FR3069172B1 - Drone dote de moteurs electriques animant en rotation des helices et fixes par des bras conducteurs d'electricite a une structure centrale - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un drone comportant des moyens de sustentation doté d'hélices et de moteurs électriques exerçant une poussée sur l'air ambiant afin de maintenir le drone en altitude. Ces moyens de sustentation sont reliés par des bras à une structure centrale d'appareil comportant les moyens d'alimentation desdits moteurs. La structure porteuse des bras est métallique et assure la continuité électrique permettant d'alimenter les moteurs à partir des moyens d'alimentation. Les bras sont constitués d'au moins deux conducteurs électriquement isolés l'un de l'autre. De cette manière, le drone est plus léger et la fiabilité est accrue. De plus, cette économie de fils électrique rend l'appareil moins coûteux. Selon un perfectionnement, les conducteurs électriques sont des tubes creux, ce qui leur confère une solidité accrue.

Description

Drone doté de moteurs électriques animant en rotation des hélices et fixés par des bras conducteurs d’électricité à une structure centrale 1. Domaine de l’invention L’invention concerne un drone comportant des moyens de sustentation doté d’hélices et de moteurs électriques fixés par des bras à une structure centrale. L’invention concerne plus particulièrement le fait que les bras sont constitués d’au moins deux conducteurs électriquement isolés l’un de l’autre et permettent d’alimenter les moteurs. 2. Art antérieur

De nos jours, de nombreux engins volants sans pilote et télécommandés sont disponibles. Ces appareils, appelés plus communément des drones, peuvent disposer d’une nacelle accueillant une charge utile adaptée à différents domaines d'applications, par exemple, la défense, la sécurité, la recherche et le sauvetage, l'exploration, la navigation, le transport, la surveillance de scènes, etc. Ces appareils comportent une pluralité de moteurs animant en rotation des hélices possédant un axe vertical. La structure de l’appareil doit être suffisamment solide pour supporter les vibrations des moteurs et éventuellement permettre le transport d’une charge utile, un appareil photographique par exemple.

Les drones sont généralement constitués d’un châssis placé en partie centrale et d’une pluralité de moteurs avec des axes verticaux disposés à une certaine distance autour du châssis, une partie des moteurs tournant dans le sens horaire et l’autre dans le sens antihoraire. En variant la vitesse de certains moteurs, le drone se penche dans la direction où il se déplace. Les moteurs sont rattachés au châssis par des bras généralement droits, à l’aide de boulons et d’écrous. La section des bras dépend de sa longueur et du poids global de l’appareil, il doit être à la fois léger et résistant, et posséder des capacités aérodynamiques et un bel aspect esthétique.

De nos jours, l’alimentation électrique des moteurs est réalisée au moyen de câbles électriques. Les moteurs sont alimentés en énergie par au moins deux conducteurs électriques, et plus généralement trois fils dans le cas des moteurs sans balais qui sont les plus utilisés. Les conducteurs sont reliés à un contrôleur des moteurs, lui-même relié à une source d’énergie électrique qui peut être une batterie ou un convertisseur fournissant tension et courant appropriés. Le rôle du contrôleur des moteurs est d’assurer la commutation électrique des bobinages en vue d’obtenir une rotation des moteurs correspondante à la trajectoire à donner à l’appareil. Le contrôleur des moteurs est généralement placé sur le châssis du drone, il se présente sous la forme d’un circuit électronique doté de bomiers permettant la connexion électrique avec les conducteurs alimentant les moteurs. Dans certains cas, d’autres fils transmettant l’état des moteurs sont connectés au contrôleur, par exemple des conducteurs reliés à des sondes tachymétriques, ou des capteurs de température ou de vibrations.

