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WO2025233285A1 - Vehicule propulse omnidirectionnel comportant une unite de controle de lzorientation des propulseurs - Google Patents

Vehicule propulse omnidirectionnel comportant une unite de controle de lzorientation des propulseurs

Info

Publication number
WO2025233285A1
WO2025233285A1 PCT/EP2025/062230 EP2025062230W WO2025233285A1 WO 2025233285 A1 WO2025233285 A1 WO 2025233285A1 EP 2025062230 W EP2025062230 W EP 2025062230W WO 2025233285 A1 WO2025233285 A1 WO 2025233285A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
vehicle
control unit
propulsion
rotation
thruster
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2025/062230
Other languages
English (en)
Inventor
Hugo MAYOUNOVE
Clément PICAUD
Gabriel NICOLAS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aerix Systems
Original Assignee
Aerix Systems
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aerix Systems filed Critical Aerix Systems
Publication of WO2025233285A1 publication Critical patent/WO2025233285A1/fr
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/40—Control within particular dimensions
    • G05D1/49—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch or yaw
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/10—Propulsion
    • B64U50/18—Thrust vectoring
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D2109/00—Types of controlled vehicles
    • G05D2109/20—Aircraft, e.g. drones
    • G05D2109/25—Rotorcrafts
    • G05D2109/254—Flying platforms, e.g. multicopters

Definitions

  • the invention relates to the field of powered vehicles, in particular remotely piloted aerial vehicles, or drones. More specifically, the invention relates to a powered vehicle comprising a control unit for the spatial orientation of the thrusters.
  • a remotely piloted aerial vehicle also called a UAV (Unmanned Aerial Vehicle) or drone
  • UAV Unmanned Aerial Vehicle
  • each propulsion unit can be equipped with an electrically controlled speed controller, for example via a joystick operated by a user.
  • the direction of the drone can thus be controlled by increasing the rotational speed of the propellers of some propulsion units and/or decreasing the rotational speed of the propellers of other propulsion units.
  • each thruster mounts on the chassis in a rotating manner along two orthogonal axes of rotation in order to control the azimuthal angle of each thruster, that is, its orientation in an azimuthal plane defined by the vehicle's pitch and roll axes, and its angle of elevation relative to this azimuthal plane.
  • Each thruster can thus exert thrust in a direction defined by the thruster's angle of rotation about each of these axes of rotation.
  • This type of omnidirectionally propelled vehicle can then adopt any navigation behavior, whether stationary or cruising, and to this end perform any translational or rotational movement from any inclination in space, through changes in the thruster inclination about these axes of rotation and/or differentials in rotational speed between the thrusters.
  • the invention relates to a propelled vehicle comprising: a. a chassis; b. at least two propellers mounted on the chassis, each propeller being mounted movably in rotation on the chassis about two orthogonal axes of rotation and each propeller being capable of exerting a thrust in a direction defined by the angle of rotation of the propeller about each of these axes of rotation; c. at least two motor systems each associated with one of the propellers and capable of driving a rotation of said propeller about one and/or the other of said axes of rotation; d. a motor systems control unit.
  • the vehicle according to the invention is characterized in that, upon receiving a navigation instruction, the control unit is configured to determine, from the navigation instruction, a propulsion vector for each of the thrusters comprising a first component, called a force component, generating a thrust corresponding to a force setpoint of the navigation instruction, a second component, called a moment component, generating a thrust corresponding to a moment setpoint of the navigation instruction, and a third component, a propulsion offset component, the value of which depends on the vehicle's attitude; the control unit being arranged to control the engine systems associated with each thruster according to the propulsion vector determined for that thruster.
  • a propulsion vector for each of the thrusters comprising a first component, called a force component, generating a thrust corresponding to a force setpoint of the navigation instruction, a second component, called a moment component, generating a thrust corresponding to a moment setpoint of the navigation instruction, and a third component, a propulsion offset component, the value of which depends on the vehicle's attitude;
  • the invention thus proposes to define a control law enabling the determination of a propulsion vector for each thruster by simultaneously defining components corresponding respectively to a vehicle propulsion force setpoint and a vehicle torque setpoint.
