FR3051440A1 - Drone endurant a decollage et atterrissage verticaux optimise pour des missions en environnement complexe - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif autonome formant un aéronef à décollage et atterrissage verticaux, capable de vol d'avancement et de vol stationnaire comprenant : - un fuselage (2), deux ailes (3, 4), des moyens de surveillance d'un environnement, une unité de propulsion (7) montée à l'extrémité arrière du fuselage, une unité de sustentation (6) montée à l'avant du fuselage, l'unité de propulsion et/ou l'unité de sustentation étant mobile/s en pivotement autour de l'axe transversal, deux unités d'équilibrage (8, 9) montées chacune à une extrémité d'une aile et mobiles en pivotement autour de l'axe transversal, des moyens d'estimation de direction et de vitesse du vent, d'altitude et d'attitude du dispositif - une boîte de commande mettant en œuvre une loi de commande en fonction des mesures prélevées par les capteurs pour : ○ modifier la puissance et/ou l'inclinaison autour de l'axe transversal d'au moins une unité d'équilibrage latérale et ○ modifier la puissance et/ou l'inclinaison autour de l'axe transversal d'au moins l'unité de propulsion et/ou de sustentation.

Description

DRONE ENDURANT À DÉCOLLAGE ET ATTERRISSAGE VERTICAUX OPTIMISÉ POUR DES MISSIONS EN ENVIRONNEMENT

COMPLEXE

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

[001] L’invention concerne le domaine des dispositifs formant un aéronef à décollage et atterrissage verticaux, capable de vol d'avancement et de vol stationnaire à moindre consommation d’énergie, sans pilote.

[002] L’invention concerne plus particulièrement l’utilisation de tels dispositifs en vue de la surveillance et de la maintenance d'un équipement, soit en raison de la difficulté d’accès à cet équipement par des opérateurs en raison de sa localisation (puits pétrolier offshore) et/ou de la hauteur élevée de ses éléments fonctionnels à surveiller (pâles d’une éolienne, pylône électrique).

[003] L’invention concerne également l’utilisation de ces dispositifs afin de livrer des articles à un destinataire.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Utilisation de drones pour la surveillance et la maintenance d’équipements [004] L’utilisation de dispositif autonome, sans opérateur à bord, pour la surveillance et la maintenance d’équipements est connue notamment du document WO 2015073687 déposé au nom de SCHLUMBERGER.

[005] Ce document décrit en effet, un véhicule aérien sans pilote (UAV) pour la surveillance et la gestion d’un puits pétrolier et qui comprend à cet effet, un contrôleur de bord pouvant récupérer des données provenant d'un réseau sans fil du puits et que l'UAV peut transférer à un centre distant. Le contrôleur de bord peut effectuer un diagnostic sur la base des données récupérées et fournir de manière autonome des services au puits pendant un survol ou sur une trajectoire d'attente modifiée pour la desserte du puits. Un moteur de services embarqué peut régler les équipements, modifier les paramètres de commande, diagnostiquer les dysfonctionnements, étalonner les dispositifs, actualiser les logiciels et micrologiciels, et exécuter une réinitialisation du système.

[006] Un autre document dans ce domaine EP 2527 649 déposé au nom de SIEMENS, concerne un procédé permettant d'inspecter un composant d'une éolienne, à l’aide d’un véhicule aérien sans équipage (UAV) qui est guidé vers le composant à inspecter, en s’approchant de celui-ci à une certaine distance prédéfinie entre le véhicule aérien sans équipage et le composant de telle manière que des images à haute résolution du composant puissent être prises et stockées par le véhicule aérien sans équipage et une inspection réalisée par commande à distance à partir des images recueillies par le UAV.

[007] Les drones utilisés dans les deux exemples de surveillance et de maintenance d’équipement décrits ci-dessus sont de type multirotor pur ou avion pur et pas particulièrement développés pour diminuer leur consommation d’énergie lors de l’accomplissement de leur mission.

[008] Un autre aspect important de la surveillance qui n’a pas été développé pour ces drones en particulier de type avion pur, est celui du maintien d’une position stationnaire en altitude une fois que le drone a atteint la position de capture d’images désirée, à proximité du composant à surveiller.

[009] Or pour être parfaitement adapté à sa mission de surveillance, même lorsque déployé à distance de l’équipement à surveiller, il est en effet nécessaire que le drone puisse à la fois être capable de vol d’avancement pour atteindre l’équipement en question sans faire intervenir d’opérateur, et une fois l’équipement atteint, être capable de vol stationnaire en altitude quelles que soient les conditions rencontrées et à moindre consommation d’énergie pour être en mesure d’accomplir des missions multiples ou une mission à longue distance.

