fait de leur niveau de perfectionnement élevé, encombrants, lourds,
consommateurs d'énergie, et parfois couteux. Ces caractéristiques les
destinent
ainsi aux navires d'exploration ou de pèche de fort tonnage.
Le fait qu'un drone marin de surface soit généralement de petite taille,
mais, en revanche, particulièrement mobile, incite donc à l'équiper d'un sonar
mono-faisceau, ou d'un sonar multifaisceaux classique adapté seulement à
relever des données de profondeur le long d'une ligne de mesure, une image de
l'environnement subaquatique considéré étant alors obtenue par déplacement du
drone, comme expliqué en préambule.
Pourtant, la demanderesse propose d'équiper un tel drone marin avec le
sonar multifaisceaux précité, configuré pour relever, depuis une position fixe
du
drone, une image tridimensionnelle de son environnement subaquatique.
La réalisation de ce drone marin est difficile techniquement, pour les
raisons mentionnées plus haut. Mais, en contrepartie, ce drone s'avère
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particulièrement utile pour surveiller et caractériser un environnement
subaquatique. En effet, il permet de réaliser une telle caractérisation :
- de manière discrète, grâce à la petite taille du drone et à sa capacité
d'imagerie sonar tridimensionnelle sans déplacement,
- et ce depuis une position d'observation de cet environnement optimale.
En particulier, le drone marin de surface selon l'invention permet de
détecter, surveiller et caractériser un banc de poissons, sans le perturber,
depuis
une position optimale, située par exemple au centre de ce banc de poissons.
C'est
en effet généralement au centre d'un tel banc que le type de poissons
rencontrés,
leur concentration et leur comportement sont les plus représentatifs de
l'ensemble
du banc.
L'invention trouve ainsi une application particulièrement intéressante
dans le cadre d'une étude océanographique comme la détermination de propriétés
morphologiques et dynamiques du banc observé, ou pour un repérage
préliminaire à une opération de pèche.
D'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du drone marin de
surface conforme à l'invention, prises séparément ou selon toutes les
combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- le sonar est configuré pour qu'un rapport d'aspect du volume
d'observation, égal à la dimension la plus petite du volume d'observation
divisée
par la dimension la plus grande du volume d'observation, soit supérieur à 0,2
;
- la dimension externe la plus grande du drone marin est inférieure à 2
mètres ;
- les émetteurs et récepteurs du sonar sont intégrés à la coque du drone
marin de surface ;
- le sonar comprend une unité de commande électronique des émetteurs
et des récepteurs logée dans la cale du drone marin de surface ;
- le système de pilotage est adapté en outre pour, préalablement à ladite
pluralité d'émissions d'ondes sonores, commander un déplacement du drone
marin de surface jusqu'à ladite position donnée ;
- le système de pilotage est adapté en outre pour :
- détecter un banc de poissons par traitement de ladite image
tridimensionnelle,
- commander un déplacement du drone marin de surface jusqu'à une
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autre position, située au droit du banc de poissons, et pour ensuite
- commander à nouveau ladite pluralité d'émissions successives
d'ondes sonores, le drone marin étant situé à ladite autre position, l'unité
d'acquisition acquérant, pour chacune desdites émissions, les signaux d'écho
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captés par les récepteurs du sonar en réponse à l'émission considérée, et
déterminant, à partir des signaux d'écho acquis en réponse à ladite pluralité
d'émissions, une autre image tridimensionnelle représentative du contenu du
volume d'observation ;
- le système de pilotage est adapté en outre pour déterminer une donnée
représentative dudit banc de poissons, autre qu'une position d'un centre du
banc
de poissons, en fonction de ladite autre image tridimensionnelle ;
- le système de pilotage est adapté en outre pour localiser, en fonction
de ladite image tridimensionnelle, un centre du banc de poissons ;
- ladite autre position est située au droit du centre du banc de poissons ;
- les décalages temporels respectifs desdits signaux d'émission, variant
conformément à ladite séquence d'émissions, sont tels que :
- pour chacune desdites émissions d'ondes sonores, la puissance
sonore émise soit concentrée, par interférence entre les ondes sonores émises,
dans un plan d'émission,
- entre chacune desdites émissions et l'émission suivante, le plan
d'émission pivote autour d'un axe de balayage,
- au cours de ladite pluralité d'émissions d'ondes sonores, le plan
d'émission balaye, du fait desdits pivotements, l'ensemble du volume
d'observation ;
- les émetteurs du sonar sont au nombre de N.
On peut prévoir alors que ladite pluralité d'émissions d'ondes sonores est
associée, dans une mémoire du système de pilotage, à une pluralité respective
de
lignes d'une matrice de rang N, et pour chacune desdites émissions d'ondes
sonores, les amplitudes respectives desdits signaux d'émission sont
proportionnelles aux coefficients de la ligne de la matrice de de rang N
associée à
l'émission considérée.
Cette disposition permet généralement de relever une image
tridimensionnelle du contenu du volume d'observation avec une cadence plus
élevée (c'est-à-dire en un temps plus court) que par balayage d'un plan
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d'émission.
La base d'émission, c'est-à-dire la matrice de rang N considérée, peut
correspondre notamment à
- une matrice de Hadamard de rang N, ou à
- une matrice diagonale de rang N.
On peut prévoir aussi que le premier axe et le deuxième axe soient
séparés par un angle compris entre 60 degrés et 90 degrés, que
- les émetteurs soient répartis, le long du premier axe, sur au moins 20
centimètres de long, voire sur au moins 50 centimètres de long, et que
- les récepteurs soient répartis, le long du deuxième axe, sur au moins
centimètres de long, voire sur au moins 50 centimètres de long.
L'invention prévoit également un procédé de caractérisation d'un
environnement subaquatique mis en oeuvre par un drone marin de surface
comprenant un sonar embarqué, le sonar, du type multifaisceaux, comportant une
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pluralité d'émetteurs d'ondes sonores disposés le long d'un premier axe et une
pluralité de récepteurs d'ondes sonores disposés le long d'un deuxième axe qui
n'est pas parallèle au premier axe.
Selon l'invention, au cours du procédé :
- un système de pilotage du sonar commande, pour une position donnée
20 du drone marin, une pluralité d'émissions successives d'ondes sonores,
le système de pilotage pilotant les différents émetteurs, à chaque
émission, par une pluralité respective de signaux d'émission, chaque signal
présentant une amplitude et un décalage temporel par rapport à un signal de
référence,
le système de pilotage faisant varier les amplitudes ou les décalages
temporels respectifs desdits signaux d'émission, au cours de ladite pluralité
d'émissions, conformément à une séquence de variation d'émission
prédéterminée, l'ensemble des ondes sonores émises au cours de ladite
pluralité
d'émissions couvrant un volume d'observation donné,
- une unité d'acquisition acquiert, pour chacune desdites émissions, des
signaux d'écho captés par les récepteurs du sonar en réponse à l'émission
considérée, et
- l'unité d'acquisition détermine, à partir des signaux d'écho acquis en
réponse à ladite pluralité d'émissions, une image tridimensionnelle
représentative
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du contenu du volume d'observation.
