Sommaire
Introduction
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I. Généralités
I.1. Historique
I.2. La constitution d’un drone
I.2.1. Le châssis, colonne vertébrale d’un drone
I.2.2. La motorisation - les moteurs
I.2.3. La motorisation - les contrôleurs
I.2.4. La motorisation - les hélices
I.2.5. La batterie
I.2.6. Le contrôleur de vol
I.2.7. La radiocommande
I.2.8. La caméra
I.3. Les capteurs dans un drone
1.3.1. L'accéléromètre
1.3.2. Le gyroscope
1.3.3. Magnetometer
1.3.4. GPS
1.3.5. Fusion de capteur
I.4. La stabilisation d’un drone
1.5.Les différentes modèles du drone
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II. La cinématique
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III. La navigation de drone
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V. Conclusion
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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,
soit en fonctionnement 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 l'évènementiel
mais il peut également être utilisé dans les secteurs de la défense.
Notre sujet se compose de 3 parties qui sont les généralités du drone (l’historique, la
constitution et l'évolution), sa cinématique et sa navigation.
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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. Le figure 1 ci-dessous est le Kettering Bug.
Figure 1 : Kettering
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. En Anglais, un
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drone désigne aussi un faux-bourdon (mâle de l'abeille). Leur vol bruyant, lent et
paresseux ressemblait plus à celui du bourdon à la vie éphémère qu'à celui d'une reine
abeille. Le nom est resté. La figure 2 ci-dessous illustre le « Queen Bee ».
Figure 2 : Le 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.
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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, les drones sont plus légers mais aussi plus sensibles au vent.
I.2.1. Le châssis, colonne vertébrale d’un drone
Le châssis est un élément essentiel. C’est la structure du drone à deux
niveaux
La figure 3 représente un exemple de châssis utilisé pour le drone.
●
Il représente la structure du drone au sens propre (sa forme
générale) puisque c’est sur lui que les différents éléments seront
Figure 3 : Le châssis
fixés.
●
Il représente la structure au sens figuré car ses caractéristiques influencent
directement la typologie et le comportement général du drone (stabilité,
maniabilité, 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.
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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.
Sur les quadricoptères, le châssis comporte 4 bras. Ils peuvent être en X qui est la figure
4.a ou en H qui est la figure 4.b.
Figure 4.a : Le
Figure 4.b :
châssis en X
Le châssis
I.2.2. La motorisation - les moteurs
La figure 5 est le moteur brushless qui est nécessaire 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.
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Figure 5 : Le moteur
brushless
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I.2.3. 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 figure 6 montre un schéma de composants d'un variateur électronique.
Figure 6 : Schéma électrique
d’un ESC
1. Condensateur de filtre de sortie : il est utilisé comme un filtre pour éliminer les
oscillations de l'onde de tension appliquée au moteur.
2. Ensemble de 3 branches verticales étiquetées FET. Ces 6 commutateurs sont
des transistors MOSFET-JFET. Les trois phases du moteur sont reliées au point
central de chacune des branches. Ainsi, en effectuant différentes combinaisons
avec les interrupteurs fermés et ceux laissés ouverts, il est possible d'appliquer
une tension positive, négative ou nulle à chacune des phases du moteur.
3. FET Driver Circuitry : ce composant adapte les sorties logiques du
microcontrôleur aux niveaux de tension et de courant nécessaires pour entrer dans
des transistors.
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4. Microcontrôleur : il contient le programme de gestion des transistors. Il reçoit en
entrée le signal de gaz et la mesure des forces électromotrices induites dans
chaque phase. L’alimentation provient du composant appelé BEC présent dans la
plupart des onduleurs.
5. BEC (Battery Elimination Circuit) : Un régulateur de tension linéaire, c'est-à-dire
un circuit électronique qui réduit la tension des batteries et la stabilise pour
alimenter le microcontrôleur et autres composants nécessitant une tension de
niveaux logiques.
L’ESC reçoit un signal d'une source de faible puissance microprocesseur et le convertit
en un signal alternatif triphasé haute puissance. Le signal correspond normalement à un
signal de modulation de largeur d'impulsion PWM, dont la fréquence et le rapport cyclique
sont déterminés en usine.
Le rapport cyclique est généralement compris entre 1 et 2 ms et la fréquence peut prendre
des valeurs de 50hz et 490hz. La figure 7 suivante montre un signal PWM, où T
correspond à la période et t à la largeur d'impulsion, les deux quantités étant exprimées
en unités de temps
Figure 7 : Signal PWM
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I.2.4. La motorisation - les hélices
Les hélices sont souvent en matière plastique mais aussi parfois
en matériaux composites. Les hélices sont illustrées comme dans
la figure 8. 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 anti-horaire.
I.2.5. La batterie
Figure 8 : Les
hélices
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.
I.2.6. Le contrôleur de vol
Le contrôleur de vol, ou FC pour "Flight Controller”, a en charge de gérer la stabilité du
drone et de donner des consignes de puissance aux ESC. C’est le cerveau central du
drone. L'une des principales tâches de configuration est l'association des canaux du
récepteur radio en instructions 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.