Drone capable de vol d’avancement et de vol stationnaire [0010] Le drone décrit dans le document EP2242552 déposé par la société PARROT, qui est à voilure tournante, n’est pas spécifiquement configuré pour assurer la surveillance et la maintenance d’un équipement, ou la livraison d’un article, et comprend un procédé de pilotage avec stabilisation automatique en vol stationnaire comprenant des étapes consistant à : - équiper le drone d'un télémètre et d'une caméra vidéo à visée frontale pointant vers l'avant du drone; - acquérir l'altitude du drone par rapport au sol au moyen du télémètre; - acquérir la vitesse horizontale du drone à partir d'une pluralité d'images vidéo saisies par ladite caméra à visée frontale; et - stabiliser automatiquement le drone en vol stationnaire par asservissement de la force de poussée verticale du drone de manière à stabiliser l'altitude acquise par le télémètre, et asservissement de la force de poussée horizontale du drone de manière à annuler la vitesse horizontale.

[0011] Ce drone est de type hélicoptère sans voilure fixe et présente des performances en vol horizontal limitées, une durée de vol stationnaire relativement faible, ou nécessite pour augmenter cette durée de vol, "Futilisation d’une batterie de capacité importante, augmentant son coût, son poids. En outre, en cas de panne de ses moteurs, une chute est inévitable.

[0012] Des drones de structure hybride hélicoptère/avion ont été développés pour résoudre ce problème, cependant sans être non plus particulièrement optimisés pour un vol stationnaire de longue durée, ni pour la surveillance et la maintenance d’équipements ou la livraison d’articles : [0013] Ainsi, la société Nfelec propose dans le document WO 2014076403 un véhicule aérien à décollage vertical et vol horizontal comprenant un fuselage s'étendant selon un axe principal longitudinal, deux ailes positionnées de part et d'autre du fuselage, deux unités de propulsion chacune fixée respectivement à une aile, chaque unité de propulsion étant configurée pour produire une poussée dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal, et une unité d'équilibrage statique fixée au voisinage d'une extrémité du fuselage et configurée pour produire une poussée selon une direction sensiblement orthogonale à l'axe longitudinal. Chaque aile est en outre montée rotative selon un axe transversal entre une position de vol aérodynamique où l'aile s'étend dans un plan sensiblement parallèle à l’axe longitudinal et une position de vol statique où l'aile s'étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal.

[0014] Dans le même esprit, le document EP 2927122 déposé par BOEING décrit un drone comprenant deux rotors fixes en pivotement à l’avant et à l’arrière de son fuselage, et deux rotors montés aux deux extrémités de ses ailes et qui pivotent entre une position de décollage où leur axe est parallèle à l’axe vertical, et une position de vol où leur axe est parallèle à l’axe longitudinal défini par le fuselage.

[0015] Egalement, le document US 9 085 355 déposé par DeLorean concerne un drone à décollage et atterrissage verticaux, muni d’une voilure, de deux rotors aux deux extrémités de son fuselage, orientables, et fonctionnant à la fois dans la phase de vol d’avance et la phase de vol stationnaire, et selon un mode de réalisation particulier, les deux ailes peuvent être munies également chacune d’un rotor non inclinable.

[0016] Vis-à-vis de l’objectif de proposer à la fois un décollage et un atterrissage verticaux et moins de risque de casse en cas de panne des moteurs du fait de la présence de la voilure, ces drones emportent satisfaction.

[0017] Cependant, ils n’ont pas forcément été optimisés pour assurer une position stable dans les conditions environnementales hostiles de surveillance et de maintenance d’équipement en altitude et/ou en mer à moindre consommation d’énergie.

[0018] Ainsi, en cas de vent, ces drones ne présentent notamment pas une stabilité naturelle et leurs soufflantes de faible diamètre les rendent peu performant en vol stationnaire.

OBJET DE L ’INVENTION

[0019] Afin de pallier ces inconvénients, l’invention propose un drone à décollage et atterrissage verticaux, capable de vol d'avancement et de vol stationnaire et dont la structure et la loi de commande sont optimisées pour assurer une position stationnaire du drone même en cas de vent et à moindre consommation d'énergie.

