FR3033542A1 - Drone a voilure tournante equipe de bras amovibles - Google Patents

Abstract

Un aéronef comportant, un circuit d'alimentation électrique (22) délivrant plusieurs phases électriques (A, B, C) et logé dans une plateforme (12), et un moteur électrique (18) connectés auxdites phases (A, B, C) et attaché à la plateforme (12) au moyen d'un bras (14). La plateforme (12) comporte pour chacune des phases électriques (A, B, C), des conducteurs secondaires (30, 32, 34) se répartissant la phase, et des bornes de sortie (36) connectées aux conducteurs secondaires (30, 32, 34). Le bras (14) comporte des bornes d'entrée (38) coopérant de manière amovible par enfichage avec les bornes de sortie (36) de la plateforme (12), et des conducteurs secondaires (40, 42, 44) connectés respectivement aux bornes d'entrée (38) et à des conducteurs principaux (48) connectés au moteur (18), chaque conducteur principal (14) véhiculant la totalité d'une phase.

Description

1 DRONE A VOILURE TOURNANTE EQUIPE DE BRAS AMOVIBLES DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne les drones à voilures tournantes, de manière plus générale, les aéronefs télé-pilotés dits multi-rotors, qui sont capables d'effectuer des décollages et atterrissages verticaux. Plus particulièrement l'invention a trait à un aéronef multi-rotors comportant une plateforme centrale et des rotors motorisés chacun relié à la plateforme au moyen d'un bras. ETAT DE LA TECHNIQUE Les aéronefs télé-pilotés sont utilisés dans le milieu civil et militaire pour de l'observation aérienne, de la surveillance et de l'inspection. Ces aéronefs peuvent être parfois assez encombrants en terme d'envergure et souvent non démontable. Or, souvent l'utilisateur a besoin de pouvoir déplacer l'aéronef sur des zones difficilement accessibles et la démontabilité de l'aéronef est primordiale. La transportabilité de l'aéronef est donc un élément important dans son utilisation. Il existe des aéronefs multi-rotors dont les bras sont démontables. Toutefois, le déploiement sur zone de ces aéronefs nécessite plusieurs minutes d'assemblage, voire même nécessite des outils pour leur assemblage. Cela représente un inconvénient important pour les utilisateurs utilisant des gants de protection pour cette mise en oeuvre. Il existe des solutions développées par des fabricants d'aéronefs télé-pilotés permettant un déploiement rapide des aéronefs, mais ces solutions nécessitent des outillages spécifiques pour les phases d'assemblage des bras motorisés.

