Comment faire un drone/UAV

• Leçon 1 : Terminologie Comment faire un drone/UAV
• Leçon 2 : Châssis Comment faire un drone/UAV
• Leçon 3 : Propulsion Comment faire un drone/UAV
• Leçon 4 : Contrôleur de vol Comment faire un drone/UAV
• Leçon 5 : Assemblage Comment faire un drone/UAV
• Leçon 6 : Réglage d'ensemble Comment faire un drone/UAV
• Leçon 7 : FPV et longue portée

Comment faire un drone/UAV - Leçon 8 : Avion L'utilisation de petits avions sans pilote pour FPV et cartographie autonome est de plus en plus populaire, surtout compte tenu de l'engouement pour les multirotors FPV et de la disponibilité croissante de pièces. Cet article développe plusieurs considérations pour décider si un appareil est adapté pour votre application drone, et si oui, pour vous aider à choisir le bon type.

Quad vs aile delta

Multirotor vs avion

Quels pourraient être les avantages d'un avion sur un multirotor ? Alors qu’un mul­ti­ro­tor est idéal pour le vol de divertissement/FPV/autonome, la charge utile et l'autonomie sont encore limitées car les hélices doivent tourner en permanence (donc dépenser de l'énergie) pour lutter contre la force de gravité et rester en vol. D'autre part, les avions utilisent leurs ailes pour générer de la portance. Alors quel est le meilleur type ? Si l'on ne considère pas l'équipement commun, émetteur, récepteur, équipement FPV, contrôleur de vol, les points ci-dessous semblent les plus pertinents :

Multirotor

• Capable de décoller et atterrir verticalement et de se maintenir en vol stationnaire
• N'exige pas beaucoup d'espace pour voler et est essentiellement "omnidirectionnel", capable de changer d'orientation et d'accélérer très rapidement
• L'appareil est maintenu en l'air par la poussée générée par les hélices
• Moins intuitif pour le vol, car l'engin peut changer d'orientation et voler dans presque toutes les directions, et le système de cardans peut facilement provoquer une désorientation
• Les multirotors de "taille moyenne" de 400 à 600 mm de diamètre sont les plus communs et coûtent en général de 200 à 1000 $ pour une configuration (personnalisée) prête à voler
• Bien que les multirotors aient beaucoup moins de pièces mobiles que les hélicoptères, toute défaillance sur un quadcoptère conduira probablement à un crash

Avion

• Lancé à la main, sur une piste ou à la catapulte, il atterrit généralement sur un espace herbeux relativement plat ou sur une piste
• Nécessite un grand espace ouvert pour le vol, car sa maniabilité est limitée (doit toujours aller de l'avant)
• Les ailes/gouvernes créent la portance
• Capacité potentielle de charge utile supérieure
• Les modèles en mousse peuvent pardonner un crash, et la plupart peuvent être réparés
• Les modèles avec une envergure d'aile de 500 mm à 1,8 m sont les plus courants pour le hobby et une configuration complète coûte généralement de 200 $ à 1000 $ ou plus.
• En cas d'une panne de moteur, il est encore possible d'atterrir sans endommager l'avion.

Décollage vertical

• Par conception, ailes et hélices sont incorporées (peu de produits commerciaux disponibles actuellement)
• Le contrôle est encore assez compliqué pour passer du vol vertical au vol horizontal
• Les conceptions varient énormément, par exemple quadcoptère avec des ailes, ou utilisation/extension des bras de support d'un quadcoptère pour inclure des profils d'ailes
• Ne sera pas discuté par la suite dans cet article