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I.2.7. La radiocommande
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.
La figure 9 est une radio-commande qui 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. Certaines radios fonctionnent
dans les deux sens, c'est-à-dire qu'elles peuvent envoyer des ordres à l'émetteur
Figure 9 : La
mais aussi recevoir des informations de celui-ci (tension de la batterie,...)
radiocommande
I.2.8. La caméra
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.
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I.3. Les capteurs dans un drone
Un contrôleur de vol se compose d’une IMU (Inertial Measurement Unit) et GPS (Global
Positioning System). L’IMU peut embarquer plusieurs capteurs, parmi les plus utilisés
sont le baromètre, le magnétomètre et des systèmes micro-électromécaniques
(MEMS) qui sont le gyroscope et l'accéléromètre pour mesurer et compenser les
déplacements.
Cette carte de contrôleur de vol est équipée de GPS 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.
1.3.1. L'accéléromètre
La figure 10 est un diagramme 3D d’un accéléromètre qui a
pour fonction de mesurer l’orientation d’un drone par
rapport à la surface de la Terre. Il fonctionne en détectant
l’accélération de la gravité en utilisant la même technologie,
qui est également derrière les gyroscopes, MEMS (Micro
Electro-Mechanical Systems).
Figure 10 : L’accéléromètre
Lorsqu'une accélération dans la direction particulière est appliquée,
la masse se déplace et la capacité entre les plaques et la masse change. Cette variation
de capacité sera mesurée et elle correspondra à une certaine valeur d'accélération.
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1.3.2. Le gyroscope
La fonction principale de la technologie des gyroscopes est d’améliorer les capacités de
vol des drones. Le gyroscope mesure et maintient l'orientation du drone. En présence
de trois accéléromètres, chacun étant orienté dans un axe différent,
il est possible de déterminer le degré de mouvement d'un drone sur
n'importe
quel
axe.
Cela
permet
une
meilleure
collecte
d'informations sur les mouvements de roulis, de tangage et de lacet
du drone, informations qui viennent à leur tour alimenter le
contrôleur
PID
(proportionnel/intégral/dérivé)
du
drone.
Le
gyroscope fournit ces informations aux systèmes de commandes de
vol centrales. La figure 11 illustre le gyroscope.
Figure 11 : Le
gyroscope
1.3.3. Magnétomètre
Le magnétomètre mesure la force et la direction du champ magnétique terrestre
nord afin de corriger sa trajectoire.
1.3.4. GPS
Un module GPS mesure l'emplacement du drone par la mesure du temps de
propagation du signal entre le satellite et le récepteur fixé sur le drone. La réception
de 4 satellites par le récepteur permettra au module GPS de donner une estimation de la
position latérale et de l'altitude du drone.
Le GPS couplé aux capteurs tels que le baromètre ou l’accéléromètre, permettra au pilote
automatique d’avoir une représentation précise de la position du drone dans l’espace.
La principale fonction apportée par le module GPS est, en mission, le positionnement de
l’appareil par rapport à des points de passage (waypoints) repérés grâce à leurs
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coordonnées géographiques. Il peut s’agir au minimum du point de décollage et du point
d’atterrissage s’ils ne sont pas confondus.
Certains modules GPS récents peuvent recevoir en même temps les satellites de
plusieurs constellations GPS (américaine, européenne, russe, chinoise, etc.). Cela
permet au module d’être encore plus précis sur la position annoncée du drone dans
l’espace. L’information sera également plus fiable en cas d’éventuelle perte de signaux
de la part d’un satellite.
Le module GPS doit être installé sur la partie supérieure du drone afin d’être en
permanence en vue du ciel. Sur les drones multirotors, il est généralement positionné sur
un mât afin d’être le plus distant possible des autres instruments électroniques et moteurs
qui peuvent perturber la réception du signal satellite.
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1.3.5. Fusion de capteur
Avant de passer à la partie processeur, il faut s'assurer que les signaux produits par les
capteurs sont suffisamment précis. Par exemple, le bruit tels que les défauts, les
interférences dues aux vibrations mécaniques des hélices du drone et les interférences
magnétiques peuvent affecter la précision d'un capteur.
Les drones modernes utilisent donc une technique appelée fusion de capteurs pour
surmonter ce problème. Par exemple, un capteur GPS peut fournir une information de
base sur l'altitude de ce drone. Cependant nous pouvons rendre cette mesure super
précise si nous y intégrons également la technologie radar. Il s'agit donc de la fusion de
capteurs : différents capteurs travaillant ensemble pour produire des mesures plus
précises.
Avec ces signaux précis, nous pouvons entrer dans la partie décisionnelle du drone, la
partie système de contrôle qui comprend la logique de contrôle, le système de commande
et l'algorithme. L’algorithme est utilisé pour réduire davantage l'erreur et prendre des
décisions.
