Interception de drone par une meute de drones

Élève: A. BELLAICHE      Professeurs référents: B.ZERR, L. JAULIN, F. LE BARS
ENSTA Bretagne - Université d'Angers


Résumé

La démocratisation des drones volants pose de nombreux problèmes, essentiellement sur des questions de sécurité. Les événements récents l'ont prouvé, avec des survols aux intentions douteuses au dessus du palais de l'Elysée et de la base nucléaire de l'Île Longue. Ce stage se positionne donc en réponse à cette menace, avec l'objectif de déterminer une solution robotique permettant d'intercepter des drones malveillants. Compte tenu de l'immaturité des systèmes de détection qui sont tous au stade de concept, de projet, ou au mieux au stade expérimental, nous avons choisi de travailler dans l'hypothèse qu'un tel système pourrait nous donner à tout instant la position de l'intrus. Dans ce cadre, nous avons pu concevoir plusieurs algorithmes utilisant une meute de drones aériens intercepteurs. Ces algorithmes d'abord été testés sous Matlab, puis seul un algorithme basé sur le risque de fuite par un espace entre intercepteurs a été conservé, les autres ayant été considérés comme trop faibles. Cet algorithme a ensuite été testé dans des conditions réalistes via le moteur de simulation robotiques MORSE. Ce test a permis de valider notre algorithme, en mesurant ses limites.


La menace des drones amateurs

Depuis le 10 septembre 2014, 200 drones volants intrus ont été signalés, 60 procédures judiciaires ont été déclenchées, et seules 13 affaires ont été résolues. Le secrétariat générale de la défense et de la sécurité nationale a recensé 29 survols de sites à composante nucléaire, 8 au dessus de sites militaires, et plusieurs autours de monuments tels que la tour Eiffel, les Invalides, ou l'ambassade américaine à Paris.
Pendant longtemps, ce genre de robot n'a été que construits de manière industrielle, ce qui a toujours permis de maîtriser le contenu du robot, mais également ses fonctionnalités. Ainsi, un jouet télécommandé n'a jamais été capable d'embarquer plus de quelques dizaines de grammes de matériel supplémentaire sans modification poussée, et ce sur un vol d'environ 10min.
Cette période est maintenant révolue, essentiellement en raison de la démocratisation des composants d'une part, mais également d'un accès toujours plus aisé à de nombreux tutoriels sur Internet. Des sites tels que Instructables permettent à n'importe quel internaute de récupérer en quelques minutes des plans de robot. Il est désormais possible en moins d'une heure, sans avoir la moindre compétence en électronique ou en aérodynamique d'apprendre à fabriquer un drone aérien télécommandé capable d'emporter au moins 500g de charge utile.
Certains craignent, à juste titre au regard des événements récents, que comme toute technologie, celle-ci soit utilisée à mauvais escient. En effet, un drone aérien amateur de type quadricoptère a une portée radio d'environ 500m. Équipé d'une petite caméra, il peut voir sans souci au-delà de 200m. Étant donné qu'à 200m, un drone est déjà quasiment inaudible et invisible à cause de sa petite taille, il est excessivement difficile de se protéger, en particulier les infrastructures militaires et/ou sensibles qui sont dès lors totalement exposées jusqu'à 700m dans leur intérieur.

Détection d'un drone

Tout d'abord, à cause de la difficulté à détecter un drone visuellement par un garde humain, il faut un système de détection automatique. Plusieurs technologies ont été testées, tels que des caméras haute définition ou infrarouge, des radars actifs et passifs, dispositifs de détection acoustiques. Cependant, ceux-ci sont encore excessivement immatures, tous encore au stade expérimental ou conceptuel. Une mention honorable pour la technologie de radar Holographique récemment présentée par Aveillant (filiale d'Altran) au salon du Bourget 2015.

Interception d'un drone

Il existe globalement 4 grandes méthodes actuellement utilisées pour intercepter un objet volant non identifié : la destruction au fusil à pompe, la destruction laser, le brouillage radio ou GPS, et l'aveuglement optique. Ces 4 méthodes ont en commun de ne pas du tout gérer la chute du robot, ainsi que des éléments le composants au sein d'une zone vie par exemple. Une mention spéciale pour les méthodes de destruction qui proposent même de larguer une batterie endommagée voire à haute température au milieu d'un site sensible. En s'inspirant d'un chalutier qui maintient dans son filet un poisson, on peut alors imaginer un système de drone intercepteur capable de maintenir en l'air un intrus neutralisé (une hélice prise dans un filet ne peut tourner) En se positionnant dans un cadre idéal d'une zone circulaire à protéger, avec une meute de drones intercepteurs, il devient aisé de déterminer une condition de capture pour chaque espace inter-drones. De cette condition, il devient possible de sortir une table donnant le nombre de drones nécessaires à assurer à 100% la capture d'un drone s'étant introduit dans le périmètre sensible, en fonction du taux de pénétration dans la zone et du ratio de vitesses intrus/intercepteurs, visible sur l'image suivante.

Algorithme et Implémentation

Nous avons pu déterminer un algorithme distribué, performant, basé sur le risque de chaque maille. Une maille étant définie par deux robots étant les plus proches dans le dispositif, le risque d'une maille est définie comme la possibilité, dans un temps fixé, que l'intrus puisse rompre la condition de capture de cette maille. Ainsi, la direction de déplacement décidée par chaque drone est définie comme suit, les mailles i et i+1 étant les deux mailles dont il fait partie.:

Maille i \ Maille i+1 Non risquée Risquée
Non risquée Vers l'intrus Vers le robot i+1
Risquée Vers le robot i-1 Vers la maille la plus risquée

Une simulation sous MORSE de cet algorithme est disponible ici