WO2021245054A1 - Drone modulaire multi-mission amélioré - Google Patents

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WO2021245054A1
WO2021245054A1 PCT/EP2021/064615 EP2021064615W WO2021245054A1 WO 2021245054 A1 WO2021245054 A1 WO 2021245054A1 EP 2021064615 W EP2021064615 W EP 2021064615W WO 2021245054 A1 WO2021245054 A1 WO 2021245054A1
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WO
WIPO (PCT)
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rail
base
supply bus
module
drone
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/064615
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English (en)
Inventor
Nicolas GARBAY
Original Assignee
Thales
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Publication date
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60F—VEHICLES FOR USE BOTH ON RAIL AND ON ROAD; AMPHIBIOUS OR LIKE VEHICLES; CONVERTIBLE VEHICLES
    • B60F5/00—Other convertible vehicles, i.e. vehicles capable of travelling in or on different media
    • B60F5/02—Other convertible vehicles, i.e. vehicles capable of travelling in or on different media convertible into aircraft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C37/00—Convertible aircraft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U20/00—Constructional aspects of UAVs
    • B64U20/40—Modular UAVs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/10—Propulsion
    • B64U50/19—Propulsion using electrically powered motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
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    • B64U2101/30—UAVs specially adapted for particular uses or applications for imaging, photography or videography
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to that of modular multi-mission drones.
  • document FR 3,073,678 A1 discloses a modular drone comprising a body and a set of arms, this set being chosen from among a plurality of possible sets of arms.
  • a set has four arms.
  • An arm is intended to be removably mounted on a base provided on the body of the drone.
  • An arm has a motor and a rotor driven by this motor.
  • An arm of one set differs from an arm of another set in the geometry of the rotor it is equipped with.
  • the body carries at least one current source to provide electrical power suitable for the motors of the arms attached to the body, as well as a processor for controlling / controlling the motors of the arms equipping the drone.
  • the interface for connecting an arm to the body of the drone is particularly complex, electrically and mechanically.
  • modularity refers to the possible choice between arms carrying different rotors. But, in all cases, these are the means of propulsion for movement in the air. This drone therefore does not have great versatility since it ultimately remains an aerial drone. It is therefore not a multi-mission drone, that is, one that can be configured to perform air or land or amphibious missions.
  • UAV for “Unmanned Aerial Vehicle” in the air
  • UGV for “Unmanned Ground Vehicule” on the ground
  • USV for “Unmanned Surface Vehicule” on the seas
  • UUV for “Unmanned Underwater Vehicule” under the sea.
  • the aim of this invention is to solve this problem.
  • the invention relates to a modular multi-mission drone comprising a central module and a configuration module, characterized in that a connection interface between the central module and the configuration module consists of the association: d 'a rail, on the side of the central module, the rail comprising a power supply bus consisting of a phase track and a neutral track, arranged on the surface of the rail, parallel to one another, in a direction longitudinal rail, the supply bus being connected on the one hand to electrical energy storage means on board the central module to provide electrical power and on the other hand to control / command means suitable for communication by line carrier current with the configuration module; and a base, on the side of the configuration module, the base comprising: a groove having a shape complementary to that of the rail so as to mechanically couple the configuration module to the central module by inserting the rail into the groove, a means sensor for collecting the current flowing on the rail supply bus, comprising a phase contact and a neutral contact suitable for being kept in electrical contact respectively with the phase track and the neutral track of the supply bus of the rail
  • the drone has one or more of the following characteristics, taken in isolation or according to all the technically possible combinations:
  • the base comprises a locking means making it possible to block the base in position along the rail.
  • the rail is provided with pairs of notches, the base locking means comprising retractable lugs suitable for cooperating with a pair of notches to hold the base in position along the connection rail.
  • the rail has a second power bus similar to the first power bus and redundant the first power bus.
  • the base comprises a plurality of mechanical, electrical and / or data connectors for associating the base with a payload, the base and the payload thus associated forming the configuration module.
  • the base comprises a plurality of data connectors, each data connector relating to a particular type selected from among the formats HDMI, USB, I2C and CANBus.
  • the rail power bus is connected to a central module power bus, the central module comprising: a communication unit between the control / command means and the central module power bus; and a converter between the energy storage means and the power supply bus of the central module.
  • control / command means are suitable for initializing a configuration of the drone.
  • the rail is a profile of substantially trapezoidal section, the groove of the base having a complementary shape.
  • the sensing means comprise a phase contact and a neutral contact (58) intended respectively to come into contact with the phase track and the neutral track (48) of the rail power bus.
  • FIG. 1 is an illustration of a first configuration of a modular multi-mission drone according to the invention
  • FIG. 2 is an illustration of a second configuration of the drone in figure
  • FIG. 3 is a schematic representation of a central module of the drone of Figures 1 and 2;
  • FIG. 4 is a representation of a constituent rail, central module side, of a connection interface between a configuration module and the central module of the drone;
  • FIG. 5 is a representation of a constituent base, on the configuration module side, of the connection interface between a configuration module and the central module;
  • FIG. 6 is a schematic representation in the form of bocs of the connection interface for the association of a configuration module on the central module.
  • FIG. 1 is an artist's view of a first configuration 10 of a modular multi-mission drone according to the invention allowing it to fulfill missions of the terrestrial reconnaissance type.
  • a central module 1 is configured by adding five configuration modules. These are four propulsion modules, 11, 12, 13 and 14, and an image acquisition module 15.
  • Each propulsion module has a base, a motor and a wheel, which is driven by the motor.
  • the motor is for example housed in the rim of the wheel.
  • the wheel is fitted with a tire, preferably wide and having significant relief, allowing the drone 10 to move over rough terrain.
