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ETAT DE L’ART, APPAREILS A VOILURES TOURNANTES
Définitions
Aéronefs
Tous appareils capables de s’élever ou de circuler dans les airs et de se mouvoir en altitude, au sein de l’atmosphère terrestre sont appelés aéronefs. Selon la manière dont ils arrivent à réaliser cette élévation dans les airs, on peut distinguer d’un côté les aéronefs qui utilisent une force statique que l’on appelle les aérostats, et de l’autre ceux qui génèrent une force dynamique pour équilibrer leur poids que l’on désigne par aérodynes.
Aérostats
Les aérostats regroupent les aéronefs dont la sustentation c’est-à-dire son élévation dans l’atmosphère se fait grâce à la poussée d’Archimède car ils sont plus légers que l’air. Ici on emplit l’appareil de gaz plus léger que l’air tel que l’hydrogène ou de l’air chaud pour la faire voler. L’exemple typique de ce type d’appareils est la montgolfière.
Aérodynes
Les aérodynes sont les aéronefs qui sont désignés comme étant plus lourd que l’air car elles n’utilisent pas le principe des gaz comme pour l’aérostats mais vole grâce à des principes et des forces aérodynamiques. En effet les aérodynes sont maintenus dans les airs grâce à la portance d’une voile. En fonction de leurs voilures alors, on peut distinguer les aérodynes :
➤ à voilures fixes ;
➤ à voilures Tournantes ;
➤ convertibles.
Les voilures tournantes
Par définition, les appareils à voilures tournantes sont des aérodynes dont la sustentation est assurée par un ou plusieurs moteurs et rotors qui fournissent des efforts mécaniques, transmis aux voilures pour permettre à l’appareil de voler. La plupart des aéronefs dans cette catégorie d’appareil possèdent la particularité d’avoir la capacité de décoller, voler et atterrir verticalement ; d’où leur appellation ADAV pour Aéronef à Décollage et Atterrissage Verticaux et donc n’ont pas besoin de piste de décollage ou d’atterrissage. Ils utilisent des voilures tournantes ou rotors multiples pour voler en état stationnaire au-dessus d’une zone précise ou encore des vols à basse vitesse et à basse altitude.
Classification des appareils à voilures tournante
Dans ce qui suit on va donner à partir de leurs configurations aéromécaniques une classification des engins à voilures tournantes en plusieurs familles pour en donner leurs particularités et leurs natures.
Les mono-rotors et rotor anti couple
C’est la configuration de l’hélicoptère classique qui est constituée d’un rotor principal à l’axe vertical. Ce rotor est une pièce mécanique complexe, qui assure la sustentation et la propulsion de l’hélicoptère. En plus du rotor principal on distingue aussi un système auxiliaire situé à l’arrière permettant de compenser le couple généré par le rotor principal sur le fuselage en générant une force de poussée dans la direction opposée à ce premier couple. [3]
Les rotors coaxiaux
Cette configuration est constituée de deux rotors principaux, de tailles identiques, mais tournants en sens contraires et disposants du même axe de rotation, ceci permet de neutraliser mutuellement le couple global généré par chacun des rotors sur le fuselage de l’appareil. Ici la masse de l’appareil est soulevée par la portance générée par les deux rotors .
Les rotors coaxiaux carénés
Les rotors coaxiaux carénés représentent une alternative aux rotors coaxiaux libres. En effet, la carène est un composant passif qui isole en partie le birotor de l’environnement extérieur et accroître le rendement propulsif du système appelé aussi poussée. Cependant, la carène augmente la masse de la structure et diminue d’autant la charge utile.
Les rotors en tandem
Les appareils à rotors en tandem possèdent deux rotors alignés de manière longitudinale, sans rotor anti-couple. Les rotors tournent en sens opposés, ce qui permet de compenser le couple de réaction du à leurs rotations. L’avantage de cette conception, c’est que toute la puissance du moteur est alors utilisée pour la portance. Dans le cas des engins de grandeurs nature, les rotors en tandem sont utilisés pour le transport de très lourdes charges .