La nature métallique de l’ensemble de ces câbles leur confère une masse non négligeable. C’est la raison pour laquelle, il existe un réel intérêt à chercher des solutions pour alléger l’appareil. 3. Objectifs de l’invention L’invention apporte une solution qui ne présente pas les inconvénients décrits plus haut, en proposant un drone équipé de moyens lui permettant d’alimenter les moteurs tout en minimisant le poids de l’appareil. 4. Exposé de l’invention

En vue de résoudre au moins les problèmes mentionnés précédemment, la présente invention propose un drone comportant des moyens de sustentation doté d’hélices et de moteurs électriques exerçant une poussée sur l’air ambiant afin de maintenir le drone en altitude. Ces moyens de sustentation sont reliés par des bras à une structure centrale d’appareil comportant les moyens d’alimentation desdits moteurs. La structure porteuse des bras est métallique et assure la continuité électrique permettant d’alimenter les moteurs à partir des moyens d’alimentation. Les bras sont constitués d’au moins deux conducteurs électriquement isolés l’un de l’autre.

De cette manière, les fils alimentant les moteurs sont supprimés ce qui allège la structure et améliore la fiabilité de l’appareil, cette économie de fils électrique rend l’appareil moins coûteux.

Selon un premier mode de réalisation, lesdits au moins deux conducteurs sont des tubes creux. De cette façon, les conducteurs sont plus légers et augmentent ainsi l’autonomie de l’appareil en vol.

Selon un autre mode de réalisation, les moteurs sont connectés à des câbles transmettant des signaux relatifs à leur état de fonctionnement, lesdits câbles passant à l’intérieur du conducteur relié au zéro électrique. De cette manière, les signaux électriques sont mieux protégés des parasites éventuels, les conducteurs creux ayant une fonction de cage de faraday.

Selon un autre mode de réalisation, l’ensemble des conducteurs est entouré d’une gaine thermo rétractable, chaque conducteur étant électriquement isolé de son voisin par une feuille d’isolant, tel que du PTFE. De cette manière, les conducteurs sont solidement serrés les uns à coté des autres.

Selon un autre mode de réalisation, les conducteurs sont solidarisés les uns contre les autres par un écrou et un boulon glissé dans un canon isolant à chaque extrémité, chaque conducteur étant électriquement isolé de son voisin par une feuille d’isolant, tel que du PTFE. De cette manière, les conducteurs sont solidement assemblés les uns aux autres.

Selon un autre mode de réalisation, les conducteurs sont solidarisés entre eux par une feuille d’isolant électrique recouverte sur ses deux faces d’une couche adhésive. De cette manière, le montage des bras est facilité.

Selon un autre mode de réalisation, les bras sont recouverts d’un isolant adhésif de type PTFE. De cette manière, les conducteurs sont parfaitement isolés et l’isolant résiste bien aux éventuels frottements.

Selon un autre mode de réalisation, les conducteurs présentent des épaulements à angles droits s’étendant longitudinalement, les surfaces en contact étant collées entre elles par une résine ou un adhésif possédant une fonction d’isolant électrique. De cette manière, les conducteurs sont mieux immobilisés les uns contre les autres.

Selon un autre mode de réalisation, la surface d’un conducteur en contact avec un autre conducteur possède au moins deux portions inclinées formant un angle entrant, éventuellement droit, et se prolongeant longitudinalement, la surface de l’autre conducteur en contact avec le premier conducteur possédant également au moins deux portions inclinées formant un angle rentrant de même valeur et se prolongeant longitudinalement. De cette manière, les conducteurs sont mieux immobilisés les uns contre les autres.

Selon un autre mode de réalisation, au moins un flanc d’un conducteur possédant une glissière est destiné à coopérer avec un flanc d’un autre conducteur présentant une gorge de même forme, le coulissement de la glissière dans la gorge assurant la solidarisation des conducteurs. De cette manière, les conducteurs sont mieux immobilisés les uns contre les autres. 5. Liste des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation particulier, donné à titre de simple exemple illustratif et non-limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 présente un schéma d’un drone vue de profil montrant les principaux éléments, selon un exemple de réalisation, la figure 2 présente un schéma d’un drone vue du dessus selon un exemple de réalisation, la figure 3 présente une vue en perspective d’un bras comportant trois conducteurs sous la forme de tube creux selon un exemple de réalisation de l’invention,

