Drone cuadricóptero

Las agencias de aplicación de la ley pueden utilizar drones como herramientas de vigilancia para monitorear las protestas. También hay drones cazadores de drones, que utilizan, por ejemplo, una red, y se utilizan en áreas sensibles (espacio aéreo, infraestructura vital, etc.), aunque esta tarea a menudo se delega en rapaces en lugar de drones.

Los drones diseñados para la agricultura pueden realizar mapeos agronómicos o incluso esparcir productos en las granjas.

Los drones se utilizan cada vez más para realizar tomas profesionales destinadas al cine o la televisión.

Existen drones capaces de realizar trabajos de cartografía mediante fotogrametría , inspección visual o térmica de infraestructuras.

Arquitectura de drones quadcopter

Un quadrotor está formado por un chasis central, que comprende el controlador de vuelo (una tarjeta que lleva el microcontrolador y varios sensores), así como la batería utilizada para alimentar el dron y, en general, al menos una cámara. De este marco central salen cuatro brazos, que pueden estar en X o en H. Al final de cada brazo se fija un motor que impulsa una hélice.

Teletransmisión

El controlador de vuelo está conectado o tiene elementos que permiten diferentes tipos de transmisión remota según los modelos de drones. En el caso de los juguetes de nivel de entrada, se usa bluetooth para los comandos (rango muy bajo, hasta 60m en LTE), los siguientes rangos usan Wi-Fi para la transmisión de comandos y video. Para los más exclusivos, las frecuencias de radio (a veces combinadas con bluetooth y Wi-Fi) se utilizan para el control, ya sea FM en 41 MHz o, para rangos más grandes (varios kilómetros), en 2,4 GHz, a menudo programables. En los controles remotos FM, a menudo se usa firmware OpenTX gratuito .

El módulo VTX (en inglés  : Video Transmitter ) es responsable de transmitir el video en tiempo real a los visores. Puede transmitir en las frecuencias de 1.2 GHz, 2.4 Ghz o 5.8 GHz, esta última frecuencia está permitida en muchos países. Generalmente emiten 25 mW en la frecuencia de 5,8 Ghz. Es posible aumentar la potencia a 200 mW, pero las regulaciones locales pueden prohibirlo. En Francia, por ejemplo, el límite es de 25 mW. El tipo de antena juega un papel importante en la transmisión, tanto en el dispositivo como en la estación receptora. Ahora con varias modificaciones de la red Wi-Fi y la antena el límite sube hasta los 50 mW. La potencia es de 300 mW y la frecuencia es de 6.2 GHz.

Pilas

Las baterías generalmente utilizan acumuladores de tipo Li-Po (polímero de iones de litio). Dependiendo del tipo de equipo, las baterías están orientadas hacia una mayor autonomía (la mayoría de los casos) o una mayor potencia instantánea (drones de carreras). Un circuito integrado en la batería permite conocer la autonomía restante y transmite esta información al controlador de vuelo, para que el dron pueda aterrizar sin problemas antes de que esté completamente vacío.

Las baterías se describen con diferentes valores. Los valores 1S, 2S ... 6S, corresponden al número de elementos. Un elemento básico produce 3,7 V cuando se carga. Este valor aumenta al final de la descarga. El valor C ( culombio , valor de carga), corresponde a la capacidad de descarga de la batería, se debe multiplicar por la capacidad de la batería para alcanzar la máxima intensidad de corriente que la batería puede proporcionar. Por ejemplo, una batería de 2500 mAh (miliamperios / hora o 2,5 Ah) calificada como 20 C, podría proporcionar 2,5 × 20 = 50 Ah. Este valor debe compararse con el consumo de los motores para proporcionar la capacidad de descarga suficiente para utilizarlos a plena potencia. Dependiendo de la calidad de las baterías, más o menos logran proporcionar esta potencia máxima y subirá más o menos rápidamente de voltaje después de esta fuerte descarga.

Controlador de vuelo

Los controladores de vuelo se utilizan como los microcontroladores más populares, para los drones más simples, los procesadores Atmel AVR de 8 bits y el PIC de Microchip , y para los modelos más avanzados, los procesadores STMicroelectronics STM32 F1 o F3 de 32 bits , pero más comúnmente el F4 ( incluye un ( DSP y un FPU ) y para los más exclusivos, el F7.