D'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de ce procédé
sont les suivantes :
- un rapport d'aspect du volume d'observation, égal à la dimension la
plus petite du volume d'observation divisée par la dimension la plus grande du
volume d'observation, est supérieur à 0,2 ;
- au cours du procédé, le système de pilotage commande en outre,
préalablement à ladite pluralité d'émissions d'ondes sonores, un déplacement
du
drone marin de surface jusqu'à ladite position donnée ;
- au cours du procédé, le système de pilotage :
- détecte un banc de poissons par traitement de ladite image
tridimensionnelle,
- commande un déplacement du drone marin de surface jusqu'à une
autre position située au droit du banc de poissons, et ensuite,
- commande à nouveau ladite pluralité d'émissions successives d'ondes
sonores, le drone marin étant situé à ladite autre position, l'unité
d'acquisition
acquérant, pour chacune desdites émissions, les signaux d'écho captés par les
récepteurs du sonar en réponse à l'émission considérée, et déterminant, à
partir
des signaux d'écho acquis en réponse à ladite pluralité d'émissions, une autre
image tridimensionnelle représentative du contenu du volume d'observation;
- le procédé comprend en outre une étape de détermination d'une
donnée représentative dudit banc de poissons, autre qu'une position d'un
centre
du banc de poissons, en fonction de ladite autre image tridimensionnelle ;
- au cours du procédé, le système de pilotage localise, en fonction de
ladite image tridimensionnelle, le centre du banc de poissons ;
- ladite autre position est située au droit du centre du banc de poissons ;
- l'unité de pilotage détermine, en fonction de ladite image
tridimensionnelle, les positions respectives d'une pluralité de points situés
sur le
pourtour du banc de poissons, et détermine une position du centre du banc de
poissons en fonction des positions de ces points ;
- la séquence des étapes de:
- commande de ladite pluralité d'émissions successives d'ondes
sonores, et, pour chacune desdites émissions, acquisition des signaux d'écho
captés par les récepteurs du sonar en réponse à l'émission considérée, puis
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détermination, à partir des signaux d'écho acquis en réponse à ladite
pluralité
d'émissions, d'une image tridimensionnelle représentative du contenu du volume
d'observation,
- localisation du centre du banc de poissons, et
- en cas de décalage du drone marin par rapport au centre du banc
de poissons, déplacement du drone marin jusqu'au droit du centre du banc de
poissons,
est exécutée plusieurs fois successivement ;
- les décalages temporels respectifs desdits signaux d'émission, variant
conformément à ladite séquence d'émissions, sont tels que:
- pour chacune desdites émissions d'ondes sonores, la puissance
sonore émise est concentrée, par interférence entre les ondes sonores émises,
dans un plan d'émission,
- entre chacune desdites émissions et l'émission suivante, le plan
d'émission pivote autour d'un axe de balayage,
- au cours de ladite pluralité d'émissions d'ondes sonores, le plan
d'émission balaye, du fait desdits pivotements, l'ensemble du volume
d'observation.
On peut prévoir aussi que, les émetteurs du sonar étant au nombre de N,
et ladite pluralité d'émissions d'ondes sonores étant associée, dans une
mémoire
du système de pilotage, à une pluralité respective de lignes d'une matrice de
rang
N, pour chacune desdites émissions d'ondes sonores, les amplitudes respectives
desdits signaux d'émission sont proportionnelles aux coefficients de la ligne
de la
matrice de rang N associée à l'émission considérée.
Ce mode d'émission est notamment mis en oeuvre pour relever une
image tridimensionnelle du contenu du volume d'observation en un temps plus
court que par balayage d'un plan d'émission.
La base d'émission, c'est-à-dire la matrice de rang N considérée, peut
correspondre notamment à une matrice de Hadamard de rang N. En variante, elle
pourrait correspondre à une matrice diagonale de rang N ou à tout autre type
de
matrice de rang N, plutôt qu'a une matrice de Hadamard de rang N.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à
titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste
l'invention et
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comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- la figure 1 représente schématiquement, vu de côté, un drone marin de
surface mettant en oeuvre les enseignements de l'invention,
- la figure 2 représente schématiquement le drone marin de surface de la
figure 1, vu de dessous,
- la figure 3 représente schématiquement des caractéristiques d'un
premier mode de fonctionnement d'un sonar du drone marin de la figure 1 ;
- les figures 4, 5 et 6 représentent schématiquement un ensemble
d'ondes sonores émises, selon ce premier mode de fonctionnement, par le sonar
du drone marin de la figure 1, vu respectivement de l'avant (de face), de
côté, et
de dessus,
- les figure 7 à 9 représentent schématiquement trois émissions
successives d'ondes sonores réalisées conformément à un autre mode de
fonctionnement d'un sonar du drone marin de la figure 1 ;
- la figure 10 représente schématiquement les principales étapes d'un
procédé de caractérisation d'un environnement subaquatique, mis en oeuvre par
le
drone marin de la figure 1,
- la figure 11 représente schématiquement, vu de dessus, un banc de
poissons détecté par le drone marin au cours du procédé de la figure 10,
- la figure 12 représente schématiquement, vu de dessus, des positions
occupées successivement par le drone marin au cours du procédé de la figure
10,
et
- la figure 13 représente schématiquement, vu de dessus, un banc de
poissons situé partiellement dans le volume d'observation du drone marin de
surface.
La figure 1 représente schématiquement les principaux éléments d'un
drone marin 1 de surface muni d'un sonar 10 multifaisceaux perfectionné, qui,
de
manière remarquable, est apte à sonder l'environnement subaquatique E du drone
de manière tridimensionnelle, sans que le drone n'ait à se déplacer pour cela.
Le drone marin 1 comprend une coque 2, ici de forme allongée selon un
axe longitudinal x (dirigé de la poupe vers la proue du drone marin 1).
Lorsque le drone marin se déplace en ligne droite, sa direction de
marche coïncide avec cet axe longitudinal x, effets de dérive mis à part.
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Comme le drone marin 1 est sans équipage, il peut être de petite taille.
Sa dimension externe la plus grande, qui correspond ici à la longueur totale L
de
sa coque 2, est ainsi inférieure à 2 mètres. Ici, elle est plus précisément
comprise
en 0,6 mètre et 1,5 mètre.
5 Du fait de ses dimensions réduites, le drone marin est
particulièrement
discret. Il permet donc avantageusement de surveiller et/ou caractériser un
milieu
subaquatique sans le perturber. Sa petite taille le rend en outre très
maniable,
apte à suivre les déplacements d'espèces subaquatiques.
