Évolution des drones - Une vue d'ensemble

17/07/2014
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2014-3:11231

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Évolution des drones - Une vue d'ensemble

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30 REE N°3/2014 LES DRONES Bertrand Ricque Chef de Programme, SAGEM DS Introduction Définir ce que l’on entend par « drone » est un exer- cice difficile. Pour commencer, il faut se rendre à l’évi- dence que les Anglo-saxons et les Français n’utilisent pas le terme de la même manière. La classification uti- lisée le plus couramment en dehors des médias grand public est celle des États-Unis : UAV pour les véhicules aériens sans pilote, UUV pour les véhicules sous-ma- rins, USV pour les véhicules de surface et UGC pour ce que l’on appelle également des robots terrestres. La dénomination « drone » pour désigner un engin mobile doté d’autonomie reste très française. De plus, le drone en tant que véhicule, ne peut exister sans d’autres composantes comme les stations de contrôle et de commande, les pilotes ou contrô- leurs, et les équipements supportant les transmissions entre le ou les véhicules et les stations de contrôle. Le tout constitue en fait un « système de drones ». Un peu d’histoire Les médias, qui ne s’y intéressent que depuis une dizaine d’années, présentent souvent les drones comme une nouveauté, mais le concept de véhicule autonome ou téléguidé est bien plus ancien qu’il n’y paraît. Des tentatives infructueuses de conception d’un avion-radio commandé stabilisé par un gyros- cope sont notées en Grande-Bretagne et aux États- Unis dès 1916 par Archibald Low, Lawrence Perry et Peter Hewitt (figure 1). Le premier vol d’un avion sans pilote français a lieu en 1918 sur une distance de 1 km. La même année, un Voisin BN3 automatisé parcourt 100 km en 51 minutes. Le concept aboutira en 1923 à un drone opération- nel qui restera sans débouchés, l’armée française n’en voyant pas l’utilité. L‘histoire retiendra les noms du capi- taine Max Boucher et de l’ingénieur Maurice Percheron. Le terme drone émerge en Grande-Bretagne dans les années 30 en référence au bruit et à la lenteur du vol des Tiger Moth DH12 (figure 2) transformés en avions-cibles automatisés à cette époque. Ce nom sera repris pendant la deuxième guerre mondiale par l’armée américaine. De nombreuses conceptions de véhicules auto- matisés aériens et terrestres sont notées avant et Évolution des drones Une vue d’ensemble This paper proposes an overview of the evolution of unmanned airborne vehicles (UAV) since their emergence early in the 20th century. The main trends having influenced the UAV system design for military applications are described. The most recent civilian applications are analysed with respect to their environment: air, land and sea. The paper analyses and details the difficult safety and security problems to be solved prior to a wide development of a civilian UAV market. The interactions between the societal perception of risk, the technical issues and the economic aspects of a massive deployment of UAVs are discussed in order to outline the existing barriers and to give some clues on the possibilities to overcome them. The status of the regulations is described in order to highlight the stakeholders, the path forward to legal evolutions as well as the steps and strategies foreseen by regulation agencies. This overview is concluded by some considerations on the perspectives of the UAV business in relationship with its economic aspects. ABSTRACT Figure 1 : Hewitt Sperry - Source : Vandomelen. REE N°3/2014 31 Évolution des drones Une vue d’ensemble pendant la deuxième guerre mondiale, en particulier comme avions-cibles (plusieurs milliers d’exemplaires) et comme bombes télépilotées comme le Goliath allemand basé sur un prototype français confisqué après l’armistice. La guerre de Corée, la guerre du Vietnam et le contexte de la guerre froide représentent la période d’essor des drones aériens. Cet essor est permis par la montée en puissance des technologies liées aux automatismes et aux asservisse- ments, mais surtout aux progrès effectués dans le domaine des transmissions. Les conceptions se font la plupart du temps sur la base de la modification d’engins cibles mais aussi d’avions de combat en fin de vie comme le DH100 Vampire (figure 3) expérimenté à Brétigny dès 1957. L’armée française dispose ainsi de drones de manière permanente depuis les années 60. Le programme R20 (figure 4) basé sur la modification de