FR3045569A1

FR3045569A1 - Drone a faible niveau de vibration

Info

Publication number: FR3045569A1
Application number: FR1502625A
Authority: FR
Inventors: Arthur Gardin; Florent Roque
Original assignee: Arthur Gardin; Florent Roque
Current assignee: EVODRONE, FR
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-23
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: EP3390221A1; WO2017103837A1; US20200262548A1; FR3045569B1

Abstract

Drone comprenant un fuselage et une pluralité de structures de logements (3) pour une pluralité de groupe motopropulseurs (4) la liaison mécanique entre chaque groupe motopropulseur (4) et chaque structure de logement (3) de groupe motopropulseur (4) comprenant : - une rotule (10) disposée dans l'axe de rotation du groupe motopropulseur (4), à l'opposé du rotor (6) ; - un élément de liaison souple (20), reliant le groupe motopropulseur (4) à la structure de logement (3) du groupe motopropulseur (4).

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

[0001] La présente invention concerne un drone multirotors. Elle concerne plus particulièrement un drone comprenant un fuselage et une pluralité de structures de logements pour une pluralité de groupe motopropulseurs.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

[0002] Avec la miniaturisation permanente de l’électronique, un nouveau type de drone a vu le jour depuis une petite décennie dans la catégorie des mini-drones (« MTOW »< 25kg) : les drones multirotors. Ces aéronefs à voilure tournante sont constitués de plusieurs rotors (au moins 3) dont les différentes poussées permettent la sustentation et le contrôle du drone. L’avantage majeur de cette configuration, par rapport aux hélicoptères classiques, réside dans sa simplicité : il suffit de quelques moteurs entraînant directement des rotors, 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 l’aéronef (prise de vue aérienne, cartographie, relevés en tous genres, etc.).

[0004] Ces applications professionnelles nécessitent à la fois une fiabilité exemplaire, et une précision optimale de la captation d’informations. Or les vibrations sont particulièrement néfastes pour la fiabilité et la précision des drones. En effet, les centrales inertielles, qui déterminent la position du drone dans l’espace, sont très sensibles aux vibrations. Celles-ci peuvent causer des dérives et désorienter le drone qui devient alors incontrôlable. Les vibrations peuvent également être responsables d’une désolidarisation en vol du drone, du fait de la perte de vis de fixation ou d’une fatigue structurelle prématurée par exemple. D’autre part, les vibrations transmises aux capteurs embarqués pour la mission (caméras, appareils photo, capteurs infrarouge, etc.), peuvent réduire drastiquement la précision des mesures. On évoquera notamment le phénomène de « rolling shutter » bien connu des photographes, et directement lié aux vibrations d’un appareil photo, qui est responsable d’aberrations géométriques flagrantes.

[0005] La réduction du niveau de vibrations est donc une problématique essentielle pour la conception d’un drone professionnel. La stratégie actuellement mise en œuvre par l’essentiel des constructeurs de drones consiste à isoler uniquement le capteur (caméra ou autre) de la structure du drone via des silentblocs. Bien que fonctionnelle, cette stratégie présente deux inconvénients majeurs : les vibrations sont transmises à la centrale inertielle, perturbant ainsi la lecture des accéléromètres et des gyroscopes qui conditionnent la stabilité du vol et la structure du drone reste soumise aux vibrations, pouvant ainsi entraîner de graves problèmes de fiabilité (perturbation de la centrale inertielle, perte de vis en vol, fatigue structurelle prématurée, etc).

[0006] Certains constructeurs montent également les moteurs sur des silentblocs. Cette technique n’a qu’une efficacité très limitée puisqu’elle nécessite d’utiliser des silentblocs très rigides afin de limiter les phénomènes de couplage dynamiques. En effet, le recours à de simples silentblocs ne permet pas de connaître précisément les modes propres de vibrations du moteur sur son support. Par conséquent, il est indispensable d’avoir un montage suffisamment rigide pour que les fréquences propres du montage soient éloignées des vitesses de rotation du moteur, au risque de causer des résonnances destructrices, ce qui serait l’effet inverse de celui recherché. Dès lors, seules des fréquences très élevées, rarement problématiques sur des drones, peuvent être isolées.

