C’est quelque chose qui peut sembler magique. Lorsque vous pilotez un drone, vous êtes parfaitement conscient qu’il y a une énorme quantité de physique, de calculs, de logiciels et d’ingénierie qui contribuent à rendre votre vol super agréable. Cependant, pour certaines personnes, le simple fait de piloter un drone n’est pas suffisant. Je sais que je fais partie de ces personnes qui ont besoin de savoir exactement ce qui se passe dans leur drone afin d’être un meilleur pilote et de comprendre comment résoudre les problèmes s’ils surviennent. Dans cet article, je vais passer en revue toutes les façons dont un drone change de direction que ce soit vers le haut, le bas, la gauche, la droite, l’avant, l’arrière, et le lacet à gauche et le lacet à droite.
Les drones changent de direction.
Un drone change de direction en modifiant les taux de rotation de chacune de ses hélices. Lorsqu’un drone est en vol stationnaire, les hélices adjacentes tournent dans des directions opposées pour maintenir le drone stable. En changeant le taux de chacun des moteurs, nous pouvons manipuler le drone dans l’air dans les trois dimensions.
Pour le pilote du drone, il y a très peu de réflexion qui entre dans ce qui se passe et il peut simplement déplacer les joysticks pour contrôler le drone. Cependant, le drone fait tellement plus de travail parce qu’il doit calculer sa propre accélération, son élan, sa hauteur et son altitude tout en combattant toutes les conditions environnementales comme les courants ascendants et les vents horizontaux.
La physique du maintien de l’altitude et de la vitesse du drone est très importante.
La physique du maintien en l’air d’un drone est en fait très compliquée.
Table des matières
La physique du maintien en l’air d’un drone
Au cœur du drone se trouve le contrôleur de vol qui envoie aux moteurs, par le biais d’une unité électronique de contrôle de vitesse, des informations sur le sens dans lequel ils doivent tourner et aussi sur la vitesse. Le contrôleur de vol va également regarder les données GPS, l’accélération et la direction dans laquelle le drone pointe avant d’envoyer les informations au moteur pour qu’il reste en vol stationnaire stable à un emplacement GPS fixe.
Les moteurs de l’appareil peuvent être utilisés pour le vol stationnaire.
Chacun des moteurs fait tourner une hélice. Les hélices sont utilisées pour la propulsion et le contrôle du mouvement du drone. Ces hélices à comme les ailettes d’un ventilateur qui pousse l’air vers le sol. Lorsque l’air est poussé vers le sol, le drone est capable de s’aspirer dans l’air. Il y a une basse pression qui est créée au niveau du bord d’attaque et du bord supérieur de l’hélice, de sorte que le drone s’aspire littéralement dans l’air.
Si vous voulez faire un vol stationnaire, le drone doit déplacer autant d’air qu’il pèse. Déplacer plus d’air fera monter le drone et si les hélices tournent un peu plus lentement et déplacent moins d’air, le drone descendra.
Le sens des hélices du drone est très important car chacun des moteurs du drone doit tourner dans le sens opposé à celui des moteurs qu’il côtoie. Cela annule tout moment angulaire et le drone reste donc à un endroit orienté dans une seule direction.
Direction de l’hélice du drone
Mon DJI Mavic air est équipé de quatre moteurs et hélices. La façon dont chacune des hélices tourne est déterminée par le moteur. Et vous devez vous assurer que les hélices sont insérées dans les bons moteurs, sinon le drone tournerait tout simplement hors de contrôle.
Il est facile de savoir dans quel sens le moteur doit tourner en regardant le bord d’attaque de l’hélice qui tourne dans le sens du bord avant de l’hélice.
