Brevet FR3033256A1 — publié le 20160909

Système d'alimentation en énergie électrique d'un drone La présente invention concerne un système d'alimentation en énergie électrique d'un drone. Dans le domaine des drones et des systèmes d'alimentation des drones, il est connu d'équiper un drone, piloté par un utilisateur au sol, d'au moins une batterie d'alimentation embarquée sur le drone. Cela confère au drone une grande liberté de mouvements mais, en revanche, induit des limitations importantes. Un drone équipé d'une batterie d'alimentation a un poids relativement élevé et a besoin d'un moteur puissant pour voler, d'où une consommation électrique élevée et une autonomie réduite. De plus, un tel drone a un temps de vol libre qui dépend fortement de la capacité de sa batterie d'alimentation. A ce sujet, il est connu d'utiliser un système d'alimentation filaire pour un drone piloté par un utilisateur. En pratique, un câble d'alimentation est branché d'une part, à une unité d'alimentation disposée au sol et, d'autre part, au drone en vol. Dans ce cas, l'utilisateur s'occupe en même temps du pilotage du drone et du placement du câble au sol. Cette dernière tâche est compliquée pour l'utilisateur, car il est souhaitable d'enrouler le câble de manière à ne pas créer de noeud pour que son déroulement soit rapide. Pour ce faire, il est connu également d'utiliser un système d'alimentation filaire équipé d'un enrouleur pour le câble. Le câble est déroulé ou enroulé en fonction de la position du drone en vol. Un drone alimenté par un tel système filaire peut en général exécuter seulement des mouvements de montée et descente verticale, ce qui n'est pas toujours pratique pour les différents domaines d'utilisation des drones. L'enrouleur d'un tel système d'alimentation est parfois équipé d'un dispositif électromécanique de contrôle du déroulement du câble, qui nécessite de connaître la position du drone par rapport à l'enrouleur. Cette position est mesurée à l'aide d'un capteur de position disposé sur le drone. Le résultat de la mesure est envoyé à un microcontrôleur de l'enrouleur qui détermine les mouvements d'enroulement ou de déroulement que nécessite le câble. Ceci n'est pas adapté à un système d'alimentation filaire qui doit être compatible avec des drones différents et est plus couteux. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un nouveau système d'alimentation d'un drone qui assure une large mobilité au drone et qui est économique, fiable et adaptable à plusieurs drones. Dans cet esprit, l'invention concerne un système d'alimentation en énergie électrique d'un drone, ce système comprenant au moins un convertisseur alternatif- 3033256 2 continu alimenté en énergie électrique, au moins un bloc de puissance installé sur le drone et apte à fournir au drone l'énergie électrique, un câble reliant le convertisseur et le bloc de puissance, un enrouleur comprenant un tambour d'enroulement du câble et un moteur électrique d'entraînement du tambour, ainsi qu'une unité de contrôle qui pilote en 5 courant continu le moteur électrique. Conformément à l'invention, le fonctionnement du moteur électrique de l'enrouleur est asservi à la tension mécanique du câble entre l'enrouleur et le drone. Grâce à l'invention, le système d'alimentation n'a pas besoin de connaitre la position du drone à l'aide d'un capteur, alors qu'il utilise en permanence une longueur de 10 câble adaptée entre le tambour et le drone. Cela permet de s'affranchir d'un capteur de position embarqué et d'une ligne de transmission de signal de position. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel système d'alimentation comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises selon toute combinaison techniquement admissible : 15 - Le moteur électrique est asservi à une valeur de consigne de courant continu fournie par l'unité de contrôle. - L'enrouleur comprend, en outre, au moins une poulie d'appui pour le câble, cette poulie étant montée folle autour d'un axe mobile par rapport à un châssis de l'enrouleur et un capteur de la position de l'axe par rapport au châssis, alors que l'unité de contrôle 20 règle la valeur de consigne de courant continu en fonction notamment d'un signal de sortie du capteur. - Le système d'alimentation comprend au moins une batterie de secours destinée à être montée sur le drone et au moins un commutateur électrique apte à relier sélectivement au moins un bloc de puissance ou la batterie de secours au drone. 25 - Le commutateur électrique est capable de relier sélectivement jusqu'à trois blocs de puissance ou la batterie de secours au drone. - Le système d'alimentation comprend quatre blocs de puissance, deux batteries de secours et deux commutateurs électriques, chaque commutateur électrique étant apte à relier sélectivement deux blocs de puissance ou une des batteries de secours au drone. 