FR2964946A1

FR2964946A1 - Petit engin volant sans pilote

Info

Publication number: FR2964946A1
Application number: FR1158224A
Authority: FR
Inventors: Franz Maier; Alfred Schottl
Original assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Current assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2012-03-23
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: DE102010045858B4; GB2483785A; FR2964946B1; DE102010045858A1; GB2483785B; GB201115948D0

Abstract

Petit engin volant sans pilote comportant un fuselage (1) portant des ailes (2) et des volets pivotants (7) dirigés transversalement à l'axe longitudinal (X) du petit engin volant, ainsi que des hélices (42, 52) entraînées par un ou plusieurs moteurs (40, 50). La zone des volets (7) se trouve dans le flux d'air engendré par les hélices (42, 52) directement derrière au moins une hélice (42, 52).

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapport à un petit engin volant sans pilote comportant : - un fuselage, - des surfaces à activité aérodynamique installées sur le fuselage, - des volets pivotant transversalement à l'axe longitudinal du petit engin volant, - au moins une hélice entraînée par un moteur. De tels petits engins volants sans pilote sont utilisés pour l0 des reconnaissances ou des combats dans une zone proche et ils peuvent partie d'équipements de petits groupes d'intervention ou être transportés sur les véhicules. Etat de la technique Les engins volants miniatures permettant un vol 15 stationnaire ou un vol de croisière suffisamment rapide, sont souvent très sensibles au vent et une forte consommation d'énergie à cause de leur construction, par exemple à cause de leur surface effective. Cela est d'autant plus difficile que leur maniabilité est souvent diminuée lorsqu'il y a du vent, par exemple du fait que les volets ne sont plus 20 attaqués dans des conditions idéales. Les engins volants à ailes tournantes ou les quadrocoptères ou systèmes ayant au moins trois hélices installées dans des positions écartées sur une structure, se caractérisent par une capacité élevée de flotter mais leur capacité de vol de croisière est 25 limitée de même que leur manoeuvrabilité. L'absence de surfaces portantes aérodynamiques n'est pas avantageuse pour un vol de croisière à faible consommation d'énergie. La même caractéristique, à savoir de bonnes propriétés de vol stationnaire et des caractéristiques de vol de croisière limitées, sont celles des systèmes qui se composent 30 pratiquement d'un moteur dirigé vers le bas et sous lequel se trouvent des volets. Un petit engin volant sans pilote est par exemple décrit dans le document DE 10 2007 018 188 Al. Cet engin volant est équipé d'une hélice frontale entraînée par un moteur électrique alimenté par 35 batterie et des volets prévus à l'arrière lui permettent de passer du vol de croisière en vol stationnaire. Ce petit engin volant, connu, peut décoller et atterrir verticalement et effectuer un vol de croisière mais également se tenir au-dessus du sol, c'est-à-dire faire un vol stationnaire. De plus, ce petit engin volant comporte une hélice entraînée par un moteur électrique situé dans le nez du fuselage. Les côtés du fuselage comportent des surfaces portantes aérodynamiques avec derrière celles-ci des volets pivotants. Mais l'utilisation de tels petits engins volants encore appelés "mini drones", a montré que le passage du vol vertical au décollage ou à partir du vol stationnaire pour w passer en vol de croisière ou inversement pour revenir en position verticale pour l'atterrissage, est difficile. En particulier, sous l'effet des vents latéraux, la manoeuvrabilité de ces petits engins volants sans pilote, n'est pas toujours garantie. Même pour certaines manoeuvres de vol importantes telles qu'une descente verticale, on rencontre des 15 conditions difficiles à cause des conditions d'écoulement défavorables. Le document DE 2004 061 977 Al décrit un petit engin volant sans pilote muni de surfaces portantes et de surfaces directrices déployables. Cet engin comporte une hélice arrière entraînée par un moteur électrique alimenté par batterie pour passer du vol de croisière 20 au vol stationnaire par changement du sens de rotation de l'hélice. Mais pour ce petit engin volant sans pilote, la manoeuvrabilité, notamment en phase transitoire entre le vol de croisière et le vol stationnaire, s'est avérée difficile. But de l'invention 25 La présente invention a pour but de développer un petit engin volant sans pilote du type défini ci-dessus, et qui puisse être piloté de manière fiable dans les phases de transition entre le vol stationnaire et le vol de croisière ou entre le vol de croisière et le vol stationnaire, ainsi que pour les manoeuvres dans des conditions 30 d'écoulement fluidique difficiles et le cas échéant sous l'influence d'un vent latéral. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un petit engin volant sans pilote tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'au moins une 35 zone des volets se trouve directement derrière au moins une hélice dans la direction du flux d'air généré par les hélices.

