FR3063911A1 - Procede d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone, dispositif electronique, appareil electronique et drone associes - Google Patents
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Abstract
Le procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone (14) à voilure tournante propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor (20) actionné par au moins un moteur (110), est mis en œuvre par un dispositif électronique (164) d'optimisation. Ce procédé comprend, au cours du vol du drone (14), au moins une fois, la détermination (172, 176, 184, 186) d'un angle maximal (θmax,t) d'inclinaison du drone en fonction d'une information (ls) représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur du drone.
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 063 911 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 17 52154
COURBEVOIE © Int Cl8 : A 63 H27/133 (2017.01), B 64 C 15/00
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
| ©) Date de dépôt : 16.03.17. | (© Demandeur(s) : PARROT DRONES Société par |
| (© Priorité : | actions simplifiée — FR. |
| @ Inventeur(s) : SEYDOUX HENRI et BABEL | |
| MATHIEU. | |
| (43) Date de mise à la disposition du public de la | |
| demande : 21.09.18 Bulletin 18/38. | |
| ©) Liste des documents cités dans le rapport de | |
| recherche préliminaire : Se reporter à la fin du | |
| présent fascicule | |
| (© Références à d’autres documents nationaux | ©) Titulaire(s) : PARROT DRONES Société par actions |
| apparentés : | simplifiée. |
| ©) Demande(s) d’extension : | (© Mandataire(s) : LAVOIX. |
VOL D'UN DRONE, DISPOSITIF ELECTRONIQUE,
FR 3 063 911 - A1 (34) PROCEDE D'OPTIMISATION DE L'INCLINAISON DE APPAREIL ELECTRONIQUE ET DRONE ASSOCIES.
©) Le procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone (14) à voilure tournante propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor (20) actionné par au moins un moteur (110), est mis en oeuvre par un dispositif électronique (164) d'optimisation.
Ce procédé comprend, au cours du vol du drone (14), au moins une fois, la détermination (172, 176, 184, 186) d'un angle maximal (0max t) d'inclinaison du drone en fonction d'une information (ls)’représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur du drone.
Procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone, dispositif électronique, appareil électronique et drone associés
La présente invention concerne un procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l’air au moyen d’au moins un rotor actionné par au moins un moteur, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif électronique d’optimisation.
L’invention concerne également un programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un tel procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone.
L’invention concerne également un dispositif électronique d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone à voilure tournante.
L’invention concerne également un appareil électronique de contrôle du ou des moteur(s) d’un drone à voilure tournante comprenant un tel dispositif électronique d’optimisation de l’inclinaison de vol.
L’invention concerne également un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l’air au moyen d’au moins un rotor actionné par au moins un moteur comprenant au moins un dispositif électronique d’optimisation de l’inclinaison de vol du drone du type précité.
L’invention concerne le domaine des drones, c’est-à-dire des appareils motorisés volants pilotés à distance. L'invention s'applique notamment aux drones à voilure tournante, tels que les hélicoptères, ou des drones à plusieurs voilures tournantes tels que quadricoptères ou d’autres drones su-actionnés tel que des hexacoptères ou optocoptères, etc.
Les drones à voilure tournante, par exemple, de type quadricoptère, sont propres à tenir un point fixe et évoluer aussi lentement que souhaité, ce qui les rend beaucoup faciles à piloter même par des utilisateurs inexpérimentés.
Toutefois de tels drones ne permettent pas de conserver une inclinaison importante (i.e. par exemple supérieure à 30° en rculis et/ou tangage) en vol et sont propres à perdre de l’altitude une fois un seuil prédéterminé de vitesse horizontale atteint.
En effet, au fur et à mesure de l’augmentation de la vitesse horizontale de vol du drone, le drone, volant avec une inclinaison par rapport à l’horizon, est sujet à des modifications de fonctionnement qui requièrent un surplus de puissance au drone.
Parmi ces modifications de fonctionnement apparaissant lors de l’augmentation de la vitesse horizontale de vol du drone volant incliné, figurent notamment :
- la diminution d’efficacité d’une ou des hélice(s), et en conséquence une diminution de la poussée d’une ou des hélice(s) correspondante avec l’augmentation de la vitesse air,
- la génération d’une déportance par le corps du drone incliné, déportance qu’il faut alors contrer en plus du poids,
- l’apparition d’un couple cabreur sur la ou les hélice(s) requérant en compensation une injection permanente par le drone d’une commande d’assiette pour maintenir son angle d’inclinaison,
- l’apparition d’un effet girouette selon la direction du vent requérant du drone l’application d’une commande de cap.
- etc.
En conséquence, pour un drone accélérant avec un angle d’inclinaison constant, les moteurs vont arriver à saturation une fois une certaine vitesse horizontale atteinte correspondant au seuil de vitesse horizontal prédéterminé.
Un des buts de l’invention est alors de proposer un procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone permettant une amélioration de l’agilité du drone tout en s’assurant que le drone volant incliné avec une vitesse supérieure à un seuil de vitesse prédéterminé ne descendra pas inexorablement vers le sol.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l’air au moyen d’au moins un rotor actionné par au moins un moteur, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif électronique d’optimisation le procédé comprenant, au cours du vol du drone, au moins une fois, la détermination d’un angle maximal d’inclinaison du drone en fonction d’une information représentative de l’état de saturation d’au moins un moteur du drone.
Le procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone à voilure tournante selon l’invention prenant en compte l’état de saturation du ou des moteur(s) du drone permet alors de jouer en temps réel sur la référence d’angle maximal d’inclinaison à ne pas dépasser ce qui permet simultanément de soulager les besoins en puissance moteur et par conséquent permet une désaturation moteur.
