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Vision-based Guidance and Control in Birds, with Applications to Autonomous Unmanned Aircraft

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Concevoir des drones, un travail pour les oiseaux

Des chercheurs financés par l’UE espèrent appliquer de nouvelles connaissances concernant le comportement des oiseaux à la conception de systèmes d’aéronefs autonomes.

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À l’origine, ce sont les oiseaux qui ont incité l’homme à conquérir les cieux. Aujourd’hui, avec l’avènement des drones et de la mobilité aérienne urbaine, nous faisons à nouveau appel à nos amis à plumes. «Les oiseaux possèdent des aptitudes exceptionnelles pour se poser sur des perchoirs, intercepter des cibles en mouvement et éviter les collisions, toutes ces capacités représentant des défis importants que les technologies actuelles des drones doivent encore relever», explique Graham Taylor, professeur de biologie mathématique à l’université d’Oxford. Avec le soutien du projet HawkEye, financé par l’UE, Graham Taylor s’est inspiré de ces aptitudes et a entrepris d’étudier la façon dont les oiseaux exploitent leurs capacités visuelles pour guider et contrôler leur vol. «Notre objectif consistait à appliquer ces connaissances à la conception de systèmes d’aéronefs autonomes», ajoute-t-il.

Les mégadonnées à l’assaut du vol animal

À l’aide d’un laboratoire intérieur de capture de mouvements construit spécialement pour cette étude, le projet a enregistré plus de 20 000 vols pour toute une série d’espèces d’oiseaux. «Ce projet a véritablement fait passer l’étude du vol animal à l’ère des mégadonnées», fait remarquer Graham Taylor. Pour valider leurs résultats de laboratoire sur le terrain, les chercheurs ont également développé de nouvelles techniques de vidéographie à grande vitesse et de collecte de données basée sur le GNSS. Ces nouvelles techniques ont permis à l’équipe d’enregistrer les mouvements des oiseaux sur le terrain avec une précision de quelques centimètres. «Les résultats de nos études de captures de mouvements et de nos simulations informatiques ont été validés par rapport à divers résultats recueillis sur le terrain, des faucons chassant les tétras en Écosse aux éperviers poursuivant les essaims de chauves-souris au Nouveau-Mexique», explique Graham Taylor.

Une compréhension mathématique du comportement des oiseaux

D’après Graham Taylor, ce cadre informatique et expérimental combiné a ouvert la voie à l’acquisition de nouvelles connaissances sur les comportements de vol naturels. Par exemple, non seulement les chercheurs comprennent désormais comment les oiseaux se posent sur un perchoir, interceptent des cibles mobiles et évitent les collisions, mais ils ont également découvert que les oiseaux peuvent modéliser — voire prédire — ces tâches difficiles avec une grande précision. Au-delà de la compréhension de la manière dont les oiseaux accomplissent une tâche particulière, le projet s’est également intéressé aux raisons qui les poussent à accomplir ces tâches d’une certaine façon. Les chercheurs ont notamment conclu que les oiseaux adoptent des trajectoires en piqué lorsqu’ils volent entre deux perchoirs afin de minimiser la distance entre le perchoir et le moment du vol où ils se retrouvent en situation délicate de décrochage. «Mais surtout, nous comprenons ces comportements de façon mathématique, de la même manière que le système de guidage d’un véhicule serait compris par l’ingénieur de contrôle qui l’a conçu», fait remarquer Graham Taylor. «Autrement dit, les mécanismes que nous avons identifiés sont prêts à être mis en œuvre dans des systèmes autonomes.»

Quelques surprises inattendues

Comme toute recherche scientifique, le projet HawkEye, soutenu par le Conseil européen de la recherche, a connu son lot d’imprévus. Il a fallu bien évidemment relever les défis liés à la pandémie de COVID-19, mais aussi surmonter les difficultés inhérentes au type de travail effectué sur le terrain, et notamment composer avec la présence d’un serpent à sonnettes venimeux qui avait décidé d’utiliser l’équipement de la caméra pour prendre ses bains de soleil. Néanmoins, la plus grande surprise est sans doute venue du fait que le projet se soit avéré applicable au-delà du cadre du développement du vol autonome. «Lorsque j’ai entamé ces recherches, les principales applications que j’envisageais concernaient les véhicules autonomes», conclut Graham Taylor. «Ce que je n’avais pas anticipé, ce sont certaines des applications émergentes de nos études, qui vont de la prévention des collisions entre les oiseaux et les éoliennes aux mesures visant à empêcher les oiseaux de se percher sur les structures.» Loin de se contenter de faire progresser ses recherches dans le domaine de la conception des aéronefs, Graham Taylor a sollicité un financement pour explorer ces autres axes de recherche de manière plus approfondie, notamment l’apprentissage des comportements de vol.

Mots‑clés

HawkEye, oiseaux, drones, systèmes d’aéronefs autonomes, mobilité aérienne urbaine, vol, mégadonnées, GNSS, vol autonome, conception d’aéronefs

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