De quoi sont faits les drones ?

Principaux matériaux utilisés dans les drones :

• Composites renforcés de fibres de carbone (CRFC)
• Thermoplastiques tels que polyester, nylon, polystyrène, etc.
• Aluminium
• Batteries lithium-ion

Il semble que c'était hier que les drones étaient des nouveautés, des prototypes construits par des entreprises et des amateurs entreprenants. Il semble maintenant que les drones ont conquis le monde. Ils sont partout, servant des rôles dans l'industrie, l'art et même comme jouets pour enfants . Les gens oublient souvent que ces petites machines volantes n'est devenu courant que récemment. Les drones en sont encore à leurs balbutiements, et à mesure que les technologies des matériaux et des microcontrôleurs s'améliorent, les drones du futur évolueront d'une manière qui pourrait ressembler presque à de la science-fiction .

En examinant la façon dont les drones sont conçus et les matériaux dont ils sont faits , nous pouvons comprendre comment cette technologie importante s'est développée et avoir une idée de la façon dont elle pourrait progresser dans un avenir proche.

Les véhicules aériens sans pilote (UAV) remplacent rapidement les méthodes traditionnelles de surveillance terrestre. Ils gagnent en popularité si rapidement que certains ont même abandonné l'expression classique "vue à vol d'oiseau" par "vue à vol d'oiseau".

Alors, que sont les drones ? Comment sont-ils conçus ? Et qu'est-ce qui pousse leur poussée à devenir une technologie répandue ?

Découvrons.

Que sont les drones ?

Pour la plupart des gens, un "drone" est un type spécifique de véhicule aérien sans pilote (UAV) :le multirotor ou multicopter. Comme leur nom l'indique, ces machines volent en dirigant la poussée vers le bas à partir de deux ou plusieurs hélices motorisées .

Les modèles grand public les plus populaires sont les quadcoptères (4 rotors), mais les variantes commerciales incluent des hexacoptères (6 rotors) et octocoptères (8 rotors) pour fournir une plus grande portance. Bien qu'il existe une grande variété de drones militaires et civils là-bas, nous nous concentrerons sur les drones multirotors courants et les matériaux dont ils sont faits.

Pour voler, les drones doivent pouvoir générer suffisamment de poussée vers le haut pour surmonter leur propre poids, de sorte que la sélection des matériaux dans un drone est dominée par la minimisation de la masse du drone .

Chaque gramme de matériau utilisé pour fabriquer un drone coûte de l'énergie à soulever, et chaque gramme économisé améliore les performances :

• Capacité de chargement accrue
• Temps de vol prolongé
• Inertie réduite et maniabilité améliorée

Ce processus de sélection des matériaux et de conception des composants pour minimiser la masse est appelé "léger ”. Cela nous donne les critères de sélection des propriétés des matériaux les plus importants :minimisation de la masse en sélectionnant des matériaux à faible densité .

Répartition partie par partie

Les drones sont des appareils complexes composés de différents composants travailler ensemble. Chaque composant remplit une fonction différente , donc différentes considérations entrent en jeu lors de la sélection des matériaux pour chaque pièce . Cependant, pour chaque pièce d'un drone, la densité du matériau doit être prise en compte pour minimiser le poids et maximiser les performances .

Le cadre :tout tenir ensemble

Le cadre donne sa forme à un drone et maintient tous les sous-systèmes en place . Parce qu'il remplit une fonction mécanique, la propriété matérielle la plus importante pour le cadre est la résistance . Pour les drones commerciaux, les thermoplastiques tels que les variantes de nylon, de polyester et de polystyrène sont des choix populaires car ils sont peu coûteux à transformer en pièces complexes en utilisant des procédés de moulage par injection .

Les thermoplastiques offrent également une bonne résistance et une faible densité , avec plusieurs variétés ayant des résistances à la traction supérieures à 100 MPa et des densités inférieures à 2 g/cm3. De nombreux thermoplastiques sont également disponibles en filaments qui peuvent être utilisés pour imprimer des pièces personnalisées en 3D , faisant des thermoplastiques un composant populaire des drones expérimentaux.

Alors que les drones commerciaux peuvent sacrifier un peu de poids supplémentaire pour être plus abordables, les drones industriels prioriser les performances . Un matériau hautement résistant peut être utilisé en plus petites quantités, ce qui en fait un drone encore plus léger et plus performant.

