WO2018167197A1 - Procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone, dispositif électronique, appareil électronique et drone associés - Google Patents

Procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone, dispositif électronique, appareil électronique et drone associés Download PDF

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WO2018167197A1
WO2018167197A1 PCT/EP2018/056487 EP2018056487W WO2018167197A1 WO 2018167197 A1 WO2018167197 A1 WO 2018167197A1 EP 2018056487 W EP2018056487 W EP 2018056487W WO 2018167197 A1 WO2018167197 A1 WO 2018167197A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
drone
engine
inclination
flight
saturation
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/056487
Other languages
English (en)
Inventor
Henri Seydoux
Mathieu Babel
Original Assignee
Parrot Drones
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Parrot Drones filed Critical Parrot Drones
Publication of WO2018167197A1 publication Critical patent/WO2018167197A1/fr

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63H—TOYS, e.g. TOPS, DOLLS, HOOPS OR BUILDING BLOCKS
    • A63H27/00—Toy aircraft; Other flying toys
    • A63H27/12—Helicopters ; Flying tops
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63H—TOYS, e.g. TOPS, DOLLS, HOOPS OR BUILDING BLOCKS
    • A63H30/00—Remote-control arrangements specially adapted for toys, e.g. for toy vehicles
    • A63H30/02—Electrical arrangements
    • A63H30/04—Electrical arrangements using wireless transmission

Definitions

  • the present invention relates to a method for optimizing the flight inclination of a rotary-wing drone adapted to move in the air by means of at least one rotor actuated by at least one engine, the method being implemented implemented by an electronic optimization device.
  • the invention also relates to a computer program comprising software instructions which, when executed by a computer, implement such a method of optimizing the flight inclination of a drone.
  • the invention also relates to an electronic device for optimizing the flight inclination of a rotary wing drone.
  • the invention also relates to an electronic device for controlling the engine (s) of a rotary wing drone comprising such an electronic device for optimizing the flight inclination.
  • the invention also relates to a rotary wing drone adapted to move in the air by means of at least one rotor actuated by at least one engine comprising at least one electronic device for optimizing the flight inclination of the drone of the aircraft. aforementioned type.
  • the invention relates to the field of drones, that is to say remotely controlled motorized devices.
  • the invention is particularly applicable to rotary-wing drones, such as helicopters, or drones with several rotating wings such as quadricopters or other over-powered drones such as hexacopters or optocopters, etc.
  • Rotary wing drones for example, quadricopter type, are able to hold a fixed point and evolve as slowly as desired, which makes them much easier to fly even by inexperienced users.
  • drones do not allow to maintain a significant inclination (i.e. for example greater than 30 ° in roll and / or pitch) in flight and are able to lose altitude once a predetermined threshold of horizontal velocity reached.
  • the drone flying with an inclination with respect to the horizon, is subject to modifications of operation which require a surplus of power to the drone .
  • the engines will arrive at saturation once a certain horizontal speed has been reached corresponding to the predetermined horizontal speed threshold.
  • One of the aims of the invention is then to propose a method of optimizing the flight inclination of a drone allowing an improvement in the agility of the drone while ensuring that the flying drone inclined with a speed greater than a predetermined speed threshold will not descend inexorably to the ground.
  • the object of the invention is a method of optimizing the flight inclination of a rotary wing drone adapted to move in the air by means of at least one rotor powered by at least one engine.
  • the method being implemented by an electronic optimization device the method comprising, during the flight of the drone, at least once, the determination of a maximum angle of inclination of the drone according to information representative of the saturation state of at least one engine of the drone.
  • the method of optimizing the flight inclination of a rotary wing drone according to the invention taking into account the saturation state of the engine (s) of the drone then makes it possible to play in real time on the reference of maximum angle of inclination not to be exceeded which simultaneously relieves the engine power requirements and therefore allows engine desaturation.
  • the method according to the invention corresponds to a servo control of the agility of the drone as a function of the engine saturation state.
  • angle of inclination means the angle formed between the plane comprising the body of the drone (fuselage) and the horizon. In other words, such an angle of inclination is associated with a pair of angles of roll and pitch.
  • maximum angle of inclination of the drone means the tilt angle reference that the drone is not allowed to exceed once this determined angle.
  • the method for optimizing the flight inclination of a drone comprises one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination:
  • the implementation of the determination of the maximum angle of flight inclination of the drone as a function of information representative of the saturation state of said at least one engine is conditioned by the value of the horizontal displacement speed of the drone;
  • the method comprises comparing the horizontal speed of movement of the drone with a predetermined speed threshold
  • the maximum angle of flight inclination of the drone when the horizontal speed of movement of the drone is below the predetermined speed threshold, the maximum angle of flight inclination of the drone is equal to a predetermined maximum inclination value, and when the horizontal speed of movement of the drone is greater than at the predetermined speed threshold, the determination of the maximum angle of flight inclination of the drone as a function of information representative of the saturation state of said at least one engine is implemented;
  • the determination of the maximum angle of flight inclination of the drone as a function of information representative of the saturation state of said at least one engine comprises:
  • the maximum angle of flight inclination the drone is decreased by the angular velocity of motor saturation by remaining greater than or equal to a predetermined minimum inclination value; when the value of the representative information represents the absence of engine saturation, the maximum angle of flight inclination of the drone is increased by the speed angular motor desaturation remaining less than or equal to the predetermined maximum inclination value; and
  • the information representative of the saturation state of at least one engine of the drone is Boolean.
  • the invention also relates to a computer program comprising software instructions which, when executed by a computer, implement a method as defined above.
  • the invention also relates to an electronic device for optimizing the flight inclination of a rotary wing drone adapted to move in the air by means of at least one rotor actuated by at least one engine, the electronic device comprising at least one determination module configured to determine a maximum angle of inclination of the drone based on information representative of the saturation state of at least one engine of the drone.
  • the invention also relates to an electronic device for controlling the engine (s) of a rotary-wing drone adapted to move in the air by means of at least one rotor actuated by at least one engine, in wherein the electronic apparatus comprises a control unit configured to separately control each engine of the drone, by control passage in the mark of said engine and by automatic management of the engine saturation of said engine and the electronic device for optimizing the inclination of flight as defined above.
  • the invention also relates to a rotary-wing drone capable of moving in the air by means of at least one rotor actuated by at least one engine, the drone comprising at least one electronic device for optimizing the inclination flight of the drone as defined above.
  • FIG. 1 is a perspective view of an electronic guidance system of a drone according to the invention, comprising a rotary wing drone adapted to evolve in the air under the control of remote remote control equipment;
  • FIG. 2 is a block diagram of the various servo control and steering control elements of the drone
  • FIG. 3 is a partial schematic representation of the modules constituting the electronic device for optimizing the flight inclination according to the invention corresponding to a control stage of the motors operating the rotor (s) of the drone;
  • FIG. 4 is a flowchart of a method for determining the angle of inclination of the drone according to the invention
  • FIG. 5 is a schematic representation of the geometrical parametrization of a drone engine
  • FIG. 6 is a flow chart of an engine control method according to the invention.
  • the expression "substantially equal to” is understood as a relationship of equality at plus or minus 10%, that is to say with a variation of at most 10%, preferably again as a relationship of equality at plus or minus 5%, that is to say with a variation of at most 5%.
  • an electronic system for guiding a drone makes it possible, by means of an electronic display system 10, for a user 12 to optimize the guidance of a drone 14.
  • the drone 14 is a motorized flying machine remote control, including via a lever 16 allowing the user 12 to enter his flight instructions.
  • the drone 14 that is to say an unmanned aircraft on board, comprises an image sensor 18 configured to take an image of a scene comprising a plurality of objects.
  • a drone 14 is for example a rotary wing drone comprising at least one rotor 20 (or propeller) actuated by at least one engine.
  • the drone 14 comprises a plurality of rotors 20, and is then called a multirotor drone.
  • the number of rotors 20 is in particular four in this example, and the drone 14 is then a quadrotor or quadrocopter drone.
  • the drone 14 is also provided with a transmission module 22 for transmitting, preferably by radio waves, to an electronic device, such as the reception module, not shown, of the electronic display system 10, the transmission module.
  • An electronic display system 10 allows the user 12 to view images, in particular images of the video received from the rotary wing drone 14.