  • the position of the rotation angles of each thruster about its own axes of rotation, as well as the propulsion force, can then be calculated from this propulsion vector so that the vehicle responds to the overall setpoint provided to it.
  • the propulsion vector is determined from a third component corresponding to a propulsion offset, which ensures vehicle stability or prevents the propulsion orientation of each thruster from shifting around a singular point.
  • this third component shifts the propulsion when one or more thrusters approach a 90° orientation pole, for example, to bypass this pole.
  • This offset thus increases the responsiveness of the thruster, and therefore of the vehicle.
  • the term "navigation instruction” means a command or set of commands programmed, calculated, or transmitted to the control unit of a powered vehicle to control its navigation.
  • These instructions may directly include a geographical position to be reached, a heading or trajectory to be followed, an altitude to be reached, a speed to be reached, and may be interpreted by the control unit as force or translational and moment or rotational commands. Alternatively, they may directly include force and moment commands in the form of a force vector and a moment vector.
  • These navigation instructions may be either stationary navigation instructions, without force and moment commands, or cruise navigation instructions, incorporating force and/or moment commands.
  • the navigation instructions may be transmitted from a remote unit or a remote operator of the vehicle or, alternatively, be automatically determined by the control unit within the framework of autonomous or servo-controlled navigation.
  • propulsion vector means a vector oriented with respect to the roll, pitch, and yaw axes of the vehicle, defined with respect to the vehicle chassis.
  • Each component of a propulsion vector can thus take the form of a vector whose coordinates along said axes are determined by the control unit from the navigation instruction, and according to the instructions contained in this instruction, and where appropriate from the vehicle's attitude, for example determined along one or more of these axes.
  • the control unit may be provided that each component of a propulsion vector is determined independently of the other components of that propulsion vector, or even of the other instructions from the other thrusters, for example, based on one or more predetermined flight control laws.
  • the first force components of all the propulsion vectors may be determined by the control unit such that their combination alone generates a thrust corresponding to the force instruction setpoint of the navigation instruction.
  • the second moment components of all the propulsion vectors may be determined by the control unit such that their combination alone generates a thrust corresponding to the moment instruction setpoint of the navigation instruction.
  • control unit means one or more electronic and/or computer devices designed to determine, alone or together, in an analog and/or digital manner, the components of the propulsion vector based on the navigation instructions and the vehicle's attitude around one or more of its roll, pitch, and yaw axes.
  • the control unit can determine these components as the navigation instructions and the vehicle's tilt change as received by the control unit.
  • the control unit may be equipped with one or more processors, arranged to execute instructions from one or more computer programs in order to implement calculation or processing steps to determine these components. These steps may be implemented centrally by a single processing unit or distributed across several processing units. It may also be possible to foresee that all or part of these steps are implemented by a processing unit embedded in the vehicle and/or by a processing unit remote from the vehicle with which it can exchange data via wireless communication means.
  • control unit may be arranged to control each motor system from the propulsion vector determined for the propellant associated with that motor system to orient the propellant so that the thrust of the propellant is directed in the same direction and sense as said propellant vector.
  • the powered vehicle comprises four propulsion units and four engine systems, each associated with one of the propulsion units, said propulsion units being distributed around the perimeter of the chassis, particularly at the four corners.
  • the chassis can take any parallelepiped shape with an even number of edges on which the thrusters are mounted. Other configurations and shapes of the chassis or distributions of the thrusters on the chassis may be considered without departing from the scope of the present invention.
  • the propelled vehicle comprises, for each propeller, a first shaft, rotatably mounted on the chassis about a first axis of rotation, and a second shaft rotatably mounted on the first shaft about a second axis of rotation orthogonal to the first axis of rotation, the second shaft supporting said propeller of said propelled vehicle.
  • each drive system comprises a first device for rotating the first shaft about said first axis of rotation and a second device for rotating the second shaft about said second axis of rotation.
  • the first shaft allows control of the azimuthal angle of the associated propeller, that is to say, its orientation in an azimuthal plane defined by the pitch and roll axes of the vehicle, and that the second shaft allows control of the elevation angle of the propeller relative to this azimuthal plane. It is therefore possible to control the direction of the thrust so that it can take any configuration, thus allowing complete maneuverability of the vehicle.