L'un de ses algorithmes est le filtre de Kalman (KF). L'algorithme KF lit les données
passées et présentes pour connaître l'état du drone et utilise sa logique pour la
navigation GPS, le retour à la maison et tout autre cas de ce type. Il peut également dans
ce cas, stabiliser le drone après l'effet désastreux des vents.
Finalement, le même algorithme KF alimenté dans le processeur ayant des portes
logiques et des transistors, prend des décisions intelligentes pour contrôler les vitesses
des moteurs. Bref, en contrôlant les vitesses des quatre moteurs de manière intelligente,
le drone quadricoptère peut affronter n'importe quel environnement difficile.
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I.4. La stabilisation d’un drone
Pour qu’un drone vole parfaitement, la technologie IMU, la stabilisation gyroscopique et
le contrôleur de vol sont essentielles. En plus, avec la technologie des gyroscopes, cela
rend les drones plus faciles et plus sûrs à piloter.
Lorsque le drone est piloté au départ, pour se stabiliser, l'accéléromètre détecte qu'il a
été projeté en l'air et retombe au sol. Le gyroscope stabilise alors son orientation en une
fraction de seconde. Ensuite, le capteur de distance stabilise le drone à une hauteur
préprogrammée particulière du sol. Finalement, le drone se verrouille dans sa position
actuelle.
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1.5. Les différents modèles du drone
La figure 12 représente le modèle de drone le plus
simple qui 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 12 : Drone à
hélice unique
Ensuite, la figure 13 est 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
Figure 13 : Drone à double
hélice
nécessite un degré plus élevé de précision et de stabilité de
contrôle.
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Ensuite, la figure 14 illustre le modèle 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 14: Drone à
Dans ce qui suit, la figure 15 est les drones
trois hélice
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 15 : Drone à
quatre hélices
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II. La cinématique
Sur un drone, la rotation des hélices est alternée c’est-à-dire qu’une moitié tourne dans
le sens des aiguilles d’une montre et l’autre 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
le
mouvement
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.
La figure 16.a montre le mouvement de drone pour aller en avant tandis que la
figure 16.b montre le mouvement de drone pour aller en arrière.
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Figure 16.a : Pour
avancer
Figure 16.b : Pour
reculer
2) Le roulis
Le roulis est le mouvement qui 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.
La figure 17.a montre le mouvement de drone pour basculer vers la droite tandis
que la figure 17.b montre le mouvement pour aller à gauche.
Figure 17.a : Pour
Figure 17.b : Pour basculer
basculer vers la droite
vers la gauche
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3) Le Lacet
Le lacet est la rotation du drone sur un plan horizontal. Cela permet de pivoter de
la droite à la gauche. Pour un mouvement de pivot 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.
Les figures 18 ci-dessous montrent le mouvement de drone pour pivoter vers la
droite et vers la gauche.
Figure 18 : Pour pivoter
Figure 18 : Pour
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.
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III. La navigation du drone
Le drone reçoit le signal de commandes de l'utilisateur en utilisant la technologie
commune de radiofréquence. La portée de communication peut être de 1 à 2 kilomètres
pour un drone.
Pourtant, si le drone sort accidentellement de cette portée de communication, on peut
encore le retrouver. Afin de le retrouver, les drones modernes utilisent conjointement le
GPS et la technologie internet fonctionnant avec les tours. L'opérateur a déjà défini
l'emplacement du domicile lors du démarrage du drone à l'aide du GPS. De cette façon,
le drone perdu peut retourner en toute sécurité à son emplacement d'origine.
La figure 19 ci-dessous montre la portée jusqu'à ce que le drone puisse être détecté en
utilisant le GPS par contre, si le drone est hors de portée, c'est là que les satellites sont
utilisés.
Figure 19 : Pour trouver le
drone disparu
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V. Conclusion
Il ne fait aucun doute que les drones sont l'un des progrès les plus merveilleux et les plus
précieux de la technologie. Actuellement, presque tous les pays développent leurs drones
pour différentes applications. Il existe encore des éléments à améliorer et de nombreux
professionnels travaillent continuellement à cela.
Les drones embarquant des caméras sont plus utiles pour les applications commerciales
et militaires et ils sont développés par presque toutes les grandes entreprises du monde.
Ils fonctionnent tous en parfaite cohérence pour offrir des performances exceptionnelles
pour différentes applications. La plupart des pays possèdent leur propre réglementation
pour les vols de drones et quelques restrictions sont imposées sur leur capacité de
charge. Par exemple, selon la réglementation européenne, à partir du 1er janvier 2023 :
tous les drones commercialisés devront comporter une indication de classe, et ceux qui
en seront dépourvus ne pourront plus être vendus en Europe.
Dans l’ensemble, nous avons étudié l'aspect électronique du drone en termes de
fonctionnement technique des capteurs et du contrôleur de vol. Nous voyons l'application
des matières en GEII tels que l'automatique et le système électronique qui sont utilisés
pour la constitution d'un drone.
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