Le sonar 10 du drone marin, dont les caractéristiques de fonctionnement
10 seront décrites plus loin, comprend une pluralité de transducteurs 12,
et une unité
de commande 11 électronique de ces transducteurs 12.
Les transducteurs 12 sont adaptés à émettre des ondes sonores dans le
milieu subaquatique environnant le drone marin 1 et à recevoir des ondes
sonores
réfléchies provenant de ce milieu. Chacun de ces transducteurs (12) est donc
adapté ici à fonctionner aussi bien en tant qu'émetteur qu'en tant que
récepteur.
L'expression ondes sonores désigne des ondes acoustiques de fréquences
quelconques, qu'elles soient situées dans le domaine audible ou dans le
domaine
des ultrasons.
Leur unité de commande 11 peut comprendre des convertisseurs
numérique-analogique (pour les transducteurs fonctionnant en émission) et
analogique-numérique (pour les transducteurs fonctionnant en réception), ainsi
que des amplificateurs et filtres électroniques adaptés pour mettre en forme
des
signaux d'émission à émettre, ou des signaux d'écho captés par ces
transducteurs.
Les transducteurs 12 sont disposés en croix (figure 2) :
- certains transducteurs sont disposés les uns à la suite des autres le
long d'une première branche 13 de la croix, tandis que
- les autres transducteurs sont disposés les uns à la suite des autres le
long d'une deuxième branche 14 de la croix, perpendiculaire à sa première
branche 13 (disposition dite en croix de Mills ).
La première branche 13 de la croix est ici parallèle à l'axe longitudinal x
du drone marin 1, tandis que sa deuxième branche 14 est parallèle à un axe
transversal y au drone. Cet axe transversal y, perpendiculaire à l'axe
longitudinal
x, est parallèle au pont du drone marin.
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Les première et deuxième branches 13, 14 s'étendent préférentiellement
sur plus de 20 centimètres, ici sur plus de 50 centimètres, pour que le sonar
dispose d'une résolution angulaire élevée.
Habituellement, les transducteurs d'un sonar multifaisceaux et leur unité
de commande sont logés dans une coque de protection du sonar, destinée à être
immergée, cette coque de protection étant par exemple tramée derrière un
navire
ou logée contre la coque du navire.
Ici, au contraire, les transducteurs 12 sont intégrés à la coque 2 du drone
marin 1, tandis leur unité de commande 11 est logée dans la cale 3 du drone,
isolée du milieu marin (c'est-à-dire dans le volume intérieur du drone
délimité par
sa coque 2). Autrement formulé, la coque 2 du drone marin rempli le rôle de
carter
de protection du sonar.
Cette disposition permet de s'affranchir d'une coque de protection
spécifique au sonar, ce qui allège considérablement le drone marin. Une
flottabilité
suffisante du drone marin peut ainsi être atteinte, bien que le drone soit
équipé du
sonar 10 multifaisceaux précité, intrinsèquement complexe et lourd.
Dans l'exemple de réalisation décrit ici, les transducteurs 12 sont
maintenus ensemble par une pièce de support 15 elle-même insérée dans un
logement 21 peu profond ménagé dans la coque 2. Cette pièce de support 15
facilite la manipulation des transducteurs 12, et leur intégration à la coque
2 du
drone marin. Elle permet aussi de tester de manière commode le fonctionnement
de l'antenne du sonar, qui est constituée par l'ensemble de ces transducteurs
12,
préalablement à l'intégration de cette antenne à la coque 2 du drone marin 1.
Les transducteurs 12 sont connectés électriquement à leur unité de
commande 11.
Le drone marin 1 comprend aussi :
- des moyens de propulsion 5, tels qu'un moteur entrainant une hélice
immergée,
- un capteur inertiel 6 comportant notamment un gyromètre,
- un module de communication 7 adapté à échanger des données par
une liaison sans fil, tel qu'un module d'émission et de réception d'ondes
radio, et
- une unité électronique de navigation 4, adaptée à piloter le sonar 10,
les moyens de propulsion 5, et le module de communication 7.
L'unité électronique de navigation 4 comprend notamment un système
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de pilotage 41 du sonar, et une unité d'acquisition 42 des données issues du
sonar. L'unité électronique de navigation 4 est réalisée au moyen d'un ou
plusieurs processeurs et d'au moins une mémoire. Elle est logée dans la cale 3
du
drone marin.
De manière remarquable, le système de pilotage 41 du sonar 10 est
configuré pour commander, pour une position Pi, P2, P3 donnée du drone marin
1 (figure 12), une pluralité d'émissions successives d'ondes sonores,
le système de pilotage 41 pilotant les différents émetteurs 12, à
chaque émission, par une pluralité respective de signaux d'émission Si, S2,
S3,
S4, ... chaque signal d'émission présentant une amplitude Ai, A2, A3, A4, ...
et
un décalage temporel Atl , At2, At3, At4, ... par rapport à un signal de
référence
Sref (figures 3 et 7),
le système de pilotage 41 faisant varier les amplitudes Ai, A2, A3,
A4, ... ou les décalages temporels Atl , At2, At3, At4, ... respectifs desdits
signaux
d'émission 51, S2, S3, S4, au cours de ladite pluralité d'émissions,
conformément
à une séquence de variation d'émission prédéterminée, l'ensemble des ondes
sonores émises au cours de ladite pluralité d'émissions couvrant un volume
d'observation V donné.
L'unité d'acquisition 42 est configurée quant à elle pour :
- acquérir, pour chacune desdites émissions, des signaux d'écho
captés par les récepteurs 12 du sonar 10 en réponse à l'émission considérée,
et
pour
- déterminer, à partir des signaux d'écho acquis en réponse à ladite
pluralité d'émissions, une image tridimensionnelle représentative du contenu
du
.. volume d'observation V.
Commander cette pluralité d'émissions successives, les caractéristiques
des ondes sonores émises variant de l'une de ces émissions à la suivante,
permet
avantageusement de déterminer cette image tridimensionnelle, sans que le drone
marin 10 n'ait à se déplacer pour cela.
Plusieurs modes de fonctionnement du sonar, caractérisés chacun par
une séquence de variation d'émission qui lui est propre, sont envisageables.
Un premier mode de fonctionnement du sonar 10 est décrit maintenant,
en référence, aux figures 3 à 6.
Dans ce premier mode de fonctionnement, les décalages temporels Atl ,
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At2, At3, At4,... respectifs des signaux d'émission Si, S2, S3, S4, ...
pilotant les
émetteurs 12 sont tels que, pour chacune desdites émissions d'ondes sonores,
la
puissance sonore émise est concentrée, par interférence entre les ondes
sonores
émises, dans un plan d'émission P.
A chaque émission, la puissance émise est donc émise de manière
directive, les ondes sonores émises formant ensemble une nappe d'ondes
sonores, ou fauchée , peu épaisse (ici peu épaisse selon l'axe transversal
y,
comme illustré par les figures 4 et 5).