Pour la plupart des drones, le sens de l’hélice du drone pour chaque moteur est le suivant:
- Avant gauche – Moteur dans le sens des aiguilles d’une montre (CW)
- Avant droit – Moteur dans le sens inverse des aiguilles d’une montre (CCW)
- Arrière gauche – Moteur dans le sens inverse des aiguilles d’une montre (CCW)
- Arrière droite – Moteur dans le sens des aiguilles d’une montre (CW)
J’ai annoté ceci sur la photo de mon DJI Mavic ci-dessous:
Tous les mouvements du drone sont contrôlés en faisant tourner les hélices de différentes manières. Pour contrôler les mouvements, certaines hélices sont ralenties tandis que d’autres sont accélérées. Parfois, cela se produit en même temps (comme dans le cas de l’escalade ou de la montée) et parfois, ils se produisent à différents moments sur différents côtés de l’appareil (comme dans le cas du mouvement vers l’avant et vers l’arrière).
Dans la prochaine section, je vais passer en revue tous les principaux mouvements d’un drone et illustrer exactement comment chacun des principaux mouvements est réalisé.
Les principaux mouvements d’un drone
Le pilotage d’un drone implique, du point de vue du pilote, de simplement déplacer le joystick à travers leur gamme de mouvements. Cette simple action du joystick se traduit par un mouvement assez compliqué de la part du drone. Le joystick gauche du drone est responsable de l’ascension ainsi que du lacet (rotation dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre à un endroit fixe).
Le joystick gauche
Le joystick gauche de la manette fait monter et descendre le drone, mais aussi tourner dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse. Essentiellement, il s’agit de toutes les actions du drone où il reste dans un seul emplacement GPS.
Montée / montée
Lorsque vous poussez vers le haut sur le joystick gauche d’un contrôleur de drone, toutes les hélices du drone augmentent leur vitesse ou leurs révolutions par minute. Les révolutions par minute augmentent, ce qui génère une plus grande poussée vers le haut en déplaçant plus d’air et en le forçant vers le sol.
Les hélices du drone ont une vitesse de rotation plus élevée.
Toutes les hélices augmentent leur vitesse de rotation.
Les hélices doivent faire très attention à accélérer exactement au même rythme sinon une autre direction sera créée dans son mouvement. Il en faut beaucoup pour qu’un drone fasse tourner chacune des hélices exactement au bon nombre de tours par minute pour grimper et ne pas bouger de son emplacement GPS fixe.
La vitesse de rotation des hélices augmente.
Down / descendre
Pour qu’un drone diminue en hauteur, il se passe exactement le contraire de la montée. C’est-à-dire que chacune des hélices du drone diminue en nombre de tours par minute. Cela permet essentiellement, à la gravité d’être une force plus grande que la poussée générée par les hélices.
Lorsqu’un drone descend pour s’arrêter, il doit augmenter légèrement le nombre de tours par minute pour augmenter la poussée afin qu’elle soit égale à l’attraction de la gravité vers la terre. Dans Toy Story, on dit à Buzz l’année-lumière qu’il ne vole pas, mais qu’il tombe simplement avec style. C’est exactement ce que font les drones lorsqu’ils descendent. Ils permettent simplement à la gravité de les tirer vers la terre, ce qui est une forme fantaisiste et contrôlée de chute.
Lacet
On parle de lacet lorsque le drone tourne dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse tout en restant à un emplacement GPS. C’est-à-dire que le drone ne se déplace pas en avant ou en arrière. Ce mouvement nécessite un calcul assez compliqué de la part du logiciel du drone.
Lorsque le drone tourne dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse, il doit contrôler les hélices qui sont en diagonale les unes par rapport aux autres. Si les hélices diagonales droites tournent plus vite, elles génèrent une force due à l’augmentation du moment angulaire permettant au drone de tourner vers la gauche. Si les hélices diagonales gauches tournent plus vite, elles génèrent le mouvement inverse.
Donc, le mouvement du drone dans le sens inverse des aiguilles d’une montre ou dans le sens des aiguilles d’une montre est causé par les hélices diagonalement opposées qui tournent plus vite ou plus lentement.
