Brevet FR2920745A1 — publié le 20090313

DRONE MODULAIRE A SOUS-ENSEMBLES DETACHABLES 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine des drones ou � aéronefs sans pilote�. Il concerne plus particulièrement les drones à 10 voilure fixe, mais non exclusivement : l'invention peut également être mise en oeuvre avec des drones à voilure tournante ou autres moyens de sustentation. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE 15 On connaît dans l'état de la technique un grand nombre de drones qui posent tous le problème de la mauvaise protection de la charge embarquée en cas de chute ou de mauvais contrôle de l'engin. 20 On a proposé dans l'état de la technique une solution décrite dans le brevet US 7,237,750 consistant à disposer d'un drone modulaire, dont les différents modules sont facilement assemblables et désassemblables à la main, et connectés entre eux par des systèmes de clips. Chacun 25 desdits modules est de plus constitué de sorte d'absorber ou dissiper l'impact des chocs lors d'un atterrissage mal contrôlé. L'inconvénient de cette solution est que la technique d'assemblage par liaison mécanique offre un 30 maintien trop rigide des pièces assemblées. Cette rigidité est particulièrement néfaste pour le sous-ensemble contenant la charge embarquée de l'engin volant, celui-ci n'étant pas suffisamment isolée vis-à-vis de l'impact des chocs lors d'un décollage avorté, d'un atterrissage 35 difficile ou de tout autre choc mécanique. En effet, une partie des chocs est transmise à ladite charge embarquée par les connexions mécaniques rigides. De plus, la rigidité de la liaison empêche la charge embarquée de se désolidariser des autres sous-ensembles de l'engin volant au-delà d'un seuil d'arrachage. Ainsi ladite partie des 1 chocs est susceptible de faire subir à ladite charge embarquée une cassure irréversible. D'une manière plus générale, dans le domaine aéronautique, les techniques d'assemblages utilisent des liaisons de type mécanique, avec utilisation de vis, de rivets, de soudures ou de clips. Toutes ces connexions de type mécanique transmettent une partie des chocs, sans en dissiper de manière significative. Elles ne sont de plus pas susceptibles de se détacher entre elles sous l'effet d'un choc au- delà d'un seuil d'arrachage. Elles ne résolvent donc pas le problème lié à la protection du système de connexion lui-même, ainsi que de la charge embarquée, qui, au-delà du travail de maintenance supplémentaire que sa dégradation implique, contient dans une variante particulière un système d'imagerie fort coûteux. EXPOSE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient, en proposant un drone modulaire constitué de sous-ensembles assemblées de manière à se séparer en cas de choc sans que cela n'engendre une quelconque rupture mécanique nécessitant une intervention de maintenance. La présente invention permet également l'absorption d'une partie du choc afin de réduire l'impact global sur la structure de l'ensemble de l'appareil, et un assemblage et un désassemblage rapides des éléments de l'engin en cas de nécessité opérationnelle. Enfin, la présente invention réalise une liaison entre deux sous- ensembles avec une force de maintien suffisante pour permettre le bon fonctionnement de l'appareil en condition d'utilisation. La présente invention propose dans son acception la plus générale un drone modulaire constitué par une structure volante et des moyens d'acquisition d'images caractérisé en ce que lesdits moyens d'acquisition d'images ainsi que la motorisation sont supportés par une platine rigide reliée à la structure volante par des liaisons détachables lorsque les efforts entre ladite platine et ladite structure volante dépassent une valeur seuil d'arrachage De préférence, les liaisons détachables sont constituées par des aimants permanents. Préférentiellement, lesdits aimants permanents sont à terres rares, et disposés dans une zone périphérique de ladite platine, la structure volante comportant des aimants permanents disposés pour coopérer magnétiquement avec les aimants permanents de la platine lorsque les deux parties sont assemblées. Dans un autre mode de réalisation, les liaisons détachables sont constituées par des bandes auto-agrippantes. Avantageusement, une partie au moins desdites 25 liaisons détachables sont encastrées dans la structure volante ou la platine. Dans un mode de réalisation particulier, la platine présente une cavité d'une forme complémentaire à une protubérance pour le logement de la charge embarquée. 