Les actionneurs de l'aéronef

V.2. Le système de commande et de visualisation...100

V.2.1. Carte d'entrée/sortie munie d'un DSP et environnement logiciel...100 V.2.2. Les capteurs pour la visualisation...101 V.2.3. La topologie du câblage et des alimentations du banc d'essai en vol. .103

V.3. Asservissement de la vitesse de rotation du rotor de l'aéronef. .104

V.3.1. Identification de la fonction de transfert de vitesse rotor...105 V.3.2. Fonction de transfert du capteur de vitesse rotor...106 V.3.3. Synthèse du correcteur de vitesse rotor...106 V.3.4. Performances de l'asservissement de vitesse rotor...107

V.4. Le bras tournant pantographique...109

V.4.1. Fonction de transfert d'élévation associée à un aéronef libre à voilure tournante...110 V.4.2. Influence des forces d'inertie sur l'aéronef...111 V.4.3. Analyse de la stabilité des points d'équilibre de l'aéronef...113

V.5. Modélisation par fonction de transfert du système aéronef...116

V.5.1. Modélisation et identification du transfert d'élévation...116 V.5.2. Modélisation et identification de la fonction de transfert de déplacement ...119 V.5.3. Système aéronef simplifié...120

V.6. L'environnement (contrastes, relief et vent)...121

V.6.1. Les contrastes au sol...121 V.6.2. Le relief...121 V.6.3. Le vent...122

Chapitre V. Banc d'essai en vol 97

Pour valider le principe de la boucle OCTAVE, nous avons utilisé un banc d'essai en vol qui réduit le nombre de degrés de liberté, pour diminuer la complexité du système et pour travailler en toute sécurité.

Ce chapitre présente les caractéristiques de ce banc de test (environnement expérimental, mécanique et électronique) et sa modélisation sous forme de fonctions de transfert, tel qu'il sera utilisé pour la mise en œuvre de la boucle visuomotrice.

Figure V.1 Le banc d'essai en vol est composé d’un bras tournant pantographique léger (construit en

carbone/aramide). Celui-ci supporte le robot, qui survole un disque imprimé plastifié mat (diamètre extérieur de 4,5m), dont les secteurs ont une largeur et un contraste aléatoires.

A l’extrémité du bras, le mini-robot aérien est monté sur l’axe d’un servomoteur dit « de tangage », qui permet à l’expérimentateur de fixer l'angle de tangage donc la valeur finale de la vitesse sol vx du robot. Le robot présente ainsi un nombre de degrés de liberté délibérément réduit à trois : le déplacement, l'élévation et le tangage (x, z, Θ) (Figure V.1).

Dans un premier temps, un circuit DEM FPAA (cf. chapitre IV) a permis de traiter au sol les signaux visuels captés à bord de l'aéronef. Dans un second temps, le circuit DEM mixte (cf. chapitre IV) a été installé à bord de l'aéronef, au plus près des photorécepteurs.

Chapitre V. Banc d'essai en vol 98

V.1. Le micro-aéronef

Pour mettre en pratique le principe de guidage par flux optique (décrit au chapitre III), nous avons construit un appareil d'environ 100g comprenant un rotor, une électronique de commande et un œil électronique (Figure V.2). Ce micro-aéronef utilise l'ensemble propulsif (moteur + réducteur) d'un petit hélicoptère radio-commandé d'origine japonaise (Keyence). Pour faciliter l'expérimentation, nous avons ajouté un train d'atterrissage dont les roues se situent à une distance l=0.30m au-dessous de l'œil. Les altitudes portées sur les trajectoires, notamment celles du chapitre VII, correspondent à z-l, c'est-à-dire à l'altitude du train d'atterrissage.

Figure V.2 La vitesse de rotation du rotor est mesurée par un capteur optronique de bord et asservie au sol. Un

micro-servo (masse : 2,5 grammes) réalise automatiquement une contre-rotation de l’œil qui contrecarre le tangage imposé à l'appareil, de sorte que l'axe de visée moyen de l'œil est maintenu autour de la verticale (Φ = 90°).

V.1.1. Les actionneurs de l'aéronef

• Le groupe de propulsion produit la poussée de l'aéronef. La poussée FN dépend directement, et de façon monotone et croissante, de la vitesse de rotation du rotor :

Équation V.1

Avec : ρ, masse volumique de l'air ; CN, coefficient de portance ; R, rayon du rotor et NRotor, vitesse de rotation du rotor.

2 3 2 2 1       _{⋅ ⋅} ⋅ ⋅ = _{N Rotor} N C R N F ρ

Chapitre V. Banc d'essai en vol 99

Ainsi, couplé à une commande de tangage, ce groupe de propulsion assure à la fois la sustentation et la propulsion en avant de l'aéronef.

Cet ensemble est composé de: i. Un rotor bipale de 5 grammes, ii. Un réducteur 15:1,

iii.Un moteur DC Mabuchi dont nous commandons la vitesse de rotation en Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI) et dont les caractéristiques sont les suivantes :

Masse du moteur 32 g

Consommation maximale du moteur (moteur bloqué) 2,2 A Tension d'alimentation du moteur 7,2 V

Dimensions du moteur 35 × 20 × 15 mm

Type de signal de commande du moteur Variation de largeur d'impulsions à 6,26 KHz Diamètre de l'hélice 30cm

Masse du groupe de propulsion avec son support et le

réducteur ^{50 g}

Consommation nominale du groupe de propulsion en

charge ^1,5A

Tableau V.1 Caractéristiques du groupe de propulsion produisant la poussée de l'aéronef

• Un servomoteur installé au bout du bras pantographique commande le tangage de l'aéronef. Ses caractéristiques sont les suivantes :

Masse 18 g

Consommation maximale / moteur bloqué 500 mA

Tension d'alimentation 5 V

Dimensions 28 × 13 × 30 mm

Temps de montée pour 10° 0,04 s

Couple de sortie 0,31 N.m

Type de signal de commande Variation de largeur d'impulsions entre 1 et 2ms à 50Hz

Chapitre V. Banc d'essai en vol 100

• Un micro-servomoteur linéaire monté à bord du robot actionne l'orientation de l'œil de manière à maintenir verticale sa ligne de visée moyenne quel que soit le tangage imposé à l'appareil :

Masse 2,4 g

Consommation maximale 100 mA

Tension d'alimentation 5 V

Dimensions 21 × 13 × 9 mm

Temps de montée pour la pleine course 0,2 s

Force de sortie 1,75 N

Type de signal de commande Variation de largeur d'impulsions entre 1 et 2ms à 50Hz

Tableau V.3 Caractéristiques du Servo-moteur (WES-Technik) commandant la contre-rotation de l'œil pour

maintenir sa direction de visée verticale vers le bas.