EP3297911A1 - Drone avec rotor a pas variable - Google Patents

Drone avec rotor a pas variable

Info

Publication number
EP3297911A1
EP3297911A1 EP16727541.1A EP16727541A EP3297911A1 EP 3297911 A1 EP3297911 A1 EP 3297911A1 EP 16727541 A EP16727541 A EP 16727541A EP 3297911 A1 EP3297911 A1 EP 3297911A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drone
rotor
rotors
pitch
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16727541.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Florent ROQUE
Arthur GARDIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Evodrone
Original Assignee
Evodrone
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evodrone filed Critical Evodrone
Publication of EP3297911A1 publication Critical patent/EP3297911A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/54—Mechanisms for controlling blade adjustment or movement relative to rotor head, e.g. lag-lead movement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00—Type of UAV
    • B64U10/10—Rotorcrafts
    • B64U10/13—Flying platforms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00—Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/20—Rotors; Rotor supports
    • B64U30/29—Constructional aspects of rotors or rotor supports; Arrangements thereof
    • B64U30/296—Rotors with variable spatial positions relative to the UAV body

Definitions

  • mini-UAVs take-off weight ⁇ 25kg
  • multirotor drones consist of several fixed pitch rotors (at least 3) whose different thrusts allow lift and control of the drone.
  • the major advantage of this configuration over conventional helicopter models lies in its simplicity: only a few motors directly driving fixed pitch rotors (similar to aircraft propellers), servo-controlled by an inertial unit and controlled by a small calculator, to fly almost any object.
  • the document FR 2995875 describes a drone with a fuselage whose impact resistance is improved.
  • the fuselage is provided with a shock absorbing member.
  • the document WO2015 / 036907 describes a drone on which four rotors are distributed on a steering wheel surrounding a central fuselage element.
  • the rotors and the propulsion elements arranged on the steering wheel are removably provided so as to reconfigure their positions.
  • US3053480 discloses a variable pitch drone with centralized motorization.
  • CN103786879 describes an aerobatic drone with variable pitch whose blades are non-twisted.
  • a first object of the invention is to provide a drone for optimal intensive use.
  • Another object of the invention is to provide a drone with a high autonomy.
  • Another object of the invention is to provide a drone with improved flight characteristics.
  • Yet another object of the invention is to provide a drone capable of supporting a wider range of onboard loads.
  • Another object of the invention is to provide a drone whose vibration level is particularly reduced.
  • Another object of the invention is to provide a drone easily manageable.
  • the invention provides a multirotor drone whose lift in the air is obtained by means of the use of at least three non-coaxial rotors each participating in a significant fraction of the total lift required for the flight, comprising a cell connected to a plurality of motorized axes spaced from each other, each motorized axis being connected to a variable pitch rotor assembly comprising a collective pitch variation module and twisted blades.
  • the MRPV drone always uses the same physical principles as an MRPF to ensure its sustenance and control. On the other hand, it is in the way the rotors provide their thrusts that the operation of the MRPV is fundamentally different from the MRPF.
  • a variable collective pitch rotor is capable of providing, for a given rotational speed, a thrust whose intensity and direction depend directly on the collective pitch setpoint.
  • An MRPV is equipped with an independent collective pitch control device on each rotor, to precisely control the value and the direction of its thrust, to obtain control according to the same physical principles as a MRPF. It is no longer necessary for a MRPV to vary frequently and abruptly the rotational speeds of each rotor, to ensure its own control.
  • the rotors of an MRPV can rotate at a substantially constant rotational speed.
  • the instability problems of the MRPFs during downhill flight phases are greatly mitigated by the use of variable collective pitch rotors.
  • the rotor incidence therefore remains in aerodynamically acceptable values: the main cause of downhill turbulence is thus eliminated.
  • the MRPV can adopt much higher descent speeds than an MRPF, while keeping a constant rotational speed of the rotors, and thus a control well superior to an MRPF, for which the descending flight is conditioned to a frank decline. the rotational speed of the rotors and an operation of said rotor outside the limits of its aerodynamic range.
  • At least one twisted blade is configured with a twisting greater than substantially 3 ° and preferably greater than 5 ° between its two ends. Twisting the blades optimizes the lift over substantially the entire length of the blade resulting in an improvement in its aerodynamic efficiency.
