<p>Projektet har med uppdrag av WSP utförts i syfte att testa och utvärdera ett nytt tillvägagångssätt för volymbestämning av vanligtvis terrestert inmätta objekt. Det nya konceptet innebär att med hjälp av fotogrammetriprogramvaran PI-3000 och, på lämpligt sätt, insamlat digitalt flygbildsmaterial utföra volymbestämningar på objekt av intresse. Detta i syfte att ersätta den normalt terrestert utförda metoden för att göra framförallt tids- och kostnadsbesparingar. I syftet ingick även att jämföra skillnader i resultat av framtagna 3D-modeller och dess beräknade volymer vid användandet av två olika flygburna system. Dessa utgjordes dels av en traditionell variant i form av ett vanligt Cessnaflygplan och dels av en UAV (Unmanned Aerial Vehicle) vid namn Microdrone md4-200.</p><p>För att kunna utföra jämförelserna genomfördes ett mätprojekt där två stenhögar i en bergtäkt utgjorde testobjekt. Volymbestämningarna utfördes med både nytt och gammalt koncept för att kunna jämföras mot varandra med avsikt på skillnader i tid, kostnad och noggrannhet.</p><p>Resultatet av volymjämförelserna påvisar en god noggrannhet från PI-3000 som, i kombination med "traditionella" flygfoton, gav en felavvikelse på mindre än 1,5 % jämfört med den terrestra metodens resultat. Volymjämförelser med bilder tagna från Microdronesystemet gick tyvärr inte att utföra då testflygningen inte gick bra.</p><p>För att uppnå bästa möjliga noggrannhet vid volymberäkningen är det av högsta vikt att man placerar ut den tänkta bottennivån med avsikt att efterlikna den verkliga markytan så bra som möjligt.</p><p>Beräkningarna visar att det nya konceptet ger stora tidsbesparingar jämfört mot det gamla, oavsett vilken flygmetod som används till insamlingen av det digitala fotomaterialet.</p><p>I kostnadsjämförelserna visade sig Microdronemetoden vara knappt hälften så kostnadskrävande jämfört med såväl Cessnametoden som den terrestra. Detta framförallt beroende på att sammanlagd arbetstid med Microdronemetoden blir betydligt kortare jämfört mot den terrestra varianten, samtidigt som den inte har några kostnader för fotograferingen som i Cessnametodens fall. Kostnadsjämförelsen bör dock betraktas med en viss försiktighet då inköpspriset för Microdronesystemet inte tagits med i beräkningarna.</p><p> </p> / <p>This project has been assigned by WSP carried out in order to test and evaluate a new concept with purpose to determine the volume of usually terrestrial measured objects. The new concept involves the use of the photogrammetry software PI-3000 and, in an appropriate way, collected digital aerial photographs in order to determine the volume of objects of interest. This in order to replace the usually terrestrial performed method to mainly achieve time and cost savings. The purpose was also to compare differences in the result of 3D-models and its calculated volumes with the use of two different airborne systems. They consisted of one traditional aerial photography-method using an ordinary Cessna aircraft, and one with use of a UAV (Unmanned aerial vehicle) called Microdrone md4-200.</p><p>In order to make the comparisons we carried out a survey project where two heaps of stones in a stone well figurated as test objects. To determine the differences in time, costs and accuracy, the volume of the two geometric bodies had to be calculated using both the new and the old concept.</p><p>The result of the volume comparisons shows a good accuracy from the PI-3000 which, in combination with "conventional" aerial photographs, gave a declination of less than 1,5 % compared to the result of the terrestrial method. Unfortunately were the photos taken by the Microdrone system during the test flight not good enough to use for volume calculations.</p><p>In order to achieve the best possible accuracy when calculating the volume, it is very important to deploy the imagined ground level with the intent to simulate the real ground level as good as possible.</p><p>The calculations shows that the new concept offers great timesaving's compared to the old one, regardless of which method of flight being used for the collecting of digital photos.</p><p>In the comparison of costs the method using Microdrone proved to be barely half as expensive compared to the terrestrial as well as the Cessna method. This is due primarily to that the working time for the Microdrone method is much shorter compared to the terrestrial method, and at the same time, it has no costs for the aerial photographing as in the case of the Cessna method. The cost comparison should be taken under consideration because of the fact that the purchase price of the Microdrone system has not bee included in the calculations.</p><p> </p>