  • the first shaft allows a rotation of the thruster around the first axis of rotation at any angle between 0 and 360°, in order to allow an orientation of the thruster at any angle
  • the second shaft allows a rotation of the thruster around the second axis of rotation at any angle between 0 and 360°, in order to be able to tilt the thrust at any angle.
  • the second shaft can be mounted on the first shaft so that the second axis of rotation is substantially orthogonal to the first axis of rotation.
  • the second shaft can be supported at two distinct points on the first shaft, said points defining the second axis of rotation, and the second drive device can be housed in the first shaft, at one of these support points of the second shaft on the first shaft.
  • the first shaft can be supported at two distinct points on the chassis, said points defining the first axis of rotation, and the first drive device can be housed in the chassis, at one of these support points of the first shaft on the chassis.
  • the first shaft may comprise a frame including two diametrically opposed pivots, each mounted pivotally in a recess in the chassis, said recesses facing each other.
  • the frame may be substantially circular, oval, elliptical, conical or oblong in shape.
  • the first shaft comprises a crown of the shape of revolution around the first axis of rotation.
  • first and second drive devices of each motor system comprise a motor equipped with a rotating shaft around the first and respectively the second axis of rotation; and the first and second shafts each comprise a transmission element mechanically connected to the rotating shaft of the associated motor so that a rotation of the motor shaft is transmitted to said shaft.
  • the second shaft may include a central piece supporting the thruster and two rods extending, along the second axis of rotation, on either side from the central piece to a support point of the second shaft on the first shaft.
  • the propulsion unit comprises propellers driven by a motor rotating around a third axis of rotation perpendicular to the second axis of rotation.
  • the second shaft can support two thrusters mounted on either side of the second shaft, each thruster being equipped with propellers, the propellers of the thrusters being counter-rotating.
  • the use of counter-rotating propellers makes it possible to eliminate gyroscopic effects of the propelled vehicle.
  • the propulsion system may be provided for as a bladed or propeller propulsion system, a reaction turbine, and more generally any type of propulsion system whose orientation can be controlled by rotating it and which requires an electrical supply, in particular equipped with a rotor and a stator.
  • control unit of the propelled vehicle may be able to exchange data with one or more sensors of the propulsion unit, such as an inertial measurement unit, and/or with a speed controller of one or more motors of the propulsion unit.
  • the propelled vehicle may include a vehicle attitude sensor relative to a given reference frame, in particular vehicle roll, pitch and yaw sensors, for example assembled in an inertial measurement unit on board the vehicle.
  • a vehicle attitude sensor relative to a given reference frame, in particular vehicle roll, pitch and yaw sensors, for example assembled in an inertial measurement unit on board the vehicle.
  • control unit is arranged to determine the first force component of the propulsion vector of each thruster as a fraction of said force setpoint.
  • the first force components of the propulsion vectors are thus oriented in the same direction and are advantageously identical to each other. It should be noted that in the absence of a force command, the first force components are thousands, each propulsion vector being solely composed of a moment component and/or a propulsion offset component.
  • control unit may be arranged to determine each first force component as a fraction of the force setpoint by the number of vehicle thrusters.
  • the control unit when the navigation instruction received by the control unit incorporates a roll and/or pitch moment command, the control unit is configured to determine the second moment components of the propulsion vectors of each of the thrusters such that the second moment components are in the same direction for thrusters located on the same side of the vehicle with respect to a roll and/or pitch axis of the vehicle, and such that the second moment components are in opposite directions for thrusters located on opposite sides of the vehicle with respect to said roll and/or pitch axis.
  • the second components thus generate a torque causing the vehicle to rotate around its roll and/or pitch axes, in accordance with the moment command.
  • the second moment components are thousand, each propulsion vector being composed solely of a force component and/or a propulsion shift component.
  • control unit may be arranged to determine the second moment components of the propulsion vectors so that they are parallel to the yaw axis of the vehicle, and that they have the same magnitude, determined from the roll and/or pitch moment setpoint and the dimensions of the vehicle according to its roll and pitch axes.
  • the control unit when the navigation instruction received by the control unit incorporates a yaw moment command, the control unit is configured to determine the second moment components of the propulsion vectors of each of the thrusters such that the second moment components are in opposite directions for thrusters located on opposite corners of the vehicle. These second components thus generate a torque causing the vehicle to rotate around its yaw axis, in accordance with the moment command.