D'une manière générale, pouvoir monter et démonter un bras motorisé d'aéronef suppose l'emploi d'une connectique spécifique. En effet, cette connectique assure à la fois le raccordement électrique du moteur du bras à des circuits d'alimentation et/ou de contrôle logés dans la plateforme et la solidarisation mécanique du bras avec la plateforme. Or, les caractéristiques électriques de la connectique influent sur ses caractéristiques mécaniques et vice versa. Par exemple dans le cadre d'un aéronef de forte puissance, les moteurs fonctionnent en triphasé avec un ampérage par phase supérieur à 10 ampères, notamment égale à 15 ampères. Une connectique pourrait ainsi comprendre trois conducteurs filaires pour véhiculer les trois phases, noyés dans un matériau diélectrique pour leur isolation 3033542 2 électrique. Toutefois, les conducteurs et le matériau diélectrique formant des capacités parasites, et à la vue de l'ampérage important des phases, une quantité importante de matériau diélectrique doit être prévue pour limiter les courants de fuite et le claquage du diélectrique. La portion de la connectique dédiée au raccordement électrique présenterait 5 donc un volume important. Ceci suppose en contrepartie de prévoir dans la connectique des pièces mécaniques de dimensions également importantes pour la fixation du bras sur la plateforme. Toutefois, la force nécessaire pour actionner des pièces mécaniques dépend généralement de leur taille. Ainsi, une connectique conçue pour être électriquement robuste implique une partie mécanique nécessitant l'application d'une force élevée. Une 10 telle connectique est donc actionnable difficilement par des personnes de faible force et son utilisation est difficile, voire impossible, à l'aide de gants. EXPOSE DE L'INVENTION 15 L'invention a pour but de proposer un aéronef dont le ou chaque bras motorisé est amovible et est fixé à la plateforme de l'aéronef à l'aide d'une connectique dont la partie électrique est de taille réduite. A cet effet, l'invention a pour objet un aéronef comportant au moins un ensemble moteur 20 constitué d'un circuit d'alimentation électrique apte à délivrer au moins deux phases électriques et d'un moteur électrique connectés électriquement auxdites phases électriques pour son alimentation électrique, l'aéronef comportant : une plateforme logeant le circuit d'alimentation électrique ; et un bras relié à la plateforme par une première de ses extrémités et comportant un 25 conducteur électrique, dit « principal », connecté électriquement à chacune des phases électrique, le moteur électrique étant attaché à la seconde extrémité du bras et connecté électriquement à chacun desdits conducteurs électriques principaux du bras. Selon l'invention : 30 la plateforme comporte : o pour chacune des phases électriques, des conducteurs électriques, dits « secondaires », connectés à ladite phase électrique de manière à se répartir le courant électrique délivrée par celle-ci ; et o des bornes électriques de sortie connectées respectivement aux conducteurs 35 électriques secondaires de la plateforme ; 3033542 3 - le bras comporte : o à sa première extrémité, des premières bornes électriques d'entrée coopérant de manière amovible par enfichage avec les bornes électriques de sortie de la plateforme ; 5 o et des premiers conducteurs électriques, dits « secondaires », connectés respectivement aux bornes électriques d'entrée du bras et aux conducteurs électriques principaux du bras de manière à ce que chaque conducteur principal véhicule la totalité de l'ampérage d'une même phase électrique distribuées entre les premiers conducteurs électriques secondaires du bras.

10 En d'autres termes, en distribuant le courant d'une phase électrique dans plusieurs conducteurs, on observe moins de courant de fuite et de problème de claquage. Il est ainsi possible de réduire le volume de diélectrique par rapport à une connectique qui ne comprend qu'un seul conducteur par phase. Le nombre de conducteurs étant multiplié, le 15 nombre d'enfichages, par exemple de type mâle/femelle, est également multiplié. La connectique est donc plus robuste mécaniquement dans la direction perpendiculaire à la direction de l'enfichage, par exemple plus robuste à la flexion du bras. Le volume de diélectrique étant réduit et une partie de la robustesse mécanique étant apportée par des enfichages plus nombreux, les pièces mécaniques de la connectique dédiée à la fixation 20 de la connectique sur la plateforme peuvent donc être choisies de taille moindre, et nécessitent donc moins de force pour être actionnées. De plus la multiplicité des conducteurs par phase permet d'obtenir une redondance électrique, et par conséquent une plus grande sécurité de fonctionnement.

25 Selon un mode de réalisation, le bras comporte : - une pièce de connexion comportant : o les premières bornes électriques d'entrée du bras ; o des seconds conducteurs électriques, dits « secondaires » connectés respectivement aux premières bornes électriques d'entrée du bras ; et 30 o des bornes électriques de sorties respectivement connectées auxdits seconds conducteurs électriques secondaires du connecteur ; - et des secondes bornes électriques d'entrée coopérant, notamment de manière amovible, avec les bornes électriques de sortie du connecteur et respectivement connectées électriquement aux premiers conducteurs électriques secondaires du bras.

35 Selon un mode de réalisation, le bras comprend à sa première extrémité un système à verrouillage quart de tour apte à se verrouiller mécaniquement sur la plateforme.