Projektet har med uppdrag av WSP utförts i syfte att testa och utvärdera ett nytt tillvägagångssätt för volymbestämning av vanligtvis terrestert inmätta objekt. Det nya konceptet innebär att med hjälp av fotogrammetriprogramvaran PI-3000 och, på lämpligt sätt, insamlat digitalt flygbildsmaterial utföra volymbestämningar på objekt av intresse. Detta i syfte att ersätta den normalt terrestert utförda metoden för att göra framförallt tids- och kostnadsbesparingar. I syftet ingick även att jämföra skillnader i resultat av framtagna 3D-modeller och dess beräknade volymer vid användandet av två olika flygburna system. Dessa utgjordes dels av en traditionell variant i form av ett vanligt Cessnaflygplan och dels av en UAV (Unmanned Aerial Vehicle) vid namn Microdrone md4-200. För att kunna utföra jämförelserna genomfördes ett mätprojekt där två stenhögar i en bergtäkt utgjorde testobjekt. Volymbestämningarna utfördes med både nytt och gammalt koncept för att kunna jämföras mot varandra med avsikt på skillnader i tid, kostnad och noggrannhet. Resultatet av volymjämförelserna påvisar en god noggrannhet från PI-3000 som, i kombination med "traditionella" flygfoton, gav en felavvikelse på mindre än 1,5 % jämfört med den terrestra metodens resultat. Volymjämförelser med bilder tagna från Microdronesystemet gick tyvärr inte att utföra då testflygningen inte gick bra. För att uppnå bästa möjliga noggrannhet vid volymberäkningen är det av högsta vikt att man placerar ut den tänkta bottennivån med avsikt att efterlikna den verkliga markytan så bra som möjligt. Beräkningarna visar att det nya konceptet ger stora tidsbesparingar jämfört mot det gamla, oavsett vilken flygmetod som används till insamlingen av det digitala fotomaterialet. I kostnadsjämförelserna visade sig Microdronemetoden vara knappt hälften så kostnadskrävande jämfört med såväl Cessnametoden som den terrestra. Detta framförallt beroende på att sammanlagd arbetstid med Microdronemetoden blir betydligt kortare jämfört mot den terrestra varianten, samtidigt som den inte har några kostnader för fotograferingen som i Cessnametodens fall. Kostnadsjämförelsen bör dock betraktas med en viss försiktighet då inköpspriset för Microdronesystemet inte tagits med i beräkningarna. / This project has been assigned by WSP carried out in order to test and evaluate a new concept with purpose to determine the volume of usually terrestrial measured objects. The new concept involves the use of the photogrammetry software PI-3000 and, in an appropriate way, collected digital aerial photographs in order to determine the volume of objects of interest. This in order to replace the usually terrestrial performed method to mainly achieve time and cost savings. The purpose was also to compare differences in the result of 3D-models and its calculated volumes with the use of two different airborne systems. They consisted of one traditional aerial photography-method using an ordinary Cessna aircraft, and one with use of a UAV (Unmanned aerial vehicle) called Microdrone md4-200. In order to make the comparisons we carried out a survey project where two heaps of stones in a stone well figurated as test objects. To determine the differences in time, costs and accuracy, the volume of the two geometric bodies had to be calculated using both the new and the old concept. The result of the volume comparisons shows a good accuracy from the PI-3000 which, in combination with "conventional" aerial photographs, gave a declination of less than 1,5 % compared to the result of the terrestrial method. Unfortunately were the photos taken by the Microdrone system during the test flight not good enough to use for volume calculations. In order to achieve the best possible accuracy when calculating the volume, it is very important to deploy the imagined ground level with the intent to simulate the real ground level as good as possible. The calculations shows that the new concept offers great timesaving's compared to the old one, regardless of which method of flight being used for the collecting of digital photos. In the comparison of costs the method using Microdrone proved to be barely half as expensive compared to the terrestrial as well as the Cessna method. This is due primarily to that the working time for the Microdrone method is much shorter compared to the terrestrial method, and at the same time, it has no costs for the aerial photographing as in the case of the Cessna method. The cost comparison should be taken under consideration because of the fact that the purchase price of the Microdrone system has not bee included in the calculations.

