Quadcopter – Wikipedia

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23 juin 2020 Non Par Chris Gratt


quadcopter, également appelé hélicoptère quadrirotor ou Quadrotor.[1] est un hélicoptère multi-rotors[2] qui est soulevé et entraîné par quatre rotors. Les quadricoptères sont classés comme giravions, contrairement aux aéronefs à voilure fixe, car leur portance génère un ensemble de rotors (hélices orientées verticalement).

Les quadricoptères utilisent généralement deux paires d’hélices à pas fixe identiques; deux dans le sens horaire (CW) et deux dans le sens antihoraire (CCW). Ils utilisent un changement indépendant de la vitesse de chaque rotor pour obtenir le contrôle. En modifiant la vitesse de chaque rotor, il est possible de générer la poussée totale souhaitée séparément; trouver le centre de poussée latéralement et longitudinalement; et pour créer le couple ou le couple total souhaité.[3]

Les quadricoptères sont différents des hélicoptères conventionnels, qui utilisent des rotors qui peuvent changer dynamiquement la hauteur de leurs pales lorsqu’ils se déplacent autour du moyeu du rotor. Au tout début du vol, les quadricoptères (appelés alors quadrirotors ou simplement hélicoptères) étaient considérés comme des solutions possibles à certains des problèmes persistants du vol vertical. Les problèmes de contrôle causés par le couple (ainsi que les problèmes de fonctionnement résultant du rotor de queue, qui ne crée pas de portance utile) peuvent être éliminés par rotation inverse, et les pales relativement courtes sont beaucoup plus faciles à construire. Dans les années 1920 et 1930, de nombreux modèles à talons sont apparus. Ces véhicules ont été parmi les premiers véhicules à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) plus lourds que l’air.[4] Cependant, les premiers prototypes ont souffert de performances médiocres,[4] et ces derniers prototypes nécessitaient trop de charge de travail en raison d’une mauvaise augmentation de la stabilité[5] et un organe de surveillance limité.

Entre 2005 et 2010, les progrès de l’électronique ont permis la production de contrôleurs de vol légers, d’accéléromètres (IMU) à bas prix, de systèmes de positionnement mondial et de caméras. Cela a entraîné la configuration quadricoptère devenue populaire pour les petits drones. Avec leur petite taille et leur maniabilité, ces quadcopters peuvent voler à l’intérieur et à l’extérieur.[1][6]

De petite taille, les quadcopters sont moins chers et plus durables que les hélicoptères classiques en raison de leur simplicité mécanique.[7] Leurs petits couteaux sont également avantageux car ils possèdent moins d’énergie cinétique, ce qui réduit leur capacité à causer des dommages. Pour les petits carrés, les véhicules le rendent plus sûr pour une interaction étroite. Il est également possible de monter des quadricoptères avec des protecteurs qui ferment les rotors, réduisant ainsi les risques de dommages.[2] Cependant, à mesure que la taille augmente, les quadcoptères à hélice fixe développent des lacunes par rapport aux hélicoptères classiques. L’augmentation de la taille du couteau augmente son swing. Cela signifie que les changements de vitesse de la lame prennent plus de temps, ce qui affecte négativement le contrôle. Les hélicoptères n’ont pas ce problème car l’augmentation de la taille du disque de rotor n’affecte pas de manière significative la capacité à contrôler la hauteur du couteau.

En raison de leur facilité de construction et d’utilisation, les quadricoptères sont souvent utilisés comme modèles d’avions amateurs.[8][9]

L’histoire[[[[Éditer]

Premières tentatives[[[[Éditer]