El software de control puede ser para drones de carreras, Betaflight , un software gratuito especializado (con licencia GPLv 3), derivado de Cleanflight . Por lo general, tienen la capacidad de superponer un OSD en el video.

El microcontrolador, basado en el análisis de sensores, controles transmitidos por el usuario y algoritmos que han sido programados, transmitirá al controlador electrónico de velocidad  (en) (en inglés para ESC Electronic Speed ​​Control ), la velocidad del motor a la que se encuentra la hélice. adjunto. Hay cuatro, uno por hélice.

El controlador de vuelo generalmente incorpora un giroscopio (para inclinarse) y un acelerómetro . A veces incluye un módulo GPS .

Propulsión

Los motores son motores sin escobillas (o "sin escobillas") de construcción de modelos , en los que las bobinas de cobre están montadas en el estator y los imanes en el rotor, a diferencia de los motores eléctricos convencionales. Las hélices giran en 2 direcciones opuestas, las hélices colocadas una frente a la otra tienen el mismo sentido de rotación, 2 a 2.

Las hélices unidas a los motores están hechas de plástico o materiales compuestos.

Desde un punto de vista teórico, un quadcopter drone puede, gracias a su propulsión, alcanzar una altitud de más de 5000 metros en vuelo.

Cardán

La mayoría de los drones quadcopter destinados a la fotografía aérea están equipados con una cámara montada en una góndola estabilizada o cardán. Un cardán es un sistema electromecánico de 2 o 3 ejes que permite estabilizar la cámara independientemente de los movimientos del dron. El cardán permite así obtener videos fluidos, sin movimientos ni vibraciones parásitos, como una cámara fija .

El cardán generalmente se suspende del dron a través de una placa amortiguadora. El papel de esta placa es aislar el cardán de las vibraciones de alta frecuencia provenientes del dron.

Vista de los diferentes elementos

• Tarjeta de vuelo basada en un STM32 F1 , para drones de carreras

• Microsistema electromecánico MPU-6050, chip que sirve como giroscopio y acelerómetro para drones

• ESC de 35 amperios , los 3 cables más gruesos van al motor y los más delgados a la placa de vuelo.

• Placa de vuelo Arduino , controlador de velocidad y motor

• Partes principales de un dron quadrotor

• Pilotos equipados con sus cascos de inmersión y mandos a distancia

• Pantalla FPV con OSD.

• Cardán de 3 ejes montado en una placa amortiguadora

Apéndices

Notas y referencias

1. Julien Cadot, "  Aquí hay un dron cazador de drones, la pesadilla de los pilotos del domingo  " , en Numerama ,9 de enero de 2018
2. "  Composición de un avión no tripulado - Multirotor o avión no tripulado cuadricóptero - general  " , en afcadillac.net
3. (in) "  Cómo elegir VTX (transmisor de video) de 5.8GHz para FPV Mini Quad  " en OscarLiang.com ,4 de marzo de 2018
4. "  ¿Qué significan ** S y ** C en las baterías lipo  " , en Forum Drone.fr
5. "  Lipos, la regla de oro: calcula la cantidad de C necesaria  " , en FPV passion
6. "  Cursos ARM y STM32  " , en genelais.free.fr
7. Coleman Benson, "  Cómo hacer un dron / UAV - Lección 4: Controlador de vuelo  " , en Robotshop.com ,25 de mayo de 2015
8. (en) "  Explicación de las diferencias entre controladores de vuelo F1, F3, F4 y F7  " en OscarLiang.com ,30 de octubre de 2017
9. "  LICENCIA  " , en Betaflight en GitHube
10. "  ¿Cuál es la altitud máxima que puede alcanzar un dron multirotor?"  » , En Escadrone ,10 de diciembre de 2018(consultado el 19 de julio de 2019 )

Bibliografía

• Adnan Martini, Modelado y control de vuelo de un helicóptero drone sometido a una ráfaga de viento. , Metz, Paul Verlaine University ( presentación en línea ) (HAL)