  • the electronic display system 10 comprises an electronic device, for example, a smartphone, provided with a display screen, and a headset 24 comprising a support for receiving the electronic device, a surface against the face of the user 12, facing his eyes, and two optical devices disposed between the receiving support and the support surface.
  • the helmet 24 further comprises a holding strap 26 for holding the helmet 24 on the head of the user 12.
  • the electronic device is removable relative to the helmet 24 or integrated into the helmet 24.
  • the electronic display system 10 is, for example, connected to the lever 16 via a data link, not shown, the data link being a radio link or a wired link.
  • the electronic display system 10 further comprises a reception module, not shown, configured to receive at least one image from the rotary wing drone 14, the transmission of the image being preferably carried out by radio waves.
  • the viewing system 10 is for example a virtual reality display system, that is to say a system allowing the user 12 to visualize an image in his visual field, with a field of vision angle, also called Field Of View (FOV), having a large value, typically greater than 90 °, preferably greater than or equal to 100 °, to provide immersive vision (also called FPV vision).
  • FOV Field Of View
  • FPV vision immersive vision
  • the lever 16 is known per se, and makes it possible, for example, to control the rotary wing drone 14.
  • the lever 16 comprises two grip handles 28, each being intended to be grasped by a respective hand of the user 12, a plurality of control members, here comprising two joysticks 30, each arranged in proximity to a respective handle 28 and being intended to be actuated by the user 12, preferably by an inch respective.
  • the controller 16 also includes a radio antenna 32 and a radio transceiver, not shown, for exchanging radio wave data with the rotary wing drone 14, both uplink and downlink.
  • the multimedia digital tablet 23 touch screen is mounted on the lever 16 to assist the user 12 during the piloting of the rotary wing drone 14.
  • the controller 16 is configured to transmit the user's control instructions 124 to an autopilot integrated into the rotary wing drone, an exemplary functional block diagram of which is shown in FIG.
  • the electronic guidance system of the drone described above, and notably comprising a visualization system in virtual reality, is given by way of example, the invention can be implemented with other types of drone guidance systems.
  • the piloting of the drone 14 is to change it by:
  • FIG. 2 is a block diagram of the various servo control and steering control elements of the drone 14, as well as correction of the movements of the image according to the technique of the invention.
  • control system involves several nested loops for controlling the horizontal speed, the angular speed of the attitude of the drone 14 and altitude variations, automatically or under control of the aircraft. 'user.
  • the most central loop is the angular velocity control loop 100, which uses, on the one hand, the signals supplied by gyrometers 102 and, on the other hand, a reference consisting of angular velocity instructions 104.
  • This information is applied in input of a stage 106 for correcting the angular velocity, which itself controls a stage (ie electronic apparatus) 108 for controlling the motors 1 10 so as to separately control the speed of the various motors to correct the angular velocity of the drone 14 by the combined action of the rotors driven by these motors.
  • stage 106 for correcting the angular velocity
  • stage 108 for controlling the motors 1 10 so as to separately control the speed of the various motors to correct the angular velocity of the drone 14 by the combined action of the rotors driven by these motors.
  • the electronic control device 108 of the motors 1 10 is described below in more detail in relation to FIG.
  • the angular velocity control loop 100 is embedded in a loop
  • attitude control which operates from the indications provided by an inertial unit 1 14 including gyrometers 102, accelerometers 1 16 and a stage 1 18 which produces an estimate of the actual attitude of the drone 14.
  • the data from these sensors are applied to the stage 1 18 which produces an estimate of the actual attitude of the drone 14, applied to an attitude correction stage 120.
  • This stage 120 compares the real attitude of the drone 14 to angle commands generated by a circuit 122 from commands directly applied by the user 124 and / or from data generated internally by the autopilot of the drone 14 via the circuit 126 horizontal speed correction V H (or horizontal speed of movement of the drone).
  • the possibly corrected instructions applied to the circuit 120 and compared to the actual attitude of the drone 14 are transmitted by the circuit 120 to the circuit 104 to control the motors appropriately.
  • a horizontal speed control loop 130 includes a vertical video camera 132 and a telemetric sensor 134 acting as an altimeter.
  • a circuit 136 processes the images produced by the vertical camera 132, in combination with the signals of the accelerometer 1 14 and the attitude estimation circuit 1 18, to produce data for obtaining an estimate of the speeds.
  • the estimated horizontal speeds are corrected by the estimate of vertical speed given by a circuit 140 and by an estimate of the value of the altitude, given by the circuit 142 from the information of the telemetric sensor 134.
  • the user 124 applies commands to a circuit for calculating altitude setpoints 144, which instructions are applied to a calculation circuit of ascending speed instructions V z 146 via the control circuit.
  • altitude correction 148 receiving the estimated altitude value given by the circuit 142.
  • the calculated climbing speed V z is applied to a circuit 150 which compares this set speed with the corresponding speed estimated by the circuit 140 and modifies accordingly the control data of the motors (electronic apparatus 108) by increasing or decreasing the speed of rotation simultaneously on all the engines so as to minimize the difference between the ascending speed of reference and measured rate of climb.
  • the electronic device 108 for controlling the motors is moreover also connected, according to the example of FIG. 2, to a module 152 configured to determine the speed of rotation.
  • engines necessary to maintain the drone 14 fixed point English Feed Forward, ie the drone 14 is maintained at constant altitude while maintaining its course, and to do this it is necessary to determine the speed of rotation of the engines for counter the weight of the drone 14).
  • a BLDC (Brushless DC electric motor) power supply module 154 is connected firstly to the motor setpoint ⁇ of the control stage 108 and supplies voltage V and current I to the motors 10. depending on this output setpoint.
  • the motors are configured to be connected in a feedback connection to the control stage 108, and optionally to the BLDC power module 154.
  • the electronic control device 108 for controlling the motors 1 10, actuating the rotor (s) 20 of the drone 14, comprises an electronic device for optimizing the flight inclination according to the invention. .
  • the electronic control device 108 for controlling the engines is suitable for implementing the method of optimizing the flight inclination according to the invention.
  • the electronic device 108 for controlling the motors actuating the rotor (s) of the drone 14 is also able to control in real time the tilt reference of the drone 14 (corresponding to the maximum angle d inclination of the drone) allowed, if necessary, to allow engine desaturation.
  • the electronic device 108 for controlling the motors actuating the rotor (s) of the drone 14 comprises an information processing unit 156, formed for example by a memory 158 and by a processor 160 associated with the memory 158.
  • the memory 158 is configured to at least store according to the present invention a set of predetermined data, for example listed in a reference file, comprising at least:
  • a threshold S V H with a predetermined horizontal speed for example 3m / s
  • Val ma x of predetermined inclination for example 35 °
  • Val min of predetermined inclination for example 20 °
  • V sat an angular saturation speed for example 5 s
  • an angular speed of engine desaturation V Dsa t for example 27s.
  • the memory 58 is also configured to temporarily store the maximum tilt angle value 6 max t (ie tilt angle reference) determined at a time t in the course of least one iteration of the method according to the present invention to restore it to a next iteration as well as the angle Q c inclination of the first motor saturation.
  • the maximum tilt angle value 6 max t ie tilt angle reference
  • the flight angle of flight of the drone will be able to vary between 20 and 35 °.
  • the electronic engine control apparatus 108 further comprises a control unit 162 (also known as Mix Mixed RPMs) configured to separately control each engine of the engine. drone 14, by control passage in the engine mark and by management of the engine saturations.
  • a control unit 162 also known as Mix Mixed RPMs
  • the electronic engine control device 108 also comprises an electronic device 164 for optimizing the flight inclination according to the invention.
  • an electronic flight tilt optimization device 164 is formed, for example, on the one hand by a module 166 for comparing the horizontal speed V H of displacement of the drone with a predetermined speed threshold S V H stored in the memory 158, and on the other hand by a determination module 168 configured to determine a maximum angle of inclination of the drone 14 as a function of information 1 s representative of the saturation state of at least one engine of the drone 14.
  • control unit 162 the horizontal velocity comparison module 166 V H and the maximum inclination angle determination module 168 of the electronic optimization device 164 of FIG. flight inclination, are each made in the form of software executable by the processor 160.