3 Cette réalisation de l'engin volant et la disposition des volets par rapport à l'hélice, fait que les volets sont directement attaqués par le flux de l'hélice de sorte que les volets pivotants sont exposés à un flux suffisant même en cas de vent latéral constant ou par rafale s'exerçant sur le petit engin volant sans pilote. Le petit engin volant sans pilote selon l'invention convient tout particulièrement pour des missions tactiques et permet d'exécuter des phases de vol stationnaire et de vol de croisière ainsi que la transition entre de telles phases de vol même dans des conditions W d'environnement difficiles. La possibilité de ces deux phases de vol, permet de répondre à des conditions de travail difficiles telles que par exemple un vol rapide vers une position de destination définie, suivi de l'observation en vol stationnaire. Avec ce dispositif, la descente verticale se fait sans difficulté. On peut également envisager d'armer cet engin 15 volant. Le moteur est de préférence situé à l'arrière du fuselage de sorte qu'il est habillé de manière aérodynamique par l'enveloppe du fuselage. Le moteur est de préférence un moteur électrique. Les 20 batteries ou accumulateurs nécessaires à l'alimentation du moteur, peuvent être installés dans le fuselage ou au moins dans des surfaces aérodynamiques prévues sur le fuselage. Ce développement du petit engin volant à entraînement électrique, permet une utilisation fiable et sans difficulté même dans des environnements les plus difficiles. 25 Le moteur est de préférence installé coaxialement à l'axe de roulis de l'engin volant réalisant ainsi une configuration du petit engin volant particulièrement avantageuse du point de vue de la mécanique du vol. Selon un développement préférentiel du petit engin volant 30 sans pilote, il est équipé d'une seconde hélice coaxiale à la première et tournant en sens opposé de celle-ci. La seconde hélice peut être entraînée soit à partir du moteur de la première hélice par l'intermédiaire d'une transmission, de préférence une transmission coaxiale ou en variante elle peut être entraînée par un second moteur 35 également installé de préférence de manière coaxiale à l'axe de roulis du petit engin volant. Ces deux réalisations alternatives avec deux hélices

