La physique de la façon dont les drones volent

Je possède un drone. Peut-être que vous aussi. J'utilise le mien pour faire des vidéos simples et agacer mon chien. Les drones sont très populaires de nos jours, et vous pouvez en avoir un bon sans dépenser trop d’argent. Oh, je parle des véhicules volants télécommandés à quatre rotors, et non des gros drones utilisés par les scientifiques pour étudier le changement climatique. Ceux-ci coûtent beaucoup d'argent.

Les petits drones comme le mien sont faciles à piloter – un pilote expérimenté peut survoler et voler dans pratiquement toutes les directions, ce qui les rend parfaits pour l'enregistrement de vidéos. Mais comment un drone vole-t-il réellement? Ah, c'est une excellente occasion d'examiner quelques aspects de la physique.

Mouvement vertical

Les drones utilisent des rotors pour la propulsion et le contrôle. Vous pouvez considérer un rotor comme un fan, car il fonctionne à peu près de la même façon. Les lames tournantes poussent l'air vers le bas. Bien sûr, toutes les forces viennent par paires, ce qui signifie que lorsque le rotor pousse dans l'air, l'air pousse vers le haut. C'est l'idée de base derrière l'ascenseur, qui consiste à contrôler la force ascendante et descendante. Plus les rotors tournent vite, plus la portance est grande, et inversement.

Maintenant, un drone peut faire trois choses dans le plan vertical: survoler, monter ou descendre. Pour survoler, la poussée nette des quatre rotors qui poussent le drone vers le haut doit être égale à la force de gravité qui le tire vers le bas. Facile. Alors qu'en est-il de la montée, quels pilotes appellent l'escalade? Il suffit d’augmenter la poussée (vitesse) des quatre rotors de manière à obtenir une force ascendante non nulle supérieure au poids. Après cela, vous pourriez diminuer un peu la poussée, mais le drone est maintenant soumis à trois forces: le poids, la poussée et la traînée. Il faudra donc toujours que les propulseurs soient plus puissants que pour un vol stationnaire.

Pour descendre, il faut faire exactement le contraire: il suffit de diminuer la poussée du rotor (vitesse) pour que la force nette soit vers le bas.

Tourner (tourner)

Disons que vous avez un drone en vol stationnaire dirigé vers le nord et que vous souhaitez le faire pivoter pour faire face à l'est. Comment accomplissez-vous cela en modifiant la puissance des quatre rotors? Avant de répondre, je vais dessiner un diagramme des rotors (vus de dessus) et numérotés de 1 à 4.

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Dans cette configuration, les rotors rouges tournent dans le sens anti-horaire et les verts tournent dans le sens horaire. Avec les deux ensembles de rotors tournant dans des directions opposées, le moment cinétique total est nul. Le moment angulaire ressemble beaucoup au moment linéaire et vous le calculez en multipliant la vitesse angulaire par le moment d'inertie. Attendez. Quel est le moment d'inertie? C'est semblable à la masse, sauf qu'il s'agit de rotation. Oui, cela devient assez compliqué, mais tout ce que vous devez savoir, c'est que le moment cinétique dépend de la vitesse à laquelle les rotors tournent.

S'il n'y a pas de couple sur le système (le système étant ici le drone), le moment angulaire total doit rester constant (zéro dans ce cas). Pour que les choses soient plus faciles à comprendre, je dirai que les rotors rouges dans le sens anti-horaire ont un moment angulaire positif et que les rotors verts dans le sens des aiguilles d'une montre ont un moment angulaire négatif. J'attribuerai à chaque rotor une valeur de +2, +2, -2, -2, ce qui donne zéro (j'ai laissé les unités).

Disons que vous voulez faire pivoter le drone vers la droite. Supposons que je diminue la vitesse angulaire du rotor 1 de telle sorte que son moment angulaire soit égal à -1 au lieu de -2. Si rien d'autre ne se produisait, le moment cinétique total du drone serait désormais de +1. Bien sûr, cela ne peut pas arriver. Le drone tourne donc dans le sens des aiguilles d'une montre, de sorte que le corps du drone a un moment cinétique de -1. Boom. Rotation.

Mais attendez! La réduction de la rotation du rotor 1 a effectivement provoqué la rotation du drone, mais elle a également diminué la poussée du rotor 1. La force nette vers le haut n’est pas égale à la force de gravitation et le drone descend. Pire encore, les forces de poussée ne sont pas équilibrées et le drone bascule vers le bas dans le sens du rotor 1. Ne vous inquiétez pas. Je peux arranger ça.

Pour faire pivoter le drone sans créer tous ces autres problèmes, diminuez la rotation des rotors 1 et 3 et augmentez la rotation des rotors 2 et 4. Le moment cinétique des rotors ne s'ajoutant pas à zéro, le corps du drone doit tourner . Mais la force totale reste égale à la force gravitationnelle et le drone continue de planer. Les rotors de poussée inférieure étant diagonalement opposés, le drone peut toujours rester en équilibre.

En avant et latéralement

Quelle est la différence entre avancer ou reculer? Aucune, car le drone est symétrique. Il en va de même pour les mouvements d'un côté à l'autre. Fondamentalement, un drone quadricoptère est comme une voiture où tous les côtés sont à l'avant. Cela signifie qu'expliquer comment aller de l'avant explique également comment aller de l'avant ou de l'autre côté.

Pour pouvoir avancer, il me faut une composante de poussée avant des rotors. Voici une vue de côté (avec les forces) d’un drone se déplaçant à une vitesse constante.

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Comment obtenez-vous le drone dans cette position? Vous pouvez augmenter la vitesse de rotation des rotors 3 et 4 (ceux de l’arrière) et diminuer la vitesse des rotors 1 et 2. La force de poussée totale restera égale au poids, de sorte que le drone restera au même niveau vertical. De plus, étant donné que l'un des rotors arrière tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre et l'autre dans le sens des aiguilles d'une montre, la rotation accrue de ces rotors produira toujours un moment angulaire nul. Il en va de même pour les rotors avant et le drone ne tourne pas. Cependant, la plus grande force à l'arrière du drone signifie qu'il va basculer vers l'avant. Désormais, une légère augmentation de la poussée de tous les rotors produira une force de poussée nette comportant un composant permettant d'équilibrer le poids ainsi qu'un composant de mouvement vers l'avant.

Utilisant un ordinateur

À présent, vous avez sûrement remarqué que chaque mouvement est accompli en modifiant la vitesse de rotation d'un ou de plusieurs rotors. Faire cela nécessite simplement un contrôleur capable d’augmenter ou de diminuer la tension de chaque moteur. Ce n'est pas trop difficile à mettre en place. Mais imaginez ceci: vous avez un drone à 4 contrôleurs. Vous aurez besoin d'un contrôleur pour chaque niveau de puissance du moteur. Il serait difficile de régler manuellement la puissance de chaque moteur pour obtenir le mouvement souhaité.

Cependant, si vous disposez d'un système de contrôle informatique, vous pouvez simplement appuyer sur une manette de jeu avec votre pouce et laisser un ordinateur s'occuper de tout cela. Un accéléromètre et un gyroscope dans le drone peuvent encore augmenter la facilité et la stabilité du vol en ajustant minutieusement la puissance de chaque rotor. Ajoutez un système GPS et vous pourrez pratiquement totalement vous débarrasser de l'humain. Vous pouvez donc voir que piloter un drone est assez facile si vous laissez l'ordinateur faire tout le travail. Mais il est toujours bon de comprendre la physique derrière cela.

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