Considérations

• Emplacement : un drone/UAV ne peut pas et ne doit pas circuler dans des zones densément peuplées, au-dessus des bâtiments ou partout où il y a risque de blessures ou de dommages matériels. Les avions ont idéalement besoin de grands espaces ouverts alors que les multirotors peuvent être utilisés dans des espaces plus confinés. Si vous ne disposez pas d'un espace ouvert dans lequel voler, un petit multirotor pourrait être mieux adapté.
• Utilisation : si vous recherchez l'observation aérienne/FPV, un multirotor est probablement meilleur. La cartographie et les vols de longue portée sont préférables avec un avion.
• Intérêt : si vous êtes intéressé par un type de drone plutôt qu'un autre, c'est cela qui devrait être l'un des critères les plus importants de votre décision
• Budget : le multirotor le plus courant (dans la gamme des 500 mm) sera probablement un peu plus cher qu'un avion comparable (envergure 1,5 m), mais pas de beaucoup. Dans quelle mesure êtes-vous prêt à perdre le drone, que ce soit en raison d'un accident, d'une perte de contrôle qui le laisse s'envoler ?
• Temps de vol : un quadcoptère de taille moyenne restera dans l'air pendant environ 10-15 minutes (bien que certains fabricants peuvent atteindre 30-40 min), tandis que, en moyenne, un avion électrique de taille moyenne volera environ 20-60 minutes en utilisation "normale" (pas à plein régime), mais il y a beaucoup de différents facteurs à prendre en compte dans les deux cas.
• Contrôleur de vol : les contrôleurs de vol ne peuvent pas tous contrôler tous les types d'avions. Avant d'en choisir un, assurez-vous que le type d'avion qui vous intéresse est pris en charge par le contrôleur de vol (si vous l'intention d'en utiliser un). La configuration du contrôleur de vol n'est pas couverte dans cet article.

Types courants UAV/Drone/Aile

De nombreuses cellules différentes sont utilisées pour fabriquer des drones, mais nous avons constaté que certains modèles sont beaucoup plus largement utilisés que d'autres. De plus en plus, les fabricants commencent à produire des cellules sur mesure pour un usage autonome, abandonnant les détails inutiles, comme les cockpits pour les modèles réduits que l'on trouvait en général sur les avions RC du passé.

Aile delta

La conception de loin le plus simple (et probablement la plus populaire) est une aile volante/delta. Un châssis simple/rudimentaire peut être obtenu avec un panneau de mousse bon marché et une aile basique Kline-Fogleman. Elle a classiquement deux surfaces de contrôle, ce qui signifie que tous les virages sont relevés. L'hélice est couramment placée à l'arrière (pour permettre de monter à l'avant une caméra), mais elle vole aussi bien avec le moteur placé au centre ou à l'avant, à condition que le centre de gravité soit correct. Elle est d'une simplicité extraordinaire et a plutôt besoin de voler à des vitesses plus élevées.

Planeur motorisé

Si vous voulez rester en l'air aussi longtemps que possible (c.-à-d. la plus longue durée de vol), cette conception est le meilleur choix. En général, l'aile est fixée à mi-hauteur ou en haut du fuselage, et la queue est en T ou en V. Tous les châssis ici peuvent être utilisés pour le vol de loisir (ou plus), mais si vous voulez que le vol dure longtemps, vous devez considérer un avion qui a une grande aile, et c'est là qu'excellent les planeurs. Ils ne sont pas destinés à être les plus rapides (et sont souvent les plus lents), ni à porter la plus grande charge utile (ils doivent être aussi légers que possible), mais avec une bonne conception, ils peuvent rester en l'air pendant de nombreuses heures. Presque tous ont l'hélice montée à l'avant, de sorte que les applications qui nécessitent une caméra doivent normalement la monter sur le côté inférieur/ventre du fuselage.

"Skywalker"

La conception ici est une propulsion avec l'hélice montée juste derrière les ailes, et le support de la queue monté juste au-dessous afin de ne pas interférer. L'aile est généralement fuselée ou droite. Une autre conception utilise deux supports (un de chaque côté de l'hélice, c.-à-d. en "flèche double") pour soutenir la queue. La conception est un compromis entre un planeur qui a de grandes ailes, et un avion normal pour la taille du fuselage. Avec l'hélice à l'arrière, l'avant peut être équipé d'une caméra (vue dégagée). Avec l'hélice montée assez haut, le lancement à la main est facile, et l'hélice ne devrait jamais toucher le sol dans un atterrissage normal (avec ou sans train d'atterrissage). Ces modèles sont en général bons pour une capacité de charge utile, une vitesse acceptable et un temps de vol décent, et ils offrent la plus grande polyvalence.