4 tournant en sens opposé, assurent la compensation des couples exercés par les hélices sur le petit engin volant, ce qui stabilise sa position par rapport à l'axe de roulis. De manière préférentielle, les volets pivotants sont installés sur quatre axes cartésiens autour de l'axe longitudinal du petit engin volant. Dans cette variante, les volets sont répartis dans la direction périphérique avec des écarts de 90°. En variante, les volets pivotants peuvent également être montés sur trois axes de volet qui sont disposés en étoile par rapport à l'axe longitudinal de l'engin et son ainsi écartés chaque fois de 120° dans la direction périphérique. D'une manière particulièrement avantageuse, le mécanisme assurant l'actionnement de chaque volet est intégré dans le volet pour que seul le levier pivotant du volet ne dépasse de celui-ci, levier relié à un élément de structure du petit engin volant. Ainsi, le mécanisme nécessaire à l'actionnement du volet, est habillé de manière aérodynamique directement par le volet. De façon préférentielle, le petit engin volant comporte un bâti de décollage et d'atterrissage à l'arrière. Ce bâti d'atterrissage permet de faire décoller le petit engin volant de n'importe quel endroit sans nécessiter des dispositifs de lancement particuliers et de la même manière, il pourra de nouveau atterrir. II est avantageux qu'un palier pivotant de volet soit prévu dans le châssis de décollage et d'atterrissage. Ce palier pivotant peut être prévu sur l'axe de volet associé au volet relié solidairement au châssis de décollage et d'atterrissage. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation préférentiel de l'invention représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue de côté d'un petit engin volant sans pilote selon l'invention, et la figure 2 est un schéma de principe d'un programme de commande de ce petit engin volant sans pilote.35 Description d'un exemple de réalisation préférentiel de l'invention La figure 1 est une vue de côté d'un petit engin volant sans pilote selon l'invention. Ce petit engin volant a un fuselage 1 dont la partie arrière est équipée de manière fixe de quatre surfaces à activité aérodynamique constituant les ailes 2 du petit engin volant. Ces ailes 2 sont réparties suivant une disposition cartésienne autour de l'axe longitudinal X de l'engin volant, de sorte qu'elles sont perpendiculaires les unes aux autres. Le petit engin volant sans pilote de la figure 1, est ainsi réalisé sous la forme d'un engin volant à ailes croisées avec quatre demi-ailes. La structure du fuselage et celle des surfaces portantes, est réalisée en un matériau léger, de préférence en matière plastique expansée. Les extrémités radialement extérieures 20 de chaque aile 2 portent dans leur zone arrière des jambes d'appui 30 d'un châssis de décollage et d'atterrissage 3 ; ces jambes sont dirigées dans la direction de l'axe longitudinal X de l'engin volant en dépassant à l'arrière par rapport aux ailes 2. L'extrémité arrière libre des jambes d'appui 30 du châssis de décollage et d'atterrissage 3, comporte des pieds 32 en forme de boules de préférence en une matière élastique. Les entretoises 34 relient chaque fois deux jambes d'appui voisines 30. Les entretoises de liaison 34 peuvent être des entretoises 34 droites ou en arc de cercle de sorte que globalement, elles forment un anneau entourant les pieds d'appui 30. La zone arrière 10 du fuselage 1 est équipée d'un premier moteur 40 d'une première unité d'entraînement 4. Le moteur 40 est de préférence un moteur électrique alimenté en énergie électrique par des accumulateurs électriques représentés schématiquement dans le dessin et situés dans le fuselage 1 et/ou dans les surfaces portantes 2. Ces accumulateurs portent la référence 6. A. la place des accumulateurs électriques 6 qui peuvent être sous la forme de batteries ou d'accumulateurs proprement dits, on peut également prévoir une ou plusieurs installations d'accumulation électrique sur le côté extérieur du fuselage. Une broche arrière 12 traversant axialement le moteur 40 35 et l'hélice 42, est solidaire du fuselage 1. Derrière la première hélice 42, la broche arrière 12 comporte de préférence une seconde unité d'entraînement 5, notamment un moteur électrique 50 entraînant une seconde hélice 52 également montée à rotation sur la broche arrière 12. Ainsi, les axes de rotation des moteurs 40, 50 et ceux des hélices 42, 52, sont situés sur l'axe longitudinal X du petit engin volant et comme celui-ci est symétrique par rapport à son axe longitudinal X, cet axe est l'axe de roulis dynamique X' du petit engin volant. Ainsi, les moteurs 40, 50 et les hélices 42, 52, sont coaxiaux à l'axe de roulis X' du petit engin volant. Les hélices 42, 52 tournent en sens opposé si bien que les couples induits par les hélices 42, 52 dans le petit engin volant autour de l'axe de roulis X', se compensent. Le flux d'air généré par les hélices 42, 52 est dirigé pratiquement vers l'arrière par rapport à l'engin volant (vers le bas selon l'orientation de la figure 1) générant la poussée appliquée au petit engin volant. A la place des deux moteurs coaxiaux 40, 50 représentés à la figure 1 et qui sont constitués chacun par un moteur électrique entraînant chacun son hélice 42, 52 ; en variante on peut n'avoir qu'un unique moteur entraînant en sens opposé les deux hélices 42, 52 par une transmission. Cette transmission est de préférence une transmission coaxiale installée sur la broche arrière 12 derrière le moteur. Les moteurs peuvent également être des moteurs électriques sans collecteur dont la vitesse de rotation est commandée par une installation de régulation (régulateur de vitesse de rotation), ce qui permet de réguler ou de commander la marche de l'engin volant sans pilote. Il est également possible de remplacer les moteurs électriques par des moteurs à combustion ou des systèmes hybrides formés d'un ou de plusieurs moteurs électriques et d'un ou plusieurs moteurs à combustion. Directement derrière les deux hélices 42, 52, c'est-à-dire derrière la seconde hélice 52, il y a quatre volets pivotants 7 placés dans la zone d'action du flux d'air généré par les hélices 42, 52. Chacune des hélices 7 est montée pivotante sur un axe d'hélice 70 s'étendant entre la broche arrière 12 et l'une des jambes d'appui 30 du châssis de décollage et d'atterrissage 3, en étant dirigée radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe longitudinal X de l'engin volant. Les volets pivotants 7 sont ainsi montés pivotants sur quatre axes de volet 70 selon une disposition cartésienne autour de l'axe longitudinal X du petit engin volant. Un mécanisme d'actionnement 72 est associé à chaque volet 7 pour l'actionner. Ce mécanisme est intégré dans son volet 7 de s sorte que seul le levier pivotant (non représenté) dépasse du volet. Ce levier est relié à un élément de structure du petit engin volant, tel que l'axe de volet 70. L'électronique de guidage nécessaire à la commande de l'engin volant y compris les capteurs de base pour le pilotage et qui se to compose principalement d'une unité de mesure par inertie (IMU), de capteurs d'accélération et de dispositifs de mesure de vitesse de rotation, est logée dans le fuselage 1 et/ou dans les ailes 2. Y sont également prévus des récepteurs de navigation par satellite ainsi que des capteurs de pression, des capteurs à ultrasons, des capteurs de 15 vitesse de rotation, des capteurs de température et/ou des capteurs de mesure de tension de fonctionnement et des installations de transmission de données. Une soute pour une charge utile se trouve dans la partie avant 14 du fuselage 1. Cette charge utile est par exemple constituée 20 par une caméra et/ou une tête chercheuse. Elle peut également recevoir des moyens de combat. Comme le petit engin volant selon l'invention est destiné de préférence à des missions dans un périmètre proche et peut être emporté par les différentes forces d'intervention, il est de préférence 25 modulaire, par exemple réalisé de manière assemblable. Par exemple, la longueur totale du petit engin volant est comprise entre 50 cm et 1,3 m ; le diamètre de la structure du fuselage est compris entre 5 cm et 15 cm et le poids total est de l'ordre de I à 6 kg. Un premier exemple de réalisation préférentiel du petit engin volant selon l'invention, a une 30 longueur de 70 cm, un diamètre de fuselage de 7 cm et un poids total de 1 kg. Un second exemple de réalisation préférentiel du petit engin volant selon l'invention, conçu pour des temps de vol plus longs et/ou pour transporter des charges utiles plus importantes, a une longueur de 1,20 m, un diamètre de fuselage de 12 cm et un poids total de 5 kg. 35 Le petit engin volant selon l'invention peut être lancé soit directement du châssis de décollage 3 et de nouveau atterrir sur celui- R ci ; il peut également être lancé à partir d'un conteneur de décollage 8 représenté schématiquement à la figure 1. Le conteneur de décollage 8 évite les détériorations au cours du stockage ou la préparation d'une mission et évite en toute sécurité, que l'engin volant ne bascule au cours de son lancement, par exemple sous l'effet d'une forte influence du vent. Le petit engin volant selon l'invention fait partie d'un système qui en plus de cet engin volant comporte un poste au sol ou poste de service relié par radio à un émetteur-récepteur équipant le to petit engin volant pour une transmission unidirectionnelle ou bidirectionnelle des données. L'opérateur du système peut transmettre par des éléments de commande appropriés et le poste de service, des ordres au petit engin volant, tels que par exemple des ordres de commande de position du petit engin volant. Le petit engin volant 15 pourra transmettre des informations concernant l'état de vol et/ou son environnement (par exemple des images ou des vidéo prises par les caméras équipant le petit engin volant), vers le poste de service pour y être affichées sur un écran. La figure 2 est un schéma par blocs du flux des données 20 entre l'opérateur et l'engin volant ainsi que de l'interaction de l'engin volant avec son environnement. En mode de régulation de position, le programme faisant partie de l'électronique de guidage, détermine la position évaluée de l'engin volant pour réguler sa position dans le module de navigation 25 112. Un module de régulation de position 110 compare la position évaluée aux données introduites par l'opération 101 dans le poste de service 102. Ces données sont transmises par l'installation de transmission de données 103, 104 à l'électronique de guidage de l'engin volant. 30 L'électronique de guidage peut également être commandée en mode de régulation de position par un module de régulation de position 107. Dans ces conditions, un moyen de régulation d'altitude 108 compare la hauteur évaluée dans le module de navigation 112 ou la hauteur au-dessus du sol à la hauteur 35 commandée pour en déduire des ordres de poussée à destination de l'unité d'entraînement 109. Le module de régulation de position 107