30 Dans un mode de réalisation particulier, la platine présente une pluralité de contacts électriques aptes à coopérer avec des contacts complémentaires prévus sur la structure volante, pour la transmission des signaux électriques de commande des servo-moteurs solidaires de la 35 structure volante. Dans un mode de réalisation particulier, la structure volante est munie de gouvernes articulées en liaison avec des charnières intégrées à ladite structure volante, ainsi que des ailettes verticales marginales à ses extrémités. Dans une variante avantageuse, la platine est constituée en carbone et la structure volante est constituée en polypropylène expansé. De manière avantageuse, ledit drone modulaire fait partie d'un système aéroporté d'acquisition d'images, ledit drone modulaire étant apte à communiquer avec un système de pilotage au sol. Avantageusement, ledit système aéroporté d'acquisition d'images comporte des moyens d'asservissement des déplacements du drone en fonction de l'image cible à acquérir, ladite image cible étant déterminée par un utilisateur dudit système de pilotage au sol. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 20 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation, où : - la figure 1 représente une vue en trois 25 dimensions d'un drone modulaire selon la présente invention ; - la figure 2 représente une vue de la partie inférieure dudit drone modulaire ; - la figure 3 représente une vue de profil de 30 la structure volante dudit drone modulaire ; - la figure 4 représente une vue de la partie inférieure de la platine dudit drone modulaire ; - la figure 5 représente une vue de profil de ladite platine ; 35 - la figure 6 représente une vue en trois dimensions de ladite structure volante et de ladite platine lorsqu'elles sont aptes à être assemblées ; - la figure 7 représente une vue en trois dimensions de ladite structure volante et de ladite platine 5 lorsqu'elles sont assemblées ; - la figure 8 représente une vue de la partie inféreure de ladite structure volante ; - la figure 9 représente une vue de la partie inférieure de la dite structure volante assemblée à ladite 10 platine (en pointillés) ; - la figure 10 représente un schéma du système aéroporté d'acquisition d'images, comprenant ledit drone modulaire et un système de pilotage au sol. 15 EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS Un drone modulaire conforme à l'invention est un drone modulaire de type aile volante de moins d'un mètre d'envergure et de 650 grammes en ordre de vol. 20 Ce drone est utilisé comme système aéroporté d'acquisition d'images fixes au animées (vidéo). La charge embarquée dudit drone comporte en effet un système d'acquisition d'images apte à communiquer avec un système de réception et d'observation des images en temps réel au 25 sol. Ledit système d'acquisition d'images comprend un système d'imagerie. Dans une variante avantageuse, ledit système d'imagerie est une caméra vidéo en haute définition. Dans un autre mode de réalisation, ladite caméra vidéo peut être remplacée par un appareil- photo 30 d'une résolution supérieure à dix millions de pixels, une caméra thermographique, ou plus généralement par tout type de système d'imagerie. 35 Les figures 1 et 2 représentent ce drone modulaire (1), constitué des sous-ensembles suivants : - une structure volante (2) permettant la 5 sustentation dudit drone modulaire (1) ; - une charge embarquée (3) contenant tous les circuits électroniques de l'appareil, la motorisation, le boîtier de capteurs de pilotage (4), ainsi que le système d'acquisition d'images (5) ; 10 - une platine rigide (6) assurant le maintien de ladite charge embarquée (3) entre ladite structure volante (2) et ladite platine (6), et ; - un système propulsif à hélice (7). 15 Ladite structure volante (2) présente une envergure totale de 92 cm. Elle est constituée en polypropylène expansé. Du fait de sa forme profilée vers l'avant, elle joue le rôle de vecteur pour ledit drone modulaire (1). Au niveau de sa partie centrale, sa forme 20 est conforme au complémentaire d'une protubérance afin de loger la charge embarquée (3). Ladite structure volante (2) présente un profil aérodynamique apte à la sustentation. En effet, sa géométrie est de type flèche, ce qui offre une portance 25 aérodynamique élevée pour des vitesses de déplacement relativement faibles, de l'ordre de 50 km/h. Également, ladite structure volante (2) est munie d'un dispositif de gouvernes articulées de commande (22) et d'un dispositif de servo-commande, afin de piloter 30 ledit drone modulaire (1) dans l'espace aérien. Lesdites gouvernes articulées de commande (22) sont intégrées à la structure volante (2), grâce à l'utilisation de charnières (24), lesdites charnières (24) étant directement intégrées à ladite structure volante (2) 35 par compression de la matière polypropylène expansé dans le moule de fabrication. Ce procédé assure une résistance accrue pour une masse très faible. Le dispositif de servo-commande permet d'actionner lesdites gouvernes articulées (22), par l'intermédiaire de servo-moteurs