  • this type of control Compared to a torque created by differentials in rotational speed between the thrusters, this type of control generates only a torque around the yaw axis, without torque around the pitch and/or roll axes. This control can, however, be supplemented by variations in the rotational speed of the thrusters.
  • control unit may be arranged to determine the second moment components of the propulsion vectors so that they are parallel to each other and have the same magnitude, determined from the yaw moment setpoint and the vehicle dimensions along its roll and pitch axes.
  • each moment component may be oriented to be coplanar with a plane of chassis extension.
  • control unit is arranged to determine the second moment component of the propulsion vector of each propulsion unit as a function of a torque distribution coefficient between the roll and pitch axes and whose value is determined by the control unit from the vehicle's attitude, this value approaching zero as the roll, pitch and/or yaw of the vehicle approaches a given singular value, in particular +90° or -90°.
  • the control unit can thus manage the distribution of each second component between the roll and pitch axes of the vehicle as a function of the vehicle's pitch, in particular to decrease the value of the coordinate of the second component along the vehicle's pitch axis when the pitch becomes too great.
  • the greater the pitch the less desirable it is for the propulsion to be oriented along the pitch axis, because this orientation can oppose the third components of propulsion offsets and cause the thruster to be oriented at a 90° angle, particularly in the case of an excessively high moment command.
  • control unit is arranged to determine the value of the distribution coefficient from a predetermined function giving a value of 0.5 for zero pitch of the vehicle and a zero value for a pitch of 90°.
  • the control unit is arranged to determine a so-called permanent subcomponent of the third propulsion offset component of the propulsion vector of each thruster, this permanent subcomponent alone generating thrust in a direction not orthogonal to a plane of extension of the chassis during hovering.
  • the first and second components of each propulsion vector are directed only along a vertical axis, and the control unit is thus arranged to control each engine system so as to orient each thruster to exert thrust oriented according to the third component, namely in a direction not orthogonal to the plane of extension of the chassis.
  • thruster orientations thus define offsets, which allow the orientation of the propulsion forces to be directed outwards or inwards from the vehicle, which, when the thrusts are directed outwards, increases the stability of the vehicle and creates a restoring moment that returns the vehicle to its stationary position if an external event forces it to move away from this position, and when the thrusts are directed inwards from the vehicle, generates instability which may be desirable for certain applications requiring high maneuverability.
  • control unit can be arranged to determine each permanent sub-component so that it is coplanar with the extension plane of the vehicle chassis, in particular by being oriented at a non-zero angle, for example of 12°, with respect to the roll axis of the vehicle.
  • control unit is arranged to determine said permanent subcomponent using a first coefficient whose value is maximum as long as the vehicle roll is below a given first threshold value and whose value is minimum when the vehicle roll exceeds a given second threshold value, and a second coefficient whose value is maximum as long as the vehicle pitch is below a given third threshold value and whose value is minimum when the vehicle pitch exceeds a given fourth threshold value.
  • vehicle roll and pitch are determined by the control unit by projecting a setpoint in terms of gravity compensation force received or determined by the control unit onto the vehicle's roll and pitch axes.
  • the control unit can thus maintain a constant orientation of the permanent sub-component with respect to the roll and pitch axes as long as the roll and pitch of the vehicle remain below the first and third threshold values, respectively, which could be, for example, 60° each.
  • the control unit can minimize, and in particular cancel, the coordinate of the permanent sub-component along the vehicle's roll axis when the roll is too large, i.e., greater than the second threshold value, for example, 80°, and minimize, and in particular cancel, the coordinate of the permanent sub-component along the vehicle's pitch axis when the pitch is too large, i.e., greater than the fourth threshold value, for example, 80°.
  • This characteristic makes it possible to generate a propulsion shift, or offset, when the orientation of a thruster, particularly around the pitch axis, approaches a value of 90°, which then allows the thruster to bypass this pole smoothly and without losing responsiveness.