Au cours de la séquence d'émissions successives, qui permet de relever
l'image tridimensionnelle précitée, les décalages temporels At1, At2, At3,
At4,...respectifs desdits signaux d'émission varient de manière à ce que le
plan
d'émission P pivote autour d'un axe de balayage, de l'une des émissions
d'ondes
sonores à la suivante.
Au cours de cette séquence d'émissions, du fait de ces pivotements, le
plan d'émission P balaye l'ensemble du volume d'observation V.
Les caractéristiques de ce premier mode fonctionnement sont décrites
tout d'abord pour l'une desdites émissions. Le balayage du plan d'émission P,
qui
permet de relever l'image tridimensionnelle précitée, est décrit ensuite.
L'émission d'ondes sonores est réalisée par la deuxième branche 14 de
transducteurs 12, qui s'étend transversalement par rapport au drone marin 1.
Pour chaque émission d'ondes sonores, les signaux d'émissions Si,
S2, S3, S4, ... sont produits à partir d'un même signal de référence Sref,
auquel
sont appliqués des décalages temporels At1, At2, At3, At4,... respectifs.
Ces décalages temporels At1, At2, At3, At4,... sont proportionnels aux
positions respectives des émetteurs 12, le long de l'axe transversal y. Le
plan
d'émission P, dans lequel les ondes sonores émises interfèrent
constructivement,
s'étend alors longitudinalement par rapport au drone marin.
Lorsque ces décalages temporels At1, At2, At3, At4,... présentent tous la
même valeur (par exemple une valeur nulle), les ondes sonores sont émises en
phase et interfèrent constructivement dans le plan (x,z) qui s'étend sous le
drone
marin 1, à l'aplomb de celui-ci. Autrement formulé, le plan d'émission P
correspond alors au plan (x,z).
En revanche, lorsque ces décalages temporels At1, At2, At3, At4,...
présentent des valeurs distinctes, certaines des ondes sonores sont émises en
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avance, par rapport aux autres ondes sonores, si bien que le plan d'émission P
dans lequel ces ondes sonores interfèrent constructivement est alors décalé
angulairement par rapport au plan (x,z), comme représenté schématiquement sur
les figures 3 et 4.L'angle l'inclinaison 6 du plan d'émission P du sonar,
formé entre
ce plan et l'axe vertical z (axe vertical descendant) est ainsi fixé par les
valeurs
des décalages temporels At1, At2, At3, At4,... .
L'onde sonore globale, formée par l'ensemble des ondes sonores émises
(c'est-à-dire par la somme de ces ondes), se propage dans le plan d'émission P
en couvrant un secteur angulaire S de ce plan dont l'ouverture angulaire a est
supérieure à 60 degrés, et peut par exemple atteindre 120 degrés (figure 5).
Dans ce premier mode de fonctionnement, les transducteurs 12 de la
deuxième branche 13, parallèle à l'axe longitudinal x, fonctionnent en
réception. Ils
permettent de capter des ondes sonores réfléchies, à la manière d'un écho, par
des éléments de l'environnement subaquatique E atteints par la nappe d'ondes
sonores précitée.
Un instant de réception de cette onde sonore réfléchie indique la
distance entre l'élément réfléchissant et le sonar. Par ailleurs, sur la base
des
signaux d'écho reçus respectivement par les multiples transducteurs 12 de la
première branche 13, l'unité d'acquisition 42 (ou, en variante, l'unité de
commande
du sonar, ou encore le système de pilotage) détermine de quelle direction, à
l'intérieur du secteur angulaire S, provient une telle onde sonore réfléchie.
Cette
direction, combinée à la distance séparant l'élément réfléchissant et le
sonar,
permet de déterminer complètement la position de l'élément réfléchissant dans
le
plan d'émission P.
L'ensemble des signaux d'échos captés ainsi par les récepteurs 12, en
réponse à l'émission des ondes sonores décrite plus haut, permet donc
d'obtenir
une image bidimensionnelle, représentative du contenu de l'environnement
subaquatique E du drone dans le plan d'émission P. Ces signaux d'échos sont
acquis, par l'unité d'acquisition, pendant un intervalle temporel qui s'étend
entre
l'émission d'ondes sonores considérée, et l'émission d'ondes sonores suivante.
La résolution angulaire du sonar est fixée, perpendiculairement au plan
d'émission P, par l'ouverture angulaire 01 de la nappe d'ondes sonores émise.
Comme déjà indiqué, cette nappe est peu épaisse (l'émission est directive, du
fait
de l'extension, le long de l'axe transversal y, de la deuxième branche 14 de
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transducteurs 12) : son ouverture angulaire est, en pratique, comprise entre
0,5 et
5 degrés.
La résolution angulaire du sonar dans le plan d'émission P, 02,
(directivité du sonar en termes de réception) est comprise également entre 0,5
et
5 5 degrés.
Le sonar sonde donc, individuellement, le contenu de différentes zones
élémentaires ZO approximativement coniques (figure 6), appelées aussi
faisceaux , chacune d'ouvertures angulaires 01 et 02 (respectivement
perpendiculairement, et parallèlement au plan d'émission), réparties dans le
10 secteur angulaire S d'émission du sonar.
Un élément de l'environnement subaquatique E présent dans l'une de
ces zones élémentaires peut ainsi être détecté et localisé par rapport au
drone
marin. Une donnée liée à une surface équivalente de rétrodiffusion de
l'élément
détecté (généralement appelée scattering cross-section en anglais) est
aussi
15 déterminée par l'unité de commande 11 du sonar, sur la base notamment de la
puissance de l'onde sonore rétro-réfléchie par cet élément. Cette donnée peut
être
représentative d'une intensité de rétrodiffusion
volumique ( volume
backscattering strength en anglais) associée à cet élément, et/ou d'une
intensité
de rétrodiffusion, ponctuelle, de cet élément ( target strength en
anglais).
Le nombre de faisceaux distincts dont le contenu est ainsi sondé est
supérieur à 20. Dans le mode de réalisation considéré, il est plus précisément
égal
à 64.
L'élément détecté peut correspondre notamment à un ou plusieurs
poissons, ou à une parcelle du fond marin située sous le drone.
Le balayage du plan d'émission P, qui permet de passer d'une imagerie
bidimensionnelle telle que décrite ci-dessus, à une imagerie
tridimensionnelle,
peut maintenant être décrit.
Comme déjà indiqué, ce balayage est obtenu par une rotation du plan
d'émission P du sonar par rapport à l'axe de balayage. Cet axe de balayage est
ici
parallèle au pont du drone marin 1. L'axe de balayage est donc horizontal,
tout au
moins en l'absence de vagues, lorsque le drone est immobile.
Dans ce premier mode de fonctionnement, l'axe de balayage coïncide
plus précisément avec l'axe longitudinal x du drone marin 1.
