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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature Introduction générale: Plus de 40 pays dans le monde sont en train de développer des drones (UAV) pour les deux utilisations civiles et militaires. Les UAV sont populaires parce qu'ils sont peu coûteux et de garder du personnel militaire hors d'état de nuire. Exceller dans les missions ternes, dangereux et sales, ils ont surtout été utilisés pour le renseignement, surveillance et reconnaissance (ISR) et des missions en tant que relais de communication. Charges UAV se composent de réseaux de capteurs qui transmettent des informations tactiques retour à la base en temps réel. Ils fournissent des plates-formes de capteurs moins chers qui incorporent une plus grande le temps de flâner que la plupart des véhicules aériens pilotés ou des satellites. Les drones sont également utiles dans des applications civiles, comme dans l'agriculture, moi météorologie, la sécurité publique et la gestion des services publics. Par exemple, les drones ont été équipés pour pulvériser des pesticides et prendre des mesures atmosphériques. Les services de police ont également acheté des drones pour opérations de recherche et de sauvetage. Entreprises de services publics les utiliser pour surveiller les lignes électriques et de communication, et de gazoducs. Les progrès des technologies, notamment la miniaturisation des capteurs, des ordinateurs et dispositifs de communication, ont conduit à l'amélioration de mini et micro drones (MUAVs et MAV, respectivement). Ceci, à son tour, a permis à plus petite drones pour effectuer les mêmes fonctions que plus les drones. En outre, les progrès de la prévention des collisions ont donné lieu à la possibilité d'essaims de drones agir ensemble pour accomplir des missions. Drones face à des limitations technologiques. Contrairement aux systèmes d'alerte et de contrôle aéroportés et la surveillance conjointe et les systèmes cibles radar d'attaque, les drones ne sont pas encore dotés de capteurs de pointe et la capacité d'analyse, et ils n'ont pas de gestion de combat à bord et capacités de commandement et de contrôle. Ces technologies peuvent être miniaturisé pour des charges de drones futurs,

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

Introduction générale:

Plus de 40 pays dans le monde sont en train de développer des drones(UAV) pour les deux utilisations civiles et militaires. Les UAV sont populaires parce qu'ils sont peu coûteux et de garder du personnel militaire hors d'état de nuire. Exceller dans les missions ternes, dangereux et sales, ils ont surtout été utilisés pour le renseignement, surveillance et reconnaissance (ISR) et des missions en tant que relais de communication. Charges UAV se composent de réseaux de capteurs qui transmettent des informations tactiques retour à la base en temps réel. Ils fournissent des plates-formes de capteurs moins chers qui incorporent une plus grandele temps de flâner que la plupart des véhicules aériens pilotés ou des satellites.Les drones sont également utiles dans des applications civiles, comme dans l'agriculture, moimétéorologie, la sécurité publique et la gestion des services publics. Par exemple, les drones ont été équipés pour pulvériser des pesticides et prendre des mesures atmosphériques. Les services de police ont également acheté des drones pour opérations de recherche et de sauvetage. Entreprises de services publics les utiliser pour surveiller les lignes électriques et de communication, et de gazoducs.

Les progrès des technologies, notamment la miniaturisation des capteurs, des ordinateurs etdispositifs de communication, ont conduit à l'amélioration de mini et micro drones (MUAVs et MAV, respectivement). Ceci, à son tour, a permis à plus petite drones pour effectuer les mêmes fonctions que plus les drones. En outre, les progrès de la prévention des collisions ont donné lieu à la possibilité d'essaims de drones agir ensemble pour accomplir des missions. Drones face à des limitations technologiques. Contrairement aux systèmes d'alerte et de contrôle aéroportés et la surveillance conjointe et les systèmes cibles radar d'attaque, les drones ne sont pas encore dotés de capteurs de pointe et la capacité d'analyse, et ils n'ont pas de gestion de combat à bord et capacités de commandement et de contrôle. Ces technologies peuvent être miniaturisé pour des charges de drones futurs, mais aux dépens de le faire peut faire des drones moins durables que ce qu'ils sont actuellement.

A la pointe de courant UAV recherche progresse autonomie UAV grâce à la technologie informatique et l'intelligence artificielle.

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Chapitre I 

Système mécatronique

I.1. Historique de la mécatronique

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

Le mot mécatronique (mechatronics en anglais) a été inventé au Japon en 1969 les ingénieurs

Etsuro Mori et Er. Jiveshwar Sharma de la compagnie Yaskawa.

La robotique peut être considérée comme le père, ou l’ancêtre de la mécatronique. Ceci-dit,  

aujourd’hui la mécatronique dépasse largement le cadre de la robotique et englobe de

nombreuses applications dans des domaines aussi divers et variés que l’aérospatial (par

exemple les systèmes de régulations antivibratoires des avions), l’automobile (exemple avec

la direction assistée, l’ABS, l’EPS), la production (machines-outils, robots industriels), le

médical (aussi bien dans le matériel que dans l’assistance ou le remplacement d’organes

humains, on parle alors de biomécatronique), l’électroménager avec les machines à laver dîtes

« intelligentes » etc.

En France, la norme NF E01-010 définit la mécatronique comme étant une : « une démarche

visant l’intégration en synergie de la mécanique, l’électronique, l’automatique et

l’informatique dans la conception et la fabrication d’un produit en vue d’augmenter et/ou

d’optimiser sa fonctionnalité. »

I.2. Problème

Au fil des années, les différents participants (ou en tout cas les meilleurs) disposent souvent

des mêmes technologies. Les écarts dus à l’optimisation plus ou moins réussie des éléments

du véhicule tendent donc à s’amoindrir au fil des éditions du WSC ou des autres courses et il

devient donc de plus en plus difficile d’améliorer les performances globales du système en

restant dans les « sentiers battus » des schémas généralement utilisés. D’ailleurs, l’année 2007

risque d’être une année charnière, en effet, selon certaines rumeurs, le règlement du WSC va

vraisemblablement changer radicalement lors d’une prochaine édition.