  • the image acquisition module comprises a base, a mast, preferably rotatable through 360 °, and, at the end of this mast, an optical camera, for example orientable relative to the direction of the mast.
  • FIG. 2 is an artist's view of a second configuration of the modular multi-mission drone of FIG. 1, allowing it to perform missions of the underwater maritime reconnaissance type.
  • the central module 1 common with the first configuration 10 shown in FIG. 1, is combined with four configuration modules. These are two propulsion modules, 21 and 22, an obstacle detection module 23, and an image acquisition module 24.
  • Each propulsion module has a base, three motors and three propellers, each propeller being driven by a dedicated motor.
  • Two propellers, with axes arranged vertically, are provided at the front and rear of each of the propulsion modules, to allow modification of the drone's attitude and its diving depth.
  • the third propeller, the axis of which is arranged longitudinally, is provided on the side of each of the propulsion modules, to allow the displacement of the drone in a horizontal plane, either forwards, or backwards, or again in rotating in place according to the relative direction of rotation of the propellers of the propulsion modules.
  • the obstacle detection module 23 comprises a base and a sonar-type sensor capable of emitting acoustic waves and receiving echoes returned by any obstacles.
  • the image acquisition module 24 has a pedestal, a kiosk at the top of which is provided a fixed optical camera.
  • Figures 1 and 2 are only illustrative and various other configuration modules can be envisaged to build a drone capable of fulfilling a mission falling, for example, to one or more of the following types: air mission (the configuration module then comprising a rotor, a propeller, etc.), maritime surface mission (the configuration module then comprising a paddle wheel, a submerged propeller, etc.), observation mission (the configuration module then comprising thermal sensors, radar, etc.), handling mission (the configuration module then comprising an articulated arm fitted with a clamp, a winch for picking up, transporting and depositing a load, etc.), attack mission (the configuration module then comprising a weapon system, a device for depositing mines, etc.), etc.
  • air mission the configuration module then comprising a rotor, a propeller, etc.
  • maritime surface mission the configuration module then comprising a paddle wheel, a submerged propeller, etc.
  • observation mission the configuration module then comprising thermal sensors, radar, etc.
  • handling mission the configuration module then comprising an
  • Figure 3 is a perspective view of the central module 1 of the drone of Figures 1 and 2.
  • the central module 1 comprises a housing 2 of substantially parallelepipedal shape.
  • An orthonormal frame XYZ is associated with the box 2, so that the X direction corresponds to a longitudinal direction oriented towards the front of the central module 1, the Y direction corresponds to a transverse direction from right to left of the central module 1, and the Z direction corresponds to a direction orthogonal to the plane defined by the X and Y directions.
  • the Z direction will be called the “vertical” direction for reasons of simplicity, although this direction does not necessarily coincide with the vertical of the place.
  • the housing 2 is preferably waterproof and light, while being mechanically resistant.
  • the central module 1 comprises means for storing electrical energy 3. These means are intended to supply electrical power to both the components of the central module 1, but also the components of the various configuration modules coupled to the central module, in particular the motors and actuators with which these configuration modules can be fitted.
  • the energy storage means 3 include, for example, batteries. Alternatively, it can be fuel cells, supercapacitors, or the like. In yet another variant, the means of supplying the drone with electric power are deported. These can then be laser, wired, etc. devices.
  • the electrical energy storage means 3 are associated with an electrical converter 4.
  • the converter 4 allows the electric energy storage means 3 to be recharged via a current source temporarily connected to a suitable connector 5.
  • the converter 4 makes it possible to regulate the electrical energy flowing on a power supply bus 6 of the central module 1 to supply the various components. It is used to adapt the characteristics of the current on the power supply bus 6. For example, a direct current of 20 V flows on the bus 6.
  • the central module 1 also comprises control / command means 7. It is essentially an on-board computer, which comprises a calculation means, such as a processor, and a control means. storage, such as memory. This stores computer program instructions specific to be executed by the processor. As a variant, the calculation means of the drone are deported. The central module of the drone is then equipped with a communication device (wired or radio) for the exchange of data between the drone and the computing means.
  • a communication device wireless or radio
  • the central unit 1 For communication between the control / command means 7 and a component of a configuration module, the central unit 1 incorporates a communication unit 8 connected between the control / command means 7 and the power supply bus 6.
  • L unit 8 is able to encode (respectively decode) the messages sent by the control / command means 7 to a component (respectively sent by a component to the control / command means 7).
  • Unit 8 uses power bus 6 for message transmission by implementing a line carrier type protocol - CPL. Such a protocol is suitable for high frequency data transmission on a direct current.
  • connection interface between the central module 1 and this configuration module consists of a rail and a base cooperating with each other.
  • the rail is on the side of the central module while the base is on the side of the configuration module. The reverse is possible.
  • the housing 2 of the central module 1 is thus represented as carrying, on its outer surface, six rails:
  • a rail 34 on its upper face for example used in the second configuration to fix the image acquisition module 24;
  • a rail 33 on its front face for example used in the second configuration to fix the obstacle detection module 23;
  • the central module 1 can include a different number of rails.
  • a side face instead of carrying two short rails, can alternatively carry a single rail of greater length.
  • the rail 34 making it possible to configure the central module 1 with the configuration module 24 will be more particularly described. However, a similar description could be made for any other rail and for any other configuration module.
  • the rail 34 is shown in more detail in Figure 4. It is a profile, for example aluminum, of substantially trapezoidal section.
  • the rail is mounted on the housing by a pair of screws 42.
  • the two ridges longitudinally delimiting the large base 43 of the rail 34 are shaped to present a plurality of pairs of notches, 44, 45, arranged at regular intervals along the rail 34.
