PT4 : DRONES Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C Introduction a. Generalites : et Drone : Qu'est ce qu'un drone et comment ça fonctionne ? (wondershare.fr) 2. b. Evolution de drone C. Applications Partie mécanique de drone (Comment il se stabilise) https://www.guide- drone.com/comment-vole-un-drone/ 3. Constitution d’un drone - le châssis, moteurs (rotors,stators), les controleurs (ESC ou Electronique Speed Controller en anglais), la radio-commande, le controleur de vol (capteurs(MEMS)), la camera - Peut-on construire son propre drone ? (robots-etcompagnie.com) et DIY Hard Drone: Composition d'un drone et http://www.afcadillac.net/_serveurs/drone/composition_dun_drone.html 4. (Le pilotage ??) fonctions techniques : http://sti.ac-bordeaux.fr/techno/for_dune/4- Le_drone/solutions_techniques_pour_le_pilotage.html 5. Comment les drones naviguent-ils - How Does a UAV Navigation System Work? | TransiTiva 6. Conclusion Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C Les Drones Introduction 4 I. Généralités I.1. Historique I.2. La constitution d’un drone I.3. Evolution du Drone 5 12 II. Cinematique 14 Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR 5 7 Groupe C Introduction Nous avons choisi le thème « drones » pour notre projet tutoré. La raison en est notre intérêt à découvrir une telle technologie qui évolue et qui deviendra de plus en plus avancée à l'avenir. Dans le monde d'aujourd'hui, le drone est un engin aérien sans pilote (ou Unmanned Aerial Vehicle (UAV)) qui est soit exploité par un homme depuis un emplacement distant, ou qui fonctionne de manière autonome, en fonction du mode prédéfini au réglage. Les drones sont devenus plus populaires et utiles à notre époque. La plupart des gens l'utilisent pour capturer des images et des vidéos sous des angles que les autres photographes ne peuvent tout simplement pas atteindre. Il est utile dans les événements mais il peut également être utilisé dans les secteurs de la défense. Notre sujet se compose de 3 parties principales qui sont les généralités d’un drone (l’historique, la constitution et l'évolution d'un drone), la cinématique du drone et comment il navigue. Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C I. Généralités I.1. Historique La première idée de drone est apparue en 1849 lorsque les Autrichiens attaquèrent les Vénitiens en utilisant des montgolfières sans pilotes. Le 22 août 1849, leurs commandants lancèrent sur la ville deux cents ballons sans équipage chargés de 150 kg d’explosifs. Même s’ils ne correspondent pas à l’idée qu’on se fait aujourd’hui des drones, ces ballons sont vus par de nombreux spécialistes comme l’une des plus anciennes références aux véhicules aériens sans pilote (UAV). En 1916, le premier avion sans pilote a été développé pendant la Première Guerre mondiale. Appelé "Ruston Proctor Aerial Target", ce drone militaire sans pilote utilisait un système de radioguidage. Il a été développé par l'ingénieur britannique Archibald Low. Après cela, il y a eu beaucoup d'intérêt pour la production et l'amélioration des armes volantes télécommandées. L'armée américaine a pris l'initiative d'approfondir ces concepts. Peu de temps après, l'armée américaine a développé le Kettering Bug expérimental en 1918. C'était un avion sans pilote "bombe volante", qui n'a jamais été utilisé au combat. Figure 1 : Kettering Bug Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C Le premier drone d’usage général est apparu en 1935, lors du rééquipement en taille réelle du biplan de Havilland DH82B « Queen Bee » qui était équipé d'une radio et de commandes servo-opérées sur le siège arrière. L’avion pouvait être piloté de manière conventionnelle depuis le siège avant, mais en général il volait sans pilote et était tiré par des artilleurs en formation. Le terme de drone date de cette première utilisation, une pièce de théâtre sur la nomenclature « Queen Bee ». Figure 2 : DH82B Queen Bee Au cours des années 1930, le terme se référait spécifiquement