Gestion d’energie a bord d’un drone miniature Introduction générale: Plus de 40 pays dans le monde sont en train de développer des drones (UAV) pour les deux utilisations civiles et militaires. Les UAV sont populaires parce qu'ils sont peu coûteux et de garder du personnel militaire hors d'état de nuire. Exceller dans les missions ternes, dangereux et sales, ils ont surtout été utilisés pour le renseignement, surveillance et reconnaissance (ISR) et des missions en tant que relais de communication. Charges UAV se composent de réseaux de capteurs qui transmettent des informations tactiques retour à la base en temps réel. Ils fournissent des plates-formes de capteurs moins chers qui incorporent une plus grande le temps de flâner que la plupart des véhicules aériens pilotés ou des satellites. Les drones sont également utiles dans des applications civiles, comme dans l'agriculture, moi météorologie, la sécurité publique et la gestion des services publics. Par exemple, les drones ont été équipés pour pulvériser des pesticides et prendre des mesures atmosphériques. Les services de police ont également acheté des drones pour opérations de recherche et de sauvetage. Entreprises de services publics les utiliser pour surveiller les lignes électriques et de communication, et de gazoducs. Les progrès des technologies, notamment la miniaturisation des capteurs, des ordinateurs et dispositifs de communication, ont conduit à l'amélioration de mini et micro drones (MUAVs et MAV, respectivement). Ceci, à son tour, a permis à plus petite drones pour effectuer les mêmes fonctions que plus les drones. En outre, les progrès de la prévention des collisions ont donné lieu à la possibilité d'essaims de drones agir ensemble pour accomplir des missions. Drones face à des limitations technologiques. Contrairement aux systèmes d'alerte et de contrôle aéroportés et la surveillance conjointe et les systèmes cibles radar d'attaque, les drones ne sont pas encore dotés de capteurs de pointe et la capacité d'analyse, et ils n'ont pas de gestion de combat à bord et capacités de commandement et de contrôle. Ces technologies peuvent être miniaturisé pour des charges de drones futurs,
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
Introduction générale:
Plus de 40 pays dans le monde sont en train de développer des drones(UAV) pour les deux utilisations civiles et militaires. Les UAV sont populaires parce qu'ils sont peu coûteux et de garder du personnel militaire hors d'état de nuire. Exceller dans les missions ternes, dangereux et sales, ils ont surtout été utilisés pour le renseignement, surveillance et reconnaissance (ISR) et des missions en tant que relais de communication. Charges UAV se composent de réseaux de capteurs qui transmettent des informations tactiques retour à la base en temps réel. Ils fournissent des plates-formes de capteurs moins chers qui incorporent une plus grandele temps de flâner que la plupart des véhicules aériens pilotés ou des satellites.Les drones sont également utiles dans des applications civiles, comme dans l'agriculture, moimétéorologie, la sécurité publique et la gestion des services publics. Par exemple, les drones ont été équipés pour pulvériser des pesticides et prendre des mesures atmosphériques. Les services de police ont également acheté des drones pour opérations de recherche et de sauvetage. Entreprises de services publics les utiliser pour surveiller les lignes électriques et de communication, et de gazoducs.
Les progrès des technologies, notamment la miniaturisation des capteurs, des ordinateurs etdispositifs de communication, ont conduit à l'amélioration de mini et micro drones (MUAVs et MAV, respectivement). Ceci, à son tour, a permis à plus petite drones pour effectuer les mêmes fonctions que plus les drones. En outre, les progrès de la prévention des collisions ont donné lieu à la possibilité d'essaims de drones agir ensemble pour accomplir des missions. Drones face à des limitations technologiques. Contrairement aux systèmes d'alerte et de contrôle aéroportés et la surveillance conjointe et les systèmes cibles radar d'attaque, les drones ne sont pas encore dotés de capteurs de pointe et la capacité d'analyse, et ils n'ont pas de gestion de combat à bord et capacités de commandement et de contrôle. Ces technologies peuvent être miniaturisé pour des charges de drones futurs, mais aux dépens de le faire peut faire des drones moins durables que ce qu'ils sont actuellement.
A la pointe de courant UAV recherche progresse autonomie UAV grâce à la technologie informatique et l'intelligence artificielle.
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
Chapitre I
Système mécatronique
I.1. Historique de la mécatronique
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
Le mot mécatronique (mechatronics en anglais) a été inventé au Japon en 1969 les ingénieurs
Etsuro Mori et Er. Jiveshwar Sharma de la compagnie Yaskawa.