  • the collective pitch variation module comprises a slider arranged to slidably control the pitch variation of all the blades and a control rod, the axis of the rotor and the control rod of the slider. being coaxial.
  • This embodiment is particularly advantageous by the simplification provided by both the reduced number of parts and the large space saving because the motor and the rotor are relatively close to each other.
  • a hollow shaft motor must be specifically provided.
  • the collective pitch variation module comprises a slider arranged to slidably control the pitch variation of all the blades, the rotor axis and the control rod of the slider being substantially parallel.
  • the collective pitch variation module comprises a slider arranged to slidably control the pitch variation of all the blades through a plurality of connecting rods connecting each blade to the slider.
  • the slider is mounted under the rotor and controlled by an actuator spaced radially from the axis of the rotor.
  • the slider is mounted above the rotor and controlled by an axial displacement of the control rod to which the slider is connected.
  • the variation module of the collective pitch is controlled by a collective pitch actuator.
  • the drone rotors having known properties, the engines are advantageously designed according to these characteristics.
  • the rotational speed of the rotors conferring the best aerodynamic efficiency being known the motors are designed to have their optimal performance in correspondence with the optimal speed of the rotors. This double optimization, coupled with the use of a substantially constant rotational speed, gives the drone a reduced consumption, and consequently, an autonomy unmatched to date in the field of low mass drones.
  • the preferred speed range for an MRPV of mass less than 10 kg is between 1000 rpm and 3000 rpm.
  • the drone comprises a motor for each of the rotors.
  • the mass of the drone is greater than 1, 5 kg, and advantageously between 1, 5 and 25 kg, and more preferably between 1, 8 and 15 kg.
  • FIG. 1 is a perspective view of an exemplary embodiment of a drone according to the invention
  • FIG. 2A is a schematic representation of a first embodiment of the variable pitch device of the drone according to the invention.
  • FIG. 2B is a schematic representation of a second embodiment of the variable pitch device of a drone
  • FIG. 3 is a perspective view of a twisted rotor blade according to the invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of the second embodiment of the variable pitch device of the drone according to the invention.
  • Rotor disk load the rotor disk load of a multirotor drone is defined by the M / S ratio.
  • M represents the maximum mass of the take-off drone, ie the mass including the drone, its payload and its energy source (batteries or fuel).
  • N the number of rotors
  • D the diameter of each rotor
  • the payload of a drone includes all elements that are not directly necessary for the implementation, the flight and the navigation of it.
  • the payload generally comprises: the on-board sensors for the mission, the carrycots, the communication and control elements between the payload and the operator, etc.
  • - 6s is the absolute value of the angle between the chord of the blade profile at the end of the blade outside of any particular salmon geometry and the plane of rotation of the rotor.
  • ⁇ ⁇ is the absolute value of the angle between the chord of the profile at a radial position r / R e ⁇ 0.3..0.9 ⁇ on the bearing portion of the blade, and the plane of rotation of the rotor.
  • MRPF Multirotor drone equipped with fixed pitch rotors.
  • M RPV Multirotor drone equipped with variable collective pitch rotors.
  • Drone this term refers to remotely piloted aircraft as defined in the Decree of 1 April 2012 on the "Design of Civil Aircraft Operating Withoutêt anyone on Board, the Conditions of their Use and the Required Capacities of people who use them. In short, it is any aircraft capable of unmanned flight on board, which is controlled either by a computer (on board or on the ground) or by an operator on the ground, used for recreational purposes, competitions , or professional.
  • the invention preferably relates to multirotor drones equipped with 4 to 6 rotors, but also between 3 and 10 rotors.
  • Rotors with variable pitch rotor whose blade pitch can be controlled during the rotation of the rotor, so as to adjust its collective pitch.
  • a collective step actuator controls each MRPV rotor. It is achieved by means of electric servocontrols arranged either in the immediate vicinity of the rotor, or centralized in the aircraft.
  • DETAILED DESCRIPTION A collective step actuator controls each MRPV rotor. It is achieved by means of electric servocontrols arranged either in the immediate vicinity of the rotor, or centralized in the aircraft.
  • FIG. 1 illustrates a perspective representation of a multirotor drone 1 comprising four rotors 1 1.
  • the rotors 11 are arranged according to different axes in order to allow the lift of the drone 1 in the air.