aux cibles aériennes radiocommandées. Une fois que la Seconde Guerre mondiale a éclaté, il a commencé à représenter tout véhicule aérien sans pilote télécommandé. Les drones ont continué d'être un pilier de l'armée dans le cadre de l'IoT militaire, remplissant les rôles de renseignement et de surveillance aérienne. Ils sont également utilisés pour la défense de la force, la recherche et le sauvetage, etc. Bref, le drone est initialement utilisé comme arme, sous la forme de déployeurs de missiles aériens guidés. Aujourd'hui, les drones ont trouvé un large éventail d'applications à usage civil, notamment sous la forme de petits quadricoptères et octocoptères. Les drones sont utilisés pour diverses fonctions, notamment la surveillance du changement climatique, la livraison de fret, l'assistance aux opérations de recherche et de sauvetage, ainsi que le tournage et la photographie. Bien sûr, les drones sont toujours une partie très importante de l'armée dans de nombreux pays. Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C I.2. La constitution d’un drone Un drone est généralement composé de 6 types d'éléments qui sont le châssis sur lequel sont assemblés les éléments, la motorisation (moteurs, hélices, ECS (Electronic Speed Control)), la batterie, le contrôleur de vol, la radio et la caméra. Bien évidemment chaque drone est différent par sa conception et les éléments qui le composent. Par exemple, la capacité des moteurs et la taille des hélices permettent d’avoir de la puissance. Cependant cela nécessite plus d’énergie, donc une batterie plus lourde et plus volumineuse. Un châssis de petite taille permet des vols plus rapides et plus agiles, ils sont plus légers mais aussi plus sensibles au vent. Le châssis, colonne vertébrale d’un drone Le châssis est un élément essentiel. C’est la structure du drone à deux niveaux : ● Il représente la structure du drone au sens propre (sa forme générale) puisque c’est sur lui que les différents éléments seront fixés. ● Il représente la structure au sens figuré car ses caractéristiques influencent directement la typologie et le comportement général du drone (stabilité, maniabilité, Figure 3 : Le châssis rapidité, solidité…). Il structure aussi le drone en ce sens qu’il offre plus ou moins de possibilité de par sa taille, son design, sa composition et sa rigidité et son poids. Ainsi, un châssis ultra léger permet d’avoir un drone plus autonome car moins gourmand en énergie. Plus les bras d’un châssis sont longs, plus le drone est stable et facile à piloter. Plus ils sont courts, plus le drone est réactif ; facilitant notamment la réalisation de figures acrobatiques. Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C Sur les quadricoptères, le châssis comporte 4 bras. Ils peuvent être en X ou en H. Figure 4.a : Le châssis en X Figure 4.b : Le châssis en H La motorisation - les moteurs Quatre moteurs brushless sont nécessaires pour le quadrirotor. Il en existe de différentes tailles et puissance. Ils sont caractérisés par le diamètre de leur cage tournante et par le nombre de tours/volt ou KV. Un moteur ayant un KV de 1000 tr/V fonctionnera à 12000 tours/min s'il est alimenté en 12V. Sur les moteurs brushless utilisés en modélisme, les bobinages en cuivre sont montés sur le stator et les aimants sur le rotor, à l'inverse des moteurs électriques conventionnels. Figure 5 : Le moteur brushless Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C La motorisation - les contrôleurs Les moteurs sont commandés par des interfaces de puissance appelées « Contrôleurs » (ESC ou Electronic Speed Controller en anglais). Ce sont des circuits électroniques qui permettent de faire varier la vitesse de rotation des moteurs, à partir du courant délivré par la batterie. La commande de vitesse vient du contrôleur de vol (voir plus bas). Ils sont caractérisés par une valeur en ampères (ex : 30A) qui indique l'intensité maximale qu'ils peuvent encaisser pendant le vol. La motorisation - les hélices Les hélices sont