  • control unit is arranged to determine, from the vehicle's attitude, a so-called safety sub-component of the third propulsion offset component of the propulsion vector of each propulsion system, said sub-component offsetting said third propulsion offset component from a pitch and/or roll and/or yaw axis of the vehicle when the pitch, roll, and yaw of the vehicle exceeds a given threshold value.
  • This safety sub-component notably prevents a universal joint from locking when the vehicle's inclination along the pitch, roll, and/or yaw axis exceeds said given threshold value.
  • control unit can be arranged to determine each safety sub-component so that it is oriented only along the pitch axis of the vehicle.
  • control unit may be arranged to determine the value of the coefficient of this safety sub-component along the pitch axis of the vehicle from a function whose value is zero if the pitch is less than 65° and whose value increases as the pitch approaches 90°.
  • control unit is arranged to determine, for each thruster and based on the propulsion vector determined for said thruster, a pair of rotation angles about the two orthogonal rotation axes of said thruster, and to control the drive systems associated with said thruster to drive a rotation of said thruster about said rotation axes at said determined rotation angles.
  • control unit can thus determine the rotation angles of the first and second shafts associated with each thruster such that the thrust generated by this thruster oriented at these rotation angles is directed collinearly with the propulsion vector determined for this thruster.
  • control unit is arranged to determine, for each thruster and based on the propulsion vector determined for said thruster, two pairs of rotation angles about the two orthogonal rotation axes of said thruster, each pair defining the same direction oriented along said propulsion vector. If necessary, the control unit is arranged to select the pair of angles that minimizes a predetermined cost function with respect to the current orientation of the thruster. This cost function may be a minimum travel time function. Indeed, the same direction can be described by two pairs of angles, linked to each other by 180° rotations. In other words, from a given orientation, a thruster can reach another orientation by two distinct pairs of rotations.
  • the control unit may be arranged to calculate, for each pair of angles, the travel time from the current orientation to the orientation corresponding to that pair of angles, in particular from an elementary angular displacement model of the motor system and to select the pair of angles with the shortest travel time.
  • the propelled vehicle is an omnidirectional powered aerial drone.
  • the invention also relates to a propelled vehicle comprising: a. a chassis extending along an extension plane; b. at least two propellers mounted on the chassis, each propeller being mounted to rotate freely on the chassis about two orthogonal axes of rotation and each propeller being capable of exerting thrust in a direction defined by the angle of rotation of the propeller about each of these axes of rotation; c. at least two drive systems, each associated with one of the propellers and capable of driving a rotation of said propeller about one and/or the other of said axes of rotation; d.
  • control unit for the drive systems; characterized in that, upon receiving a navigation instruction, the control unit is arranged to determine, from the navigation instruction, a propulsion vector for each of the thrusters comprising a first component called force generating a thrust corresponding to a force setpoint of the navigation instruction, a second component called moment generating a thrust corresponding to a moment setpoint of the navigation instruction and a third component of propulsion offset generating by itself a thrust in a direction not orthogonal to the plane of extension of the chassis during stationary navigation; the control unit being arranged to control the motor systems associated with each thruster according to said propulsion vector determined for that thruster.
  • the invention further relates to a method of controlling a propulsion system of a vehicle propelled according to the invention, the method being implemented by a control unit of the propelled vehicle.
  • FIG.1 represents, schematically and partially, a perspective view of an omnidirectional drone according to one embodiment of the invention
  • FIG.2 represents, schematically and partially, a propulsion system of the drone of the
  • FIG.3 represents, schematically and partially, a method of controlling the thrusters of the omnidirectional drone of [Fig.1] according to an example of an embodiment of the invention
  • FIG.4 represents, schematically and partially, an example of a steering law according to propulsion vectors used in the process of [Fig.3];
  • FIG.5 represents, schematically and partially, an example of calculation, according to a force instruction, of the first components of the propulsion vectors of the [Fig.4];
  • FIG.6 represents, schematically and partially, an example of calculation, according to a first moment instruction, of the second components of the propulsion vectors of the [Fig.4];
  • FIG.7 represents, schematically and partially, an example of calculation, according to a second moment instruction, of the second components of the propulsion vectors of the [Fig.4];
  • FIG.8 represents, schematically and partially, a calculation law for a torque distribution coefficient used in the example of [Fig.7];
  • FIG.9 represents, schematically and partially, an example of calculation of sub-components of the third components of the propulsion vectors of the [Fig.4];
  • FIG.10 represents, schematically and partially, a calculation law for a coefficient used in the example of [Fig.9];
  • FIG.11 represents, schematically and partially, an example of calculating other sub-components of the third components of the propulsion vectors of [Fig.4];
  • FIG.12 represents, schematically and partially, an example of calculating the rotation angles of a drone propeller of [Fig.1] from a propulsion vector.