  • the rotors 1 1 each participate in a significant fraction of the total lift required for the flight.
  • the drone 1 multirotor may comprise from three to six or even eight rotors.
  • the cell comprises an elongate central body on which four arms 3 are connected.
  • the elongated body allows optimal management of the center of gravity.
  • the arms are connected towards the front of the body, thus allowing additional masses to be added to the front, for example a camera 6 in the illustrated example.
  • the architecture of the arms allows a particularly wide viewing angle, as shown in the figure by the dotted rectangle illustrating an example of a field of view of the camera 6.
  • the arms 3 make it possible to arrange the rotors 1 1 in an optimal arrangement forming two pairs of rotors, each pair being located on one and the same side of the body of the cell 2.
  • the circumferences or spans E of the two rotors of a pair are immediate proximity, without contact.
  • the front rotors are positioned substantially opposite the head of the camera 6, at the front of the cell.
  • the opposite front and back arms are off-axis, both angularly and spaced a few millimeters apart, so that the arms do not form a perfect cross.
  • the drone consists of 4 identical rotors distributed around the center of gravity of the drone. These rotors are preferably arranged so as to attempt to optimize the following parameters:
  • the spacing between the two rear rotors "d" is chosen so that the two rotor discs are close to the plumb wall of the fuselage, but no surface belonging to the fuselage is placed directly under the rotor discs.
  • the spacing of the two front rotors "D” is chosen so that the two discs do not interfere with the field of view of a camera on board the drone, regardless of the viewing angle of the camera. the camera on the drone.
  • the spacing of the front and rear rotors is chosen as low as possible without there being a collision between the rotors.
  • the arms are all identical. This implementation reduces manufacturing costs by using a single mold for all arms.
  • variable pitch rotors can consider different architectures of multirotors drones. Indeed, because of the rotation speeds necessarily equal between all the rotors of a multirotor drone with variable pitch, it is possible to envisage the use of a motor by rotor or of a motor driving several rotors with the help of a transmission system. Moreover, these motors can be electric or thermal.
  • each rotor is driven by an independent powertrain, and disposed in the immediate vicinity of the rotor (non-centralized).
  • Each powertrain necessarily contains a motor preferably electric, and a rotational speed control device, allowing the synchronization of these rotational speeds between all rotors. This arrangement is the simplest mechanically, it limits to the bare minimum the use of mechanical power transmission elements, and thus the yield losses and risks of failure associated therewith.
  • FIGS. 2A and 2B respectively illustrate two embodiments of a variable pitch rotor assembly.
  • the variable pitch device can be made according to different parallel or coaxial architectures. These two embodiments imply that a motor 5 drives a rotor axis 13 pivotally relative to the cell 2 of the drone 1.
  • a rotor head 15 is fixed to the end of the rotor axis 13.
  • Each rotor blade 12 is fixed to the rotor head 15 via a pivot link axis orthogonal to the rotor axis.
  • the position of the blades 12 around this pivot connection corresponds to the collective pitch angle of the rotor 11. This angle is controlled by a slide 14 in sliding connection on the rotor axis 13, and connected to the blades 12 by collective rods 16.
  • the actuator 18 vertically moves the slide pivot, which in turn drives the slide ring 19 in a translation along the rotor axis 13.
  • the slide is driven by the slide ring in this translation, and rotates the blade feet thanks to the rods 16, thus changing the pitch of the rotor.
  • the slide pivot is designed so that no part, other than the actuator, is needed to fix its position in the space.
  • the slide pivot is in pivot connection with the slide ring and in ball joint connection with the actuator. Note that this arrangement allows a rotation movement of type "servo rudder" on the part of the actuator. This arrangement does not require adjustment or precise coaxiality between the movement of the actuator and the rotor axis.
  • the actuator 18 vertically moves the control rod 17 which slides inside the rotor drive tube 13.
  • This control rod is connected at its upper end to the connecting rods 16, which thus pivot the blade feet, changing the pitch of the rotor.
  • the induced power (ideal) necessary for the lift is inversely proportional to the diameter of its rotors.
  • a good indicator of the performance of a multirotor drone is therefore the load of its rotor disks (expressed in kg m- 2 ), because it is proportional at the ideal mass power required for hovering.
