Fonctionnement

1. Introduction

Dans cette partie, nous allons nous intéresser au fonctionnement d’un drone quadricoptère (Drone à 4 hélices), quels sont les éléments qui le composent, et comment ce drone peut-il se diriger dans les airs.

2. Composition

Tout d’abord, un drone quadricoptère est composé de 2 paires d’hélices, comme on peut le voir sur l’image, les hélices ne sont pas dans le même sens, en effet une des paires tourne dans le sens horaire, tandis que l’autre dans le sens antihoraire. Cela permet d’assurer une meilleure stabilité dans l’air ainsi que d’effectuer des lacets (rotation horizontale du drone dans l’air).

Voyons maintenant l’intérieur d’un drone :

Nous voyons ici l’intérieur d’un des drones les plus basiques, il ne possède pas de fonctionnalités superflues, inutiles au fonctionnement du drone. (Modèle du drone dans les sources)

On peut voir

• En (1) la carte mère, aussi appelée carte de contrôle de la navigation pour un drone. C’est cette partie qui contrôle le drone, elle est équipée en générale d’un capteur radio pour la télécommande du drone, de plusieurs gyroscopes (3 en général), d’un baromètre pour mesurer son altitude, et d’un GPS qui lui permet notamment d’enregistrer sa position initiale lors d’une perte de signal radio pour qu’il puisse automatiquement y retourner.

• En (2) la batterie, son rôle est assez explicite, elle fournit l’énergie au drone pour que celui-ci puisse fonctionner. On compte pour un drone premier prix comme celui-là une autonomie d’environ 12-15 minutes de temps de vol effectif, c’est-à-dire le temps que le drone passera en l’air.

• En (3) nous pouvons voir un moteur, il y en a évidemment 4, un par hélice. Sur ce modèle, les moteurs sont contrôlés par la carte mère directement. Sur certains modèles, chaque moteur est relié à une carte électronique qui permet de contrôler sa puissance plus précisément.

3. Comment un drone peut-il voler ?

Diriger un drone est une affaire de physique, nous n’allons évidemment pas aborder les équations qui décrivent le vol d’un drone, mais simplement expliquer comment le drone peut être dirigé dans les airs.

Tout d’abord le décollage et le vol stationnaire, le cas où le drone ne bouge pas. Dans ce cas, toutes les hélices tournent à la même vitesse :

La forme bombée des hélices fait que ces dernières, en tournant, vont générer une portance en tournant, cette portance est une force qui s’applique au drone, opposée à son poids et qui va donc le tirer vers le haut. Le maitrise de l’altitude du drone est donc simplement liée à la puissance de cette force. Si la portance est supérieure au poids du drone, celui-ci sera tiré vers le haut. Si les deux forces sont égales, le drone sera stationnaire, et si la portance est inférieure au poids, alors le drone descendra. La vitesse de rotation des hélices est liée à la puissance de la portance. Plus les hélices tournent vite, plus la puissance de la portance est élevée. L’utilisateur peut contrôler la puissance des moteurs avec sa télécommande, ce qui lui permet de gérer l’altitude de son drone facilement.

Nous allons maintenant nous intéresser au tangage (terme pour définir le mouvement avant/arrière d’un quadricoptère) :

C’est très simple, pour un mouvement vers l’avant, on ralentit la paire d’hélice située à l’avant du drone.

Pour un mouvement vers l’arrière, c’est la paire d’hélice située à l’arrière qui est ralentie :

Schématisation d'un mouvement vers l'avant, les hélices rouges représentent les hélices ralenties. Il s’agit là encore du même phénomène physique que pour le décollage, en ralentissant les hélices à l’avant, le drone va se pencher vers l’avant, ce qui aura pour effet d’incliner la portance vers l’avant, le drone sera donc tiré vers l’avant. Même principe pour le mouvement en arrière.

Voyons maintenant le Roulis. Il permet d’effectuer des virages. (Gauche/droite)

Le principe est le même, on ralentit le couple de moteurs à gauche pour que le drone se dirige vers la gauche, et on ralentit la paire de moteur de droite pour effectuer un virage à droite :

Exemple ici d’un virage sur la gauche, le couple d’hélices en rouge représente celles qui seront ralenties.

Voyons maintenant comment un drone effectue un lacet, c’est-à-dire une rotation sur son axe horizontal.

Pour effectuer un lacet, on accélère cette fois, le couple d’hélices tournant dans un sens identique. Par exemple, si on veut faire pivoter notre drone dans le sens antihoraire, on accélère le couple d’hélices tournant dans le sens antihoraire. De même, on accélère le couple d’hélices tournant dans le sens horaire si on désire effectuer une rotation dans le sens horaire :

Exemple ici d’une rotation dans le sens antihoraire. On accélère les hélices en rouge qui sont celles tournant dans le sens antihoraire.

On comprend maintenant pourquoi les drones sont en général équipés d’au moins 3 gyroscopes. Chaque gyroscope permet de gérer un mouvement unique. (tangage, roulis, lacet)

4. La télécommande

Elément important. La télécommande permet de contrôler chacun des différents mouvements du drone vu précédemment (tangage, roulis et lacet), voici un exemple d’une télécommande classique de drone :

On peut voir les 2 manettes principales. En général, la manette de gauche contrôle l’altitude ainsi que le lacet, faire monter la manette fera accélérer le drone et la baisser le fera descendre. L’incliner sur les côtés fera tourner le drone dans le sens voulu. La deuxième manette contrôle le tangage et le roulis, l’incliner en avant/arrière fera avancer/reculer le drone et l’incliner sur les côtés le fera se déplacer dans la direction souhaitée. Bien entendu, on peut configurer la télécommande d’un drone et décider de l’action effectuée par une manette. (Par exemple, un gaucher trouvera peut-être plus naturel de contrôler le tangage et le roulis avec la manette de gauche)