Comment vole un drone ?

Alors que les drones sont le fruit d’une mécanique complexe, certains utilisateurs se posent souvent la question sur cette mécanique. Qu’est-ce qui fait voler les drones ? Si je souhaite fabriquer moi-même mon drone, quels sont les principes physiques que je dois appliquer afin que celui-ci puisse prendre son envol ? L’article d’aujourd’hui vous présentera la façon dont sont conçus nos compagnons mécaniques afin de les faire voler.

Principe de base

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

force drone

Sur l’image présentée, 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. Cela a pour conséquence un « effet couple nul » c’est-à-dire que les forces faisant tourner le drone vers la gauche sont compensées par celles qui le font tourner vers la droite. Chaque rotor étant connecté à son propre moteur individuel, ils peuvent tourner de manière indépendante à des vitesses différentes selon les besoins.

Quels sont les mouvements que peux effectuer un drone ?

Le drone est un engin extrêmement agile qui peut aller dans huit directions différentes : en avant, en arrière, à gauche, à droite et en diagonale (Avant-Gauche, Avant-Droit, Arrière-Gauche, Arrière-Droit) ; sans oublier les hauteurs. Les mouvements qu’il effectuera se feront via la vitesse des différents rotors. Ainsi on distingue 4 types de mouvements différents :

  • Gaz ou Throttle (monter ou descendre) : ce mouvement s’effectue en augmentant la vitesse des quatre rotors pour monter ou en la diminuant pour descendre.
  • Tangage ou Pitch  (avancer ou reculer) : ce mouvement s’effectue en augmentant la vitesse des rotors A et B de Derrière et en diminuant celle des rotors de Devant, ainsi le drone avancera. Pour le faire reculer, on augmentera donc la vitesse des rotors de Devant et on diminuera celle des rotors de Derrière.
  • Roulis ou Roll (voler vers la gauche ou vers la droite) : même principe que pour le Pitch mais avec les rotors des cotés. Ainsi on augmente la vitesse des rotors de gauche et on diminue celle des rotors de droite pour aller vers la droite et vice-versa.
  • Lacet ou Yaw (vol circulaire) : ici on diminuera la vitesse des rotors B et on augmentera la vitesse des rotors A pour faire voler le drone de façon circulaire dans le sens des aiguilles d’une montre et on fait le contraire si on souhaite le faire voler dans l’autre sens.

Quels sont les forces qui agissent sur le drone ?

Le Larousse définit une force comme « un concept traduisant quantitativement les interactions entre objets et permettant d’expliquer leurs déformations ou les modifications de leurs mouvements ».

Ainsi il existe quatre forces qui interagissent avec le drone et sans lesquelles celui-ci ne peut pas voler :

  • La trainée qui correspond à la force qui s’oppose au déplacement
  • La portance qui correspond à la force qui pousse le drone vers le haut
  • La traction qui correspond à la force qui fait avancer le drone
  • La gravité qui correspond à la force qui attire le drone vers le sol

Pour que le drone puisse décoller, la puissance des hélices (la portance) doit être à minima capable de soulever le poids de l’appareil. De même on retiendra qu’en position statique la Trainée et la Traction s’équilibre entre elles. C’est grâce à l’incidence, soit le degré d’inclinaison de l’engin, 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 selon 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 contraires ». Cette loi permet d’expliquer l’incurvation des hélices d’un drone.

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

Que se passe il lorsque mon est drone vole ?

Ainsi lorsque le drone décolle, la portance est supérieure à la gravité. La vitesse des hélices est donc suffisamment importante pour que le drone ne décroche pas.

Lorsque le drone est en équilibre dans les airs, la force de portance et la force de gravité sont équivalentes. Pour le faire avancer, il suffit d’incliner le drone, donc de modifier l’angle d’incidence, pour que celui-ci aille dans la direction voulue. Pour cela, il faut que certains rotors diminuent leur vitesse de rotation, en fonction de la direction que l’on souhaite prendre comme vu plus haut. Cependant cette perte de vitesse doit être compensée par les autres rotors afin de permettre au drone de garder la même altitude.

Un drone « en couple »

Un point important concernant le drone est l’effet couple. Si tous les rotors tournaient dans le même sens, le drone tournerait en permanence sur lui-même. Sur un hélicoptère, l’effet couple produite par l’hélice principale est compensé par l’hélice qui est placée sur sa queue et qui produit un effet « anti-couple ». Sur le drone, l’effet couple produite par la rotation horaire de deux rotors est compensé par la rotation antihoraire des deux autres rotors. Ainsi il est possible en diminuant la vitesse des rotors se trouvant sur le même axe et en augmentant celle des rotors de l’axe opposé de jouer sur l’effet couple et de faire faire au drone une rotation sur lui-même.

La vidéo suivantes détaille plus les points qu’on a évoquée plus tôt:

Conclusion

Vous connaissez maintenant les différentes forces et phénomènes physiques qui interviennent lors du vol de votre drone. Les technologies qui sont aujourd’hui installées sur des drones arrivent à prendre en compte certains effets de ces forces afin de rendre leur influence presque nulle sur le pilotage. Cependant ce saut technologique a une conséquence : il alourdit le poids du drone, ce qui augmente la puissance nécessaire pour le faire voler et réduit donc la durée de vol.

Summary

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