[0007] D’autres constructeurs de drones installent la centrale inertielle sur un matériau isolant. Là encore, l’efficacité de cette solution est très limitée du fait de la masse très faible d’une centrale inertielle, et donc de la difficulté à l’isoler de fréquences relativement faibles (de l’ordre de la vitesse de rotation des moteurs). En théorie, pour obtenir un montage efficace, il faudrait soit alourdir conséquemment la centrale inertielle, inenvisageable dans un drone dont la légèreté est primordiale, soit utiliser des matériaux isolants extrêmement peu rigides. Dans ce dernier cas, la centrale inertielle n’est presque plus solidaire du drone et la simple présence de câbles électriques branchés sur la centrale peut suffire à en modifier l’orientation, donc à fausser les mesures et à désorienter le drone.

[0008] On constate donc que la problématique vibratoire n’est que partiellement résolue dans les multirotors actuels. Une solution palliant ce problème consiste à isoler efficacement les vibrations à la source, soit directement au niveau du groupe motopropulseur. Toutefois, contrairement à l’isolation vibratoire d’un capteur ou d’une centrale inertielle, l’isolation d’un groupe motopropulseur nécessite que certains efforts soient transmis de façon rigide : la traction nécessaire au vol du drone, et le couple nécessaire au contrôle du drone en lacet. Le recours à de simples silentblocs ne permet pas de respecter cette contrainte.

[0009] Pour pallier ces différents inconvénients, l’invention prévoit différents moyens techniques.

EXPOSE DE L'INVENTION

[0010] L’objet de l’invention consiste à prévoir un dispositif permettant d’isoler de façon particulièrement efficace les vibrations provenant d’un groupe motopropulseur de drone multirotor, tout en transmettant les efforts nécessaires au contrôle du drone.

[0011] Pour ce faire, l’invention prévoit un drone comprenant un fuselage et une pluralité de structures de logements pour une pluralité de groupe motopropulseurs, dans lequel la liaison mécanique entre chaque groupe motopropulseur et chaque structure de logement de groupe motopropulseur comprend un joint universel disposé dans l’axe de rotation du groupe motopropulseur, à l’opposé du rotor, et un élément de liaison souple reliant le groupe motopropulseur à la structure de logement du groupe motopropulseur.

[0012] Selon une telle architecture on obtient un excellent découplage entre le groupe motopropulseur et la structure du drone permettant ainsi une réduction des vibrations.

[0013] Selon un mode de réalisation avantageux, l’élément de liaison souple est à distance dudit joint universel.

[0014] Le joint universel est avantageusement anti-couple.

[0015] De manière avantageuse, l’élément de liaison souple est une membrane élastomère fixée d’une part à la portion supérieure du GMP, et d’autre part à la structure de logement.

[0016] Selon une telle architecture, le joint universel présente l’avantage d’être peu coûteux, durable et efficace.

[0017] De manière avantageuse, le joint universel comprend une membrane spirale coopérant d’une part avec la structure de logement et d’autre part avec le GMP et une liaison souple multiaxiale dans laquelle une portion proéminente du GMP est insérée.

[0018] De manière avantageuse, le ratio d’amortissement R = l/L est compris entre 0,01 et 1, préférentiellement entre 0,4 et 1 et plus préférentiellement entre 0,6 et 0,9, où L correspond à la distance entre le joint universel et le plan du rotor, et I correspond à la distance entre ledit joint et le point de fixation de la liaison souple avec le GMP.

