Brevet FR3036379A1 — publié le 20161125

- 2- DRONE AVEC ROTOR A PAS VARIABLE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un drone comprenant une cellule reliée à une pluralité d'axes motorisés espacés les uns des autres, chaque axe motorisé étant relié à un ensemble rotor comprenant des pales. Elle concerne plus particulièrement un drone dont les caractéristiques de vol, en particulier l'autonomie, sont améliorées. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Avec la miniaturisation permanente de l'électronique, un nouveau type d'aéronefs a vu le jour depuis environ une décennie dans la catégorie des mini-drones (Masse au décollage D'abord utilisés comme engins de loisir, ces drones multirotors ont vu leurs domaines d'utilisations se diversifier considérablement : ils sont dorénavant exploités professionnellement pour accomplir des missions très diverses. Ces missions peuvent prendre la forme d'objets à transporter/élever dans l'air, ou bien de captation d'informations sous toutes leurs formes au moyen de capteurs embarqués dans le drone (prise de vue aérienne, cartographie, relevés en tous genres, etc.). La simplicité mécanique des drones multirotors a permis un développement extrêmement rapide de cette catégorie de drones. Mais elle a également incité leurs concepteurs à négliger le développement du vecteur aérien (au profit de développements poussés sur les calculateurs embarqués) en n'utilisant pour leur conception que des éléments existants sur étagère, dans le domaine de l'aéromodélisme. Les conséquences de cette stratégie sont que les vecteurs aériens ont une fiabilité et des performances limitées, liées notamment aux constats suivants : Evo_PV_fr 3036379 - 3- - Le contrôle d'un drone multirotor est rendu possible par des variations différentielles de la poussée de chaque propulseur. Dans le cas des drones multirotors à pas fixe (MRPF), ces variations de poussée sont obtenues par des 5 changements fréquents et rapides du régime de rotation des rotors ; - Les moteurs entraînant ces rotors doivent donc fournir un couple important, nécessaire pour assurer les variations rapides de régime des rotors, qui s'additionne au couple nécessaire à la sustentation du drone ; - La puissance nominale des moteurs (couple x vitesse de rotation) doit donc être 10 très supérieure à la puissance nécessaire à la sustentation du drone (de l'ordre de 100% de plus) ; - Tous les éléments de la chaîne de propulsion doivent être dimensionnés sur la base de cette puissance excessive, ce qui se traduit par une masse plus importante des éléments embarqués dans le vecteur aérien ; 15 - Conséquence des deux derniers points : un cercle vicieux s'instaure entre d'une part plus de puissance nécessaire, et d'autre part des composant plus lourds. Tous les éléments précédents sont d'autant plus pénalisants que le diamètre des rotors est grand. Or, la puissance nécessaire à la sustentation d'un drone à voilure tournante est 20 proportionnelle à sa masse, et inversement proportionnelle au diamètre de ses rotors. Ces deux contraintes de conception ne sont pas compatibles avec le concept même du MRPF, qui impose à des rotors de petit diamètre d'être entraînés par des groupes motopropulseurs puissants et lourds. Enfin, une grande faiblesse des MRPF est leur instabilité chronique lors des phases de 25 vol en descente, instabilité inhérente à l'utilisation d'hélices à pas fixe : un décrochage des rotors intervient alors que leur régime de rotation est très faible et leur incidence très élevée. Ceci se traduit par un comportement très instable du drone lors de ces phases de descente, amenant parfois même à une perte de contrôle. Ainsi, en souhaitant conserver la simplicité mécanique des MRPF, on atteint rapidement 30 leurs limites de performances et de qualités de vol énoncées