Localisation rapide et précise de matières radioactives à l'aide de drones et de robots
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Les substances radioactives, chimiques ou biologiques sont indétectables par l'homme en situation de danger et difficiles à repérer par télédétection. Les chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la communication, le traitement de l'information et l'ergonomie (FKIE) utilisent des drones et des robots spécialement équipés pour localiser rapidement et précisément les sources radioactives.
Un premier prototype technologique a déjà été testé avec succès. Il peut détecter avec précision une source radioactive à quelques mètres près en quelques minutes seulement.
Les substances chimiques, biologiques, radiologiques, nucléaires et explosives (CBRNE) peuvent constituer une menace pour la population et les services d'urgence. Par exemple, en 2023, la découverte d'une capsule de césium de quelques millimètres seulement, tombée d'un camion, a déclenché une vaste opération de recherche en Australie. La multiplication récente des attaques hybrides et des tentatives de déstabilisation a exacerbé cette menace.
Deux départements de recherche de l'institut Fraunhofer FKIE travaillent donc activement à déterminer comment utiliser les drones (systèmes aériens sans pilote, UAS) et les robots (véhicules terrestres sans pilote, UGV) pour apporter le meilleur soutien possible aux populations dans ces situations critiques.
Les performances de tels systèmes ont été évaluées à plusieurs reprises au cours des années précédentes, notamment lors du Hackathon européen de robotique (EnRicH) à la centrale nucléaire de Zwentendorf et lors de l'Essai européen de robotique terrestre (ELROB). Ces deux événements sont organisés conjointement par des chercheurs du département des Systèmes mobiles cognitifs, en alternance.
Ils contribuent à tester l'adéquation pratique des drones et des robots dans des conditions d'utilisation réalistes et à les développer davantage en fonction des résultats obtenus.
Systèmes aériens sans pilote (UAS) hautement automatisés pour la détection de sources radioactives
Dans le cadre d'un contrat avec l'Institut de recherche de la Bundeswehr pour les technologies de protection et la protection NRBC (WIS), des chercheurs du département Fusion de données de capteurs et d'informations développent un drone capable d'identifier et de localiser rapidement et précisément des sources radioactives. Un prototype technologique a déjà été testé sur le terrain, sur le site du WIS à Münster.
Ce système permet de localiser une source radioactive à quelques mètres près en quelques minutes seulement. « La capsule de césium en Australie n'a pu être retrouvée qu'après plusieurs jours de recherche avec des détecteurs portatifs. Nous aurions pu la localiser beaucoup plus rapidement grâce à notre drone », explique Claudia Bender, chercheuse à l'institut Fraunhofer FKIE, qui a conçu le prototype avec son collègue Torsten Fiolka.
Le processus de détection se caractérise par une phase d'exploration et une phase de recherche ciblée.
Les chercheurs sont particulièrement spécialisés dans le traitement de données complexes, la fusion de données de capteurs et l'automatisation. Le processus de détection est hautement automatisé et comprend une phase d'exploration et une phase de recherche. Durant la phase d'exploration, le drone survole la zone cible et collecte en continu des données sur son environnement. Dès qu'une anomalie par rapport au rayonnement de fond est détectée, le système passe en mode recherche.
Dans ce mode, la trajectoire du drone s'adapte dynamiquement aux informations recueillies sur son environnement et aux données de ses capteurs. Cette adaptation repose sur des méthodes stochastiques qui estiment la probabilité des différentes positions de la source.
« Une fois le drone lancé, il suit initialement un plan de vol fixe. Dès que suffisamment de données de capteurs sont disponibles, le système passe en mode de recherche adaptative, utilisant les informations accumulées pour calculer de manière autonome la position potentielle de la source », explique le chercheur. « Il génère ensuite des points de passage jusqu'à localiser la substance dangereuse et communique la position précise de la source. »
Une carte thermique spatiale représente les niveaux de radiation dans les zones analysées. Une carte de probabilité permet également d'identifier la zone présentant la plus forte probabilité de contenir la substance radioactive.
Le drone est équipé d'un détecteur gamma mesurant les niveaux de radiation, ainsi que de capteurs supplémentaires pour la détection. Il est complété par des caméras électro-optiques et infrarouges, un ordinateur Intel NUC pour le traitement des données, une centrale inertielle (IMU) et un module de communication LTE pour la surveillance au sol. Les caméras affichent en direct l'image capturée par le drone. Elles peuvent détecter des objets tels que des personnes, des bâtiments et des véhicules et les visualiser sur une carte géoréférencée. L'IMU enregistre la position et les mouvements du drone en 3D.