De nos jours, l'engouement pour la robotique autonome ne cesse d'augmenter en particulier pour les microdrones. En effet, ces aéronefs de petite taille font l'objet de nombreuses recherches afin de les miniaturiser et de rendre leur navigation plus autonome. Ainsi, cette thèse explore un système de vision parcimonieux dédié à la navigation courte portée au moyen de capteurs visuels auto-adaptatifs innovants composés de seulement 12 pixels aux propriétés optiques inspirées de celles de l'abeille. Deux algorithmes de mesure de flux optique sont ensuite comparés en conditions idéales sur 5 décades d'irradiance et 3 décades de vitesses optiques, puis testés en conditions réelles de vol. L'algorithme le plus robuste et le plus efficace, de par ses très faibles besoins calculatoires, a été embarqué à bord d'un micro quadrirotor pesant environ 400 g et équipé d'un système visuel parcimonieux de 96 pixels stabilisé via une nacelle articulée en roulis et tangage pour compenser les rotations du quadrirotor. Les stratégies de navigation observées chez l'abeille ont ensuite été simulées dans des environnements virtuels (tunnel de longueur 6 m ou 12 m pour une section minimale de 25 ou 50 cm) et la preuve de faisabilité de la détection du flux optique à bord d'un microdrone a été démontrée en conditions réelles de vol en salle expérimentale (vol de 4 m de long à une distance minimale de 50 cm). Couplé à des stratégies de navigation inspirées de l’abeille, ce système visuel innovant dédié à la perception du mouvement permettra dans un futur proche de naviguer dans des environnements encombrés ou exigus. / The interest in autonomous robotics is continually expanding, especially in the domain of micro air vehicles. Indeed, much research focuses on these small-size aircraft in order to miniaturize them and to make their navigation more autonomous. This PhD thesis explores a parsimonious vision system dedicated to short range navigation using innovative self-adaptive visual sensors composed of only 12 pixels with optical properties inspired by those of honeybees. Two optic flow measurement algorithms are first compared under ideal conditions over 5 decades of irradiance and 3 decades of optical velocity, then tested under real flight conditions. The most robust and efficient algorithm, due to its very low computing requirements, was embedded on board a micro quadrotor weighing about 400 g and equipped with a parsimonious visual system of 96 pixels stabilized via an articulated gimbal in roll and pitch to compensate the quadrotor rotations. The navigation strategies observed in honeybees were simulated in virtual environments (6 m or 12 m long tunnel for a minimum section of 25 or 50 cm) and the feasibility of the detection of the optic flow on board a micro quadrotor was demonstrated in real flight conditions in experimental room (flight of 4 m long at a minimum distance of 50 cm). Coupled with navigation strategies inspired by the honeybee, this innovative visual system dedicated to the perception of movement will in the near future allow to navigate in cluttered or cramped environments.

Les récents progrès des microtechnologies permettent le développement de drones d'envergure inférieure à 15 cm, susceptibles de réaliser des missions d'observation ou d'intervention en milieu risqué. La possibilité de vol en présence d'obstacles ou en espace fermé nécessite une grande agilité à basse vitesse et des capacités de déplacement silencieux, pour lesquelles un concept à ailes battantes – inspiré du vol des insectes et du colibri – semble être le plus prometteur. Dans le cadre de cette thèse, nous avons donc développé un modèle de simulation de type mécanique du vol d'un tel engin, à partir de résultats antérieurs concernant l'aérodynamique du vol des insectes. Nous avons ensuite déterminé les cinématiques de battement optimales à l'aide d'algorithmes heuristiques, avant de chercher à commander en boucle fermée ce système non linéaire naturellement instable. Une technique inspirée du backstepping a permis d'obtenir de très bonnes performances, en statique comme en dynamique.