Si nous utilisons une recherche Matmatch pour trouver les matériaux à la densité la plus faible et à la résistance la plus élevée, nous trouvons le meilleur choix pour les cadres de drones hautes performances :composites renforcés de fibres de carbone . Ces composites offrent une résistance élevée, une faible densité et une rigidité élevée pour fabriquer des cadres de drones légers et rigides.

Moteurs et hélices :décollage

Sans source de poussée, un drone ne décollerait jamais. Les moteurs qui entraînent les drones sont des moteurs électriques conventionnels avec bobinages en cuivre et aimants permanents . Le boîtier des moteurs peut être choisi pour minimiser le poids, et les thermoplastiques ou les alliages d'aluminium présentent de bons rapports résistance/poids.

Cependant, les moteurs peuvent générer une chaleur importante. Ainsi, les matériaux à haute conductivité thermique, comme l'aluminium , peut être utilisé pour le boîtier pour aider à refroidir le moteur.

Le marché mondial des drones non militaires, dominé par les fabricants en Chine, va tripler de taille pour atteindre 14,3 milliards de dollars de ventes au cours de la prochaine décennie. (Reuters)

Les pales de rotor des drones tournent à grande vitesse, ils ont donc tendance à absorber le plus d'usure lorsqu'un drone vole (ou plantages). Tout comme les matériaux du cadre, choisir un matériau optimal pour les pales de rotor est une question de maximiser la force tout en minimisant le poids.

Certaines pales de rotor sont fabriquées à partir de composites renforcés de fibres de carbone . Cependant, les pales de rotor sont fréquemment endommagées et remplacées, tant d'entre elles sont en thermoplastique pour réduire le coût de remplacement quand ils se cassent.

Étant donné que les pales de rotor sont généralement endommagées lors d'impacts à grande vitesse lors de la rotation, un ingénieur cherchant à concevoir une pale de rotor durable pourrait filtrer les matériaux en fonction de la résistance aux chocs et de la densité pour sélectionner un matériau approprié.

Batteries :le pouvoir de voler

De tous les composants d'un drone, les améliorations de la technologie des batteries pourrait être la percée la plus importante qui a rendu possible les drones multirotors modernes. De la même manière que les rapports résistance/poids sont pris en compte lors de la conception de composants mécaniques, les performances de la batterie peuvent être mesurées en termes de poids de la batterie .

Mesures telles que l'énergie spécifique (J/kg) et puissance spécifique (W/kg) décrivent la capacité d'une batterie à stocker et à libérer de l'énergie en termes de masse de la batterie .

Anciennes batteries plomb-acide et Ni-Cd pesait trop pour un drone qu'ils propulsaient pour voler longtemps, s'il pouvait se soulever du sol. Cependant, les batteries lithium-ion modernes offrent suffisamment d'énergie et de puissance dans un boîtier léger pour rendre possibles les drones multirotors d'aujourd'hui. Les futures avancées de la technologie des batteries et des condensateurs permettront des drones encore plus légers et plus performants.

Capteurs :le système nerveux du drone

Les drones multirotors sont engagés dans un acte d'équilibre délicat à chaque fois qu'ils volent . Si un moteur fournit trop de poussée, le drone s'inclinera ou même basculera. Tout comme la façon dont le corps humain utilise un réseau complexe de sens et de nerfs pour s'équilibrer lors de la marche, les drones multirotors utilisent un ensemble impressionnant de capteurs et de mécanismes de rétroaction pour rester en l'air .

La police et les forces de l'ordre utilisent des drones pour les enquêtes sur les lieux d'accidents de la circulation, la recherche de personnes disparues, la localisation de suspects, les opérations de sauvetage, la détection d'activités illégales ou d'opérations liées à la sécurité publique ou gênantes pour la population, la sécurisation des zones sensibles et les enquêtes sur les scènes de crime.

Les éléments les plus vitaux du "système nerveux" d'un drone sont ses capteurs d'inclinaison . Combinant un mélange de capteurs gyroscopiques et d'accéléromètres, les capteurs d'inclinaison sont liés à des boucles de rétroaction avec les moteurs du drone.