En d’autres termes, une saturation de l’angle maximal d’inclinaison est mise en œuvre pour permettre simultanément une désaturation moteur.
Ainsi, le procédé selon l’invention correspond à un asservissement de l’agilité du drone en fonction de l’état de saturation moteur.
L’inclinaison de vol du drone est donc optimisée automatiquement quelle que soit l’état de saturation de son ou de ses moteurs.
Par la suite, on entend par « angle d’inclinaison » l’angle formé entre le plan comprenant le corps du drone (fuselage) et l’horizon. Autrement dit, un tel angle d’inclinaison est associé à un couple d’angles de roulis et de tangage. De plus, par « angle maximal d’inclinaison du drone », on entend la référence d’angle d’inclinaison que le drone n’est pas autorisé à dépasser une fois cet angle déterminé.
Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone comporte l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la mise en œuvre de la détermination de l’angle maximal d’inclinaison de vol du drone en fonction d’une information représentative de l’état de saturation dudit au moins un moteur est conditionnée par la valeur de la vitesse de déplacement horizontal du drone ;
- le procédé comprend la comparaison de la vitesse horizontale de déplacement du drone à un seuil de vitesse prédéterminé ;
- lorsque la vitesse horizontale de déplacement du drone est inférieure au seuil de vitesse prédéterminé, l’angle maximal d’inclinaison de vol du drone est égal à une valeur maximale d’inclinaison prédéterminée, et lorsque la vitesse horizontale de déplacement du drone est supérieure au seuil de vitesse prédéterminé, la détermination de l’angle maximal d’inclinaison de vol du drone en fonction d’une information représentative de l’état de saturation dudit au moins un moteur est mise en œuvre ;
- la détermination de l’angle maximal d’inclinaison de vol du drone en fonction d’une information représentative de l’état de saturation dudit au moins un moteur comprend :
- à la première saturation moteur détectée au cours du vol du drone : la mesure de l’angle d’inclinaison de première saturation moteur ; la mémorisation de la valeur d’angle d’inclinaison de première saturation moteur ; la définition de l’angle maximal d’inclinaison de vol du drone comme égal à la valeur d’angle d’inclinaison de première saturation moteur, puis
- au moins une itération des étapes suivantes tant que la vitesse horizontale de déplacement du drone est supérieure au seuil prédéterminé: lorsque la valeur de l’information représentative représente la saturation d’au moins un moteur, l’angle maximal d’inclinaison de vol du drone est diminué de la vitesse angulaire de saturation moteur en restant supérieur ou égal à une valeur minimale d’inclinaison prédéterminée ; lorsque la valeur de l’information représentative représente l’absence de saturation moteur, l’angle maximal d’inclinaison de vol du drone est augmenté de la vitesse angulaire de désaturation moteur en restant inférieur ou égal à la valeur maximale d’inclinaison prédéterminée ; et
- l’information représentative de l’état de saturation d’au moins un moteur du drone est booléenne.
L’invention a également pour objet un programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un procédé tel que défini ci-dessus.
L’invention a également pour objet un dispositif électronique d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l’air au moyen d’au moins un rotor actionné par au moins un moteur, le dispositif électronique comprenant au moins un module de détermination configuré pour déterminer un angle maximal d’inclinaison du drone en fonction d’une information représentative de l’état de saturation d’au moins un moteur du drone.
L’invention a également pour objet un appareil électronique de contrôle du ou des moteur(s) d’un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l’air au moyen d’au moins un rotor actionné par au moins un moteur, dans lequel l’appareil électronique comprend une unité de commande configurée pour commander séparément chaque moteur du drone, par passage de commande dans le repère dudit moteur et par gestion automatique de la saturation moteur dudit moteur et le dispositif électronique d’optimisation de l’inclinaison de vol tel que défini ci-dessus.
L’invention a également pour objet un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l’air au moyen d’au moins un rotor actionné par au moins un moteur, le drone comprenant au moins un dispositif électronique d’optimisation de l’inclinaison de vol du drone tel que défini ci-dessus.
Ces caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective d’un système électronique de guidage d’un drone selon l’invention, comprenant un drone à voilure tournante propre à évoluer dans les airs sous le contrôle d’un équipement de télécommande distant;
- la figure 2 est un schéma par blocs des différents organes de contrôle d’asservissement et de pilotage du drone;
- la figure 3 est une représentation schématique partielle des modules constituant le dispositif électronique d’optimisation de l’inclinaison de vol selon l’invention correspondant à un étage de contrôle des moteurs actionnant le ou les rotor(s) du drone;
- la figure 4 est un organigramme d’un procédé de détermination d’angle d’inclinaison du drone selon l’invention,
- la figure 5 est une représentation schématique de la paramétrisation géométrique d’un moteur de drone
- la figure 6 est un organigramme d’un procédé de commande moteur selon l’invention.
Dans la suite de la description, l’expression « sensiblement égal à » s’entend comme une relation d’égalité à plus ou moins 10%, c’est-à-dire avec une variation d’au plus 10%, de préférence encore comme une relation d’égalité à plus ou moins 5%, c’està-dire avec une variation d’au plus 5%.
Sur la figure 1, un système électronique de guidage d’un drone permet, au moyen d’un système électronique de visualisation 10, à un utilisateur 12 d’optimiser le guidage d’un drone 14.
Le drone 14 est un engin volant motorisé pilotable à distance, notamment via une manette 16 permettant à l’utilisateur 12 de saisir ses consignes de vol.