3033542 4 Selon un mode de réalisation, l'aéronef comprend deux ensembles moteurs, les moteurs desdits ensembles étant reliés à la seconde extrémité du bras. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 5 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels : 10 la figure 1 est une vue en perspective d'un drone muti-rotors de l'état de la technique ; la figure 2 est une vue schématique de dessus du drone de la figure 1 ; la figure 3 est un schéma de connexion électrique entre un circuit d'alimentation logé dans la plateforme d'un drone et un moteur logé dans un bras amovible du drone ; 15 la figure 4 est une vue de face d'une prise logée dans le bras ; et la figure 5 est une vue schématique d'un prise logée dans la plateforme et coopérant avec la prise de la figure 4. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 20 En se référant au figures 1 et 2, un aéronef 10 sans pilote multi-rotors, pouvant décoller et atterrir verticalement, comporte une plateforme centrale 12 à laquelle sont fixés quatre bras 14, chacun terminé par un groupe propulsif 16. Chaque groupe propulsif 16 comporte par exemple deux rotors 18H, 18B identiques, superposés et entrainés chacun 25 en rotation par un moteur électrique dédié 20H, 20B. Chaque moteur électrique 20H, 20B est par ailleurs raccordé électriquement à la plateforme 12 au moyen de conducteurs électriques logés dans le bras 14, par exemple des câbles électriques, et particulièrement à un circuit d'alimentation électrique 22H, 22B logé dans la plateforme et délivrant au moteur des courants d'intensité variable en fonction de commandes reçues d'un 30 utilisateur pilotant à distance l'aéronef 10. Ce type d'aéronef est bien connu de l'état de la technique et les éléments ci-dessus ne seront donc pas décrits plus en détail. Par exemple, l'aéronef illustré aux figures 1 et 2 est un drone commercialisé par la demanderesse sous la référence Q800XE et ayant subi une modification décrite ci-après pour rendre les bras 14 amovibles, c'est-à-dire un drone modifié pour permettre le montage et le démontage 35 les bras 14. Notamment, les moteurs 18H, 18B fonctionnent en courant triphasé, chaque moteur étant alimentés par trois câbles électriques qui parcourent l'intérieur du bras 14 et raccordent le moteur à un circuit d'alimentation correspondant de la plateforme 12.

3033542 5 La figure 3 illustre schématiquement un circuit électrique selon l'invention pour la connexion électrique de chaque moteur électrique 18H et 18B fixé à l'extrémité d'un bras 14 avec son circuit d'alimentation électrique 22H, 22B logés dans la plateforme 12.

5 Le circuit électrique comporte, pour chacune des phases électriques «A », «B », « C » délivrées par le circuit d'alimentation électrique 22H, 22B, et logés dans la plateforme 12: - un conducteur électrique principal 26, par exemple un câble électrique comportant un coeur conducteur enrobé d'une gaine électriquement isolante, connecté à une borne 10 de sortie du circuit d'alimentation pour recevoir la totalité de l'ampérage de la phase électrique ; - un répartiteur électrique 28 auquel est raccordé le conducteur électrique principal 26; - trois conducteurs électriques secondaires 30, 32, 34, par exemple identiques et 15 chacun de diamètre de conducteur électrique inférieur au diamètre de conducteur électrique du câble principal 26. Les conducteurs secondaires véhiculent ainsi chacun 1/3 du courant de la phase électrique. Plus particulièrement, seule l'amplitude du