Afin de palier au manque d’expérience de l’équipe, étant donné qu’il s’agit de sa première

participation à une course de voiture solaire, et de se démarquer des autres équipes concentre

ses efforts sur plusieurs points :

• La stratégie ; Trois projets traitant de la stratégie ont été réalisés et on permit de mieux

cerner le problème de la gestion de l’énergie. Un quatrième projet est en cours.

• Un nouveau design; Une voiture solaire

I.3. Introduction à la mécatronique

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

Plus qu’une discipline, la mécatronique est une approche de l’ingénierie qui intègre plusieurs

spécialités. Typiquement on regroupe sous ce terme : la mécanique, l’électronique,

l’informatique et une partie contrôle.

I.4. Définition de la mécatronique

La mécatronique est la combinaison synergique et systémique de la mécanique, de

l'électronique et de l'informatique temps réel. L'intérêt de ce domaine d'ingénierie

interdisciplinaire est de concevoir des systèmes automatiques puissants et de permettre le

contrôle de systèmes complexes.

Le terme mécatronique a été introduit par un ingénieur de la compagnie japonaise

« Yaskawa » en 1969. Le terme mécatronique est apparu officiellement en France dans le

Larousse 2005.

La norme NF E 01-010 (2008) définit la mécatronique comme une « démarche visant

l’intégration en synergie de la mécanique, l’électronique, l’automatique et l’informatique dans

la conception et la fabrication d’un produit en vue d’augmenter et/ou d’optimiser sa

fonctionnalité »

I.5. Description sur la mécatronique

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

L'ingénierie de tels systèmes mécatroniques nécessite la conception simultanée et

pluridisciplinaire de 3 sous-systèmes :

1. une partie opérative (squelette et muscle du système à dominante Mécanique et

Electromécanique),

2. une partie commande (intelligence embarquée du système à dominante Electronique

et Informatique Temps Réel),

3. une partie interface Homme/Machine (forme géométrique et dialogue du système à

dominante Ergonomique et Esthétique).

Une approche globale permet aussi de réduire les coûts, d'augmenter la fiabilité et la

modularité

I.5.1. La fiabilité en mécatronique 

Les dispositifs mécatroniques sont utilisés pour piloter des systèmes et rétroagir pour

s’adapter aux conditions variables de fonctionnement, pour surveiller leur état (sollicitation,

fatigue…), réaliser leur maintenance… Ce domaine très vaste reste complexe (accès aux

informations, compétences en électronique et mécanique, répartition des fonctions, fiabilité et

sécurité…). Il nécessite des moyens importants et entraîne des coûts élevés.

L’intégration de ces techniques a débuté dans l’aéronautique, suivie par les transports et

actuellement l’automobile. Dans le futur, ce thème intéressera des secteurs de la mécanique

comme les machines, le levage, etc. Les applications industrielles devront à terme faire partie

du savoir-faire spécifique de l’entreprise, l’intégration des capteurs restant toujours le

problème du mécanicien. La tendance est au partenariat technologique ; seuls certains grands

ensembliers considèrent cette technologie comme totalement stratégique.

Bien que la fiabilité et la sécurité de l’électronique se soient améliorées, une réflexion globale

sur le système ou le processus est nécessaire avant d’intégrer la technologie et les spécificités

« métier ». Les appareils et systèmes doivent résister aux interférences électromagnétiques

dans des environnements toujours plus perturbés et leur compatibilité électromagnétique doit

être étudiée puis validée pour assurer la sécurité et la fiabilité du fonctionnement. Des

méthodes de vérification du logiciel système ou utilisateur doivent être développées pour

s’assurer que la commande répond bien aux besoins et n’entraîne pas des situations

dangereuses.

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Les outils de simulation de systèmes et d’automatismes font partie des solutions permettant de

définir une stratégie de commande indépendante des défaillances mécaniques, électroniques

ou de l’utilisateur.

I.5.2. Structure d’un système mécatronique 

I.5.3. La régulation dans des systèmes mécatroniques

Un système mécatronique est en général caractérisé par sa fonctionnalité d’autorégulation,

c’est-à-dire qu’il réagit en temps réel ou non en fonction de son propre état. Un système

classique est donc composé de capteurs qui informent sur l’état de celui-ci, des actionneurs

qui agissent sur le système à réguler et un outil de correction -généralement logiciel-pour

améliorer la qualité de la régulation (vitesse de réaction, précision, justesse, adaptabilité du

système à des situations nouvelles…).  A ce titre, on peut citer plusieurs correcteurs :

I.5.3.1. le PID.

Sans doute le régulateur le plus utilisé dans l’industrie, il répond efficacement à un grand

nombre de problèmes. Il est composé d’une action proportionnelle (multiplie la différence état

réel/état souhaité par un gain G), d’une action Intégrale (l’erreur est intégrée sur un intervalle

de temps s, puis multipliée par un gain Ti), et d’une action Dérivée (l’erreur est dérivée

suivant un temps s, puis multipliée par un gain Td).

I.5.3.2. La logique floue.