  • the large base 43 is slightly concave.
  • This bus consists of a phase line 47 and a neutral line 48 running parallel and substantially over the entire length of rail 34.
  • the rail 37 carries a second power supply bus redundant the first bus 46. It is for example made up of a phase line on a lateral face of the rail, near an edge delimiting the small base 41 of the rail, and a neutral line on the other side face of the rail, near the other edge delimiting the small base 41 of the rail. In Figure 4, only a line 47 ’of this second bus is visible.
  • the rail 34 comprises a bad connector 49 suitable for cooperating with a female connector 9 provided on the housing 2, so as to electrically connect the supply bus 6 of the central module 1 with the or each bus rail power supply 34.
  • the configuration module 24 consists of the combination of a standard base 50 and a payload 60.
  • the base 50 is shown in more detail in Figure 5.
  • the base 50 is essentially parallelepiped in shape.
  • the groove 51 is open at at least one of its ends to allow the insertion of the base 50 on the rail 34 by sliding the base along the rail.
  • connection interface is mechanically optimized to both reduce the mechanical clearances between the base and the rail and allow the transmission of vibrations to the rail to be minimized.
  • the form of the connection interface present also the advantage of being adapted to withstand the mechanical forces, and of limiting the accumulation of debris and pollutants, since there is no cavity between the rail and the base.
  • the base 50 comprises locking means comprising a pair of lugs, 54 and 55, adapted to cooperate with a pair of notches, 44, 45, of the rail 34 to lock the base 50 in position. on the rail 34 and therefore the configuration module 24 on the central module 1.
  • the lugs, 54, 55 are retractable inside the base 50, by pressing a button 53, placed on the external surface of the base 50 so as to be easily accessible by an operator during the configuration of the drone by the fixing of the configuration module 24 on the centraM module.
  • Such retractable locking means make it possible to slide the base 50 along the rail 34 to choose the most suitable position of the configuration module 24 relative to the central module 1, in particular to easily adjust the position of the center of gravity of the drone. .
  • the base 50 also comprises a sensing means 56 for sensing the current from the supply bus 46 of the rail 34.
  • the sensing means comprises a phase contact 57 and a neutral contact 58 intended respectively to come into contact with the track. phase 47 and the neutral track 48 of the supply bus 46.
  • the contacts are advantageously elastic to allow the insertion of the rail while establishing a quality electrical contact with its large base 43.
  • the contacts are of leaf spring type. This type of electrical contact has the advantage of having an electrical exchange surface large enough to transmit strong supply currents, to establish a compatible electrical continuity of a data transmission network, but also to ensure good electrical contact despite the mechanical stresses undergone by the connection interface when using the drone, while withstanding many connection / disconnection cycles without damage.
  • the sensing means 56 is electrically coupled to a device 52.
  • the device 52 is suitable for shaping the electrical power collected on the supply bus 46 and for transmitting it, for example, to a motor 62 of the payload 60.
  • the device 52 also constitutes a demodulation stage of the PLC network.
  • the device 52 is thus able to extract by filtering the data signals superimposed on the direct current present on the supply bus 46, to decode them and to transmit the corresponding messages to a processor 61 of the payload 60.
  • the device 52 is able to receive messages from the processor 61 of the payload 60, to code them and to superimpose the data signals corresponding to the direct current.
  • one face of the base 50 preferably that opposite to the face provided with the groove 51, carries a plurality of connectors, mechanical electrical and / or data. These facilitate the association of the base with a payload, such as payload 60.
  • a payload then has one or more connectors, mechanical, electrical and / or data, compatible.
  • the base 50 comprises mechanical connectors 71 making it possible to secure the payload 60 to the base 50.
  • the base 50 has electrical connectors 72 for bringing the electrical power collected on the bus 46 to the payload 60, for example a motor 62 thereof.
  • the base 50 has data connectors 73 allowing the exchange of messages of data collected on the bus 46 to the payload 60, for example a processor 61 thereof.
  • the base 50 comprises data connectors of different types.
  • the base 50 advantageously comprises a connector for an exchange of data according to the formats HDMI, USB, CANBus, I2C, or other known formats.
  • the device 52 of the base 50 is then able to convert the data messages according to the format required by the data connector to which the payload is actually connected.
  • the operator chooses the vectors (configuration modules for the movement of the drone) and the appropriate extensions (configuration module of the sensor or actuator type) and fixes them on the central module.
  • the operator To attach a configuration module, the operator identifies the rail to be used on the central module and inserts the configuration module base along this rail. The operator presses button 53 on the pedestal to allow the pedestal to move along the rail. Once the relative position has been determined, the operator releases button 53 to lock the base in position on the rail, ie the configuration module on the central module.
  • the operator checks that the center of gravity of the drone thus configured is correctly positioned.
  • it adjusts the position of the configuration modules to move the center of gravity, adjusting the position of the base along the corresponding rail.
  • the processor of the control / command means 7 seeks to identify the configuration modules connected. It therefore sends a discovery message on the power supply bus 6.
  • the latter circulates on the power supply buses 46 of the various rails so as to be picked up by the configuration modules present. They respond to this discovery message by the transmission on the supply bus 46 and 6 of an identification message.
  • the identification message may for example include an identifier of the configuration module as well as operating data of this configuration module.
  • the control / command means receives the various identification messages and determines the current configuration of the drone.
  • control / command means is able to pilot the drone by controlling the various configuration modules to fulfill the mission.
  • the architecture of the drone according to the invention is based on a standard connection interface between a central module and a configuration module providing specific functionality.