Conventionnel

Les avions RC normaux sont encore souvent convertis pour être utilisés comme des drones, et ils sont de conception variée, du Mustangs (sport) au Piper Cubs (entraînement). Presque tous ont l'hélice montée à l'avant (traction). Les ailes ont un bord d'attaque/de fuite généralement droit (rectangulaire), mais pour des répliques d'avion de combat, l'aile peut être plus effilée. Ces conceptions sont le plus souvent utilisées car elles sont les plus courantes pour les avions RC et sont facilement disponibles. Malheureusement, ces appareils ne sont pas construits à cet effet et comportent des éléments esthétiques qui ne sont pas nécessaires pour les applications de drones. Ce ne sont pas non plus les modèles les plus faciles à utiliser quand il faut choisir un emplacement dégagé pour monter une caméra, et beaucoup utilisent le bois qui ne pardonne rien en cas de crash.

Non standard

Quelques modèles non standard sont disponibles, par exemple le "Drak" (à peu près un delta inversé). Cette conception particulière a presque une configuration d'aile en flèche vers l'avant, et l'hélice est à l'arrière. Les avantages et inconvénients varient selon le modèle, bien que leur aspect singulier attire souvent l'attention.

Dimensions

Alors, quelle taille devrait avoir votre avion ? Le critère le plus souvent utilisé, avant même l'application, est de savoir comment vous allez le transporter. Les avions sont (presque) toujours plus grands que les multirotors, et comme la zone où vous prévoyez de le faire voler peut ne pas être près de chez vous ni de votre bureau, le plus souvent le transport devra se faire en voiture. Pour cette raison, la taille du châssis pour les drones se limite généralement à 2 m (envergure de l'aile), et dans la plupart des cas, les ailes doivent être détachables du fuselage pour le transport. Cependant, une aile volante peut ne pas avoir l'option d'ailes amovibles, de sorte que l'envergures est plutôt inférieure à environ 1,2 m pour pouvoir l'installer facilement sur le siège arrière d'une voiture. Classiquement, un avion RC de taille standard aurait une envergure d'environ 0,5 m à 2 m, de sorte que les pièces pour cette dimension (moteur, ESC, batterie, servos, etc.) se trouvent incroyablement facilement. La deuxième question que vous pourriez vous poser serait combien de temps vous voulez que l'avion reste en vol. Si vous envisagez de contrôler à distance l'avion, notez que, après environ 20 à 30 minutes, la plupart des gens se fatiguent physiquement/mentalement et souhaitent généralement atterrir. Pour des vols prolongés, vous devrez envisager un planeur avec une envergure d'aile d'au moins 2 m (mais une capacité de charge utile limitée). Une troisième considération est bien sûr l'application potentielle. Un "drone" ne sera pas un avion RC normal, mais comportera plutôt des éléments robotiques. Les applications courantes sont le vol FPV, la cartographie, ainsi que le vol entièrement autonome utilisant des capteurs. Pour un vol autonome, vous avez besoin d'un contrôleur de vol avec GPS, ainsi que de capteurs que vous ajouterez éventuellement. Nous avons constaté qu'un drone de taille moyenne avec une envergure d'environ 1 m à 2 m offre la plus grande flexibilité, et vous n'avez pas besoin de vous inquiéter trop pour chaque gramme.

Types de kit

La conception d'un avion personnalisé est rarement une priorité pour quelqu'un qui cherche à voler en FPV ou en vol autonome, car cela exige souvent soit des recherches importantes soit une bonne connaissance de l'aérodynamique (points non traités ici). Pour cette raison, les châssis conçus spécifiquement pour les applications FPV/drones ont de plus en plus de succès. Cependant, étant donné la grande diffusion des avions RC normaux, de nombreux amateurs se tournent encore vers des modèles RC existants (pas nécessairement des modèles à l'échelle) et les adaptent pour une utilisation FPV/autonome.