  • FIG. 1 shows a powered vehicle, in the form of an omnidirectional drone 1, according to a first embodiment of the invention.
  • the following description of the invention may be applied to other types of omnidirectional drones, for example, underwater drones (also called AUVs or "Autonomous Underwater Vehicles"), space drones (also called ASVs or “Autonomous Spatial Vehicles”), or other types of powered vehicles, which may or may not be remotely piloted, autonomous, semi-autonomous, or manually operated. like a car, a motorcycle, a truck, a bicycle, a train, a plane, a helicopter, a ship.
  • underwater drones also called AUVs or "Autonomous Underwater Vehicles”
  • space drones also called ASVs or "Autonomous Spatial Vehicles”
  • powered vehicles which may or may not be remotely piloted, autonomous, semi-autonomous, or manually operated.
  • a car a motorcycle, a truck, a bicycle, a train, a plane, a helicopter, a
  • the drone 1 comprises a chassis 2 on which four propellers 3 are mounted, distributed in the example described at the four corners of the chassis 2.
  • Each thruster 3 is mounted movably in rotation on the chassis 2 along two orthogonal axes of rotation a and [3].
  • Each thruster 3 can thus be capable of exerting a thrust in a direction defined by the angle of rotation of the thruster along each of these axes of rotation a and [3], the drone 1 thus benefiting from a particularly important maneuverability making it omnidirectional.
  • ⁇ p> will denote the roll of the drone 1, namely the angle of rotation of the drone 1 around the roll axis Xd with respect to a reference tilt
  • ⁇ 0> will denote the pitch of the drone 1, namely the angle of rotation of the drone 1 around the pitch axis Yd with respect to a reference tilt
  • the yaw of drone namely the angle of rotation of drone 1 around the yaw axis Z d relative to a reference tilt.
  • the drone 1 comprises, for each thruster 3, a first shaft 31, rotatably mounted on the chassis 2 about the first axis of rotation [3], and a second shaft 32 rotatably mounted on the first shaft 31 about the second axis of rotation a, the second shaft 32 supporting this thruster 3.
  • the first shaft 31 thus allows the thruster 3 to be rotated about the first axis of rotation [3], in particular through an angle between 0 and 360°, in order to allow the second axis of rotation a of the second shaft 32, and therefore the thrust of the thruster 3, to be oriented at any angle.
  • the second shaft 32 allows the thruster 3 to be rotated about the second axis of rotation a, in particular through an angle between 0 and 360°, in order to be able to tilt the thrust at any angle.
  • the azimuthal angle of a thruster 3 that is to say the orientation of the second shaft 32 caused by a rotation of the first shaft 31, and therefore the orientation of the thrust exerted by the thruster 3 in an azimuthal plane defined by the axes of X d and Y d of the drone 1 with respect to a reference orientation, and a, the angle of elevation of this thrust with respect to this azimuthal plane.
  • the first shaft 31 includes a ring of revolution shape about the first axis of rotation [3, mounted for rotation in one or more circular rings of the frame 3. The ring can thus rotate axially about its axis of revolution [3.
  • the first shaft 31 may be provided with means for guiding the rotation of the ring within the bushing, such as one of the following elements or a combination thereof: groove and rib, pad and bushing, ball or roller bearings and raceway.
  • the means for guiding the rotation may also be provided with electrically conductive means, so that the mechanical interaction of the guiding means with each other allows the electrical power developed by an electrical power source to be transmitted to the thruster 3 without requiring cables to generate the rotation of the first shaft 31.
  • the first shaft 31 may be provided to comprise a frame including two diametrically opposed pivots, each mounted pivotally in a recess in the chassis, said recesses facing each other.
  • the frame may be substantially circular, oval, elliptical, conical or oblong in shape.