  • This standardization aims to rationalize the hardware, functions and their controls.
  • This connection interface makes it easy and quick to adapt the drone to any use scenario.
  • the interconnection rail not only ensures communication with the configuration module and / or its power supply from the central module, but also the mechanical resistance of the configuration module to the central module, while allowing the adjustment of their relative position. in order to adjust the center of gravity of the drone. This is essential for managing the attitude of the drone, and managing its balance during its movements, in particular for overcoming obstacles.
  • connection rail and the mating groove on the base also has the advantage of improving the immunity of the electrical contacts to debris, pollutants, liquids or solids, since the contact is made by pressure and not by a plug-in connection. .
  • This principle of current collection can be sealed more easily than a plugged-in connection. In any case, it has a reduced steric bulk, which contributes to the compactness of the drone as a whole.
  • the invention finds immediate application in the development of civilian and military mini-drones.

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Abstract

Drone (20) associant un module central (1) et un module de configuration (24) comportant une interface de connexion, ladite interface étant constituée de l'association : d'un rail (34), ledit rail portant à sa surface un bus d'alimentation, qui est connecté d'une part à des moyens de stockage d'énergie électrique (3) et d'autre part à des moyens de contrôle / commande (7) propres à communiquer par courant porteur de ligne avec le module de configuration; et d'un socle (50), ledit socle comportant une rainure (51 ) présentant une forme complémentaire de celle du rail (34) pour un couplage mécanique, et un moyen de captage (56) pour collecter le courant circulant sur le bus d'alimentation (46) du rail.

Description

Drone modulaire multi-mission amélioré
La présente invention a pour domaine celui des drones modulaires multi-missions.
On connaît des drones présentant une architecture modulaire leur permettant d’être aisément configurés.
Ainsi, par exemple, le document FR 3 073 678 A1 divulgue un drone modulable comprenant un corps et un jeux de bras, ce jeu étant choisi parmi une pluralité de jeux possibles de bras.
Un jeu comporte quatre bras. Un bras est destiné à être monté de façon amovible sur une embase prévue sur le corps du drone. Un bras comporte un moteur et un rotor entraîné par ce moteur. Un bras d’un jeu diffère d’un bras d’un autre jeu par la géométrie du rotor dont il est équipé.
Le corps embarque au moins une source de courant pour fournir une puissance électrique adaptée aux moteurs des bras fixés au corps, ainsi qu’un processeur de contrôle/commande des moteurs des bras équipant le drone.
Dans cet état de la technique, l’interface permettant de connecter un bras sur le corps du drone est particulièrement complexe, électriquement et mécaniquement.
De plus, la modularité s’entend ici du choix possible entre des bras portant des rotors différents. Mais, dans tous les cas, il s’agit de moyens de propulsion pour un déplacement dans l’air. Ce drone ne présente donc pas une grande versatilité puisqu’il reste in fine un drone aérien. Il ne s’agit donc pas d’un drone multi-missions, c’est-à-dire qui peut être configuré pour réaliser des missions aériennes ou terrestres ou amphibies.
Cette limitation se retrouve dans la nature de l’interface entre un bras et le corps, puisque cette interface reste finalement spécifique d’un bras portant un rotor. En particulier, côté corps du drone, cela ne change rien que le drone soit configuré avec tel ou tel jeu particulier de bras.
De manière plus générale, les drones actuels sont spécialisés pour pouvoir évoluer dans un milieu particulier, étant équipés de motricités spécifiques (telles que hélices, roues, chenilles, jambes articulées etc.) : UAV pour « Unmanned Aerial Véhiculé » dans les airs ; UGV pour « Unmanned Ground Véhiculé » au sol ; USV pour « Unmanned Surface Véhiculé » sur les mers ; ou encore UUV pour « Unmanned Underwater Véhiculé » sous la mer. Il y a donc un besoin pour un drone facilement configurable et réellement versatile qu’il puisse réaliser des missions de natures diverses dans des milieux divers, en fonction de la situation rencontrée par l’opérateur.
Le but de cette invention est de résoudre ce problème.
Pour cela l’invention a pour objet un drone modulaire mutli-missions comportant un module central et un module de configuration, caractérisé en ce qu’une interface de connexion entre le module central et le module de configuration est constituée de l’association : d’un rail, du côté du module central, le rail comportant un bus d’alimentation constitué d’une piste de phase et une piste de neutre, disposées sur la surface du rail, parallèlement l’un à l’autre, selon une direction longitudinale du rail, le bus d’alimentation étant connecté d’une part à des moyens de stockage d’énergie électrique embarqués à bord du module central pour fournir une puissance électrique et d’autre part à des moyens de contrôle/commande propres à communiquer par courant porteur de ligne avec le module de configuration ; et d’un socle, du côté du module de configuration, le socle comportant : une rainure présentant une forme complémentaire de celle du rail de manière à coupler mécaniquement le module de configuration sur le module central par insertion du rail dans la rainure, un moyen de captage pour collecter le courant circulant sur le bus d’alimentation du rail, comportant un contact de phase et un contact de neutre propres à être maintenus en contact électrique respectivement avec la piste de phase et la piste de neutre du bus d’alimentation du rail.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le drone comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le socle comporte un moyen de verrouillage permettant de bloquer le socle en position le long du rail.
- le rail est muni de paires d’encoches, les moyens de verrouillage du socle comportant des ergots rétractables propres à venir coopérer avec une paire d’encoches pour maintenir le socle en position le long du rail de connexion.
- le bus d’alimentation étant un premier bus d’alimentation, le rail comporte un second bus d’alimentation similaire au premier bus d’alimentation et redondant le premier bus d’alimentation.