[0020] A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention propose un dispositif autonome formant un aéronef à décollage et atterrissage verticaux, capable de vol d'avancement et de vol stationnaire à moindre consommation d'énergie, comprenant : - un fuselage s'étendant selon un axe principal longitudinal AA,

- deux ailes, de préférence à allongement important, positionnées de part et d'autre du fuselage, et s'étendant selon un axe transversal BB - des moyens de surveillance d’un environnement, - une unité de propulsion montée à l'extrémité arrière du fuselage - une unité de sustentation montée à l'avant du fuselage - l’unité de propulsion et/ou l’unité de sustentation étant mobile en pivotement autour de l'axe transversal - deux unités d'équilibrage montées chacune à une extrémité d'une aile et mobiles en pivotement autour de l'axe transversal - des moyens d’estimation de direction et de vitesse du vent, d'altitude, d'attitude et de vitesse du dispositif une boîte de commande mettant en œuvre une loi de commande en fonction des mesures prélevées par les capteurs pour : o modifier la puissance et/ou l'inclinaison autour de l'axe transversal d'au moins une unité d'équilibrage latérale pour aligner le fuselage du dispositif face à la direction du vent et o modifier la puissance et/ou l'inclinaison autour de l'axe transversal d'au moins l'unité de propulsion pour générer avec l'écoulement de l'air sur les ailes, la portance suffisante assurant une position stationnaire au dispositif face au vent.

En vol stationnaire comme en vol d’avancement, le dispositif selon l’invention peut voir l’une et/ou l’autre de ses imités d’équilibrage latérale et/ou l’unité de propulsion, adopter des configurations inclinées vis-à-vis du fuselage entre l’axe vertical et l’axe longitudinal pour maintenir une position particulière face au vent, et voir ces inclinaisons évoluer en fonction de l’incidence et de la force du vent. L’économie d’énergie est obtenue notamment grâce à l’asservissement continu de la puissance et/ou l’inclinaison des moteurs couplé à la participation des ailes du dispositif à sa portance. L’invention peut par ailleurs présenter l’un et/ou l’autre des aspects intéressants suivants : - les moyens de surveillance comprennent une caméra dont le moyen de fixation au fuselage est orientable afin de constamment viser l’équipement quelle que soit l’orientation du fuselage vis-à-vis de cet équipement. Le support de la caméra peut être une nacelle gyrostabilisée qui amortit toutes les perturbations du drone, - le drone selon l’invention comprend une dérive définissant un sommet de dérive, et l'unité de propulsion est fixée au sommet de la dérive, - avantageusement, la dérive du drone selon l’invention est renforcée par exemple par des fibres notamment de carbone, kevlar éventuellement associées à des résines notamment époxy - idéalement, afin d’assurer une portance de planeur, la longueur des ailes suivant l'axe transversale est au moins égale à la longueur du fuselage suivant l'axe longitudinal. - de préférence, l'unité de sustentation est montée fixe en pivotement autour de l'axe transversal pour alléger la structure globale du dispositif - autrement, cette unité de sustentation peut être montée mobile en pivotement autour de l'axe transversal afin de participer au maintien de la position stationnaire même en présence de vent, - selon une variante de réalisation intéressante, les unités d'équilibrage latérales sont montées mobiles entre une position active avec des pâles déployées en forme d'hélice au-delà de l'aile correspondante selon l'axe longitudinal, et une position inactive avec des pâles rangées parallèlement à l'axe de leur rotation (axe du moteur) - idéalement, la boîte de commande met en œuvre une boucle d'asservissement permettant de corriger en continu la position, l'altitude et l'attitude et vitesse du dispositif en fonction des mesures relevées par les capteurs lors de la recherche de la position stationnaire, - selon une autre caractéristique, au moins l’une des unités de sustentation, propulsion ou d’équilibrage latéral est apte à recharger une batterie du dispositif lors d’une phase passive où cette unité est actionnée en rotation uniquement par le vent, par exemple en phase de descente lorsque ces unités ne sont pas actives - la boucle d’asservissement peut être amenée à diminuer la puissance des unités de sustentation et/ou de propulsion du fait que la voilure contribue à la création de portance, - avantageusement, le dispositif comprend un moyen de géolocalisation tridimensionnel et la boîte de commande inclût une trajectoire préenregistrée à suivre par le dispositif selon l'invention. - Selon une variante, le dispositif comprend des moyens de communication sans fil avec des moyens de communication correspondants de l'équipement et/ou d'une plateforme distante. L’invention concerne également un ensemble de surveillance et de maintenance d'un équipement, comprenant un équipement à surveiller muni de moyens de communication sans fil et d’une unité centrale embarquée de gestion de ses fonctions, et le dispositif ci-dessus, l'unité centrale embarquée de l'équipement étant susceptible de convertir les informations communiquées par le dispositif, en commandes de modification de la gestion de ses fonctions et/ou le dispositif communiquant à la plateforme distante les informations de surveillance et de maintenance qu'il a recueillies, cette plateforme avantageusement en communication sans fil avec l’équipement, permettant la modification de la gestion de ses fonctions.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0021] D’autres objets et avantages de l’invention apparaîtront au cours de la description qui suit, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - les figures la, lb et le représentent un drone selon l’invention dont les quatre rotors sont disposés avec leurs axes perpendiculaires à l’axe longitudinal AA, en mode de décollage/atterrissage ou vol stationnaire pur sans vent, vu de dessus (figure la), de face (figure lb), de côté (figure le) - les figures 2a et 2b représentent le drone des figures 1 en mode d’avancement pur dans lequel le rotor arrière est positionné avec son axe parallèle à l’axe longitudinal du drone, les trois autres rotors étant dans des configurations inactives - les figures 3 à 8 représentent par leurs vues de dessus (a), de face (b), de côté (c) le drone selon l’invention dans des modes de fonctionnement différents : o figure 3 : en mode d’avance pur o figures 4 à 6 : en mode intermédiaire de vol stationnaire par vent :