30 - Le convertisseur alternatif-continu comporte un capteur de courant configuré pour détecter un défaut dans l'alimentation en énergie électrique du convertisseur alternatif-continu. - Le blocs de puissance comporte un capteur de courant configuré pour détecter un défaut dans l'alimentation en énergie électrique du bloc de puissance. 3033256 3 - Le câble comporte un tuyau pour la circulation d'un fluide et/ou une fibre optique ou une paire de conducteurs électriques pour la transmission de données numériques. L'invention concerne également un ensemble comprenant un drone équipé d'un emplacement de réception d'une batterie d'alimentation du drone en configuration vol 5 libre, une télécommande de pilotage du drone et un système d'alimentation en énergie électrique du drone. Conformément à l'invention, le système d'alimentation est tel que décrit ci-dessus et le bloc de puissance du système d'alimentation est monté sur le drone dans l'emplacement de réception de la batterie d'alimentation. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus 10 clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un système d'alimentation conforme à l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue d'un ensemble comprenant un drone et un système d'alimentation en énergie électrique du drone, conforme à un premier mode de réalisation 15 de l'invention, le drone étant en vol ; - la figure 2 est une vue en perspective et à plus grande échelle d'une unité au sol du système d'alimentation à la figure 1 ; - la figure 3 est une représentation schématique en vue de côté d'un enrouleur de l'unité au sol de la figure 2 ; 20 - la figure 4 est une vue à plus grande échelle et avec arrachement de l'encadré IV à la figure 1 ; - la figure 5 est une représentation schématique d'un circuit électrique appartenant à l'ensemble des figures 1 à 4 ; - la figure 6 est un schéma électrique d'un commutateur électrique visible à la 25 figure 4 ; - la figure 7 est une représentation schématique analogue à la figure 5, pour un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 8 est une représentation schématique analogue à la figure 5, pour un troisième mode de réalisation de l'invention. 30 L'ensemble 1 représenté aux figures 1 à 6 comprend un drone 2, une télécommande de pilotage 3 et un système d'alimentation 4. De façon connue en soi, le drone 2 comporte, entre autres, des moteurs 202 d'entrainement de pales de sustentation 204. Le drone est équipé de deux emplacements 6 de réception chacun d'une batterie, non représentée, d'alimentation du drone 2 lorsque 3033256 4 celui-ci est en configuration de vol libre, c'est-à-dire lorsqu'il peut voler sans être relié au sol par un câble, en étant alimenté uniquement par les batteries. Les emplacements 6 sont équipés de connecteurs électriques non représentés, configurés pour relier électriquement les batteries d'alimentation au drone 2. Les batteries 5 d'alimentation sont ainsi disposées pour alimenter le drone lorsque celui-ci est en configuration de vol libre et est piloté via la télécommande 3 par un utilisateur au sol. En configuration de vol libre, le système d'alimentation 4 n'est pas nécessaire pour l'alimentation du drone 2 et est ainsi déconnecté du drone 2. Au contraire, lorsque le système d'alimentation 4 est connecté au drone 2 qui est 10 toujours piloté via la télécommande 3 par l'utilisateur au sol, le drone 2 est en configuration de vol filaire et les batteries d'alimentation ne sont pas montées sur le drone 2. Le système d'alimentation 4 est ainsi configuré pour fournir l'énergie électrique au drone 2. Ce système 4 comprend une unité 8 disposée au sol, deux blocs 10 de 15 puissance, un câble 12, une batterie 14 de secours et un commutateur électrique 16. L'unité au sol 8 comprend un châssis 17, deux convertisseurs 18 alternatif-continu, un enrouleur 20 et un capteur 22 de courant. En variante, l'unité au sol 8 comprend plusieurs capteurs de courant 22. Les convertisseurs alternatif-continu 18 sont alimentés en énergie électrique, par 20 exemple, via un réseau de distribution, qui n'est pas représenté. A titre d'exemple non limitatif, le réseau de distribution alimente les convertisseurs 18 avec une tension alternative V1 de 220 volts. Les convertisseurs alternatif-continu 18 sont configurés pour fournir une tension continue V2, dite haute, notamment de l'ordre de 400 volts. Le capteur de courant 22 est disposé en amont des convertisseurs 18 et configuré 25 pour détecter un défaut dans l'alimentation en énergie électrique des convertisseurs 18. En particulier, lorsque les convertisseurs 18 ne reçoivent pas la tension alternative V1, le capteur de courant 22 signale à l'utilisateur au sol, par exemple au moyen de la télécommande 3, qu'un problème concernant l'alimentation en énergie électrique est survenu en amont des convertisseurs 18. 