La figure 4 présente 5 variantes de réalisation de la section d’un bras comportant une pluralité de conducteurs électriques. 6. Description d’un mode de réalisation de l’invention 6.1 Principe général L’invention concerne un drone comportant des moyens de sustentation doté d’hélices et de moteurs électriques exerçant une poussée sur l’air ambiant afin de maintenir le drone en altitude. Ces moyens de sustentation sont reliés par des bras à une structure centrale d’appareil comportant les moyens d’alimentation desdits moteurs. La structure porteuse des bras est métallique et assure la continuité électrique permettant d’alimenter les moteurs à partir des moyens d’alimentation. Les bras sont constitués d’au moins deux conducteurs électriquement isolés l’un de l’autre. De cette manière, l’appareil est allégé et moins coûteux. 6.2 Description d’un mode de réalisation

La FIG.l présente une vue de profil d’un exemple de drone 1 comportant un bâti 2 disposé en partie centrale et supportant à la fois la charge utile et les moyens de contrôle de la navigation. Le bâti supporte une carte de contrôle 3, une source d’alimentation électrique 4, une batterie par exemple, et une pluralité de bras de suspension 5 terminés par des moteurs 6 animant en rotation des hélices 7. Selon un exemple de réalisation, la carte de contrôle 3 comporte les éléments suivants : - une unité centrale associée à un programme, - un module GPS permettant de connaître la position précise du drone, - une centrale inertielle, - un module de communication radio.

La carte de contrôle est alimentée par la batterie 4 et délivre des signaux de commandes vers les moteurs en les alimentant électriquement. Selon les modèles, le drone est équipé de quatre bras 5 à symétrie radiale et autant de moteurs, ou six ou huit bras. Selon une variante, l’ensemble des bras de suspension des moteurs forme un « H », quatre moteurs étant disposés aux extrémités des deux branches parallèle du « H » et deux aux intersections avec la branche de liaison. Le drone peut embarquer une charge utile 8 fixée à une nacelle, cette charge est par exemple un appareil de prise de vues. Le drone dispose de pieds 9 dotés d’amortisseurs à leurs extrémités pour se poser au sol. L’appareil est commandé à distance par une télécommande 10 permettant à un opérateur d’agir sur la trajectoire et pour certains modèles, de recevoir des signaux d’état du fonctionnement de l’appareil. Selon un exemple préféré de réalisation, l’appareil communique en vol par une liaison radio bidirectionnelle avec le boîtier de télécommande 10. L’appareil peut par exemple transmettre des informations telles que : - position obtenue par GPS, ou tout autre système d’émission de signaux de positionnement émis par un point fixe, - vitesse obtenue en analysant l’évolution de la position, - altitude obtenue par GPS ou par une sonde barométrique et des signaux venant de l’accéléromètre, - qualité du signal radio reçu et de la liaison radio en général, - nombre de satellite GPS accessibles ou d’émetteurs pour calculer le positionnement et niveau de réception, - état du drone (charge de la batterie, niveau de vibrations des moteurs,...)

La carte de contrôle 3 reçoit les commandes de navigation émises par la télécommande 10, et calcule les signaux de contrôle à transmettre aux moteurs pour réaliser les mouvements demandés. Le programme exécute aussi des taches de fond comme la stabilisation du drone à l’aide d’une centrale inertielle, et des taches de test. Selon un perfectionnement, les moteurs sont dotés de capteurs 11 pour déterminer leurs bons fonctionnements, par exemple une sonde tachymétrique, un capteur de vibrations ou de température, ... ces capteurs sont reliés à une interface d’entrée de la carte de contrôle 3.

La Fig. 2 présente l’appareil volant vu du dessus selon un exemple de réalisation. Sur cet exemple, les quatre bras 5 sont solidarisés avec le bâti en partie centrale de façon que les directions de chaque bras et de son voisin se coupent à angle droit. Les bras sont fixés au bâti par un système classique de boulons et d’écrous, chaque système de fixation étant isolé les uns avec les autres.