  • the memory 158 of the information processing unit 156 is then able to store a control software configured to separately control each engine of the drone, a comparison software configured to compare the horizontal speed V H of movement of the drone to a threshold S V H of predetermined horizontal speed, a determination software configured to determine a maximum angle of inclination of the drone 14 according to a piece of information; s representative of the saturation state of at least one engine of the drone 14.
  • the processor 160 of the information processing unit 156 is then able to execute the control software, the comparison software and the determination software in parallel or successively.
  • control unit 162 the horizontal speed comparison module 166 V H and the maximum inclination angle determination module 168 of the electronic flight tilt optimization device 164 are each made in the form of a programmable logic component, such as an FPGA (Field Programmable Gathe Array), or in the form of a dedicated integrated circuit, such as an ASIC (English Applications Specifies) Integrated Circuit).
  • a programmable logic component such as an FPGA (Field Programmable Gathe Array)
  • ASIC American Applications Specifies
  • FIG. 4 represents a flowchart of the method of optimizing the flight inclination of the drone 14 implemented by the electronic flight tilt optimization device 164 according to the invention.
  • the electronic device 164 for optimizing the flight inclination begins, at a time t during the flight of the drone, by comparing the horizontal speed V H (which it receives, for example, from the circuit 126).
  • horizontal speed correction device V H shown in FIG. 2) at a predetermined horizontal speed threshold S V H stored in the memory 158 of the electronic device 108.
  • the value of the maximum angle of flight inclination of the drone 14 is set equal to a maximum value A predetermined maximum inclination value, for example 35 ° stored in the memory 158 of the electronic apparatus 108.
  • V H ⁇ S V H, max e max Val
  • a step 174 of determining the value, at this instant t, of information 1 s representative of the saturation state of at minus a motor 1 10 of the drone 14 received by means of the link 155, directly from the motor or motors 1 10, or indirectly via the power supply module 154 BLDC is implemented by the electronic device 164.
  • the implementation 174 of the determination of the value of the information 1 s representative of the state of saturation of the engine (s) 1 10 of the drone 14 is, according to the example of Figure 4, packaged by the value of the horizontal movement speed V H of the drone (ie it is implemented only in the presence of a high horizontal speed because higher than the threshold S V H of horizontal velocity).
  • the maximum angle of inclination 6 max t of flight of the drone is increased by the speed angular motor desaturation remaining less than or equal to the predetermined maximum inclination value Val max .
  • the electronic device First, it detects whether the saturation detected is the first saturation detected during the flight in question of the drone 14.
  • the instant t is for example stored (not shown) in the memory 158 as the instant t 0 of the first saturation.
  • the current inclination angle Q c of the drone 14 also called tilt angle of the first engine saturation.
  • Such an inclination angle Q c of the first motor saturation is necessarily less than or equal to the maximum predetermined inclination value Val max .
  • the saturation detected by the electronic device 164 is subsequent to the first saturation (ie t> t 0 ), then according to a step 186, the maximum angle of inclination e max, t of flight of the drone is decreased by the angular velocity saturation V sat remaining greater than or equal to the predetermined minimum inclination value Val min .
  • the initial step of comparing 170 of the horizontal velocity V H with the threshold S V H of horizontal velocity makes it possible in particular to treat the particular case where the drone 14 flies in the presence of a strong wind.
  • step 174 of the value of the information l s and the following steps 176 to 186 which saturate the maximum angle of inclination to allow engine desaturation.
  • V H of the drone 14 V H ⁇ S V H
  • the maximum angle of inclination is at 35 °.
  • the drone can therefore accelerate responsively in terms of agility.
  • a time t equal for example to 191 s, at least one of the motors is in saturation and the maximum angle will be reduced according to step 186. Thereafter, it starts to increase when the saturation disappears and so on. It therefore oscillates permanently, in an envelope of some degrees, for example about 15 °, framed between Val min and Val max .
  • such behavior has the effect that the altitude loss of the drone is limited in relation to its altitude reference point fixed between the beginning and the end of the engine desaturation.
  • the control unit 162 is notably configured to convert the commands generated by:
  • the module 152 configured to determine the rotational speed of the motor or motors necessary to maintain the drone 14 in a fixed point
  • the engine setpoint i.e. propellers
  • the first benefit to generate type commands e j is to get a generic controller 108. Indeed, it can be considered as a first approach that for a given angle error, generic controller 08 is able to send the same set of angular acceleration to compensate for whatever drone to control.
  • control unit 1 62 is configured firstly to implement a control passage in the reference of each index motor / ' .
  • control unit 1 62 is also configured to saturate the commands received from:
  • the module 1 52 configured to determine the rotational speed of the motor or motors necessary to maintain the drone 14 in a fixed point.
  • the commands are saturated so as to maintain them in a predetermined interval while maintaining their coherence.
  • the orders received are prioritized according to an order of priority, namely from the highest priority to the lowest priority:
  • the altitude command delivered by the module 152 necessary to counter the weight of the drone in a fixed point
  • the drone must maintain its altitude. For stability reasons, he must then hold his trim angles.
  • the pitch has priority over the roll because the drone 14 admits a priori the plane containing the roll axis 38 as the plane of symmetry, but not necessarily the plane containing the pitch axis 36.
  • the lace has priority before the altitude because one arbitrarily according to an embodiment it is preferred to hold its course that does not reach its altitude reference.
  • the orders are classified according to the invention in order of priority and added in this order. According to the needs and limitations of the engines, the least priority order (s) are reduced in order not to saturate.
  • a first step 192 an indicator (of the English flag) of saturation is incremented. Then during a step 194, the control unit 162 verifies that the commands of each motor are within a predetermined saturation interval.
  • the control unit 162 verifies that the total motor control (ie after adding the orders classified in the aforementioned order) motor by motor is in a predetermined saturation interval.
  • the control unit 162 according to a step 200 passes to the verification 198 of the following engine, otherwise in a step 202, the command of index j among the five commands of altitude delivered by the module 152, pitch, roll, yaw, and acceleration to reach an altitude reference are checked to determine whether or not the command considered is responsible for saturation.
  • step 204 the next motor is switched on, then according to a step 206, it is verified that all the motors have been thus tested. If so, according to a step 208, the value of the indicator is incremented and the next order is placed in the aforementioned order of priority. On the other hand, if not, the method is repeated in step 198 for checking the next engine.
  • step 202 of checking the index command j is negative, according to a step 212, the indicator is incremented, then according to a step 214, the control unit 162 tests the setting. zero of the command considered to evaluate whether such a zeroing changes the saturation state of the engine.
  • this command is effectively set to zero according to a step 216, in the negative according to a step 218 this control is reduced by a predetermined value.
  • the method of optimizing the flight inclination of a drone as illustrated in FIG. 4 makes it possible to add a saturation layer above altitude, the task of which will be to reduce the angle references of way to lean and slow down until saturation disappears. Note that the angle control remains a priority over the altitude in the electronic control device 108 of the engines 1 10 according to the invention. It is only the angle reference that is impacted.
  • the method of optimizing the flight inclination of a drone also makes it possible to eliminate altitude losses during high-speed movements and thus makes it possible to increase / decrease in real time and automatically the maximum angle of flight.
  • tilt 14 to have a more nervous steering at low speed while ensuring that the drone 14 will not descend inexorably to the ground at high speed.

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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

Le procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor actionné par au moins un moteur, est mis en œuvre par un dispositif électronique d'optimisation. Ce procédé comprend, au cours du vol du drone, au moins une fois, la détermination (172, 176, 184, 186) d'un angle maximal (θ max,t) d'inclinaison du drone en fonction d'une information (ls) représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur du drone.

Description

Procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone, dispositif électronique, appareil électronique et drone associés
La présente invention concerne un procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor actionné par au moins un moteur, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif électronique d'optimisation.
L'invention concerne également un programme d'ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un tel procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone.
L'invention concerne également un dispositif électronique d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone à voilure tournante.
L'invention concerne également un appareil électronique de contrôle du ou des moteur(s) d'un drone à voilure tournante comprenant un tel dispositif électronique d'optimisation de l'inclinaison de vol.
L'invention concerne également un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor actionné par au moins un moteur comprenant au moins un dispositif électronique d'optimisation de l'inclinaison de vol du drone du type précité.
L'invention concerne le domaine des drones, c'est-à-dire des appareils motorisés volants pilotés à distance. L'invention s'applique notamment aux drones à voilure tournante, tels que les hélicoptères, ou des drones à plusieurs voilures tournantes tels que quadricoptères ou d'autres drones sur-actionnés tel que des hexacoptères ou optocoptères, etc.