ci-dessus. Par ailleurs, on peut également se poser la question de la légitimité de favoriser l'emploi de composants d'électronique de puissance, dont la fiabilité est toute relative, au détriment d'une mécanique un peu plus complexe. Evo_PV Jr 3036379 - 4- C'est dans le cadre de ces performances limitées qu'a été développée l'immense majorité des MRPF. Si les drones multirotors de masse inférieure à 8kg se développent aujourd'hui considérablement, force est de constater qu'au-delà d'une masse de 10kg, il est encore très difficile de trouver des MRPF dont l'autonomie de vol excède quelques 5 minutes. Les plus lourds d'entre eux sont généralement dotés de 4 à 8 rotors de très petit diamètre (et donc fortement chargés), configuration obligatoire pour doter ces drones d'une maniabilité suffisante, mais qui tire littéralement leurs performances énergétiques vers le bas. Quant aux MRPF de masse plus faible ( Egalement de manière avantageuse, le module de variation du pas collectif est Evo_PV Jr 3036379 - 8- commandé par un actuateur de pas collectif. Les rotors du drone ayant des propriétés connues, les moteurs sont avantageusement conçus en fonction de ces caractéristiques. En outre, la vitesse de rotation des rotors 5 conférant le meilleur rendement aérodynamique étant connue, les moteurs sont prévus de façon à présenter leur rendement optimal en correspondance avec la vitesse optimale des rotors. Cette double optimisation, couplée avec l'utilisation d'une vitesse de rotation sensiblement constante, confèrent au drone une consommation réduite, et par conséquent, une autonomie inégalée à ce jour dans le domaine des drones de faible 10 masse. La plage de vitesse préférentielle pour un MRPV de masse inférieure à 10 kg est comprise entre 1000 tours/min et 3000 tours/min. 15 De manière avantageuse, le drone comporte un moteur pour chacun des rotors. Egalement de manière avantageuse, la masse du drone est supérieure à 1,5 kg, et avantageusement comprise entre 1,5 et 25 kg, et plus préférentiellement entre 1,8 et 15 kg. 20 DESCRIPTION DES FIGURES Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les figures 1 à 4, présentées uniquement à des fins d'exemples non limitatifs, et dans lesquelles : 25 - la figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un drone selon l'invention ; - la figure 2A est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation du dispositif de pas variable de drone selon l'invention ; - la figure 2B est une représentation schématique d'un second mode de réalisation du 30 dispositif de pas variable de drone ; - la figure 3 est une vue en perspective d'une pale de rotor vrillée selon l'invention ; - la figure 4 est une vue en perspective du second mode de réalisation du dispositif de pas variable de drone selon l'invention. Evo_PV_fr 3036379 - 9- DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION DEFINITIONS Charrie du disque rotor : la charge du disque rotor d'un drone multirotor est définie par 5 le rapport M/S. M représente la masse maximale du drone au décollage, soit la masse incluant le drone, sa charge utile et sa source d'énergie (batteries ou carburant). S représente la surface totale des disques rotors, soit : S=N.t. D2/4 Avec N le nombre de rotors, D le diamètre de chaque rotor. 10 Charge utile : La charge utile d'un drone comprend tous les éléments qui ne sont pas directement indispensables à la mise en oeuvre, au vol et à la navigation de celui-ci. Ainsi, sur un drone à voilure tournante, la charge utile comprend généralement : les capteurs embarqués pour le besoin de la mission, les nacelles d'emport, les éléments de communication et de contrôle entre la charge utile et l'opérateur, etc. 15 Vrillage d'une pale : le vrillage d'une pale de rotor est défini par la relation suivante : a= MAX (Or-Os) Où: es est la valeur absolue de l'angle entre la corde du profil de la pale située à l'extrémité de la pale en dehors de toute géométrie particulière de saumon et le 20 plan de rotation du rotor. Une mesure de l'angle Os à une position radiale r/R = 0,9 peut être utilisée, avec r étant la distance radiale entre la section à mesurer et l'axe de rotation du rotor, et R étant le demi-diamètre du rotor. Or est la valeur absolue de l'angle entre la corde du profil à une position radiale r/R E {0,3..0,9} sur la portion portante de la pale, et le plan de rotation du rotor. 