De l'une des émissions d'ondes sonores à la suivante, pour faire pivoter
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le plan d'émission P autour de cet axe de balayage, le système de pilotage 41
fait
varier les décalages temporels At1, At2, At3, At4,... respectifs des
différents
signaux d'émission Si, S2, S3, S4, ... par rapport au signal de référence
Sref.
Au cours de la séquence d'émissions d'ondes sonores, qui permet de
relever l'image tridimensionnelle mentionnée plus haut, le système de pilotage
41
fait ainsi varier, l'angle l'inclinaison 6 du plan d'émission P entre deux
angles
d'inclinaison limite + 6max et ¨ 6max. En pratique, l'amplitude angulaire
26max de
ce balayage peut être supérieure à 60 degrés. Ici, elle peut atteindre 120
degrés.
L'image tridimensionnelle déterminée par l'unité d'acquisition 42, sur la
base des signaux d'écho acquis en réponse à cette séquence émissions d'ondes
sonores est représentative du contenu de chacune des zones élémentaires ZO du
volume d'observation V ainsi balayé. Cette image rassemble en particulier des
informations relatives aux positions (dans un repère à trois dimensions, tel
que le
repère (x,y,z) par exemple) et surfaces équivalentes de rétrodiffusion des
éléments contenus dans ce volume d'observation V.
Grâce à sa petite taille et à sa capacité d'imagerie sonar
tridimensionnelle sans déplacement, le drone marin 1 permet de surveiller et
caractériser un milieu subaquatique de manière discrète, sans le perturber, et
ce
depuis une position d'observation optimale.
En outre, moyennant une optimisation de la consommation énergétique
du sonar, cette image tridimensionnelle peut en pratique être obtenue pour une
consommation énergétique inférieure à celle nécessaire pour acquérir une telle
image par déplacement (à la surface de l'eau) d'un drone muni d'un sonar
multifaisceaux classique sans capacité de balayage.
L'ouverture a du secteur angulaire S d'émission du sonar, et l'amplitude
26max du balayage, toutes deux particulièrement grandes, permettent, même à
une faible profondeur sous le drone, de sonder une région très étendue
horizontalement, ce qui est très utile pour la détection et l'observation
d'espèces
aquatiques évoluant dans une colonne d'eau s'étendant sous le drone marin.
Vue la forme de la nappe d'ondes sonore émise par le sonar 10, le
volume d'observation V présente ici une forme globalement pyramidale (chacun
des côtés de la base de cette pyramide étant soit rectiligne, soit formé d'un
arc
d'hyperbole), avec, à son sommet, le sonar 10. Ce volume est limité
verticalement
par le fond marin, ou si le milieu aquatique est très profond, par la portée
du sonar
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(supérieure ici à 500 mètres).
Compte tenu des valeurs pouvant être présentées par l'ouverture a du
secteur angulaire S d'émission, et par l'amplitude 26max du balayage, le
rapport
d'aspect du volume d'observation V, égal à sa dimension la plus petite (par
exemple, sa hauteur), divisée par sa dimension la plus grande (par exemple sa
longueur), peut ici être supérieur à 0,2. Dans un plan horizontal, le rapport
entre la
largeur et la longueur du volume d'observation (dimensions de ce volume,
respectivement selon l'axe transversal y, et selon l'axe longitudinal x) peut
quant à
lui être supérieur à 0,5. Le volume d'observation présente alors une extension
comparable dans toutes les directions du plan horizontal, sans privilégier
arbitrairement une direction d'observation donnée.
Les zones élémentaires ZO du volume d'observation V mentionnées ci-
dessus correspondent à des zones approximativement coniques, tels que définies
précédemment, décalées angulairement les unes par rapport aux autres autour de
l'axe transversal y, et aussi, grâce au balayage précité, autour de l'axe
longitudinal
x.
Lorsque l'angle d'inclinaison 6 du plan d'émission P est proche de l'un
des angles d'inclinaison limite 6max, l'empreinte sur le fond marin de la
nappe
formée par l'ensemble des ondes sonores émises peut être légèrement incurvée,
de forme hyperbolique, au lieu d'être rectiligne. Le plan d'émission P du
sonar
correspond alors au plan moyen défini par cette nappe d'ondes sonores (qui se
propage le long d'une surface légèrement incurvée au lieu d'être plane, dont
l'intersection avec le fond marin est l'empreinte hyperbolique mentionnée ci-
dessus).
Le balayage de l'angle d'inclinaison 6 peut être réalisé très finement : cet
angle peut par exemple prendre successivement jusqu'à 64 valeurs différentes
réparties entre les angles d'inclinaisons limite 6max ;64 émissions
successives
d'ondes sonores sont alors nécessaires pour obtenir une image
tridimensionnelle
du volume d'observation V.
Cependant, la durée nécessaire pour obtenir une telle image augmente
avec le nombre d'émissions effectuées pour obtenir cette image. En effet, deux
émissions d'une telle séquence doivent être séparées par une durée minimale,
correspondant approximativement à la durée de propagation aller et retour
d'une
onde sonore sur toute la hauteur du volume d'observation.
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Pour réduire la durée nécessaire pour obtenir une telle image, le
système de pilotage 41 peut donc être programmé pour commander un balayage
plus sommaire du volume d'observation V, dans lequel l'angle d'inclinaison i3
présente successivement au plus 10 valeurs différentes (et au minimum 2)
réparties entre les angles d'inclinaisons limite 6max. L'image du volume
d'observation V obtenue ainsi est moins détaillée (elle est néanmoins
suffisante
pour certaines applications, par exemple pour une première localisation d'un
banc
de poissons). En contrepartie, ce fonctionnement simplifié permet de réduire
la
consommation électrique du sonar 10 et d'améliorer ainsi l'autonomie du drone
marin 1.
Le système de pilotage 41 est configuré par ailleurs pour, en cas de
détection d'un élément situé à faible profondeur sous le drone marin 1,
piloter une
focalisation, sur cet élément, des ondes sonores émises par les transducteurs.
Cette focalisation permet notamment de compenser différents effets
parasites (causés par de la diffraction de Fresnel par exemple) qui, dans la
zone
dite de champ proche située immédiatement sous le drone marin 1 (cette zone
s'étend ici sur une dizaine de mètres sous le drone), pourraient perturber le
fonctionnement du sonar 10. Cette focalisation permet notamment de conserver
un caractère fiable et calibré aux mesures précitées d'intensité de
rétrodiffusion,
même à faible profondeur, à partir de 1 mètre sous le drone marin 1. Le drone
marin 1, qui est adapté de par sa petite taille à approcher des espèces
évoluant à
faible profondeur, sans les perturber, permet donc ensuite une observation et
caractérisation précise de telles espèces.
La focalisation précitée peut par exemple être réalisée au moyen d'un
module de focalisation (non représenté) de l'unité de commande 11
introduisant,
entre les signaux transmis respectivement aux différents transducteurs 12
et/ou
reçus de ceux-ci, des retards respectifs (variant quadratiquement en fonction
de la
position du transducteur considéré), appropriés pour focaliser les ondes
sonores
émises sur l'élément détecté, ou pour compenser des déphasages entre les
différents signaux reçus causés par le proximité de cet élément.