- le socle comporte une pluralité de connecteurs mécaniques, électriques et/ou de données pour l’association du socle avec une charge utile, le socle et la charge utile ainsi associés formant le module de configuration. - le socle comporte une pluralité de connecteurs de données, chaque connecteur de données relevant d’un type particulier sélectionné parmi les formats HDMI, USB, I2C et CANBus.
- le bus d’alimentation du rail est relié à un bus d’alimentation du module centrale, le module centrale comportant : une unité de communication entre les moyens de contrôle/commande et le bus d’alimentation du module centrale ; et un convertisseur entre les moyens de stockage d’énergie et le bus d’alimentation du module centrale.
- les moyens de contrôle/commande sont propre à initialiser une configuration du drone.
- le rail est un profilé de section sensiblement trapézoïdale, la rainure du socle présentant une forme complémentaire.
- les moyens de captage comportent un contact de phase et un contact de neutre (58) destinés respectivement à venir en contact de la piste de phase et de la piste de neutre (48) du bus d’alimentation du rail.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d’un mode de réalisation particulier, donné uniquement à titre d’exemple non limitatif, cette description étant faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 est une illustration d’une première configuration d’un drone modulaire multi-mission selon l’invention ;
- La figure 2 est une illustration d’une seconde configuration du drone de la figure
1 ;
- La figure 3 est une représentation schématique d’un module central du drone des figures 1 et 2 ;
- La figure 4 est une représentation d’un rail constitutif, côté module central, d’une interface de connexion entre un module de configuration et le module central du drone ;
- La figure 5 est une représentation d’un socle constitutif, côté module de configuration, de l’interface de connexion entre un module de configuration et le module central ; et,
- La figure 6 est une représentation schématique sous forme de bocs de l’interface de connexion pour l’association d’un module de configuration sur le module central.
La figure 1 est une vue d’artiste d’une première configuration 10 d’un drone modulaire multi-mission selon l’invention lui permettant de remplir des missions du type reconnaissance terrestre. Dans cette première configuration, un module central 1 est configuré par l’ajout de cinq modules de configuration. Il s’agit de quatre modules de propulsion, 11 , 12, 13 et 14, et d’un module d’acquisition d’images 15.
Chaque module de propulsion comporte un socle, un moteur et une roue, qui est entraînée par le moteur. Le moteur est par exemple logé dans la jante de la roue. La roue est équipée d’un pneu, de préférence large et présentant des reliefs importants, permettant un déplacement du drone 10 sur des terrains accidentés.
Le module d’acquisition d’images comporte un socle, un mât, de préférence orientable à 360°, et, au bout de ce mât, une caméra optique, par exemple orientable par rapport à la direction du mât.
La figure 2 est une vue d’artiste d’une seconde configuration 20 du drone modulaire multi-mission de la figure 1 , lui permettant de remplir des missions du type reconnaissance maritime sous-marine.
Dans cette seconde configuration, le module central 1 , commun avec la première configuration 10 représentée à la figure 1 , est combiné à quatre modules de configuration. Il s’agit de deux modules de propulsion, 21 et 22, d’un module de détection d’obstacles 23, et d’un module d’acquisition d’images 24.
Chaque module de propulsion comporte un socle, trois moteurs et trois hélices, chaque hélice étant entraînée par un moteur dédié. Deux hélices, dont les axes sont disposés verticalement, sont prévues à l’avant et à l’arrière de chacun des modules de propulsion, pour permettre de modifier l’assiette du drone et sa profondeur de plongée. La troisième hélice, dont l’axe est disposé longitudinalement, est prévue sur le côté de chacun des modules de propulsion, pour permettre le déplacement du drone dans un plan horizontal, soit vers l’avant, soit vers l’arrière, soit encore en tournant sur place en fonction du sens de rotation relatif des hélices des modules de propulsion.
Le module de détection d’obstacles 23 comporte un socle et un senseur du type sonar, propre à émettre des ondes acoustiques et à recevoir les échos renvoyés pas d’éventuels obstacles.
Le module d’acquisition d’images 24 comporte un socle, un kiosque au sommet duquel est prévue une caméra optique fixe.
Bien évidemment, les configurations des figures 1 et 2 ne sont qu’illustratives et diverses autres modules de configuration sont envisageables pour construire un drone apte à remplir une mission relevant par exemple de l’un ou de plusieurs des types suivants : mission aérienne (le module de configuration comportant alors un rotor, une hélice, etc.), mission maritime de surface (le module de configuration comportant alors une roue à aubes, une hélice immergée, etc.), mission d’observation (le module de configuration comportant alors des capteurs thermiques, radar, etc.), mission de manutention (le module de configuration comportant alors un bras articulé muni d’une pince, un treuil pour prendre, transporter et déposer une charge, etc.), mission d’attaque (le module de configuration comportant alors un système d’armes, un dispositif pour déposer des mines, etc.), etc.
La figure 3 est une vue en perspective du module central 1 du drone des figures 1 et 2.
Le module central 1 comporte un boîtier 2 de forme sensiblement parallélépipédique. Un repère orthonormé XYZ est associé au boîtier 2, de sorte que la direction X corresponde à une direction longitudinale orientée vers l’avant du module central 1 , la direction Y corresponde à une direction transversale de droite à gauche du module central 1 , et la direction Z corresponde à une direction orthogonale au plan défini par les directions X et Y. La direction Z sera dite direction « verticale » pour des raisons de simplicité, bien que cette direction ne coïncide pas forcément avec la verticale du lieu.
Le boîtier 2 est de préférence étanche et léger, tout en étant résistant mécaniquement.