Le drone 14, c’est-à-dire un aéronef sans pilote à bord, comprend un capteur d’image 18 configuré pour prendre une image d’une scène comportant une pluralité d’objets. Un tel drone 14, est par exemple un drone à voilure tournante comportant au moins un rotor 20 (ou hélice) actionné par au moins un moteur. Sur la figure 1, le drone 14 comporte une pluralité de rotors 20, et est alors appelé drone multirotor. Le nombre de rotors 20 est en particulier égal à quatre dans cet exemple, et le drone 14 est alors un drone quadrirotor ou quadricoptère.
Le drone 14 est également muni d'un un module de transmission 22 pour transmettre, de préférence par ondes radioélectriques, à destination d’un équipement électronique, tel que le module de réception, non représenté, du système électronique de visualisation 10, le module de réception, non représenté, de la manette 16 ou encore le module de réception de la tablette 23 numérique multimédia à écran tactile montée sur la manette 16, non représenté, la ou les images acquises par le capteur d’images 18.
Un système électronique de visualisation 10 permet à l’utilisateur 12 de visualiser des images, notamment des images de la vidéo reçue de la part du drone à voilure fixe 14.
Le système électronique de visualisation 10 comprend un appareil électronique, par exemple, un ordiphone (de l’anglais smartphone), muni d’un écran d’affichage, et un casque 24 comportant un support de réception de l’appareil électronique, une surface d’appui contre le visage de l’utilisateur 12, en regard de ses yeux, et deux dispositifs optiques disposés entre le support de réception et la surface d’appui.
Le casque 24 comporte en outre une sangle de maintien 26 permettant de maintenir le casque 24 sur la tête de l’utilisateur 12.
L’appareil électronique est amovible par rapport au casque 24 ou intégré au casque 24.
Le système électronique de visualisation 10 est, par exemple, relié à la manette 18 via une liaison de données, non représentée, la liaison de données étant une liaison radioélectrique ou encore une liaison filaire.
Dans l’exemple de la figure 1, le système électronique de visualisation 10 comprend en outre un module de réception, non représenté, configuré pour recevoir au moins une image de la part du drone à voilure fixe 14, la transmission de l’image étant effectuée de préférence par ondes radioélectriques.
Le système de visualisation 10 est par exemple un système de visualisation en réalité virtuelle, c’est-à-dire un système permettant à l’utilisateur 12 de visualiser une image dans son champ visuel, avec un angle de champ de vision, également appelé FOV (de l’anglais Field Of Vision, ou Field Of View), ayant une valeur importante, typiquement supérieure à 90°, de préférence supérieure ou égale à 100°, afin de procurer une vision immersive (également appelée « vision FPV >> de l’anglais First Person View) pour l’utilisateur 12.
La manette 16 est connue en soi, et permet par exemple de piloter le drone à voilure fixe 14. La manette 16 comprend deux poignées de préhension 28, chacune étant destinée à être saisie par une main respective de l’utilisateur 12, une pluralité d’organes de commande, comprenant ici deux manches à balai 30 (de l’anglais joystick), chacun étant disposé à proximité d’une poignée de préhension 28 respective et étant destiné à être actionné par l’utilisateur 12, de préférence par un pouce respectif.
La manette 16 comprend également une antenne radioélectrique 32 et un émetteur-récepteur radioélectrique, non représenté, pour l’échange de données par ondes radioélectriques avec le drone à voilure fixe 14, à la fois en liaison montante et en liaison descendante.
En complément, ou à titre d’alternative au regard du système de visualisation 10, la tablette 23 numérique multimédia à écran tactile est montée sur la manette 16 pour assister l’utilisateur 12 lors du pilotage du drone à voilure fixe 14.
La manette 16 est configurée pour transmettre les instructions de pilotage 124 de l’utilisateur à un pilote automatique intégré au drone à voilure fixe, dont un exemple de schéma par blocs fonctionnels est représenté sur la figure 2.
Le système électronique de guidage du drone décrit ci-dessus, et comprenant notamment un système de visualisation en réalité virtuelle, est donné à titre d’exemple, l’invention pouvant être mis en œuvre avec d’autres types de systèmes de guidage de drone.
Le pilotage du drone 14 consiste à faire évoluer celui-ci par :
a) rotation autour d'un axe de lacet 34, pour faire pivoter vers la droite ou vers la gauche l'axe principal du drone
b) rotation autour d'un axe de tangage 36, pour le faire avancer ou reculer
c) rotation autour d'un axe de roulis 38, pour le décaler vers la droite ou vers la gauche ; et
d) translation vers le bas ou vers le haut par changement du régime des gaz, de manière à respectivement réduire ou augmenter l'altitude du drone.
La figure 2 est un schéma par blocs des différents organes de contrôle d'asservissement et de pilotage du drone 14, ainsi que de correction des déplacements de l'image selon la technique de l'invention.
On notera que, bien que ces schémas soient présentés sous forme de circuits interconnectés, la mise en œuvre des différentes fonctions est essentiellement logicielle, cette représentation n'ayant qu'un caractère illustratif.
De façon générale, comme illustré Figure 2, le système de pilotage implique plusieurs boucles imbriquées pour le contrôle de la vitesse horizontale, de la vitesse angulaire de l'attitude du drone 14 et des variations d'altitude, automatiquement ou sous commande de l'utilisateur.
La boucle la plus centrale est la boucle 100 de contrôle de la vitesse angulaire, qui utilise d'une part les signaux fournis par des gyromètres 102 et d'autre part une référence constituée par des consignes de vitesse angulaire 104. Ces informations sont appliquées en entrée d'un étage 106 de correction de la vitesse angulaire, qui pilote lui-même un étage (i.e. appareil électronique) 108 de contrôle des moteurs 110 afin de commander séparément le régime des différents moteurs pour corriger la vitesse angulaire du drone 14 par l'action combinée des rotors entraînés par ces moteurs. L’appareil électronique 108 de contrôle des moteurs 110 selon l’invention est décrit par la suite plus en détail en relation avec la figure 3.
