Un robot inspiré des graines d’érable vole avec une plus grande précision grâce à une commande prédictive.
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Un robot volant doté d’une seule pièce mobile peut sembler simple. Le contrôler avec précision est tout sauf simple. La plupart des drones classiques utilisent plusieurs rotors pour contrôler leur ascension, leurs virages et leurs déplacements. Un robot avec un seul actionneur a beaucoup moins de marge de manœuvre pour se corriger lorsqu’il dévie de sa trajectoire, rencontre une perturbation ou atteint les limites physiques de son moteur.
Des chercheurs de l’Université de technologie et de design de Singapour (SUTD) ont développé une méthode de contrôle qui permet à un robot volant minimaliste d’anticiper ses prochains mouvements et de suivre des trajectoires complexes avec plus de précision.
L’approche, décrite dans l’étude « Nonlinear Model Predictive Control of Single-Actuator Monocopters using Hybrid Rotational Dynamics and INDI » publiée dans IEEE Transactions on Robotics , a été démontrée sur SAM, abréviation de Samara Seed-Inspired Single-Actuator Monocopter.
Inspiré par le mouvement d’autorotation d’une samare d’érable en chute libre, le SAM tourne rapidement pour générer de la portance et se maintenir en l’air grâce à un seul actionneur assurant à la fois la portance et le contrôle directionnel. Sa conception compacte et légère présente toutefois un inconvénient : avec un seul actionneur contrôlant son mouvement, le suivi précis de sa trajectoire s’avère particulièrement difficile.
La vidéo présente des expériences de suivi de trajectoire dynamiquement irréalisables, réalisées par le monocoptère à actionneur unique via NMPC+INDI. Crédit : IEEE Transactions on Robotics (2026). DOI : 10.1109/tro.2026.3731495
Prédiction du mouvement avec un seul actionneur
Au cœur de cette approche se trouve la commande prédictive non linéaire (NMPC). Plutôt que d’attendre que le robot mobile autonome (SAM) s’écarte de sa trajectoire prévue avant de le corriger, la NMPC prédit la façon dont il est susceptible de se déplacer dans les instants suivants et planifie ses actions de contrôle en conséquence.
Les chercheurs ont combiné cela avec l’inversion dynamique non linéaire incrémentale (INDI), qui utilise une rétroaction en temps réel pour effectuer des corrections rapides lorsque le robot rencontre des perturbations ou des erreurs de modélisation.
L’équipe a également développé un modèle hybride qui capture mieux l’interaction entre les mouvements de rotation rapide et d’inclinaison du SAM, offrant ainsi au contrôleur prédictif une représentation physiquement plus cohérente de la façon dont le SAM se déplace.
« Ce travail illustre l’approche de l’ingénierie à SUTD : nous partons d’un principe physique réel, en l’occurrence la rotation passive d’une graine d’érable, et l’associons à un système de contrôle avancé pour le rendre utile. Le défi ne consiste pas simplement à construire un petit robot volant, mais à comprendre comment la conception, la dynamique et le calcul peuvent interagir au sein d’un système fortement contraint », a déclaré le professeur Foong Shaohui, directeur adjoint du pôle Développement de produits d’ingénierie de SUTD.
Un robot volant inspiré d’une graine d’érable, doté d’un unique moteur rotatif en action ; transportant une charge utile (en haut), se maintenant stable face au vent (au milieu) et décrivant une trajectoire en forme de huit en plein vol, capturée par les traînées lumineuses (en bas). Crédit : Université de technologie et de design de Singapour
Essais de différentes conceptions d’ailes
Pour tester la méthode, les chercheurs ont mené des expériences en vol avec trois versions du SAM : à aile courte, à aile longue et à aile ultralégère. Chacune présentait des défis différents, notamment une portance réduite, la flexion des ailes, une poussée limitée et une autonomie de contrôle réduite.
Les systèmes SAM à ailes courtes et longues ont été testés sur des trajectoires circulaires, en forme de huit et circulaires surélevées, y compris des trajectoires qui, à certains endroits, exigeaient une commande des actionneurs supérieure aux capacités physiques de la plateforme. Ils ont également été testés en présence de perturbations dues au vent générées par des ventilateurs. Le système SAM à ailes ultralégères a été évalué sur une trajectoire circulaire avec une charge utile de 5 g.
Suivi plus précis sous pression
Dans l’ensemble des expériences, l’approche NMPC+INDI proposée a surpassé le contrôleur basé sur la platitude différentielle avec INDI utilisé comme référence. L’erreur quadratique moyenne de position a été réduite jusqu’à 39,5 % pour le SAM à ailes longues et de 37,2 % pour la version à ailes courtes. Le SAM à ailes ultralégères a enregistré des réductions d’erreur de vitesse allant jusqu’à 43,5 %.
« Avec une seule pièce mobile, le SAM paraît mécaniquement simple, mais cette simplicité rend son contrôle extrêmement difficile », a déclaré le Dr Emmanuel Tang, auteur principal de l’étude.
« Comme l’ensemble du système repose sur un seul actionneur, chaque commande moteur doit être planifiée et synchronisée avec précision. Nos travaux montrent qu’en dotant le robot d’un horizon de planification prédictif, nous pouvons améliorer la précision de vol de ce système fortement sous-actionné, même face à des trajectoires difficiles, des perturbations dues au vent ou des charges utiles supplémentaires. »
Étapes au-delà du laboratoire
Ces résultats suggèrent qu’un meilleur contrôle pourrait accroître les capacités de robots aériens mécaniquement simples sans ajout de moteurs ni de pièces mobiles. À plus long terme, des plateformes de ce type pourraient prendre en charge des applications telles que la surveillance environnementale et climatique, notamment lorsque la compacité et le déploiement à grande échelle sont essentiels.
Cette technologie demeure expérimentale. Les essais en vol ont été réalisés en intérieur à l’aide d’un système de capture de mouvement OptiTrack et de calculs externes. Les travaux futurs porteront sur la réduction de la dépendance de la plateforme à l’égard de la capture de mouvement externe et sur l’intégration d’une plus grande partie des calculs à bord, étapes essentielles pour rendre ces systèmes plus utilisables en dehors du laboratoire.
« L’attrait du SAM réside dans sa combinaison d’une extrême simplicité mécanique et de la stabilité passive d’une graine d’érable en rotation. Cela en fait un robot aérien atypique : efficace, léger et potentiellement adaptable à grande échelle, mais aussi très difficile à piloter. En améliorant le guidage d’une plateforme aussi minimaliste, nous ouvrons la voie à de futurs systèmes aériens déployables à grande échelle pour des missions telles que la surveillance environnementale et climatique », a ajouté Foong.
https://techxplore.com/news/2026-09-maple-seed-robot-flies-accurately.html