Comme illustré sur la figure 6, à l’intérieur du boîtier 2, le module central 1 comporte des moyens de stockage d’énergie électrique 3. Ces moyens sont destinés à alimenter en puissance électrique à la fois les composants du module central 1 , mais également les composants des différents modules de configuration couplés au module central, notamment les moteurs et actionneurs dont ces modules de configuration peuvent être équipés.
Les moyens de stockage d’énergie 3 comportent par exemple des batteries. En variante, il peut s’agir de piles à combustible, de supercapacités, ou autres. Dans encore une autre variante, les moyens d’alimentation du drone en puissance électrique sont déportés. Il peut alors s’agir de dispositifs laser, filaires, etc.
Les moyens de stockage d’énergie électrique 3 sont associés à un convertisseur électrique 4.
Le convertisseur 4 autorise la recharge des moyens de stockage d’énergie électrique 3 via une source de courant temporairement connectée à un connecteur adapté 5.
Le convertisseur 4 permet de réguler l’énergie électrique circulant sur un bus d’alimentation 6 du module central 1 pour alimenter les différents composants. Il permet d’adapter les caractéristiques du courant sur le bus d’alimentation 6. Par exemple, un courant continu de 20 V circule sur le bus 6.
A l’intérieur du boîtier 2, le module central 1 comporte également des moyens de contrôle/commande 7. Il s’agit essentiellement d’un ordinateur embarqué, qui comporte un moyen de calcul, tel qu’un processeur, et un moyen de mémorisation, telle qu’une mémoire. Celle-ci mémorise des instructions de programmes d’ordinateur propres à être exécutées par le processeur. En variante, les moyens de calcul du drone sont déportés. Le module central du drone est alors équipé d’un dispositif de communication (filaire ou radio) pour l’échange de données entre le drone et les moyens de calcul.
En particulier, l’exécution de ces programmes conduit à l’échange de messages entre le processeur et les différents composants du drone, à la fois les composants du module central 1 , mais également ceux des différents modules de configuration couplés au module central, comme les actionneurs et les capteurs dont ces modules de configuration peuvent être équipés.
Pour la communication entre les moyens de contrôle/commande 7 et un composant d’un module de configuration, l’unité centrale 1 intègre une unité de communication 8 connectée entre les moyens de contrôle/commande 7 et le bus d’alimentation 6. L’unité 8 est propre à coder (respectivement décoder) les messages émis par les moyens de contrôle/commande 7 à destination d’un composant (respectivement émis par un composant à destination des moyens de contrôle/commande 7). L’unité 8 utilise le bus d’alimentation 6 pour la transmission des messages en mettant en œuvre un protocole du type courant porteur de ligne - CPL. Un tel protocole est adapté à une transmission de données haute fréquences sur un courant continu.
Pour la configuration du module central 1 au moyen d’un module de configuration, l’interface de connexion entre le module central 1 et ce module de configuration est constituée d’un rail et d’un socle coopérant mutuellement.
Dans le mode de réalisation illustré sur les figures et correspondant au mode de réalisation préféré de l’invention, le rail est du côté du module central tandis que le socle se trouve du côté du module de configuration. L’inverse est envisageable.
Sur la figure 3, le boîtier 2 du module central 1 est ainsi représenté comme portant, sur sa surface extérieure, six rails :
- Un rail 34 sur sa face supérieure, par exemple utilisé dans la seconde configuration pour fixer le module d’acquisition d’images 24 ;
- Un rail 33 sur sa face avant, par exemple utilisé dans la seconde configuration pour fixer le module de détection d’obstacle 23 ;
- Deux rails, respectivement 31 a et 31b (non visible sur la figure 3) et 32a et 32b, sur chacune de ses faces latérales, utilisés dans la seconde configuration pour fixer les moyens de propulsion 21 et 22 respectivement.
En variante, le module central 1 peut comporter un nombre différent de rails. Notamment, une face latérale au lieu de porter deux rails courts, peut en variante, porter un unique rail de plus grande longueur. Dans ce qui suit sera plus particulièrement décrit le rail 34 permettant de configurer le module centrale 1 avec le module de configuration 24. Cependant, une description similaire pourrait être faite pour tout autre rail et pour tout autre module de configuration.
Le rail 34 est représenté avec plus de détails à la figure 4. Il s’agit d’un profilé, par exemple en aluminium, de section sensiblement trapézoïdale.
Il est fixé sur la face supérieure du boîtier 2 du module central 1 de sorte que sa petite base 41 soit en appui de ladite face supérieure. Par exemple, le rail est monté sur le boîtier par une paire de vis 42.
Les deux arêtes délimitant longitudinalement la grande base 43 du rail 34 sont conformées pour présenter une pluralité de paires d’encoches, 44, 45, disposées à intervalles régulier le long du rail 34.
De préférence, la grande base 43 est légèrement concave.
Elle porte un bus d’alimentation 46. Ce bus est constitué d’une ligne de phase 47 et d’une ligne de neutre 48 circulant parallèlement et sensiblement sur toute la longueur du rail 34.
Avantageusement, le rail 37 porte un second bus d’alimentation redondant le premier bus 46. Il est par exemple constitué d’une ligne de phase sur une face latérale du rail, à proximité d’une arête délimitant la petite base 41 du rail, et d’une ligne de neutre sur l’autre face latérale du rail, à proximité de l’autre arête délimitant le petite base 41 du rail. Sur la figure 4, seule une ligne 47’ de ce second bus est visible.
Comme représenté schématiquement sur la figure 6, le rail 34 comporte un connecteur mal 49 propre à coopérer avec un connecteur femelle 9 prévu sur le boîtier 2, de manière à relier électriquement le bus d’alimentation 6 du module central 1 avec le ou chaque bus d’alimentation du rail 34.