La robotique peut être considérée comme le père, ou l’ancêtre de la mécatronique. Ceci-dit,
aujourd’hui la mécatronique dépasse largement le cadre de la robotique et englobe de
nombreuses applications dans des domaines aussi divers et variés que l’aérospatial (par
exemple les systèmes de régulations antivibratoires des avions), l’automobile (exemple avec
la direction assistée, l’ABS, l’EPS), la production (machines-outils, robots industriels), le
médical (aussi bien dans le matériel que dans l’assistance ou le remplacement d’organes
humains, on parle alors de biomécatronique), l’électroménager avec les machines à laver dîtes
« intelligentes » etc.
En France, la norme NF E01-010 définit la mécatronique comme étant une : « une démarche
visant l’intégration en synergie de la mécanique, l’électronique, l’automatique et
l’informatique dans la conception et la fabrication d’un produit en vue d’augmenter et/ou
d’optimiser sa fonctionnalité. »
I.2. Problème
Au fil des années, les différents participants (ou en tout cas les meilleurs) disposent souvent
des mêmes technologies. Les écarts dus à l’optimisation plus ou moins réussie des éléments
du véhicule tendent donc à s’amoindrir au fil des éditions du WSC ou des autres courses et il
devient donc de plus en plus difficile d’améliorer les performances globales du système en
restant dans les « sentiers battus » des schémas généralement utilisés. D’ailleurs, l’année 2007
risque d’être une année charnière, en effet, selon certaines rumeurs, le règlement du WSC va
vraisemblablement changer radicalement lors d’une prochaine édition.
Afin de palier au manque d’expérience de l’équipe, étant donné qu’il s’agit de sa première
participation à une course de voiture solaire, et de se démarquer des autres équipes concentre
ses efforts sur plusieurs points :
• La stratégie ; Trois projets traitant de la stratégie ont été réalisés et on permit de mieux
cerner le problème de la gestion de l’énergie. Un quatrième projet est en cours.
• Un nouveau design; Une voiture solaire
I.3. Introduction à la mécatronique
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
Plus qu’une discipline, la mécatronique est une approche de l’ingénierie qui intègre plusieurs
spécialités. Typiquement on regroupe sous ce terme : la mécanique, l’électronique,
l’informatique et une partie contrôle.
I.4. Définition de la mécatronique
La mécatronique est la combinaison synergique et systémique de la mécanique, de
l'électronique et de l'informatique temps réel. L'intérêt de ce domaine d'ingénierie
interdisciplinaire est de concevoir des systèmes automatiques puissants et de permettre le
contrôle de systèmes complexes.
Le terme mécatronique a été introduit par un ingénieur de la compagnie japonaise
« Yaskawa » en 1969. Le terme mécatronique est apparu officiellement en France dans le
Larousse 2005.
La norme NF E 01-010 (2008) définit la mécatronique comme une « démarche visant
l’intégration en synergie de la mécanique, l’électronique, l’automatique et l’informatique dans
la conception et la fabrication d’un produit en vue d’augmenter et/ou d’optimiser sa
fonctionnalité »
I.5. Description sur la mécatronique
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L'ingénierie de tels systèmes mécatroniques nécessite la conception simultanée et
pluridisciplinaire de 3 sous-systèmes :
1. une partie opérative (squelette et muscle du système à dominante Mécanique et
Electromécanique),
2. une partie commande (intelligence embarquée du système à dominante Electronique
et Informatique Temps Réel),
3. une partie interface Homme/Machine (forme géométrique et dialogue du système à
dominante Ergonomique et Esthétique).
Une approche globale permet aussi de réduire les coûts, d'augmenter la fiabilité et la
modularité
I.5.1. La fiabilité en mécatronique
Les dispositifs mécatroniques sont utilisés pour piloter des systèmes et rétroagir pour
s’adapter aux conditions variables de fonctionnement, pour surveiller leur état (sollicitation,
fatigue…), réaliser leur maintenance… Ce domaine très vaste reste complexe (accès aux
informations, compétences en électronique et mécanique, répartition des fonctions, fiabilité et
sécurité…). Il nécessite des moyens importants et entraîne des coûts élevés.
L’intégration de ces techniques a débuté dans l’aéronautique, suivie par les transports et
actuellement l’automobile. Dans le futur, ce thème intéressera des secteurs de la mécanique
comme les machines, le levage, etc. Les applications industrielles devront à terme faire partie
du savoir-faire spécifique de l’entreprise, l’intégration des capteurs restant toujours le
problème du mécanicien. La tendance est au partenariat technologique ; seuls certains grands
ensembliers considèrent cette technologie comme totalement stratégique.
