FR3080362A1 - Drone a voilure fixe ameliore, procede de commande et d'atterrisage - Google Patents
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Abstract
La présente demande propose un drone (1) à voilure fixe, comportant : - un dispositif de propulsion (30), - au moins un capteur de position du drone, - au moins une gouverne (21), et un calculateur, caractérisé en ce que le calculateur est configuré pour piloter le drone selon un protocole d'atterrissage comprenant : - une phase d'approche d'un point d'atterrissage prédéterminé, - une phase de descente lors de laquelle le calculateur commande chaque gouverne pour que le drone se dirige vers le point d'atterrissage prédéterminé selon une trajectoire présentant une pente comprise entre 25 et 30°, et - une phase de décrochage contrôlé, lors de laquelle le calculateur commande chaque gouverne pour cabrer le drone selon un angle supérieur à 30° adapté pour entrainer son décrochage, jusqu'à l'atterrissage du drone.
Description
DOMAINE DE L’INVENTION
L’invention concerne un drone à voilure fixe, un procédé de commande dudit drone, et un procédé d’atterrissage d’un tel drone.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les drones à voilures fixes sont couramment utilisés pour le survol et l’acquisition de données concernant des zones d’intérêt. Typiquement, de tels drones sont équipés d’une charge utile comprenant un ou plusieurs capteurs capables d’acquérir des données sur les zones survolées, comme par exemple des images. Ces images peuvent ensuite être traitées pour reconstruire une cartographie des zones, ou encore pour extraire des informations désirées. Les zones survolées peuvent être de nature variable : champs ; villes ; voies ferrées ; lignes électriques ; mines, etc.
Classiquement, les petits drones à voilure fixe décollent en étant jetés par un opérateur, et atterrissent sur la partie inférieure du fuselage par glissade, cette partie étant le plus souvent dépourvue de train d’atterrissage.
Afin de limiter autant que possible les chocs au moment de l’atterrissage, qui pourraient endommager le drone ainsi que sa charge utile, il est connu de piloter le drone selon deux protocoles d’atterrissage illustrés schématiquement en figures 1a et 1b.
Sur la figure 1a, un premier protocole d’atterrissage dit linéaire comporte, comme pour l’atterrissage d’un avion, une descente linéaire en pente douce, typiquement de l’ordre de 12°, pour éviter la prise de vitesse. La phase de descente linéaire est déclenchée à environ 300 mètres au sol du point d’atterrissage, ce qui correspond à une altitude initiale de 75 mètres.
Sur la figure 1b, un deuxième protocole d’atterrissage dit courbé comporte une phase de descente à pente relativement forte, par exemple de l’ordre de 20°, suivie d’une phase de descente selon une trajectoire incurvée présentant une pente moyenne plus douce, par exemple 6°, lorsque l’altitude du drone devient inférieure à une altitude prédéterminée, comme 12 mètres dans l’exemple de la figure.
Durant ces atterrissages, l’assiette du drone peut être relevée au dernier moment, par exemple une à deux secondes avant de toucher le sol, pour réduire au maximum la vitesse verticale. Cette dernière étape est appelée arrondi ou flare en anglais.
Ces types d’atterrissage ne sont toutefois pas sans inconvénient, puisque les vitesses horizontale et verticale du drone au moment de toucher le sol peuvent rester relativement importantes (parfois au-delà de 50km/h de vitesse dans l’air, ne prenant pas en compte la vitesse du vent) et occasionner un choc brusque et parfois des dégâts sur le drone et sa charge utile, ainsi qu’un manque de précision à l’atterrissage.
De plus, puisque la phase de descente est réalisée à faible pente, le drone a besoin d’un espace dégagé de grandes dimensions, de l’ordre d’au moins 300 mètres, ce qui réduit les possibilités en matière de point d’atterrissage. Par exemple, il est délicat de poser un drone en ville et un atterrissage dans un champ sera préféré.
On connaît également un modèle de drone à voilure fixe commercialisé par la société Wingtra et capable d’un atterrissage vertical. Ce drone est capable de pivoter à la verticale lors de l’atterrissage pour présenter au moment de toucher le sol une vitesse horizontale nulle et une vitesse verticale faible. Cependant ceci implique d’ajouter un moteur supplémentaire pour le contrôle de l’atterrissage, ce qui réduit à la fois la fiabilité, l’autonomie et la charge utile transportable par le drone, tout en augmentant sa complexité de design et de production, et donc son coût.