25 MRPF drone Multirotor doté de Rotors à Pas Fixe. MRPV : drone Multirotor doté de Rotors à Pas collectif Variable. Drone : ce terme désigne les aéronefs télépilotés tels qu'ils sont définis dans l'arrêté du 11 avril 2012 relatif à « la conception des aéronefs civils qui circulent sans aucune personne à bord, aux conditions de leur emploi et sur les capacités requises des 30 personnes qui les utilisent ». En résumé, il s'agit de tout aéronef capable de voler sans Evo_PV fr 3036379 - 10- pilote à bord, dont le contrôle est réalisé soit par un ordinateur (embarqué ou au sol), soit par un opérateur au sol, utilisé à des fins de loisirs, de compétitions, ou professionnelles. Drones professionnels : ce terme désigne les drones dont la masse maximale en vol est inférieure à 25kg, et dont la destination est d'accomplir des missions au moyen de 5 l'emport de charges utiles, quelles qu'elles soient. Sont visés tout particulièrement les drones conçus pour emporter au moins 20% de leur masse totale (MTOW) en charge utile. Pour ces drones en particulier, la recherche d'une grande efficacité énergétique est l'objectif numéro 1 du concepteur. 10 Multirotor : ce terme désigne tout aéronef à voilure tournante, dont la sustentation dans l'air est obtenue au moyen de l'utilisation d'au moins 3 rotors, non coaxiaux, qui participent chacun à une fraction significative de la portance totale nécessaire au vol. L'invention porte préférentiellement sur les drones multirotors équipés de 4 à 6 rotors, mais aussi entre 3 et 10 rotors. 15 Rotors à pas variable : Rotor dont le calage des pales peut être contrôlé pendant la rotation du rotor, de façon à ajuster son pas collectif. Actionneur de pas collectif : Un actionneur de pas collectif commande chaque rotor du MRPV. Il est réalisé au moyen de servocommandes électriques disposées soit à proximité immédiate du rotor, soit centralisés dans l'aéronef. 20 DESCRIPTION DETAILLEE : Architecture générale du drone (voir figure 1): 25 La figure 1 illustre une représentation en perspective d'un drone 1 multirotor comportant quatre rotors 11. Les rotors 11 sont agencés selon des axes différents afin de permettre la sustentation du drone 1 dans l'air. Les rotors 11 participent chacun à une fraction significative de la portance totale nécessaire au vol. Le drone 1 multirotor peut comporter de trois à six, voire huit rotors. Dans l'exemple illustré, la cellule comporte un 30 corps central allongé sur lequel quatre bras 3 sont connectés. Le corps allongé permet une gestion optimale du centre de gravité. Dans l'exemple illustré, les bras sont connectés vers l'avant du corps, permettant ainsi l'ajout vers l'avant de masses additionnelles, comme par exemple une caméra 6 dans l'exemple illustré. L'architecture Evo_PV_fr 3036379 des bras permet un angle de vision particulièrement large, tel que montré sur la figure par le rectangle pointillé illustrant un exemple de champ de vision de la caméra 6. Les bras 3 permettent de disposer les rotors 11 selon un arrangement optimal formant 5 deux paires de rotors, chaque paire étant située d'un même côté du corps de la cellule 2. Les circonférences ou envergures E des deux rotors d'une paire sont à proximité immédiate, sans contact. Tel qu'illustré, les rotors avant sont