  • MRPFs of less than 2kg conventionally used have a rotor disk charge of between 4, 5kg. m “2 and more than 10kg.m " 2 , depending on the mass and the design choices (the more the MRPF's wing load increases, the more it is manageable). With an MRPV of less than 2kg, wing loads much lower than 4kg. m "2 are easily achievable, without any concern for maneuverability.
  • the rotor blades of the variable pitch assembly according to the invention are provided with a twist distribution which makes it possible to improve the energy performances.
  • the table below indicates the preferred twist ranges according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates in detail an exemplary embodiment of a rotor according to the invention provided with a set of collective pitch variation.
  • the motor 5 drives a gearbox which is connected to a coupling 20.
  • This coupling 20 transmits the rotation of the geared motor 5-7 to the rotor axis 13.
  • the coaxiality of the geared motor 5-7 and the rotor shaft 13 is provided by a centering plate 21.
  • the rotor axis 13 then causes the blades 12 to rotate through the blade roots.
  • These blade feet are articulated around the axis of the blades to vary the pitch of the rotor.
  • an actuator 18 (servocontrol) moves the slide along the rotor axis 13, and thus pivots the blade feet, via the connecting rods 16.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Remote Sensing (AREA)
  • Toys (AREA)

Abstract

Drone (1) multirotor dont la sustentation dans l'air est obtenue au moyen de l'utilisation d'au moins trois rotors non coaxiaux participant chacun à une fraction significative de la portance totale nécessaire au vol, 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.

Description

DRONE AVEC ROTOR A PAS VARIABLE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[00011 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
[0002] 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 < 25kg) : les drones multirotors. Ces drones à voilure tournante sont constitués de plusieurs rotors à pas fixe (au moins 3) dont les différentes poussées permettent la sustentation et le contrôle du drone. L'avantage majeur de cette configuration par rapport aux modèles réduits d'hélicoptères classiques, réside dans sa simplicité : il suffit de quelques moteurs entraînant directement des rotors à pas fixe (similaires à des hélices d'avion), asservis par une centrale inertielle et commandés par un petit calculateur, pour faire voler presque n'importe quel objet.
[0003] 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.).
[0004] 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 :
• 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 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 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 ;
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.
[0005] 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 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.
[0006| Enfin, une grande faiblesse des MRPF est leur instabilité chronique lors des phases de 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.
[0007| Ainsi, en souhaitant conserver la simplicité mécanique des MRPF, on atteint rapidement 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.
[0008| 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 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 (<8kg), ils accusent également des performances médiocres, mais dans une moindre mesure : capacité d'emport limitée, durée de vol limitée, ou masses trop élevées.
[0009] Une publication du MIT (Août 201 1 ) puis une thèse (Août 2012) intitulée « Design and Control of an Autonomous Variable Pitch Quadrotor Helicopter » (auteur M. Cutler), portant sur la comparaison des domaines de vol entre les MRPF et les MRPV (drones multirotors à pas variable), ont mis en évidence la capacité accrue des MRPV à accomplir des manœuvres acrobatiques. Mais dans ces documents, les MRPV étaient équipés de rotors plats (non vrillés).
|0010| On connaît par ailleurs diverses publications récentes dans le domaine des drones. Par exemple, la demande de brevet FR 2964573 décrit un procédé de pilotage pour drone.
[00111 Le document FR 2995875 décrit un drone avec fuselage dont la résistance aux chocs est améliorée. Le fuselage est pourvu d'un organe d'absorption de chocs.
[0012] Le document WO2014/108459 décrit un drone pourvu d'une architecture de fuselage au profil circulaire autour duquel quatre rotors sont agencés selon deux axes, soit un axe longitudinal et un axe transversal.
[0013| Le document WO2015/036907 décrit un drone sur lequel quatre rotors sont répartis sur un volant entourant un élément central de fuselage. Les rotors ainsi que les éléments de propulsion agencés sur le volant sont prévus de façon démontable de façon à permettre de reconfigurer leurs positions.
[0014] Le document US3053480 décrit un drone à pas variable avec motorisation centralisée.
[0015] Le document CN103786879 décrit un drone de voltige à pas variable dont les pales sont non-vrillées.
[0016| Dans ces diverses publications, traitant de problèmes de pilotage, de résistance aux chocs en cas de collision avec le sol, et d'architectures générale du drone, aucun moyen ne permet d'envisager une solution au problème généralisé de l'autonomie des drones.