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

Ce concept antinomique est relativement vieux mais n’a été formalisé qu’en 1965, et est

désormais  exploité dans de nombreux domaines (ex : ABS, reconnaissance de forme, gestion

de feux rouges, météorologie, etc.). Il s’appuie sur la théorie mathématique des ensemble

flous, c’est-à-dire des ensembles définis de façon imprécise (et non pas binaire 0 ou 1).

I.5.3.3. Le réseau de neurones artificiels

Qui est plus un modèle de calcul qu’un correcteur- est très schématiquement inspiré du

fonctionnement des vrais neurones biologiques.  Les réseaux de neurones, mettent en œuvre le

principe de l’induction, c’est-à-dire l’apprentissage par l’expérience. Les applications

industrielles sont encore assez peu nombreuses (ex : déplacement mobile de robots

autonomes, reconnaissance de motifs sur des chèques bancaires) et un peu plus développées

dans d’autres domaines (classification, estimations boursières…)

A travers cette brève introduction, on entrevoit tous les défis qui se posent au mécatronicien,

le premier étant peut-être de faire éclater les frontières des domaines traditionnellement

réservés aux spécialistes   (mécanique, électronique, informatique, régulation) pour les

rassembler et apporter une véritable valeur ajoutée au produit final.

I.6. Objectifs de la formation en mécatronique

La mécatronique se définit comme la combinaison synergique et systémique de la mécanique,

de l'électronique et de l'informatique. L'intérêt de ce domaine d’ingénierie multidisciplinaire

est de concevoir des systèmes complexes (du microsystème au véhicule) et de permettre leur

contrôle. La complexité des produits pluritechnologiques augmentant, une formation

transversale dans ce domaine multidisciplinaire centrée sur l'aspect système offre un fort

potentiel de débouchés.

Le programme du master propose de répondre à de grandes tendances d'un domaine en plein

essor en offrant aux étudiants une formation répondant aux attentes actuelles et futures des

industriels de la mécanique et de l'électronique

Miniaturisation des systèmes mécatroniques

Systèmes de motricité mécatroniques à énergie embarquée

Modélisation multiphysique

Robustesse et fiabilité des systèmes mécatroniques

La formation débute par trois semestres d'étude et se termine par un semestre de stage en

entreprise ou en laboratoire.

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Exemple d’application :

L’exemple type de modélisation est le système contenant un moteur courant continu (le

gyrateur alimenté par une source d’effort : la tension), une masse (inertie), un ressort

(capacité), un frottement visqueux (résistance), un réducteur (transformateur).

I.7. Evolution

La théorie des bonds graphs a été créée en 1959 au Massachusetts Institute of Technology par

Henry Paynter et formalisée à partir de 1996 par les scientifiques Dean C. Karnopp, Ronald

C. Rosenberg et J. Thoma. Elle a été introduite en Europe dans les années 70 et spécialement

en France dont le milieu automobile en est friand. Bien que l’outil bond graph soit

relativement abouti pour la mécanique et l’électricité, il reste néanmoins très ouvert dans

d’autre domaines, tels que la chimie, la thermodynamique ou encore l’acoustique.

I.8. Applications système mécatronique :

Comme exemples de systèmes mécatroniques, on peut citer :

un véhicule automobile moderne,

un avion de chasse,

l'ABS, l'ESP,

la direction assistée,

une machine-outil à commande numérique,

l'autofocus,

les disques durs,

les roulements à billes instrumentés,

les machines à laver « intelligentes »,

les pompes (à vide) turbomoléculaires sur paliers magnétiques,

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Chapitre II

LES DRONE

II.1. HISTORIQUE

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Ce sont les lourdes pertes subies pendant la seconde guerre mondiale par les aviations

d'observation de chacun des antagonistes qui suscitèrent l'idée d'un engin d'observation

militaire sans équipage (ni pilote, ni observateur).

Les premiers drones apparurent en France dans les années 1960, tel le R 20 de Nord-Aviation,

dérivé de l'engin cible CT 20. Mais les exemples significatifs d'une utilisation opérationnelle

des drones sont encore peu nombreux.

Pendant la guerre du Vietnam, les Américains ont utilisé des drones (Firebee) pour localiser

les rampes de lancement des missiles sol-air soviétiques «SAM-2» : 3500 missions furent

recensées. Plus tard, en 1991, lors de la guerre du Golfe, ils ont fait appel au drone (Pioneer)

pour la surveillance jour/nuit, l'acquisition des objectifs, et les réglages de l'artillerie. Dans ce

même conflit, les Britanniques et les Français commencèrent à servir des drones.

De leur côté, les Israéliens ont saturé les défenses aériennes le long du canal de Suez lors de la

guerre du Kippour (1973) et ce, avec un grand nombre de drones bon marché. Plus tard, ils

ont détecté et «leurré» par le même moyen les batteries syriennes anti-aériennes.

D'une façon générale, les spécialistes considèrent que les drones ont pu vraiment démontrer

leurs capacités opérationnelles d'observation aérienne (renseignement), sur les trois récents

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théâtres d'opération qu'ont constituée les conflits en ex-Yougoslavie, en Irak, et en

Afghanistan.

C'est encore un drone (Hunter) qui a successivement assuré la surveillance des réunions du

G8 à Evian en 2003, ainsi que les cérémonies de célébration du 60ème anniversaire du

débarquement allié en Normandie en 2004.

Les exemples d'utilisation civile, eux, se font plus rares. On peut toutefois citer la surveillance

urbaine en Afrique du sud, et le traitement des cultures effectué au Japon par des drones

hélicoptères télécommandés. En France, deux drones miniatures sont en expérimentation au

sein de la Gendarmerie nationale et du GIGN (Coccinelle). De son côté, le Laboratoire

Central des Ponts et Chaussées a procédé à des essais de surveillance d'ouvrage d'art,

également avec un drone à voilure tournante.