Le module de configuration 24 est constitué de l’association d’un socle 50 standard et d’une charge utile 60.
Le socle 50 est représenté avec plus de détails à la figure 5.
Le socle 50 est de forme essentiellement parallélépipédique.
Il se caractérise par la présence, sur l’une de ses faces, d’une rainure 51 , dont la section présente une forme complémentaire de celle du rail 34.
La rainure 51 est ouverte à au moins l’une de ses extrémités pour permettre l’insertion du socle 50 sur le rail 34 par coulissement du socle le long du rail.
La forme de l’interface de connexion est mécaniquement optimisée pour à la fois, réduire les jeux mécaniques entre le socle et le rail et permettre de minimiser la transmission des vibrations au rail. La forme de l’interface de connexion présente également l’avantage d’être adaptée pour supporter les efforts mécaniques, et de limiter l’accumulation de débris et polluants, puisqu’il n’existe pas de cavité entre le rail et le socle.
Comme illustré sur la figure 6, le socle 50 comporte des moyens de verrouillage comportant une paire d’ergots, 54 et 55, propres à coopérer avec une paire d’encoches, 44, 45, du rail 34 pour verrouiller en position le socle 50 sur le rail 34 et par conséquent le module de configuration 24 sur le module central 1 .
Les ergots, 54, 55, sont escamotables à l’intérieur du socle 50, par pression sur un bouton 53, placé sur la surface externe du socle 50 de manière à être facilement accessible par un opérateur lors de la configuration du drone par la fixation du module de configuration 24 sur le module centraM .
De tels moyens de verrouillage escamotables permettent de faire coulisser le socle 50 le long du rail 34 pour choisir la position la plus adaptée du module de configuration 24 par rapport au module central 1 , en particulier pour ajuster facilement la position du centre de gravité du drone.
Le socle 50 comporte également un moyen de captage 56 pour capter le courant depuis le bus d’alimentation 46 du rail 34. Le moyen de captage comporte un contact de phase 57 et un contact de neutre 58 destinés respectivement à venir en contact de la piste de phase 47 et de la piste de neutre 48 du bus d’alimentation 46. Les contacts sont avantageusement élastiques pour permettre l’insertion du rail tout en établissant un contact électrique de qualité avec sa grande base 43. Par exemple, les contacts sont du type ressorts à lame. Ce type de contact électrique présente l’avantage d’avoir une surface d’échange électrique suffisamment importante pour transmettre de forts courants d’alimentation, d’établir une continuité électrique compatible d’un réseau de transmission de données, mais aussi d’assurer un bon contact électrique malgré les contraintes mécaniques subies par l’interface de connexion lors de l’utilisation du drone, tout en résistant à de nombreux cycles de connexion / déconnection sans endommagement.
Le moyen de captage 56 est couplé électriquement à un dispositif 52.
Le dispositif 52 est propre à mettre en forme la puissance électrique collectée sur le bus d’alimentation 46 et à la transmettre par exemple à un moteur 62 de la charge utile 60.
Le dispositif 52 constitue également un étage de démodulation du réseau CPL. Le dispositif 52 est ainsi propre à extraire par filtrage les signaux de données superposés au courant continu présent sur le bus d’alimentation 46, à les décoder et à transmettre les messages correspondant un processeur 61 de la charge utile 60. Inversement, en communication montante, le dispositif 52 est propre à recevoir des messages du processeur 61 de la charge utile 60, à les coder et à superposer les signaux de données correspondant au courant continu. Comme représenté sur la figure 5, avantageusement une face du socle 50, de préférence celle opposée à la face munie de la rainure 51 , porte une pluralité de connecteurs, mécaniques électriques et/ou de données. Ceux-ci facilitent l’association du socle avec une charge utile, telle que la charge utile 60. Une charge utile présente alors un ou plusieurs connecteurs, mécaniques, électriques et / ou de données, compatibles.
Ainsi, le socle 50 comporte des connecteurs mécaniques 71 permettant de solidariser la charge utile 60 sur le socle 50.
Le socle 50 comporte des connecteurs électriques 72 permettant d’amener la puissance électrique collectée sur le bus 46 vers la charge utile 60, par exemple un moteur 62 de celle-ci.
Le socle 50 comporte des connecteurs de données 73 permettant l’échange de messages de données collectée sur le bus 46 vers la charge utile 60, par exemple un processeur 61 de celle-ci. Avantageusement, le socle 50 comporte des connecteurs de données de différents types. Ainsi, le socle 50 comporte avantageusement un connecteur pour un échange de données selon les formats HDMI, USB, CANBus, I2C, ou d’autres formats connus. Le dispositif 52 du socle 50 est alors propre à convertir les messages de données selon le format requis par le connecteur de données auquel la charge utile est effectivement connectée.
L’utilisation de l’interface de connexion venant d’être présentée est simple. En fonction de la mission à réaliser, l’opérateur choisit les vecteurs (modules de configuration pour le déplacement du drone) et les extensions (module de configuration du type capteur ou actionneur) adaptées et les fixe sur le module central.
Pour fixer un module de configuration, l’opérateur identifie le rail à utiliser sur le module central et insère le socle du module de configuration le long de ce rail. L’opérateur presse le bouton 53 du socle pour autoriser la circulation du socle le long du rail. Une fois la position relative déterminée, l’opérateur relâche le bouton 53 pour verrouiller en position le socle sur le rail, c’est-à-dire le module de configuration sur le module central.
Une fois que les différents modules de configuration sont fixés, l’opérateur vérifie que le centre de gravité du drone ainsi configuré est correctement positionné. Eventuellement il ajuste la position des modules de configuration pour déplacer le centre de gravité, en ajustant la position du socle le long du rail correspondant.