positionnés sensiblement vis-à-vis de la tête de la caméra 6, tout à l'avant de la cellule. Les bras avant et arrière opposés sont désaxés, à la fois angulairement et aussi espacés de quelques 10 millimètres, de sorte que les bras ne forment pas une croix parfaite. Tel que représenté dans l'exemple de la figure 1, le drone est constitué de 4 rotors identiques répartis autour du centre de gravité du drone. Ces rotors sont agencés de préférence de façon à tenter d'optimiser les paramètres suivants : 15 - qu'ils soient le plus proche possible du centre de gravité ; - qu'il n'y ait pas de collision entre les rotors ; - qu'ils n'interfèrent pas avec le capteur embarqué (champs de vision d'un caméscope par exemple, tel que représenté sur le schéma) ; qu'il y ait le moins d'objets possibles sous les disques rotors afin de limiter les 20 perturbations d'écoulement du flux d'air généré par les rotors. Par conséquent, l'espacement entre les deux rotors arrière « d » (voir figure 1) est choisi de telle sorte que les deux disques rotors soient proches de l'aplomb des parois du fuselage, mais qu'aucune surface appartenant au fuselage ne soit placée 25 directement sous les disques rotors. En revanche, l'espacement des deux rotors avant « D » est choisi de telle sorte que les deux disques n'interfèrent pas avec le champ de vision d'un appareil photo embarqué sur le drone, quelle que soit l'angle de visée de l'appareil photo sur le drone. Enfin, l'espacement des rotors avant et arrière est choisi la plus faible possible sans qu'il n'y ait de collision entre les rotors. 30 Dans l'exemple illustré, les bras sont tous identiques. Cette mise en oeuvre permet de réduire les coûts de fabrication en utilisant un moule unique pour l'ensemble des bras. L'utilisation de rotors à pas variable permet d'envisager différentes architectures de 35 drones multirotors. En effet, du fait des vitesses de rotation nécessairement égales entre Evo_PV Jr 3036379 - 12- tous les rotors d'un drone multirotor à pas variable, on peut envisager l'utilisation d'un moteur par rotor ou d'un moteur entrainant plusieurs rotors à l'aide d'un système de transmission. Par ailleurs, ces moteurs peuvent être électriques ou thermiques. Dans les exemples illustrés, chaque rotor est entraîné par un groupe motopropulseur 5 indépendant, et disposé à proximité immédiate du rotor (non-centralisé). Chaque groupe motopropulseur contient nécessairement un moteur de préférence électrique, ainsi qu'un dispositif de contrôle en vitesse de rotation, permettant la synchronisation de ces vitesses de rotation entre tous les rotors. Cette disposition est la plus simple mécaniquement, elle limite au strict minimum l'emploi d'éléments mécaniques de transmission de puissance, et 10 ainsi les pertes de rendement et risques de panne qui y sont associés. PAS COLLECTIF VARIABLE Les figures 2A et 2B illustrent respectivement deux modes de réalisation d'un ensemble 15 rotor à pas variable. Le dispositif de pas variable peut être réalisé suivant différentes architectures parallèles ou coaxiales. Ces deux modes de réalisation impliquent qu'un moteur 5 entraine un axe rotor 13 en pivot par rapport à la cellule 2 du drone 1. Une tête 15 de rotor est fixée à 20 l'extrémité de l'axe 13 de rotor. Chaque pale 12 de rotor est fixée sur la tête 15 de rotor via une liaison pivot d'axe orthogonal à l'axe rotor. La position des pales 12 autour de cette liaison pivot correspond à l'angle de pas collectif du rotor 11. Cet angle est commandé par un coulisseau 14 en liaison glissière sur l'axe rotor 13, et relié aux pales 12 par des bielles de collectifs 16. 