Les rotors en tandem multiples
Les rotors en tandem constituent une configuration aéromécanique très répandue parmi les micros drones, qui comportent souvent plus de deux rotors. Ici, la poussée totale étant la somme des poussées de chaque rotor. Pour augmenter la charge utile, on peut augmenter la taille des rotors, mais pas infiniment. Pour cela, le véhicule devient plus dangereux, car les gros rotors provoquent plus de dégâts en cas de collision puisqu’il possède plus d’inertie. Une solution plus simple consiste à augmenter le nombre de rotors, plus on ajoute des rotors, plus la portance est augmentée.
Les rotors engrenants
Ce type de configuration est un compromis intéressant entre le double rotor coaxial et le double rotor en tandem. Ces appareils possèdent deux rotors contrarotatifs côte à côte alignés de manière latérale montés sur des axes en forme de V. Les rotors sont naturellement inclinés et synchronisés avec précision par une boîte de transmission. Ainsi, à aucun moment les pales ne risquent de s’entrechoquer. L’efficacité de survol est supérieure à celle du coaxial parce qu’il n’y a pas d’interférence entre les rotors.
Modélisation
But de la modélisation
La modélisation occupe une part importante pour l’analyse de tous systèmes quel qu’ils soient, car il est indispensable de bien connaître le comportement du système physique et de son environnement. La modélisation des véhicules aériens à voilures tournantes est relativement complexe et requiert la connaissance de l’aérodynamique du véhicule étudié, de ses caractéristiques mécaniques ainsi que de la dynamique des actionneurs. Les difficultés sont amplifiées pour les systèmes de petite échelle en raison de la complexité des phénomènes aérodynamiques qui entrent en jeu, de leur plus forte sensibilité aux perturbations, et des limitations sur la charge utile qui génèrent des contraintes de dimensionnement et de poids pour les capteurs embarqués. [3] Ici nous présenterons le modèle dynamique générique d’un véhicule à voilure tournante en utilisant le formalisme de la seconde loi de Newton. Un véhicule à voilure tournante peut être considéré comme un corps rigide à six degrés de liberté pour lequel on ajoute les forces aérodynamiques générées par ses actionneurs.
Dynamique des appareils
La dynamique de vol des Véhicules Aériens Autonomes (VAA) à voilures tournantes est non linéaire et complexe. Ainsi, il est quasiment impossible de construire un modèle mathématique complet de ce système, capturant tous les effets aérodynamiques. Cependant, on va essayer de donner un aperçu en donnant une description de la cinématique et la cinétique de ces engins dans les repères donnés :
➤ le repère inertiel {?} : lié à la Terre, ayant un point de référence ? et défini par la base{??, ??, ??}, ou {??} pointe vers le Nord, {??} pointe vers l’Est et {??} pointe vers le centre de la terre. Ce repère est supposé galiléen ;
➤ le repère de navigation {?} : dont l’origine ? est confondue avec le centre de gravité de l’engin et défini par la base {??, ??, ??} ou par convention {??} et l’axe de roulis, {??} définit l’axe de tangage et {??} définit l’axe de lacet .
Aérodynamiques
L’étude du comportement des véhicules aériens à voilures tournantes en vol montre l’apparition des phénomènes aérodynamiques complexes et potentiellement dangereux, l’objectif de cette partie s’attache donc seulement à présenter les principaux concepts qui interviennent dans l’étude du comportement des structures soumises aux actions du vent.
Définition
L’aérodynamique est une branche de la physique qui se porte principalement sur l’étude, la compréhension et l’analyse des écoulements de l’air, ainsi qu’éventuellement sur leurs effets sur des éléments solides qu’ils environnent. L’aérodynamique est donc une science qui fait partie de la mécanique des fluides, qui est appliquée au cas particulier de l’air. Il ne faut pas confondre aérodynamique et aérodynamisme qui désigne elle l’apparence d’un corps en mouvement dans l’air et sa résistance à l’avancement. [5] Il existe deux branches de l’aérodynamique : l’aérodynamique incompressible et compressible, que l’on sépare selon le nombre de Mach .