[0019] Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les figures 1 à 5B, présentées uniquement à des fins d’exemples non limitatifs, et dans lesquelles : -la figure 1A est une vue schématique illustrant les principaux efforts devant être pris en compte dans une architecture de drone multirotors ; -la figure 1B est une vue en coupe dans le plan vertical du logement de groupe motopropulseur et du groupe motopropulseur, avec une représentation symbolique du système d’amortissement selon l’invention ; -la figure 1C est une vue en perspective d’un exemple de drone pourvu d’une pluralité de structures de logement de groupe motopropulseur agencés à l’extrémité de bras portés par le fuselage du drone ; -la figure 2 est une vue en coupe dans le plan vertical d’un exemple de structure de logement du groupe motopropulseur et d’un exemple de mise en oeuvre d’un système d’amortissement ; -la figure 3 est une vue de dessus de la structure de logement du groupe motopropulseur permettant de voir les positons extrêmes permises par le système d’amortissement selon l’invention ; -les figures 4A et 4B illustrent un exemple de joint ou rotule selon l’invention ; -les figures 5A et 5B illustrent deux exemples de fixation souple selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

DEFINITIONS

[0020] Par « drone » 1 on entend un aéronef télépiloté tels que défini dans l’arrêté du 11 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.

[0021] Par «voilure tournante» on entend tout drone dont la sustentation dans l’air est obtenue au moyen d’au moins un rotor 6, permettant au drone d’effectuer du vol stationnaire. L’invention porte préférentiellement sur les drones multirotors équipés de trois à huit rotors.

[0022] Par « groupe motopropulseur 4 » on entend groupe motopropulseur qui comporte un moteur, un rotor à pas fixe ou à pas variable, et tous les éléments de transmission entre le moteur et le rotor 6 (réducteur, tête de rotor, axe de rotation 5, supports de pales, etc.) [0023] Par «MTOW» on entend «maximum take off weight », c’est-à-dire la masse maximale au décollage d’un aéronef, soit la masse au-delà de laquelle un aéronef ne peut décoller sans nuire potentiellement à la sécurité du vol.

[0024] Par « Rolling Shutter » on entend technique d’acquisition d’images sur un capteur numérique, qui consiste à enregistrer ligne par ligne l’image reçue par le capteur. Cette technique est à l’origine d’aberrations géométriques, ou distorsions d’images, lors de l’acquisition d’objets en mouvement ou lorsque le capteur est soumis à des vibrations.

[0025] La figure 1A illustre les efforts clés en jeu dans un agencement de rotor. Ce dernier doit pouvoir transmettre l’effort de traction. Le couple transmis par le moteur doit être supporté par les moyens de fixation. L’ensemble de fixation, en plus d’être adaptés à ces dernières contraintes, doit pouvoir amortir au mieux les vibrations. Ces diverses exigences techniques étant souvent contradictoires, il est relativement complexe de parvenir à un juste équilibre entre ces diverses contraintes, expliquant ainsi le fait que les drones connus à ce jour ne comportent toujours pas de solution optimale.

[0026] La figure 1C illustre un exemple de drone 1 multirotor comportant une pluralité de structures de logement 3 telles que celle illustrée dans l’exemple de la figure 1B.

[0027] L’objectif recherché par une isolation vibratoire est de modifier la raideur de la liaison entre l’élément excitant et son support dans la direction d’excitation, de façon à ce que la fréquence de coupure de cette liaison soit nettement inférieure à la fréquence d’excitation.

[0028] L’élément excitant est le groupe motopropulseur 4, et plus précisément le rotor 6 d’où provient l’essentiel des vibrations (déséquilibrage, défaut géométrique, etc.). La direction de l’excitation est le plan matérialisé par le disque rotor 6. Le support de l’élément excitant est la structure du drone. La liaison entre l’élément excitant et son support est la fixation du groupe motopropulseur 4 dans la structure de logement 3 du groupe motopropulseur.

[0029] L’objectif est donc de modifier la raideur du maintien du groupe motopropulseur 4 dans le plan du rotor 6, tout en transmettant le couple et la traction fournis par le groupe motopropulseur tel que montré dans le schéma de la figure 1A. Pour cela, l’invention propose un montage, tel que représenté schématiquement à la figure 2, composé d’une liaison de type joint universel 10 ou rotule à doigt, disposée à une distance raisonnable du rotor 6, et reliant le groupe motopropulseur 4 à la structure du drone 1, ainsi que d’éléments de liaison souples 20, disposés entre le joint universel 10 et le rotor 6, reliant également le groupe motopropulseur 4 à la structure de logement 3 et dont les caractéristiques mécaniques (raideur et amortissement) sont adaptés aux fréquences à isoler.