La boucle 100 de contrôle de la vitesse angulaire est imbriquée dans une boucle 112 de contrôle d'attitude, qui opère à partir des indications fournies par une centrale inertielle 114 comprenant les gyromètres 102, des accéléromètres 116 et un étage 118 qui produit une estimation de l'attitude réelle du drone 14. Les données issues de ces capteurs sont appliquées à l’étage 118 qui produit une estimation de l'attitude réelle du drone 14, appliquée à un étage 120 de correction d'attitude. Cet étage 120 compare l'attitude réelle du drone 14 à des consignes d'angle générées par un circuit 122 à partir de commandes directement appliquées par l'utilisateur 124 et/ou à partir de données générées en interne par le pilote automatique du drone 14 via le circuit 126 de correction de vitesse horizontale VH (ou vitesse de déplacement horizontal du drone). Les consignes éventuellement corrigées appliquées au circuit 120 et comparées à l'attitude réelle du drone 14 sont transmises par le circuit 120 au circuit 104 pour commander les moteurs de manière appropriée.
Enfin, une boucle de contrôle de vitesse horizontale 130 comporte une caméra vidéo verticale 132 et un capteur télémétrique 134 faisant fonction d'altimètre. Un circuit 136 assure le traitement des images produites par la caméra verticale 132, en combinaison avec les signaux de l'accéléromètre 114 et du circuit d'estimation d'attitude 118, pour produire des données permettant d'obtenir une estimation des vitesses horizontales selon les deux axes de tangage et de roulis du drone 14, au moyen d'un circuit 138. Les vitesses horizontales estimées sont corrigées par l'estimation de vitesse verticale donnée par un circuit 140 et par une estimation de la valeur de l'altitude, donnée par le circuit 142 à partir des informations du capteur télémétrique 134.
Pour le contrôle des déplacements verticaux du drone 14, l'utilisateur 124 applique des commandes à un circuit de calcul de consignes d'altitude 144, consignes qui sont appliquées à un circuit de calcul de consignes de vitesse ascensionnelle Vz 146 via le circuit de correction d'altitude 148 recevant la valeur d'altitude estimée donnée par le circuit 142. La vitesse ascensionnelle Vz calculée est appliquée à un circuit 150 qui compare cette vitesse de consigne à la vitesse correspondante estimée par le circuit 140 et modifie en conséquence les données de commande des moteurs (appareil électronique 108) en augmentant ou réduisant la vitesse de rotation simultanément sur tous les moteurs de façon à minimiser l'écart entre vitesse ascensionnelle de consigne et vitesse ascensionnelle mesurée.
En ce qui concerne plus spécifiquement la mise en œuvre de l’invention, l’appareil électronique 108 de contrôle des moteurs est par ailleurs également connecté, selon l’exemple de la figure 2, à un module 152 configuré pour déterminer la vitesse de rotation des moteurs nécessaire pour maintenir le drone 14 en point fixe (de l’anglais FeedForward, i.e. le drone 14 est maintenu à altitude constante en conservant son cap, et pour ce faire il est nécessaire de déterminer la vitesse de rotation des moteurs pour contrer le poids du drone 14).
Optionnellement, un module 154 d’alimentation BLDC (de l’anglais Brushless DC electric motor) est connecté d’une part à la consigne moteur Ω de l’étage 108 de contrôle et alimente en tension V et en courant I les moteurs 110 en fonction de cette consigne de sortie.
Selon la présente invention, les moteurs sont configurés pour être connectés selon une liaison de contre réaction à l’étage 108 de contrôle, et optionnellement au module 154 d’alimentation BLDC.
En relation avec la figure 3, selon l’appareil électronique 108 de contrôle des moteurs 110, actionnant le ou les rotor(s) 20 du drone 14, comprend un dispositif électronique d’optimisation de l’inclinaison de vol selon l’invention.
Autrement dit, par rapport à un appareil électronique existant de contrôle des moteurs de drone 14, l’appareil électronique 108 de contrôle des moteurs est propre à mettre en œuvre le procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol selon l’invention. En d’autres termes, l’appareil électronique 108 de contrôle des moteurs actionnant le ou les rotor(s) du drone 14 est également propre à contrôler en temps réel la référence d’inclinaison du drone 14 (correspondant à l’angle maximal d’inclinaison du drone) autorisée pour, le cas échéant, permettre une désaturation moteur.
Dans l’exemple de la figure 3, l’appareil électronique 108 de contrôle des moteurs actionnant le ou les rotor(s) du drone 14 comprend une unité de traitement d’informations 156, formée par exemple d’une mémoire 158 et d’un processeur 160 associé à la mémoire 158.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la mémoire 158 est configurée pour au moins stocker selon la présente invention un ensemble de données prédéterminées, par exemple listées dans un fichier de référence, comprenant au moins :
- un seuil SVh de vitesse horizontale prédéterminé, par exemple 3m/s,
- une valeur maximale Valmax d’inclinaison prédéterminée, par exemple 35°,
- une valeur minimale Valmin d’inclinaison prédéterminée, par exemple 20°,
- une vitesse angulaire de saturation moteur Vsat, par exemple 5°/s,
- une vitesse angulaire de désaturation moteur VDsat, par exemple 2°/s.
Par ailleurs, en cours de vol, la mémoire 58 est également configurée pour stocker temporairement la valeur d’angle maximal d’inclinaison 0maxt (i.e. la référence d’angle d’inclinaison) déterminée à un instant t au cours d’au moins une itération du procédé selon la présente invention pour la restituer à une itération suivante ainsi que l’angle 0C d’inclinaison de première saturation moteur.