l’engin cible CT20 de Nord Aviation, fut en 1963 le premier drone à entrer en service en Europe. Son utilisation se révèle délicate, car la France ne possède pas de terrains d’essais ou de zones à faible densité de population suffisamment grands pour permettre en toute sécurité des vols de plusieurs centaines de kilomètres. Le système est remplacé en 1980-1981 par le Canadair CL-89 (Figures 5 et 6) dont la conception date des années soixante. Ce type de drone parcourt 120 km à 700 km/h en quelques minutes. En 1992, le CL-289 lui succède et de- vient le premier drone en Europe à pouvoir transmettre des images infrarouges en temps réel. Au cours de la guerre froide, les missions de reconnais- sance et de surveillance au-dessus des territoires de l’Union Figure 2 : Tiger Moth - Source : Wikimedia. Figure 3 : Vampire DH100 - Source : Planet spotters. Figure 4 : Drone R20 sur sa rampe de lancement. Figure 5 : Lancement d’un drone CL-89. Figure 6 : Image prise par un CL-89. 32 REE N°3/2014 LES DRONES Soviétique et des États-Unis deviennent rapidement de plus en plus risquées avec le perfectionnement des systèmes de défense antiaérienne, comme le démontre l’interception de l’avion U2 de Gary Powers le 1er mai 1960. Les Soviétiques ainsi que les États-Unis développent alors des drones impo- sants pesant plusieurs tonnes et pouvant parcourir plus de mille kilomètres à une vitesse supérieure à 900 km, allant jusqu’à Mach 3. C’est le cas du drone D21 lancé depuis un Lockheed A12 qui a effectué quatre missions au-dessus du site d’essais nucléaires de Lop Nor en Chine de 1969 à 1971 avec des résultats insatisfaisants démontrant la difficulté du déploiement de ce type d’équipement. La fonction principale des drones à cette époque est la reconnaissance dans la profondeur du champ de bataille, principalement dans le but de repérer les concentrations de chars afin de déterminer les intentions de l’ennemi et de définir des cibles potentielles pour des frappes nucléaires tactiques. Ceci implique de voler vite selon une trajectoire prédéfinie et de rapporter les photos ou films qui ont été pris. Il n’y a pas de transmission d’images en direct. Les véhi- cules aériens sont intégralement automatisés et ne sont pas téléguidés par un pilote. Ils suivent un plan de vol prédéfini et prennent des photos à des moments préprogrammés, ce qui rend le résultat de la mission parfois incertain. À la même époque apparaissent les premiers missiles gui- dés par le pilote d’un avion sur la base d’une image vidéo envoyée depuis la tête du missile comme dans le cas du missile Maverick de première génération. Les techniques de guidage s’affinent dans ce contexte. C’est aussi à cette époque qu’apparaissent les premiers drones à décollage vertical et à voilure tournante comme la série CL-227 à CL-427, d’une autonomie de cinq heures et qui fait son premier appontage sur un navire de l’US Navy en 1977 (figure 7). Dans les années 80, pour répondre au besoin de disposer en temps réel d’images du champ de bataille, plusieurs ar- mées s’essayent à la construction de petits avions télépilotés embarquant une caméra. Israël enregistre de nombreux suc- cès pendant l’opération Paix en Galilée en 1982. Les Français suivent, avec le MART (figure 8) entièrement développé par la Section technique de l’Armée de terre et déployé pen- dant la première guerre du Golfe alors que les Britanniques y déploient leur CL-89. La fin de la guerre froide sonne le glas des drones rapides et totalement autonomes pour ouvrir la voie à des aéronefs plus lents, mais disposant d’une plus grande autonomie et de capteurs plus variés et plus performants. Le retour d’expé- rience des Israéliens montre qu’il est important de pouvoir diriger le drone à la demande en fonction de ce que l’on voit sur le terrain. Les systèmes de drones qui sont conçus à partir de cette époque répondent tous à ce besoin de pou- voir faire évoluer librement l’avion le plus longtemps possible sur une zone donnée. L’absence de confrontation le long d’une ligne de front clairement définie exige également de devoir envoyer le drone plus loin de sa zone de décollage, impliquant de devoir le contrôler au-delà de l’horizon électro- magnétique. Les communications par satellite sont mises à contribution aussi bien pour le pilotage de l’avion que pour la transmission des images vers des centres d’exploitation et de décision. De nombreux drones sont alors conçus pour répondre aux appels d’offres et aux études de faisabilité lancés par la plupart des pays. Le destin