25 Architecture de pas variable « parallèle » (voir figure 2B) : L'actionneur 18 déplace verticalement le pivot de coulisseau, qui entraine à son tour la bague 19 de coulisseau dans une translation le long de l'axe rotor 13. Le coulisseau est 30 entrainé par la bague de coulisseau dans cette translation, et fait pivoter les pieds de pales grâce aux bielles 16, changeant ainsi le pas du rotor. De manière avantageuse, tel qu'illustré sur la figure 2B, le pivot de coulisseau est conçu de sorte qu'aucune pièce, autre que l'actionneur, n'est nécessaire pour fixer sa position Evo_PV_fr 3036379 - 13- dans l'espace. Pour cela, le pivot de coulisseau est en liaison pivot avec la bague de coulisseau et en liaison rotule avec l'actionneur. A noter que cette disposition autorise un mouvement de rotation de type « palonnier de servo » de la part de l'actionneur. Cette disposition ne nécessite donc pas d'ajustement ou de coaxialité précise entre le 5 mouvement de l'actionneur et l'axe rotor. Les avantages de cette architecture sont nombreux : Pas de nécessité d'avoir un moteur à axe creux ; Pièces plus simples à réaliser ; 10 Permet d'utiliser un axe qui relie les deux pales, reprenant ainsi parfaitement les efforts centrifuges. Architecture de pas variable « coaxial » (voir Figure 2A) : 15 L'actionneur 18 déplace verticalement la tige de commande 17 qui coulisse à l'intérieur du tube 13 d'entrainement rotor. Cette tige de commande est reliée à son extrémité supérieure aux bielles 16, qui font ainsi pivoter les pieds de pale, changeant le pas du rotor. Avantages : 20 - Nécessite moins de pièces donc plus léger ; - Permet de rapprocher toutes les pièces du plan du disque rotor, ce qui est bénéfique pour la réduction de vibrations. CHARGE DU DISQUE ROTOR 25 Pour un drone multirotor de masse donnée, la puissance induite (idéale) nécessaire à la sustentation est inversement proportionnelle au diamètre de ses rotors. D'après la théorie des quantités de mouvements appliquée à l'hélicoptère en vol vertical, un bon indicateur des performances d'un drone multirotor est donc la charge de ses disques rotors (exprimée en kg.m-2), car elle est proportionnelle à la puissance massique idéale requise 30 pour le vol stationnaire. Les MRPF de moins de 2kg classiquement utilisés ont une charge de disque rotor variant entre 4,5kg.m-2 et plus de 10kg.m-2, selon la masse et les choix de conception (plus la charge alaire d'un MRPF augmente, plus il est maniable). Avec un MRPV de moins de Evo_PV Jr 3036379 - 14- 2kg, des charges alaires très inférieures à 4kg.m-2 sont aisément atteignables, sans aucun souci de maniabilité. L'écart entre les charges de disque rotor des MRPF et des MRPV se creuse considérablement lorsque la masse du drone augmente. Ainsi, pour des MRPF de plus de 5 de 2kg, une charge de disque rotor de 6 à 8kg.m-2 est généralement un minimum. Il existe des exceptions, comme de récents développements sur des MRPF dont la charge de disque rotor est proche de 3,5kg.m2. Seulement, ceux-ci rencontrent de nombreux problèmes liés à la maniabilité. Ils sont généralement délaissés par les opérateurs au détriment de MRPF plus chargés, mais plus contrôlables. Le tableau suivant rassemble, 10 par tranche de masses maximales du MRPV, les valeurs de charge de disque rotor préférentielles selon l'invention. Masse du drone 0 à 5 kg 5à10kg 10 à 25 kg Plage de Charge de disques rotor préférentielle 2-4kg.m-2 2-6kg.m-2 3-8kg.m-2 Plage de Charge de disques rotor étendue 2-6kg.m-2 2-8kg.nf2 3-10kg.nf2 Evo_PV fr 3036379 - 15- VRILLAGE DE PALE ET GEOMETRIE DE ROTOR Le vrillage préférentiel des pales est illustré à la figure 3. De manière avantageuse les pales du rotor de l'ensemble à pas variable selon l'invention sont dotées d'une 5 distribution de vrillage permettant d'améliorer les performances énergétiques. Le tableau ci-dessous indique les plages de vrillage préférentielles selon l'invention. Plage de vrillage étendue De 1 degré à 60 degrés Plage de vrillage préférentielle 1 De 3 degré à 45 degrés Plage