Les drones à voilure tournante, par exemple, de type quadricoptère, sont propres à tenir un point fixe et évoluer aussi lentement que souhaité, ce qui les rend beaucoup plus faciles à piloter même par des utilisateurs inexpérimentés.
Toutefois de tels drones ne permettent pas de conserver une inclinaison importante (i.e. par exemple supérieure à 30° en roulis et/ou tangage) en vol et sont propres à perdre de l'altitude une fois un seuil prédéterminé de vitesse horizontale atteint.
En effet, au fur et à mesure de l'augmentation de la vitesse horizontale de vol du drone, le drone, volant avec une inclinaison par rapport à l'horizon, est sujet à des modifications de fonctionnement qui requièrent un surplus de puissance au drone.
Parmi ces modifications de fonctionnement apparaissant lors de l'augmentation de la vitesse horizontale de vol du drone volant incliné, figurent notamment : - la diminution d'efficacité d'une ou des hélice(s), et en conséquence une diminution de la poussée d'une ou des hélice(s) correspondante avec l'augmentation de la vitesse air,
- la génération d'une déportance par le corps du drone incliné, déportance qu'il faut alors contrer en plus du poids,
- l'apparition d'un couple cabreur sur la ou les hélice(s) requérant en compensation une injection permanente par le drone d'une commande d'assiette pour maintenir son angle d'inclinaison,
- l'apparition d'un effet girouette selon la direction du vent requérant du drone l'application d'une commande de cap.
- etc.
En conséquence, pour un drone accélérant avec un angle d'inclinaison constant, les moteurs vont arriver à saturation une fois une certaine vitesse horizontale atteinte correspondant au seuil de vitesse horizontal prédéterminé.
Un des buts de l'invention est alors de proposer un procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone permettant une amélioration de l'agilité du drone tout en s'assurant que le drone volant incliné avec une vitesse supérieure à un seuil de vitesse prédéterminé ne descendra pas inexorablement vers le sol.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor actionné par au moins un moteur, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif électronique d'optimisation le procédé comprenant, au cours du vol du drone, au moins une fois, la détermination d'un angle maximal d'inclinaison du drone en fonction d'une information représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur du drone.
Le procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone à voilure tournante selon l'invention prenant en compte l'état de saturation du ou des moteur(s) du drone permet alors de jouer en temps réel sur la référence d'angle maximal d'inclinaison à ne pas dépasser ce qui permet simultanément de soulager les besoins en puissance moteur et par conséquent permet une désaturation moteur.
En d'autres termes, une saturation de l'angle maximal d'inclinaison est mise en œuvre pour permettre simultanément une désaturation moteur.
Ainsi, le procédé selon l'invention correspond à un asservissement de l'agilité du drone en fonction de l'état de saturation moteur.
L'inclinaison de vol du drone est donc optimisée automatiquement quelle que soit l'état de saturation de son ou de ses moteurs. Par la suite, on entend par « angle d'inclinaison » l'angle formé entre le plan comprenant le corps du drone (fuselage) et l'horizon. Autrement dit, un tel angle d'inclinaison est associé à un couple d'angles de roulis et de tangage. De plus, par « angle maximal d'inclinaison du drone », on entend la référence d'angle d'inclinaison que le drone n'est pas autorisé à dépasser une fois cet angle déterminé.
Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la mise en œuvre de la détermination de l'angle maximal d'inclinaison de vol du drone en fonction d'une information représentative de l'état de saturation dudit au moins un moteur est conditionnée par la valeur de la vitesse de déplacement horizontal du drone ;
- le procédé comprend la comparaison de la vitesse horizontale de déplacement du drone à un seuil de vitesse prédéterminé ;
- lorsque la vitesse horizontale de déplacement du drone est inférieure au seuil de vitesse prédéterminé, l'angle maximal d'inclinaison de vol du drone est égal à une valeur maximale d'inclinaison prédéterminée, et lorsque la vitesse horizontale de déplacement du drone est supérieure au seuil de vitesse prédéterminé, la détermination de l'angle maximal d'inclinaison de vol du drone en fonction d'une information représentative de l'état de saturation dudit au moins un moteur est mise en œuvre ;
- la détermination de l'angle maximal d'inclinaison de vol du drone en fonction d'une information représentative de l'état de saturation dudit au moins un moteur comprend :
- à la première saturation moteur détectée au cours du vol du drone : la mesure de l'angle d'inclinaison de première saturation moteur ; la mémorisation de la valeur d'angle d'inclinaison de première saturation moteur ; la définition de l'angle maximal d'inclinaison de vol du drone comme égal à la valeur d'angle d'inclinaison de première saturation moteur, puis
- au moins une itération des étapes suivantes tant que la vitesse horizontale de déplacement du drone est supérieure au seuil prédéterminé: lorsque la valeur de l'information représentative représente la saturation d'au moins un moteur, l'angle maximal d'inclinaison de vol du drone est diminué de la vitesse angulaire de saturation moteur en restant supérieur ou égal à une valeur minimale d'inclinaison prédéterminée ; lorsque la valeur de l'information représentative représente l'absence de saturation moteur, l'angle maximal d'inclinaison de vol du drone est augmenté de la vitesse angulaire de désaturation moteur en restant inférieur ou égal à la valeur maximale d'inclinaison prédéterminée ; et
- l'information représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur du drone est booléenne.
L'invention a également pour objet un programme d'ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un procédé tel que défini ci-dessus.
L'invention a également pour objet un dispositif électronique d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor actionné par au moins un moteur, le dispositif électronique comprenant au moins un module de détermination configuré pour déterminer un angle maximal d'inclinaison du drone en fonction d'une information représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur du drone.
L'invention a également pour objet un appareil électronique de contrôle du ou des moteur(s) d'un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor actionné par au moins un moteur, dans lequel l'appareil électronique comprend une unité de commande configurée pour commander séparément chaque moteur du drone, par passage de commande dans le repère dudit moteur et par gestion automatique de la saturation moteur dudit moteur et le dispositif électronique d'optimisation de l'inclinaison de vol tel que défini ci-dessus.
L'invention a également pour objet un drone à voilure tournante propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor actionné par au moins un moteur, le drone comprenant au moins un dispositif électronique d'optimisation de l'inclinaison de vol du drone tel que défini ci-dessus.
Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un système électronique de guidage d'un drone selon l'invention, comprenant un drone à voilure tournante propre à évoluer dans les airs sous le contrôle d'un équipement de télécommande distant;
- la figure 2 est un schéma par blocs des différents organes de contrôle d'asservissement et de pilotage du drone;
- la figure 3 est une représentation schématique partielle des modules constituant le dispositif électronique d'optimisation de l'inclinaison de vol selon l'invention correspondant à un étage de contrôle des moteurs actionnant le ou les rotor(s) du drone; - la figure 4 est un organigramme d'un procédé de détermination d'angle d'inclinaison du drone selon l'invention,
- la figure 5 est une représentation schématique de la paramétrisation géométrique d'un moteur de drone
- la figure 6 est un organigramme d'un procédé de commande moteur selon l'invention.
Dans la suite de la description, l'expression « sensiblement égal à » s'entend comme une relation d'égalité à plus ou moins 10%, c'est-à-dire avec une variation d'au plus 10%, de préférence encore comme une relation d'égalité à plus ou moins 5%, c'est- à-dire avec une variation d'au plus 5%.
Sur la figure 1 , un système électronique de guidage d'un drone permet, au moyen d'un système électronique de visualisation 10, à un utilisateur 12 d'optimiser le guidage d'un drone 14.
Le drone 14 est un engin volant motorisé pilotable à distance, notamment via une manette 16 permettant à l'utilisateur 12 de saisir ses consignes de vol.
Le drone 14, c'est-à-dire un aéronef sans pilote à bord, comprend un capteur d'image 18 configuré pour prendre une image d'une scène comportant une pluralité d'objets. Un tel drone 14, est par exemple un drone à voilure tournante comportant au moins un rotor 20 (ou hélice) actionné par au moins un moteur. Sur la figure 1 , le drone 14 comporte une pluralité de rotors 20, et est alors appelé drone multirotor. Le nombre de rotors 20 est en particulier égal à quatre dans cet exemple, et le drone 14 est alors un drone quadrirotor ou quadricoptère.