figure 4 les rotors latéraux et le rotor arrière sont disposés en position horizontale basculés vers l’avant avec leurs axes parallèles à l’axe longitudinal AA, tandis que le rotor avant est disposé en position verticale avec son axe perpendiculaire à l’axe longitudinal AA figure 5 les rotors latéraux et arrière sont inclinés de 30° en arrière depuis la position horizontale de la figure 4 tandis que le rotor avant est toujours disposé en position verticale figure 6 les rotors latéraux et arrière sont inclinés de 50° vers l’arrière depuis la position horizontale de la figure 4 tandis que le rotor avant est toujours disposé en position verticale o figure 7 :tous les rotors sont disposés en position verticale, en mode décollage/atterrissage ou vol stationnaire sans vent

o figure 8 : en mode lacet à droite : les rotors avant et arrière sont disposés en position verticale, les rotors latéraux sont disposés inclinés de 30° respectivement à l’avant et à l’arrière de l’axe vertical VV la figure 9 illustre schématiquement une loi de commande du drone selon l’invention, mise en œuvre par une boîte de commande embarquée sur le drone.

DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES

[0022] En relation avec les figures, il est décrit un aéronef à décollage et atterrissage verticaux (ADAV pour l’acronyme français et VTOL pour l’acronyme anglais) de préférence sans pilote adapté pour effectuer un vol d’avancement et un vol stationnaire par vent non négligeable et/ou variant pour assurer la maintenance et la surveillance d’un équipement.

[0023] On décrit dans ce qui suit la structure du drone selon l’invention qui est optimisée, et la loi de commande des moteurs de ce drone pour remplir cet objectif.

Structure du drone [0024] Cet aéronef ou drone 1 comprend principalement un fuselage 2 s'étendant selon un axe principal longitudinal AA, deux ailes 3, 4 positionnées de part et d'autre du fuselage 2 selon un axe transversal, un empennage bas et une unité principale de sustentation 6 ou rotor avant, disposée à l’avant du fuselage, une unité principale de propulsion ou rotor arrière 7 disposée au sommet d’une dérive 5 (mieux visible sur la figure lb) et deux unités latérales de contrôle ou d’équilibre 8, 9 ou rotors latéraux disposés à l’extrémité de chaque aile 3,4.

[0025] Il comprend en outre trois types de gouvernes traditionnelles d’un avion : un aileron sur chaque aile ainsi qu’une gouverne de profondeur et une gouverne de direction (non représentées).

[0026] Chaque unité de propulsion, sustentation ou de contrôle 6-9 est par exemple du type moteur à hélice ou turbine ; on pourra respectivement les nommer rotor arrière 7, rotor avant 6 et rotors latéraux 8,9.

[0027] Pour être en mesure d’assurer un vol stationnaire du drone même en présence de vent, y compris un vent variant, et comme explicité plus en détail par la suite : les rotors arrière 7 et latéraux 8, 9 du drone selon l’invention sont mobiles en pivotement autour de l’axe transversal BB entre la position dite verticale représentée sur la figure la (et la figure 7) dans laquelle leur axe de rotation est parallèle à un axe vertical et une position dite horizontale avant dans laquelle leur axe de rotation est parallèle à l’axe longitudinal AA et leur hélice orientée vers l’avant du fuselage (figure 4), en pouvant adopter toutes les positions intermédiaires dans lesquelles leur axe est incliné vis-à-vis de l’axe vertical en avant de celui-ci (figures 5 et 6) - Les rotors latéraux peuvent en outre basculer en arrière de l’axe vertical de 90° pour adopter une configuration horizontale arrière, et peuvent adopter toute position intermédiaire possible entre l’axe vertical et la position horizontale arrière, y compris des postions asymétriques (figure 8). Egalement, de façon avantageuse, ils peuvent occuper une configuration inactive représentée par exemple sur la figure 2a, dans laquelle leurs pales sont rabattues les unes contre les autres et parallèlement à l’axe longitudinal AA du drone en arrière de leur axe de rotation, au-delà de l’aile 3,4.