Bien que la fiabilité et la sécurité de l’électronique se soient améliorées, une réflexion globale
sur le système ou le processus est nécessaire avant d’intégrer la technologie et les spécificités
« métier ». Les appareils et systèmes doivent résister aux interférences électromagnétiques
dans des environnements toujours plus perturbés et leur compatibilité électromagnétique doit
être étudiée puis validée pour assurer la sécurité et la fiabilité du fonctionnement. Des
méthodes de vérification du logiciel système ou utilisateur doivent être développées pour
s’assurer que la commande répond bien aux besoins et n’entraîne pas des situations
dangereuses.
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Les outils de simulation de systèmes et d’automatismes font partie des solutions permettant de
définir une stratégie de commande indépendante des défaillances mécaniques, électroniques
ou de l’utilisateur.
I.5.2. Structure d’un système mécatronique
I.5.3. La régulation dans des systèmes mécatroniques
Un système mécatronique est en général caractérisé par sa fonctionnalité d’autorégulation,
c’est-à-dire qu’il réagit en temps réel ou non en fonction de son propre état. Un système
classique est donc composé de capteurs qui informent sur l’état de celui-ci, des actionneurs
qui agissent sur le système à réguler et un outil de correction -généralement logiciel-pour
améliorer la qualité de la régulation (vitesse de réaction, précision, justesse, adaptabilité du
système à des situations nouvelles…). A ce titre, on peut citer plusieurs correcteurs :
I.5.3.1. le PID.
Sans doute le régulateur le plus utilisé dans l’industrie, il répond efficacement à un grand
nombre de problèmes. Il est composé d’une action proportionnelle (multiplie la différence état
réel/état souhaité par un gain G), d’une action Intégrale (l’erreur est intégrée sur un intervalle
de temps s, puis multipliée par un gain Ti), et d’une action Dérivée (l’erreur est dérivée
suivant un temps s, puis multipliée par un gain Td).
I.5.3.2. La logique floue.
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Ce concept antinomique est relativement vieux mais n’a été formalisé qu’en 1965, et est
désormais exploité dans de nombreux domaines (ex : ABS, reconnaissance de forme, gestion
de feux rouges, météorologie, etc.). Il s’appuie sur la théorie mathématique des ensemble
flous, c’est-à-dire des ensembles définis de façon imprécise (et non pas binaire 0 ou 1).
I.5.3.3. Le réseau de neurones artificiels
Qui est plus un modèle de calcul qu’un correcteur- est très schématiquement inspiré du
fonctionnement des vrais neurones biologiques. Les réseaux de neurones, mettent en œuvre le
principe de l’induction, c’est-à-dire l’apprentissage par l’expérience. Les applications
industrielles sont encore assez peu nombreuses (ex : déplacement mobile de robots
autonomes, reconnaissance de motifs sur des chèques bancaires) et un peu plus développées
dans d’autres domaines (classification, estimations boursières…)
A travers cette brève introduction, on entrevoit tous les défis qui se posent au mécatronicien,
le premier étant peut-être de faire éclater les frontières des domaines traditionnellement
réservés aux spécialistes (mécanique, électronique, informatique, régulation) pour les
rassembler et apporter une véritable valeur ajoutée au produit final.
I.6. Objectifs de la formation en mécatronique
La mécatronique se définit comme la combinaison synergique et systémique de la mécanique,
de l'électronique et de l'informatique. L'intérêt de ce domaine d’ingénierie multidisciplinaire
est de concevoir des systèmes complexes (du microsystème au véhicule) et de permettre leur
contrôle. La complexité des produits pluritechnologiques augmentant, une formation
transversale dans ce domaine multidisciplinaire centrée sur l'aspect système offre un fort
potentiel de débouchés.
Le programme du master propose de répondre à de grandes tendances d'un domaine en plein
essor en offrant aux étudiants une formation répondant aux attentes actuelles et futures des
industriels de la mécanique et de l'électronique
Miniaturisation des systèmes mécatroniques
Systèmes de motricité mécatroniques à énergie embarquée
Modélisation multiphysique
Robustesse et fiabilité des systèmes mécatroniques
La formation débute par trois semestres d'étude et se termine par un semestre de stage en
entreprise ou en laboratoire.