Giroplane Breguet-Richet (1907)
Un hélicoptère à quatre rotors conçu par Louis Breguet. Il s’agit du premier avion à voilure tournante à décoller du sol, mais seulement en vol amarré à une hauteur de quelques mètres. En 1908, il aurait volé «plusieurs fois», bien que les détails soient rares.[10]
Oehmichen n ° 2 (1920)
Etienne Oehmichen a expérimenté la conception des rotors dans les années 20. Parmi les six modèles qu’il a essayés, son hélicoptère n ° 2 avait quatre rotors et huit hélices, tous propulsés par un seul moteur. Oehmichen No.2 a utilisé un cadre en acier avec des tubes avec deux couteaux aux extrémités des quatre bras. L’angle de ces lames pourrait être modifié par la saillie. Cinq hélices tournant dans le plan horizontal ont stabilisé la machine latéralement. Une autre hélice est montée sur le nez pour la direction. La paire d’hélices restante faisait office de traction avant. L’avion a montré un degré important de stabilité et une précision de contrôle accrue pendant son temps, et a effectué plus d’un millier de vols d’essai au milieu des années 1920. En 1923, il pouvait rester en l’air pendant plusieurs minutes à la fois, et le 14 avril 1924, il établit le premier record de distance de la FAI en hélicoptères à 360 m (390 m). Elle a montré la capacité de terminer un cours rond[11] et plus tard, les premiers vols en circuit fermé d’un kilomètre (0,62 mille) ont été effectués.
hélicoptère de Bothezat (1922)
Dr. George de Bothezat et Ivan Jerome ont développé cet avion, avec des rotors à six pales à l’extrémité de la structure en X. Deux petites hélices à pas variable ont été utilisées pour contrôler la poussée et la teinte. Le véhicule utilisait la gestion collective de l’inclinaison. Construit par l’US Air Force, il a effectué son premier vol en octobre 1922. Une centaine de vols ont été effectués à la fin de 1923. Le résultat le plus élevé a atteint environ 5 m. Bien que cela soit faisable, il était trop petit, insensible, mécaniquement complexe et sujet à des problèmes de fiabilité. La charge de travail du pilote était trop élevée en vol stationnaire pour tenter un mouvement latéral.
Convertawings modèle A Quadrotor (1956)
Cet hélicoptère unique devait être le prototype d’une gamme d’hélicoptères quadrirotors civils et militaires beaucoup plus grands. La conception comportait deux moteurs entraînant quatre rotors à travers un système de courroie trapézoïdale. Aucun rotor de queue n’est requis et le contrôle est obtenu en changeant la poussée entre les rotors.[12] Cet hélicoptère a volé avec succès plusieurs fois au milieu des années 1950, et cet hélicoptère a prouvé la conception de la quadrature, et est également le premier hélicoptère à quatre rotors à montrer un vol vers l’avant réussi. Faute de commandes de versions commerciales ou militaires, le projet a été suspendu. Convertawings a proposé un modèle E qui aurait une masse maximale de 19 000 litres (19 t) avec une charge de 10 900 lb (4,9 t) sur 300 miles et une vitesse de 273 km / h à 173 mph. Le rotor Hanson à charnière élastique (EA) sans rotor s’est développé dans les années 1960 à Lockheed en Californie, Thomas F. Hanson, qui avait auparavant travaillé chez Convertawings sur la conception et le système de contrôle du rotor carré.[13][14]
Curtiss-Wright VZ-7 (1958)
Le Curtiss-Wright VZ-7 était un avion VTOL conçu par Curtiss-Wright en compétition pour la «jeep volante» de l’armée américaine pour le trafic et la recherche. Le VZ-7 contrôlait le changement de poussée de chacun des quatre rotors de ventilateur.

Le Piasecki PA-97 était un exemple extrême où quatre avions avec un hélicoptère combinés avec une latte plus légère que l’air des années 1980.

DEVELOPPEMENTS récents[[[[Éditer]

Au cours des dernières décennies, un petit drone a été utilisé pour de nombreuses applications. Le besoin d’avions avec une plus grande maniabilité et une capacité de vol stationnaire a conduit à une augmentation de la recherche sur les quadcoptères. La conception à quatre rotors permet aux quadcoptères d’être relativement simples, mais hautement fiables et gérables. La recherche continue d’accroître la capacité des quadricoptères à progresser dans la communication multi-métiers, la recherche environnementale et les manœuvres. Si ces qualités en développement peuvent être combinées, les quadcoptères pourraient être des missions autonomes avancées qui ne sont actuellement pas possibles avec d’autres véhicules.[15]

Certains programmes actuels comprennent:

  • Le concept Bell Boeing Quad TiltRotor améliore encore le concept de quadcopter fixe en le combinant avec le concept d’inclinaison du rotor pour le transport militaire C-130 proposé.
  • AeroQuad et ArduCopter sont des projets matériels et logiciels open source basés sur l’Arduino pour les quadcoptères auto-construits.[16][17]
  • Le Nixie est un petit drone équipé d’un appareil photo qui peut être porté comme un poignet.[18][19][20]
  • Airbus développe un quadcopter alimenté par batterie qui servira de taxi aérien urbain, initialement avec un pilote, mais potentiellement autonome à l’avenir.[21]

Plusieurs projets de caméras se sont transformés en échecs commerciaux majeurs:

  • Zano (drone) – un projet Kickstarter de haut niveau pour construire un drone sans carré, Zano a échoué après avoir livré seulement une petite partie de ses commandes dans un état partiellement non fonctionnel.[22][23]
  • Lily Camera – un déménageur qui essayait de fabriquer des caméras quadricoptères pour drones, a été poursuivi par le procureur du district de San Francisco après avoir fermé ses portes sans remplir de pré-commandes.[24][25][26]

En juillet 2015, une vidéo d’un quadricoptère aérien tirant quatre fois d’un canon dans une zone boisée a été publiée sur YouTube, soulevant des préoccupations réglementaires.[27][28]

Applications[[[[Éditer]

Plateforme de recherche[[[[Éditer]

Les quadcoptères sont un outil utile pour les chercheurs universitaires pour tester et évaluer de nouvelles idées dans un certain nombre de domaines différents, y compris la théorie des commandes de vol, la navigation, les systèmes en temps réel et la robotique. Ces dernières années, de nombreuses universités ont montré que les quadricoptères effectuent des manœuvres aériennes de plus en plus complexes. Des essaims de quadrupèdes peuvent flotter dans l’air,[29][30][31][32] voler en formations,[33][34][35][36][37] et exécuter de manière autonome des routines de vol complexes telles que les flips, voler à travers des cerceaux et s’organiser pour voler à travers les fenêtres en groupe.[38]

Il existe de nombreux avantages à utiliser des quadcoptères comme plates-formes de test polyvalentes. Ils sont relativement peu coûteux, disponibles dans une variété de tailles, et leur conception mécanique simple permet aux amateurs de les construire et de les entretenir. En raison de la nature multidisciplinaire de la gestion des quadcoptères, les universitaires d’un certain nombre de domaines doivent travailler ensemble pour réaliser des améliorations significatives dans le fonctionnement des quadcoptères. Les projets Quadcopter sont généralement la collaboration d’experts en informatique, en génie électrique et en génie mécanique.[39]

Armée et application de la loi[[[[Éditer]

Le drone quadcopter est utilisé pour la surveillance et la reconnaissance des forces armées et des forces de l’ordre, ainsi que pour la recherche et le sauvetage dans les zones urbaines.[40] Un tel exemple est Aeryon Scout, créé par la société canadienne Aeryon Labs,[41] qui est un petit drone qui peut flotter tranquillement en place et utiliser une caméra pour observer les personnes et les objets au sol. La société affirme que le quadrant a joué un rôle clé dans l’abîme de la drogue en Amérique centrale en fournissant une surveillance visuelle d’un trafiquant de drogue au fond de la jungle (Aeryon a refusé de nommer le pays exact et de fournir d’autres détails spécifiques).[42]

L’armement des drones est désormais une préoccupation majeure pour l’ensemble de l’industrie de la sécurité, tout comme leur utilisation pour perturber l’espace aérien, comme cela a été observé à l’aéroport de Gatwick au Royaume-Uni en décembre 2018.[43] faisant appel à la UK Civil Aviation Authority pour modifier les lois britanniques sur les drones par le biais du Parlement.[44]

Après qu’un quadcopter (ou “drone”) de loisir s’est écrasé sur la pelouse de la Maison Blanche tôt le matin, le 26 janvier 2015,[45] Les services secrets ont commencé une série de vols d’essai de ces équipements afin de formuler un protocole de sécurité contre les places ennemies.[46]