En d’autres termes, selon cet exemple, l’angle d’inclinaison de vol du drone sera propre à varier entre 20 et 35°.
L’appareil électronique 108 de contrôle des moteurs selon l’invention comprend en outre une unité 162 de commande (également appelée Mix RPM de l’anglais Mixing Révolutions Per Minute) configurée pour commander séparément chaque moteur du drone 14, par passage de commande dans le repère du moteur et par gestion des saturations moteur.
Par ailleurs, l’appareil électronique 108 de contrôle des moteurs comprend également un dispositif 164 électronique d’optimisation de l’inclinaison de vol selon l’invention. Un tel dispositif 164 électronique d’optimisation de l’inclinaison de vol est formé, par exemple, d’une part par un module 166 de comparaison de la vitesse horizontale VH de déplacement du drone à un seuil de vitesse prédéterminé SVh stocké dans la mémoire 158, et d’autre part par un module 168 de détermination configuré pour déterminer un angle maximal d’inclinaison du drone 14 en fonction d’une information ls représentative de l’état de saturation d’au moins un moteur du drone 14.
Dans l’exemple de la figure 3, l’unité 162 de commande, le module 166 de comparaison de la vitesse horizontale VH et le module 168 de détermination d’angle maximal d’inclinaison du dispositif électronique 164 d’optimisation de l’inclinaison de vol, sont réalisés chacun sous forme d’un logiciel exécutable par le processeur 160. La mémoire 158 de l’unité de traitement d’informations 156 est alors propre à stocker un logiciel de commande configuré pour commander séparément chaque moteur du drone, un logiciel de comparaison configuré pour comparer la vitesse horizontale VH de déplacement du drone à un seuil SVh de vitesse horizontale prédéterminé, un logiciel de détermination configuré pour déterminer un angle maximal d’inclinaison du drone 14 en fonction d’une information ls représentative de l’état de saturation d’au moins un moteur du drone 14. Le processeur 160 de l’unité de traitement d’informations 156 est alors apte à exécuter le logiciel de commande, le logiciel de comparaison et le logiciel de détermination en parallèle ou successivement.
En variante non représentée, l’unité 162 de commande, le module 166 de comparaison de la vitesse horizontale VH et le module 168 de détermination d’angle maximal d’inclinaison du dispositif électronique 164 d’optimisation de l’inclinaison de vol sont réalisés chacun sous forme d’un composant logique programmable, tel qu’un FPGA (de l’anglais Field Programmable Gâte Array), ou encore sous forme d’un circuit intégré dédié, tel qu’un ASIC (de l’anglais Applications Spécifie Integrated Circuit).
Le fonctionnement l’appareil électronique 108 de contrôle du ou de(s) moteur(s) du drone 14 va désormais être expliqué à l’aide des figures 4 à 6.
En particulier, la figure 4 représente un organigramme du procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol du drone 14 mis en œuvre par le dispositif électronique 164 d’optimisation de l’inclinaison de vol selon l’invention.
Lors d’une étape 170, le dispositif électronique 164 d’optimisation de l’inclinaison de vol commence, à un instant t au cours du vol du drone, par comparer la vitesse horizontale VH (qu’il reçoit par exemple du circuit 126 de correction de vitesse horizontale VH représenté sur la figure 2) à un seuil SVh de vitesse horizontale prédéterminé stocké dans la mémoire 158 de l’appareil électronique 108.
Lorsque, selon le résultat de cette comparaison 170, la vitesse horizontale VH reste inférieure au seuil SVh de vitesse horizontale alors, selon une étape 172, la valeur de l’angle maximal d’inclinaison de vol du drone 14 est fixée égale à une valeur maximale Valmax d’inclinaison prédéterminée, par exemple 35° stociée dans la mémoire 158 de l’appareil électronique 108. En d’autres termes lorsque VH< SVh, 6max t = Valmax
Au contraire, lorsque la vitesse horizontale VH est supérieure au seuil SVh de vitesse horizontale, une étape 174 de détermination de la valeur, à cet instant t, d’une information ls représentative de l’état de saturation d’au moins un moteur 110 du drone 14 reçue au moyen de la liaison 155, directement du moteur ou des moteurs 110, ou indirectement via le module 154 d’alimentation BLDC est mise en œuvre par le dispositif électronique 164.
Ainsi, la mise en œuvre 174 de la détermination de la valeur de l’information ls représentative de l’état de saturation du ou des moteur(s) 110 du drone 14 est, selon l’exemple de la figure 4, conditionnée par la valeur de la vitesse de déplacement horizontal VH du drone (i.e. est mise en œuvre uniquement en présence d’une vitesse horizontale élevée car supérieur au seuil SVh de vitesse horizontale).
Par exemple, l’information ls représentative de l’état de saturation d’au moins un moteur 110 du drone 14 est booléenne, par exemple, ls=0 représente la présence d’une saturation d’au moins un moteur tandis que ls=1 représente l’absence de saturation moteur.
Lorsque la valeur de l’information ls représente l’absence de saturation moteur (i.e. par exemple ls=1), selon une étape 176, l’angle maximal d’inclinaison 0maxt de vol du drone est augmenté de la vitesse angulaire de désaturation moteur en restant inférieur ou égal à la valeur maximale d’inclinaison prédéterminée Valmax.
Autrement dit, tant quo 9max t < ^rilmax, Qmax t — + Vosat, avec la référence d’angle mémorisée dans la mémoire 158 à une itération précédente. La référence d’angle est donc écrêtée (de l’anglais clamping) par la valeur maximale d’inclinaison prédéterminée Valmax.