Le joystick droit
Le joystick droit de la manette du drone est ce que j’ai appelé en plaisantant le joystick fun. C’est parce qu’il vous permet de zoomer votre drone dans tous les sens. Ce qui est génial avec un drone, c’est que non seulement il peut se déplacer vers l’avant ou vers l’arrière, mais vous pouvez aussi vous déplacer d’un côté à l’autre.
L’orientation des hélices autour du drone vous permet une gamme complète de mouvements dans le plan horizontal. En combinant différentes combinaisons de joysticks, vous êtes également en mesure de faire du lacet et de vous déplacer en même temps. La combinaison de différents mouvements est tout de même réalisée par le contrôle infime que le logiciel a sur les révolutions par minute que chaque moteur fait tourner.
Tous les mouvements du joystick droit créent une augmentation ou un pli profond dans la vitesse de rotation des hélices qui sont les unes à côté des autres. Dans les sections ci-dessous, nous parlerons de ce à quoi chacun des mouvements est corrélé.
Il y a une différence entre les deux.
Gauche
Si le drone veut se déplacer vers la gauche pour correspondre au déplacement du joystick vers la gauche, les hélices du côté droit tournent plus vite que les hélices du côté gauche.
Ce qui fait que le côté gauche du drone s’abaisse légèrement tandis que le côté droit du drone se soulève légèrement. La poussée globale des rotors reste la même, car cela permet au drone de rester à une altitude fixe, mais la légère différence entre le côté gauche et le côté droit des rotors du drone entraîne une dérive du drone vers la gauche.
Droite
Le déplacement du drone vers la droite en déplaçant le joystick vers la droite entraîne une augmentation des hélices du côté gauche en termes de nombre de tours par minute que le moteur fait tourner et une réduction toujours aussi légère des hélices du côté droit du drone.
Dans le cas d’une dérive vers la droite, la différence entre le côté gauche et le côté droit des rotors du drone est très faible.
Comme dans le cas du déplacement vers la gauche, cela entraîne un léger abaissement du côté droit du drone tout en relevant le bord gauche du drone. La poussée globale des moteurs reste la même, car cela permet à un drone de maintenir une altitude fixe.
En avant
Pour déplacer un drone vers l’avant, le bord avant du drone doit s’incliner légèrement tandis que l’arrière du drone se soulève.
La poussée globale des moteurs reste la même, ce qui permet à un drone de maintenir une altitude fixe.
Ce résultat est obtenu en abaissant le nombre de tours par minute des moteurs avant et en relevant les moteurs arrière. Cette différence de rotation de l’hélice entraîne le déplacement du drone vers l’avant.
En arrière
Pour déplacer le drone vers l’arrière, le bord arrière du drone doit s’incliner légèrement tandis que le bord avant du drone se relève légèrement. Vous remarquerez que c’est exactement l’inverse du mouvement vers l’avant.
Il y a un mouvement vers l’avant.
Pour chacun des mouvements du joystick droit, vous pourrez observer dans quel sens le drone s’incline pour réaliser le mouvement. Parfois, en particulier dans les environnements à fort vent, et en se déplaçant très rapidement, le drone ne tiendra pas très bien sa position verticale.
Je remarque que lorsque je déplace mon drone en arrière très rapidement à une altitude relativement élevée que le drone baisserait simplement en hauteur. Les calculs ne sont donc pas parfaits, mais ils peuvent facilement être affinés en prévoyant un trim manuel pendant le vol.
Un schéma simple pour tous les mouvements du drone
Voici un diagramme simple pour chacun des mouvements du drone qui démontre comment chacun des rotors se déplace lorsqu’il effectue chacun des mouvements discutés ci-dessus. C’est-à-dire, vers le haut, vers le bas, dans le sens des aiguilles d’une montre, dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, vers l’avant, vers l’arrière, vers la gauche et vers la droite.