souvent en matière plastique mais aussi parfois en matériaux composites. Elles sont identifiées par leur diamètre et leur pas indiqués en pouces (ex : 9x4,5). Sur un drone quadrirotor, il faut 2 hélices à sens horaires et 2 hélices à sens antihoraire. Figure 6 : Les hélices La batterie Les batteries utilisées sur un drone multirotor sont essentiellement des « Lithium Polymère ». Elles sont issues d'une technologie qui permet d'avoir un très bon rapport poids/puissance. Un élément LiPo (1S) fournit une tension de 3,7V. Sur un drone, on utilise en général des batteries à 3 ou 4 éléments (3S ou 4S). L'intensité est aussi un critère de choix. Une batterie de 3000mAH aura une meilleure autonomie qu'une batterie de 2200mAH. Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C Le contrôleur de vol C'est une carte électronique, équipée de capteurs très précis, qui va traiter les consignes du pilote envoyées à l'émetteur ainsi que les informations envoyées par ses capteurs et va transmettre des impulsions électriques aux contrôleurs des moteurs pour faire varier leur vitesse. Ces cartes sont équipées de gyroscopes et d'accéléromètres pour mesurer et compenser les déplacements. Certaines cartes évoluées sont équipées de GPS et d'altimètre afin de maintenir un point fixe ou une altitude ou même de retourner au point de départ du drone en cas de perte de signal radio. La radio-commande Pour piloter le drone, il faut un émetteur radio pour le pilote et un récepteur dans le drone. Il existe plusieurs technologies pour les radiocommandes, les radios FM en 41MHz (de moins en moins utilisées) et les radios en 2,4GHz, souvent programmables pour s'adapter à chaque appareil radio-commandé. Une radio-commande doit idéalement comporter 6 voies pour piloter un drone, 4 voies sur les manettes et 2 voies sur des interrupteurs pour actionner certaines fonctions. Il existe deux modes de configuration des manettes, le Mode 1 dans lequel les gaz sont à droite et le mode 2 où les gaz sont à gauche. Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C Certaines radios fonctionnent dans les deux sens, c'est-à-dire qu'elles peuvent envoyer des ordres à l'émetteur mais aussi recevoir des informations de celui-ci (tension de la batterie,...) Figure 7 : La radio-commande La camera Elle permet soit d'enregistrer le vol pour le visionner plus tard, soit de faire du FPV (First Person View que l'on peut traduire par « vue subjective » ou « vol en immersion »). Ce FPV permet d’avoir des vues aériennes comme si on était dans l'appareil. Avec cette technologie, un pilote de drone a la possibilité d'observer en temps réel et de manière très réaliste ce que filme son appareil. Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C I.3. Evolution du Drone Le modèle de drone le plus simple est le modèle à hélice unique. Les drones à hélice unique fournissent suffisamment de portance pour maintenir le drone en vol stationnaire. Pourtant, il n'y a aucun moyen de le contrôler. Ce drone peut uniquement aller à la verticale et redescendre. Un autre problème est que le corps de ce drone continuera à tourner à l'opposé de l'hélice. Figure 8: Drone à helice unique Ensuite, il y a le drone à double hélice. La société “Zero Zero Robotics” a fait une tentative sérieuse pour développer un tel drone. Les pales des modèles à deux hélices tournent dans le sens opposé. De cette manière, le couple de réaction du moteur est annulé et la rotation indésirable du corps peut être évitée. Cependant, le principal problème avec ce modèle est que la manipulation du drone pour voler à grande vitesse et prendre des virages serrés et rapides nécessite un degré plus élevé de précision et de stabilité de contrôle. Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Figure 9 : Drone à double hélice Groupe C Ensuite, il y a les modèles à trois hélices. En fait, ce modèle est très rarement utilisé. Le principal problème de ce type de drones vient du couple de réaction du moteur et de la précision gyroscopique, ce qui complique inutilement la conception et les algorithmes Figure 10: Drone à trois hélice Dans ce qui suit, les drones quadricoptères à quatre hélices sont généralement en forme de H ou en forme de X. Ce type de drone effectue les manœuvres en comprenant la dynamique intéressante de leurs forces pour réaliser le vol stationnaire. L'opérateur doit simplement s'assurer que le poids du drone est exactement équilibré par la poussée produite par les hélices. Figure 11 : Drone à quatre hélice Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C II. Cinematique Sur un drone, la rotation des hélices est alternée c’est-à-dire que la moitié tourne dans le sens des aiguilles d’une montre et le reste tourne dans l’autre sens. Cela permet la stabilité du vol. Lorsque les hélices tournent, elles créent un courant d’air allant vers le bas et poussant le drone vers le haut, lui permettant de voler. Donc, pour réaliser un vol stationnaire, l'opérateur doit simplement s'assurer que le poids du drone est exactement équilibré par la poussée produite par les hélices. Il est important aussi que les moteurs tournent à la même vitesse pour que le drone soit stable. En changeant la vitesse des moteurs, on peut modifier le vol du drone. Ainsi, on distingue 4 types de mouvements différents : 1) Tangage Le tangage est l’axe qui passe par l’arrière et l’avant du drone et qui, selon son inclinaison, affecte les mouvements vers l’avant et l’arrière. Par exemple, pour aller en avant, on fait ralentir les deux moteurs de devant. Ceci fait que les hélices du devant font un courant d’air moins grand que celles de derrière. Cela fait que la partie arrière du drone se trouve au-dessus de l’avant permettant ainsi l'avancée du drone. Ensuite, pour que le drone aille en arrière, le principe est le même sauf que ce sont les deux moteurs arrière qui ralentissent au lieu de ceux de l’avant. L’avant du drone se trouve ainsi au-dessus de la partie arrière le permettant de reculer. Figure 12.a : Pour avancer Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Figure 12.b : Pour reculer Groupe C 2) Le roulis Le roulis est l’axe allant de la droite à la gauche donc définissant si le drone va à droite ou à gauche. Pour que le drone bascule vers la droite, il faut réduire la vitesse des moteurs de droite. Donc, quand on ralentit les moteurs de gauche, il va à gauche. Figure 13.a : Pour Figure 13.b : Pour basculer vers la droite basculer vers la gauche 3) Le Lacet Le lacet est l’axe perpendiculaire au drone passant par son milieu qui caractérise les rotations du drone sur un plan horizontal. Cela permet de pivoter de la droite à la gauche. Pour un mouvement de pivotement vers la droite ou la gauche nous allons augmenter la vitesse d’une paire de moteurs sur le même axe tout en diminuant les moteurs du deuxième axe. Figure 14.a : Pour Figure 14.b : Pour pivoter de la gauche pivoter de la droite 4) Le gaz Il permet de faire monter ou descendre le drone. Ce mouvement s’effectue en augmentant la vitesse des quatre rotors pour monter ou en la diminuant pour descendre. Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C Conc Ideas En quelques années il est devenu le drone que nous connaissons actuellement, aéronef multirotor à 4, 6 ou 8 moteurs, radiocommandé a distance, localisé et stabilisé par GPS, capable d’emporter des appareils photographiques ou caméras pouvant photographier ou filmer en full HD, 4K et même maintenant en 8K. Mais aussi réaliser des prestations techniques, comme la cartographie, la modélisation 3D ou la thermographie aérienne, qui au fur des années à rendu le drone indispensable à de nombreux secteurs d’activités professionnels. Ce développement rapide à vue l’arrivé d’une nouvelle réglementation aérienne, spécifique à son utilisation dans l’espace aérien et géré par la DGAC Direction Générale de l'Aviation Civile, mais aussi d’une nouvelle profession, le pilote de drone civil professionnel. Putri Nur Qistina BINTI BAZALANUL AZAM Muna Ayuni BINTI MAHATHIR Groupe C