9 compare la position évaluée par le module de navigation à la position commandée pour en déduire des ordres de position et d'altitude. Les positions commandées pour le module de régulation de position, résultent des données de trajectoire prédéfinies par l'opérateur 101 et fournies par le poste de service 102, l'installation de transmission de données 103, 104 et un moyen de planification de trajectoire en ligne 105. Ces données de trajectoire peuvent se composer par exemple d'un unique point si le petit engin volant doit conserver sa position sur place ; ces données peuvent également être prédéfinies par rapport à to une position actuelle, ce qui est caractéristique pour un vol selon des images de caméra ou en cas de bonne visibilité, par les ordres de commande envoyés par l'opérateur vers le petit engin volant sans pilote. Les données de trajectoire peuvent également être prédéfinies telles qu'une trajectoire de vol enregistrée dans une mémoire de données de E5 mission. Un mode principal définit les différents modes de fonctionnement du petit engin volant sans pilote, ainsi que les modules de programme de l'électronique de guidage en fonction des consignes données par l'opérateur et des informations des capteurs et des 20 modules, telles que par exemple la disponibilité du système GPS, la précision de la navigation ou l'état de charge des batteries en cas d'entraînement électrique. Un organisateur de plan de travail 106 détermine la succession des requêtes et la fréquence des appels des différents modules. 25 lo NOMENCLATURE 1 10 12 14 2 20 3 30 32 34 15 4 40 42 20 5 50 52 6 25 7 70 72 3o 8 101-112 fuselage zone arrière broche arrière segment avant