des nombreux projets des années 1990 et 2000 est très variable. Certains nouveaux entrants comme General Atomics engrangent des succès techniques et com- merciaux avec la gamme issue du Predator. D’autres sont contraints d’abandonner certains projets comme Bell avec le convertible Eagle Eye dérivé de l’avion V22-Osprey. Figure 7 : Drone CL 327 - Source : Bespilotie.ru. Figure 8 : Drone Mart - Source : Musée de l’Artillerie. REE N°3/2014 33 Évolution des drones Une vue d’ensemble Les développements récents dans le domaine militaire La maturité croissante de l’activité amène les construc- teurs et le marché militaire à se structurer selon les caracté- ristiques des véhicules aériens : les mini- ou micro-drones, les drones tactiques à voilure fixe ou tournante, les drones de moyenne altitude, les drones de haute altitude, les drones de combat et les drones de sauvetage. De nouveaux concepts émergent comme les drones armés, les véhicules sous-marins inhabités, les robots ter- restres dont certains, utilisant les progrès de la mécatro- nique, se présentent comme des exosquelettes. Enfin, la miniaturisation des capteurs, actionneurs et sources d’éner- gie donne naissance aux premiers drones de la taille d’un gros insecte. On voit donc apparaître des concepts qui fusionnent les drones avec la robotique comme le robot chien Wildcat (figure 9) ou des applications liées aux biotechnologies et aux nanocomposants. Le domaine est en pleine efferves- cence tant le champ des applications ne cesse de s’ouvrir. Cette situation va de pair avec la banalisation de composants essentiels au développement d’un véhicule autonome : pro- cesseurs, accéléromètres, centrales inertielles, liaisons de données. Leur mise à disposition de l’industrie civile mais aussi du grand public, permet à de nouveaux acteurs d’ima- giner des applications jusque-là inaccessibles. Les applications récentes dans le domaine civil Nous voyons émerger un foisonnement de projets in- dustriels dans tous les domaines. Certains se concrétisent à grande échelle comme l’automatisation de la conduite de certaines voitures. D’autres restent à l’état de concept en rai- son des contraintes réglementaires, de l’absence de maturité des marchés civils ou bien de réelles difficultés techniques, d’ordre algorithmique notamment. Certains obligent des secteurs industriels à se repositionner comme les fabricants de satellites qui conçoivent des ballons dirigeables stratos- phériques automatisés comme substituts à des satellites de communication. À ce stade, il est nécessaire d’appréhender les drones ou véhicules automatisés en fonction du milieu dans lequel ils évoluent. En effet, les caractéristiques d’environnement sont les facteurs les plus contraignants pour concevoir et exploiter ce type d’équipements. Le milieu aérien est caractérisé par une circulation contrôlée par des autorités nationales ou mul- tinationales, un faible nombre d’opérateurs, le fait d’évoluer dans trois dimensions, des exigences techniques liées à la sécurité très élevée et des infrastructures limitées. Le milieu terrestre se définit par le nombre très important d’acteurs, les conducteurs, une réglementation et un système d’assurance centrés sur la responsabilisation de l’individu et des infrastruc- tures très variées. Ce milieu différencie également les équipe- ments qui roulent des équipements qui marchent et ne sont pas soumis à la même réglementation. Le milieu maritime se caractérise par la faible densité du trafic sauf dans quelques zones contrôlées comme le milieu aérien, la taille des mobiles et leur vitesse relativement faible de déplacement. Un point commun à ces trois milieux est l’existence pour chacun d’entre eux d’acteurs préétablis, de réglementations, d’infrastructures, de systèmes d’assurance et de responsa- bilité et de modèles économiques. L’émergence des drones ne peut se transformer en un réel marché que si les services offerts apportent soit un gain notable sur le rapport coût/ bénéfice de services existants, soit de nouveaux services pour lesquels une demande existe à un niveau assurant la rentabilité de leur fourniture. Il ne faut pas oublier que dans les coûts il faut inclure la transformation des systèmes exis- tants, infrastructures, réglementation, assurances et respon- sabilité, pour pouvoir prendre en compte un changement de paradigme. Nous verrons dans ce dossier à travers l’exemple du domaine aérien que ce dernier point est un frein sérieux à un développement rapide des drones. La problématique de la sécurité