Par ailleurs, l'unité d'acquisition 42 (ou, en variante, l'unité de commande
11) est configurée pour, grâce au capteur inertiel 6, détecter des mouvements
parasites du drone marin 1, par exemple des mouvements de roulis ou de
tangage, et traiter les données acquises pour compenser l'influence de tels
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mouvements sur l'image tridimensionnelle obtenue.
Le sonar 10 est configuré par ailleurs pour fonctionner selon d'autres
modes de fonctionnement que le premier mode de fonctionnement qui vient d'être
décrit. Cette souplesse d'utilisation est permise notamment par le fait que
ses
transducteurs 12 peuvent fonctionner aussi bien en émission qu'en réception.
Ainsi, dans un deuxième mode de fonctionnement du sonar 10, similaire
au premier de fonctionnement, les transducteurs 12 de la première branche 13
de
la croix de Mills fonctionnent en émission, tandis que ceux de la deuxième
branche 14 fonctionnent en réception.
Ce deuxième mode de fonctionnement est comparable en tout point au
premier mode de fonctionnement, si ce n'est que :
- la nappe d'ondes sonores émises s'étend transversalement par rapport
au drone marin (au lieu de s'étendre longitudinalement par rapport à celui-
ci), et
que
- l'axe de balayage coïncide avec l'axe transversal y du drone marin 1.
Comme mentionné plus haut, lorsque l'image tridimensionnelle du
volume d'observation est relevée grâce à une rotation du plan d'émission
autour
de son axe de balayage, un compromis doit être trouvé entre la résolution de
cette
image et la durée nécessaire pour l'acquérir.
Un meilleur compromis entre résolution et durée d'acquisition peut être
trouvé en commandant les transducteurs 12 selon des schémas d'émission et de
réception plus élaborés, comme celui du troisième mode de fonctionnement
décrit
ci-dessous, en référence aux figures 7 à 9.
Ce troisième mode de fonctionnement peut notamment être employé
lorsque le nombre N d'émetteurs est égal à 2, où p est un nombre entier. Les
récepteurs sont également au nombre de N.
Pour chaque émission d'ondes sonores, les signaux d'émissions Si,
S2, S3, S4, ... sont produits à partir d'un même signal de référence Sref,
multiplié
par des gains gl , g2, g3, g4, ... respectifs (figure 7). Les signaux
d'émissions
présentent ainsi des amplitudes Ai, A2, A3, A4, ..., proportionnelles
respectivement aux gains gl , g2, g3, g4. Par ailleurs, ces signaux d'émission
ne
présentent pas de décalage temporel les uns par rapport aux autres (autrement
formulé, les décalages temporels Atl , At2, At3, At4,... de ces signaux par
rapport
au signal de référence Sref présentent tous la même valeur).
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Chaque séquence d'émissions d'ondes sonores, qui permet de relever
une image tridimensionnelle, comprend un nombre M d'émissions. Chacune de
ces émissions est repérée, dans cette séquence, par un indice entier (numéro
d'ordre) i, l'indice i variant de 1 à M.
5 Les
valeurs des gains g1(i), g2(i), ..., gN(i), i variant de 1 à M, appliqués
pour produire les signaux d'émission Si, S2, S3, S4, ... qui pilotent les
émetteurs
12 lors de cette séquence d'émissions, sont stockés dans une mémoire du
système de pilotage 41.
La séquence d'émissions est plus précisément associée, dans cette
10 mémoire, à une pluralité respective de lignes d'une matrice de rang N.
Ainsi, la i-ème émission de cette séquence est associée à la j-ème ligne
de cette matrice. Les valeurs des gains g1(i), g2(i), ..., gN(i), stockées
dans la
mémoire du système de pilotage, sont alors proportionnelles aux coefficients
de la
ligne numéro j de cette matrice de rang N. La séquence de variation d'émission
15 est
donc définie, dans ce troisième mode de fonctionnement, par la donnée des M
lignes de la matrice de rang N associées respectivement aux M émissions de
chaque séquence d'émissions.
Dans ce troisième mode de fonctionnement, différentes matrices de rang
N, c'est-à-dire différentes bases d'émission, peuvent être envisagées.
20 De
préférence, la base d'émission employée est celle dite de Hadamard,
pour laquelle la matrice de rang N mentionnée ci-dessus est la matrice de
Hadamard de rang N.
On peut prévoir par exemple que l'émission numéro i soit associée à la
ligne numéro ide cette matrice de Hadamard, soit j=i.
A titre d'exemple, on pourrait prévoir aussi, en variante, que: j=1 pour
i=1, et que j=2i-1 pour i> 1.
A titre d'illustration, un exemple simplifié de séquence d'émission est
représenté sur les figures 7 à 9, pour N=4 émetteurs et M=3 émissions :
- pour la première émission d'ondes sonores (i=1), associée à la ligne 1
(j=1) de la matrice de Hadamard de rang 4 (figure 7) :
g1(1) = 1 ; g2(1) = 1 ; g3(1) = 1 ; g4(1) = 1 ;
- pour la deuxième émission d'ondes sonores (i=2), associée à la ligne 2
0=2) de cette matrice (figure 8):
g1(2) = 1 ; g2(2) = - 1 ; g3(2) = 1 ; g4(2) = - 1 ; et
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- pour la troisième émission d'ondes sonores, (i=3), associée à la ligne 2
0=2) de cette matrice (figure 9) :
g1(3) = 1 ; g2(3) = 1 ; g3(3) = - 1 ; g4(3) = -1.
Les zones ZH du volume d'observation V où la puissance sonore émise
est maximale (du fait d'interférences entre les ondes sonores émises) sont
représentées schématiquement par des tirets (épais), sur ces figures.
Au cours d'une telle séquence d'émissions, faire varier l'amplitude des
signaux d'émission conformément aux coefficients de différentes lignes d'une
matrice de Hadamard de rang N, permet, pour une résolution spatiale donnée, de
relever une image tridimensionnelle du volume d'observation V en un temps
avantageusement plus court que ce qui serait obtenu par rotation d'un plan
d'émission (ou encore par une méthode de synthèse d'ouverture appelée parfois
méthode canonique, décrite succinctement plus bas).
Pour cela, on peut prévoir notamment, que le nombre M d'émissions par
image (tridimensionnelle) soit inférieur au nombre N d'émetteurs 12. La
demanderesse a en effet constaté que cette réduction du nombre d'émissions
(qui
réduit d'autant la durée d'obtention d'une image) ne dégrade que très
légèrement
la résolution de l'image par rapport à une image reconstruite à partir une
séquence de N émissions (et réceptions associées).