Lorsque la valeur de l’information ls représente au contraire la saturation d’au moins un moteur (i.e. par exemple ls=0), selon une étape 178, le dispositif électronique
164 détecte tout d’abord s’il la saturation détectée est la première saturation détectée au cours du vol considéré du drone 14.
Si c’est le cas, l’instant t est par exemple mémorisé (de manière non représentée) dans la mémoire 158 comme l’instant tode première saturation.
Puis, en présence de cette première saturation moteur, le dispositif électronique 164 mesure, ou reçoit la mesure par un autre organe de pilotage du drone, de l’angle d’inclinaison courant 0C du drone 14 également appelé angle d’inclinaison de première saturation moteur. Un tel angle 0C d’inclinaison de première saturation moteur est nécessairement inférieur ou égal à la valeur maximale d’inclinaison prédéterminée Valmax.
Selon l’étape 182, l’angle 0C d’inclinaison de première saturation moteur est mémorisé dans la mémoire 158 et parallèlement ou successivement, selon une étape 184, le dispositif électronique 164 définit l’angle maximal d’inclinaison 6maxt comme égal à cette valeur angle 6C d’inclinaison de première saturation moteur (i.e. emaxt= 0C).
Si la saturation détectée par le dispositif électronique 164 est ultérieure à la première saturation (i.e. t> t0), alors selon une étape 186, l’angle maximal d’inclinaison 6maxt de vol du drone est diminué de la vitesse angulaire de saturation Vsa, en restant supérieur ou égal à la valeur minimale d’inclinaison prédéterminée Valmin.
Autrement dit, tant quo 9max t > Valmin, Qmax t — 9max,t-i — Vsa[, avec 9maxt_i la référence d’angle mémorisée dans la mémoire 158 à une itération précédente. La référence d’angle est donc écrêtée (de l’anglais clamping) par la valeur minimal d’inclinaison prédéterminée Valmin.Ainsi, les étapes 174 à 186 tenant compte de l’information ls représentative de l’état de saturation moteur du drone 14 offre la possibilité de mettre en œuvre une saturation de l’inclinaison pour désaturer le ou les moteurs 110.
Avantageusement, l’étape initiale de comparaison 170 de la vitesse horizontale VH au seuil SVh de vitesse horizontale permet notamment de traiter le cas particulier où le drone 14 vole en présence d’un fort vent.
En effet, dans le cas où le drone 14 vole en point fixe mais subit un fort vent (i.e. un vent propre à faire saturer les moteurs alors même que la vitesse horizontale VH du drone est inférieure au seuil SVh de vitesse horizontale), l’activation de la saturation des angles déclenchée selon l’étape 174 ferait se redresser le drone qui dériverait alors avec le vent.
Il est alors préférable de ne pas mettre en œuvre l’étape 174 de de la valeur de l’information ls et les étapes 176 à 186 suivantes qui saturent l’angle d’inclinaison maximal pour permettre une désaturation moteur.
Autrement dit à faible vitesse horizontale VH du drone 14 (VH< SVh) on conserve le comportement existant de l’état de l’art, le drone volant en point fixe, un tel comportement n’est pas risqué dans ce cas précis.
Ainsi à titre d’exemple, selon l’invention en début du vol, l’angle d’inclinaison maximum est à 35°. Le drone peut donc accélérer avec réactivité en termes d’agilité. A un instant t égal par exemple à 191s, au moins un des moteurs est en saturation et l’angle maximum se réduira selon l’étape 186. Par la suite, il se met à réaugmenter lorsque la saturation disparait et ainsi de suite. Il oscille donc en permanence, dans une enveloppe de quelque degrés, par exemple d’environ 15°, encactée entre Valmin et Valmax.
Du point de vue de l’utilisateur 12, un tel comportement du drone 14 n’est visiblement pas détectable car l’amplitude est trop faible pour que l’utilisateur 12 parvienne à le deviner, d’autant plus que le drone 14 est à grande vitesse pendant cette oscillation menant à la désaturation moteur.
Par ailleurs, selon cet exemple, un tel comportement a pour effet que la perte d’altitude du drone est bornée par rapport à sa référence d’altitude en point fixe entre le début et la fin de la désaturation moteur.
Ainsi, selon la présente invention, une stabilisation de la vitesse horizontale est obtenue ce qui permet corrélativement au drone d’être à la frontière de la saturation moteur.
En relation avec les figures 5 et 6, le fonctionnement de l’unité de commande 162 va désormais être expliqué.
L’unité de commande 162 est notamment configurée pour convertir les commandes générées par :
- l’étage 106 de correction de la vitesse angulaire VH,
- le circuit 150 de correction de la vitesse ascensionnelle Vz, et
- le module 152 configuré pour déterminer la vitesse de rotation du ou des moteurs nécessaire pour maintenir le drone 14 en point fixe, en consigne moteur Ω effectivement transmises aux moteurs 110.
En considérant, un exemple où le drone 14 est un quadricoptère muni de quatre rotors 20 (i.e. hélices) actionnés respectivement par quatre moteurs, la consigne moteur rwit
Ω correspond notamment à un vecteur Ω = w2 w3 .w4.
avec wja vitesse de rotation du moteur d’indice i.
Selon la présente invention, la consigne de sortie moteur Ω est obtenue en transformant les consignes d’accélération selon l’axe de poussée du drone et d’accélérations angulaires exprimées sous la forme d’un vecteur de commande :
[Vz~iRef
= #(Ω) avec g une fonction vectorielle obtenue à partir des équations de la dynamique et des paramètres du drone et p,q,r les vitesses angulaires de roulis, tangage et lacet du drone 14.