courant est partagée entre les conducteurs secondaires, les relations d'angle de phase étant donc préservées. Les conducteurs secondaires prennent par exemple la forme 20 de câble électrique avec un coeur conducteur enrobé d'une gaine isolante électriquement. Le circuit électrique comporte par ailleurs : - dans la plateforme 12, une prise femelle 36 comprenant au moins 9 pôles connectés 25 électriquement respectivement aux 9 câbles secondaires 30, 32, 39. La prise femelle 36 est accessible en surface de la plateforme 12 à l'endroit où le bras 14 des moteurs électriques 18H, 18B doit être fixé ; et - dans le bras 14, une prise mâle 38 fixée à l'extrémité non motorisée du bras 14 et apte à s'enficher dans la prise femelle 36. La prise mâle 38 comporte notamment au 30 moins 9 pôle pouvant donc recevoir respectivement les courants des 9 pôles de la prise femelle 36 véhiculant les phases électriques A, B, C lorsque les prises mâle et femelle coopèrent. Le circuit électrique comporte en outre, pour chacune des phases électriques A, B, C, et 35 logés dans le bras 14 : 3033542 6 trois conducteurs électriques secondaires 40, 42, 44 respectivement raccordés aux pôles de la prise mâles 38 coopérant avec les pôles de la prise femelle 36 véhiculant les courants issus de la phase électrique. Les conducteurs secondaires 40, 42, 44 sont par exemple identiques et de diamètre égaux, notamment de diamètre identique au 5 diamètre des conducteurs secondaires 30, 32, 34 de la plateforme 12. Les conducteurs secondaires 40, 42, 44 du bras 14 véhiculent ainsi chacun 1/3 de l'ampérage de la phase électrique ; un répartiteur électrique 46 auquel sont raccordés les conducteurs électriques secondaires 40, 42, 44 du bras 14; 10 - un conducteur électrique principal 48, par exemple un câble électrique comportant un coeur conducteur enrobé d'une gaine électriquement isolante, raccordé au répartiteur 46 pour sommer les courants dans les conducteurs secondaires et véhiculant donc la totalité de l'ampérage de la phase électrique 40, 42, 44. Le conducteur principal 48 est également raccordé à une borne d'alimentation électrique du moteur électrique 15 18H, 18B pour délivrer la phase électrique à ce dernier. Les trois conducteurs secondaires 40, 42, 44 du bras 14 sont avantageusement constitués respectivement de trois fils conducteurs, de diamètre inférieur à coeurs du conducteur principal 48, noyés dans un matériau diélectrique 50, notamment un élément de la famille 20 des polyaryléthercétones (ou « PAEK »), avantageusement du polyétheréthercétone (ou « PEEK »), qui présente une haute stabilité en température, et une résistance mécanique élevée. Avantageusement, la prise mâle 38, les conducteurs secondaires 40, 42, 44, le matériau 25 isolant, et optionnellement les répartiteurs 46, sont intégrés dans une même pièce, de type connecteur. Cette pièce peut ainsi être fixée à l'extrémité de bras de l'état de la technique, évitant ainsi d'avoir à développer totalement un nouveau bras. La figure 4 est une vue de face à l'échelle de la prise mâle 38 du bras 14 selon un mode 30 de réalisation privilégié. Cette prise comprend 25 broches cylindriques 52 disposées en deux cercles concentriques, dont 18 servent pour la connexion des phases électriques tel qu'illustré. La figure 5 est une vue de face à l'échelle de la prise femelle 36 de la plateforme 12 correspondant à la prise femelle de la figure 4 et comprenant ainsi des fentes cylindriques 54 dans les broches 52 peuvent coulisser.

