Les drones: l’historique et les différentes catégories

  1. Conception et réalisation d’un quadrotor UAV
  2. ZITOUNI Abdelhak Amine
  3. Les drones: l’historique et les différentes catégories
  4. Domaines d’application et mouvements du quadrotor
  5. Modélisation dynamique d’un quadrotor
  6. Les quadrotors, conception de système du drone
  7. Réalisation du transmetteur RF et Récepteur RF 2.4 GHz
  8. Contrôleur de vol du quadrotor et signaux du récepteur RF
  9. Unité de mesure de l’inertie gyroscopique MPU-6050
  10. Le contrôleur PID du quadrotor et contrôle des ESC
  11. Données angulaires du Gyroscope et vol du quadrotor

Les drones: l’historique et les différentes catégories

Chapitre I : Généralité sur les drones

Introduction aux drones (U.A.V.) :

Plusieurs termes sont utilisés pour les véhicules aériens sans pilote, qui se réfèrent généralement au même concept.

Un véhicule aérien sans pilote U.A.V. (UNMANNED AIRCRAFT VEHICLE) ou R.P.A.S. (Remotely Piloted Air System), communément connu sous le nom de drone, C’est un avion qui ne porte pas d’opérateur humain à bord.

Les UAV sont des composantes d’un système d’aéronef sans pilote U.A.S. (Unmanned Aircraft System); Qui comprennent un UAV, un contrôleur terrestre et un système de communication entre les deux.

Les drones utilisent des forces aérodynamiques pour fournir un ascenseur de véhicule, ils peuvent voler de façon autonome et être piloté à distance, ils peuvent être récupérables grâce à un système de navigation programmable et effectuer des vols dans des différents environnements, ils sont capables aussi de porter un camera de liaison de données, permettant la transmission direct des vidéos.

Le vol des drones UAV peut se fonctionner avec de différents degrés d’autonomie: soit sous contrôle à distance par un opérateur humain, soit par ordinateur embarqué de manière autonome.

Par rapport aux avions équipés, les drones UAV étaient à l’origine utilisés pour des missions trop dangereuses pour les humains.

Bien qu’ils proviennent principalement d’applications militaires, leur utilisation s’étend rapidement aux applications commerciales, scientifiques, récréatives, agricoles et autres, telles que la police et la surveillance, la livraison de produits, la photographie aérienne et d’autres diverses applications.

Les drones civils sont maintenant beaucoup plus nombreux que les drones militaires, avec des dépenses de plus d’un million de vends pendant ces dernières années.

L’historique des drones :

Les innovations de l’UAV ont commencé au début des années 1900 et se sont initialement concentrées sur la mise en place d’objectifs de formation pour former du personnel militaire.

Le développement de l’UAV s’est poursuivi pendant la Première Guerre mondiale, lorsque Dayton- Wright Compagnie d’avion a inventé une torpille aérienne sans pilote qui exploserait à un moment préétabli.

En 1920 en France, à la suite de la première guerre mondiale George Clémenceau Président de la Commission sénatoriale de l’Armée, lance un projet « d’avions sans pilote » : le capitaine Max Boucher met au point un système de pilotage automatique qui fait voler sur plus de cent kilomètres un avion Voisin BN3.

Ainsi, dans les années 1920, des avions sans pilote radiocommandés voient le jour, avec les tentatives de torpilles aériennes télécommandées par des ondes de télégraphie sans fil.

Le premier drone français stricto sensu a été conçu, réalisé et expérimenté dès 1923 à Etampes par l’ingénieur Maurice Percheron et le capitaine Max Boucher.

Toutefois, l’armée française n’y voyait pas encore d’intérêt militaire.

Le drone a été développé de façon confidentielle par les Etats-Unis comme un moyen de supériorité stratégique et de rupture de capacité devant permettre la surveillance et l’intervention militaire chez l’ennemi sans encourir les risques humains que l’opinion ne supportait plus. En outre, il est utilisé pour larguer des tracts dans le cadre de la guerre psychologique.

L’Allemagne nazie a produit et utilisé divers avions UAV pendant la guerre.

Les moteurs à réaction sont entrés en service après la Seconde Guerre mondiale dans des véhicules tels que le GAF australien Jindivik et Teledyne Ryan Firebee de 1951, alors que des entreprises comme Beechcraft ont offert leur modèle 1001 pour la marine américaine en 1955.

Néanmoins, ce ne sont que des avions télécommandés Jusqu’à la guerre du Vietnam.

Les drones sont engagés pour la première fois pendant la guerre du Viet Nam, puis lors de la guerre du Kippour. Ils font désormais partie des moyens tactiques et stratégiques du champ de bataille. L’absence de pilote permet d’opérer à l’intérieur des lignes ennemies pour des missions à risque, sans crainte de pertes humaines.