Selon l’invention, les câbles électriques reliant les moteurs à la carte de contrôle qui équipaient précédemment ce genre d’appareils, sont remplacés par des conducteurs rigides constituant les bras 5 de l’appareil. Les moteurs sont ainsi alimentés en énergie par deux conducteurs rigides, et plus généralement trois dans le cas des moteurs sans balais qui sont les plus utilisés. Ces conducteurs sont réalisés en métal, et de façon générale dans un matériau possédant des propriétés mécaniques et électriques pour assurer la résistance mécanique et la conduction du courant électrique, un alliage d’aluminium par exemple ou un alliage de magnésium, et sont de préférence rectilignes. Pour éliminer tout risque de court-circuit, tous les conducteurs rigides constituant un bras sont isolés électriquement les uns aux autres. Selon un mode préféré de réalisation, l’isolant est constitué de PTFE adhésif sur une face, avec une épaisseur utile de PTFE 0.25 mm. Le PTFE est l’acronyme de polytétrafluoroéthylène, appelé également « Téflon » qui est une marque déposée par la société Dupont de Nemours. En collant un adhésif sur chaque conducteur, les PTFE se faisant face, ont obtient une rigidité diélectrique de lkiloVolt, ce qui est largement suffisant compte tenu de la tension fournie par la batterie. De plus, le PTFE ayant un très faible coefficient de frottement, tant statique que dynamique, il n'y a pas d'abrasion des films entre eux.

La liaison mécanique 12 entre les extrémités des bras et le bâti 2 est également électriquement isolée. Une première variante consiste à utiliser une bride en matière isolante formant un U inversé, chaque branche du U se prolongeant par des lèvres s’étendant selon des directions opposées, ces lèvres étant fixées sur le bâti par des boulons. Une autre variante consiste à pratiquer des trous traversant chaque conducteur rigide constituant les bras 5 et à y introduire des boulons isolants qui s’insèrent dans le bâti 2. Cette seconde variante est plus avantageuse car elle permet de glisser une rondelle plate sous la tête de ces boulons qui est ainsi plaquée contre le conducteur et qui lui assure un bon contact électrique. Cette rondelle possède une languette qui est reliée à un câble de connexion soit par soudage, soit à l’aide d’une cosse. Selon une troisième variante, les tubes ne se touchent pas, la lame d’air entre eux joue le rôle d’un isolant électrique.

Selon un perfectionnement, les conducteurs rigides constituant un bras sont des tubes creux ayant une section déterminée. La Lig. 3 présente une vue en perspective d’un bras comportant trois conducteurs 20 sous la forme de tube creux. Selon cet exemple particulièrement simple, les tubes creux ont une section rectangulaire, et sont étroitement solidarisés les uns aux autres en les plaquant sur le coté présentant la plus grande surface. De cette manière, le bras gagne en rigidité tout en assurant la fonction de conduire l’électricité pour alimenter les moteurs. Les tubes creux 20 sont isolés les uns aux autres par une feuille isolante 21, de préférence avec des feuilles de PTLE, en mica ou en Kapton par exemple.

Selon une variante, les conducteurs sont collés entre eux par une résine polyuréthane bi-composant ou époxy, spécifiques au collage du métal qui assure à la fois le collage et l’isolation électrique, ces résines étant chargées éventuellement avec de la silice ou équivalent pour améliorer leur résistance mécanique.