[0017| Le document ITBO201 10768 décrit un hélicoptère quadrirotor dont les rotors sont agencés par paire. Chaque paire est inclinable et reliée à un même moteur. Les rotors d'au moins une paire sont équipés d'un dispositif de pas variable.
[0018] Pour pallier ces différents inconvénients, l'invention prévoit différents moyens techniques. EXPOSE DE L'INVENTION
[0019| Tout d'abord, un premier objet de l'invention consiste à prévoir un drone permettant une utilisation intensive optimale.
|0020| Un autre objet de l'invention consiste à prévoir un drone doté d'une autonomie élevée.
[0021] Encore un objet de l'invention vise à prévoir un drone comportant des caractéristiques de vol améliorées.
|0022| Encore un autre objet de l'invention consiste à prévoir un drone susceptible de supporter une fourchette élargie de charges embarquées.
[0023] Egalement, un autre objet de l'invention consiste à prévoir un drone dont le niveau de vibrations est particulièrement réduit.
[0024] Enfin un autre objet de l'invention vise à prévoir un drone aisément maniable.
[0025| Pour ce faire, l'invention prévoit un drone multirotor dont la sustentation dans l'air est obtenue au moyen de l'utilisation d'au moins trois rotors non coaxiaux participant chacun à une fraction significative de la portance totale nécessaire au vol, comprenant une cellule reliée à une pluralité d'axes motorisés espacés les uns des autre, chaque axe motorisé étant relié à un ensemble rotor à pas variable comprenant un module de variation de pas collectif et des pales vrillées.
[0026] Grâce à cette architecture, il devient possible de s'affranchir du compromis classiquement utilisé et ainsi repousser les limites de performances énergétiques. Il convient de briser le lien de dépendance entre les trois contraintes physiques qui régissent les MRPF, que sont : le diamètre des rotors, la maniabilité, et la masse des éléments de conversion d'énergie. L'utilisation de rotors à pas collectif variable est un moyen efficace de parvenir à cet objectif.
[0027| Le drone MRPV utilise toujours les mêmes principes physiques qu'un MRPF pour assurer sa sustentation et son contrôle. En revanche, c'est dans la manière dont les rotors fournissent leurs poussées que le fonctionnement du MRPV est fondamentalement différent du MRPF. Ainsi, un rotor à pas collectif variable est capable de fournir, pour un régime de rotation donné, une poussée dont l'intensité et le sens dépendent directement de la consigne de pas collectif.
[0028] Un MRPV est équipé d'un dispositif de commande de pas collectif indépendant sur chaque rotor, permettant de contrôler précisément la valeur et le sens de sa poussée, afin d'obtenir un contrôle selon les mêmes principes physiques qu'un MRPF. Il n'est donc plus nécessaire pour un MRPV de faire varier fréquemment et brutalement les régimes de rotation de chaque rotor, pour assurer son propre contrôle. Les rotors d'un MRPV peuvent tourner à un régime de rotation sensiblement constant.
[0029] Le contrôle d'un MRPV n'impose plus de faire varier le régime de rotation des rotors. Au contraire, la vitesse de rotation des rotors doit être maintenue sensiblement constante, et le contrôle de la poussée des rotors est obtenu grâce à une modification différentielle du pas collectif des rotors. Ainsi, l'inertie des rotors n'a plus aucun impact négatif sur la maniabilité des MRPV, qui est désormais garantie indépendamment du diamètre du rotor. En revanche, si le régime de rotation des rotors à pas collectif variable ne nécessite plus d'être asservi au contrôle du MRPV, il n'en reste pas moins que ce paramètre de contrôle supplémentaire apporte quelques atouts considérables : d'une part, il garantit que chaque rotor fonctionne dans les limites des plages aérodynamiques qui lui sont propres. D'autre part, il est possible de modifier le régime de rotation de tous les rotors simultanément, pour que ceux-ci fonctionnent dans des plages de haute efficacité énergétique, et ce pour différentes plages du domaine de vol.
|0030] Par ailleurs, les problèmes d'instabilité des MRPF lors des phases de vol en descente sont fortement atténués par l'utilisation de rotors à pas collectif variable. Avec une consigne de pas collectif adaptée, l'incidence du rotor reste donc dans des valeurs aérodynamiquement acceptables : on supprime ainsi la cause principale de turbulences en descente. Le MRPV peut adopter des vitesses de descentes nettement supérieures à celles d'un MRPF, tout en gardant un régime de rotation des rotors constant, et donc un contrôle bien supérieur à un MRPF, pour lequel le vol en descente est conditionné à une baisse franche du régime de rotation des rotors et un fonctionnement dudit rotor en dehors des limites de sa plage aérodynamique.