Après cette introduction historique nous allons à présent citer quelque type des drones actuels.

Les différentes catégories des drones :

Tous les drones n’ont pas les mêmes capacités. Selon les besoins, ils peuvent avoir toute sorte de taille qui peut aller de celle d’un avion de ligne à celle d’une mouche.

La classification des drones dépend de plusieurs critères tels que leurs longueurs, leurs auteurs et leurs durées de vol.

Ainsi que leurs poids changent également. On distingue donc plusieurs classes de drones [9-10] :

Les drones militaires de longue endurance:

Le drone militaire est utilisé pour des missions de reconnaissance, généralement à hauts risques pour les soldats. Il est très en vogue chez les grandes puissances militaires comme les Etats- Unis, la France et l’Angleterre.

En effet actuellement des drones patrouillent au moyen orient pour démanteler des réseaux de terroristes. Avec des durées de vol comprises entre 12 et 48 heures, on entre ici dans la catégorie des «grands» drones, dont la taille est essentiellement dictée par une charge utile lourde et une quantité élevée de carburant, nécessaire à la mission.

Cette catégorie se divise elle- même en deux parties, en fonction de l’altitude de vol des machines : comme pour les avions, plus on vole haut, plus on va vite et plus on parcourt de la distance.

On distingue ainsi les drones dits «MALE» (Moyenne Altitude Longue Endurance) des drones «HALE» (Haute Altitude Longue Endurance).

Les drones MALE « le General Atomics MQ-9 » :

Ce type de drone de combat Figure 1.1 peut atteindre une vitesse de 480km/h, il peut être commandé jusqu’à 1850 kilomètres par ses deux contrôleurs au sol ou par liaison satellite.

Il pèse un peu plus de 2 tonnes et peut atteindre 15 kilomètres d’altitudes avec une autonomie de vol de 30 heures. Aussi il peut transporter six missiles et deux bombes, en temps de guerre ce type de drone est utilisé pour l’espionnage mais peut également servir comme lance-missiles.

Un modèle non armé mais bourré de capteurs et de caméras est également utilisé par la Nasa et destiné à des recherches scientifiques.

le General Atomics MQ-9
Figure 1.1 : le General Atomics MQ-9.

Les Américains ont d’emblée conçu des systèmes MALE à la dimension de leurs théâtres d’opérations en vue, non seulement de missions de reconnaissance, mais aussi de désignation et de destruction d’objectifs au sol.

Les drones HALE « RQ-170 Sentinel » :

Le RQ-170 Sentinel Figure 1.2, est un véhicule aérien sans pilote de haute altitude et de longue endurance.

C’est un drone furtif développé par Lockheed Martin et exploité par la Force aérienne des États-Unis (USAF), on atteint dans cette catégorie les dimensions d’un avion civil (Airbus A320 par exemple) pour des autonomies de 10 000 kilomètres et plus parcourues en volant largement au-dessus des trafics aériens courants, La masse au décollage des drones HALE peut largement dépasser les 10 tonnes, dont quelque 10% pour la charge utile.

RQ-170 Sentinel
Figure 1.2 : RQ-170 Sentinel.

Environ 90% de l’avion est composé de matériaux composites pour diminuer son poids total. Le RQ-170 peut offrir à ses opérateurs des données de renseignement en temps réel en exécutant des opérations de surveillance sur une vaste zone.

Ce drone peut capturer des images en temps réel puis les transférés à une station de contrôle au sol à travers des lignes de communication.

Le RQ-170 a été déployé aux zones hostiles pour des missions d’observation et de renseignements et pour l’exploitation de la liberté durable, les capacités de ces drones HALE sont à rapprocher et à comparer à celles des avions pilotés du type de l’avion espion U2 (Fantôme) ou des avions de renseignement électronique Signet, ainsi qu’à celles des satellites d’observation ou d’alerte.

Les drones tactiques (Tactical Unmanned Air Vehicle) :

Les drones tactiques Figure 1.3 sont des drones militaires capables de s’envoler et d’atterrir sur courte distance propulsé par un moteur bicylindre.

Ils sont propulsés pour le décollage par une catapulte pneumatique.

Le drone Tactique RQ-7 Shadow
Figure 1.3 : Le drone Tactique RQ-7 Shadow.

L’atterrissage se fait à l’aide d’un parachute et de coussins gonflables de sécurité placés sous les ailes. Ils peuvent volés 5 à 8 heures et à des vitesses environ 175 km/h et volant à une altitude de 3 à 5 kilomètres, pour un rayon d’action de 30 à 500 kilomètres.