Mais le drone est encore mal connu, et suscite de ce fait des appréhensions. Une demande

d'expérimentation de surveillance de trafic routier sur le périphérique d'une grande ville

française à partir d'un drone miniature (environ 6 Kg) a été refusée en 2004 par les autorités et

ce, pour raisons de sécurité.

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II.2. INTRODUCTION

Les véhicules aériens non-habités, ou drones, constituent un secteur de recherche relativement

récent et en pleine effervescence avec de plus en plus de projets amateurs et universitaires.

Initialement associés au secteur militaire, ces véhicules sont e voie d’être utilisés dans de

nombreux autres domaines. En effet, la demande est grandissante pour des applications à

portée sociale de ce type de technologie. L’inspection de bâtiments de même que la recherche

et le sauvetage de personnes en détresse ou disparues en sont quelques exemples. Rapides et

petits, les drones sont en mesure d’atteindre par la voie des airs des endroits difficilement

accessibles pour une personne et de couvrir des zones de recherche plus efficacement

Plusieurs projets en aéromodélisme sont populaires et offrent des performances de base à un

prix raisonnable, mais peu de projets offrent un contrôle autonome complet du drone. Or, avec

l’usage de plus en plus répandu de ces véhicules aériens, davantage de personnes se

retrouvent sans formation afin d’être en mesure de les piloter. La tendance pour le contrôle

d’appareils de plus en plus sophistiqués est donc de limiter les consignes humaines, plus

susceptibles d’occasionner des erreurs de pilotage, puis de les remplacer par des consignes

logicielles.

II.3. Définition d’un drone 

Les drones sont des aéronefs (1) capables de voler et d'effectuer une mission sans présence

humaine à bord. Cette première caractéristique essentielle justifie leur désignation de

Uninhabited (ou Unmanned) Aerial Vehicle (UAV). D'origine anglaise, le mot «drone», qui

signifie «bourdon», ou «bourdonnement», est communément employé en Français en

référence au bruit que font certains d'entre eux en volant

La désignation de drone est très limitative puisqu'elle ne recouvre qu'un véhicule aérien. Le

drone n'est en fait qu'un des éléments d'un système, conçu et déployé pour assurer une ou

plusieurs missions. C'est la raison pour laquelle les spécialistes parlent de «systèmes de

drones».

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FIGURE 1 : Système mécatronique

II.4. Systèmes de bord

Les systèmes de bord sont essentiels car ils assurent le pilotage et la navigation de façon

automatique. Ils peuvent fonctionner en parfaite autonomie ou selon des ordres émis depuis le

sol, par un opérateur chargé de conduire la mission.

Structure mécanique d’un drone

Exemple : drone miniature quadri rotor

La mécanique du drone est conçue en fonction de deux objectifs principaux : maintenir un

poids uniforme et léger ainsi qu’assurer la protection de l’appareil et de son environnement

incluant les gens alentours. La figure 1 provenant d’un modèle SolidWorks illustre les

éléments mécaniques du quadricoptère. On y remarque que le drone possède quatre hélices à

trois pales. Celles-ci ont 13’ de diamètre. Deux hélices sont conçues pour tourner dans le sens

horaire et deux autres dans le sens antihoraire. Elles sont fabriquées à partir d’un composé de

Nylon et de fibre de verre pour assurer une rigidité maximale. Elles procurent une poussée de

2 kg à 6000 RPM.

FIGURE 2. Modèle mécanique

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II.5. Catégories des drones

On distingue différentes catégories de drones suivant leurs dimensions et leurs

missions :

II.5.1. Haute Altitude Longue Endurance (HALE) :

Ce sont les plus lourds, les plus rapides ; ils volent à une altitude élevée et possèdent une

autonomie pouvant atteindre plus de 30 heures.

II.5.2. Moyenne Altitude Longue Endurance (MALE) :

Leur rayon d’action est plus limité que celui des HALE (inférieur à 1000km) mais leur

autonomie est supérieure. Traditionnellement utilisés pour de la reconnaissance ils sont à

présent très fréquemment armés.

II.5.3. les drones tactiques (TUAV) :

Ils sont très nombreux, plus petits et moins chers à produire. Ils sont utilisés pour de la

reconnaissance de terrain dans un périmètre réduit.

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

II.5.4. les drones de combat (UCAV) :

Conçus spécifiquement pour les frappes au sol et les bombardements.

II.6. Architecture globale du système

L’architecture globale du drone qui est proposée ici se divise en trois niveaux allant des

mécanismes réalisant le traitement le plus long et le plus coûteux en termes de calculs à

effectuer jusqu’aux plus réactifs. La figure 4 illustre cette architecture en y représentant les

éléments principaux

Au plus haut niveau hiérarchique de cette architecture se trouvent les modules responsables de

la prise de décisions du drone concernant l’accomplissement des tâches à réaliser telles que

reçues de l’utilisateur via une interface de commandes. Un planificateur gère les tâches reçues

et établit la trajectoire que le drone doit accomplir pour y parvenir en se basant sur une

représentation interne de l’environnement constamment mise à jour. Le système exécutif agit

comme interface entre le planificateur et les comportements qui exécutent les tâches.

Chaque comportement agit de manière concurrente face aux autres et propose une commande

à transmettre au système temps-réel. Un module d’arbitrage établit les priorités entre les

différents comportements et transmet la commande la plus prioritaire au second niveau

hiérarchique de l’architecture. Le système temps-réel est le second niveau hiérarchique. Il

asservit le drone en fonction des commandes transmises par le système d’arbitrage et des

données mesurées par ses capteurs. Il fournit la vitesse de rotation des moteurs au plus bas

niveau.

