Conception et mise en oeuvre d'une architecture de communication pour mini-drones civils

The UAVs (Unmanned Aerial Vehicle) have long been a military tool. In recent years, the advent of mini-UAVs, smaller, lighter and less expensive than their counterpart, extended the use of UAVs in civil domain. They offer the solution to many dangerous operations such as search and rescue of survivors after natural disasters, cartography, communication relaying between several areas of intervention of firefighters. UAVs replace piloted airplanes and helicopters which may avoid possible human casualties. In order to enhance the performance of UAVs, Researches is being carried out to make cooperative aircraft. A swarm of cooperative UAVs sharing different tasks between drones, will be able to perform complex operation faster. Such a mission requires a high level of coordination between UAVs made possible by a frequent exchange of information between them and their control station. The ad hoc network is a promising solution to have the UAV communicate with each other (inside the swarm) and with the control station (outside the swam). It allows UAVs to perform in difficult situations such as mountains and after natural disasters. During a mission, a swarm of cooperative UAVs, having different role, exchanges a variety of message type between the aircraft and their control station. These messages may have different needs in term of quality of service (QoS) which varies with the task given to the transmitter. The needs of each UAV may vary depending on the content of the message and over time with the evolution of its task. Therefore, QoS must be managed by a module aware of these evolutions and able to provide each track requirements throughout the operation. This research work, financed by the European project D3CoS 1, proposes a communication system, called DAN (DCoS (Distributed Cooperative System) Ad hoc Network), for a swarm of cooperative UAVs (Unmanned Aerial Vehicle). This system provides a service differentiation according to a variety of criteria chosen by applications such as the role or the task assigned to the node, the message, etc. DAN architecture is a combination of several QoS mechanisms created to be used in real environment with Paparazzi UAVs. Therefore, it was evaluated using two evaluation means: simulation and real experiments. Simulations were realized in realistic environment using a specific mobility model, called PPRZM (PaPaRaZzi Mobility). PPRZM is a stochastic mobility model that imitates Paparazzi UAVs movement designed and implemented for this study. It was validated using a comparative study between PPRZM, the well known mobility model RWP (Random Way-Point) and real Paparazzi UAV movement traces. In addition, DAN was evaluated by real experiments. It was implemented on embedded Linux on Raspberry Pi cards in order to be integrated to Paparazzi UAVs. Several tests were performed to validate the operation of the new Paparazzi communication system and the simulation results. This work creates a new communication system for Paparazzi system that can provide the suitable medium to operate UAVs over an ad hoc network and to respect the need of each agent in term of QoS.Les drones, engins volants sans pilotes généralement appelés UAV pour Unmanned Aerial Vehicle, ont longtemps été un outil militaire. Ces dernières années, l'avènement de micro-drones, plus petits, légers et moins coûteux que leurs homologues a étendu l'utilisation des UAV au domaine civil.Afin d'améliorer les performances des drones sur de telles missions, des recherches sont menées afin de rendre les drones coopératifs. Une flotte de drones coopératifs serait alors capable de réaliser plus rapidement des missions plus complexes en partageant les didifférentes taches entre les UAV. Ce genre d'opération nécessite un niveau élevé de coordination entre les drones rendu possible par un échange continu d'information entre eux et avec leur station de contrôle. Cet échange permet aux contrôleurs d'ajuster la mission selon les circonstances. La communication est donc vue comme un enjeu majeur dans l'évolution des opérations de ce genre de systèmes. Le réseau ad hoc est une solution prometteuse pour faire communiquer les drones entre eux et avec la station sol. Ses capacités d'auto-organisation lui permettent de fonctionner dans des situations difficiles comme des canyons urbains ou après les catastrophes naturelles.Au cours d'une mission, une flotte de drones coopératifs, ayant chacun un rôle différent des autres, échange une variété de types de messages envoyés entre les UAV sur la liaison descendante (des drones vers la station sol) et sur la liaison montante. Ces messages ont des priorités et des besoins en termes de la qualité de service (QdS) qui différent selon la tâche accordée a l'émetteur.Ces besoins peuvent varier selon le contenu du message et au cours du temps avec l'évolution et le changement de la tache. Par conséquent, la QdS doit être gérée par un module conscient de ces évolutions et capable de s'adapter a la variation des besoins et de fournir a chaque trafic sa demande durant toute l'opération.Cette thèse, financée par le projet européen D3CoS, propose un système nomme DAN « DCoS (Distributed Cooperative Systems) Ad hoc Network », offrant des garanties en termes de différenciation de services selon une variété de critères choisis par les applications comme la tache allouée a l'émetteur et le contenu du message. Ce système permet de proposer aux agents collaboratifs différents niveaux de QdS en fonction du type d'application utilisée qui peut être variable au cours du temps. DAN est composé d'un ensemble de modules permettant à une application d'exprimer ces besoins en termes de QdS. Il permet, par la suite, de classifier les paquets émis selon la demande et le changement des besoins de l'application dans le but de garantir la QdS demandée et de respecter les priorités de chaque classe. Le système DAN devant être utilise en environnement réel, il a été évalué a l'aide de deux moyens : la simulation et l'expérimentation réelle. Les simulations ont été réalisées dans un environnement réaliste en utilisant un modèle de mobilité reproduisant le mouvement des drones Paparazzi et nommé PPRZM pour (PaPaRazzi Mobility). PPRZM a _été implémenté et validé par une étude comparative avec le modèle de mobilité (Random Way-Point) et des traces de mouvements réels de drones Paparazzi. Par la suite, DAN a été évalué par des expérimentations réelles. Il a été implémenté sur Linux embarqué sur des cartes Raspberry Pi intégrées aux drones Paparazzi. Plusieurs tests ont été réalisée permettant de valider les résultats obtenus par simulations. L'intégration de ce de système aux drones Paparazzi permettra de faire _évoluer les missions impliquant une flotte de drones puisque avant cette réalisation, des fonctionnalités comme l'évitement de collisions ou l'allocation dynamique de tâches impliquaient directement la station sol, comme point de relai ou de prise de décision. Le système proposé permet de faciliter les échanges dans ce genre de missions tout en garantissant la QdS pour chaque drone