De plus, ce protocole d’atterrissage présente généralement une mauvaise résistance au vent.
PRESENTATION DE L’INVENTION
Compte-tenu de ce qui précède, un but de l’invention est de proposer un drone capable d’un atterrissage précis et qui ne dégrade ni la structure du drone, ni sa charge utile.
Un autre but de l’invention est de proposer un drone capable d’atterrir sur des zones de dimensions réduites.
A cet égard, l’invention a pour objet un drone à voilure fixe, comportant :
- un dispositif de propulsion,
- au moins un capteur de position du drone,
- au moins une gouverne, et
- un calculateur, adapté pour recevoir des données de position du capteur de position, et pour commander, en fonction des données de position reçues, le dispositif de propulsion et la position de chaque gouverne, caractérisé en ce que le calculateur est configuré pour piloter le drone selon un protocole d’atterrissage comprenant :
- une phase d’approche d’un point d’atterrissage prédéterminé,
- une phase de descente lors de laquelle le calculateur commande chaque gouverne pour que le drone se dirige vers le point d’atterrissage prédéterminé selon une trajectoire présentant une pente comprise entre 25 et 30°, et
- une phase de décrochage contrôlé, lors de laquelle le calculateur commande chaque gouverne pour cabrer le drone selon un angle supérieur à 30° adapté pour entraîner son décrochage, jusqu’à l’atterrissage du drone.
Avantageusement, le calculateur est adapté pour déclencher la phase de décrochage contrôlé à partir de :
- la détection d’un temps restant avant que le drone touche le sol inférieur à un temps seuil, le temps seuil étant inférieur ou égal à 5 s, de préférence inférieur ou égal à 3 s.
- la détection d’une altitude du drone inférieure à une altitude seuil, ladite altitude seuil étant inférieure ou égale à 5 m, de préférence inférieure ou égale à 3 m,
- la détection d’une distance du drone au point d’atterrissage inférieure à une distance seuil, la distance seuil étant inférieure ou égale à 10 m.
De préférence, le capteur de position du drone présente une fréquence d’acquisition au moins égale à 1Hz, et est un GPS ou un capteur de position relative du drone par rapport au sol choisi parmi le groupe consistant en :
- un capteur à ultrasons,
- un capteur LIDAR,
- une ou plusieurs caméra(s).
Dans un mode de réalisation, le drone comprend en outre une mémoire stockant un modèle du terrain survolé par le drone, et le calculateur est en outre configuré pour déterminer, à partir de données de position transmises par le capteur et du modèle du terrain, une position du drone relativement au point d’atterrissage.
Avantageusement, le drone comporte un fuselage et deux ailes disposées de part et d’autres du fuselage, et comporte deux gouvernes formées respectivement par des élevons positionnés sur un bord de fuite de chaque aile, et dans lequel chaque élevon présente une profondeur, mesurée dans la direction principale du drone, supérieure ou égale à au moins 20% de la corde d’une aile et s’étend sur au moins 90% de la longueur du bord de fuite de l’aile à laquelle il est monté.
Avantageusement, chaque aile comprend à son extrémité une ailette verticale, les ailettes et les ailes sont dimensionnées de manière à ce qu’un volume de stabilisation vertical Vv défini par :
$ ailette ^CG
Vv = —--X-aile Caile où :
^ailette est la surface d’une ailette,
- saiie est la demi-surface alaire du drone,
- Lcg est le bras de levier du centre de gravité de l’aéronef au foyer aérodynamique des ailettes, et caiie est la corde moyenne de l’aile, soit supérieur ou égal à 4%.
Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif de propulsion comprend un moteur et une hélice, le dispositif de propulsion étant réversible pour permettre, dans un premier sens de rotation de l’hélice, la propulsion du drone, et dans un deuxième sens de rotation de l’hélice, un freinage du drone, et le calculateur est en outre configuré pour commander la rotation de l’hélice dans le deuxième sens de rotation lors de la phase de descente, de manière à freiner le drone dans ladite phase.