Hiérarchique lui assurant de répondre à la consigne et transmet l’information de ses capteurs

au niveau supérieur. Des codes d’alertes sont également communiqués entre le système temps

réel et le système exécutif pour déceler toute anomalie et aider l’ensemble du drone à réagir

rapidement dans un tel cas.

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

Le système de contrôle des moteurs, au bas de l’architecture, agit directement sur les

actuateurs en asservissant leur vitesse de rotation en fonction de la consigne reçue du système

temps réel et transmet au niveau supérieur l’état des moteurs et des batteries.

II.7. Système drone

Un système drone fait référence aux différents composants nécessaires à sa mise en œuvre:

Un segment air, lui-même composé du drone, de sa charge utile et de son système de

transmission.

Un segment sol, constitué d'un ensemble de matériels permettant la conduite de la

mission, généralement regroupé au sein d’une « station sol » et permettant d’assurer la

gestion du vol et de la navigation, la réception des données depuis le drone et l’analyse

et l’interprétation des données.

Figure 4 : schéma synoptique du système drone

La commande du drone peut se faire manuellement, par radiocommande, par la Station sol, ou

automatiquement.

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

Voici un schéma détaillé de l’architecture matérielle retenue pour le projet, avec Les types de

communications mis en jeu entre éléments.

Figure 5: schéma détaillé du système

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II.8. Une grande souplesse d'emploi 

Le départ d'un drone peut s'effectuer depuis une plate-forme terrestre ou maritime, ou encore

depuis un autre véhicule aérien. Il peut être lancé à la main (c'est le cas des drones de petites

dimensions) ; il peut être catapulté ; enfin, il peut décoller depuis une piste, soit en mode

télécommandé par un pilote au sol, soit de façon entièrement automatique.

Figure 6 : Phase de lancement sur catapulte d'un drone SDTI

II.9. Récupération du drone

Pour la récupération du drone, deux solutions sont possibles : faire revenir celui-ci à l'endroit

d'où il est parti et le faire atterrir (en mode automatique ou télécommandé), ou le faire «se

poser» à un endroit spécifié à l'avance. En général, cette dernière pratique s'applique à ceux

qui sont partis d'une catapulte et qui ne sont pas dotés de train d'atterrissage. La séquence

consiste, après réduction de l'altitude et de la vitesse, à ouvrir un ou plusieurs parachutes, puis

à déployer des ballons gonflables («airbags») sous la structure. En outre, on peut également

récupérer le drone dans un filet, ce qui élimine tout système embarqué pour l'atterrissage

Figure 7 : Récupération par parachute d'un Sperwe

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

II.10.Les drones miniatures

Toute drone avec une envergure inférieure à deux mètres, mais supérieure à 30 centimètres est

considéré comme un mini-véhicule aériens sans pilote (mini-UAV). M-UAVs sont adaptés à

l'intelligence, surveillance et reconnaissance, l'évaluation champ de bataille, nucléaire,

biologique et radiologique de détection, relais de communication, l'écoute électronique,

brouillage radar, et les opérations dans les villes et les zones à forte densité de population.

Que manque beaucoup MUAVs, cependant, est un système de guidage de navigation et viable

système d'alimentation qui peut s'adapter à l'intérieur de leurs limites.

Figure 8 : Birotan Figure 9 : Drone miniature quadri rotor

II.11.1. Les micro drones

Un micro drone est un drone miniature semblable à un insecte, il doit avoir une masse

inférieure à un demi-kilogramme et une envergure inférieure à un demi-mètre. Il sera

maniable à petite comme à grande vitesse et peu bruyant. Sa taille exige une capacité de

réserve en énergie –chimique ou électrique- réduite, donc sa propulsion doit être la plus

efficace possible. Pour la question du stockage de l’énergie et de son utilisation, plusieurs

options sont à l’étude dans de nombreux laboratoires dont les micromachines thermiques,

l’actionnement piézoélectrique.

Figure 10: Micro-drone de type Tri rotor développé à SUPAERO

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

II.11.2. Architecture globale du système de drone miniature:

L’architecture globale du drone qui est proposée ici se divise en trois niveaux allant des

mécanismes réalisant le traitement le plus long et le plus coûteux en termes de calculs à

effectuer jusqu’aux plus réactifs. La figure 3 illustre cette architecture en y représentant les

éléments principaux

FIGURE 3 : Architecture globale du drone

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II.11.3. description du système du drone miniature (Quadri rotors)

Les drones miniatures sont généralement composée de :

1. Calculateur 

Afin de disposer d’une puissance de calcul suffisante pour réaliser l’ensemble de

tâches incombant au calculateur, notre choix s’est porté vers la famille des

microcontrôleurs dsPIC de chez Microchip.

2. Capteurs

La qualité et la précision des capteurs sont très importantes pour assurer une bonne

connaissance de l’attitude du drone dans l’espace. La centrale inertielle est bien sûr

l’élément le plus important et le plus complexe, et donc le plus cher. Ainsi le choix des

capteurs résulte d’un compromis entre le prix et la qualité des mesures.