Les aspects techniques le plus souvent mis en avant par les médias sont le comportement visible des véhicules auto- matisés, car ils sont les plus percutants d’un point de vue visuel. Mais les aspects les plus complexes sont générale- ment invisibles. Les domaines dans lesquels le plus de pro- grès restent à réaliser sont liés à la sûreté de fonctionnement de l’ensemble des systèmes. Le niveau de sécurité atteint par exemple par l’industrie aéronautique est lié à la structure de ce secteur qui se caractérise par un faible nombre de fournisseurs proposant des équipements faiblement diver- sifiés de manière à concentrer les efforts de conception et de certification puis à rentabiliser cet effort sur un maximum Figure 9 : Robot Wildcat 6 - Source : Boston dynamics. 34 REE N°3/2014 LES DRONES d’exemplaires des mêmes équipements. On constate une approche semblable dans le monde du transport ferroviaire. Atteindre le même niveau de sécurité dans le domaine routier impliquerait par contre d’acquérir la capacité de réa- liser des équipements de performances très supérieures à des coûts comparables aux équipements que l’on rencontre dans l’industrie automobile. Il n’est pas acquis que cela soit possible et ceci peut imposer un changement de modèle économique. Un nouveau paradigme pourrait être la pro- duction de véhicules plus chers achetés par des opérateurs qui revendraient le service d’utilisation des véhicules à des conducteurs. La sécurité des transmissions de données entre des mobiles interdépendants est également un domaine où des progrès restent à faire. Les systèmes de communication conçus dès le départ pour interconnecter un grand nombre d’équipements n’ont pas été conçus dans un contexte de démonstration réglementaire de leur sûreté de fonction- nement ni avec des objectifs de performance intégrant l’évitement d’accidents. Des réseaux comme le réseau té- léphonique cellulaire ou le Wi-Fi ne sont pas actuellement adaptés à une utilisation intégrant des contraintes de sécu- rité. Leur évolution récente va même dans le sens inverse si on prend l’exemple du Wi-Fi. La perception du niveau de risque acceptable par la société est un facteur déterminant de la définition des exi- gences techniques de sûreté de fonctionnement qui seront appliquées aux différents secteurs concernés. Il est assez difficile de mettre cette perception à plat. En effet, si l’on compare les taux d’accidents des seuls moyens de transport, on peut constater que les secteurs ferroviaire et aérien pré- sentent des résultats équivalents en termes de nombre de morts par passager x kilomètre, alors que l’automobile est 20 fois plus dangereuse. Avec une approche basée sur le nombre de morts par passager x heure, ce sont les trans- ports aérien et automobile qui sont équivalents alors que le secteur ferroviaire est 10 fois meilleur. Si l’on s’intéresse au nombre total de morts, on constate que les transports aérien et ferroviaire sont chacun la cause de l’ordre de 500 à 1 000 morts par an dans le monde alors que les accidents de la cir- culation représentent à eux seuls plus de 3 000 victimes en France chaque année. L’acceptation de ce niveau de risque provient certainement du fait que les conducteurs assument les conséquences d’être les maîtres de leur véhicule. Il est fort probable qu’un niveau de risque équivalent ne serait pas accepté dans un véhicule automatisé dont la sûreté repose- rait intégralement sur son bon fonctionnement. L’industrie se pose donc la question de la mise en relation de la baisse du taux d’accident induite par la réduction des actions humaines et des erreurs associées d’une part, et de l’effort d’améliora- tion de la sûreté de fonctionnement d’autre part. En d’autres termes, le problème posé est de déterminer s’il est possible de rendre un système 10 à 100 fois plus sûr sans changer totalement de modèle économique et réglementaire. La conception d’équipements certifiables correspondant à ces niveaux de performances ne peut être rentable que sur de grandes séries en prenant en compte beaucoup de réutilisation d’éléments communs. Si l’on s’intéresse à la mise en relation de la densité du trafic d’un type de véhicules avec l’espace disponible et les capacités de manœuvre des véhicules, on s’aperçoit que l’environnement génère des contraintes différentes pour l’automatisation des quatre modes de transport principaux. Il n’est donc pas surprenant que le secteur ferroviaire soit le plus avancé en la matière. La limitation par le réseau ferré de l’espace accessible réduit