Le drone 14 est également muni d'un module de transmission 22 pour transmettre, de préférence par ondes radioélectriques, à destination d'un équipement électronique, tel que le module de réception, non représenté, du système électronique de visualisation 10, le module de réception, non représenté, de la manette 16 ou encore le module de réception de la tablette 23 numérique multimédia à écran tactile montée sur la manette 16, non représenté, la ou les images acquises par le capteur d'images 18.
Un système électronique de visualisation 10 permet à l'utilisateur 12 de visualiser des images, notamment des images de la vidéo reçue de la part du drone à voilure tournante 14.
Le système électronique de visualisation 10 comprend un appareil électronique, par exemple, un ordiphone (de l'anglais smartphoné), muni d'un écran d'affichage, et un casque 24 comportant un support de réception de l'appareil électronique, une surface d'appui contre le visage de l'utilisateur 12, en regard de ses yeux, et deux dispositifs optiques disposés entre le support de réception et la surface d'appui. Le casque 24 comporte en outre une sangle de maintien 26 permettant de maintenir le casque 24 sur la tête de l'utilisateur 12.
L'appareil électronique est amovible par rapport au casque 24 ou intégré au casque 24.
Le système électronique de visualisation 10 est, par exemple, relié à la manette 16 via une liaison de données, non représentée, la liaison de données étant une liaison radioélectrique ou encore une liaison filaire.
Dans l'exemple de la figure 1 , le système électronique de visualisation 10 comprend en outre un module de réception, non représenté, configuré pour recevoir au moins une image de la part du drone à voilure tournante 14, la transmission de l'image étant effectuée de préférence par ondes radioélectriques.
Le système de visualisation 10 est par exemple un système de visualisation en réalité virtuelle, c'est-à-dire un système permettant à l'utilisateur 12 de visualiser une image dans son champ visuel, avec un angle de champ de vision, également appelé FOV (de l'anglais Field Of Vision, ou Field Of View), ayant une valeur importante, typiquement supérieure à 90°, de préférence supérieure ou égale à 100°, afin de procurer une vision immersive (également appelée « vision FPV » de l'anglais First Person View) pour l'utilisateur 12.
La manette 16 est connue en soi, et permet par exemple de piloter le drone à voilure tournante 14. La manette 16 comprend deux poignées de préhension 28, chacune étant destinée à être saisie par une main respective de l'utilisateur 12, une pluralité d'organes de commande, comprenant ici deux manches à balai 30 (de l'anglais joystick), chacun étant disposé à proximité d'une poignée de préhension 28 respective et étant destiné à être actionné par l'utilisateur 12, de préférence par un pouce respectif.
La manette 16 comprend également une antenne radioélectrique 32 et un émetteur- récepteur radioélectrique, non représenté, pour l'échange de données par ondes radioélectriques avec le drone à voilure tournante 14, à la fois en liaison montante et en liaison descendante.
En complément, ou à titre d'alternative au regard du système de visualisation 10, la tablette 23 numérique multimédia à écran tactile est montée sur la manette 16 pour assister l'utilisateur 12 lors du pilotage du drone à voilure tournante 14.
La manette 16 est configurée pour transmettre les instructions de pilotage 124 de l'utilisateur à un pilote automatique intégré au drone à voilure tournante, dont un exemple de schéma par blocs fonctionnels est représenté sur la figure 2.
Le système électronique de guidage du drone décrit ci-dessus, et comprenant notamment un système de visualisation en réalité virtuelle, est donné à titre d'exemple, l'invention pouvant être mis en œuvre avec d'autres types de systèmes de guidage de drone.
Le pilotage du drone 14 consiste à faire évoluer celui-ci par :
a) rotation autour d'un axe de lacet 34, pour faire pivoter vers la droite ou vers la gauche l'axe principal du drone
b) rotation autour d'un axe de tangage 36, pour le faire avancer ou reculer
c) rotation autour d'un axe de roulis 38, pour le décaler vers la droite ou vers la gauche ; et
d) translation vers le bas ou vers le haut par changement du régime des gaz, de manière à respectivement réduire ou augmenter l'altitude du drone.
La figure 2 est un schéma par blocs des différents organes de contrôle d'asservissement et de pilotage du drone 14, ainsi que de correction des déplacements de l'image selon la technique de l'invention.
On notera que, bien que ces schémas soient présentés sous forme de circuits interconnectés, la mise en œuvre des différentes fonctions est essentiellement logicielle, cette représentation n'ayant qu'un caractère illustratif.
De façon générale, comme illustré en figure 2, le système de pilotage implique plusieurs boucles imbriquées pour le contrôle de la vitesse horizontale, de la vitesse angulaire de l'attitude du drone 14 et des variations d'altitude, automatiquement ou sous commande de l'utilisateur.
La boucle la plus centrale est la boucle 100 de contrôle de la vitesse angulaire, qui utilise d'une part les signaux fournis par des gyromètres 102 et d'autre part une référence constituée par des consignes de vitesse angulaire 104. Ces informations sont appliquées en entrée d'un étage 106 de correction de la vitesse angulaire, qui pilote lui-même un étage (i.e. appareil électronique) 108 de contrôle des moteurs 1 10 afin de commander séparément le régime des différents moteurs pour corriger la vitesse angulaire du drone 14 par l'action combinée des rotors entraînés par ces moteurs. L'appareil électronique 108 de contrôle des moteurs 1 10 selon l'invention est décrit par la suite plus en détail en relation avec la figure 3.
La boucle 100 de contrôle de la vitesse angulaire est imbriquée dans une boucle
1 12 de contrôle d'attitude, qui opère à partir des indications fournies par une centrale inertielle 1 14 comprenant les gyromètres 102, des accéléromètres 1 16 et un étage 1 18 qui produit une estimation de l'attitude réelle du drone 14. Les données issues de ces capteurs sont appliquées à l'étage 1 18 qui produit une estimation de l'attitude réelle du drone 14, appliquée à un étage 120 de correction d'attitude. Cet étage 120 compare l'attitude réelle du drone 14 à des consignes d'angle générées par un circuit 122 à partir de commandes directement appliquées par l'utilisateur 124 et/ou à partir de données générées en interne par le pilote automatique du drone 14 via le circuit 126 de correction de vitesse horizontale VH (ou vitesse de déplacement horizontal du drone). Les consignes éventuellement corrigées appliquées au circuit 120 et comparées à l'attitude réelle du drone 14 sont transmises par le circuit 120 au circuit 104 pour commander les moteurs de manière appropriée.
Enfin, une boucle de contrôle de vitesse horizontale 130 comporte une caméra vidéo verticale 132 et un capteur télémétrique 134 faisant fonction d'altimètre. Un circuit 136 assure le traitement des images produites par la caméra verticale 132, en combinaison avec les signaux de l'accéléromètre 1 14 et du circuit d'estimation d'attitude 1 18, pour produire des données permettant d'obtenir une estimation des vitesses horizontales selon les deux axes de tangage et de roulis du drone 14, au moyen d'un circuit 138. Les vitesses horizontales estimées sont corrigées par l'estimation de vitesse verticale donnée par un circuit 140 et par une estimation de la valeur de l'altitude, donnée par le circuit 142 à partir des informations du capteur télémétrique 134.
Pour le contrôle des déplacements verticaux du drone 14, l'utilisateur 124 applique des commandes à un circuit de calcul de consignes d'altitude 144, consignes qui sont appliquées à un circuit de calcul de consignes de vitesse ascensionnelle Vz 146 via le circuit de correction d'altitude 148 recevant la valeur d'altitude estimée donnée par le circuit 142. La vitesse ascensionnelle Vz calculée est appliquée à un circuit 150 qui compare cette vitesse de consigne à la vitesse correspondante estimée par le circuit 140 et modifie en conséquence les données de commande des moteurs (appareil électronique 108) en augmentant ou réduisant la vitesse de rotation simultanément sur tous les moteurs de façon à minimiser l'écart entre vitesse ascensionnelle de consigne et vitesse ascensionnelle mesurée.
