Interception d'un drone par un groupe de drones

Stage de fin d'études, mené au sein de l'équipe STIC/OSM de l'ENSTA Bretagne, en collaboration avec Adrien Bellaïche et sous l'encadrement de MM. Benoît Zerr, Luc Jaulin et Fabrice Le Bars.

Exposé de la problématique

La récente effervescence entourant les survols de drones a fait émerger un nouveau défi, mobilisant les institutions, industriels et unités de recherche autour d'une problématique érigée au rang de priorité nationale. Des centrales nucléaires aux bases de défense, de l'Île-Longue au palais de l'Élysée, les sites les plus sensibles du pays se retrouvent confrontés à une nouvelle menace asymétrique, portée par l'essor et la démocratisation des drones volants. Conscientes des problèmes soulevés par la multiplication de ces vols illicites, les autorités françaises ont enclenché un vaste processus d'action et de réflexion. Alors que des procédures spécifiques étaient mises en place pour permettre aux forces armées d'apporter la meilleure réponse possible à ces incidents, des appels à projets étaient lancés à l'échelle nationale – dès décembre 2014, l'agence nationale de la recherche sollicitait la communauté scientifique et industrielle à cet égard : au plus vite, des systèmes de détection et d'interception de drones volants devaient être proposés. Parmi les institutions qui se sont saisies du projet, figure l'équipe OSM de l'ENSTA Bretagne, qui se distingue particulièrement par son dynamisme et sa force d'innovation dans le champ de la robotique ; son expertise en robotique collaborative et sa proximité avec le monde de la défense étant des apports substantiels et originaux à la problématique. Dans ce cadre, un sujet de projet de fin d'études a été élaboré et proposé aux étudiants de l'ENSTA Bretagne : il s'agissait de concevoir un dispositif basé sur l'utilisation d'un groupe de robots, qui neutraliserait un drone ennemi sans endommager ses composants électroniques – à des fins de rétro-ingénierie. Le projet devrait aboutir à un démonstrateur : un simulateur interactif, d'une part, et une démonstration « physique » en deux dimensions, basée sur des robots roulants d'autre part.

Analyse des contraintes

L'analyse de la problématique, des contraintes juridiques et opérationnelles entourant le sujet permettent de dégager les contraintes suivantes : 1. Le système doit être basé sur un essaim de drones 2. Le système doit procéder à l'interception d'un drone considéré comme intrus dans le périmètre de déploiement du système 3. Ladite interception doit préserver l'électronique du drone intrus 4. Le système doit être simulé 5. Le système doit être adaptable à des drones terrestres. Par ailleurs, l'analyse menée en première partie – notamment en 2.2 et 2.3 – nous permet d'ajouter d'autres hypothèses à celles que nous venons de lister : 6. Le système doit être capable d'intercepter tout drone intrus, indépendamment de son mode de commande et de navigation (qu'il soit radio-commandé ou autonome, qu'il se base sur des way points GPS ou visuels, …) 7. Le système doit être télé-opérable à tout moment, par un ou plusieurs télé-opérateurs 8. Le système doit être sans risque pour les éventuelles populations survolées par l'essaim de drones intercepteurs.

Architecture du système

Principes généraux d'architecture logicielle

Nous avons retenu deux types de contrôle global du système : * Une architecture distribuée, où l'unité de calculs fait office de middleware centralisant et "dispatchant" les informations utiles à la décision prise par chaque robot de l'essaim ; * Une architecture centralisée, où l'unité de calculs centralise les informations et établit les consignes qu'elle transmet ensuite à chaque robot de l'essaim. !(./Media/coordination_serveur.png)

Architecture fonctionnelle du système

Modélisation mathématique de l'interception

Nous faisons l'hypothèse que les drones intercepteurs sont initialement disposés le long d'un cercle contenant la zone à défendre. Dès la pénétration de l'intrus, l'essaim prend son envol et converge vers lui jusqu'à ce qu'il soit à portée d'interception d'un – au moins – des robots du groupe.

L'enjeu est de garantir que le drone intrus ne puisse passer entre deux robots intercepteurs sans entrer dans leur périmètre d'interception (représenté par un cercle vert dans la figure ci-dessus). Ainsi, il faut que chaque paire d'intercepteurs contigus soit toujours positionnée de manière à vérifier la condition d'interception suivante :

Validation de l'algorithme par la simulation

Effectuée sous MORSE, la simulation a permis de valider la pertinence de l'approche. Une vidéo de la simulation est téléchargeable via ce lien