[0028] Dans l’exemple illustré, le rotor avant 6 est fixe en inclinaison autour de l’axe transversal BB mais pourrait tout aussi bien être inclinable vis-à-vis de cet axe avec les modifications de structures adaptées. Il est, comme les rotors latéraux 8, 9, doté de la faculté d’adopter une position inactive dans laquelle ses pales sont rabattues les unes contre les autres et parallèlement à l’axe longitudinal AA du drone au niveau de leur axe de rotation.

[0029] Pour réduire la consommation en énergie du drone selon l’invention, les ailes du drone selon l’invention sont choisies à allongement important pour lui assurer un comportement de planeur permettant de réduire la puissance utilisée par les rotors lors d’un vol stationnaire notamment en présence de vent puisqu’elles assurent par leurs tailles une certaine portance au drone.

[0030] Elles présentent ainsi selon un mode de réalisation avantageux, une longueur suivant l’axe transversal BB au moins égale à la longueur du fuselage suivant l’axe longitudinal AA. De préférence, ces ailes présentent une longueur cumulée supérieure de 10,20,30,40,50,100 pourcents de la longueur du fuselage. Dans l’exemple représenté, la longueur cumulée des ailes est supérieure au double de la longueur du fuselage. Elle est deux fois et demi plus importante que la longueur du fuselage. Elle reste de préférence toutefois inférieure au triple de la longueur du fuselage afin de ne pas gêner les phases de décollage ou d ’ atterri ssage.

[0031 ] Egalement, la largeur des ailes à leur jonction avec le fuselage est supérieure à celle du fuselage. Dans l’exemple représenté, la largeur d’une aile à la jonction avec le fuselage est supérieure au double de la largeur du fuselage (environ 2 fois et demi plus large que le fuselage).

[0032] Les ailes sont en outre montées à proximité du centre de gravité du fuselage muni des rotors avant 6 et arrière 7 (en l’occurrence dans l’exemple représenté dans lequel le rotor avant 6 présente un diamètre et donc un poids plus important que le rotor arrière, les ailes du drone sont fixées sur la première moitié du fuselage 2 sur le deuxième quart de sa longueur).

[0033] Le fuselage comporte une dérive 5 mieux visible sur la figure lb disposée juste en avant de la queue 11 du fuselage et le rotor arrière est monté au sommet de cette dérive en étant ainsi surélevé par rapport au rotor avant 6 et au fuselage pour être soumis à cette position surélevée, au moins de perturbations aérodynamiques possibles et être autorisé à basculer de la position verticale (figure le) à la position horizontale (figure 2b). La hauteur de la dérive sera donc au moins supérieure à la longueur des pâles de l’hélice.

[0034] La dérive sera en outre renforcée par rapport à une dérive classique, avec par exemple des renforts en fibre de carbone, kevlar associée à des résines époxy.

[0035] L’empennage bas pourra être fixe, ou au contraire mobile en pivotement parallèlement à l’axe de rotation du rotor arrière.

Moyens de surveillance et de maintenance d’un équipement [0036] Le drone selon l’invention est muni d’une caméra vidéo et/ou infrarouge à visée frontalel3 pointant dans le mode d’avancement pur du drone vers l'avant du drone, en étant orientable pour pointer vers d’autres direction au besoin.

[0037] Le drone peut stocker les données recueillies par la caméra et/ou les communiquer à un serveur distant grâce à des moyens de communication sans fil.

[0038] Il comprend en outre des moyens de communication avec l’équipement (capteurs, unité centrale de gestion des fonctions de l’équipement, embarquée sur l’équipement, jauges, outils de production et éléments de surveillance associés) et possède la faculté de commander certaines fonctionnalités de l’équipement de façon automatique ou par l’intermédiaire d’un opérateur distant ayant visionné les images recueillies par le drone.

[0039] Dans un exemple de réalisation, le drone télécharge un plan de vol et est doté de moyens de géolocalisation incluant des mesures d’altitude.

[0040] Sources d’énergie du drone possibles: Batterie électrique, en particulier au lithium-polymère, pile à hydrogène, source d’énergie solaire, essence [0041] Le drone pourra être muni d’un capteur mesure de la batterie, qui pourra être relié à la boîte de commande afin de commander si nécessaire la recharge de cette batterie au moyen des rotors actionnés uniquement par le vent dans une situation où ils ne sont pas actifs (par exemple, situation de descente du drone) ou de communiquer son état à une plateforme distante, ou de modifier son parcours pour rejoindre une borne de recharge de batterie.