Au cours de la bataille de Mossoul, il a été annoncé que l’État islamique d’Iraq et du Levant (ISIL) vendait des quadricoptères et des drones disponibles dans le commerce comme plates-formes pour surveiller et livrer des armes à l’aide de berceaux improvisés pour lancer des grenades et d’autres explosifs.[47] Le drone ISIL est devenu la cible des avions d’attaque de la Royal Air Force.[48]

La photographie[[[[Éditer]

Quadricoptère DJI Phantom 4 modèle 2016 avec caméra 4K UHD stabilisée par cardan, stabilisation GPS et évitement automatique des obstacles

Aux États-Unis, la plus grande utilisation des quadricoptères était dans le domaine de l’imagerie aérienne. Les drones quadricoptères conviennent à ce travail en raison de leur autonomie et de leurs économies élevées.[15]

Les drones étaient également utilisés pour la photographie lumineuse.[49][50][51]

Journalisme[[[[Éditer]

En 2014, le Guardian a rapporté que les principaux médias avaient commencé à déployer de sérieux efforts pour enquêter sur l’utilisation de drones afin de rapporter et de vérifier les nouvelles d’événements impliquant des inondations, des manifestations et des guerres.[52]

Certains médias et journaux utilisent des drones pour prendre des photos de célébrités.[53]

Livraison de drones[[[[Éditer]

En décembre 2013, Deutsche Post a attiré l’attention des médias internationaux avec le projet Parcelcopter, dans lequel la société a testé la livraison de produits médicaux en livrant des drones. En utilisant le carré Microdrones md4-1000, les colis ont volé de la pharmacie à travers le Rhin. Il s’agissait de la première livraison civile de colis à des drones.[54][55]

Opérations humanitaires[[[[Éditer]

Les quadricoptères sont utilisés à diverses fins humanitaires, des secours en cas de catastrophe à la protection des animaux. Pendant l’ouragan Harvey, de nombreux pilotes de drones avec quadricoptères à leur disposition ont atterri dans la ville de Houston, au Texas, pour fournir un soutien aux premiers réacteurs.[56]

Art[[[[Éditer]

Les quadricoptères sont également utilisés dans une variété de projets artistiques, y compris, mais sans s’y limiter, la photographie de drones. Au moins un drone a montré la faisabilité de peindre des murs de graffitis avec de la peinture en aérosol.[57] Ils peuvent être utilisés dans l’art de la performance avec de nouveaux niveaux de positionnement qui permettent de nouvelles utilisations des marionnettes, des personnages, des lumières et des caméras.[58] Ils ont également été utilisés dans les émissions lumineuses[59] y compris l’émission la plus en vue à la mi-temps de l’émission Super Super Bowl LI dans laquelle Lady Gaga, dans un segment préenregistré, a été suivie d’un essaim d’environ 300 Intel-Shooting Stars équipés de LED qui formaient le drapeau américain dans le ciel.[60][61][62][63]

sport[[[[Éditer]

Les quadcoptères sont utilisés partout dans le monde pour les courses (également appelées «coureurs sans drone») et les épreuves de style libre.[64] Les quadcoptères de course et de style libre sont conçus pour la vitesse et l’agilité. Les drones pour la course et le freestyle sont de taille relativement petite, avec 250 mm entre les arbres d’hélice et / ou les accessoires de 5-6 pouces qui sont généralement l’extrémité supérieure de l’échelle de taille.[65]

Il existe au moins trois organisations / promotions internationales pour les courses de drones, dont la Drone Racing League[66], Multi GP.[67] I Drona Champions League[68]

Aux Etats-Unis[[[[Éditer]