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Exemple d’application :
L’exemple type de modélisation est le système contenant un moteur courant continu (le
gyrateur alimenté par une source d’effort : la tension), une masse (inertie), un ressort
(capacité), un frottement visqueux (résistance), un réducteur (transformateur).
I.7. Evolution
La théorie des bonds graphs a été créée en 1959 au Massachusetts Institute of Technology par
Henry Paynter et formalisée à partir de 1996 par les scientifiques Dean C. Karnopp, Ronald
C. Rosenberg et J. Thoma. Elle a été introduite en Europe dans les années 70 et spécialement
en France dont le milieu automobile en est friand. Bien que l’outil bond graph soit
relativement abouti pour la mécanique et l’électricité, il reste néanmoins très ouvert dans
d’autre domaines, tels que la chimie, la thermodynamique ou encore l’acoustique.
I.8. Applications système mécatronique :
Comme exemples de systèmes mécatroniques, on peut citer :
un véhicule automobile moderne,
un avion de chasse,
l'ABS, l'ESP,
la direction assistée,
une machine-outil à commande numérique,
l'autofocus,
les disques durs,
les roulements à billes instrumentés,
les machines à laver « intelligentes »,
les pompes (à vide) turbomoléculaires sur paliers magnétiques,
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Chapitre II
LES DRONE
II.1. HISTORIQUE
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
Ce sont les lourdes pertes subies pendant la seconde guerre mondiale par les aviations
d'observation de chacun des antagonistes qui suscitèrent l'idée d'un engin d'observation
militaire sans équipage (ni pilote, ni observateur).
Les premiers drones apparurent en France dans les années 1960, tel le R 20 de Nord-Aviation,
dérivé de l'engin cible CT 20. Mais les exemples significatifs d'une utilisation opérationnelle
des drones sont encore peu nombreux.
Pendant la guerre du Vietnam, les Américains ont utilisé des drones (Firebee) pour localiser
les rampes de lancement des missiles sol-air soviétiques «SAM-2» : 3500 missions furent
recensées. Plus tard, en 1991, lors de la guerre du Golfe, ils ont fait appel au drone (Pioneer)
pour la surveillance jour/nuit, l'acquisition des objectifs, et les réglages de l'artillerie. Dans ce
même conflit, les Britanniques et les Français commencèrent à servir des drones.
De leur côté, les Israéliens ont saturé les défenses aériennes le long du canal de Suez lors de la
guerre du Kippour (1973) et ce, avec un grand nombre de drones bon marché. Plus tard, ils
ont détecté et «leurré» par le même moyen les batteries syriennes anti-aériennes.
D'une façon générale, les spécialistes considèrent que les drones ont pu vraiment démontrer
leurs capacités opérationnelles d'observation aérienne (renseignement), sur les trois récents
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théâtres d'opération qu'ont constituée les conflits en ex-Yougoslavie, en Irak, et en
Afghanistan.
C'est encore un drone (Hunter) qui a successivement assuré la surveillance des réunions du
G8 à Evian en 2003, ainsi que les cérémonies de célébration du 60ème anniversaire du
débarquement allié en Normandie en 2004.
Les exemples d'utilisation civile, eux, se font plus rares. On peut toutefois citer la surveillance
urbaine en Afrique du sud, et le traitement des cultures effectué au Japon par des drones
hélicoptères télécommandés. En France, deux drones miniatures sont en expérimentation au
sein de la Gendarmerie nationale et du GIGN (Coccinelle). De son côté, le Laboratoire
Central des Ponts et Chaussées a procédé à des essais de surveillance d'ouvrage d'art,
également avec un drone à voilure tournante.
Mais le drone est encore mal connu, et suscite de ce fait des appréhensions. Une demande
d'expérimentation de surveillance de trafic routier sur le périphérique d'une grande ville
française à partir d'un drone miniature (environ 6 Kg) a été refusée en 2004 par les autorités et
ce, pour raisons de sécurité.
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
II.2. INTRODUCTION
Les véhicules aériens non-habités, ou drones, constituent un secteur de recherche relativement
récent et en pleine effervescence avec de plus en plus de projets amateurs et universitaires.