Ce démonstrateur technologique est le fruit des recherches menées dans le cadre du projet HUGIYN (Système autonome de détection et d'identification de nucléides émetteurs de γ). Dans le cadre du projet de suivi SLEIPNIR (Plateforme aéroportée automatisée de détection et d'identification de nucléides et d'isotopes provenant de sources radioactives), les chercheurs visent notamment à accroître la vitesse du système autonome et à localiser simultanément plusieurs nucléides, y compris en mouvement.
Le robot expérimental CBRNE prend en charge les composants et les composants radioactifs. © Fraunhofer FKIE/Fabian Vogl
Des robots expérimentaux CBRNE aident à détecter et à récupérer les matières radioactives dangereuses.
Dans les situations trop dangereuses pour l'intervention humaine, des véhicules terrestres autonomes interviennent aux côtés de drones. Des robots équipés de capteurs NRBC et de fonctions d'assistance autonome prennent ensuite le relais pour la détection. L'intégration intelligente de capteurs de détection NRBC, de stratégies de navigation et de traitement des données géographiques avec des véhicules terrestres autonomes constitue un axe de recherche majeur pour Frank E. Schneider, directeur adjoint du département des Systèmes mobiles cognitifs à l'institut Fraunhofer FKIE.
« Un système officiel de surveillance de la radioactivité¹ a été installé en Allemagne en prévision d'événements tels que Tchernobyl impliquant des matières radioactives. Un réseau de capteurs, espacés de plusieurs kilomètres, est déployé sur l'ensemble du territoire allemand. Ces capteurs transmettent en continu les niveaux d'émissions radioactives à l'Office fédéral allemand de radioprotection (BfS).
Lors d'une reconnaissance préliminaire d'une zone potentiellement dangereuse, nous comparons l'intensité du rayonnement détectée par le robot avec le niveau normal indiqué par le système de surveillance de la radioactivité pour cette zone. Nous utilisons la fusion de données pour combiner les résultats et créer une carte de rayonnement, la carte thermique, afin de confirmer ou d'infirmer une menace potentielle », explique Schneider.
Le département des Systèmes Mobiles Cognitifs se concentre également sur le développement de fonctions de navigation intelligentes et d'assistance pour faciliter le pilotage des robots CBRNE. Ces fonctions garantissent que le robot couvre l'intégralité de la zone dangereuse et peut ainsi localiser précisément la source de rayonnement. Des mesures complémentaires effectuées par le robot informent ensuite le centre de contrôle sur l'étendue de la zone dangereuse, le type de matière radioactive présente et les coordonnées du corridor de sécurité à emprunter. Les experts et les services d'urgence peuvent alors utiliser ces données pour déterminer les actions à entreprendre.
Le système Click and grab permet des mouvements complexes avec le bras de préhension
Déclenché par un clic de souris sur une image vidéo en direct, un système intelligent de préhension permet au bras manipulateur du robot de saisir automatiquement des objets et de les déposer à un autre emplacement désigné par un clic de souris. Lors d'essais pratiques, le système a pu saisir de manière autonome des substances répandues, vérifier leur niveau de radioactivité, les transporter et les placer dans un conteneur spécifique. Cette fonction d'assistance innovante permet même des mouvements complexes, comme l'ouverture de portières de voiture, ce qui signifie qu'il peut accéder à des matières radioactives dans des espaces clos.
L'équipe de Schneider développe également de nouveaux concepts opérationnels utilisant des capteurs spéciaux pour générer un modèle 3D photoréaliste et un environnement de réalité virtuelle. Ceci permet à l'opérateur d'observer les objets sous différents angles sans avoir à déplacer le robot. « Cela offre à l'opérateur une meilleure perception de la situation », explique le chercheur. De plus, des capteurs fixés à la main et au bras de l'opérateur peuvent transmettre ses mouvements au robot. Le manipulateur peut ainsi être contrôlé intuitivement. « Nous appelons cette nouvelle fonction d'assistance "contrôle par gilet". Elle permet également au personnel d'urgence non spécialisé de contrôler le robot intuitivement. »
1 Le réseau de surveillance du débit de dose gamma ambiant du BfS comprend environ 1 700 points de mesure répartis dans toute l'Allemagne