Construction

Il y a beaucoup de matériaux différents utilisés pour créer le châssis, les ailes et la queue des avions RC/drones. Bien que les avions avec pilote utilisent souvent la fibre de verre, l'aluminium et même la fibre de carbone, les fabricants de drones n'ont pas encore adopté ces matériaux pour des avions sans pilote plus petits. Voici les matériaux les plus communs que vous trouverez dans l'industrie :

Donc, quel matériau choisir pour un avion ? La grande majorité de la communauté FPV utilise la mousse EPO :

• Demande exponentiellement moins de temps pour l'assemblage par rapport au balsa et donc plus rapide à faire voler
• Relativement légère et décemment rigide* par rapport à d'autres matériaux, mais peut être facilement modifiée/coupée
• "Indulgente", en ce sens qu'elle est capable de résister à des accidents et impacts de faible force et peut souvent être recollée et remise en vol
• Bonne valeur : les modèles en mousse varient beaucoup en prix, car le créateur doit compenser le coût de la conception, des prototypes et du moulage et le coût du châssis est normalement proportionnel à sa taille.
• Ne nécessite pas d'outils spécialisés comme un fer à plastifier chauffé
• La plupart des kits de châssis contiennent les principaux éléments nécessaires (les modèles en balsa demandent souvent l'achat supplémentaire de film de plastification, d'une grande partie du matériel et plus encore).

*Les modèles en mousse sont rarement assez rigides par eux-mêmes pour résister aux charges sur les ailes et nécessitent un renforcement sous la forme "d'espars" (tiges longues et minces, normalement en fibre de verre ou en fibre de carbone) pour augmenter la rigidité. Ces espars doivent souvent être collés en place dans divers endroits stratégiques en haut et en bas de l'aile (dans des passages prédécoupés). Cette approche ne peut pas être pratiquée avec des modèles en mousse de grande taille, ce qui explique pourquoi il est assez rare de voir des modèles en mousse avec une envergure de plus de 2 m.

Assemblage

Mousse : il est important de noter que l'on ne peut pas utiliser de colle sur la mousse et certaines colles rongeront et dégraderont la mousse. Les colles les plus couramment utilisées pour coller la mousse EPO sont Goop (nom de marque) et Gorilla Glue (nom de marque). Goop est claire et a la consistance d'un sirop épais, et le collage est excellent. Gorilla Glue, d'autre part, nécessite un peu d'eau pour son activation et sa consistance initiale est celle d'un sirop épais. Elle se transforme alors en mousse d'environ 400 % de son volume initial et est de couleur jaune. La colle Gorilla Glue peut être coupée dans les zones où elle est indésirable, mais veillez à protéger les zones sur lesquelles vous ne voulez pas de coulures (en utilisant du ruban de peintre par exemple) et à utiliser de la colle chaude pour maintenir en place les pièces qui ne doivent pas bouger pendant que la colle se dilate et durcit. Il est normalement facile de couper la mousse à l'aide d'un couteau tranchant rétractable, un pistolet à souder (par opposition à un fer à souder) ou un fil chauffé. Une scie à main tend à déchirer la mousse et laisse une surface très rugueuse. Les avions en mousse sont souvent blancs, rarement noirs et encore plus rarement gris ou d'autres couleurs. Pour la personnalisation de l'aspect, l'ajout de couleur ou de dessins peut se faire avec de la peinture spécifique, plastifiée ou vinyle. Notez que ne sont proposées que certaines peintures utilisables avec la mousse, car certaines peuvent déclencher une réaction et faire fondre la mousse. Balsa : les colles cyanoacrylates sont les plus couramment utilisées pour le bois de balsa - elles sont normalement liquides et très visqueuses (presque comme l'eau) et créent une liaison très forte. Une fois que le châssis a été construit, il doit être recouvert d'un film plastifié (une feuille de matière plastique avec d'un côté une colle activée par la chaleur) afin de créer la surface aérodynamique. Le film de plastification est chauffé/appliqué à l'aide d'un fer à plastifier et l'une des propriétés est de "raidir" de sorte que la surface devient dure. Cela signifie que le film plastifié pourra seulement adhérer au balsa - il ne peut pas être utilisé pour créer des formes 3D. Composites : il est encore rare de voir des composites utilisés pour créer des avions de petite taille (fibre de carbone). Ces matériaux utilisent de l'époxy (ou un agent de liaison spécifique) et sont plus difficiles à couper manuellement, nécessitant souvent une machine à fraiser CNC. Créer des formes 3D est également très difficile. Les avions utilisent normalement des composites pour le renforcement.