35 3033542 7 Il est constaté qu'un diamètre 13 millimètres de matériau diélectrique PEEK 50 et des broches 52 de diamètre égal à 0,9 millimètres permettent de véhiculer un ampérage total des phases de deux moteurs électriques (soit un ampérage total de 90 ampères, avec 15 ampères par phase, et donc 5 ampères par broches/conducteurs secondaires) sans 5 problème notable de courant de fuite ou de claquage du diélectrique 50. Des tests ont été menés pour connaître le volume diélectrique PEEK nécessaire pour obtenir un comportement électrique équivalent lorsqu'un seul conducteur électrique par phase est utilisé. Les conducteurs électriques doivent être séparés par au moins 20 millimètre de diélectrique pour éviter les courants de fuite et le claquage du diélectrique.

10 Par ailleurs, le diamètre de la prise 38 est légèrement inférieur au diamètre d'un bras du drone de référence Q800XE de la Demanderesse, ce qui permet d'insérer la prise, ou le connecteur si la prise fait partie d'un connecteur, à l'extrémité du bras. En outre, il reste suffisamment de surface sur la prise pour prévoir des broches supplémentaires, non 15 utilisée pour la connexion électrique des moteurs, mais utile pour renforcer la tenue mécanique des prises mâles et femelles une fois enfichée. Ces broches supplémentaires peuvent également servir pour véhiculer des signaux ou des courants d'alimentation supplémentaires à destination de modules autres que les moteurs, par exemple des leds, des composants électroniques, etc. De plus, l'agencement des broches en cercles 20 concentriques permet une résistance uniforme à la flexion quand le bras est monté sur la plateforme. De manière avantageuse, la prise 38 du bras 14 est un connecteur du type « quart de tour » (connu également sous le nom anglais « twist-lock connector ») et comprend par 25 exemple un dispositif tel que décrit dans la demande de brevet international WO 2009/11679 déposé au nom de la société LEMO ou bien la prise est un connecteur de la série « M » commercialisé par la société LEMOO par exemple comprise dans le catalogue « M Series connectors ratchet coupling », version septembre 2013, téléchargeable à l'adresse www.industry.su/upload/Mseries.pdf ou à l'adresse 30 http://www.lemo.com/fr/rugged-connector/connecteur-m. Par exemple pour l'application au drone Q800X, un connecteur de référence de référence « TM » de la série M, telle que décrit à la fiche FGN.TM.325.XLCM est utilisé. Ce connecteur nécessite un couple de serrage de 26 N.cm et un couple de desserrage de 25 N.cm. Il peut notamment être utilisé simplement, notamment avec des gants, et ne requiert pas une force importante. En outre, 35 un connecteur de type quart de tour reprend les efforts mécaniques des moteurs lors du vol de l'aéronef Le connecteur comprend une prise femelle sur une face opposée à la prise 38 et les broches de cette seconde prise sont raccordées aux répartiteurs 48, par exemple par des conducteurs électriques (e.g. des câbles), ou les répartiteurs prennent 3033542 8 ensemble la forme d'un connecteur ayant une prise mâle coopérant avec la prise femelle du connecteur de type M. La prise 36 de la plateforme 12 est quant à elle un connecteur de type « socket » de la 5 société LEMO correspondant au connecteur M choisi, par exemple au connecteur TM décrite à la fiche EDN.TM.325.XLM contenue dans le catalogue «M Series connectors ratchet coupling » détaillé ci-dessus. Il a été décrit des modes de réalisation particuliers de l'invention. En variante, l'aéronef 10 comprend les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison. En variante, une prise mâle est montée sur la plateforme et une prise femelle est montée sur le bras. En variante, un autre type de fixation du bras à la plateforme qu'une connexion du type quart de tour est utilisée. En variante, le nombre de conducteurs 15 secondaires par phase est égal à 2 ou supérieur à 3. En variante, les conducteurs secondaires sont de sections différentes et transportent donc des ampérages différents. En variante, le nombre de conducteurs secondaires est différent d'une phase à l'autre. En variante, un neutre est également prévu pour chaque moteur. En variante, un connecteur de plus petite taille peut être utilisé pour des moteurs moins puissants, permettant de 20 passer par phase moins de courant (5 ampères), par exemple dans la cadre d'aéronefs de plus petites tailles. En variante, on peut utiliser des moteurs à courants continus pour alimenter d'autres systèmes de l'aéronef, typiquement la tourelle de capteur De par la fixation simple et rapide, l'invention permet ainsi de changer les configurations 25 des moteurs à tout moment et de démonter l'aéronef pour son transport. Lors de la mise en oeuvre de l'aéronef, l'utilisateur vient ainsi emboiter la prise d'un bras sur la prise correspondante de la plateforme. L'invention permet à travers les connecteurs utilisés de s'assurer de l'accouplement des prises, qui comprennent de manière 30 avantageuses des détrompeurs. Cette solution permet au bras motorisé de conserver une position fixe par rapport à la plateforme, et ne peut en aucun être fixé dans une autre position. Ces détrompeurs permettent de bien aligner les pins de connexion électriques entre le bras motorisé et la plateforme.

35 Une fois les prises enfichées, l'utilisateur n'a plus qu'à visser la partie mobile du connecteur quart de tour afin de finir de fixer et de verrouiller mécaniquement le bras sur la plateforme. Cette opération est répétable en fonction du nombre de bras motorisés qui sont utilisés sur la plateforme.