Dans le cas d’une fixation au bâti et au moteur par un système d’écrou et de boulons, un trou est pratiqué à la même hauteur dans chaque extrémité des tubes 20 de façon à glisser un canon isolant 22 à travers l’ensemble des tubes. Un boulon traversant (non représenté sur la Fig. 3) est glissé dans l’entretoise et vient s’insérer dans un trou pratiqué dans un flanc vertical fixé au bâti 2. Un écrou vient serrer l’ensemble. La présence d’un canon isolant suffisamment rigide garantit l’isolation électrique et le non écrasement des parois des conducteurs. De cette manière, le bras 5 est solidement fixé au bâti à une extrémité, et au moteur à l’autre extrémité, de plus tous les tubes sont assemblés les uns avec les autres constituant un bras possédant une rigidité accrue. Bien que les figures décrivent des bras ayant une forme extérieure parallélépipédique, il n’est pas exclu que les bras présentent des sections non rectangulaires, par exemple circulaire ou triangulaire, ou hexagonale, ce qui leur confère un réel intérêt esthétique ou aérodynamique.

Selon une variante de réalisation, les conducteurs sont solidarisés entre eux par une feuille d’isolant électrique recouverte sur ses deux faces à l’aide d’une couche adhésive, assurant ainsi la solidarisation des tubes entre eux.

Le raccordement électrique de chaque tube avec la carte de contrôle 3 s’effectue par une liaison filaire reliée sur chaque tube par des boulons glissés dans des trous transversaux 23. Selon une variante de réalisation, la base 23 du bras constituée par autant de face que de conducteurs est plaquée sur un circuit imprimé, un coté de chaque tube 20 étant en contact avec un plot aménagé sur le circuit imprimé et assurant un contact électrique entre le tube et les pistes du circuit. Les boulons glissés dans les trous transversaux 23 traversent également le circuit imprimé et contribue à la solidarisation des bras avec le bâti.

Selon un perfectionnement, l’ensemble formé par les tubes mis cote à cote est entouré par une enveloppe de maintien formant gaine autour des conducteurs. Avantageusement, cette gaine est thermo rétractable assurant ainsi la rigidité et l’isolation électrique extérieure du bras. Selon un perfectionnement, cette gaine est adhésive. L’épaisseur des tubes creux est calculée pour résister aux contraintes mécaniques et ne pas présenter de résistance significative au passage du courant électrique. Un exemple de calcul permettant de définir l’épaisseur minimale de la paroi de tubes rectangulaires va maintenant être détaillé.

Soit D = 7A/mm2, la densité de courant admissible dans le métal constituant le tube ayant 7 millimètres de largeur et 25 millimètres de longueur, le périmètre P de sa section étant donc de 64 millimètres. Le courant moyen alimentant un moteur de chaque bras est de 7 Ampères, avec un courant en pointe pouvant aller jusqu’à 14 Ampères. L’épaisseur E de la paroi du tube doit respecter la formule suivante : E x P x D <14 Ampères

Le calcul fournit une valeur de E égale à (14) / (64 x 7) = 0,0313 millimètres qui est l’épaisseur minimale des parois des tubes permettant d’assurer une intensité maximale de pointe de 14 A. Une telle finesse n’assure pas une bonne rigidité, de sorte que ce n’est pas le critère électrique qui prévaut dans le calcul de l’épaisseur des parois mais le critère de tenue mécanique. Dans le prototype réalisé, l’épaisseur des tubes est établie à 0,5 millimètres ce qui est largement suffisant pour assurer une excellente conductibilité électrique. En effet, une telle épaisseur autorise des courant d’une intensité maximale de 448 Ampères, qui ne se rencontre quasiment jamais dans le domaine des drones.

La Fig. 4 présente cinq variantes de réalisation de la section d’un bras 5 comportant une pluralité de conducteurs électriques. Le nombre de conducteurs est fonction du nombre de lignes électriques pour l’alimentation des moteurs, en général 2 ou 3. Toute forme de section de conducteurs est possible à condition qu’elle assure à la fois la fonction mécanique et la fonction électrique. Certaines formes, comme celles représentées par les variantes B, C et E visibles sur la Fig. 4, possèdent au moins deux portions inclinées formant un épaulement à angle entrant, éventuellement droit, ces portions s’étendant longitudinalement sur toute la longueur du conducteur. La surface de l’autre conducteur qui lui fait face possède également au moins deux portions inclinées formant un angle rentrant de même valeur et se prolongeant longitudinalement. Ces formes complexes améliorent le blocage des conducteurs entre eux et augmentent la rigidité du bras.