Il est particulièrement intéressant de réduire ainsi le nombre d'émissions
nécessaires pour acquérir une image, car cela permet de réduire la
consommation
énergétique du sonar 10, et donc d'augmenter l'autonomie du drone marin 1.
En outre, pour les applications de suivi de banc de poissons décrites plus
loin, il est intéressant de pourvoir acquérir une telle image rapidement, pour
éviter
notamment que le banc 100 ne sorte du volume d'observation V entre une
acquisition d'image et la suivante.
Comme déjà indiqué, d'autres bases d'émission que celle de Hadamard
peuvent être employées. On peut prévoir par exemple, à chaque émission, de
piloter un seul des émetteurs 12, et de changer d'émetteur entre une émission
et
la suivante (méthode d'émission parfois appelée méthode canonique dans la
littérature spécialisée). La matrice de rang N associée, dans la mémoire du
système de pilotage, à la pluralité d'émissions d'ondes sonores, est alors une
matrice diagonale (par exemple la matrice identité).
Le sonar 10 multifaisceaux du drone marin 1 ayant été présenté, le
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fonctionnement d'ensemble de ce drone peut maintenant être décrit plus en
détail.
Tout d'abord, l'unité électronique de navigation 4 est programmée pour
piloter le drone:
- en fonction de commandes données par un opérateur situé à distance,
reçues par l'intermédiaire du module de communication 7, et/ou
- de manière autonome, sans intervention extérieure.
Lorsque le drone marin 1 est piloté à distance par cet opérateur, l'unité
de navigation 4 transmet, grâce à son module de communication 7, des données
compressées produites à partir des données issues du sonar 10, en particulier
à
partir de l'image tridimensionnelle, ou des images tridimensionnelles, de
l'environnement marin du drone relevées au moyen du sonar. Ces données
(compressées) permettent notamment à l'opérateur de visualiser, au moins en
partie, le contenu de l'environnement subaquatique E du drone, et d'adapter
son
pilotage du drone à ce contenu. La compression des données issues du sonar 10
(réalisée par exemple par l'unité électronique de navigation 4) permet de
limiter la
quantité de données à transmettre, et de réduire là encore la consommation
électrique du drone.
Ici, l'unité électronique de navigation 4 est programmée par ailleurs pour
enregistrer les données issues du sonar dans sa mémoire. Ces données peuvent
être compressées préalablement à leur stockage, pour limiter l'espace mémoire
qu'elles occupent. Les taux de compression utilisés alors sont toutefois moins
élevés que ceux employés pour produire les données compressées à
transmettre : les données stockées, complémentaires des données transmises,
permettent, a posteriori, une analyse plus fine de l'environnement
subaquatique E
que les données transmises en temps réel pour permettre le pilotage du drone.
Lorsque le drone marin 1 navigue de manière autonome, sans
intervention extérieure, l'unité électronique de navigation 4 enregistre les
données
issues du sonar, comme expliqué ci-dessus. Elle peut aussi, de manière
optionnelle, transmettre les données compressées mentionnées ci-dessus via le
module de communication 7.
Les déplacements du drone marin 1, et les acquisitions correspondantes
d'images tridimensionnelles de l'environnement subaquatique E, prévus lors
d'opérations d'observation et de caractérisation de cet environnement, sont
décrits
maintenant en référence aux figures 10 à 13.
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La figure 10 représente schématiquement les principales étapes d'un
procédé de caractérisation d'un environnement subaquatique E, mis en oeuvre
par
un drone marin de surface tel que celui présenté ci-dessus.
Ce procédé peut être mis en oeuvre :
- du fait d'un pilotage à distance, par un opérateur, du drone marin, et/ou
- de manière autonome, l'unité électronique de navigation du drone étant
alors programmée pour exécuter ce procédé sans intervention extérieure.
Ce procédé débute par une étape optionnelle EO de déplacement du
drone marin, jusqu'à une première position d'observation Pi. Ce déplacement,
piloté par l'unité électronique de navigation 4, est réalisé grâce aux moyens
de
déplacement 5 mentionnés plus haut.
Cette première position P1 (figures 11 et 12) correspond à une position
cible au voisinage de laquelle il est probable que des poissons ou des animaux
marins soient présents. Cette première position est située par exemple à
proximité
d'un dispositif flottant, généralement appelé dispositif de concentration de
poisson
(ou DCP ), qui rassemble autour de lui une faune pélagique évoluant à
faible
profondeur. Cette première étape permet par exemple au drone marin 1 de se
déplacer depuis une position initiale PO où il a été mis à l'eau, au voisinage
d'un
navire 200 de plus fort tonnage manoeuvré par un équipage, jusqu'à cette
position
P1 d'observation.
Le procédé se poursuit par une étape a) d'acquisition d'une image
tridimensionnelle de l'environnement subaquatique E, c'est-à-dire par une
étape
au cours de laquelle le système de pilotage 41 commande à la pluralité
d'émissions successives d'ondes sonores, l'unité d'acquisition 42 acquérant,
pour
chacune desdites émissions, les signaux d'écho captés par les récepteurs 12 du
sonar 10 en réponse à l'émission considérée, et déterminant, à partir des
signaux
d'écho acquis en réponse à ladite pluralité d'émissions, une image
tridimensionnelle représentative du contenu du volume d'observation V.
L'étape suivante TO, optionnelle, est une étape de test au cours de
laquelle il est déterminé si des poissons sont présents dans ce volume
d'observation V.
Si aucun poisson n'est détecté dans le volume d'observation, le procédé
reprend, l'étape EO (flèche F2 de la figure 10), par un déplacement du drone
marin
vers une autre position cible. Plusieurs positions cibles distinctes peuvent
ainsi
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être testées successivement jusqu'à ce que la présence d'une population marine
soit détectée par le sonar. De manière optionnelle, on peut prévoir de tester,
à
l'étape TO, si le banc de poissons détecté satisfait un critère donné, relatif
par
exemple à une densité de poissons dans ce banc, et, si ce critère n'est pas
.. satisfait, d'exécuter à nouveau l'étape EO.
En cas de détection de poissons dans le volume d'observation V, le
procédé se poursuit, après l'étape TO par des étapes visant à caractériser
plus
finement le banc de poissons 100 détecté (flèche F3 de la figure 10).
Ces étapes comprennent :
- une étape b) de détermination d'une position du banc de poissons 100,
par traitement de l'image tridimensionnelle acquise lors de l'exécution
précédente
de l'étape a),
- une étape c) de déplacement du drone marin 1 de surface jusqu'à une
position P2, P3, ..., située au droit de ladite position du banc de poissons
100, et,
à nouveau,
- l'étape a) d'acquisition d'une image tridimensionnelle de
l'environnement subaquatique E.
Lors de cette répétition de l'étape a), le drone marin 1 est donc situé au
droit, c'est-à-dire à la verticale de la position du banc de poissons 100,
cette
position étant particulièrement propice pour observer et caractériser ce banc
de
poissons 100.