[0030] Comme le montrent la figure 1B et la figure 2, cette architecture permet bien de transmettre les efforts de traction et de couple du groupe motopropulseur à la structure via le joint universel, tout en isolant les mouvements du groupe motopropulseur 4 dans le plan du rotor 6 grâce aux éléments de liaison souples 20.

[0031] La figure 3 illustre l’effet bénéfique de cette configuration, à l’aide d’une vue de dessus d’un groupe motopropulseur 4 agencé dans une structure de logement 3. Les lignes en trait plein représentent la position initiale du roulement à bille 7 de l’axe du rotor. Les lignes en trait pointillé représentent le groupe motopropulseur 4 en position de débattement maximal.

LONGUEUR CARACTERISTIQUE L

[0032] Tel que montré à la figure 1B, la longueur caractéristique est définie comme la distance L entre le joint universel 10 et le plan du rotor. Pour maximiser l’efficacité de l’invention, cette longueur caractéristique doit être mise en relation avec le diamètre D du rotor 6, et on choisit préférentiellement une longueur caractéristique dans les plages suivantes : une plage de longueur caractéristique étendue pour laquelle la distance L est supérieure ou égale à 0,5. D et inférieure ou égale à 2.D. Une première plage de longueur caractéristique préférentielle pour laquelle la distance L est supérieure ou égale à 0,2.D et inférieure ou égale à 1,5.D. Enfin, une seconde plage de longueur caractéristique préférentielle pour laquelle la distance L est supérieure ou égale à 0,5.D et inférieure ou égale à 1.D.

RATIO D’AMORTISSEMENT

[0033] Le ratio d’amortissement est défini par R=L/I où L est la distance entre le joint universel 10 et le plan du rotor 6 et I est la distance entre le joint 10 et le point de fixation des éléments de liaison souples 20 sur le groupe motopropulseur 4. Pour une efficacité maximale de l’invention, on choisit R dans les plages suivantes : une plage de ratio d’amortissement étendue dans laquelle le ratio R est supérieur ou égal à 0,01 et inférieur ou égal à 1. Une première plage de ratio d’amortissement préférentielle dans laquelle le ratio R est supérieur ou égal à 0,4 et inférieur ou égal à 1. Enfin, une seconde plage de ratio d’amortissement préférentielle dans laquelle le ratio R est supérieur ou égal à 0,6 et inférieur ou égal à 0,9.

[0034] Dans le cadre de la présente invention, la réalisation concrète d’une liaison à joint universel 10 est complexifiée par l’espace restreint et les contraintes de masse qu’impose un drone multirotors. A cela s’ajoute la nécessité de transmettre l’effort de traction fourni par le groupe motopropulseur 4 à la structure. Or les solutions classiques de type accouplement à lame, joints de Cardan ou joint de Rzeppa, ne reprennent pas, ou mal, la traction.

[0035] La solution préférentielle, illustrée aux figures 4A et 4B, le GMP comporte une portion proéminente 11 qui s’insère dans un trou homothétique du joint, et de dimensions supérieures, par l’entreprise d’une liaison souple multiaxiale 13 mise en œuvre par exemple par une pièce élastomère qui coopère avec la structure du drone autour du trou. Par ailleurs, une membrane spirale 12 est fixée en son centre sur le groupe motopropulseur 4, par exemple à l’aide des éléments de fixation 14, et à ses extrémités sur la structure du drone 1. Celle-ci transmet de façon rigide le couple du groupe motopropulseur 4 à la structure du drone tandis que la liaison souple multiaxiale 13 transmet de façon quasiment rigide la traction du groupe motopropulseur 4, tout en le laissant « rotuler » autour du joint, grâce aux déformations locales de la pièce élastomère.