Propulsion

Un système de propulsion d'un avion comprend moteur, hélice, ESC et batterie. Le choix des éléments appropriés pour un châssis ne doit pas se faire "au jugé" et il est préférable de voir si le fabricant du châssis a, soit une suggestion spécifique pour moteur + hélice, ou une plage pour une charge donnée. La plupart des amateurs aujourd'hui préfèrent les moteurs électriques, par opposition à l'essence (kérosène par exemple) en raison du moindre coût de fonctionnement et de la facilité d'utilisation. Le solaire est rarement utilisé car la puissance que fournit l'énergie solaire rapportée au poids supplémentaire des panneaux solaires (qui sont utilisés pour charger les batteries) n'est toujours pas intéressante. Choisissez une combinaison moteur + hélice qui peut fournir la poussée nécessaire pour votre cellule qui a une charge spécifique. Certains fabricants de cellules fournissent quelques indications de la poussée nécessaire en fonction de leur propre expérience, ce qui devrait donner une idée générale de la plage de poussée nécessaire. Une motorisation trop faible de l'avion le rendrait instable, le ferait avancer en dauphin ou le ferait s'écraser. Un avion surmotorisé pourrait être totalement instable en vol. Étant donné que la quasi-totalité de la technologie utilisée pour créer des drones vient de l'industrie RC, il y a une quantité suffisante d'informations disponibles pour choisir correctement la poussée et les servos pour différentes applications. Barycentre : le barycentre est le point autour duquel le châssis peut être placé de sorte qu'il y a un poids égal de tous les côtés. Centre de portance/coefficient de moment : c'est le point où la somme totale de toute la portance générée par les ailes et les surfaces de contrôle s'équilibre et est généralement situé au point le plus élevé de l'aile. Vous voulez normalement que le barycentre corresponde avec le centre de portance.

Lancement/atterrissage

Il existe classiquement trois façons de lancer un petit drone : une piste, à la main ou avec une catapulte. Si vous avez accès à un champ plat, une surface en dur inutilisée et ouverte, ou une piste (dans un club de modélisme RC), votre avion aura besoin de roues et d'un train d'atterrissage approprié. Les châssis d'ailes delta, de planeurs, de drones non-standard n'ont presque jamais de train d'atterrissage, et doivent donc être lancés à la main ou à l'aide d'une catapulte.

Lancement/atterrissage sur piste : pour utiliser une solution par piste, votre drone a besoin de roues, et la piste doit être aussi plate que possible et idéalement en dur. Lancement à la main : il existe deux principaux types de lancement à la main : avec un swing de la main ou au-dessus de la tête. L'approche de swing est similaire à un lancement de disque (ou à des ricochets sur l'eau) où vous essayez de lancer le drone à une vitesse aussi grande que possible en utilisant la vitesse angulaire. Sinon il y a l'approche au-dessus de la tête (il est préférable d'avoir une deuxième personne faisant cela) où vous lancez l'avion vers le haut. Lancement catapulté : une catapulte utilise l'une des diverses méthodes pour faire accélérer le drone aussi vite que possible : câble élastique, treuil ou même air comprimé. Les catapultes ne sont pas faciles à transporter, et nécessitent des investissements supplémentaires et du dépannage. Saisie à la main : il n'est pas trop difficile d'attraper un petit drone à la main, à condition que l'hélice ne tourne pas, mais il faut de la pratique et de l'habileté. Patin d'atterrissage : la méthode d'atterrissage le plus couramment utilisée est un atterrissage sur patin sur une surface convenablement plane comme de l'herbe. Cette méthode est utilisée parce que de moins en moins de drones ont un train d'atterrissage (et qu'une piste n'est pas disponible), obligeant l'avion à atterrir simplement dans toute zone plane possible. Normalement, avant un vol, le pilote trouvera un endroit approprié pour faire un atterrissage sur patin. L'avion devrait idéalement avoir des plaques de patin remplaçables en cas d'usure ou de déchirure. Atterrissage en filet : bien que plus couramment utilisé par les militaires pour les petits drones, utiliser un filet pour attraper un drone est très efficace lorsque d'autres types d'atterrissage ou de récupération sont impossibles. La mise en place d'un système de filet prend cependant du temps, et, pour la plupart des amateurs, d'autres types d'atterrissage ou de récupération sont préférables.

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