3. une centrale inertielle

À 6 degrés de liberté composée d’un accéléromètre 3 axes, de 3 gyromètres 1 axe,

d’une connectique pour GPS, de conne pour servomoteurs, tout ceci relié à un calculateur

intégré de la famille dsPIC30F. Cette centrale a pour avantages, en plus de son faible coût

(150$), d’offrir une solution tout en un, ainsi qu’un firmware opensource développé par le

créateur de la carte

. 4. Des télémètres ultrason LV-EZ0 et LVEZ4 de la marque Maxbotix

Détectant les obstacles de 0 à 6,45m, et ce avec une résolution de 512 valeurs. Cette

valeur peut-être récupérée via une liaison série RS232, une ligne analogique, ou un signal

PWM. L’intérêt d’avoir choisi deux télémètres différents est qu’ils possèdent des cônes de

détection différents : un cône large pour l’évaluation de la distance au sol et au plafond, et

un cône plus fin (et donc plus précis) pour la détection d’obstacles

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

5. Un capteur barométrique (et de température) SPC1000

Nous permettant de déterminer l’altitude du drone avec une précision d’environ 10cm.

L’acquisition se fait en SPI.

6. Un magnétomètre 3 axes HMC5843

Qui permet de connaître l’attitude (vecteur) du drone dans l’espace, ceci par rapport au

pôle magnétique de la Terre. L’interface est en I²C.

7. Un récepteur GPS 50 canaux (référence GS407)

Communiquant via une liaison série. Le rafraichissement des données se fait à une

fréquence de 4Hz. Les 50 Satellites recherchés en parallèle permettent une géolocalisation

plus rapide et plus stable.

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

8. Modules de Communications  

2 modules XBee Pro 50mW Series 2.5 Wire Antenna pouvant communiquer à une distance

théorique de 1,6km sans obstacles. Ces modules ont l’avantage d’être facilement

configurables à l’aide d’un programme fourni par le constructeur. La gamme « pro » permet

de communiquer à une plus grande distance (puissance d’émission accrue). La fréquence

utilisée est 2,4GHz et 11 canaux sont utilisables.

II.11.4. Structure mécanique

Éléments utilisés:a. 4 moteurs TowerPro Brushless Outrunner 2410- 09 13A / 104W donnés Pour 840kv

(tours par minute par volt). Ces moteurs peuvent soulever Chacun une charge d’environ

600g, soit 2,4kg pour l’ensemble du drone. Le fonctionnement en 10V des moteurs

nécessite l’utilisation de batteries 3S (3 cellules de 3,7V en série) fournissant du 11,1V.

b. 4 contrôleurs Hobbyking SS Series 25-30A ESC assurant la gestion des besoins

Électriques des moteurs vis-à-vis de la batterie, besoins définis par les commandes

motrices en sortie de calculateur. Ces contrôleurs supportent un Ampérage constant de

25A et de 30A en burst (montée en charge de très courte durée).Les moteurs ne

consomment chacun que 13,5A maximum ce qui offre une marge de sécurité

satisfaisante par rapport aux caractéristique des contrôleurs

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

c. 2 batteries Rhino 4900mAh 3S1P 11.1v 20C Lipoly Pack assurant les besoins énergétiques

du drone. Une batterie 20C de 4900mAh offre un ampérage maximum de 4,9x20 soit 98A.

Les 4 moteurs demandent au maximum 4x13, 5A soit 54A. La Batterie est volontairement

surdimensionnée car les habitués de batteries Lipo conseillent une utilisation à 2/3 des

capacités de la batterie pour ne pas l’endommager. D’après les tests réalisés, on voit que

le drone décolle à mi-throttle, donc à la moitié des possibilités des moteurs. On considère

donc u ampérage nécessaire de 4x13,5/2 soit 27A, la batterie pouvant fournir 4,7A par

heure, on obtient donc une autonomie approximative de 10 minutes en vol stationnaire.

d. 2 couples d’hélices rotatives et contrarotatives aux dimensions 10"x4,5". L’utilisation de

ces deux types d’hélice satisfait les caractéristiques Propres aux quadri rotors dont les 2

moteurs d’un axe tournent dans le sens opposé à celui des 2 moteurs de l’autre axe.

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

e. Des tubes et des feuilles de carbone pour l’ossature du drone. La fibre de carbone, de part

sa structure particulière, offre une grande résistance pour un poids réduit. C’est pourquoi

elle est utilisée, entre autre, dans le modélisme haut de gamme.

II.11.5. L’utilité des drones miniatures

La surveillance et l'observation

Etudes scientifiques

Étude de l'atmosphère, des sols (géologie) et des océans

Etudes et prévisions météorologiques

Surveillance d'urgence

Incendies de forêts, avalanches

Volcans, tornades

Recherche et sauvetage

Surveillance civile

Surveillance des cultures et épandage agricole.

Surveillance maritime (voies maritimes, trafic de drogue, clandestins, détection des

pollutions par hydrocarbures, localisation pour sauvetage).

Surveillance urbaine, des manifestations, ainsi que des frontières.

Inspection des ouvrages d'art tels les ponts, les viaducs, les barrages

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

Surveillance des oléoducs, gazoducs, caténaires et voies ferrées, lignes à haute tension

Surveillance du trafic routier et du transport de matières dangereuses.

Des missions exploitant le vecteur aérien

Transport de fret

Cartographie

Utilisation par l'industrie cinématographique

Largages de vivres et d'équipements de sauvetage en zones hostiles

Des missions spécifiques

Relais de communications

Missions dangereuses (détection de gaz toxiques, radiations)

Recherche et sauvetage (mer, montagnes, désert...)

II.12. CONCLUSION

Nous avons présenté une grande diversité de familles de drones, qui comporte Chacune ses

spécifficités techniques. Le choix d’une architecture de drone n’est pas anodin Et doit

notamment correspondre aux missions pour lesquelles il sera employé, ainsi qu’aux degrés De

performances recherchés.