Dans le schéma ci-dessus, les hélices qui tournent plus vite pendant chacun des mouvements sont mises en évidence par un plus rouge. Le joystick gauche est représenté sur le côté gauche tandis que les mouvements du joystick droit sont représentés sur le côté droit. Veuillez noter que si le drone maintient une hauteur constante, les autres hélices tournent à un rythme légèrement réduit afin de ne pas modifier la poussée globale que le drone produit.
Toutes ces combinaisons sont suffisantes pour déplacer complètement le drone dans l’espace 3D.
Autres choses que fait le drone.
Un drone effectue également une foule de calculs fantaisistes pour se maintenir dans un schéma de vol stable. Le drone s’appuie sur toute une série de capteurs différents qui travaillent ensemble pour fournir des informations à la carte microcontrôleur qui est ensuite capable de maintenir le drone dans une position stable.
Certains drones ne sont pas en mesure d’effectuer des calculs.
Certains drones ne sont pas capables de faire un vol stationnaire automatique ou de maintenir une altitude stable et cela est dû au fait qu’il leur manque certains des composants qui sont nécessaires pour faire ces calculs.
La gamme de capteurs qui se trouvent dans un drone comprend:
- GPS – il obtient les coordonnées du drone en repérant son emplacement par rapport à un certain nombre de satellites qui sont en orbite géostationnaire au-dessus de la terre.
- Baromètre – un baromètre détecte la pression et permet au drone de calculer indirectement sa hauteur. Plus le drone est haut, plus la pression atmosphérique est faible.
- Magnétomètre – il détecte le champ magnétique terrestre et est capable de calculer l’orientation des drones par rapport au champ magnétique terrestre. Il s’agit essentiellement de la boussole du drone. C’est également l’un des éléments qui doivent être régulièrement calibrés, surtout si vous avez parcouru une bonne distance pour faire voler votre drone.
- L’accéléromètre – il mesure l’accélération du drone mais il est principalement utilisé pour connaître la direction dans laquelle la gravité tire le drone.
- Le gyroscope – un gyroscope fournit la vitesse angulaire du drone et est utilisé pour calculer son orientation dans un environnement 3D.
Ces capteurs fournissent en permanence des informations à l’unité de contrôle qui sont utilisées pour déterminer la vitesse de rotation des hélices. Les drones utilisent un contrôleur PID pour trouver comment déplacer le drone dans un espace 3D.
Contrôleurs PID
PID est l’abréviation de Proportionnel, Intégral, Dérivé et peut être réglé sur une gamme de logiciels pour drones. Ne soyez pas rebuté par la dénomination de ces gains, ils ne sont en réalité qu’une façon fantaisiste de dire ce qui suit:
- P regarde l’erreur actuelle – si le réglage actuel est très éloigné du point de consigne, le réglage P poussera pour le garder proche du point de consigne. Plus il est éloigné, plus il poussera fort.
- I est la connaissance acquise à partir des erreurs passées – cela regarde les erreurs passées (causées par des forces externes continues) et les contrebalancera.
- D est une prédiction des erreurs futures – lorsque P commence à pousser la valeur près du point de consigne, la valeur D vous empêchera de dépasser massivement le point de consigne.
L’effet de chaque paramètre PID
Alors que vous commencez à jouer avec les valeurs PID de votre drone, vous remarquerez que chaque valeur affecte le drone de différentes manières. Jetons un coup d’œil à chaque valeur avec un peu plus de valeur.
Gain P
La valeur P (également connue sous le nom de valeur de gain – est l’un des aspects les plus importants de la régulation du vol d’un drone.
Cette valeur détermine l’effort que le drone doit fournir pour se corriger afin d’atteindre la trajectoire de vol souhaitée (contrôlée par la transmission du contrôleur). Elle peut être à la fois trop élevée ou trop faible:
Trop élevée et le drone oscillera. C’est le symptôme d’une surcorrection agressive de la part du drone et vous verrez des oscillations à haute fréquence.