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 ETAT DE L’ART, APPAREILS A VOILURES TOURNANTES
1.1 Introduction
1.2 Définitions
1.2.1 Aéronefs
1.2.2 Aérostats
1.2.3 Aérodynes
1.3 Les voilures tournantes
1.4 Classification des appareils à voilures tournante
1.4.1 Les mono-rotors et rotor anti couple
1.4.2 Les rotors coaxiaux
1.4.3 Les rotors coaxiaux carénés
1.4.4 Les rotors en tandem
1.4.5 Les rotors en tandem multiples
1.4.6 Les rotors engrenants
1.5 Modélisation
1.5.1 But de la modélisation
1.5.2 Dynamique des appareils
1.5.2.1 La cinétique
1.5.2.2 La cinématique
1.5.2.3 L’effort
1.5.2.4 Dynamique de translation
1.5.2.5 Dynamique de rotation
1.5.3 Aérodynamiques
1.5.3.1 Définition
1.5.3.2 L’air
1.5.3.3 Résistance de l’air
1.5.3.4 Les types d’écoulement
1.5.3.5 Bilan des Forces
1.5.3.6 Calcul de la portance et de la trainée
1.5.3.7 Principes de Bernoulli
1.5.3.8 Profilage de formes aérodynamique
1.6 Notion d’asservissement
1.7 Commande par PID
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 CONCEPTION D’UN DRONE
2.1 Introduction
2.2 Les Drones
2.3 Eléments constitutifs d’un drone
2.3.1 Le châssis
2.3.2 Les Moteurs
2.3.2.1 Présentation
2.3.2.2 Modèle du moteur BLDC
2.3.3 Des Variateurs de vitesses
2.3.4 Les hélices
2.3.5 Le contrôleur de vol
2.3.5.1 Présentation
2.3.5.2 Caractéristiques
2.3.6 Une source d’alimentation
2.3.6.1 Types d’accumulateur
2.3.6.2 Les batteries au lithium
2.4 Technologie de capteur
2.4.1 Capteurs proprioceptifs
2.4.1.1 Les accéléromètres
2.4.1.2 Les gyroscopes
2.4.2 Capteurs Extéroceptifs
2.4.2.1 Les systèmes de positionnement par satellite
2.4.2.2 Les télémètres
2.4.2.3 Les altimètres barométriques
2.4.2.5 Les boussoles ou « compas »
2.4.2.6 Les caméras
2.5 Calcul d’un drone
2.5.1 Choix moteur-hélice
2.5.2 Calcul alimentation
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 REALISATION DU VEHICULE SANS PILOTE QUADROTOR
3.1 Introduction
3.2 Histoire des Quadrotors
3.3 Domaine d’application
3.4 Théorie de vol
3.4.1 Principe de vol d’un quadrotor
3.4.2 Le gaz
3.4.3 Le tangage
3.4.4 Le roulis
3.4.5 Le lacet
3.5 Cahier des charges du projet
3.6 Modèle dynamique du quadrotor
3.6.1 Les forces et les moments agissants sur le quadrotor
3.6.1.1 Les forces
3.6.1.2 Les moments
3.6.2 Développement de l’équation Newton-Euler
3.6.3 Modélisation sous Simulink
3.6.4 Résultat de la simulation
3.7 Plan et mesure
3.8 Mise en œuvre du côté matérielle à bord
3.9 Etude de la portance de l’appareil
3.10 La partie radio
3.11 La réalisation du projet
3.12 Coût du projet
3.13 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXES
ANNEXE 1 : Mise en œuvre au sein du CC3D
ANNEXE 2 : Règlementation des drones à Madagascar
ANNEXE 3 : Les 10 règles de sécurité
BIBLIOGRAPHIE