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

CHAPITRE III

GESTION DE L'ENERGIE D'UN DRONE MINIATURE

III.1. Introduction:

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

Une difficulté principale dans l'ingénierie micro drone implique de propulsion. Il est difficile

de faire moteurs à combustion interne à la fois assez petit pour tenir dans la micro drone et

suffisamment efficace pour produire assez d'énergie pour créer la poussée. Les piles à

combustible, micro-turbo générateurs et moteurs thermo-photoélectriques pourrait s'avérer

une meilleure puissance que les moteurs à combustion interne pour le micro drone. La plupart

des entreprises se tournent vers les moteurs électriques, car de nombreux petits moteurs

électriques sont disponibles dans le commerce, ils sont également plus silencieux que les

moteurs à essence. Un problème pour la propulsion électrique, cependant, est le stockage de

l'énergie pour alimenter les moteurs. Nouvelle technologie de batterie, telles que les cellules

lithium-polymère, peut permettre micro drone et mini drone de rester en l'air plus longtemps

que ce qu'ils pouvaient utiliser la technologie actuelle de la batterie.

III.2. sources d’énergie miniatures :

Les MEMS « de puissance » (du milliWatt à quelques Watt) type microturbine,micro-pile à

combustible, pour concurrencer les batteries (qui restent la solution principale mais qui

montrent leurs limites) et notamment augmenter l’autonomie. Le développement des batteries

(piles) est un axe de recherche important. Aujourd’hui, il ne relève pas des MEMS mais plus de

la chimie. Cependant l’utilisation de procédés planaires et collectifs (supports souples et fins,

ou procédés compatibles d’une intégration sur silicium) et la récupération/mise en forme de

cette énergie pour les MEMS incite à encourager les synergies. Toutefois ces sources ne seront

qu’un stockage temporel, limité en temps et en densité d’énergie.

III.2.1. les micro-piles à combustibles

Sont une solution potentiellement très intéressante. De nombreux défis scientifiques et

industriels restent à relever pour permettre un jour leur utilisation et leur intégration

(membranes, gestion des fluides, choix – et stockage - du carburant,…).

III.2.2 Les micromachines thermiques

(Micro-chambres à combustion couplées à un actionneur et un micro générateur) permettraient

d’obtenir des énergies de plusieurs Watts à plusieurs dizaines de Watts à partir de carburant

stocké. La solution reste très complexe à intégrer. Des avancée significatives placent la France

en bonne position tant sur les turbines que sur les micro-générateurs.

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

Les sources de faible puissance (du nanoWatt au milliWatt) pour répondre aux besoins des

microsystèmes individuels. Le niveau de puissance requis par ces derniers peut permettre

d’envisager la récupération de l’énergie disponible dans l’environnement.

III.2. 3. Génération Photovoltaïque :

les rendements obtenus vont de 15 à 20 % pour les systèmes les plus performants, ce qui

permet d’escompter, au mieux, de l’ordre de quelques centaines de Watt par mètres carrés en

plein ensoleillement Les défis à relever sont donc plus d’ordre pratique (packaging) et

industriel ou liés à la conversion et au stockage d’énergie de très faible niveau.

III.2. 4. Génération Thermoélectrique :

Parmi les meilleurs résultats commercialisés, mais réalisés en matériaux massifs et par les

technologies conventionnelles, on obtient (Bi2Te3) 300 mWatt /cm2 /200° et seulement 15

mW / cm2 /10°C. La recherche sur les matériaux est ici fondamentale, et leur intégration au

sein des microtechnologies représente un axe majeur de recherche afin de pouvoir produire ces

sources d’énergie à bas coût ainsi qu’à toute petite dimension.

III.3. Gestion d'Energie d'un drone miniature par une micro turbine:

Imaginez des drones de la taille d’un oiseau, capables de voler des heures, filmer des scènes et

transmettre des informations. De nombreux ingénieurs s’attachent à concevoir de tels drones

miniatures, pour des applications civiles et militaires. Parmi les nombreuses difficultés, figure

l’alimentation en énergie de ces engins, qui doit être à la fois puissante et extrêmement légère.

Pour ces micro drones de 15 centimètres d’envergure et autant de long, pesant une centaine de

grammes, les batteries sont trop lourdes et disposent de trop peu d’autonomie. Quant aux piles

à combustible, elles n’existent pas encore dans la gamme de puissance recherchée. Restent les

turbines à gaz, qui pourraient fournir dix fois plus d’énergie qu’une batterie à masse égale.

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

Une turbine transforme l’énergie provenant du combustible en mouvements de rotation, soit

pour alimenter directement une hélice, soit pour produire de l’électricité. « Notre objectif est

de réaliser une micro-turbine à gaz, afin d’équiper les futurs micro-drones », raconte Joël

Guidez, Ces micro turbines serviront à alimenter le moteur électrique actionnant les ailes du

drone, mais aussi tous les équipements électriques, comme des capteurs, voire une petite

caméra.

Mais pour miniaturiser une turbine, il ne suffit pas de réduire les dimensions de chaque

composant. Les écoulements ne se déroulent pas de la même façon sur de toutes petites

échelles, par exemple dans les chambres de combustion de ces micros turbines, qui ne

mesurent que quelques centaines de millimètres cube. Les écoulements sont beaucoup moins

turbulents, et les gaz ont donc plus de difficultés à se mélanger. Gênant, pour une combustion,

où le combustible doit être mélangé avec de l’air ! Il faut donc créer dans la chambre de

combustion des structures favorisant le mélange des gaz. « Nous concevons des zones de

circulation ramenant les gaz chauds vers les gaz frais », explique Joël Guidez. Cela permet

d’entretenir la combustion qui, sinon, s’éteindrait.