L’invention a également pour objet un procédé de commande d’un drone à voilure fixe selon la description qui précède, le procédé de commande étant mis en œuvre par le contrôleur du drone, et comprenant :
- la réception de données de position, et
- la commande du dispositif de propulsion et des gouvernes pour mettre en œuvre un protocole d’atterrissage comprenant :
o une phase d’approche d’un point d’atterrissage prédéterminé, o une phase de descente vers le point d’atterrissage, comprenant la commande de chaque gouverne pour que le drone se dirige vers le point d’atterrissage prédéterminé selon une trajectoire présentant une pente comprise entre 25 et 30°, o une phase de décrochage comprenant la commande de chaque gouverne pour cabrer le drone selon un angle supérieur à 30° adapté pour entraîner le décrochage du drone.
L’invention porte également sur un produit programme d’ordinateur comprenant une série d’instructions pour la mise en œuvre du procédé selon la description qui précède, lorsqu’il est mis en œuvre par un calculateur.
L’invention a enfin pour objet un procédé d’atterrissage d’un drone à voilure fixe comprenant :
- une phase d’approche d’un point d’atterrissage prédéterminé,
- une phase de descente lors de laquelle le drone se dirige vers le point d’atterrissage prédéterminé selon une trajectoire présentant une pente comprise entre 25 et 30°, et
- une phase de décrochage contrôlé, jusqu’à l’atterrissage du drone, le drone présentant un angle de tangage lors de la phase de décrochage supérieur à 30°.
Dans un mode de réalisation, la phase de descente est entrecoupée par au moins une phase de décrochage contrôlé additionnelle.
Le drone selon l’invention comprend un contrôleur capable de piloter le drone pour un atterrissage comprenant une phase de descente à pente importante (entre 30 et 35°) puis une phase de décrochage contrôlé, juste avant l’atterrissage. Ce protocole d’atterrissage réduit la distance nécessaire pour l’approche du point d’atterrissage et permet donc d’atterrir sur des zones plus étroites.
De plus, la phase de décrochage contrôlé permet d’atterrir à des vitesses horizontale et verticale quasiment nulles, ce qui permet d’obtenir une grande précision et réduit les risques de dommages à l’atterrissage. Pour encore réduire la vitesse lors de l’atterrissage, la phase de descente est avantageusement mise en œuvre en freinant le drone par inversion du fonctionnement du système de propulsion.
Les gouvernes et les ailettes verticales du drone sont conformées pour mettre en œuvre cette phase de décrochage de la façon la plus stable possible.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels:
Les figures 1a et 1b, déjà décrites, représentent deux protocoles d’atterrissage d’un drone selon l’art antérieur,
Les figures 2a et 2b représentent, respectivement en vue de dessus et de dessous, un drone selon un mode de réalisation de l’invention,
La figure 2c représente en vue de dessus une aile d’un drone selon un mode de réalisation de l’invention,
La figure 3 représente des éléments de commande d’un drone selon un mode de réalisation de l’invention,
La figure 4 représente schématiquement un protocole d’atterrissage mis en œuvre par le drone.
La figure 5 représente schématiquement deux angles d’inclinaison des gouvernes en fonction des phases d’atterrissage.
La figure 6 représente un comparatif des gabarits d’approche d’un drone selon l’invention et d’un drone mettant en œuvre les protocoles d’atterrissage des figures 1 a et 1 b.
DESCRIPTION DETAILLEE D’AU MOINS UN MODE DE REALISATION
Drone à voilure fixe
En référence aux figures 2a et 2b, on va maintenant décrire un drone à voilure fixe 1 selon un mode de réalisation de l’invention. Ce drone 1 comporte un fuselage 10 et deux ailes 20 fixes, s’étendant de part et d’autre du fuselage dans la continuité de celui-ci.
Par « ailes fixes >> ou « voilure fixe >> on entend qu’aucun mouvement des ailes par rapport au fuselage n’est nécessaire pour la sustentation du drone, par opposition à des voilures tournantes comme par exemple dans les hélicoptères. Cela n’exclut donc pas qu’une aile puisse subir des déformations en fonction des contraintes appliquées sur celle-ci ou puisse être démontées pour le transport.
Le drone comprend en outre au moins une gouverne 21, adaptée pour contrôler la position du drone en tangage, c’est-à-dire selon l’axe transversal du drone représenté Y sur la figure 1, en roulis, c’est-à-dire selon l’axe longitudinal du drone noté X sur la figure 1, et en lacet, c’est-à-dire selon un axe Z orthogonal aux deux premiers, cet axe étant sensiblement vertical lorsque le drone s’étend horizontalement.