Trop bas et le copter aura l’impression qu’il est lent à répondre et vous pourrez même entendre les moteurs s’emballer lentement.
C’est la raison pour laquelle il est important de trouver un bon compromis.
Pour trouver une bonne valeur de P, vous devez augmenter progressivement la valeur de P jusqu’à ce que le drone commence à osciller puis régler cette valeur à 50 %.
Gain I
Le gain I est le réglage qui détermine la force avec laquelle le drone doit répondre aux forces externes – comme le maintien de sa position dans le vent ou en raison d’un décentrage de la masse ( assez facilement causé par la mise à niveau des composants de votre drone.
Trop haut et le drone semblera peu réactif
Trop bas et vous constaterez que vous devez corriger manuellement le modèle de vol de vos drones.
Vous voulez laisser la valeur I aussi basse que possible sans avoir à corriger manuellement le schéma de vol.
La valeur I est une valeur de référence.
Gain D
Le gain D est comme un amortisseur de la valeur P.
La valeur D est une sorte d’amortisseur de la valeur P.
Si la valeur D est trop faible, le drone ne réagira pas assez rapidement.
La valeur D est une valeur de référence.
Si la valeur D à trop élevée, le drone oscillera avec des oscillations rapides de faible amplitude. Cela peut également diminuer la réponse des quads et provoquer une sensation de lenteur du drone.
Augmentez le gain D jusqu’à ce que le drone commence à osciller avec de petites oscillations rapides. Réduisez à 50 % de cette valeur.
Le contrôleur PID est chargé de garder votre drone agréable et stable. Il permet également des changements de direction en douceur et si vous construisez votre propre drone, il est si important de bien régler cette fonctionnalité pour que votre drone soit un plaisir à piloter et ne fasse pas n’importe quoi aux extrémités des mouvements du joystick.
Peut-on programmer un drone?
Il existe de nombreux drones qui peuvent être programmés en utilisant ce qu’ils appellent des « waypoints ». Les waypoints sont essentiellement des emplacements GPS dans le ciel qui font que le drone passe automatiquement par ces points spécifiques prédéfinis qui ont une longitude et une latitude ainsi qu’une altitude par laquelle le drone doit passer.
Les waypoints sont des points de repère.
Il existe de nombreux points de passage et de passage automatique de drones qui peuvent être téléchargés en ligne et chargés latéralement dans votre logiciel de pilotage de drones.
Les drones sont très souvent soumis à des contraintes de sécurité.
Les drones sont assez souvent programmés à des fins de recherche et si vous voulez savoir quels sont les meilleurs drones programmables, consultez mon article approfondi sur les meilleurs drones programmables de recherche [guide complet] – cliquez ici.
Les drones sont souvent programmés à des fins de recherche.
Résumé
Les drones volent et changent de direction en modifiant les révolutions par minute sur chacune de ses quatre hélices et moteurs. Cela a pour conséquence que chacun des quatre moteurs génère une quantité différente de poussée et donc de déplacer le drone dans le ciel ou de le manipuler à un endroit fixe comme dans le cas du lacet (en utilisant le moment angulaire).
La grande chose est qu’une grande partie de ce logiciel et des calculs sont tous automatisés, ce qui signifie que votre expérience de vol ne dépend pas de votre capacité à comprendre comment chacun de ces mouvements est créé, mais plutôt qu’il est aussi simple de déplacer un joystick et de profiter du processus de vol.
En arrivant à la fin de cet article, vous êtes bien en avance sur beaucoup de pilotes de drones qui ne comprennent pas comment à un drone change de direction. Maintenant que vous savez tout ce qu’il y a à savoir sur chacun des mouvements, vous êtes en mesure de mieux contrôler votre drone et d’anticiper et de résoudre tous les problèmes qui peuvent survenir pendant votre vol.
C’est la raison pour laquelle nous vous invitons à lire cet article.