Initialement associés au secteur militaire, ces véhicules sont e voie d’être utilisés dans de
nombreux autres domaines. En effet, la demande est grandissante pour des applications à
portée sociale de ce type de technologie. L’inspection de bâtiments de même que la recherche
et le sauvetage de personnes en détresse ou disparues en sont quelques exemples. Rapides et
petits, les drones sont en mesure d’atteindre par la voie des airs des endroits difficilement
accessibles pour une personne et de couvrir des zones de recherche plus efficacement
Plusieurs projets en aéromodélisme sont populaires et offrent des performances de base à un
prix raisonnable, mais peu de projets offrent un contrôle autonome complet du drone. Or, avec
l’usage de plus en plus répandu de ces véhicules aériens, davantage de personnes se
retrouvent sans formation afin d’être en mesure de les piloter. La tendance pour le contrôle
d’appareils de plus en plus sophistiqués est donc de limiter les consignes humaines, plus
susceptibles d’occasionner des erreurs de pilotage, puis de les remplacer par des consignes
logicielles.
II.3. Définition d’un drone
Les drones sont des aéronefs (1) capables de voler et d'effectuer une mission sans présence
humaine à bord. Cette première caractéristique essentielle justifie leur désignation de
Uninhabited (ou Unmanned) Aerial Vehicle (UAV). D'origine anglaise, le mot «drone», qui
signifie «bourdon», ou «bourdonnement», est communément employé en Français en
référence au bruit que font certains d'entre eux en volant
La désignation de drone est très limitative puisqu'elle ne recouvre qu'un véhicule aérien. Le
drone n'est en fait qu'un des éléments d'un système, conçu et déployé pour assurer une ou
plusieurs missions. C'est la raison pour laquelle les spécialistes parlent de «systèmes de
drones».
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
FIGURE 1 : Système mécatronique
II.4. Systèmes de bord
Les systèmes de bord sont essentiels car ils assurent le pilotage et la navigation de façon
automatique. Ils peuvent fonctionner en parfaite autonomie ou selon des ordres émis depuis le
sol, par un opérateur chargé de conduire la mission.
Structure mécanique d’un drone
Exemple : drone miniature quadri rotor
La mécanique du drone est conçue en fonction de deux objectifs principaux : maintenir un
poids uniforme et léger ainsi qu’assurer la protection de l’appareil et de son environnement
incluant les gens alentours. La figure 1 provenant d’un modèle SolidWorks illustre les
éléments mécaniques du quadricoptère. On y remarque que le drone possède quatre hélices à
trois pales. Celles-ci ont 13’ de diamètre. Deux hélices sont conçues pour tourner dans le sens
horaire et deux autres dans le sens antihoraire. Elles sont fabriquées à partir d’un composé de
Nylon et de fibre de verre pour assurer une rigidité maximale. Elles procurent une poussée de
2 kg à 6000 RPM.
FIGURE 2. Modèle mécanique
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
II.5. Catégories des drones
On distingue différentes catégories de drones suivant leurs dimensions et leurs
missions :
II.5.1. Haute Altitude Longue Endurance (HALE) :
Ce sont les plus lourds, les plus rapides ; ils volent à une altitude élevée et possèdent une
(tours par minute par volt). Ces moteurs peuvent soulever Chacun une charge d’environ
600g, soit 2,4kg pour l’ensemble du drone. Le fonctionnement en 10V des moteurs
nécessite l’utilisation de batteries 3S (3 cellules de 3,7V en série) fournissant du 11,1V.
b. 4 contrôleurs Hobbyking SS Series 25-30A ESC assurant la gestion des besoins
Électriques des moteurs vis-à-vis de la batterie, besoins définis par les commandes
motrices en sortie de calculateur. Ces contrôleurs supportent un Ampérage constant de
25A et de 30A en burst (montée en charge de très courte durée).Les moteurs ne
consomment chacun que 13,5A maximum ce qui offre une marge de sécurité
satisfaisante par rapport aux caractéristique des contrôleurs
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
c. 2 batteries Rhino 4900mAh 3S1P 11.1v 20C Lipoly Pack assurant les besoins énergétiques
du drone. Une batterie 20C de 4900mAh offre un ampérage maximum de 4,9x20 soit 98A.
Les 4 moteurs demandent au maximum 4x13, 5A soit 54A. La Batterie est volontairement
surdimensionnée car les habitués de batteries Lipo conseillent une utilisation à 2/3 des
capacités de la batterie pour ne pas l’endommager. D’après les tests réalisés, on voit que
le drone décolle à mi-throttle, donc à la moitié des possibilités des moteurs. On considère
donc u ampérage nécessaire de 4x13,5/2 soit 27A, la batterie pouvant fournir 4,7A par
heure, on obtient donc une autonomie approximative de 10 minutes en vol stationnaire.
d. 2 couples d’hélices rotatives et contrarotatives aux dimensions 10"x4,5". L’utilisation de
ces deux types d’hélice satisfait les caractéristiques Propres aux quadri rotors dont les 2
moteurs d’un axe tournent dans le sens opposé à celui des 2 moteurs de l’autre axe.