On distingue plusieurs catégories des drones tactiques tels que l’AEROSTAR « AERONAUTICS DEFENSE SYSTEMS », RQ-7 Shadow, Sperwer, Hermes, Watchkeepere…etc.

Ce types de drones comportent un ensemble de caméras gyrostabilisées et thermiques qui permettent la prise d’images aériennes en lumière visible et en infrarouge, il sert à la reconnaissance, la surveillance, l’acquisition de cibles et l’évaluation des dommages de combats.

Le drone solaire « Aquila» :

En juillet 2016, Facebook dévoilait son prototype de drone solaire destiné à diffuser l’Internet haut débit dans des zones non desservies ou disposant d’un accès de mauvaise qualité, le réseau social vient d’annoncer avoir accompli avec succès le premier vol d’essai d’un modèle à taille réelle.

Le drone solaire Facebook « Aquila »
Figure 1.4 : Le drone solaire Facebook « Aquila ».

Baptisé Aquila (nom latin signifiant « aigle ») Figure 1.4, l’engin se présente le drone avec une aile de 42 mètres d’envergure, plus grande que celle d’un Airbus A320 et pour un poids de 1468 kg.

Ce drone alimenté par des cellules photovoltaïques est censé pouvoir voler durant 90 jours à des altitudes comprises entre 18 à 27 kilomètres en diffusant un accès Internet au sol dans un rayon d’un peu moins de 100 kilomètres.

Facebook indique que le drone, qui volait à une vitesse d’environ 40 km/h, dissipait un peu moins de 2000 watts.

Une puissance qui, selon l’équipe en charge du projet Aquila, valide ses simulations aérodynamiques et ses choix techniques pour le système de propulsion.

Aquila devrait servir à fournir une connexion internet dans les zones reculées du monde, les ingénieurs de Facebook espèrent faire voler ce type d’avion pendant plusieurs mois sans aucun ravitaillement, grâce à une très faible consommation d’énergie, l’équivalent de trois sèche-cheveux.

Les drones miniatures :

La course à la miniaturisation n’a de cesse d’augmenter, la catégorie des drones miniatures recouvre globalement tous les drones dont l’envergure est inférieure à 50 centimètres, on parle dans ce cas des mini-drones.

Le drone miniature (nano drone UAV)
Figure 1.5 : Le drone miniature (nano drone UAV).

Ils sont généralement peu autonomes, mais qui jouent souvent le rôle de jumelles déportées, par exemple pour observer au-dessus d’un obstacle ou dans une zone à risque.

Les micro-drones dont les dimensions sont inférieurs à 15 cm, pèsent environ 50 grammes avec une vitesse de croisière de l’ordre de 50 Km/h et un rayon d’action d’une dizaine de kilomètres. Ces micro-drones sont dédiés à la transmission d’images, de jour comme de nuit.

Les missions envisagées sont par exemples l’évaluation de dommages ou l’observation d’une cible fixe…etc.

Le robot animal volant « BAT BOT B2 » :

En 2016, une équipe nord-américaine a développé un drone qui imite avec précision le vol de la chauve-souris.

Une avance qui devrait aider à étudier étroitement que possible le formidable système musculo- squelettique de cet animal, mais aussi à concevoir des robots volants plus sûrs et efficaces. Reproduire la cinématique des ailes d’un oiseau en robotique est un défi technique complexe.

Mais ils ont simplement présenté la dernière version de leur drone appelé « Bat Bot B2 », Figure 1.6.

Robot chauve-souris volante « BAT BOT B2 »
Figure 1.6 : Robot chauve-souris volante « BAT BOT B2 ».

Il pèse seulement 93 grammes pour 47 centimètres d’envergure, « Le Bat Bot » est contrôlé par des moteurs miniatures logés dans la colonne vertébrale, les ailes sont recouvertes d’une membrane en silicone de 56 microns d’épaisseur spécialement développée et qui reproduit l’élasticité naturelle des ailes des chauves-souris.

Les chercheurs disent avoir identifié cinq mouvements dominants dans l’aile battant de la chauve- souris qu’ils ont mis en œuvre pour reproduire environ 57% de la cinématique originale.

Au cours des essais, le Bat Bot B2 a volé à environ trente mètres, fait des virages inclinés et plonge. Tant de mouvements supposés reproduire en partie les techniques de chasse d’une chauve-souris.

Le but principal de ce drone est de servir à étudier plus précisément le vol de la chauve-souris.

Les concepteurs du « Bat Bot » ajoutent que cette configuration offrirait également une meilleure sécurité que les drones quadri rotors dans des environnements où il y a risque de collision avec des personnes ou des objets.

Le développement du « Bat Bot » continuera, dans le but notamment de reproduire la capacité des chauves-souris à se percher verticalement vers le bas.

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