30 L'enrouleur 20 comprend un tambour 24 d'enroulement du câble 12 et un moteur 26 électrique d'entraînement du tambour d'enroulement 24. L'enrouleur 20 comprend, en outre, une poulie 28 folle contre laquelle roule et appuie le câble 12, un capteur 30 de position et une unité 32 de contrôle. Le tambour d'enroulement 24 est de forme cylindrique, comme visible à la figure 3, 35 et solidaire d'un arbre de sortie du moteur électrique 26. On note X24 l'axe de rotation du 3033256 5 tambour 24 qui est également l'axe de l'arbre de sortie du moteur 26. Le tambour d'enroulement 24 comporte également un balai 38 de renvoi, configuré pour assurer un enroulement correct du câble 12 sur le tambour 24. Le balai 38 est commandé par un deuxième moteur électrique et apte à se déplacer parallèlement à l'axe X24 du tambour 5 24, sur deux barres solidaires au châssis 17. Le moteur électrique 26 est, par exemple, en moteur électrique à courant continu, tel qu'un moteur sans balais. Le moteur électrique 26 est piloté en courant continu par l'unité de contrôle 32. En pratique, le moteur électrique 26 est asservi à une valeur de consigne de courant continu fournie par l'unité de contrôle 32. 10 Selon un premier mode d'utilisation, qui n'est pas représenté aux figures, la valeur de consigne fournie par l'unité de contrôle 32 reste constante. Selon un deuxième mode d'utilisation, qui est représenté aux figures, l'unité de contrôle 32 règle la valeur de consigne de courant continu en fonction, notamment, d'un signal de sortie S30 du capteur de position 30. 15 La poulie d'appui 28 est montée rotative à une première extrémité d'un bras 34. L'autre extrémité du bras 34 est articulée au châssis 17. On note X34 l'axe d'articulation du bras 34 sur le châssis 17. L'axe X34 est parallèle à l'axe X24 du tambour. L'articulation entre le bras 34 et le châssis 17 permet au bras 34 d'osciller autour de l'axe X34, comme représentée par la double flèche F34 à la figure 3. 20 On note X28 l'axe de rotation de la poulie 28 qui est parallèle aux axes X24 et X34. La poulie 28 est ainsi montée folle autour de l'axe X28, lequel est mobile par rapport au châssis 17. Ainsi, la poulie 28 est mobile en rotation autour des axes X28 et X34 afin d'accompagner le câble 12 dans son enroulement sur le tambour 24 ou son déroulement. En variante non représentée aux figures, l'enrouleur comprend deux ou plusieurs 25 poulies d'appui pour le câble 12. Le capteur de position 30 est configuré pour mesurer la position de l'axe X28 par rapport au châssis 17. En pratique, le capteur 30 est apte à mesurer la position du bras 34 autour de l'axe X34. Le capteur de position 30 est, par exemple, un potentiomètre linéaire. 30 En pratique, le bras 34 qui porte la poulie 28, oscille, autour de l'axe X34 en fonction de la tension mécanique T du câble 12. En effet, la tension mécanique T du câble 12 entraîne la poulie 28 et, par conséquent, le bras 34 autour de l'axe X34. Plus la tension T est importante, plus le câble 12 a tendance à soulever la poulie 28, dans un sens qui fait tourner le bras 34 dans le sens horaire à la figure 3. Au 3033256 6 contraire, si la pression diminue, le poids de la poulie tend à faire tourner le bras 34 dans le sens inverse, c'est-à-dire dans le sens trigonométrique à la figure 3. Le capteur de position 30 détecte ainsi la position de la poulie 28 et envoie son signal de sortie S30 à l'unité de contrôle 32. Ce signal S30 comporte une information sur 5 la position de la poulie 28. Après étalonnage, l'unité de contrôle 32 est apte à calculer la tension mécanique du câble 12 en fonction de l'information qu'elle reçoit du capteur 30 sur la position de la poulie 28. Ensuite, elle détermine le sens de rotation à imprimer du tambour 24, soit un enroulement soit un déroulement, pour ajuster la longueur de la partie du câble 12 qui s'étend dans l'air entre l'enrouleur 20 et le drone 2. L'unité 32 pilote le 10 moteur 26 pour conserver la tension T entre deux valeurs de seuil, respectivement haute et basse. Si la tension T détectée à travers le capteur 30 risque de dépasser la valeur de seuil haute, le moteur 26 fait tourner le tambour 24 pour dérouler le câble 12. A l'inverse, le moteur 26 fait tourner le tambour 24 pour enrouler le câble 12 si la tension T diminue. Ainsi, le fonctionnement du moteur électrique 26 de l'enrouleur 20 est asservi à la tension 15 mécanique T du câble 12 entre l'enrouleur 20 et le drone 2 Les