Avantageusement, le drone comprend deux gouvernes 21, chaque gouverne étant formée par un élevon, c’est-à-dire un volet mobile porté sur le bord de fuite d’une aile 20. L’angle formé par chaque élevon par rapport à l’aile 20 sur laquelle il est monté est contrôlé par un bras articulé 22 dont le déplacement est commandé par un servomoteur 23 (figure 3).
En variante (non représentée), les gouvernes pourraient être portées par un empennage arrière du drone.
Afin de pouvoir mettre en œuvre le protocole d’atterrissage décrit ci-après, les élevons présentent avantageusement une profondeur, mesurée dans la direction principale du drone, supérieure ou égale à au moins 20 % de la corde de l’aile, la corde étant la distance entre le bord d’attaque et le bord de fuite. De plus, chaque élevon s’étend préférablement sur au moins 90% de la longueur du bord de fuite de l’aile à laquelle il est monté.
Chaque élevon est articulé par rapport au bord de fuite de l’aile à laquelle il est monté, avec une possibilité de déflexion par rapport au plan de l’aile d’au moins 30° au-dessus du plan de l’aile. Avantageusement, mais facultativement, chaque élevon présente aussi une possibilité de déflexion par rapport au plan de l’aile d’au moins 10°en dessous du plan de l’aile.
En outre, chaque aile 20 du drone 1 est avantageusement terminée par une ailette verticale 24, communément appelée par le terme anglais winglet. Ces ailettes 24 améliorent la stabilité et le contrôle en lacet du drone. Les ailes et les ailettes sont symétriques par rapport à l’axe X longitudinal du drone.
Chaque ailette comprend une base 240 solidaire de l’extrémité de l’aile 20, et un sommet 241 opposé à la base. Avantageusement, la géométrie des ailettes est configurée pour conférer au drone une stabilité maximale, y compris pendant une phase de décrochage comme décrit ci-après. A cet égard, et en référence à la figure 2c qui représente une vue de dessus schématisée d’une aile, chaque ailette présente une hauteur et une profondeur (longueur du sommet) importantes relativement à la taille de l’aile. On définit un volume de stabilisateur vertical Vv tel que :
$ ailette ^CG Vv = —--X-aile Caile
Où :
^ailette est la surface d’une ailette,
- saiie est la demi-surface alaire de l’aéronef, la surface alaire étant classiquement définie par la surface totale des deux ailes, y compris les surfaces mobiles (élevons), et la surface du fuselage.
- Lcg est le bras de levier du centre de gravité de l’aéronef au foyer aérodynamique des ailettes, en d’autres termes la distance entre la position G selon l’axe X du centre de gravité du drone et la position F selon l’axe X du foyer aérodynamique de l’ailette (représenté schématiquement pas une croix), et
- caile est la corde moyenne de l’aile (considérée sans les élevons). Avantageusement, les ailettes sont dimensionnées de sorte que le volume de stabilisateur vertical Vvsoit supérieur ou égal à 4%.
Le drone 1 comprend en outre un dispositif de propulsion 30 comprenant typiquement un moteur 31 et une hélice 32. Le moteur 31 est avantageusement réversible pour permettre la rotation de l’hélice 32 dans un premier sens assurant la propulsion du drone et dans un deuxième sens, opposé au premier, assurant le freinage du drone.
En référence à la figure 2b et à la figue 3, le drone 1 comporte en outre au moins un capteur de position 40 du drone. Le capteur de position 40 peut être un capteur de la position absolue du drone, par exemple un capteur de position par GPS.
En variante, le capteur 40 peut être un capteur de la position relative du drone, et notamment un capteur de la distance du drone par rapport au sol. Ce capteur peut par exemple être un capteur à ultrasons, un capteur de type LIDAR, ou encore une caméra avec une fonctionnalité de détection de distance.
Ce capteur 40 est alors positionné sous le fuselage, avec une orientation fixe par rapport au drone. Le capteur de distance peut être orienté au nadir ou être orienté vers l’avant par rapport au nadir dans la direction principale du drone, en présentant une inclinaison par rapport au nadir de préférence inférieure à 30°, et plus préférablement inférieure à 15°.
De plus, le capteur est avantageusement adapté pour acquérir des données de position du drone à une fréquence au moins égale à 1 Hz, et de préférence d’au moins 20 Hz, par exemple de 30 Hz.