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
e. Des tubes et des feuilles de carbone pour l’ossature du drone. La fibre de carbone, de part
sa structure particulière, offre une grande résistance pour un poids réduit. C’est pourquoi
elle est utilisée, entre autre, dans le modélisme haut de gamme.
II.11.5. L’utilité des drones miniatures
La surveillance et l'observation
Etudes scientifiques
Étude de l'atmosphère, des sols (géologie) et des océans
Etudes et prévisions météorologiques
Surveillance d'urgence
Incendies de forêts, avalanches
Volcans, tornades
Recherche et sauvetage
Surveillance civile
Surveillance des cultures et épandage agricole.
Surveillance maritime (voies maritimes, trafic de drogue, clandestins, détection des
pollutions par hydrocarbures, localisation pour sauvetage).
Surveillance urbaine, des manifestations, ainsi que des frontières.
Inspection des ouvrages d'art tels les ponts, les viaducs, les barrages
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
Surveillance des oléoducs, gazoducs, caténaires et voies ferrées, lignes à haute tension
Surveillance du trafic routier et du transport de matières dangereuses.
Des missions exploitant le vecteur aérien
Transport de fret
Cartographie
Utilisation par l'industrie cinématographique
Largages de vivres et d'équipements de sauvetage en zones hostiles
Des missions spécifiques
Relais de communications
Missions dangereuses (détection de gaz toxiques, radiations)
Recherche et sauvetage (mer, montagnes, désert...)
II.12. CONCLUSION
Nous avons présenté une grande diversité de familles de drones, qui comporte Chacune ses
spécifficités techniques. Le choix d’une architecture de drone n’est pas anodin Et doit
notamment correspondre aux missions pour lesquelles il sera employé, ainsi qu’aux degrés De
performances recherchés.
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
CHAPITRE III
GESTION DE L'ENERGIE D'UN DRONE MINIATURE
III.1. Introduction:
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
Une difficulté principale dans l'ingénierie micro drone implique de propulsion. Il est difficile
de faire moteurs à combustion interne à la fois assez petit pour tenir dans la micro drone et
suffisamment efficace pour produire assez d'énergie pour créer la poussée. Les piles à
combustible, micro-turbo générateurs et moteurs thermo-photoélectriques pourrait s'avérer
une meilleure puissance que les moteurs à combustion interne pour le micro drone. La plupart
des entreprises se tournent vers les moteurs électriques, car de nombreux petits moteurs
électriques sont disponibles dans le commerce, ils sont également plus silencieux que les
moteurs à essence. Un problème pour la propulsion électrique, cependant, est le stockage de
l'énergie pour alimenter les moteurs. Nouvelle technologie de batterie, telles que les cellules
lithium-polymère, peut permettre micro drone et mini drone de rester en l'air plus longtemps
que ce qu'ils pouvaient utiliser la technologie actuelle de la batterie.
III.2. sources d’énergie miniatures :
Les MEMS « de puissance » (du milliWatt à quelques Watt) type microturbine,micro-pile à
combustible, pour concurrencer les batteries (qui restent la solution principale mais qui
montrent leurs limites) et notamment augmenter l’autonomie. Le développement des batteries
(piles) est un axe de recherche important. Aujourd’hui, il ne relève pas des MEMS mais plus de
la chimie. Cependant l’utilisation de procédés planaires et collectifs (supports souples et fins,
ou procédés compatibles d’une intégration sur silicium) et la récupération/mise en forme de
cette énergie pour les MEMS incite à encourager les synergies. Toutefois ces sources ne seront
qu’un stockage temporel, limité en temps et en densité d’énergie.
III.2.1. les micro-piles à combustibles
Sont une solution potentiellement très intéressante. De nombreux défis scientifiques et
industriels restent à relever pour permettre un jour leur utilisation et leur intégration
(membranes, gestion des fluides, choix – et stockage - du carburant,…).
III.2.2 Les micromachines thermiques
(Micro-chambres à combustion couplées à un actionneur et un micro générateur) permettraient
d’obtenir des énergies de plusieurs Watts à plusieurs dizaines de Watts à partir de carburant
stocké. La solution reste très complexe à intégrer. Des avancée significatives placent la France
en bonne position tant sur les turbines que sur les micro-générateurs.