Aux États-Unis, la légalité de l’utilisation d’aéronefs télécommandés à des fins commerciales est une source de problèmes juridiques. Raphael Pirker, un photographe professionnel, a été puni par la FAA en 2012 pour «mise en danger des personnes sur le terrain» (violation de la réglementation) après avoir utilisé un drone Zephyr – un «avion en polystyrène de cinq livres» – pour prendre des photos aériennes du campus de l’Université de Virginie 2011.[69][70] En mars 2014, un juge du droit administratif fédéral a statué en faveur de Pirker, estimant que son drone était un “modèle réduit d’avion” et n’était donc pas soumis aux réglementations de la FAA sur les autres types d’avions.[69] La FAA a interjeté appel auprès du National Transportation Safety Board; Le NTSB a nommé un nouveau juge du droit administratif, qui a infirmé une conclusion antérieure et a jugé que l’acte édictant la FAA de la FAA était compétent pour réglementer “toute invention inventée, utilisée ou conçue pour la navigation ou le vol dans les airs”, indépendamment de toute qu’il était sans pilote ou sans pilote.[69] Pirker a été condamné à une amende de 10 000 $, mais a réglé l’affaire avec la FAA en janvier 2015, acceptant de payer une amende de 1 100 $ sans plaider coupable.[69] Selon un rapport publié en Semaine de l’aviation, l’affaire est “devenue une cible majeure parmi les modèles d’avions et les petites communautés de drones récréatifs et commerciaux”.[69]

En décembre 2014, la FAA a publié une vidéo détaillant bon nombre des meilleures pratiques des nouveaux pilotes de drones, y compris des conseils comme garder leurs machines à moins de 400 mètres et toujours en vue.[71]

Depuis mars 2015, les États-Unis ont créé une politique temporaire d’utilisation légale des drones à usage commercial dans laquelle tout opérateur peut demander une dérogation déposée en vertu de l’article 333 auprès de la FAA. En août 2015, la FAA avait approuvé plus de 1 300 demandes pour divers cas d’utilisation et d’industrie.[72] En outre, la FAA a entamé des discussions en novembre 2015 pour demander à tous les amateurs d’enregistrer également des drones personnels sur le site Web de la FAA.[73]

En décembre 2014, la FAA a commencé le processus d’enregistrement de tous les modèles d’avion pesant plus de 0,55 livre (≈ 250 grammes) et moins de 55 kilogrammes (≈ 25 kilogrammes), y compris les charges utiles telles que toutes les caméras intégrées et autres accessoires. Ensuite, la décision de la FAA a provoqué la résistance de la communauté des amateurs de l’époque. En octobre 2015, la FAA a publié des règles exigeant légalement l’enregistrement, à compter de janvier 2016, mais le 19 mai 2017, la Circuit Court of Appeals des États-Unis à Washington DC a jugé que cela violait la loi de 2012 sur la modernisation et la réforme de la FAA. , qui stipule que la FAA “ne peut publier aucune règle ou réglementation relative à un modèle d’avion”.[74] La FAA autorise toujours l’enregistrement sur une base volontaire, ainsi qu’une exigence pour une utilisation commerciale, mais déclare qu’elle n’est pas requise si elle «respecte une règle spéciale pour les modèles d’avion» (usage loisir récréatif).[75]

En plus de la demande d’enregistrement, la FAA a également publié diverses exigences opérationnelles comme suit:[76]

  • Vous volez juste en dessous de 400 pieds au-dessus du sol.
  • L’exploitant doit maintenir un contact visuel constant avec l’aéronef.
  • Ne volez pas près des avions, en particulier près des aéroports.
  • Ne survolez pas des groupes de personnes, des stades ou des événements sportifs.
  • Ne volez pas à proximité des efforts d’intervention d’urgence, tels que les sites d’accidents ou les incendies de forêt.

Le 5 octobre 2018, la FAA Reassignment Act 2018 a passé le Congrès et a été envoyée au président pour signature. Le projet de loi bipartisan a séparé la communauté des amateurs, de l’Alliance Drone Alliance pour la nouvelle loi, tandis que l’Aviation Model Academy a appelé ses membres à s’opposer à la loi.[77]

La principale modification apportée à la nouvelle loi est l’abrogation de l’article 336. Tous les propriétaires de SUAS, y compris les quadricoptères, devront enregistrer leur appareil et réussir un test de connaissances sur l’aviation générale. En juin 2019, la FAA a publié de nouvelles règles pour les avions de loisir et non commerciaux. Les pilotes de loisir ne seraient plus autorisés à voler dans un espace aérien contrôlé avec des contacts avec des tours de contrôle de la circulation aérienne. Cette règle sera en vigueur jusqu’à l’introduction du système LAANC pour les amateurs à l’été 2019.[78]