blocs de puissance 10 sont configurés pour recevoir la tension haute V2 et fournir en sortie une tension continue V3, dite basse, notamment de l'ordre de 24 volts. Les blocs de puissance 10 sont connectés électriquement au commutateur électrique 16. Les blocs de puissance 10 comportent chacun un capteur de courant, non 20 représenté aux figures. Ces capteurs de courant sont configurés pour détecter un défaut dans l'alimentation en énergie électrique des blocs de puissance 10. Le câble 12 est configuré pour relier l'unité au sol 8 avec le drone 2. Le câble 12 comporte une gaine 40 de protection. La gaine de protection 40 est en matériau synthétique isolant. A l'intérieur de la gaine de protection 40, le câble 12 comporte une 25 première paire 42 de conducteurs électriques, un tuyau 44 pour la circulation d'un fluide et une fibre 46 optique pour la transmission de données numériques. En variante, le câble 12 comporte plusieurs fibres optiques 46. En variante, le câble électrique 12 comporte une deuxième paire de conducteurs électriques pour la transmission de données numériques, à la place de la fibre optique 46. 30 La fibre optique 46 est optionnelle. En outre, le tuyau 44 est optionnel. Il sert à alimenter le drone 2 avec un fluide à pulvériser, lorsque le drone est utilisé pour pulvériser un tel fluide, par exemple dans le domaine phytosanitaire ou pour peindre des objets de grande hauteur. Ce fluide peut être un liquide ou un gaz. 3033256 7 En pratique, la première paire de conducteurs électriques 42 est configurée pour relier électriquement les convertisseurs alternatif-continu 18 aux blocs de puissance 10 qui sont montés sur le drone 2 dans les emplacements de réception 6. Le commutateur électrique 16 est apte à relier sélectivement les blocs de 5 puissance 10 ou la batterie de secours 14 au moteur 202. En pratique, le commutateur électrique 16 est un relais de sécurité, lequel permet d'alimenter le drone 2 avec la batterie de secours 14 dans le cas où un problème technique survient sur le système d'alimentation 4, par exemple en aval des convertisseurs 18 ou au niveau de l'unité au sol 8, du câble 12 ou des emplacements 6. A 10 titre d'exemple non limitatif, le commutateur 16 comporte un transistor TR, une première diode D1, une deuxième diode D2, une capacité électrique C et une résistance de rappel R. Le transistor TR est, par exemple pMOS, voire un MOSFET de type P (de l'anglais Metal Oxide Semiconducor Field Effect Transistor). Comme montré à la figure 6, le transistor TR a sa grille reliée aux blocs de puissance 10, donc alimentée par la tension 15 basse V3, sa source reliée à la batterie de secours 14 et son drain relié à la première diode D1. Lorsque la tension V3 est différente de zéro, c'est-à-dire lorsqu'aucun problème technique est survenu, la différence de tension grille-source est supérieure à une tension de seuil du transistor TR et la deuxième diode D2 est passante ; la tension V3 alimente alors le drone 2. Lorsque la tension V3 est égale à zéro, la résistance de rappel R impose 20 la masse au commutateur 16 et la différence de tension grille-source est inférieure à la tension de seuil du transistor TR. Le transistor TR devient passant, ainsi que la diode D1 ; la batterie de secours 14 alimente le drone 2. La capacité électrique C évite de brusques variations de tension dans l'alimentation du drone 2. Selon une variante non représentée aux figures, le système d'alimentation 4 25 comporte un unique convertisseur 18 et un unique bloc de puissance 10 et le commutateur électrique 16 est capable de relier sélectivement le bloc de puissance 10 ou la batterie de secours 14 au drone 2 et à son moteur 202. Les figures 7 et 8 montrent deux autres modes de réalisation de l'invention. Les éléments de l'ensemble 1 de ces modes de réalisation qui sont analogues à ceux du 30 premier mode de réalisation portent les mêmes références et ils ne sont pas décrits en détail, dans la mesure où la description ci-dessus peut leur être transposée. Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, qui est représenté à la figure 7, le système d'alimentation comprend trois convertisseurs alternatifs-continus 18, connectés en parallèle et disposés dans l'unité au sol 8, et trois blocs de puissance 10, 35 lesquels sont montés sur le drone 2 dans les emplacements de réception 6 également 3033256 8 utilisables pour des batteries lorsque le drone est utilisé en vol libre. Comme décrit ci-dessus, les convertisseurs alternatifs-continus 18 sont configurés pour convertir la tension alternative V1 de 220 volts en une tension haute V2 de 400 volts. Les blocs de puissance 10 sont configurés pour convertir la tension haute V2 de 400 volts en une tension basse 5 V3 de 24 volts. Le commutateur électrique 16 est capable de relier sélectivement les trois blocs de puissance 10 ou la batterie de secours 14 au drone 2. Selon le troisième mode de réalisation de l'invention, qui est représenté à la figure 8, le système d'alimentation 4 comprend quatre convertisseurs alternatifs-continus 18, quatre blocs de puissance 10, deux batteries de secours 14 et deux commutateurs 10 électriques 16. Les convertisseurs 18 sont reliés en parallèle et sont configurés, comme décrit ci-dessus pour convertir la tension alternative V1 en une tension haute V2. Les blocs de puissance 10, comme décrit ci-dessus, sont configurés pour convertir la tension haute V2 en une tension basse V3. De plus, chaque commutateur électrique 16 est apte à relier sélectivement deux blocs de puissance 10 ou une des batteries de secours 14 au 15 drone 2. Selon une variante non représentée aux figures, le système d'alimentation 4 comporte six blocs de puissance 10, les commutateurs électriques 16 étant capables de relier sélectivement trois blocs de puissance 10 ou la batterie de secours 14 ou drone 2. Les modes de réalisation et variantes envisagés ci-dessus peuvent être combinés 20 entre eux pour générer de nouveaux modes de réalisation de l'invention. REVENDICATIONS1.- Système (4) d'alimentation en énergie électrique d'un drone (2), ce système comprenant : - au moins un convertisseur (18) alternatif-continu alimenté en énergie électrique, - au moins un bloc (10) de puissance installé sur le drone et apte à fournir au drone l'énergie électrique, - un câble (12) reliant le convertisseur et le bloc de puissance, un enrouleur (20) comprenant un tambour (24) d'enroulement du câble et un moteur (26) électrique d'entraînement du tambour, et une unité (32) de contrôle qui pilote en courant continu le moteur électrique, le système étant caractérisé en ce que le fonctionnement du moteur électrique (26) de l'enrouleur (20) est asservi à la tension mécanique (T) du câble (12) entre l'enrouleur et le drone (2). 2.- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur électrique (26) est asservi à une valeur de consigne de courant continu fournie par l'unité de contrôle (32). 3.- Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enrouleur (20) comprend, en outre : au moins une poulie d'appui (28) pour le câble (12), cette poulie étant montée folle autour d'un axe (X28) mobile (F34) par rapport à un châssis (17) de l'enrouleur (20), et un capteur (30) de la position de l'axe par rapport au châssis, et en ce que l'unité de contrôle (32) règle la valeur de consigne de courant continu (26) en fonction notamment d'un signal de sortie (S30) du capteur. 4.- Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une batterie (14) de secours destinée à être montée sur le drone (2) et au moins un commutateur (16) électrique apte à relier sélectivement au moins un bloc de puissance (10) ou la batterie de secours au drone (2). 3033256 10 5.- Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le commutateur électrique (16) est capable de relier sélectivement jusqu'à trois blocs de puissance (10) ou la batterie de secours (14) au drone (2). 5 6.- Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend quatre blocs de puissance (10), deux batteries de secours (14) et deux commutateurs électriques (16), chaque commutateur électrique étant apte à relier sélectivement deux blocs de puissance ou une des batteries de secours au drone (2). 10 7- Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le convertisseur alternatif-continu (18) comporte un capteur (22) de courant configuré pour détecter un défaut dans l'alimentation en énergie électrique du convertisseur alternatif-continu (18). 15 8.- Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bloc de puissance (10) comporte un capteur de courant configuré pour détecter un défaut dans l'alimentation en énergie électrique du bloc de puissance. 9.- Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le 20 câble (12) comporte un tuyau (44) pour la circulation d'un fluide et/ou une fibre optique (46) ou une paire de conducteurs électriques pour la transmission de données numériques. 10.- Ensemble (1) comprenant : 25 - un drone (2) équipé d'un emplacement (6) de réception d'une batterie d'alimentation du drone en configuration vol libre, - une télécommande (3) de pilotage du drone, et - un système d'alimentation (4) en énergie électrique du drone, l'ensemble étant caractérisé en ce que : 30 - le système d'alimentation (4) st selon l'une des revendications précédentes, et - le bloc de puissance (10) du système d'alimentation est monté sur le drone (2) dans l'emplacement (6) de réception de la batterie d'alimentation.