Loi de commande du drone selon l’invention [0042] Conformément à la figure 9, le drone est en outre muni de capteurs lui donnant des informations en temps réel sur la force et l’incidence du vent, sur la position courante du drone, son altitude, son attitude (angle de roulis, tangage et lacet), sur l’azimuth vent, sur la puissance de chaque rotor et sur Pinclinaison de ceux-ci vis-à-vis de l’axe vertical. On donne une explication détaillée de la légende dans la figure 9 : • ref_altitude signifie l’altitude de référence que le drone doit maintenir, • ref_position signifie la position de référence que le drone doit maintenir, • ref_attitude signifie les angles de roulis, tangage et lacet de référence que le drone doit maintenir, • PI, P2, P3 et P4 signifient chacun la puissance commandée pour chacun des moteurs, • RI, R2, R3 et R4 signifient chacun la rotation avant/arrière commandée pour chacun des moteurs.

[0043] A défaut de capteur permettant de mesurer l’incidence du vent, on peut utiliser une combinaison de capteurs du drone (capteur de force, centrale inertielle selon les trois axes, vitesse de rotation selon les 3 axes, capteur barométrique, capteur GPS et/ou capteur GPS centimétrique, sonde de vitesse du vent de type PITOT) à partir de laquelle déterminer l’incidence et le dérapage du vent.

[0044] Le plan de vol contiendra par ailleurs différentes consignes d’altitude de référence, de position de référence et d’attitude que le drone doit maintenir tout au long de son parcours.

[0045] Le drone selon l’invention comprend une boîte de commande mettant en œuvre une loi de commande en fonction des mesures prélevées par les capteurs pour : modifier la puissance et/ou l'inclinaison autour de l'axe transversal des rotors latéraux pour aligner le fuselage du drone face à la direction du vent et modifier la puissance et/ou l'inclinaison autour de l'axe transversal du rotor arrière pour générer avec l'écoulement de l'air sur les ailes la portance suffisante assurant une position stationnaire au drone.

[0046] Ainsi, le drone pourra être commandé :

En « mode d'avancement pur » dans lequel le drone a suffisamment de vitesse pour compenser avec la portance générée par l’aile, son propre poids : o la translation vers l'avant est effectuée par le rotor arrière, positionné en position horizontale vers l'avant (figure 3) ; le contrôle en tangage est effectué par la gouverne de profondeur ; le contrôle en roulis est effectué principalement par les ailerons ; le contrôle en lacet est effectué principalement par la gouverne de direction

En « mode stationnaire pur » dans lequel la vitesse du drone par rapport au sol et par rapport à l’air est nulle (absence de vent) : o la translation verticale est effectuée majoritairement par le rotor de sustentation avant, et partiellement par le rotor de propulsion arrière placé en position verticale ; La translation longitudinale est effectuée en orientant partiellement les rotors latéraux vers l'arrière de manière covariante ou par un différentiel de puissance entre le moteur avant et arrière (figures 4,5,6). Le contrôle en tangage est effectué principalement en modulant la propulsion du rotor avant et du rotor arrière de manière contravariante. Le contrôle en roulis est effectué principalement en modulant la propulsion des rotors latéraux de manière contravariante. Le contrôle en lacet est effectué en orientant partiellement les rotors latéraux vers l'avant ou l'arrière de manière contravariante.

En mode « intermédiaire » dans lequel soit le drone avance sans suffisamment de vitesse pour compenser avec la portance générée par l’aile, son propre poids, soit le drone doit maintenir une position stationnaire par rapport au sol avec une vitesse par rapport à l’air non nulle (présence de vent) : o le contrôle est effectué par un mixage des deux modes de contrôle purs selon une loi dépendante de la vitesse d'avancement par rapport à l'air . Le mode intermédiaire consiste à une génération de portance venant en partie par la voilure et en partie par les rotors. Dans ce mode, le moteur arrière est orienté vers l’avant mais d’un angle inférieur à 90 deg par rapport à la verticale. La puissance envoyée aux moteurs longitudinaux est inférieure à celle envoyée en mode stationnaire pur du fait que la voilure contribue à la force de portance. Les moteurs latéraux ont le même fonctionnement qu’en mode stationnaire pur. En fonction de la vitesse du vent, une contribution au contrôle en tangage, roulis et lacet peut être effectuée par les ailerons et les gouvernes de profondeur et direction.

[0047] Ainsi, en mode de vol stationnaire, le contrôle en tangage est assuré par les rotors longitudinaux avant et arrière, le roulis par les rotors latéraux et le lacet par l’inclinaison de façon asymétrique des rotors latéraux vers l’avant/arrière.

[0048] La commande du drone en vol stationnaire, telle qu’illustrée sur la figure 9, impose au drone, en fonction de la direction et de la force du vent de s’orienter de façon à être face au vent et oriente au moins l’un de ses moteurs longitudinaux vers l’avant/arrière permettant ainsi la génération de portance non seulement par la poussée verticale des moteurs mais aussi par l’écoulement de l’air sur la voilure.