Le premier avantage de générer des commandes de type Xrs<ef est d’obtenir un contrôleur 108 générique. En effet, on peut considérer en première approche que pour une erreur en angle donnée, contrôleur 108 générique est propre à envoyer la même consigne en accélération angulaire pour la compenser quel que soit le drone à contrôler.
Plus précisément, en relation avec la figure 5, l’unité de commande 162 est configurée tout d’abord pour mettre en œuvre un passage de commande dans le repère de chaque moteur d’indice i.
On note x,, y,, z,, les coordonnées cartésiennes du moteur 110 d’indice i, at et les angles définissant l’orientation du moteur par rapport à l’axe 188 de roulis et l’axe 190 de tangage du moteur 110 d’indice /.
Par ailleurs, on note m la masse du drone, J sa matrice d’inertie et T,= (Tf, Tf, Tf) et r,= (ΓΤ, Γ7, fjZ) les poussées et couples générés par le moteur d’indice i.
Ainsi en projetant sur les différents aces on obtient :
Tf = cos(aj) cos(^)l|Till, Tf = sin(aj) cos(^)l|Till, Tf = sin^f\\Tt||,
Tf = cos(aj) cos(^)H/ill, rf = sin(aj) cos(^) ||Γ; ||, rf = sin(fif ||Γ; ||.
Pour transformer les consignes d’accélération selon l’axe de poussée du drone et d’accélérations angulaires en consigne de sortie moteur Ω on applique la relation Ω = g~r(X^^oùg-1 la fonction de mixage est obtenue à partir des équations de la dynamique et des paramètres du drone connus en eux-mêmes.
Par ailleurs, en relation avec la figure 6, l’unité de commande 162 est également configurée pour saturer les commandes reçues de:
- l’étage 106 de correction de la vitesse angulaire VH,
- le circuit 150 de correction de la vitesse ascensionnelle Vz, et
- le module 152 configuré pour déterminer la vitesse de rotation du ou des moteurs nécessaire pour maintenir le drone 14 en point fixe.
Selon l’invention, les commandes sont saturées de sorte à les maintenir dans un intervalle prédéterminé tout en conservant leur cohérence.
Pour ce faire les commandes reçues sont hiérarchisées selon un ordre de priorité à savoir de la plus prioritaire à la moins prioritaire :
- la commande d’altitude délivrée par le module 152 nécessaire pour contrer le poids du drone en point fixe,
- la commande de tangage, suivie de la commande de roulis,
- la commande de lacet, et
- la commande d’accélération pour atteindre une référence d’altitude.
En d’autres termes, on considère qu’avant tout, le drone doit maintenir son altitude. Pour des questions de stabilité, il doit ensuite tenir ses angles d’assiette. Le tangage est prioritaire devant le roulis car le drone 14 admet a priori le plan contenant l’axe de roulis 38 comme plan de symétrie, mais pas nécessairement le plan contenant l’axe de tangage 36. Ensuite, le lacet est prioritaire devant l’altitude car on arbitrairement selon un mode de réalisation il est privilégié de tenir son cap que ne pas atteindre sa référence d’altitude.
Sans un tel ordre de priorité imposé entre les commandes selon l’invention, les moteurs 110 réaliseraient leur saturation eux-mêmes.
Or, lorsqu’un moteur sature, il n’a pas de notion de priorité des commandes et c’est une combinaison des commandes qui est modifiée, et le drone 14 se retournerait car les commandes en roulis et tangage ont une sensibilité et un temps de réponse plus élevés que les autres commandes.
Afin que la stabilité du drone soit maintenue même lorsque la puissance moteur n’est pas suffisante, les commandes sont donc classées selon l’invention par ordre de priorité et ajoutées dans cet ordre. Fonction des besoins et des limitations des moteurs, la ou les commandes les moins prioritaires sont diminuées afin de ne pas saturer.
Le procédé de saturation de commande mis en œuvre par l’unité de commande 162 est illustré par la figure 6.
Selon une première étape 192, un indicateur (de l’anglais flag) de saturation est incrémenté. Puis au cours d’une étape 194, l’unité de commande 162 vérifie que les commandes de chaque moteurs sont comprises dans un intervalle de saturation prédéterminé.
Dans l’affirmative, selon une étape 196 ces commande de saturation après passage dans le repère moteur tel que décrit précédemment sont transmises sous forme de consigne moteur aux moteurs 110.
Dans le cas contraire, selon une étape 198, l’unité de commande 162 vérifie que la commande totale moteur (i.e. après ajout des commandes classées selon l’ordre précité) moteur par moteur est comprise dans un intervalle de saturation prédéterminé.
Dans l’affirmative pour un moteur donné d’indice i, l’unité de commande 162, selon une étape 200 passe à la vérification 198 du moteur suivant, sinon selon une étape 202, la commande d’indice j parmi les cinq commandes d’altitude délivrée par le module 152, de tangage, de roulis, de lacet, et d’accélération pour atteindre une référence d’altitude sont vérifiées pour déterminer si oui ou non la commande considérée est responsable de la saturation.
Dans la négative, selon une étape 204 on passe au moteur suivant, puis selon une étape 206, il est vérifié que tous les moteurs ont été ainsi testés. Si oui, selon une étape 208, la valeur de l’indicateur est incrémentée et on passe à la commande suivante selon l’ordre de priorité précité. En revanche, si non, on reprend le procédé à l’étape 198 de vérification du moteur suivant.
En revanche, si le résultat de l’étape 202 de vérification de la commande d’indice j est négatif, selon une étape 212, l’indicateur est incrémenté, puis selon une étape 214, l’unité de commande 162 test la mise à zéro de la commande considérée pour évaluer si une telle mise à zéro modifie l’état de saturation du moteur.