mécaniques et électriques (25) intégrées à la structure volante (2), lesdits servomoteurs (25) étant reliés auxdites gouvernes articulées (22) à l'aide de tiges en aciers et de guignols en carbone (non visibles). Lesdits servo-moteurs (25) sont de plus reliés au boîtier de commande de pilotage (non visible) du drone, ledit boîtier de commande de pilotage transmettant les instructions de pilotage au sol par l'utilisateur jusqu'auxdits servo-moteurs (25). À ce titre, la structure volante (2) présente des renfoncements longilignes (34), comme illustré par la figure 2. Ces logements permettent le passage des connexions électriques (non visibles) entre le boîtier de commande de pilotage et les servo-moteurs (25), lesdits renfoncements longilignes (34) étant associés à un longeron en carbone (35). Les servo-moteurs étant intégrés à la structure volante (2), ils font partie des éléments consommables du drone modulaire (1), et sont remplacés en même temps que ladite structure volante (2) lorsque celle-ci a subi un choc irréversible lors d'une chute dudit drone modulaire (1). Ledit longeron en carbone (35), allant d'un servo-moteur à l'autre, supporte les charges aérodynamiques qui s'appliquent sur la voilure. Il recouvre le renfoncement longiligne (34), ainsi que les câbles électriques situés à l'intérieur dudit renfoncement (34). Ladite structure volante (2) dispose à chacune de ses extrémités d'une ailette verticale marginale (26), comme illustré par la figure 3. Le système propulsif à hélice (7) est un système classique de propulsion dans le domaine aéronautique. Il est fixé à la platine (6) par des connexions de type mécanique. Les figures 4 et 5 représentent la platine rigide (6), qui permet l'assemblage de la charge embarquée (3) à la structure volante (2). Elle est constituée d'une plaque de carbone rigide. Elle est de forme plane sur toute sa longueur, jusqu'à son extrémité arrière qui comporte le support (27) pour le système propulsif à hélice (7). La charge embarquée (3) est constituée en outre du boîtier de capteurs de pilotage (4) dudit drone par réception des instructions de pilotage par l'utilisateur au sol, ainsi que du système d'acquisition d'images (5) par émission des données desdites images vers l'utilisateur au sol. Elle contient également les alimentations (non visibles) nécessaires au fonctionnement du boîtier de capteurs de pilotage (4), du système d'acquisition d'images (5), du dispositif de servo-commande, et enfin la motorisation du système propulsif à hélice (7). Elle contient enfin les connectiques électriques (non visibles), ainsi qu'un dispositif d'émission/réception (non visible) apte à communiquer avec un dispositif d'émission/réception analogue prévu sur un système de pilotage au sol. Ledit drone modulaire (1) présente une pluralité de connectiques électriques (non visibles) permettant les connexions électriques entre les différents éléments que sont le boîtier de commande, le système d'acquisition d'images (5), le dispositif de servo-commande et le système propulsif à hélice (7). Ledit boîtier de capteurs de pilotage (4) contient un ensemble de capteurs permettant de fournir des informations nécessaires au pilotage du drone dans l'espace aérien. Les figures 6 à 9 représentent la connexion 35 entre ladite structure volante (2) et ladite platine (6). Ladite connexion est réalisée au moyen de huit aimants permanents puissants (41, 42), dont quatre sont encastrés et collés dans ladite structure volante et les quatre autres sont collés dans ladite platine. Les quatre aimants (41) de la platine (6) sont de forme circulaire (figure 4). Les quatre aimants (42) de la structure volante (2) sont de forme rectangulaire (figure 8) et de dimension supérieure à la dimension des aimants (41) de la platine (6), de façon à assurer un recouvrement complet desdits aimants (41) de la platine (6) lorsque les aimants (42) de ladite structure volante (2) sont mal centrés par rapport à ceux de ladite platine, à une certaine marge près correspondant à la différence de dimension entre les aimants de ladite structure volante et ceux de ladite platine (figure 9). Ceci permet à un utilisateur dudit drone de bénéficier d'une certaine marge de manoeuvre lors de l'assemblage de ladite structure volante (2) avec ladite platine (6). Lesdits aimants permanents sont de type Neodymium NdFeB, de puissance en surface 12900 Gauss. Ce type d'aimants permanents à terre rare présente un rapport puissance magnétique sur masse particulièrement élevé, ce qui offre au présent exemple de réalisation une puissance magnétique élevée sans alourdir significativement l'appareil. De plus, deux aimants permanents ainsi constitués sont susceptibles de se désolidariser l'un de l'autre lorsque les efforts entre la platine (6) et la structure volante (2) dépassent