En ce qui concerne plus spécifiquement la mise en œuvre de l'invention, l'appareil électronique 108 de contrôle des moteurs est par ailleurs également connecté, selon l'exemple de la figure 2, à un module 152 configuré pour déterminer la vitesse de rotation des moteurs nécessaire pour maintenir le drone 14 en point fixe (de l'anglais Feed- Forward, i.e. le drone 14 est maintenu à altitude constante en conservant son cap, et pour ce faire il est nécessaire de déterminer la vitesse de rotation des moteurs pour contrer le poids du drone 14).
Optionnellement, un module 154 d'alimentation BLDC (de l'anglais Brushless DC electric motor) est connecté d'une part à la consigne moteur Ω de l'étage 108 de contrôle et alimente en tension V et en courant I les moteurs 1 10 en fonction de cette consigne de sortie. Selon la présente invention, les moteurs sont configurés pour être connectés selon une liaison de contre réaction à l'étage 108 de contrôle, et optionnellement au module 154 d'alimentation BLDC.
En relation avec la figure 3, selon l'appareil électronique 108 de contrôle des moteurs 1 10, actionnant le ou les rotor(s) 20 du drone 14, comprend un dispositif électronique d'optimisation de l'inclinaison de vol selon l'invention.
Autrement dit, par rapport à un appareil électronique existant de contrôle des moteurs de drone 14, l'appareil électronique 108 de contrôle des moteurs est propre à mettre en œuvre le procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol selon l'invention. En d'autres termes, l'appareil électronique 108 de contrôle des moteurs actionnant le ou les rotor(s) du drone 14 est également propre à contrôler en temps réel la référence d'inclinaison du drone 14 (correspondant à l'angle maximal d'inclinaison du drone) autorisée pour, le cas échéant, permettre une désaturation moteur.
Dans l'exemple de la figure 3, l'appareil électronique 108 de contrôle des moteurs actionnant le ou les rotor(s) du drone 14 comprend une unité de traitement d'informations 156, formée par exemple d'une mémoire 158 et d'un processeur 160 associé à la mémoire 158.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la mémoire 158 est configurée pour au moins stocker selon la présente invention un ensemble de données prédéterminées, par exemple listées dans un fichier de référence, comprenant au moins :
- un seuil SVH de vitesse horizontale prédéterminé, par exemple 3m/s,
- une valeur maximale Valmax d'inclinaison prédéterminée, par exemple 35°,
- une valeur minimale Valmin d'inclinaison prédéterminée, par exemple 20°,
- une vitesse angulaire de saturation moteur Vsat, par exemple 5 s,
- une vitesse angulaire de désaturation moteur VDsat, par exemple 27s.
Par ailleurs, en cours de vol, la mémoire 58 est également configurée pour stocker temporairement la valeur d'angle maximal d'inclinaison 6max t (i.e. la référence d'angle d'inclinaison) déterminée à un instant t au cours d'au moins une itération du procédé selon la présente invention pour la restituer à une itération suivante ainsi que l'angle Qc d'inclinaison de première saturation moteur.
En d'autres termes, selon cet exemple, l'angle d'inclinaison de vol du drone sera propre à varier entre 20 et 35°.
L'appareil électronique 108 de contrôle des moteurs selon l'invention comprend en outre une unité 162 de commande (également appelée Mix RPM de l'anglais Mixing Révolutions Per Minute) configurée pour commander séparément chaque moteur du drone 14, par passage de commande dans le repère du moteur et par gestion des saturations moteur.
Par ailleurs, l'appareil électronique 108 de contrôle des moteurs comprend également un dispositif 164 électronique d'optimisation de l'inclinaison de vol selon l'invention. Un tel dispositif 164 électronique d'optimisation de l'inclinaison de vol est formé, par exemple, d'une part par un module 166 de comparaison de la vitesse horizontale VH de déplacement du drone à un seuil de vitesse prédéterminé SVH stocké dans la mémoire 158, et d'autre part par un module 168 de détermination configuré pour déterminer un angle maximal d'inclinaison du drone 14 en fonction d'une information ls représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur du drone 14.
Dans l'exemple de la figure 3, l'unité 162 de commande, le module 166 de comparaison de la vitesse horizontale VH et le module 168 de détermination d'angle maximal d'inclinaison du dispositif électronique 164 d'optimisation de l'inclinaison de vol, sont réalisés chacun sous forme d'un logiciel exécutable par le processeur 160. La mémoire 158 de l'unité de traitement d'informations 156 est alors propre à stocker un logiciel de commande configuré pour commander séparément chaque moteur du drone, un logiciel de comparaison configuré pour comparer la vitesse horizontale VH de déplacement du drone à un seuil SVH de vitesse horizontale prédéterminé, un logiciel de détermination configuré pour déterminer un angle maximal d'inclinaison du drone 14 en fonction d'une information ls représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur du drone 14. Le processeur 160 de l'unité de traitement d'informations 156 est alors apte à exécuter le logiciel de commande, le logiciel de comparaison et le logiciel de détermination en parallèle ou successivement.
En variante non représentée, l'unité 162 de commande, le module 166 de comparaison de la vitesse horizontale VH et le module 168 de détermination d'angle maximal d'inclinaison du dispositif électronique 164 d'optimisation de l'inclinaison de vol sont réalisés chacun sous forme d'un composant logique programmable, tel qu'un FPGA (de l'anglais Field Programmable Gâte Array), ou encore sous forme d'un circuit intégré dédié, tel qu'un ASIC (de l'anglais Applications Spécifie Integrated Circuit).
Le fonctionnement de l'appareil électronique 108 de contrôle du ou de(s) moteur(s) du drone 14 va désormais être expliqué à l'aide des figures 4 à 6.
En particulier, la figure 4 représente un organigramme du procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol du drone 14 mis en œuvre par le dispositif électronique 164 d'optimisation de l'inclinaison de vol selon l'invention. Lors d'une étape 170, le dispositif électronique 164 d'optimisation de l'inclinaison de vol commence, à un instant t au cours du vol du drone, par comparer la vitesse horizontale VH (qu'il reçoit par exemple du circuit 126 de correction de vitesse horizontale VH représenté sur la figure 2) à un seuil SVH de vitesse horizontale prédéterminé stocké dans la mémoire 158 de l'appareil électronique 108.
Lorsque, selon le résultat de cette comparaison 170, la vitesse horizontale VH reste inférieure au seuil SVH de vitesse horizontale alors, selon une étape 172, la valeur de l'angle maximal d'inclinaison de vol du drone 14 est fixée égale à une valeur maximale Valmax d'inclinaison prédéterminée, par exemple 35° stockée dans la mémoire 158 de l'appareil électronique 108. En d'autres termes lorsque VH< SVH, emax t = Valmax
Au contraire, lorsque la vitesse horizontale VH est supérieure au seuil SVH de vitesse horizontale, une étape 174 de détermination de la valeur, à cet instant t, d'une information ls représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur 1 10 du drone 14 reçue au moyen de la liaison 155, directement du moteur ou des moteurs 1 10, ou indirectement via le module 154 d'alimentation BLDC est mise en œuvre par le dispositif électronique 164.
Ainsi, la mise en œuvre 174 de la détermination de la valeur de l'information ls représentative de l'état de saturation du ou des moteur(s) 1 10 du drone 14 est, selon l'exemple de la figure 4, conditionnée par la valeur de la vitesse de déplacement horizontal VH du drone (i.e. est mise en œuvre uniquement en présence d'une vitesse horizontale élevée car supérieur au seuil SVH de vitesse horizontale).
Par exemple, l'information ls représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur 1 10 du drone 14 est booléenne, par exemple, ls=0 représente la présence d'une saturation d'au moins un moteur tandis que ls=1 représente l'absence de saturation moteur.
Lorsque la valeur de l'information ls représente l'absence de saturation moteur (i.e. par exemple ls=1 ), selon une étape 176, l'angle maximal d'inclinaison 6max t de vol du drone est augmenté de la vitesse angulaire de désaturation moteur en restant inférieur ou égal à la valeur maximale d'inclinaison prédéterminée Valmax.
Autrement dit, tant que emax < Valmax, Qmax = Qmax _ + VDsat,
avec Qmax,t- la référence d'angle mémorisée dans la mémoire 158 à une itération précédente. La référence d'angle est donc écrêtée (de l'anglais clamping) par la valeur maximale d'inclinaison prédéterminée Valmax.