Dans l’affirmative cette commande est effectivement mise à zéro selon une étape 216, dans la négative selon une étape 218 on réduit cette commande d’une valeur prédéterminée.
Le procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone tel qu’illustré par la figure 4 permet de rajouter une couche de saturation au-dessus de l’altitude, dont la tâche sera de diminuer les références d’angle de manière à moins se pencher et ralentir jusqu’à disparition de la saturation. On note que le contrôle en angle reste bien prioritaire sur l’altitude dans l’appareil électronique 108 de contrôle des moteurs 110 selon l’invention. C’est uniquement la référence d’angle qui est impactée.
Le procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone permet en outre de supprimer les pertes d’altitudes lors des déplacements à grande vitesse et permet ainsi d’augmenter/diminuer en temps réel et automatiquement l’angle maximal d’inclinaison du drone 14 afin d’avoir un pilotage plus nerveux en basse vitesse tout en s’assurant que le drone 14 ne descendra pas inexorablement vers le sol à haute vitesse.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1.-Procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone (14) à voilure tournante propre à se déplacer dans l’air au moyen d’au moins un rotor (20) actionné par au moins un moteur (110), le procédé étant mis en œuvre par un dispositif électronique (164) d’optimisation, le procédé comprenant, au cours du vol du drone (14), au moins une fois, la détermination (172, 176, 184, 186) d’un angle maximal (0max,t) d’inclinaison du drone en fonction d’une information (ls) représentative de l’état de saturation d’au moins un moteur du drone.
- 2, -Procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone (14) selon la revendication 1, dans lequel la mise en œuvre de la détermination (172, 176, 184, 186) de l’angle maximal (0max,t) d’inclinaison de vol du drone en fonction d’une information (ls) représentative de l’état de saturation dudit au moins un moteur est conditionnée par la valeur de la vitesse de déplacement horizontal du drone.
- 3. -Procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone (14) selon la revendication 2, dans lequel le procédé comprend la comparaison (170) de la vitesse horizontale (VH) de déplacement du drone (14) à un seuil de vitesse prédéterminé (SVh)·
- 4, -Procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone (14) selon la revendication 3, dans lequel :- lorsque la vitesse horizontale (VH) de déplacement du drone est inférieure au seuil de vitesse prédéterminé, l’angle maximal (emaxt) d’inclinaison de vol du drone (14) est égal à une valeur maximale (Valmax) d’inclinaison prédéterminée, et- lorsque la vitesse horizontale (VH) de déplacement du drone est supérieure au seuil de vitesse prédéterminé, la détermination (172, 176, 184, 186) de l’angle maximal (0maxi) d’inclinaison de vol du drone en fonction d’une information (ls) représentative de l’état de saturation dudit au moins un moteur (110) est mise en œuvre.
- 5. - Procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone selon la revendication 4, dans lequel la détermination (172, 176, 184, 186) de l’angle maximal (0max,t) d’inclinaison de vol du drone en fonction d’une information (ls) représentative de l’état de saturation dudit au moins un moteur (110) comprend :à la première saturation moteur détectée au cours du vol du drone (14):- la mesure de l’angle d’inclinaison (0C) de première saturation moteur,- la mémorisation de la valeur d’angle d’inclinaison de première saturation moteur,- la définition de l’angle maximal d’inclinaison de vol du drone comme égal à la valeur d’angle d’inclinaison de première saturation moteur, puis au moins une itération des étapes suivantes tant que la vitesse horizontale de déplacement du drone est supérieure au seuil prédéterminé:- lorsque la valeur de l’information (ls) représentative représente la saturation d’au moins un moteur, l’angle maximal d’inclinaison de vol du drone est diminué de la vitesse angulaire de saturation (Vsat) moteur en restant supérieur ou égal à une valeur minimale d’inclinaison prédéterminée,- lorsque la valeur de l’information (ls) représentative représente l’absence de saturation moteur, l’angle maximal d’inclinaison de vol du drone est augmenté de la vitesse angulaire de désaturation (VDsat) moteur en restant inférieur ou égal à la valeur maximale d’inclinaison prédéterminée.
- 6. - Procédé d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’information (ls) représentative de l’état de saturation d’au moins un moteur du drone est booléenne.
- 7. Programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en oeuvre un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
- 8. Dispositif (164) électronique d’optimisation de l’inclinaison de vol d’un drone (14) à voilure tournante propre à se déplacer dans l’air au moyen d’au moins un rotor (20) actionné par au moins un moteur (110), le dispositif (164) électronique comprenant au moins un module (168) de détermination configuré pour déterminer un angle maximal (smax,t) d’inclinaison du drone en fonction d’une information (ls) représentative de l’état de saturation d’au moins un moteur du drone.
- 9. Appareil (108) électronique de contrôle du ou des moteur(s) (110) d’un drone (14) à voilure tournante propre à se déplacer dans l’air au moyen d’au moins un rotor (20) actionné par au moins un moteur (110), dans lequel l’appareil (108) électronique comprend une unité (162) de commande configurée pour commander séparément chaque moteur du drone, par passage de commande dans le repère dudit moteur et par gestion automatique de la saturation moteur dudit moteur et le dispositif électronique d’optimisation de l’inclinaison de vol selon la revendication 8.
- 10. Drone (14) à voilure tournante, propre à se déplacer dans l’air au moyen d’au 5 moins un rotor (20) actionné par au moins un moteur (110), le drone (14) comprenant au moins un dispositif électronique (164) d’optimisation de l’inclinaison de vol du drone selon la revendication 8.
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