ELEMENTS DE LIAISON SOUPLES

[0036] Les figures 5A et 5B présentent deux exemples de réalisation d’un élément de liaison souple 20. La figure 5A montre un exemple d’interface entre la zone supérieure d’un GMP à axe creux avec moteur « brushless » à cage tournante avec la structure de logement 3. La figure illustre le rotor 5 et le stator 8, ce dernier servant de point d’attache pour une fixation intérieure 21 d’une membrane souple 20, coopérant d’autre part à la structure de logement 3 au moyen d’une fixation extérieure 22. La figure 5B montre un exemple similaire à celui de la figure 5A, pour un GM P à axe plein. La figure illustre le rotor 5 et le stator 8, ce dernier servant de point d’attache pour une fixation intérieure 21 d’une membrane souple 20, coopérant d’autre part à la structure de logement 3 au moyen d’une fixation extérieure 22.

[0037] La difficulté principale dans le choix des éléments de liaison souples 20 réside dans le fait qu’un rotor 6 doit accélérer pour atteindre un régime nominal. Durant cette phase d’accélération, la fréquence propre du dispositif sera atteinte puis dépassée. Lors du passage de cette fréquence propre, il est nécessaire d’avoir un coefficient d’amortissement suffisant pour éviter un phénomène de résonnance divergent et potentiellement destructeur. Toutefois, cet amortissement ne doit pas être trop élevé pour éviter d’annuler l’effet isolant de la liaison au-delà de cette fréquence propre.

[0038] Dans les exemples présentés ici, les éléments de liaison souples 20 sont préférentiellement réalisés à l’aide de matériaux élastomères (caoutchoucs, silicones, latex, etc.).

[0039] 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 drone pourvu de quatre bras 2 et quatre rotors 6.

[0040] 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 un nombre différents de bras et de rotors, de préférence entre quatre et huit. 1 Drone 2 Bras

3 Structure de logement du GMP 4 Groupe motopropulseur (GMP) 5 Axe du rotor 6 Rotor 7 Roulement à bille de l’axe du rotor 8 Stator du moteur 10 Joint universel 11 Portion proéminente du groupe motopropulseur 12 Membrane spirale 13 Liaison souple multiaxiale 14 Fixation du groupe motopropulseur et de la membrane 20 Éléments de liaison souples 21 Fixation intérieure de l’élément de liaison souple 22 Fixation extérieure de l’élément de liaison souple

Claims

REVENDICATIONS

1. Drone (1) comprenant un fuselage et une pluralité de structures de logements (3) pour une pluralité de groupe motopropulseurs (4), caractérisé en ce que la liaison mécanique entre chaque groupe motopropulseur (4) et chaque structure de logement (3) de groupe motopropulseur (4) comprend : un joint universel (10) disposée dans l’axe (5) de rotation du groupe motopropulseur (4), à l’opposé du rotor (6) ; un élément de liaison souple (20), reliant le groupe motopropulseur (4) à la structure de logement (3) du groupe motopropulseur (4).
2. Drone (1) selon la revendication 1, dans lequel l’élément de liaison souple (20) est à distance (I) du joint universel (10).
3. Drone (1) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le joint universel est anti-couple.
4. Drone (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’élément de liaison souple est une membrane élastomère fixée d’une part à la portion supérieure du GMP, et d’autre part à la structure de logement (3).
5. Drone selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le joint universel comprend une membrane spirale (12) coopérant d’une part avec la structure de logement (3) et d’autre part avec le GMP et une liaison souple multiaxiale (13) dans laquelle une portion proéminente (11) du GMP est insérée.
6. Drone (1) selon l’une des revendications précédentes, comportant un ratio d’amortissement R = l/L entre 0,01 et 1, préférentiellement entre 0,4 et 1 et plus préférentiellement entre 0,6 et 0,9, où L correspond à la distance entre le joint universel et le plan du rotor, et I correspond à la distance entre ledit joint et le point de fixation de la liaison souple avec le GMP.