aile extrémité d'aile

châssis de décollage et d'atterrissage jambe d'appui pieds entretoise

unité d'entraînement premier moteur première hélice

seconde unité d'entraînement second moteur seconde hélice

installation d'accumulation électrique/batterie/accumulateur volet axe de volet actionneur de volet conteneur de lancement étape du programme de commande du petit engin volant 102 station de commande 103, 104 installation de transmission de données 105 planification du vol en ligne 35 106 organisateur 107 module de régulation de position 't 108 régulateur d'altitude 109 unité d'entraînement 110 module de régulation de position X axe longitudinal X' axe de roulis

Claims

REVENDICATIONS1 °) Petit engin volant sans pilote comportant : un fuselage (1), des surfaces à activité aérodynamique (2) installées sur le fuselage ( 1) des volets (7) pivotant transversalement à l'axe longitudinal (X) du petit engin volant, au moins une hélice (42, 52) entraînée par un moteur (40, 50), petit engin volant caractérisé en ce qu' au moins une zone des volets (7) se trouve dans la direction du flux d'air généré par les hélices (42, 52) directement derrière au moins une hélice (42, 52). 2°) Petit engin volant sans pilote selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur (40, 50) est de préférence un moteur électrique logé dans le fuselage (1), de préférence dans la zone arrière (10) du fuselage (1). 3°) Petit engin volant sans pilote selon la revendication 1 ou 2, 20 caractérisé en ce que le moteur (40, 50) est installé coaxialement à l'axe de roulis (X') du petit engin volant. 4°) Petit engin volant sans pilote selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce que l'hélice (42, 52) est coaxiale à l'axe de roulis (X') du petit engin volant. 5°) Petit engin volant sans pilote selon la revendication 1, caractérisé par 30 une seconde hélice (52) coaxiale à la première hélice (42) et tournant en sens opposé de celle--ci, * la seconde hélice (52) étant entraînée par une transmission, de préférence une transmission coaxiale à partir d'un moteur commun. 35 6°) Petit engin volant sans pilote selon la revendication 1, caractérisé parune seconde hélice (52) coaxiale à la première hélice (42) et tournant en sens opposé de celle-ci, la seconde hélice (52) étant entraînée par un second moteur (50) de préférence coaxialement à l'axe de roulis (X') du petit engin volant. 7°) Petit engin volant sans pilote selon la revendication 1, caractérisé en ce que les volets pivotants (7) sont montés sur quatre axes de volet (70) installés suivant une disposition cartésienne autour de l'axe 10 longitudinal (X) du petit engin volant. 8°) Petit engin volant sans pilote selon la revendication 1, caractérisé en ce que les volets pivotants (7) sont montés sur trois axes de volet qui sont 15 dirigés en étoile à partir de l'axe longitudinal (X) du petit engin volant, et ces axes sont écartés les uns des autres de 120° dans la direction périphérique. 9°) Petit engin volant sans pilote selon la revendication 1, 20 caractérisé par un actionneur de volet (72) associé à chaque volet (7) et intégré dans le volet (7) de façon que seul le levier de volet pivotant dépasse du volet, ce levier étant relié à un élément de structure du petit engin volant. 25 10°) Petit engin volant sans pilote selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arrière du petit engin volant est équipé d'un châssis de décollage et d'atterrissage (3), et - au moins un palier de chaque volet (7) est de préférence prévu sur le 30 châssis (3), l'axe de volet (70) étant de préférence relié au châssis (3) et comportant au moins un palier de pivotement. 35