Activité 3 : Comment choisir le moteur et la batterie du drone pour une hélice donnée ?
Pour choisir les moteurs qui sont embarqués, la puissance massique optimisée est un critère déterminant. Par ailleurs, le pilotage des moteurs doit être aisé pour contrôler les paramètres de vitesse des hélices et fournir le couple nécessaire aux paramètres du vol. Les constructeurs spécialisés dans ce type de machine proposent des technologies de type machines à courant continu ou machines synchrones sans balais (moteur brushless), de conception plus récente. C'est ce dernier choix qui a été retenu. La chaîne d'énergie du drone établie à partir du diagramme de définition des blocs permet de définir le modèle d'étude [document 10].
Extraits du cahier des charges fonctionnel :
masse du drone : 2 kg (la chaîne d'énergie correspond à 75 % de la masse du drone et la masse embarquée à 25 %) ;
accélération verticale : 0,5 g ;
vitesse ascensionnelle : 6 m·s–1;
hélice : 10 × 5'' ;
autonomie de vol : de 8 à 16 min en fonction de la valeur de throttle.
Pour choisir les caractéristiques du moteur brushless, la démarche est classique. Elle s'établit à partir des caractéristiques dans le plan couple-vitesse de la charge entraînée par le moteur, ici l'hélice, liée par les lois de l'aérodynamique. La démarche est la suivante :
choix de l'hélice en fonction du type de vol souhaité ;
détermination de la vitesse de rotation en vol stationnaire ;
détermination du couple nécessaire fourni par la géométrie de l'hélice ;
détermination du kV du moteur et de la tension d'alimentation du contrôleur associé ;
détermination de la batterie et de son autonomie
◆ Choisir une hélice à partir des performances imposées par le cahier des charges fonctionnel
La mission de notre drone est de réaliser des photos et des vidéos. Pour maintenir la stabilité en vol stationnaire, il est nécessaire d'avoir deux hélices à pas à gauche et deux hélices à pas à droite [document 11]. |  |
Matériaux pour hélices
Pour des modèles réduits, les principaux constructeurs proposent deux types de matériaux pour les hélices :
le plastique (polyamide nylon) chargé en fibre de verre [document 12] ;
le carbone [document 13].
Le choix du matériau de l'hélice a une influence sur le comportement du drone. Par son élasticité, l'hélice en matière plastique apporte de la souplesse dans les réactions du drone. Par sa rigidité, l'hélice en carbone procure des réactions plus vives du drone.
Pour la masse du drone définie par le cahier des charges fonctionnel, les fabricants proposent les dimensions d'hélice suivantes : 9 × 5'', 10 × 5'' et 11 × 5''. Plus le diamètre de l'hélice est grand, plus le drone est stable ; cette configuration demandera au moteur un couple plus important. Plus le diamètre de l'hélice est petit, moins le drone est stable ; cette configuration demandera au moteur un couple moins important.
Le choix de l'hélice dépend de la force de portance nécessaire pour obtenir un vol stationnaire. Cette force de portance compense le poids du drone. L'hélice imposée par le cahier des charges est de dimension 10 × 5'' ; la première valeur correspond au diamètre de l'hélice (Øhélice) en pouce et la deuxième valeur au pas de l'hélice (p) en pouce. Le pas d'une hélice correspond à son déplacement dans l'air lorsque celle-ci fait un tour [document 14]. Par analogie, on retrouve la même définition pour le pas d'une vis |  |
Caractérisation des hélices
Expérimentalement, il est possible de mesurer le couple et la traction d'une hélice pour des vitesses de rotation données. Les critères d'une hélice sont :
le diamètre et le pas ;
la traction pour une vitesse et une puissance données ;
le coefficient de traction CT;
le coefficient de puissance CP.
Dans tous les cas, une réelle étude aérodynamique sur les hélices pour drones à voilure tournante est nécessaire pour déterminer, à rayon et traction donnés, un modèle dépendant de la géométrie de l'hélice (profil) et permettant d'obtenir le meilleur compromis entre une puissance mécanique faible et une grande vitesse de rotation [document 15].
Détermination de la force de portance Isolons le drone et faisons des actions mécaniques, extérieures au système isolé, qui s'y appliquent [document 16]. Le poids du drone est : La force de sustentation qui maintient le drone à l'équilibre est : Le théorème de la résultante statique appliqué au drone permet d'écrire : Application numérique : |  |
La force de portance minimale devra être supérieure à 20 N. Pour notre quadri-rotor, chaque hélice doit donc développer un effort minimal de portance supérieur à 5 N.
Travail à faire :
Méthode : Choisir une hélice
Quel phénomène peut se produire lorsqu'une hélice non équilibrée est en mouvement de rotation ?
Déterminez le diamètre ainsi que le pas de l'hélice en centimètre. Repérez dans le document 15 les critères de l'hélice 10 × 5 ''.
Justifiez le choix d'une hélice de dimension 10 × 5'' imposée par le cahier des charges, en la comparant aux performances de couple et de stabilité des deux autres proposées par les constructeurs (9 × 5'', 11 × 5'').
Dans la chaîne d'énergie de la motorisation du document 10, quel est le nom du composant assurant la fonction « distribuer » ?