grandement le champ des pro- blèmes à résoudre pour éviter des collisions et pour coordon- ner la circulation (figure 10). Avec cette approche, il est facile d’extrapoler les efforts nécessaires pour atteindre un niveau d’automatisation donné pour chaque secteur. La cohabitation dans la circulation de véhicules automatisés et de véhicules pilotés est une difficulté supplémentaire qu’un système de drones doit nécessairement prendre en compte. La sécurité des systèmes de drones cristallise in fine l’en- semble des questions techniques qui se posent en amont de la conception et du déploiement massif de ce type d’équi- pements. L’aspect réglementaire Le besoin de sécurité est reconnu par la société et l’indus- trie et se concrétise par l’existence de la réglementation aé- rienne, de même qu’il existe une réglementation ferroviaire et un code de la route associé à des normes d’homologation Figure 10 : Densité du trafic en fonction de la liberté de manœuvre. REE N°3/2014 35 Évolution des drones Une vue d’ensemble des automobiles. Comme pour les milieux d’évolution des différents types de véhicules, une différence fondamentale existe entre les réglementations. Si les secteurs ferroviaires et automobiles disposent toujours de réglementations régionales avec des différences d’un pays ou d’un continent à l’autre, le transport aérien s’appuie sur une réglementation unique. Toute évolution de cette réglementation ne peut se faire qu’avec l’accord de toutes les parties prenantes et toute mo- dification demande des efforts et des délais conséquents. À l’inverse, il est facile pour une partie prenante de bloquer ou tout au moins ralentir des évolutions pour préserver ses intérêts. La réglementation aérienne, comme le Code de la route d’ailleurs, repose sur l’existence d’un pilote à bord des véhicules. C’est également sur ce pilote que repose l’essen- tiel de la responsabilité de la sécurité des évolutions de son avion. De cette approche de la réglementation découle aussi la prise en compte de l’activité par les assurances. L’insertion de drones dans l’espace aérien, au sein d’une circulation pour le moment essentiellement constituée d’avions pilotés nécessite donc des ajustements significa- tifs. Ces ajustements devront être conçus pour permettre de prendre en compte des équilibres de responsabilités différents entre pilotes (à bord ou au sol), constructeurs, exploitants, contrôle de la circulation aérienne et autorités réglementaires supervisant la circulation et autorisant l’exploi- tation d’aéronefs. Des évolutions devront aussi être envisa- gées pour définir les règles techniques de conception des équipements et les modalités de leur certification. Les perspectives d’avenir L’avenir des drones se présente de manière aussi ouverte que les utilisations associées. De la même façon que le réseau Inter- net s’est progressivement effacé derrière sa mise en œuvre, les drones ne seront probablement dans le futur que les vecteurs visibles d’un grand nombre d’applications. Certaines de ces ap- plications existent déjà, comme l’inspection des lignes à haute tension par exemple. Les drones se présenteront alors comme une capacité d’automatisation ou de mécanisation de l’activité sans nécessairement apporter d’innovation fonctionnelle. D’autres applications, dont le besoin était déjà identifié, pourront émerger, car l’utilisation des drones se fera en des- sous d’un seuil de coût qui interdisait le déploiement ren- table de l’activité. C’est le cas par exemple de l’analyse des besoins des cultures en engrais et en arrosage. Nous verrons certainement aussi émerger, comme dans le cas d’internet, des applications que nous n’avons pas encore imaginées et qui ne sont possibles que grâce à l’existence d’un système de drones. Bertrand Ricque est ingénieur de l’École spéciale mili- taire de Saint-Cyr. Après le commandement d’une unité de drones, il s’oriente vers l’industrie et dirige de nom- breux projets dans les domaines de la pétrochimie, de l’offshore et de l’énergie. Il occupe ensuite des postes de responsabilité dans des sociétés fournissant des sys- tèmes automatisés aux industries de procédés continus et manufacturières. Depuis 2004, il est chef de programme de systèmes de défense chez Sagem DS. Il contribue aux travaux du comité ISA84 de l’ISA et représente le GIFAS auprès de la Commission électrotechnique Internationale. Il réalise des audits d’installations classées sur la base du référentiel IEC 61508 et a enseigné à l’Ecole nationale des ponts et chaussées. L'AUTEUR