[00311 Enfin, l'augmentation du diamètre des rotors étant rendue possible, il est désormais envisageable d'obtenir des charges de disques rotor compatibles avec une utilisation efficiente de l'énergie embarquée dans le MRPV. Le système mécanique de variation du pas collectif de chaque rotor n'augmente pas sensiblement la masse du vecteur aérien, et cette augmentation de masse due à l'ajout des actuateurs et des commandes de pas collectif est contrecarrée par la diminution conséquente de la masse de toute la chaîne de propulsion, conséquence directe de la baisse de puissance nécessaire à la sustentation et au contrôle du MRPV.
[0032] Selon un mode de réalisation avantageux, au moins une pale vrillée est configurée avec un vrillage supérieur à sensiblement 3° et préférentiellement supérieur à 5° entre ses deux extrémités. Le vrillage des pales permet d'optimiser la portance sur sensiblement toute la longueur de la pale résultant en une amélioration de son efficacité aérodynamique.
[0033| Selon un mode de réalisation avantageux, le module de variation de pas collectif comprend un coulisseau agencé pour commander par coulissement la variation de pas de l'ensemble des pales et une tige de commande, l'axe du rotor et la tige de commande du coulisseau étant coaxiaux. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux par la simplification apportée, tant par le nombre réduit de pièces que l'important gain d'espace du fait que le moteur et le rotor sont relativement rapprochés l'un de l'autre. Par contre, un moteur à arbre creux doit être spécifiquement prévu.
[0034] Selon un autre mode de réalisation, le module de variation de pas collectif comprend un coulisseau agencé pour commander par coulissement la variation de pas de l'ensemble des pales, l'axe du rotor et la tige de commande du coulisseau étant sensiblement parallèles. Ce mode de réalisation permet l'utilisation d'un vaste éventail de moteurs d'architecture classique, c'est-à-dire sans arbre creux.
[0035| De manière avantageuse, le module de variation de pas collectif comprend un coulisseau agencé pour commander par coulissement la variation de pas de l'ensemble des pales par l'entremise d'une pluralité de bielles reliant chaque pale au coulisseau.
[0036| Selon un mode de réalisation, le coulisseau est monté sous le rotor et commandé par un actuateur espacé radialement de l'axe du rotor.
[0037] Selon un autre mode de réalisation, le coulisseau est monté au-dessus du rotor et commandé par un déplacement axial de la tige de commande auquel le coulisseau est relié.
[0038] Egalement de manière avantageuse, le module de variation du pas collectif est commandé par un actuateur de pas collectif.
[0039] 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 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 masse.
[0040| La plage de vitesse préférentielle pour un MRPV de masse inférieure à 10 kg est comprise entre 1000 tours/min et 3000 tours/min.
[0041] De manière avantageuse, le drone comporte un moteur pour chacun des rotors. [0042] 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.
DESCRIPTION DES FIGURES
[0043] 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 :
- 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 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.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
DEFINITIONS
[0044] Charge du disque rotor : la charge du disque rotor d'un drone multirotor est définie par 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 .JT. D2/4
Avec N le nombre de rotors, D le diamètre de chaque rotor.
|0045| Charge utile : La charge utile d'un drone comprend tous les éléments qui ne sont pas directement indispensables à la mise en œuvre, 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.
[0046] Vrillage d'une pale : le vrillage d'une pale de rotor est défini par la relation suivante : a= MAX (9r-6s), où :
- 6s 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 plan de rotation du rotor. Une mesure de l'angle 6s 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.- ΘΓ 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.
[0047] MRPF : drone Multirotor doté de Rotors à Pas Fixe.
[0048| M RPV : drone Multirotor doté de Rotors à Pas collectif Variable.
[0049| Drone : ce terme désigne les aéronefs télépilotés tels qu'ils sont définis dans l'arrêté du 1 1 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 personnes qui les utilisent ». En résumé, il s'agit de tout aéronef capable de voler sans 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.
|0050| 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 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.