une valeur seuil d'arrachage. Ledit drone modulaire conforme à la présente invention dispose également de moyens de lancement dans les airs, lesdits moyens étant nécessaires à l'acquisition d'une vitesse suffisamment élevée pour bénéficier de l'effet de sustentation de la structure volante aérodynamique et ainsi assurer un décollage sans élément motorisé en contact avec le sol susceptible de faire acquérir audit drone ladite vitesse suffisamment élevée, mais qui alourdirait significativement ledit drone. À cet effet, la structure volante (2) présente deux trous en forme de demi-cercle (51), de part et d'autre du logement prévu pour la charge embarquée (3), comme illustré par la figure 8. De même, la platine (6) présente des trous en forme de demi-cercle (52), de part et d'autre du logement prévu pour la charge embarquée (3), comme représenté sur la figure 4, de même dimension que lesdits trous (51) de la structure volante (2), et positionnés de sorte de se superposer avec lesdits trous (52) de la structure volante (2) lorsque ladite platine (6) et ladite structure volante (2) sont assemblées (figure 9). Lesdits renfoncements offrent des espaces de prise en main suffisants pour le lancer au décollage. La figure 10 représente l'intégration dudit drone modulaire (1) à un système aéroporté d'acquisition d'images comportant également un système de pilotage au sol (61) apte à communiquer avec ledit drone modulaire (1). L'ensemble formé par ledit drone modulaire (1) et ledit système de pilotage au sol (61) permet à un utilisateur de contrôler et de commander les déplacements dudit drone en fonction de l'image que celui-ci souhaite acquérir. Le système d'acquisition d'images (5) est logé dans la charge embarquée (3). Il est orienté vers le sol. À cet effet, la structure volante (2) présente, au niveau de la zone prévue pour le logement de la charge embarquée (3), un trou circulaire (62), comme illustré par la figure 4, permettant le passage dudit système d'acquisition d'images (5) afin de permettre à ce dernier de viser le sol lorsque le drone possède une direction de vol longitudinale. Le système de pilotage au sol (61) permet à un utilisateur dudit drone de le commander directement depuis le sol. Il est constitué d'un ensemble unique comprenant une partie dédiée au pilotage au sol et une partie dédiée à la visualisation des images en temps réel au sol. Ladite partie dédiée au pilotage au sol comprend une table de commande (63) sur laquelle peuvent être actionnées des commandes de vol de type � haut û bas û gauche û droite � et � puissance moteur �, ainsi que la commande des paramètres de prise de vue et le déclenchement de la prise de vue elle-même. Ces commandes de vol, sélectionnées par l'utilisateur au sol, sont transmises jusqu'au boîtier de commande de pilotage (non visible) via le dispositif d'émission/réception (66) dudit drone modulaire (1). La structure volante (2) étant solidaire du système d'acquisition d'images (5) via des connexions rigides de type magnétique, lesdites commandes de vol orientent à la fois ladite structure volante (2) et ledit système d'acquisition d'images (5). Ladite partie dédiée à la visualisation des images en temps réel au sol permet à l'utilisateur d'observer en temps réel l'image acquise par le système aéroporté d'acquisition d'images afin de piloter ledit système en fonction de l'image qu'il souhaite obtenir. Elle est constituée à cet effet d'un moniteur de visualisation (64) de l'image en temps réel, ledit moniteur étant relié à un support électronique et informatique (65) contenant les programmes de pilotage et un dispositif d'émission/réception (66) apte à communiquer avec le système d'acquisition d'images (5) dudit drone modulaire (1). Dans un autre mode de réalisation, le drone se différencie du drone précédemment décrit en ce que les huit aimants permanents puissants sont remplacés par des bandes auto-agrippantes, disposés aux mêmes emplacements sur la structure volante et sur la platine. Dans un mode de réalisation particulier, le 35 système de pilotage au sol (61) comprend un système de communication apte à transmettre des instructions à la charge embarquée (3), et une tablette graphique affichant en temps réel l'image transmise par le système d'imagerie dudit drone, ladite tablette graphique pouvant être commandée par un stylet grâce auquel l'utilisateur dudit système de pilotage au sol (61) peut définir une zone sur ladite tablette graphique afin de définir un nouveau cadre de prise de vue. Ledit système de pilotage au sol (61) dispose à cet effet d'un dispositif de calcul intégrant la position dudit système aéroporté, le cadre de prise de vue tel qu'affiché sur ladite tablette graphique et le nouveau cadre de prise de vue tel que sélectionné par l'utilisateur. Ledit dispositif de calcul