Lorsque la valeur de l'information ls représente au contraire la saturation d'au moins un moteur (i.e. par exemple ls=0), selon une étape 178, le dispositif électronique 164 détecte tout d'abord s'il la saturation détectée est la première saturation détectée au cours du vol considéré du drone 14.
Si c'est le cas, l'instant t est par exemple mémorisé (de manière non représentée) dans la mémoire 158 comme l'instant t0 de première saturation.
Puis, en présence de cette première saturation moteur, le dispositif électronique
164 mesure, ou reçoit la mesure par un autre organe de pilotage du drone, de l'angle d'inclinaison courant Qc du drone 14 également appelé angle d'inclinaison de première saturation moteur. Un tel angle Qc d'inclinaison de première saturation moteur est nécessairement inférieur ou égal à la valeur maximale d'inclinaison prédéterminée Valmax.
Selon l'étape 182, l'angle Qc d'inclinaison de première saturation moteur est mémorisé dans la mémoire 158 et parallèlement ou successivement, selon une étape 184, le dispositif électronique 164 définit l'angle maximal d'inclinaison 6max t comme égal à cette valeur angle Qc d'inclinaison de première saturation moteur (i.e. 6max t= 0C).
Si la saturation détectée par le dispositif électronique 164 est ultérieure à la première saturation (i.e. t> t0), alors selon une étape 186, l'angle maximal d'inclinaison emax,t de vol du drone est diminué de la vitesse angulaire de saturation Vsat en restant supérieur ou égal à la valeur minimale d'inclinaison prédéterminée Valmin.
Autrement dit, tant que emax ≥ Valmin, Qmax = Qmax _ - Vsat,
avec Qmax,t-\ 'a référence d'angle mémorisée dans la mémoire 158 à une itération précédente. La référence d'angle est donc écrêtée (de l'anglais clamping) par la valeur minimal d'inclinaison prédéterminée Valmin .Ainsi, les étapes 174 à 186 tenant compte de l'information ls représentative de l'état de saturation moteur du drone 14 offre la possibilité de mettre en œuvre une saturation de l'inclinaison pour désaturer le ou les moteurs 1 10.
Avantageusement, l'étape initiale de comparaison 170 de la vitesse horizontale VH au seuil SVH de vitesse horizontale permet notamment de traiter le cas particulier où le drone 14 vole en présence d'un fort vent.
En effet, dans le cas où le drone 14 vole en point fixe mais subit un fort vent (i.e. un vent propre à faire saturer les moteurs alors même que la vitesse horizontale VH du drone est inférieure au seuil SVH de vitesse horizontale), l'activation de la saturation des angles déclenchée selon l'étape 174 ferait se redresser le drone qui dériverait alors avec le vent.
Il est alors préférable de ne pas mettre en œuvre l'étape 174 de de la valeur de l'information ls et les étapes 176 à 186 suivantes qui saturent l'angle d'inclinaison maximal pour permettre une désaturation moteur. Autrement dit à faible vitesse horizontale VH du drone 14 (VH< SVH) on conserve le comportement existant de l'état de l'art, le drone volant en point fixe, un tel comportement n'est pas risqué dans ce cas précis.
Ainsi à titre d'exemple, selon l'invention en début du vol, l'angle d'inclinaison maximum est à 35°. Le drone peut donc accélérer avec réactivité en termes d'agilité. A un instant t égal par exemple à 191 s, au moins un des moteurs est en saturation et l'angle maximum se réduira selon l'étape 186. Par la suite, il se met à réaugmenter lorsque la saturation disparait et ainsi de suite. Il oscille donc en permanence, dans une enveloppe de quelque degrés, par exemple d'environ 15°, encadrée entre Valmin et Valmax.
Du point de vue de l'utilisateur 12, un tel comportement du drone 14 n'est visiblement pas détectable car l'amplitude est trop faible pour que l'utilisateur 12 parvienne à le deviner, d'autant plus que le drone 14 est à grande vitesse pendant cette oscillation menant à la désaturation moteur.
Par ailleurs, selon cet exemple, un tel comportement a pour effet que la perte d'altitude du drone est bornée par rapport à sa référence d'altitude en point fixe entre le début et la fin de la désaturation moteur.
Ainsi, selon la présente invention, une stabilisation de la vitesse horizontale est obtenue ce qui permet corrélativement au drone d'être à la frontière de la saturation moteur.
En relation avec les figures 5 et 6, le fonctionnement de l'unité de commande 162 va désormais être expliqué.
L'unité de commande 162 est notamment configurée pour convertir les commandes générées par :
- l'étage 106 de correction de la vitesse angulaire VH,
- le circuit 150 de correction de la vitesse ascensionnelle Vz, et
- le module 152 configuré pour déterminer la vitesse de rotation du ou des moteurs nécessaire pour maintenir le drone 14 en point fixe,
en consigne moteur Ω effectivement transmises aux moteurs 1 10.
En considérant, un exemple où le drone 14 est un quadricoptère muni de quatre rotors 20 (i.e. hélices) actionnés respectivement par quatre moteurs, la consigne moteur
rwn
Ω correspond notamment à un vecteur Ω = avec Wjla vitesse de rotation du moteur
Figure imgf000015_0001
d'indice /'. Selon la présente invention, la consigne de sortie moteur Ω est obtenue en transformant les consignes d'accélération selon l'axe de poussée du drone et d'accélérations angulaires exprimées sous la forme d'un vecteur de commande : = g (fi) avec g une fonction vectorielle obtenue à partir des
Figure imgf000016_0001
équations de la dynamique et des paramètres du drone et p, q, r les vitesses angulaires de roulis, tangage et lacet du drone 14.
Le premier avantage de générer des commandes de type j e est d'obtenir un contrôleur 108 générique. En effet, on peut considérer en première approche que pour une erreur en angle donnée, contrôleur 1 08 générique est propre à envoyer la même consigne en accélération angulaire pour la compenser quel que soit le drone à contrôler.
Plus précisément, en relation avec la figure 5, l'unité de commande 1 62 est configurée tout d'abord pour mettre en œuvre un passage de commande dans le repère de chaque moteur d'indice /'.
On note x,, y,, z,, les coordonnées cartésiennes du moteur 1 1 0 d'indice /, at et β les angles définissant l'orientation du moteur par rapport à l'axe 1 88 de roulis et l'axe 190 de tangage du moteur 1 10 d'indice /' .
Par ailleurs, on note m la masse du drone, J sa matrice d'inertie et T,= {Tt x, T? , T?) et Γ,= (Γ , Γ? , Γ*) les poussées et couples générés par le moteur d'indice /'.
Ainsi en projetant sur les différents aces on obtient :
Tt x = cosCa^ cosGS II^ II , 7 = sinfe) cos( ) ll^ ll , Tf = sin(fii) \\Ti \\ ,
Γ = cosC^ cosGS II/l ll , Γ = sinCa cos^ II i ll . ^ =
Pour transformer les consignes d'accélération selon l'axe de poussée du drone et d'accélérations angulaires en consigne de sortie moteur Ω on applique la relation Ω = g^ x^^où g-1 la fonction de mixage est obtenue à partir des équations de la dynamique et des paramètres du drone connus en eux-mêmes.
Par ailleurs, en relation avec la figure 6, l'unité de commande 1 62 est également configurée pour saturer les commandes reçues de:
- l'étage 106 de correction de la vitesse angulaire VH,
- le circuit 150 de correction de la vitesse ascensionnelle Vz, et
- le module 1 52 configuré pour déterminer la vitesse de rotation du ou des moteurs nécessaire pour maintenir le drone 14 en point fixe.
Selon l'invention, les commandes sont saturées de sorte à les maintenir dans un intervalle prédéterminé tout en conservant leur cohérence. Pour ce faire les commandes reçues sont hiérarchisées selon un ordre de priorité à savoir de la plus prioritaire à la moins prioritaire :
- la commande d'altitude délivrée par le module 152 nécessaire pour contrer le poids du drone en point fixe,
- la commande de tangage, suivie de la commande de roulis,
- la commande de lacet, et
- la commande d'accélération pour atteindre une référence d'altitude.