[0049] Lorsque le drone est orienté de façon à être face au vent, alors qu’il doit dans le même temps assurer la surveillance et la maintenance de l’équipement en capturant des images, le support de la caméra (nacelle) pourra être commandé par la boîte de commande embarquée du drone pour continuer à orienter la caméra en direction de l’équipement.

[0050] La boucle externe des lois de commande a pour but de minimiser l’erreur en position du drone en calculant l’attitude de référence nécessaire pour diminuer cette erreur (et donc ramener le drone à la position de référence).

[0051] La boucle interne a pour but de minimiser l’erreur en altitude et en attitude du drone en calculant la puissance à envoyer à chaque moteur et l’orientation de ceux-ci afin de rapprocher le drone de l’attitude et altitude de référence.

Exemple 1 : Vent incident de 10 m/s et 30° d’angle de dérapage (arrivant sur le flanc droit du drone) (figure 1. vent VI) [0052] Dans le cas où le drone détecte un vent incident de 30° de dérapage et d’une vitesse de 10 m/s les lois de commande commandent la déflexion des moteurs latéraux pour aligner le drone avec la direction du vent. Ainsi, le moteur latéral droit, initialement en position verticale, est orienté vers l’arrière du drone d’un angle de 45° par rapport à la verticale et le moteur latéral gauche est orienté vers l’avant du drone du même angle. Cela crée un moment de lacet qui tend à aligner le drone avec la direction du vent. Au fur et à mesure que l’écart entre l’orientation du drone et du vent diminue les lois de commande recalculent l’orientation des moteurs afin d’arriver à un équilibre en lacet avec le drone aligné avec la direction du vent.

[0053] Simultanément les lois de commande calculent la déflexion du moteur arrière nécessaire pour rester en position stationnaire. En absence de vent la position du moteur est verticale, et pour un vent de face de 10 m/s celle-ci est de 30° (50% de la poussée vers l’avant, 85% verticale).

[0054] Finalement, les lois de commande modifient la puissance envoyée à chacun des moteurs et la déflexion des surfaces de contrôle afin d’arriver à un vol stationnaire à la position et l’altitude commandée par l’utilisateur ou les lois de navigation.

[0055] Pendant que le drone effectue la rotation en lacet pour s’aligner avec la direction du vent le moteur droit voit sa puissance augmentée de r% (où r est la vitesse de rotation du drone en lacet) et l’aileron de l’aile gauche est défléchi de X degré (X dépendant de la vitesse de lacet, de la taille du drone et de sa vitesse aérodynamique) vers le haut afin de contrer le roulis induit par la rotation en lacet. Aussi une fois le drone aligné avec la direction du vent et le moteur arrière orienté de 30 deg vers l’avant, les moteurs longitudinaux voient leur puissance diminuer de 20% dû au fait que la voilure contribue à la création de portance.

[0056] Du fait de la diminution de la poussée le drone aurait donc tendance à reculer sous l’effet du vent, une nouvelle itération de contrôle va donc contrôler le moteur arrière pour l’orienter davantage vers l’avant et augmenter sa puissance. La composante verticale de la force du moteur arrière reste donc identique mais sa composante longitudinale augmente et équilibre ainsi la traînée aérodynamique.

Exemple 2 : Vent aligné avec la direction du drone mais de vitesse variable (0-5-18 m/s) (figure 1. vent V2) [0057] Pour cet exemple, le drone est initialement en vol stationnaire avec tous les moteurs en position verticale et l’atmosphère est calme (absence de vent). Dans le cas où le drone détecte un vent de face de vitesse inférieure à la vitesse de décrochage (5 m/s par exemple) les lois de commande commandent une déflexion du moteur arrière vers l’avant du drone (de 10° pour cet exemple). En effet, l’écoulement de l’air sur la voilure génère deux forces : la portance, qui contribue à contrer le poids du drone, et la traînée, qui tend à accélérer le drone dans le sens de l’écoulement. Pour arriver à un équilibre stationnaire il est nécessaire donc de générer une force dans le sens opposé à celui du vent, et c’est pour cela que le moteur est défléchi vers l’avant. De plus, les lois de commande diminuent la puissance envoyée aux moteurs longitudinaux (ici une diminution de 10%) car la voilure contribue à la portance du drone.

[0058] Si la vitesse du vent augmente et dépasse la vitesse de décrochage du drone (par exemple un vent de 18 m/s) alors les lois de commande imposent une transition en mode avion. Pour ce faire, la puissance envoyée aux moteurs latéraux et au moteur longitudinal avant est annulée et les moteurs latéraux ainsi que le moteur arrière sont défléchis 90° vers l’avant du drone. La puissance envoyée au moteur arrière est de 30% de sa puissance maximale et le contrôle du tangage, lacet et roulis sont assurés par les surfaces de contrôle classiques (ailerons, gouvernes de profondeur et direction). Le drone dans cette configuration est donc en mode avion mais immobile par rapport au sol. C’est une configuration optimale en terme de consommation d’énergie, la portance générée par l’aile étant beaucoup plus économique que celle générée par les rotors.

