par Yacoubi, Moaad
Président du jury Degrez, Gérard
Promoteur Hendrick, Patrick
Publication Non publié, 2022-10-14
Thèse de doctorat
Résumé : Ce rapport de thèse a pour but de présenter la conception et la réalisation d'un micro-drone de type Vertical TakeOff and Landing (VTOL) à rotors carénés. Ce dernier a initialement été conçu pour répondre aux exigences d'un concours de micro-drones, organisé par l'ONERA (Office Nationale d’Etudes et de Recherches Aérospatiales) et la DGA française (Délégation Générale pour l’Armement) dont le but est de faire émerger des solutions techniques innovantes. Le concours a pour objet de démontrer la faisabilité technique et l'intérêt opérationnel des micro-drones utilisés lors des opérations militaires dans la progression en milieu hostile. Plus connue sous l'acronyme anglais MAV, pour Micro Air Vehicle, les caractéristiques précises d'un mini ou micro-drone ont beaucoup évoluées au fur et à mesure des avancées technologiques et elles nécessitent d'être définies. Le premier concept qui a été mis au point par l'ULB en 2004 est un drone à rotor caréné à pas variable muni d'un plateau cyclique. Le drone a ensuite évolué vers un mécanisme plus simple doté d'un rotor à pas fixe pour participer à la seconde génération du concours. Issue d'un partenariat avec l'Ecole des Mines d'Alès (EMA), notre équipe Dulbema, après avoir franchi les trois premières épreuves du concours avec succès, a été retenue parmi les huit équipes finalistes.Le Dulbema est conçu pour être capable d'effectuer l'atterrissage et le décollage enposition verticale. Cela offre la possibilité à l'aéronef de pouvoir évoluer en milieu urbain. La présence du carénage améliore considérablement les performances de l'hélice, par rapport à une configuration classique, et protège les personnes exposées au rotor en mouvement. Cette sécurité intrinsèque permettra au drone, une fois stabilisé, d'être utilisé dans le secteur civil avec peu de risque pour les personnes aux alentours.Le Dulbema se base sur un concept innovateur dans le domaine. En effet, la configuration choisie est différente de celles habituelles. Il va de soi que le choix d'un concept nouveau va de pair avec une difficulté de réalisation accrue de par le manque d'informations techniques pertinentes. Néanmoins, il existe déjà quelques modèles performants de ce type de drone qui sont présentés dans le chapitre reprenant l'état de l'art des drones à rotor(s) caréné(s). Deux étages d'ailettes sont placés en aval du rotor. Le premier sert d'anti-couple et permet le contrôle du drone en lacet. Le second est un quadrant d'ailettes de contrôle pour le roulis et le tangage. Ce découplage induira une simplification lors de l'établissement d'un algorithme de contrôle. Le système mis en place permet de découpler le contrôle en lacet de celui en roulis et tangage sans pour cela utiliser le mécanisme complexe de rotors contrarotatifs. Une des particularités du micro-drone Dulbema est son système anti-couple à cambrure variable qui, jusqu'à présent, bien qu'ayant été cité dans certaines littératures, n'a encore jamais été mis en œuvre.Etant donné l'absence d'un modèle mathématique de ce type de véhicule, il est nécessaire de déterminer les paramètres aérodynamiques du drone afin de pouvoir définir l'enveloppe de vol. Un prototype a donc été élaboré pour effectuer des essais au sein de la soufflerie de l'Université de Liège. Les résultats obtenus sont prometteurs et concordent avec ceux obtenus par l'équipe de chercheurs de la NASA lors d'essais sur un rotor caréné. Ils seront présentés ici.En 2009, les premiers essais en vol stabilisé, par le biais de gyroscopes Commercial Off-The-Shell (COTS), ont permis de démontrer la faisabilité du concept. De plus, le système anti-couple répond parfaitement aux exigences souhaitées, malgré l'absence d'une régulation robuste en boucle fermée. Néanmoins, un manque de manoeuvrabilité à été constaté. Il était donc nécessaire de trouver une solution pour contrôler le drone en vol. Un quadrotor de contrôle a été ajouté au drone afin, d'une part, de rehausser le centre de masse du drone et, d'autre part, fournir une poussée supplémentaire qui va contrôler le drone et augmenter la charge utile. Le fait de rehausser le centre de masse à pour objectif d'accroître le bras de levier des aubes de contrôles et de réduire au maximum, voir d'inverser, le moment cabreur induit par la traînée de captation. Ce nouveau modèle à été nommé Safly.Le rapport est divisé en quatre chapitres principaux :Le premier chapitre présente de manière succincte dix drones à rotors carénés dont le concept a été démontré lors d'essais en vol et cela dans l'ordre chronologique d'apparition des différents modèles. Ce chapitre nous permet d'avoir une idée des différentes stratégies mises en oeuvre afin d'obtenir un drone VTOL à rotor caréné stabilisé. Dans le chapitre suivant, une analyse détaillée des différentes caractéristiques des rotors carénés est présentée. Une analyse théorique et un état des connaissances scientifiques au travers différentes études antérieures au sujet de la forme du carénage nous permettent d'obtenir notre dimensionnement. Une étude expérimentalement de notre carénage en soufflerie est exposée dans ce chapitre.Les deux derniers chapitres présentent de manière détaillée nos deux micro-drone Dulbema et Safly conçus par notre équipe. Chaque partie du drone est décrite avec précision. L'évolution du modèle sera présentée ainsi que les différents prototypes qui ont été construits pour les essais. Les résultats obtenus lors des essais en vol effectués avec les différents prototypes seront présentés également, en ce compris, la stratégie qui a été mise au point afin de contrôler le drone en vol, avec son électronique embarquée et sa station au sol.Pour conclure, il est à noter que la faisabilité du concept a été démontrée avec succès. En effet, pour la première fois dans l'histoire de la conception et réalisation d'un drone caréné à l'ULB, le drone a effectué plusieurs vols stabilisés. De plus, les différents prototypes ont apporté des résultats prometteurs. Un bon nombre de perspectives sont possibles dans la continuation de ce projet. Il serait utile, dans un premier temps, de débloquer le budget nécessaire pour la production d'un nouveau prototype pour une application concrète.

Documents en relation

DI-fusion