En variante, plusieurs capteurs de position peuvent être utilisés pour obtenir une meilleure précision dans les données de position acquises. Par exemple, on pourrait également exploiter, en plus des données fournies par le capteur de position 40, des données acquises par un capteur intégré à la charge utile du drone.
Enfin le drone 1 comporte un calculateur 50 adapté pour piloter automatiquement le drone 1 en fonction des données de position acquises et transmises par le capteur 40. A cet égard, le calculateur 50 est adapté pour contrôler les gouvernes 21 du drone (en contrôlant les servomoteurs actionnant les gouvernes) ainsi que le moteur 31 du dispositif de propulsion 30.
Avantageusement, mais facultativement, le calculateur 50 est en outre adapté pour détecter une panne du capteur de position 40, par exemple en comparant les données fournies par le capteur de position à des données attendues, ou en suivant l’évolution des données fournies par le capteur pour estimer leur vraisemblance (par exemple de brusques discontinuités dans les valeurs de position peuvent révéler un dysfonctionnement du capteur). Le capteur de position 40 peut également être configuré pour transmettre au calculateur un signal d’autodiagnostic permettant d’informer le calculateur 50 d’une panne.
Le calculateur 50 est par exemple un microcontrôleur. En variante, il peut s’agir d’un processeur, un microprocesseur, un circuit logique programmable de type FPGA ou équivalent, etc. Le calculateur 50 peut être adapté pour exécuter des instructions stockées dans une mémoire embarquée 51 pour mettre en œuvre le pilotage du drone.
Avantageusement, mais facultativement, le drone peut comprendre des capteurs additionnels permettant une plus grande précision dans son contrôle, tels que par exemple des capteurs inertiels 61 tels que des gyroscopes et des accéléromètres, et une sonde Pitot 62 pour mesurer la vitesse dans l’air du drone.
Protocole d’atterrissage
Comme représenté sur la figure 3, le calculateur 50 est adapté pour commander le dispositif de propulsion 30 et les gouvernes 21 pour mettre en œuvre le protocole d’atterrissage décrit ci-après. De préférence, le calculateur 50 met en œuvre une boucle d’asservissement permettant à chaque instant de comparer l’attitude du drone à une attitude de consigne et corriger l’attitude en fonction du résultat de la comparaison.
En référence à la figure 4, on a représenté schématiquement les principales étapes d’un protocole d’atterrissage mis en œuvre par le drone.
Le protocole d’atterrissage comporte une phase d’approche 100 d’un point d’atterrissage prédéterminé. Cette phase d’approche 100 permet de s’approcher du point d’atterrissage prédéterminé selon une trajectoire adaptée pour pouvoir ensuite mettre en œuvre les phases suivantes. De plus, la phase d’approche 100 permet avantageusement de positionner à une altitude prédéterminée pour la mise en œuvre des phases suivantes. L’altitude prédéterminée est avantageusement inférieure à 100 mètres, par exemple comprise entre 50 et 80 mètres, par exemple égale à 60 ou 70 mètre.
Selon un exemple, dans la phase d’approche, le drone peut suivre une trajectoire s’étendant selon une droite présentant un angle d’inclinaison avec l’horizontale, ci-après désigné par le terme de «pente», de moins de 10°, de préférence de moins de 5°, jusqu’à atteindre l’altitude prédéterminée.
Selon un autre exemple, la phase d’approche peut comprendre une phase dite d’approche stationnaire 110, où le drone effectue une trajectoire hélicoïdale autour d’un point au sol fixe, pour diminuer progressivement de l’altitude jusqu’à atteindre l’altitude prédéterminée, puis une phase d’approche à altitude constante 120, visant à rapprocher le drone du point d’atterrissage et à le positionner pour les phases suivantes.
Le protocole d’atterrissage comporte ensuite une phase de descente 200, au cours de laquelle le calculateur 50 commande le drone pour descendre vers le point d’atterrissage avec une trajectoire présentant une pente d’au moins 20°, de préférence comprise entre 25 et 30°, par rapport à l’horizontale. Cette phase de descente peut être avantageusement mise en œuvre en opérant un freinage du drone en inversant le sens de rotation de l’hélice et donc la poussée du moteur. Lors de cette phase, l’angle d’incidence (assiette en tangage) de l’aéronef peut avantageusement être adapté par le calculateur 50 en fonction de la vitesse du vent estimée par le calculateur 50 de façon à obtenir une pente de descente conforme à une consigne préprogrammée.