En d'autres termes, on considère qu'avant tout, le drone doit maintenir son altitude. Pour des questions de stabilité, il doit ensuite tenir ses angles d'assiette. Le tangage est prioritaire devant le roulis car le drone 14 admet a priori le plan contenant l'axe de roulis 38 comme plan de symétrie, mais pas nécessairement le plan contenant l'axe de tangage 36. Ensuite, le lacet est prioritaire devant l'altitude car on arbitrairement selon un mode de réalisation il est privilégié de tenir son cap que ne pas atteindre sa référence d'altitude.
Sans un tel ordre de priorité imposé entre les commandes selon l'invention, les moteurs 1 10 réaliseraient leur saturation eux-mêmes.
Or, lorsqu'un moteur sature, il n'a pas de notion de priorité des commandes et c'est une combinaison des commandes qui est modifiée, et le drone 14 se retournerait car les commandes en roulis et tangage ont une sensibilité et un temps de réponse plus élevés que les autres commandes.
Afin que la stabilité du drone soit maintenue même lorsque la puissance moteur n'est pas suffisante, les commandes sont donc classées selon l'invention par ordre de priorité et ajoutées dans cet ordre. Fonction des besoins et des limitations des moteurs, la ou les commandes les moins prioritaires sont diminuées afin de ne pas saturer.
Le procédé de saturation de commande mis en œuvre par l'unité de commande
162 est illustré par la figure 6.
Selon une première étape 192, un indicateur (de l'anglais flag) de saturation est incrémenté. Puis au cours d'une étape 194, l'unité de commande 162 vérifie que les commandes de chaque moteurs sont comprises dans un intervalle de saturation prédéterminé.
Dans l'affirmative, selon une étape 196 ces commande de saturation après passage dans le repère moteur tel que décrit précédemment sont transmises sous forme de consigne moteur aux moteurs 1 10.
Dans le cas contraire, selon une étape 198, l'unité de commande 162 vérifie que la commande totale moteur (i.e. après ajout des commandes classées selon l'ordre précité) moteur par moteur est comprise dans un intervalle de saturation prédéterminé. Dans l'affirmative pour un moteur donné d'indice i, l'unité de commande 162, selon une étape 200 passe à la vérification 198 du moteur suivant, sinon selon une étape 202, la commande d'indice j parmi les cinq commandes d'altitude délivrée par le module 152, de tangage, de roulis, de lacet, et d'accélération pour atteindre une référence d'altitude sont vérifiées pour déterminer si oui ou non la commande considérée est responsable de la saturation.
Dans la négative, selon une étape 204 on passe au moteur suivant, puis selon une étape 206, il est vérifié que tous les moteurs ont été ainsi testés. Si oui, selon une étape 208, la valeur de l'indicateur est incrémentée et on passe à la commande suivante selon l'ordre de priorité précité. En revanche, si non, on reprend le procédé à l'étape 198 de vérification du moteur suivant.
En revanche, si le résultat de l'étape 202 de vérification de la commande d'indice j est négatif, selon une étape 212, l'indicateur est incrémenté, puis selon une étape 214, l'unité de commande 162 test la mise à zéro de la commande considérée pour évaluer si une telle mise à zéro modifie l'état de saturation du moteur.
Dans l'affirmative cette commande est effectivement mise à zéro selon une étape 216, dans la négative selon une étape 218 on réduit cette commande d'une valeur prédéterminée.
Le procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone tel qu'illustré par la figure 4 permet de rajouter une couche de saturation au-dessus de l'altitude, dont la tâche sera de diminuer les références d'angle de manière à moins se pencher et ralentir jusqu'à disparition de la saturation. On note que le contrôle en angle reste bien prioritaire sur l'altitude dans l'appareil électronique 108 de contrôle des moteurs 1 10 selon l'invention. C'est uniquement la référence d'angle qui est impactée.
Le procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone permet en outre de supprimer les pertes d'altitudes lors des déplacements à grande vitesse et permet ainsi d'augmenter/diminuer en temps réel et automatiquement l'angle maximal d'inclinaison du drone 14 afin d'avoir un pilotage plus nerveux en basse vitesse tout en s'assurant que le drone 14 ne descendra pas inexorablement vers le sol à haute vitesse.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone (14) à voilure tournante propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor (20) actionné par au moins un moteur (1 10), le procédé étant mis en œuvre par un dispositif électronique (164) d'optimisation,
le procédé comprenant, au cours du vol du drone (14), au moins une fois, la détermination (172, 176, 184, 186) d'un angle maximal (0ma*,t) d'inclinaison du drone en fonction d'une information (ls) représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur du drone.
2. - Procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone (14) selon la revendication 1 , dans lequel la mise en œuvre de la détermination (172, 176, 184, 186) de l'angle maximal {0maXit) d'inclinaison de vol du drone en fonction d'une information (ls) représentative de l'état de saturation dudit au moins un moteur est conditionnée par la valeur de la vitesse de déplacement horizontal du drone.
3. - Procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone (14) selon la revendication 2, dans lequel le procédé comprend la comparaison (170) de la vitesse horizontale (VH) de déplacement du drone (14) à un seuil de vitesse prédéterminé (SVH) -
4. - Procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone (14) selon la revendication 3, dans lequel :
- lorsque la vitesse horizontale (VH) de déplacement du drone est inférieure au seuil de vitesse prédéterminé, l'angle maximal (emax t) d'inclinaison de vol du drone (14) est égal à une valeur maximale (Valmax) d'inclinaison prédéterminée, et
- lorsque la vitesse horizontale (VH) de déplacement du drone est supérieure au seuil de vitesse prédéterminé, la détermination (172, 176, 184, 186) de l'angle maximal (6max,t) d'inclinaison de vol du drone en fonction d'une information (ls) représentative de l'état de saturation dudit au moins un moteur (1 10) est mise en œuvre.
5. - Procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone selon la revendication 4, dans lequel la détermination (172, 176, 184, 186) de l'angle maximal (emax t) d'inclinaison de vol du drone en fonction d'une information (ls) représentative de l'état de saturation dudit au moins un moteur (1 10) comprend :
à la première saturation moteur détectée au cours du vol du drone (14): - la mesure de l'angle d'inclinaison (0C) de première saturation moteur,
- la mémorisation de la valeur d'angle d'inclinaison de première saturation moteur,
- la définition de l'angle maximal d'inclinaison de vol du drone comme égal à la valeur d'angle d'inclinaison de première saturation moteur, puis
au moins une itération des étapes suivantes tant que la vitesse horizontale de déplacement du drone est supérieure au seuil prédéterminé:
- lorsque la valeur de l'information (ls) représentative représente la saturation d'au moins un moteur, l'angle maximal d'inclinaison de vol du drone est diminué de la vitesse angulaire de saturation (Vsat) moteur en restant supérieur ou égal à une valeur minimale d'inclinaison prédéterminée,
- lorsque la valeur de l'information (ls) représentative représente l'absence de saturation moteur, l'angle maximal d'inclinaison de vol du drone est augmenté de la vitesse angulaire de désaturation (VDsat) moteur en restant inférieur ou égal à la valeur maximale d'inclinaison prédéterminée.
6.- Procédé d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'information (ls) représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur du drone est booléenne.
7. Programme d'ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
8. Dispositif (1 64) électronique d'optimisation de l'inclinaison de vol d'un drone (14) à voilure tournante propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor (20) actionné par au moins un moteur (1 1 0), le dispositif (164) électronique comprenant au moins un module (168) de détermination configuré pour déterminer un angle maximal (6max,t) d'inclinaison du drone en fonction d'une information (ls) représentative de l'état de saturation d'au moins un moteur du drone.
9. Appareil (1 08) électronique de contrôle du ou des moteur(s) (1 10) d'un drone (14) à voilure tournante propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor (20) actionné par au moins un moteur (1 1 0), dans lequel l'appareil (1 08) électronique comprend une unité (1 62) de commande configurée pour commander séparément chaque moteur du drone, par passage de commande dans le repère dudit moteur et par gestion automatique de la saturation moteur dudit moteur et le dispositif électronique d'optimisation de l'inclinaison de vol selon la revendication 8.
10. Drone (14) à voilure tournante, propre à se déplacer dans l'air au moyen d'au moins un rotor (20) actionné par au moins un moteur (1 10), le drone (14) comprenant au moins un dispositif électronique (164) d'optimisation de l'inclinaison de vol du drone selon la revendication 8.
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CN109200599A (zh) * 2018-10-11 2019-01-15 遵义师范学院 一种移动玩具的无线遥控方法及***

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