détermine à partir de ces données d'entrée la nouvelle position jusqu'où piloter ledit drone afin que le nouveau cadre de prise de vue soit tel que celui défini par l'utilisateur. Ledit dispositif de calcul intègre par ailleurs un algorithme d'asservissement en déplacements, afin de recalculer en temps réel, après avoir reçu l'instruction de déplacement jusqu'à ladite nouvelle position, la trajectoire dudit drone lui permettant d'atteindre la nouvelle position telle qu'instruite par le système de pilotage au sol (61). Enfin, ledit système de pilotage au sol (61) est apte à communiquer les instructions de vol à ladite charge embarquée (3) dudit drone modulaire(1). Un drone modulaire conforme à la présente invention peut être utilisé dans différents domaines d'applications, comme la photographie professionnelle ou le journalisme télévisuel. Plus généralement il convient de l'utiliser dans tout domaine d'application impliquant un système aéroporté d'acquisition d'images nécessitant l'accès dudit système d'acquisition d'images à une zone de l'espace aérien où tout autre système aéroporté de plus grande envergure, tel un hélicoptère, ne peut accéder. Enfin, de manière non limitative, ce drone peut remplacer de manière avantageuse tout autre système aéroporté d'acquisition d'images en ce que son poids et son envergure moindres lui permettent d'accéder au moins aux mêmes zones de l'espace aérien, tout en étant susceptible de fournir une qualité d'image au moins égale. REVENDICATIONS 1 - Drone modulaire (1) constitué par une structure volante (2) et des moyens d'acquisition d'images caractérisé en ce que lesdits moyens d'acquisition d'images ainsi que la motorisation sont supportés par une platine rigide (6) reliée à la structure volante (2) par des liaisons détachables lorsque les efforts entre ladite platine (6) et ladite structure volante (2) dépassent une valeur seuil d'arrachage. 2 - Drone modulaire (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites liaisons détachables sont constituées par des aimants permanents (41, 42). 3 - Drone modulaire (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que lesdites liaisons détachables sont constituées par une pluralité d'aimants permanents à terres rares (41) disposés dans une zone périphérique de ladite platine (6), la structure volante (2) comportant des aimants permanents (42) disposés pour coopérer magnétiquement avec les aimants permanents (41) de la platine (6) lorsque les deux parties sont assemblées. 4 - Drone modulaire (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites liaisons détachables sont constituées par des bandes auto-agrippantes. 5 - Drone modulaire (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'une partie au moins des moyens de liaison sont encastrés dans la structure volante (2) ou la platine (6). 6 - Drone modulaire (1) selon la revendication 35 2 ou 3 caractérisé en ce que la structure volante (2)présente à sa partie inférieure une zone plane correspondant à l'implantation de ladite platine (6), cette zone plane présentant une cavité d'une forme complémentaire à une protubérance prévue sur ladite platine (6) pour le logement de la charge embarquée (3). 7 - Drone modulaire (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la platine (6) présente une pluralité de contacts électriques aptes à coopérer avec des contacts complémentaires prévus sur la structure volante (2), pour la transmission des signaux électriques de commande des servo-moteurs (25) solidaires de la structure volante (2). 8 - Drone modulaire (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la platine (6) est constituée par une plaque de carbone. 9 - Drone modulaire (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la structure volante (2) est constituée au moins d'une partie moulée en polypropylène expansé. 10 - Drone modulaire (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la structure volante (2) est munie de gouvernes articulées (22) en liaison avec des charnières (24) intégrées à la dite structure volante (2). 11 - Drone modulaire (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la structure volante (2) est munie à ses extrémités d'ailettes verticales marginales (26).3512 ù Système aéroporté d'acquisition d'images constitué d'un drone modulaire (1) conforme à l'une au moins des revendications précédentes, et d'un système de pilotage au sol (61) apte à communiquer les instructions de vol au boîtier de commande dudit drone modulaire (1). 13 ù Système aéroporté d'acquisition d'images selon la revendication 12 caractérisé en ce que ledit boîtier de commande comporte des moyens d'asservissement des déplacements du drone en fonction de l'image cible à acquérir, ladite image cible étant déterminée par un utilisateur dudit système de pilotage au sol (61).