Le calculateur 50 détermine le moment de déclenchement de la phase de descente 200 et la trajectoire lors de cette phase, c’est-à-dire en particulier la valeur de la pente, de sorte que le point d’atterrissage prédéterminé se trouve sur la trajectoire du drone lors de cette phase, c’est-à-dire que le point de contact avec le sol du drone selon cette trajectoire comporte le point d’atterrissage prédéterminé. En particulier, si la valeur de la pente de descente est prédéterminée, par exemple égale à 25°, le calculateur 200 détermine la position du drone permettant d’atteindre le point d’atterrissage lors de la phase de descente 200 et déclenche cette phase en fonction des données fournies par le capteur de position du drone.
Le protocole d’atterrissage comporte enfin une phase de décrochage partiel contrôlé 300 également désigné parfois sous la terminologie anglais de « deep stall >>, lors de laquelle le calculateur commande les gouvernes pour incliner suffisamment le drone pour que celui-ci s’étende sensiblement orthogonalement à sa direction de déplacement, et décroche. Typiquement, le drone présente dans cette phase un angle de tangage compris entre 30 et 40°, par exemple de l’ordre de 30 à 35°.
En référence à la figure 5, on a représenté schématiquement une vue en coupe transversale d’une aile. L’adoption de cette inclinaison du drone est permise par un passage rapide d’une déflection neutre des gouvernes 21 selon un angle a1 typiquement compris entre 0 et 10°, et pour lequel le drone présente une assiette nulle, à un très fort angle de déflection a2, typiquement supérieur à 30°. Ce passage est réalisé rapidement, typiquement entre un dixième de seconde et une seconde.
Cette phase permet d’obtenir un freinage aérodynamique du drone maximal, afin d’atterrir à vitesse horizontale nulle et vitesse verticale quasiment nulle.
Du fait de la perte de portance du drone lors de cette phase, celle-ci est mise juste avant l’atterrissage. Pour ce faire, le calculateur 50 peut déclencher le passage en phase de décrochage 300 en fonction de la position du drone relativement au point d’atterrissage, et avantageusement en fonction aussi de la vitesse du drone.
Ainsi, dans un mode de réalisation préféré, la zone d’approche Z est définie par un seuil de temps avant atterrissage Tseuii, inférieur ou égal à 5 secondes, par exemple égal à 1 à 3 secondes.
Dans ce cas, le calculateur 50 détermine, à partir de l’altitude h du drone, fournie par le capteur de position, et à partir de la vitesse verticale vz du drone, pouvant être fournie par les capteurs inertiels, un temps estimé avant l’atterrissage 1.1 est fourni par : h/vz.
Si le temps t est inférieur au temps seuil Tseuii, alors la phase de décrochage 300 est déclenchée.
Dans un deuxième mode de réalisation, la zone d’approche est définie par une distance du drone relativement au point d’atterrissage. Dans ce cas, le calculateur 50 détermine, à partir des données du capteur, que la distance du drone (distance absolue ou distance horizontale) par rapport au point d’atterrissage est inférieure à une distance prédéterminée, cette distance étant inférieure ou égale à 10 m par exemple égale à 2 mètres, et commande l’entrée dans la phase de décrochage.
Selon une autre variante encore, la zone d’approche Z est définie par une altitude seuil du drone. Dans ce cas, le calculateur détecte que l’altitude du drone est inférieure ou égale à l’altitude seuil, cette altitude seuil étant par exemple inférieure ou égale à 5 m, de préférence inférieure ou égale à 3m, et commande l’entrée dans la phase de décrochage.
Avantageusement, mais facultativement, les informations de position reçues par le calculateur et utilisée pour commander l’entrée dans la phase 200 de descente ou dans la phase 300 de décrochage peuvent être croisées avec un modèle de terrain préenregistré dans une mémoire (par exemple la mémoire 51), pour une meilleure précision des données de position.
Le moment optimal de transition de la phase de descente à la phase de décrochage peut aussi tenir compte de la vitesse du vent afin d’obtenir une meilleure précision pour l’atterrissage. La vitesse du vent peut par exemple être calculée par un station météo au sol et transmise au drone pendant le vol, ou être saisie manuellement par un opérateur avant le vol, ou encore être déterminée à partir de la position absolue du drone d’une part, estimée par exemple grâce à un capteur de position GPS, et une estimation de la vitesse du drone dans l’air d’autre part, pouvant provenir d’une sonde Pitot ou déduite des commandes fournies au moteur.