de vrillage préférentielle 2 De 5 degrés à 30 degrés 10 EXEMPLE DE REALISATION DETAILLE La figure 4 illustre de façon détaillée un exemple de réalisation d'un rotor selon l'invention pourvu d'un ensemble de variation de pas collectif. Le moteur 5 entraîne un réducteur qui est relié à un accouplement 20. Cet accouplement 20 transmet la rotation du motoréducteur 5-7 à l'axe rotor 13. La coaxialité du motoréducteur 5-7 et de l'axe 15 rotor 13 est assurée par un plateau de centrage 21. L'axe rotor 13 entraine ensuite la rotation des pales 12 à travers les pieds de pale. Ces pieds de pale sont articulés autour de l'axe des pales afin de faire varier le pas du rotor. Pour faire varier le pas du rotor, un actionneur 18 (servocommande) déplace le coulisseau le long de l'axe rotor 13, et fait ainsi pivoter les pieds de pale, par l'intermédiaire des bielles 16. 20 Les Figures et leurs descriptions faites ci-dessus illustrent l'invention plutôt qu'elles ne la limitent. En particulier, l'invention et ses différentes variantes viennent d'être décrites en relation avec un exemple particulier comportant un moteur pour chaque rotor. Néanmoins, il est évident pour un homme du métier que l'invention peut être étendue à d'autres modes de réalisation dans lesquels en variantes, on prévoit par exemple un 25 moteur unique relié à l'ensemble des rotors par un module de transmission ou encore une pluralité de moteurs dont au moins un est relié à une pluralité de rotors. Evo_PV Jr 3036379 - 16- Numéros de référence employés sur les figures 1 Drone 2 Cellule 3 Bras 4 Logement moteur 5 Moteur 6 Caméra 7 Réducteur 10 Ensemble rotor à pas variable 11 Rotor 12 Pale vrillée 13 Axe du rotor 14 Coulisseau 15 Tête de rotor 16 Bielles de collectif 17 Tige de commande 18 Actuateur 19 Bague de coulisseau 20 Accouplement 21 Plateau de centrage Evo_PV Jr REVENDICATIONS1. Drone (1), comprenant une cellule (3) reliée à une pluralité d'axes (13) motorisés espacés les uns des autre, chaque axe (13) motorisé étant relié à un ensemble (10) rotor à pas variable comprenant un module de variation de pas collectif et des pales (12) vrillées. 2. Drone (1) selon la revendication 1, dans lequel une pale (12) vrillée est configurée avec un vrillage supérieur à sensiblement 3°, et préférentiellement supérieur à 5° entre ses deux extrémités. 3. Drone (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le module de variation de pas collectif comprend un coulisseau (14) agencé pour commander par coulissement la variation de pas de l'ensemble des pales (12) et une tige de commande (17), l'axe (13) du rotor et la tige de commande (17) du coulisseau étant coaxiaux. 4. Drone (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le module de variation de pas collectif comprend un coulisseau (14) agencé pour commander par coulissement la variation de pas de l'ensemble des pales (12), l'axe (13) du rotor et la tige de commande (17) du coulisseau étant sensiblement parallèles. 5. Drone (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le module de variation de pas collectif comprend un coulisseau (14) agencé pour commander par coulissement la variation de pas de l'ensemble des pales (12) par l'entremise d'une pluralité de bielles (16) reliant chaque pale (12) au coulisseau (14). 6. Drone (1) selon la revendication 5, dans lequel le coulisseau (14) est monté sous le rotor (11) et commandé par un actuateur (18) radialement espacé de l'axe du rotor. 7. Drone (1) selon la revendication 5, dans lequel le coulisseau (14) est monté au- dessus du rotor (11) et commandé par un déplacement axial de la tige de commande (17) auquel le coulisseau (14) est relié. 8. Drone (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le module (13) de variation du pas collectif est commandé par un actuateur (18) de pas collectif. Evo_PV_fr