Comment se déplace un drone ?

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Alors que les drones sont le résultat d’une mécanique complexe, certains utilisateurs se posent souvent la question de cette mécanique. Qu’est-ce qui fait voler les drones ? Si je veux fabriquer mon propre drone, quels sont les principes physiques que je dois appliquer pour qu’il puisse décoller ? L’article d’aujourd’hui vous présentera comment nos collègues mécaniciens sont conçus pour les faire voler.

principe de base

Le principe de base du drone quadricoptère est que la rotation des hélices permet au drone de monter dans les airs et de s’y maintenir grâce à la force de levage.

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Sur l’image montrée, on distingue différentes parties du drone : les rotors A tournent dans le sens des aiguilles d’une montre tandis que les rotors B tournent dans le sens inverse. Il en résulte un « effet de couple nul », c’est-à-dire que les forces qui font tourner le drone vers la gauche sont compensées par celles qui le font tourner vers la droite. Chaque rotor est connecté à son propre moteur, de sorte qu’il peut tourner indépendamment à des vitesses différentes nécessaire.

Quels mouvements un drone peut-il faire ?

Le drone est un appareil extrêmement agile qui peut aller dans huit directions différentes : avant, arrière, gauche, droite et en diagonale (avant gauche, avant droit, arrière gauche, arrière droit), sans parler des hauteurs. Les mouvements qu’il effectuera se feront via la vitesse des différents rotors. Ainsi, on distingue 4 types de mouvements différents :

  • Gaz ou accélérateur (vers le haut ou vers le bas) : Ce mouvement se fait en augmentant la vitesse des quatre rotors pour monter ou en diminuant pour descendre.
  • Pitch ou Pitch (vers l’avant ou vers l’arrière) : ce mouvement se fait en augmentant la vitesse des rotors A et B par derrière et en diminuant celle des rotors avant, de sorte que le drone avance. Pour le faire revenir en arrière, on va augmenter la vitesse des rotors de Front et on diminuera celle des rotors de Behind.
  • Roll or Roll (volant vers la gauche ou vers la droite) : même principe que pour le Pitch mais avec les rotors sur les côtés. On augmente ainsi la vitesse des rotors à gauche et on diminue celle des rotors de droite pour aller vers la droite et vice versa.
  • Yaw ou Yaw (vol circulaire) : ici nous allons diminuer la vitesse des rotors B et augmenter la vitesse des rotors A pour faire voler le drone de manière circulaire dans le sens des aiguilles d’une montre et nous faisons l’inverse si nous voulons le faire voler dans l’autre sens.

Quelles sont les forces qui agissent sur le drone ?

Larousse définit une force comme « un concept qui traduit quantitativement les interactions entre les objets et leur permet d’expliquer leurs déformations ou changements dans leurs mouvements ».

Il y a donc quatre forces qui interagissent avec le drone et sans lesquelles il ne peut pas voler :

  • La traînée qui correspond à la force qui s’oppose au mouvement
  • La portance qui correspond à la force qui pousse le drone up
  • La traction qui correspond à la force qui fait avancer le drone
  • Gravité qui correspond à la force qui attire le drone vers le sol

Pour que le drone puisse décoller, la puissance des hélices (portance) doit être au moins capable de soulever le poids de l’avion. De même, on se souviendra que dans une position statique, la traînée et la traction sont équilibrées entre elles. C’est grâce à l’impact , c’est-à-dire au degré d’inclinaison de la machine, que le drone se déplacera.

Un autre élément physique à prendre en compte est la vitesse de décrochage qui correspond à la vitesse minimale en dessous de laquelle le drone ne pourra pas se maintenir en l’air.

La forme de l’hélice de Newton

La troisième loi de Newton explique que « l’action est toujours égale à la réaction, c’est-à-dire que les actions de deux corps l’un sur l’autre sont toujours égales et de sens opposé ». Cette loi permet d’expliquer la courbure des hélices d’un drone.

Comme le montre le diagramme ci-dessous, la courbe des hélices en mouvement créera une force verticale allant vers le sol, et selon la loi de Newton, une force égale allant vers le haut sera générée. C’est cette force qui va permettre au drone de décoller.

Que se passe-t-il lorsque mon drone vole ?

Ainsi, lorsque le drone décolle, la portance est supérieure à la gravité. La vitesse de l’hélice est donc suffisamment élevée pour que le drone ne décroque pas.

Lorsque le drone est en équilibre dans les airs, la force de portance et la force de gravité sont équivalentes. Pour le déplacer vers l’avant, il suffit d’incliner le drone, afin de changer l’angle d’incidence afin qu’il aille dans la direction souhaitée. Pour cela, certains rotors doivent diminuer leur vitesse de rotation, en fonction de la direction que vous souhaitez prendre comme indiqué ci-dessus. Toutefois, cette perte de vitesse doit être compensée par les autres rotors afin de permettre au drone pour garder la même altitude.

Un drone « en couple »

Un point important à propos du drone est l’effet de couple . Si tous les rotors tournaient dans la même direction, le drone tournerait constamment sur lui-même. Sur un hélicoptère, l’effet de couple produit par l’hélice principale est compensé par l’hélice placée sur sa queue, ce qui produit un effet « anti-couple ». Sur le drone, l’effet de couple produit par la rotation dans le sens des aiguilles d’une montre de deux rotors est compensé par la rotation dans le sens inverse des aiguilles d’une montre des deux autres rotors. Il est ainsi possible en diminuant la vitesse des rotors sur le même axe et en augmentant celle des rotors de l’axe opposé de jouer sur l’effet de couple et de faire tourner le drone sur lui-même.

La vidéo suivante détaille les points que nous avons mentionnés précédemment :

https://www.youtube.com/watch?v=GVAdqcQ4jzMVideo ne peut pas être chargé car JavaScript est désactivé : Quadcopter Dynamics (https://www.youtube.com/watch?v=GVAdqcQ4jzM) CONCLUSION

Vous connaissez maintenant les différentes forces et phénomènes physiques qui se produisent pendant le vol de votre drone. Les technologies qui sont maintenant installées sur les drones parviennent à prendre en compte certains effets de ces forces afin de rendre leur influence quasi nulle sur le pilotage. Cependant, ce saut technologique a une conséquence : il augmente le poids du drone, ce qui augmente la puissance nécessaire pour le faire voler et donc réduit le temps de vol.

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