En référence à la figure 6, on a représenté une comparaison des trajectoires T1, T2 et T3 correspondant respectivement à :
La trajectoire T1 du protocole d’atterrissage linéaire selon l’art antérieur,
La trajectoire T2 du protocole d’atterrissage courbé selon l’art antérieur et,
La trajectoire T3 selon l’invention.
Sur cette figure, l’altitude du drone est représentée en ordonnée, et la distance, mesurée par rapport au point d’atterrissage, est représentée en abscisse.
On constate que les deux trajectoires T1 et T2 nécessitent une surface bien dégagée, car elles induisent une altitude basse dès des distances au point d’atterrissage importantes (par exemple 30m de haut 100m avant le point d’atterrissage). En revanche la trajectoire T3 permet de conserver une altitude relativement élevée jusqu’à une faible distance du point d’atterrissage (par exemple 60m de haut à 100m de distance horizontale), permettant ainsi de se poser malgré des obstacles plus hauts et/ou plus près du point d’atterrissage.
Selon un mode de réalisation particulier, la phase de descente 200 peut également être entrecoupée par des phases de décrochage contrôlé 300, notamment dans le cas où le dispositif de propulsion n’est pas réversible et ne permet donc pas de freiner le drone. Dans ce cas, ce sont les phases de décrochage contrôlé mises en œuvre pendant entre deux phases de descente 200 qui permettent au drone de freiner suffisamment pour un atterrissage précis à vitesse nulle à l’issue de la dernière phase de décrochage. Ces phases de décrochage sont mises en œuvre pendant un temps limité, typiquement inférieur à 5 10 secondes, pour éviter une perte de contrôle du drone.
La stabilité durant la phase de descente 200 et la phase de décrochage contrôle 300, et en particulier dans les phases de décrochage, est facilitée par la forme du drone décrite ci-avant, et notamment par celle des ailettes 24. De plus, durant chaque phase du protocole d’atterrissage, le calculateur peut corriger 10 l’attitude du drone pour maintenir sa stabilité en fonction de données de navigation fournies par des capteurs inertiels 61 et par la sonde Pitot 62, la correction étant réalisée par un ajustement de la commande du moteur et de l’inclinaison des gouvernes. Le calculateur 50 peut également interrompre le protocole d’atterrissage en cas de détection d’un dysfonctionnement dans le capteur de position, pour 15 éventuellement déclencher un atterrissage par une approche à faible pente suivie d’un arrondi final.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Drone (1 ) à voilure fixe, comportant :- un dispositif de propulsion (30),- au moins un capteur (40) de position du drone,- au moins une gouverne (21), et- un calculateur (50), adapté pour recevoir des données de position du capteur de position (40), et pour commander, en fonction des données de position reçues, le dispositif de propulsion (30) et la position de chaque gouverne (21 ), caractérisé en ce que le calculateur (50) est configuré pour piloter le drone selon un protocole d’atterrissage comprenant :- une phase d’approche (100) d’un point d’atterrissage prédéterminé,- une phase de descente (200) lors de laquelle le calculateur (50) commande chaque gouverne (21) pour que le drone se dirige vers le point d’atterrissage prédéterminé selon une trajectoire présentant une pente comprise entre 25 et 30°, et- une phase de décrochage contrôlé (300), lors de laquelle le calculateur (50) commande chaque gouverne (21) pour cabrer le drone selon un angle supérieur à 30° adapté pour entraîner son décrochage, jusqu’à l’atterrissage du drone.
- 2. Drone à voilure fixe (1) selon la revendication 1, dans lequel le calculateur (50) est adapté pour déclencher la phase de décrochage contrôlé (300) à partir de :- la détection d’un temps restant avant que le drone touche le sol inférieur à un temps seuil, le temps seuil étant inférieur ou égal à 5 s, de préférence inférieur ou égal à 3 s.- la détection d’une altitude du drone inférieure à une altitude seuil, ladite altitude seuil étant inférieure ou égale à 5 m, de préférence inférieure ou égale à 3 m,- la détection d’une distance du drone au point d’atterrissage inférieure à une distance seuil, la distance seuil étant inférieure ou égale à 10 m.