Un drone en vol fait constamment de petits ajustements à la poussée du moteur pour rester à niveau, ce qui lui permet de se remettre des courants d'air et des manœuvres extrêmes. Certains drones avancés peut également incliner chaque rotor indépendamment , permettant au drone de contrôler à la fois la direction et la force de la poussée qu'il reçoit de chaque rotor.

Les drones peuvent également utiliser une variété d'autres capteurs surveiller leurs systèmes internes et le monde qui les entoure. Capteurs de courant et de tension aider le drone à suivre l'énergie tirée de ses réserves de puissance , aidant son pilote à savoir quand il est temps d'atterrir et de se recharger.

GPS et capteurs magnétiques aide à la navigation en mesurant la position et l'orientation du drone. Capteurs de débit d'air permettent aux drones de détecter leur vitesse ou les courants de vent, et ces informations peuvent être réinjectées dans ses circuits d'équilibrage pour rendre le vol du drone encore plus stable.

Microcontrôleurs et caméras :des drones plus intelligents

Les mêmes avancées dans la technologie des micropuces qui a créé le smartphone moderne permet aux drones d'être des ordinateurs volants . Beaucoup des mêmes puces que l'on trouve dans les smartphones (Intel, Nvidia, Qualcomm, Arm, etc.) apparaissent également dans les drones.

À mesure que les drones deviennent plus intelligents, ils deviennent capables d'entreprendre des tâches plus sophistiquées avec moins de contrôle humain . À l'heure actuelle, cela signifie que les drones peuvent suivre des trajectoires prédéterminées sans pilote humain ou enregistrer des mesures à partir d'un éventail encore plus large de capteurs. Mais les chercheurs apprennent à programmer des drones pour effectuer des tâches de plus en plus complexes sans aide humaine.

Pour la plupart des gens, le but des drones est de porter une caméra à des hauteurs qu'un humain ne pourrait pas atteindre autrement . Même les drones grand public de base sont équipés d'une caméra qui diffuse la vidéo vers un smartphone ou enregistre des images dans la mémoire.

Les studios de cinéma utilisent des drones haut de gamme pour tourner leurs films à gros budget. Cependant, les progrès dans le domaine de la «vision par ordinateur» font des caméras plus qu'une simple charge utile ou une aide pour les pilotes humains. Les drones du futur utiliseront des caméras pour voir le monde qui les entoure et utiliser ces informations pour se piloter.

Les drones sont de plus en plus capables de voler sans l'aide d'un pilote humain ou même le GPS pour naviguer , et cela donne naissance à une nouvelle capacité puissante :les drones travaillent ensemble. Les essaims de drones étaient auparavant composés d'équipes de drones utilisant le GPS et communiquant avec un contrôleur central pour déterminer où chaque individu s'intègre dans le groupe.

Cependant, des recherches de pointe ont produit des drones qui utilisent leurs propres capteurs embarqués, et même leurs caméras, pour reconnaître d'autres drones et voler en formation . Bientôt, il deviendra peut-être courant de voir des équipes de drones autonomes agir comme sauveteurs , prendre soin des cultures , ou voler dans des formations de recherche pour aider les efforts de secours en cas de catastrophe .

Technologie à impact mondial

Les drones semblent être partout maintenant. Ils tournent des films, jouent dans des films, aident à vendre des biens immobiliers, diffusent des événements sportifs, créent de nouveaux sports, travaillent dans des fermes et des usines, chassent d'autres drones, et bientôt ils livreront peut-être des colis . À mesure que les matériaux, l'IA et les microcontrôleurs s'améliorent, les drones continueront de révolutionner un large éventail d'industries .

L'avenir des drones

Les drones deviennent de plus en plus populaires de jour en jour et révolutionnent la façon dont le monde fonctionne et joue. Les matériaux utilisés dans les drones sont sélectionnés pour améliorer les performances avec des cadres à haute résistance et des capacités de batterie élevées tout en minimisant le poids.

Minimiser le poids des drones maximise leurs performances , qu'il s'agisse de rendre un drone de cinéma capable d'effectuer des tournages plus longs ou de rendre un drone de course encore plus maniable. Les drones deviennent également de plus en plus intelligents et il ne faudra peut-être pas longtemps avant que les drones autonomes fassent partie intégrante de la vie quotidienne.