[0059] Le drone selon l’invention tel que décrit ci-dessus présente les avantages bien connus d'un avion à décollage / atterrissage vertical et vol horizontal, parmi lesquels de permettre à l'avion de voler loin et à grande vitesse sans nécessiter d'infrastructure de grande dimension (piste d'envol) spécifique au sol tout en bénéficiant d’une voilure intéressante pour la portance de l'appareil en vol aérodynamique et pour le vol stationnaire puisque participe à la portance et permet de moins solliciter les rotors. La loi de commande qui maintient, en fonction d’une situation de vent donnée, certains rotors dans une inclinaison (qui peut être n’importe quelle inclinaison comprise entre la position horizontale et la position verticale de l’axe de rotation du rotor) et avec une puissance spécifiques pour chaque rotor permet d’assurer un vol stationnaire même dans des conditions de vent difficile. Le fait que cette loi de commande inclut en outre la faculté de recueillir en temps réel les informations sur la position, l’attitude, l’altitude du drone pour corriger les commandes envoyées aux rotors (et aux gouvernes) permet d’utiliser la portance développée par les ailes du drone pour réduire la puissance des rotors.

[0060] Les caractéristiques du drone selon l’invention le prédestinent à différentes applications : - La surveillance et la maintenance d’équipements (type éoliennes, pylône électrique, puits pétrolier, ou autre) - La livraison d’articles à des destinataires qui pourront être reconnus, identifiés par les moyens de surveillance (caméra).

[001] L’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif autonome formant un aéronef à décollage et atterrissage verticaux, capable de vol d’avancement et de vol stationnaire comprenant : - un fuselage (2) s'étendant selon un axe principal longitudinal AA, deux ailes (3, 4) positionnées de part et d'autre du fuselage (2), et s’étendant selon un axe transversal BB des moyens de surveillance d’un environnement, - une unité de propulsion (7) montée à l’extrémité arrière du fuselage, - une unité de sustentation (6) montée à l’avant du fuselage - l’unité de propulsion (7) et/ou l’unité de sustentation (6) étant montée/s mobile/s en pivotement autour de l’axe transversal - deux unités d’équilibrage (8, 9) montées chacune à une extrémité d’une aile et mobiles en pivotement autour de l’axe transversal - des moyens d’estimation de direction et de vitesse du vent, d’altitude et d ’ attitude du di spositif - une boîte de commande mettant en œuvre une loi de commande en fonction des mesures prélevées par les capteurs pour : o modifier la puissance et/ou l’inclinaison autour de l’axe transversal d’au moins une unité d’équilibrage latérale pour aligner le fuselage du dispositif face à la direction du vent et o modifier la puissance et/ou l’inclinaison autour de l’axe transversal d’au moins l’unité de propulsion pour générer avec l’écoulement de l’air sur les ailes, la portance suffisante assurant une position stationnaire au dispositif.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant une dérive (5) définissant un sommet de dérive, et dans lequel l’unité de propulsion (7) est fixée au sommet de la dérive.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, comprenant une dérive renforcée.
4. 4. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la longueur des ailes (3,4) suivant l’axe transversale est au moins égale à la longueur du fuselage suivant l’axe longitudinal.
5. 5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les unités d’équilibrage latérales (8, 9) sont montées mobiles entre une position active avec des pâles déployées en forme d’hélice au-delà de l’aile correspondante selon l’axe longitudinal, et une position inactive avec des pâles rangées parallèlement à l’axe de rotation de ces pâles.
6. 6. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la boîte de commande met en œuvre une boucle d’asservissement permettant de corriger en continu la position, l’altitude, l’attitude et la vitesse du dispositif en fonction des mesures relevées par les capteurs lors de la recherche de la position stationnaire.
7. 7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant un moyen de géolocalisation tridimensionnel et dans lequel la boîte de commande inclût une trajectoire préenregistrée à suivre par le dispositif.
8. 8. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant des moyens de communication sans fil avec des moyens de communication correspondants de l’équipement et/ou d’une plateforme distante.
9. 9. Ensemble de surveillance et de maintenance d’un équipement, comprenant un équipement à surveiller muni de moyens de communication sans fil et d’une unité centrale embarquée de gestion de ses fonctions, et le dispositif selon la revendication 9, l’unité centrale embarquée de l’équipement étant susceptible de convertir les informations communiquées par le dispositif en commandes de modification de la gestion de ses fonctions et/ou le dispositif communiquant à la plateforme distante les informations de surveillance et de maintenance recueillies.