- 3. Drone à voilure fixe (1) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le capteur de position (40) du drone (1) présente une fréquence d’acquisition au moins égale à 1 Hz, et est un GPS ou un capteur de position relative du drone par rapport au sol choisi parmi le groupe consistant en :- un capteur à ultrasons,- un capteur LIDAR,- une ou plusieurs caméra(s).
- 4. Drone à voilure fixe (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre une mémoire stockant un modèle du terrain survolé par le drone, et dans lequel le calculateur (50) est en outre configuré pour déterminer, à partir de données de position transmises par le capteur (40) et du modèle du terrain, une position du drone (1) relativement au point d’atterrissage.
- 5. Drone à voilure fixe (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le drone (1) comporte un fuselage (10) et deux ailes (20) disposées de part et d’autres du fuselage, et comporte deux gouvernes (21) formées respectivement par des élevons positionnés sur un bord de fuite de chaque aile, et dans lequel chaque élevon (21) présente une profondeur, mesurée dans la direction principale du drone (X), supérieure ou égale à au moins 20% de la corde d’une aile et s’étend sur au moins 90% de la longueur du bord de fuite de l’aile à laquelle il est monté.
- 6. Drone à voilure fixe (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque aile (20) comprend à son extrémité une ailette verticale (24), les ailettes et les ailes étant dimensionnées de manière à ce qu’un volume de stabilisation vertical Vv défini par :$ ailette [“CGVv = —--X-aile Caile où :^ailette est la surface d’une ailette,- saiie est la demi-surface alaire du drone,- Lcg est le bras de levier du centre de gravité de l’aéronef au foyer aérodynamique des ailettes, et- caae est la corde moyenne de l’aile, soit supérieur ou égal à 4%.
- 7. Drone à voilure fixe (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de propulsion (30) comprend un moteur (31) et une hélice (32), le dispositif de propulsion (30) étant réversible pour permettre, dans un premier sens de rotation de l’hélice, la propulsion du drone, et dans un deuxième sens de rotation de l’hélice, un freinage du drone, et dans lequel le calculateur (50) est en outre configuré pour commander la rotation de l’hélice (32) dans le deuxième sens de rotation lors de la phase de descente (200), de manière à freiner le drone dans ladite phase.
- 8. Procédé de commande d’un drone (1) à voilure fixe selon l’une des revendications précédentes, le procédé de commande étant mis en oeuvre par le contrôleur du drone, et comprenant :- la réception de données de position, et- la commande du dispositif de propulsion (30) et des gouvernes (21) pour mettre en oeuvre un protocole d’atterrissage comprenant :o une phase d’approche (100) d’un point d’atterrissage prédéterminé, o une phase de descente (200) vers le point d’atterrissage, comprenant la commande de chaque gouverne (21) pour que le drone (1) se dirige vers le point d’atterrissage prédéterminé selon une trajectoire présentant une pente comprise entre 25 et 30°, o une phase de décrochage (300) comprenant la commande de chaque gouverne (21) pour cabrer le drone selon un angle supérieur à 30“adapté pour entraîner le décrochage du drone.
- 9. Produit programme d’ordinateur comprenant une série d’instructions pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication précédente, lorsqu’il est mis en oeuvre par un calculateur (50).
- 10. Procédé d’atterrissage d’un drone à voilure fixe comprenant :- une phase d’approche (100) d’un point d’atterrissage prédéterminé,- une phase de descente (200) lors de laquelle le drone se dirige vers le point d’atterrissage prédéterminé selon une trajectoire présentant une pente comprise entre 25 et 30°, et5 - une phase de décrochage contrôlé (300), jusqu’à l’atterrissage du drone, le drone présentant un angle de tangage lors de la phase de décrochage supérieur à 30°.
- 11. Procédé d’atterrissage selon la revendication 10, dans lequel la phase de 10 descente (200) est entrecoupée par au moins une phase de décrochage contrôlé additionnelle.
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|---|---|---|---|
| FR1853503A FR3080362B1 (fr) | 2018-04-20 | 2018-04-20 | Drone a voilure fixe ameliore, procede de commande et d'atterrisage |
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| CN111240348A (zh) * | 2020-01-22 | 2020-06-05 | 西安爱生无人机技术有限公司 | 基于运动基座的无人机降落控制方法、计算机可读存储介质及控制设备 |
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| CN111240348B (zh) * | 2020-01-22 | 2023-05-26 | 西安爱生无人机技术有限公司 | 基于运动基座的无人机降落控制方法、计算机可读存储介质及控制设备 |
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