[00511 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, c'est à dire, qu'en configuration de vol stationnaire, la valeur de la portance de chacun des rotors est au moins égale à P=(0,8*Ptotale)/N (P étant la portance unitaire de chacun des rotors, Ptotale étant la portance totale nécessaire à la sustentation du multirotor, N étant le nombre total de rotors). Tous les rotors participent donc à une portion sensiblement égale de la portance totale, avec une tolérance de plus ou moins 20%. L'invention porte préférentiellement sur les drones multirotors équipés de 4 à 6 rotors, mais aussi entre 3 et 10 rotors.
[0052] 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.
[0053| 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. DESCRIPTION DETAILLEE :
Architecture générale du drone (voir figure 1 ):
[0054| La figure 1 illustre une représentation en perspective d'un drone 1 multirotor comportant quatre rotors 1 1. Les rotors 11 sont agencés selon des axes différents afin de permettre la sustentation du drone 1 dans l'air. Les rotors 1 1 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 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 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.
[0055| Les bras 3 permettent de disposer les rotors 1 1 selon un arrangement optimal formant 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 millimètres, de sorte que les bras ne forment pas une croix parfaite.
[0056) 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 :
• 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 perturbations d'écoulement du flux d'air généré par les rotors.
[0057] 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 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.
[0058| Dans l'exemple illustré, les bras sont tous identiques. Cette mise en œuvre permet de réduire les coûts de fabrication en utilisant un moule unique pour l'ensemble des bras.
[0059] L'utilisation de rotors à pas variable permet d'envisager différentes architectures de drones multirotors. En effet, du fait des vitesses de rotation nécessairement égales entre tous les rotors d'un drone multirotor à pas variable, on peut envisager l'utilisation d'un moteur par rotor ou d'un moteur entraînant plusieurs rotors à l'aide d'un système de transmission. Par ailleurs, ces moteurs peuvent être électriques ou thermiques.
[0060| Dans les exemples illustrés, chaque rotor est entraîné par un groupe motopropulseur 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 ainsi les pertes de rendement et risques de panne qui y sont associés.
PAS COLLECTIF VARIABLE
[00611 Les figures 2A et 2B illustrent respectivement deux modes de réalisation d'un ensemble 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 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.
Architecture de pas variable « parallèle » (voir figure 2B) :
[0062| 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 entraîné 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 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 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 ;
Permet d'utiliser un axe qui relie les deux pales, reprenant ainsi parfaitement les efforts centrifuges.
Architecture de pas variable « coaxial » (voir Figure 2A) :
[0063 j L'actionneur 18 déplace verticalement la tige de commande 17 qui coulisse à l'intérieur du tube 13 d'entraînement 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. Les avantages sont :
• 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
[0064] 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 pour le vol stationnaire.
|0065| 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 2kg, des charges alaires très inférieures à 4kg. m"2 sont aisément atteignables, sans aucun souci de maniabilité.
[0066| 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 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. m"2. 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, 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 5 à 10 kg 10 à 25 kg
Plage de Charge
de disques rotor 2-4kg.m 2 2-6kg.m 2 3-8kg.m 2 préférentielle
Plage de Charge
de disques rotor 2-6kg.m 2 2-8kg.m'2 3-10kg.m'2 étendue
VRILLAGE DE PALE ET GEOMETRIE DE ROTOR
|0067| 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 distribution de vrillage permettant d'améliorer les performances énergétiques. Le tableau ci- dessous indique les plages de vrillage préférentielles selon l'invention.
EXEMPLE DE REALISATION DETAILLE
[0068] 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 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.
[0069] 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 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. Numéros de référence employés sur les figures
Drone
Cellule
Bras
Logement moteur
Moteur
Caméra
Réducteur
Ensemble rotor à pas variable
Rotor
Pale vrillée
Axe du rotor
Coulisseau
Tête de rotor
Bielles de collectif
Tige de commande
Actuateur
Bague de coulisseau
Accouplement
Plateau de centrage

Claims

REVENDICATIONS
1. Drone (1 ) multirotor dont la sustentation dans l'air est obtenue au moyen de l'utilisation d'au moins trois rotors non coaxiaux participant chacun à une fraction significative de la portance totale nécessaire au vol, 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 au moins 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 (1 1 ) 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.
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