Cette thèse décrit le développement d'une nouvelle génération de moteurs électriques spécifiquement dédiés à la propulsion de drones miniatures (< 70 cm d'encombrement). L'étude expérimentale de chaque élément de la chaîne (batteries, contrôleur, moteur, hélices) a permis, d'une part, d'estimer les besoins énergétiques de chacun, et d'autre part, de mettre en évidence le besoin de concevoir un moteur léger et possédant un fort couple à basse vitesse pour entraîner une grande hélice (diamètre 50 cm) directement (sans réducteurs).Le moteur étudié est un moteur synchrone possèdant un rotor planaire à aimants permanents entre deux stators planaires à bobinages triphasés double-couche. Après avoir complété le modèle électrique de base par un modèle de pertes aérodynamiques et de pertes par courants de Foucault, le dimensionnement du moteur s'est effectué avec les logiciles Pro@Design et CDI_Optimizer qui permettent un dimensionnement pour des problèmes multi-physiques fortement contraints. Deux prototypes ont été construits (diamètres 50 mm et 70 mm), devant fournir 28 W mécanique et dimensionnés pour un entrefer de 50 µm. Pour des raisons mécaniques, leur caractérisation s'est effectuée à entrefer 500 µm. Elle a permis de valider le modèle établi en vérifiant les résultats théoriques obtenus à cet entrefer pour ces deux prototypes. Dans la perspective d'obtenir de meilleurs performances que les petits moteurs électriques actuels pour des masses globales similaires, un redimensionnement est nécessaire à des entrefers plus grands (500 µm) et avec une multiplication du nombre de conducteurs par phase et par pôle (réduction de l'effet des courants de Foucault).

Cette étude se propose d’analyser le comportement du double rotor contra-rotatif caréné dans lecadre des échelles réduites des microdrones, pour exploiter le potentiel d’amélioration desperformances stationnaires des rotors libres. La demande d’une performance propulsive de hautniveau, alors que les échelles sont très réduites constitue un véritable défi scientifique. De façongénérale, par rapport au rotor libre, l’ajout de la carène permet de piloter la contraction del’écoulement et offre un potentiel de poussée de carène. La tuyère par sa condition d’adaptationpilote le débit entrant à puissance donnée. L’augmentation du débit massique, par comparaison ausystème de rotor libre, amplifie la poussée à travers la dépression distribuée sur toute la surface decaptation. Pour comprendre les lois de fonctionnement d’un système propulsif caréné, il a d’abord été proposé un modèle théorique simplifié basé sur une extension de la théorie de Froude pour les rotors libres: le système rotor est assimilé à un disque actuateur, générateur de débit dans une conduite à section variable. Une simulation Navier Stokes 2D axisymétrique a permis d’optimiser les paramètres de forme du carénage. Les simulations ont confirmé l’influence déterminante des sections d’entrée et de sortie, et relativisé l’impact des formes possibles, pourvu que les variations de sections limitent le décollement de la couche limite. Après conception d’un banc d’essai utilisant un doublet de rotor coaxial placé dans cette carène optimisée, l’étude expérimentale complète et confirme les performances globales du système et qualifie l’écoulement méridien. Enfin, une simulation 3D instationnaire a été entreprise pour compléter l’analyse de l’écoulement autour des rotors. / This study aims to analyze the behavior of shrouded, contrarotating coaxial rotor in the reducedMAVs’ scale in order to exploit its potential to improve the free rotor steady performance. The highhover ability under low operational Reynolds number is therefore, a scientific challenge. Generally,comparing with free rotor, the addition of the shroud decreases the flow contraction and gives thepotential to generate an extra thrust. A suitable nozzle can control the mass flow for a given power.The increased mass flow, comparing with free rotor, amplifies the thrust offered by the lowpressure formed at the air entrance. To understand the principals of shrouded propulsion system, a simplified theory model was first proposed through the extension of Froude theory for free rotors: the double rotor is initially treated as an actuator disk, generating the flow at varied sections through the shroud passage. A 2D simulation which accounts for an axial flow of viscous effects within the actual shroud profile, confirmed effects of all defined geometrical parameters. It further demonstrated that within the non-stalling region of the different crosssections, shroud shape and inlet shape do not have asignificant impact on performance. The experimental study, carried out with coaxial rotor, contributed to the confirmation of the overall performance and the approximation of the flow field through the shroud. Meanwhile, the 3D simulation, developed to better model the actual coaxial rotor in counter rotation, was validated to well solve the steady performance. It was applied to complement the analysis of the flow around the coaxial rotor.