Dynamique de vol[[[[Éditer]

Chaque rotor produit à la fois une poussée et un couple autour de son centre de rotation, ainsi qu’une force de traction opposée à la direction de vol du véhicule. Si tous les rotors tournent à la même vitesse angulaire, les rotors un et trois tournant dans le sens horaire et les rotors deux et quatre dans le sens antihoraire, couple aérodynamique net et donc accélération angulaire autour de l’axe de bâillement , est exactement nul, ce qui signifie qu’il n’y a pas besoin de rotor de queue comme sur les hélicoptères conventionnels. Niw est induit par un décalage dans les couples aérodynamiques (c’est-à-dire en compensant les commandes de poussée cumulées entre des paires de pales en rotation).[79][80]

Configuration coaxiale[[[[Éditer]

Pour fournir plus de puissance et de stabilité à un poids réduit, le quadcopter, comme tout autre multirotor, peut utiliser une configuration de rotor coaxial. Dans ce cas, chaque bras a deux moteurs fonctionnant dans des directions opposées (l’un face vers le haut et l’autre vers le bas).[81]

État de l’anneau vortex[[[[Éditer]

Tous les quadcoptères sont soumis à l’aérodynamique normale des giravions, y compris la condition de l’anneau vortex.[82]

Structure mécanique[[[[Éditer]

Les principaux composants mécaniques nécessaires à la construction sont le châssis, les hélices (à pas fixe ou variable) et les moteurs électriques. Pour les meilleures performances et les algorithmes de contrôle les plus simples, les moteurs et les hélices doivent être placés à des distances égales.[83] Récemment, les composites en fibre de carbone sont devenus populaires en raison de leur faible poids et de leur rigidité structurelle.

Les composants électriques nécessaires pour construire un quadricoptère fonctionnel sont similaires à ceux nécessaires pour un hélicoptère RC moderne. Ce sont un module électronique de contrôle de la vitesse, un ordinateur ou un panneau de commande intégré et une batterie (ou pile à combustible[84]). Un émetteur portatif qui permet aux gens d’entrer est également couramment utilisé.[85]

Vol autonome[[[[Éditer]

Les quadricoptères et autres multicoptères peuvent souvent voler de manière autonome. De nombreux contrôleurs de vol modernes utilisent un logiciel qui permet à l’utilisateur de marquer des «points de cheminement» sur une carte vers laquelle le quadcopter volera et d’effectuer des tâches, telles que l’atterrissage ou l’atteinte de l’altitude.[86] Le système de pilote automatique PX4, une combinaison de logiciels et de matériel open source en développement depuis 2009, a été adopté par les amateurs et les sociétés de drones pour fournir les capacités de leurs projets de contrôle de vol en quadcopter. D’autres applications de vol incluent le contrôle de la foule entre plusieurs quadcopters où les données visuelles de l’appareil sont utilisées pour prédire où la foule se déplacera ensuite, et à leur tour diriger le quadcopter vers le prochain waypoint approprié.[87]

Endurance[[[[Éditer]

Les quadroscopes électriques ont une durabilité plus courte par rapport aux hélicoptères électriques de tailles similaires en raison du plus petit “espace disque” des pales du rotor. Le temps de vol le plus long atteint par un quadricoptère à batterie était de 2 heures, 31 minutes et 30 secondes. Le record a été établi par l’Allemand Ferdinand Kickinger en 2016.[88] Établissant le record, Kickinger a utilisé des batteries lithium-ion à faible décharge, dépouillant l’avion d’un poids insignifiant pour réduire la puissance et prolonger la durabilité. Cependant, le manque de fonctionnalités et l’utilisation de batteries à faible décharge rendent le véhicule inutilisable en tant que produit commercial.[89]

Des sources d’énergie alternatives telles que les piles à combustible à hydrogène et les générateurs hybrides gaz-électrique ont été utilisées pour étendre considérablement l’endurance des quadricoptères et des multirotors en général en raison de la densité énergétique accrue de l’hydrogène et de l’essence.[90]

Voir également[[[[Éditer]

Références[[[[Éditer]

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