Image Processing Systems and Algorithms for estimating Deformations of Aircraft Structures in Flight

Systèmes et Algorithmes de Traitement d’Images pour l’Estimation de Déformées de Structures d’Avion en Vol Si vous avez déjà été à bord d’un avion et que vous avez regardé par le hublot, vous avez sans doute remarqué les déformations impressionnantes de ses ailes. Ces observations sont en fait très instructives sur les efforts aérodynamiques qui sont appliqués à l’avion. Bien avant le premier vol d’un avion, les constructeurs sont en mesure de prédire son comportement mécanique dans divers scenarii en fonction par exemple du poids de l’avion, de sa vitesse ou de son angle d’attaque, sur la base de modèles théoriques précis. Dans le cadre de la procédure de certification des avions, ces modèles doivent être validés et affinés par l’estimation en vol des déformations des ailes. Cependant, à mesure que la qualité et la précision des modèles d’ailes augmentent, les méthodes utilisées pour obtenir les mesures réelles devraient également évoluer. Dans le cadre de ce travail, un nouveau système est développé et évalué pour estimer la forme 3D d’une aile en vol. Pour répondre aux nouveaux besoins de cartographie dense, de précision ou de fréquence, sans pour autant introduire de perturbation sur le comportement aérodynamique de l’aile, cette étude se concentre sur les méthodes de reconstruction 3D sans contact. Après avoir réalisé une analyse détaillée de l’état de l’art dans ce domaine, une approche photogrammétrique utilisant plusieurs caméras installées aux fenêtres de l’avion a été retenue, et un système algorithmique et matériel complet a été développé. Comme la plupart des méthodes de photogrammétrie standard, l’approche proposée est basée sur l’ajustement des faisceaux (ou en anglais Bundle Adjustment, BA), une méthode classique qui estime simultanément les positions des caméras et la scène 3D environnante. Le BA est un algorithme d’optimisation itératif qui vise à minimiser une fonction de coût non convexe et non linéaire. On ne peut donc pas garantir sa convergence à un minimum global, et le choix des conditions initiales est crucial dans les applications pratiques. Par conséquent, l’application de la photogrammétrie à la reconstruction 3D des ailes en vol est un véritable défi, en raison de fortes contraintes d’installation et d’un environnement très variable avec des vibrations, des changements de luminosité, des réflexions potentielles et des ombres. Pour faire face à ces défis, ce travail présente un nouveau BA contraint, qui utilise les connaissances préalables résultant des limites mécaniques de l’aile au-delà desquelles la voilure se briserait, et améliore les résultats de la reconstruction comme démontré par des tests réalistes. Dans un deuxième temps, une étude approfondie des sources d’erreur et de l’incertitude de la reconstruction est fournie afin de garantir la qualité de l’estimation 3D, ainsi que la possibilité d’avoir une meilleure interprétation des erreurs de reconstruction. Pour ce faire, toutes les sources potentielles d’incertitude sont évaluées et propagées dans le cadre proposé en utilisant trois approches : le calcul analytique, la simulation de Monte-Carlo et la validation expérimentale sur des images synthétiques. Les différentes mises en oeuvre et résultats ont permis de conclure sur les avantages et les inconvénients de chaque méthode. Ils prouvent également que le système développé répond aux attentes d’Airbus. Enfin, le système conçu est validé sur des tests réels avec un A350-1000 du centre d’essais en vol d’Airbus. Ces expérimentations menées en conditions réelles montrent la pertinence de la solution proposée par rapport aux sources d’incertitude observées, et fournissent des résultats prometteurs.