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
Les sources de faible puissance (du nanoWatt au milliWatt) pour répondre aux besoins des
microsystèmes individuels. Le niveau de puissance requis par ces derniers peut permettre
d’envisager la récupération de l’énergie disponible dans l’environnement.
III.2. 3. Génération Photovoltaïque :
les rendements obtenus vont de 15 à 20 % pour les systèmes les plus performants, ce qui
permet d’escompter, au mieux, de l’ordre de quelques centaines de Watt par mètres carrés en
plein ensoleillement Les défis à relever sont donc plus d’ordre pratique (packaging) et
industriel ou liés à la conversion et au stockage d’énergie de très faible niveau.
III.2. 4. Génération Thermoélectrique :
Parmi les meilleurs résultats commercialisés, mais réalisés en matériaux massifs et par les
technologies conventionnelles, on obtient (Bi2Te3) 300 mWatt /cm2 /200° et seulement 15
mW / cm2 /10°C. La recherche sur les matériaux est ici fondamentale, et leur intégration au
sein des microtechnologies représente un axe majeur de recherche afin de pouvoir produire ces
sources d’énergie à bas coût ainsi qu’à toute petite dimension.
III.3. Gestion d'Energie d'un drone miniature par une micro turbine:
Imaginez des drones de la taille d’un oiseau, capables de voler des heures, filmer des scènes et
transmettre des informations. De nombreux ingénieurs s’attachent à concevoir de tels drones
miniatures, pour des applications civiles et militaires. Parmi les nombreuses difficultés, figure
l’alimentation en énergie de ces engins, qui doit être à la fois puissante et extrêmement légère.
Pour ces micro drones de 15 centimètres d’envergure et autant de long, pesant une centaine de
grammes, les batteries sont trop lourdes et disposent de trop peu d’autonomie. Quant aux piles
à combustible, elles n’existent pas encore dans la gamme de puissance recherchée. Restent les
turbines à gaz, qui pourraient fournir dix fois plus d’énergie qu’une batterie à masse égale.
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
Une turbine transforme l’énergie provenant du combustible en mouvements de rotation, soit
pour alimenter directement une hélice, soit pour produire de l’électricité. « Notre objectif est
de réaliser une micro-turbine à gaz, afin d’équiper les futurs micro-drones », raconte Joël
Guidez, Ces micro turbines serviront à alimenter le moteur électrique actionnant les ailes du
drone, mais aussi tous les équipements électriques, comme des capteurs, voire une petite
caméra.
Mais pour miniaturiser une turbine, il ne suffit pas de réduire les dimensions de chaque
composant. Les écoulements ne se déroulent pas de la même façon sur de toutes petites
échelles, par exemple dans les chambres de combustion de ces micros turbines, qui ne
mesurent que quelques centaines de millimètres cube. Les écoulements sont beaucoup moins
turbulents, et les gaz ont donc plus de difficultés à se mélanger. Gênant, pour une combustion,
où le combustible doit être mélangé avec de l’air ! Il faut donc créer dans la chambre de
combustion des structures favorisant le mélange des gaz. « Nous concevons des zones de
circulation ramenant les gaz chauds vers les gaz frais », explique Joël Guidez. Cela permet
d’entretenir la combustion qui, sinon, s’éteindrait.
Le code de simulation aérodynamique elsA, en révélant les détails des écoulements entre les aubes, permet d'optimiser les caractéristiques.
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
Cependant, ces structures microscopiques ne peuvent pas être trop complexes, sous peine de
ne pas pouvoir les fabriquer. La première chambre construite avait une géométrie assez
simple : c’était un cylindre de 20 millimètres de diamètre et 2,7 mm de hauteur, comportant
un tube en son centre sur lequel le gaz rebondit. Il est ainsi envoyé en périphérie de la
chambre, où il se mélange avec les gaz présents. Cette chambre sert surtout à tester les
méthodes de fabrication et de mesure du laboratoire de l’Onera. La fabrication d’une
deuxième chambre plus complexe et plus performante est en cours.
Qui dit chambre de combustion de petit volume dit grandes pertes thermiques. En effet, les
petits objets ont plus de surface rapportée au volume comparativement aux gros objets, ce qui
engendre davantage de pertes thermiques. Celles-ci sont à la fois un avantage et un
inconvénient. D’un côté, elles évitent aux parois de trop chauffer et de fondre, mais de l’autre,
elles peuvent éteindre la combustion si elles sont trop importantes. Il faut donc concevoir des
chambres telles que les pertes sont juste au bon niveau.