3033542 9 La présente invention apporte plusieurs avantages, notamment : une fixation rapide et simple des bras motorisés puisque l'utilisateur peut verrouiller les bras motorisés par un principe de fixation « quart de tour ». L'utilisateur peut déployer l'aéronef sur le terrain en très peu de temps. La mise en place des bras 5 motorisés est ainsi réalisée dans une démarche logique et simple, de manière « machinale » ; une montabilité/démontabilité simple et rapide puisque la prise en main des connections électriques et mécaniques ne nécessite pas d'outillages, et l'utilisateur peut manipuler les connectiques avec des gants en toute sécurité. 10 le rangement des bras motorisés et de la plateforme dans une valise ou un sac de volume réduit ; une modularité de l'aéronef : la plateforme peut accueillir plusieurs configurations de moteurs avec une même connectique. La présente invention permet à l'utilisateur de pouvoir obtenir une plateforme unique pour une configuration de bras motorisés 15 multiples. Cette connectique unique permet de connecteur des bras motorisés de puissances propulsives différentes, permettant à l'utilisateur de moduler sa capacité d'emport de charge utile. Cette invention permet de réduire les coûts d'investissement en termes de plateformes, et seulement les configurations de puissance souhaitées sont utilisées. Le nombre de plateformes diminue, et ainsi que 20 la maintenance de ces machines. Cela représente un atout capital pour l'utilisateur, qui n'a plus besoin de démultiplier ses aéronefs en fonction de ses besoins en charge utile ; les connecteurs assurent une étanchéité au niveau des moteurs. Les connecteurs quart de tour permettent un verrouillage mécanique qui protège les broches électriques de 25 la poussière, de l'humidité ainsi que de l'eau. Les connecteurs choisis dans cette invention sont choisis pour garantir un indice de protection IP67 (standard international de la Commission électrotechnique internationale relatif à l'étanchéité, décrit par la norme CET 60529), c'est-à-dire étanche à l'eau et à la poussière sous certaines conditions, ce que permettent par exemple les connecteurs M de la société 30 LEMOO décrits ci-dessus.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1. Aéronef comportant au moins un ensemble moteur (18, 22) constitué d'un circuit d'alimentation électrique (22) apte à délivrer au moins deux phases électriques (A, B,C) et d'un moteur électrique (18) connectés électriquement auxdites phases électriques (A, B, C) pour son alimentation électrique, l'aéronef comportant : - une plateforme (12) logeant le circuit d'alimentation électrique (22); - un bras (14) relié à la plateforme (12) par une première de ses extrémités et comportant un conducteur électrique (48), dit « principal », connecté électriquement à chacune des phases électrique (A, B, C), le moteur électrique (18) étant attaché à la seconde extrémité du bras (14) et connecté électriquement à chacun desdits conducteurs électriques principaux (48) du bras (14), caractérisé: - en ce que la plateforme (12) comporte : o pour chacune des phases électriques (A, B, C), des conducteurs électriques (30, 32, 34), dits « secondaires », connectés à ladite phase électrique (A, B, C) de manière à se répartir le courant électrique délivrée par celle-ci ; et o des bornes électriques de sortie (36) connectées respectivement aux conducteurs électriques secondaires (30, 32, 34) de la plateforme (12) ; - en que le bras (14) comporte : o à sa première extrémité, des premières bornes électriques d'entrée (38) coopérant de manière amovible par enfichage avec les bornes électriques de sortie (36) de la plateforme (12) ; o et des conducteurs électriques (40, 42, 44), dits « secondaires », connectés respectivement aux bornes électriques d'entrée (38) du bras (14) et aux conducteurs électriques principaux (48) du bras (14) de manière à ce que chaque conducteur principal (14) véhicule la totalité de l'ampérage d'une même phase électrique (A, B, C) distribuées entre les conducteurs électriques secondaires (40, 42, 44) du bras (14).
2. 2. Aéronef selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bras (14) comporte : - une pièce de connexion (38, 40, 42, 44, 50) comportant : o les premières bornes électriques (38) d'entrée du bras ; o des seconds conducteurs électriques (40, 42, 44), dits « secondaires » connectés respectivement aux premières bornes électriques d'entrée du bras (38); et o des bornes électriques de sorties respectivement connectées auxdits seconds conducteurs électriques secondaires du connecteur ; 3033542 11 - et des secondes bornes électriques d'entrée coopérant, notamment de manière amovible, avec les bornes électriques de sortie du connecteur et respectivement connectées électriquement aux conducteurs électriques secondaires du bras. 5
3. 3. Aéronef selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bras comprend à sa première extrémité un système à verrouillage quart de tour apte à se verrouiller mécaniquement sur la plateforme.
4. 4. Aéronef selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en 10 qu'il comprend deux ensembles moteurs, les moteurs desdits ensembles étant reliés à la seconde extrémité du bras.