Puis l’opérateur allume le module central. Dans une phase d’initialisation, le processeur des moyens de contrôle/commande 7 cherche à identifier les modules de configuration connectés. Il émet donc un message de découverte sur le bus d’alimentation 6. Celui-ci circule sur les bus d’alimentation 46 des différents rails de manière à être capté par les modules de configuration présents. Ceux-ci répondent à ce message de découverte par l’émission sur les bus d’alimentation 46 et 6 d’un message d’identification. Le message d’identification peut par exemple comporter un identifiant du module de configuration ainsi que des données de fonctionnement de ce module de configuration. Le moyen de contrôle/commande reçoit les différents messages d’identification et détermine la configuration courant du drone.
A partir de là, on passe dans une phase opérationnelle, dans laquelle le moyen de contrôle/commande est propre à piloter le drone en commandant les différents modules de configuration pour remplir la mission.
A la lecture de la description précédente, l’homme du métier constatera que l’architecture du drone selon l’invention repose sur une interface de connexion standard entre un module central et un module de configuration apportant une fonctionnalité spécifique.
Cette standardisation a pour but de rationaliser le matériel, les fonctions et leurs commandes.
Cette interface de connexion permet d’adapter aisément et rapidement le drone à n’importe quel scénario d’utilisation.
Notamment, le rail d’interconnexion assure non seulement la communication avec le module de configuration et/ou son alimentation depuis le module central, mais encore la tenue mécanique du module de configuration sur le module central, tout en autorisant le réglage de leur position relative afin d’ajuster le centre de gravité du drone. Ceci est indispensable pour gérer l’assiette du drone, et gérer son équilibre durant ses déplacements, notamment pour le franchissement d’obstacles.
La forme du rail de connexion et de la rainure conjuguée sur le socle présente aussi l’avantage d’améliorer l’immunité des contacts électriques aux débris, polluants, liquides ou solides, car le contact est assuré par pression et non par une connexion enfichée. Ce principe de captage du courant peut être rendu plus facilement étanche qu’une connexion enfichée. Elle présente en tout cas un encombrement stérique réduit ce qui participe à la compacité du drone dans son ensemble.
L’invention trouve une application immédiate pour l’élaboration de mini-drones civils et militaires.

Claims

REVENDICATIONS
1. Drone modulaire multi-missions (10, 20) comportant un module central (1 ) et un module de configuration (24), caractérisé en ce qu’une interface de connexion entre le module central et le module de configuration est constituée de l’association :
- d’un rail (34), du côté du module central, le rail comportant un bus d’alimentation (46) constitué d’une piste de phase et une piste de neutre, disposées sur la surface du rail, parallèlement l’un à l’autre, selon une direction longitudinale du rail, le bus d’alimentation (46) étant connecté d’une part à des moyens de stockage d’énergie électrique (3) embarqués à bord du module central pour fournir une puissance électrique et d’autre part à des moyens de contrôle/commande (7) propres à communiquer par courant porteur de ligne avec le module de configuration ; et,
- d’un socle (50), du côté du module de configuration, le socle comportant :
- une rainure (51 ) présentant une forme complémentaire de celle du rail (34) de manière à coupler mécaniquement le module de configuration sur le module central par insertion du rail dans la rainure,
- un moyen de captage (56) pour collecter le courant circulant sur le bus d’alimentation (46) du rail, comportant un contact de phase et un contact de neutre propres à être maintenus en contact électrique respectivement avec la piste de phase et la piste de neutre du bus d’alimentation du rail.
2. Drone selon la revendication 1 , dans lequel le socle comporte un moyen de verrouillage (54, 55) permettant de bloquer le socle en position le long du rail.
3. Drone selon la revendication 2, dans lequel le rail est muni de paires d’encoches (44, 45), les moyens de verrouillage du socle (50) comportant des ergots rétractables propres à venir coopérer avec une paire d’encoches pour maintenir le socle en position le long du rail de connexion.
4. Drone selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, le bus d’alimentation (46) étant un premier bus d’alimentation, le rail comporte un second bus d’alimentation similaire au premier bus d’alimentation et redondant le premier bus d’alimentation.
5. Drone selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le socle (50) comporte une pluralité de connecteurs mécaniques, électriques et/ou de données (71 , 72, 73) pour l’association du socle avec une charge utile (60), le socle et la charge utile ainsi associés formant le module de configuration (24).
6. Drone selon la revendication 5, dans lequel le socle (50) comporte une pluralité de connecteurs de données, chaque connecteur de données relevant d’un type particulier sélectionné parmi les formats HDMI, USB, I2C et CANBus.
7. Drone selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le bus d’alimentation (46) du rail (34) est relié à un bus d’alimentation (6) du module centrale (1), le module centrale comportant : une unité de communication (8) entre les moyens de contrôle/commande (7) et le bus d’alimentation (6) du module centrale (1) ; et un convertisseur (4) entre les moyens de stockage d’énergie (3) et le bus d’alimentation (6) du module centrale (1).
8. Drone selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens de contrôle/commande (7) sont propre à initialiser une configuration du drone.
9. Drone selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le rail (34) est un profilé de section sensiblement trapézoïdale, la rainure (51 ) du socle présentant une forme complémentaire.
10. Drone selon des revendications 1 à 9, dans lequel les moyens de captage (56) comportent un contact de phase (57) et un contact de neutre (58) destinés respectivement à venir en contact de la piste de phase (47) et de la piste de neutre (48) du bus d’alimentation (46) du rail (34).
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