La microchambre de combustion et son enceinte d'expérimentation. Le code de simulation aérothermique Cèdre permet de reproduire la combustion en 3D et de mieux comprendre
les phénomènes en jeu.
Concernant le combustible, les expérimentations actuelles s'effectuent avec l’hydrogène pour
plusieurs raisons. Comme il est très léger, il diffuse très bien. Par ailleurs, son temps de
réaction chimique (le temps nécessaire pour que la réaction chimique de combustion ait lieu)
est de 50 microsecondes, dix fois plus court que celui des hydrocarbures habituellement
utilisés. Or, dans une microchambre de combustion, le temps que mettent les gaz à traverser la
chambre de combustion est très brève. Et plus on diminue les dimensions de la chambre, plus
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
ce temps de séjour diminue. Mais il doit rester deux à cinq fois supérieur au temps de réaction
chimique, sans quoi la combustion sera mauvaise. En revanche, un hydrocarbure est plus
simple à stocker que l'hydrogène. De prochaines études auront donc pour objet la stabilité de
combustion d'hydrocarbure dans ces toutes petites chambres
Dans quels matériaux ces microturbines seront-elles fabriquées ? Le Massachussetts Institute
of Technology (MIT) tente de fabriquer une turbine toute en silicium, afin de profiter des
technologies de gravure sur silicium de la microélectronique pour créer les canaux permettant
de mélanger les gaz. L’Onera préfère fabriquer des microturbines comportant plusieurs
matériaux.
Parties tournantes de micro-turbine gravées dans le silicium
Enfin, n’oublions pas le reste de la turbine à gaz, notamment les pièces tournantes. Les aubes
des turbines peuvent être amenées à tourner à très grande vitesse, jusqu’à un million de tours
par minute. Fabriquer des aubes de turbine de 8 millimètres s’avère complexe. La gravure sur
silicium peut être une solution, à moins que les techniques de micro-usinage ne soient
privilégiées. « Cette fabrication demandera de toute façon des technologies spécifiques »,
observe Joël Guidez. Mais la question cruciale est celle des paliers et des butées, qui servent à
tenir l’arbre des turbines. Dans les turbines habituelles, ce sont des roulements à billes qui
jouent ce rôle. Ici, ce seront des paliers hydrodynamiques : les écoulements de gaz sustentent
les parties tournantes sans qu’elles touchent les parties fixes.
III.4. CONCLUSION
Les futurs drones miniatures devront être alimentés par des sources d’énergie miniatures. Les
plus adaptées semblent être les microturbines. Mais concevoir des turbines de quelques
centimètres cube relève de la gageure. Modification des écoulements, conception de nouvelles
géométries, micro fabrication et études thermiques sont au programme des chercheurs
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
Conclusion générale:
Drones miniatures et micro-entreprises sont en cours de développement, conçu et déployé
dans le monde entier. Mini et micro drones sont utilisés pour des applications militaires
comme rapport de recherche internationale et sera utilisé dans les missions de guerre
électronique. En outre, mini et micro-drones sont utilisés dans l'agriculture, la météorologie et
l'aide aux sinistrés. La création de l'essaimage des réseaux de drones est également à l'étude
dans le monde. innovations et la recherche continuera à propulser les capacités et l'utilisation
des mini-micro-drones.
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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature
III.1. bibliographie:
1. les drones: tome1-mieux connaitre les drones
2. thèse de Doctorat de l'Université de Lorraine Modélisation, Observation et Commande
d'un Drone Miniature a Birotor Coaxial par Arnaud koehl.
3. Micro-turbines, maxi-difficultés. Site web: www.onera.fr
4. A report prepared by the federal research division, library of congress: mini, micro, and
Swarming unmanned aerial vehicles: a baseline study
5. Abershitz, Avi, David Penn, Amit Levy, Aviv Shapira, and Zvi Shavit. “IAI’s Micro/Mini UAV Systems-Development Approach.” September 2005.
6. AC Propulsion. “AC Propulsion SoLong UAV Flies for 48 Hours on Sunlight. Two Nights Aloft Opens New Era of Sustainable Flight.” <www.acpropulsion.com / ACP_DOCs/ACP_SoLong_UAV_48hr_Flight_2005-0605.doc>