Selon une variante simple de réalisation, l’ensemble des tubes est solidarisé par une gaine thermo rétractable, chaque tube étant séparé de son voisin par une feuille isolante, en PTFE par exemple. Dans le cas de la variante C, les tubes sont solidarisés entre eux par le fait qu’un flanc possède une glissière faisant face à un flanc présentant une gorge de même forme. Cet assemblage coulissant de type queue d’aronde assure une rigidité accrue. Cette variante C n’a donc pas besoin de gaine thermo rétractable

Le moteur et le contrôleur moteur peuvent être reliés aux conducteurs 20 de différentes manières à l’aide de conducteurs électriques attachés par rivetage, vissage, soudage, contact maintenu par pression (lame ressort), ... Selon un perfectionnement, les capteurs 11 envoient à la carte de contrôle 3 des signaux relatifs au fonctionnement des moteurs. Ces signaux sont transmis par des fils électriques qui sont glissés à l’intérieur d’au moins un tube creux. Avantageusement, ces fils passent à l’intérieur du conducteur 20 relié au zéro électrique. De cette manière, ce conducteur protège les signaux transmis des parasites ambiants en formant une cage de faraday qui est reliée au zéro électrique. L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d’être décrits. En particulier, le nombre de conducteurs transmettant l’alimentation électrique des moteurs et/ou des signaux représentatifs de l’état de fonctionnement de ces moteurs est indifférent.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Drone comportant des moyens de sustentation doté d’hélices et de moteurs électriques exerçant une poussée sur l’air ambiant afin de maintenir le drone en altitude, les dits moyens étant reliés par des bras à une structure centrale d’appareil comportant les moyens d’alimentation desdits moteurs, caractérisé en ce que la structure porteuse des bras est métallique et assure la continuité électrique permettant d’alimenter les moteurs à partir des moyens d’alimentation, les bras étant constitués d’au moins deux conducteurs électriquement isolés l’un de l’autre.
2. 2. Drone selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits au moins deux conducteurs sont des tubes creux.
3. 3. Drone selon la revendication 2 caractérisé en ce que les moteurs sont connectés à des câbles transmettant des signaux relatifs à leur état de fonctionnement, lesdits câbles passant à l’intérieur du conducteur relié au zéro électrique.
4. 4. Drone selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’ensemble des conducteurs est entouré d’une gaine thermo rétractable, chaque conducteur étant électriquement isolé de son voisin par une feuille d’isolant, tel que du PTFE.
5. 5. Drone selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les conducteurs sont solidarisés les uns contre les autres par un écrou et un boulon glissé dans un canon isolant à chaque extrémité, chaque conducteur étant électriquement isolé de son voisin par une feuille d’isolant, tel que du PTFE.
6. 6. Drone selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les conducteurs sont solidarisés entre eux par une feuille d’isolant électrique recouverte sur ses deux faces d’un couche adhésive.
7. 7. Drone selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les bras sont recouverts d’un isolant adhésif de type PTFE .
8. 8. Drone selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces en contact des conducteurs sont collées entre elles par une résine polyuréthane bi-composant ou époxy, autorisant le collage du métal et possédant une fonction d’isolant électrique.
9. 9. Drone selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface d’un conducteur en contact avec un autre conducteur possède au moins deux portions inclinées formant un angle entrant, éventuellement droit, et se prolongeant longitudinalement, la surface de l’autre conducteur en contact avec le premier conducteur possédant également au moins deux portions inclinées formant un angle rentrant de même valeur et se prolongeant longitudinalement.
10. 10. Drone selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’au moins un flanc d’un conducteur possédant une glissière est destiné à coopérer avec un flanc d’un autre conducteur présentant une gorge de même forme, le coulissement de la glissière dans la gorge assurant la solidarisation des conducteurs.