La position du banc de poissons 100 déterminée à l'étape b) correspond
ici à un centre C de ce banc de poissons 100. Il est très intéressant que le
drone
marin 1 acquière ainsi des images tridimensionnelles de ce banc, en étant
situé à
.. la verticale de son centre C, car c'est en effet généralement au centre
d'un tel
banc que le type de poissons rencontrés, leur concentration et leur
comportement
sont les plus représentatifs de l'ensemble du banc. C'est aussi de cette
position
que les dimensions du banc peuvent être déterminées avec le plus de précision.
La capacité du drone marin 1 d'acquérir des images tridimensionnelles
.. de l'environnement aquatique, sans avoir à se déplacer pour cela, s'avère
extrêmement utile dans ce procédé.
En effet, une telle image tridimensionnelle est acquise par le drone marin
1 beaucoup plus rapidement (et discrètement) que ce qui serait obtenu par
déplacement à la surface de l'eau, d'un drone muni d'un sonar multifaisceaux
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classique sans capacité de balayage. Cette rapidité d'acquisition permet
notamment de déterminer la position du banc de poissons presque
instantanément, et de commander un déplacement du drone marin jusqu'à
l'aplomb de cette position avant que le banc de poissons n'ait eu le temps de
se
5 déplacer substantiellement.
De plus, comme déjà indiqué, cette capacité d'imagerie tridimensionnelle
permet au drone marin 1 d'observer l'ensemble du banc de poissons 100 détecté
en restant à l'aplomb de celui-ci, ce qui est le plus propice en termes
d'observation
du banc.
10 Les étapes b) et c) sont maintenant décrites plus en détail, dans le
cas
d'une navigation autonome du drone marin 1.
Au cours de l'étape b), pour localiser le centre C du banc de poissons
100, le système de pilotage 41:
- détermine, par traitement de l'image tridimensionnelle acquise lors de
15 l'exécution précédente de l'étape a), les positions respectives d'une
pluralité de
points situés sur le pourtour 101 du banc de poissons 100, puis
- détermine une position du centre C du banc de poissons en fonction
des positions de ces points, par exemple en calculant la position d'un
barycentre
de ces points (c'est-à-dire en calculant une position moyenne définie par ces
20 points).
Les positions des points du pourtour 101 du banc de poissons peuvent
être déterminées au moyen d'un algorithme de détection de contour.
On peut prévoir, en variante, que le centre C du banc de poissons soit
déterminé, à l'étape b), en calculant directement la position d'un barycentre
des
25 différentes points du volume d'observation V au niveau desquels un ou des
poissons ont été détectés, plutôt qu'en détectant préalablement le contour du
banc.
Si une partie 100' seulement du banc de poissons 101 est située dans le
volume d'observation V (situation représentée schématiquement sur la figure
13),
c'est la position du centre C de cette partie 100' du banc de poissons qui,
ici, est
déterminée à l'étape b) par le système de pilotage 41.
L'étape b) est suivie d'une étape T, de test, au cours de laquelle le
système de pilotage 41 détermine si le drone marin 1 de surface est situé à la
verticale du centre C du banc de poissons 100. Si tel est le cas, le procédé
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reprend à l'étape a) (flèche F6 de la figure 10).
Par contre, si l'étape T montre que le drone marin 1 est décalé, dans le
plan horizontal (x,y), par rapport au centre C du banc de poissons, le procédé
se
poursuit alors par l'étape c) de déplacement du drone marin 1 jusqu'au droit
du
centre C du banc de poissons (flèche F4 de la figure 10). Le procédé reprend
ensuite à l'étape a) (flèche F5 de la figure 10).
L'ensemble des étapes a), b), T et s'il y a lieu, c), sont ensuite exécutées
à nouveau, et ainsi de suite plusieurs fois successivement.
Répéter continument cette séquence d'étapes permet au drone marin 1
de se maintenir au dessus du centre C du banc de poissons, et de suivre un
déplacement éventuel de ce centre.
La figure 12 illustre schématiquement un tel suivi. Le drone marin 1, mis
à l'eau à la position initiale PO, est tout d'abord déplacé jusqu'à la
première
position P1 d'observation. Depuis cette première position, il acquière une
image
tridimensionnelle de son environnement aquatique. Celle-ci montre qu'un banc
de
poissons 100 est présent dans le volume d'observation V (figure 11), et permet
d'en déterminer le centre C. Le drone marin se déplace alors jusqu'à une
deuxième position P2 située à l'aplomb de ce centre. Puis, suite à un
déplacement
ultérieur du banc de poissons, le drone marin ajuste sa position en se
déplaçant
jusqu'à une troisième position P3 (située à l'aplomb d'une nouvelle position
occupée par le centre du banc), et ainsi de suite.
Le système de pilotage 41 du drone marin 1 est programmé en outre, ici,
pour, après l'étape a), exécuter une étape d) de détermination d'au moins une
donnée représentative du banc de poissons 100, autre que la position de son
centre, en fonction des données acquises par l'unité d'acquisition 42 à
l'étape a).
Ladite donnée peut par exemple être relative aux dimensions du banc de
poissons (largeur, longueur, hauteur, volume,...), à sa morphologie, à une
densité
ou un nombre de poissons dans le banc (une telle estimation pouvant être basée
notamment sur les mesures d'intensité de rétrodiffusion précitées), ou à une
mobilité de ces poissons.
Différentes variantes peuvent être apportées au drone marin 1 et au
procédé de caractérisation qui viennent d'être décrits.
Tout d'abord, la croix selon laquelle sont disposés les transducteurs du
sonar pourrait alignée différemment par rapport au drone marin. Les branches
de
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cette croix pourraient par exemple être disposées à 45 degrés entre l'axe
longitudinal et l'axe transversal du drone marin, au lieu d'être alignée avec
ceux-ci.
Les transducteurs pourraient aussi être disposés selon un quadrillage (en
matrice), plutôt qu'en croix.
D'autre part les différentes fonctions du système de pilotage, de l'unité
d'acquisition, et de l'unité de commande des transducteurs pourraient être
réparties différemment entre ces unités. Par exemple, la détermination de la
position du centre du banc de poissons pourrait bien sûr être réalisée par
l'unité
d'acquisition plutôt que par le système de pilotage. D'ailleurs, les unités de
pilotage et d'acquisition pourraient d'ailleurs être réalisées au moyen d'un
même
module électronique de l'unité électronique de navigation du drone marin.
L'unité
de commande des transducteurs pourrait d'ailleurs être intégrée elle aussi à
l'unité
électronique de navigation.
Par ailleurs, d'autres modes de suivi du centre du banc pourraient être
envisagés. Par exemple, plusieurs positions antérieures du centre du banc de
poissons pourraient être prises en compte pour déterminer une position future
au
niveau de laquelle sera probablement situé le banc de poissons (le drone étant
ensuite piloté jusqu'à cette position).