Le code de simulation aérodynamique elsA, en révélant les détails des écoulements entre les aubes, permet d'optimiser les caractéristiques.

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

Cependant, ces structures microscopiques ne peuvent pas être trop complexes, sous peine de

ne pas pouvoir les fabriquer. La première chambre construite avait une géométrie assez

simple : c’était un cylindre de 20 millimètres de diamètre et 2,7 mm de hauteur, comportant

un tube en son centre sur lequel le gaz rebondit. Il est ainsi envoyé en périphérie de la

chambre, où il se mélange avec les gaz présents. Cette chambre sert surtout à tester les

méthodes de fabrication et de mesure du laboratoire de l’Onera. La fabrication d’une

deuxième chambre plus complexe et plus performante est en cours.

Qui dit chambre de combustion de petit volume dit grandes pertes thermiques. En effet, les

petits objets ont plus de surface rapportée au volume comparativement aux gros objets, ce qui

engendre davantage de pertes thermiques. Celles-ci sont à la fois un avantage et un

inconvénient. D’un côté, elles évitent aux parois de trop chauffer et de fondre, mais de l’autre,

elles peuvent éteindre la combustion si elles sont trop importantes. Il faut donc concevoir des

chambres telles que les pertes sont juste au bon niveau.

La microchambre de combustion et son enceinte d'expérimentation. Le code de simulation aérothermique Cèdre permet de reproduire la combustion en 3D et de mieux comprendre

les phénomènes en jeu.

Concernant le combustible, les expérimentations actuelles s'effectuent avec l’hydrogène pour

plusieurs raisons. Comme il est très léger, il diffuse très bien. Par ailleurs, son temps de

réaction chimique (le temps nécessaire pour que la réaction chimique de combustion ait lieu)

est de 50 microsecondes, dix fois plus court que celui des hydrocarbures habituellement

utilisés. Or, dans une microchambre de combustion, le temps que mettent les gaz à traverser la

chambre de combustion est très brève. Et plus on diminue les dimensions de la chambre, plus

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

ce temps de séjour diminue. Mais il doit rester deux à cinq fois supérieur au temps de réaction

chimique, sans quoi la combustion sera mauvaise. En revanche, un hydrocarbure est plus

simple à stocker que l'hydrogène. De prochaines études auront donc pour objet la stabilité de

combustion d'hydrocarbure dans ces toutes petites chambres

Dans quels matériaux ces microturbines seront-elles fabriquées ? Le Massachussetts Institute

of Technology (MIT) tente de fabriquer une turbine toute en silicium, afin de profiter des

technologies de gravure sur silicium de la microélectronique pour créer les canaux permettant

de mélanger les gaz. L’Onera préfère fabriquer des microturbines comportant plusieurs

matériaux.

Parties tournantes de micro-turbine gravées dans le silicium

Enfin, n’oublions pas le reste de la turbine à gaz, notamment les pièces tournantes. Les aubes

des turbines peuvent être amenées à tourner à très grande vitesse, jusqu’à un million de tours

par minute. Fabriquer des aubes de turbine de 8 millimètres s’avère complexe. La gravure sur

silicium peut être une solution, à moins que les techniques de micro-usinage ne soient

privilégiées. « Cette fabrication demandera de toute façon des technologies spécifiques »,

observe Joël Guidez. Mais la question cruciale est celle des paliers et des butées, qui servent à

tenir l’arbre des turbines. Dans les turbines habituelles, ce sont des roulements à billes qui

jouent ce rôle. Ici, ce seront des paliers hydrodynamiques : les écoulements de gaz sustentent

les parties tournantes sans qu’elles touchent les parties fixes.

III.4. CONCLUSION

Les futurs drones miniatures devront être alimentés par des sources d’énergie miniatures. Les

plus adaptées semblent être les microturbines. Mais concevoir des turbines de quelques

centimètres cube relève de la gageure. Modification des écoulements, conception de nouvelles

géométries, micro fabrication et études thermiques sont au programme des chercheurs

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

Conclusion générale:

Drones miniatures et micro-entreprises sont en cours de développement, conçu et déployé

dans le monde entier. Mini et micro drones sont utilisés pour des applications militaires

comme rapport de recherche internationale et sera utilisé dans les missions de guerre

électronique. En outre, mini et micro-drones sont utilisés dans l'agriculture, la météorologie et

l'aide aux sinistrés. La création de l'essaimage des réseaux de drones est également à l'étude

dans le monde. innovations et la recherche continuera à propulser les capacités et l'utilisation

des mini-micro-drones.

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Gestion d’energie a bord d’un drone miniature

III.1. bibliographie:

1. les drones: tome1-mieux connaitre les drones

2. thèse de Doctorat de l'Université de Lorraine Modélisation, Observation et Commande

d'un Drone Miniature a Birotor Coaxial par Arnaud koehl.

3. Micro-turbines, maxi-difficultés. Site web: www.onera.fr

4. A report prepared by the federal research division, library of congress: mini, micro, and

Swarming unmanned aerial vehicles: a baseline study

5. Abershitz, Avi, David Penn, Amit Levy, Aviv Shapira, and Zvi Shavit. “IAI’s Micro/Mini UAV Systems-Development Approach.” September 2005.

6. AC Propulsion. “AC Propulsion SoLong UAV Flies for 48 Hours on Sunlight. Two Nights Aloft Opens New Era of Sustainable Flight.” <www.acpropulsion.com / ACP_DOCs/ACP_SoLong_UAV_48hr_Flight_2005-0605.doc>