  • the second shaft 32 is mounted on the first shaft 31 so that the second axis of rotation is substantially orthogonal to the first axis of rotation [3.
  • the second shaft 32 comprises a central piece supporting the thruster 3 and two rods extending, along the second axis of rotation a, on either side from the central piece to a support point of the second shaft 32 on the first shaft 31.
  • the second shaft 31 may include means for guiding rotation, for example of the sleeve and bearing type, which may optionally be electrically conductive.
  • the second shaft 32 supports two thrusters 3 mounted on either side of the second shaft 31, each thruster being equipped with propellers driven by a motor rotating about a third axis of rotation perpendicular to the second axis of rotation a.
  • the propellers of the thrusters 3 are counter-rotating, in order to eliminate gyroscopic effects of the drone 1.
  • each propulsion unit 3 may be provided for to be a bladed or propeller propulsion unit, a reaction turbine, and more generally any type of propulsion unit whose orientation can be controlled by rotating it and which requires an electrical supply, in particular equipped with a rotor and a stator.
  • each thruster 3 is associated with a drive system (not shown).
  • Each drive system thus comprises a first device for driving the rotation of the first shaft 31 around said first axis of rotation [3 and a second device for driving the rotation of the second shaft 32 around said second axis of rotation a.
  • the first drive system comprises a motor driving a pinion meshed with teeth formed on the outer circumference of the ring forming the first shaft 31 and that the second drive system comprises a motor housed in the first shaft 31, at one of these support points of the second shaft 32 on the first shaft 31 and driving a cylinder mounted on one or the other end of the second shaft 32.
  • the drone 1 includes a central control unit 4 capable in particular of controlling the thrust force generated by each thruster 3 by controlling the rotational speed of the propellers of this thruster 3 and capable of controlling the direction of the thrust generated by each thruster 3 by controlling the motor system associated with this thruster to rotate the first and second shafts 31 and 32 around the axes of rotation a and [3].
  • the central unit 4 is mounted in the drone 1. It is however conceivable that all or part of the control unit 4 is remote from the vehicle 1, both in this case being equipped with wireless communication means to be able to exchange data.
  • the control unit 4 receives navigation instructions transmitted from a remote unit or a remote operator of the vehicle. Alternatively, these instructions may be determined automatically by the control unit within the framework of autonomous or servo-controlled navigation.
  • control unit 4 is capable of determining the roll ⁇ p and the pitch 0 of the drone 1 by calculating the projection of a gravity compensation force setpoint, resulting from the regulation of the drone's propulsion, onto the roll and pitch axes of the drone.
  • the drone 1 includes various sensors for the attitude of the drone 1 relative to a given reference frame, including roll ⁇ p, pitch 0 and yaw sensors of the drone, for example gathered in an inertial measurement unit on board the vehicle.
  • the central control unit 4 thus receives navigation instructions and data acquired by these sensors and can therefore control the orientation of the thrusters 3 according to the piloting laws which will now be described, in connection with [Fig.3] to [Fig.12],
  • Fig. 3 represents a method of controlling the thrusters 3 of the drone 1 according to an example of an embodiment of the invention.
  • a step E1 the control unit 4 receives navigation instructions I N , comprising force commands F and moment commands Mx , My, and/or Mz , indicating rotation around the Xd , Yd, and Zd axes, respectively. These commands can be received in the form of a force vector and a moment vector. In the case where navigation is to be stationary, the force and moment commands will be miles.
  • control unit 4 receives information relating to roll ⁇ p, pitch 0 and yaw from the different sensors.
  • a step E3 during an update of the navigation instructions I N or of the information relating to roll ⁇ p, pitch 0 and yaw, the control unit 4 determines, from these instructions and information and the dimensions of the drone Li and L 2 along the axes X d and Y d , a propulsion vector T ; for each thruster 3.
  • Fig. 4 schematically represents the drone 1 of Fig. 1, each thruster 3 being arranged at a corner of the chassis 2.
  • the control unit thus determines a propulsion vector Ti at T4 for each of the thrusters 3.
  • each vector T is a vector oriented with respect to the roll axis Xd , pitch axis Yd, and yaw axis Zd of the drone 1.
  • the orientation of each vector T thus indicates the direction of the propulsion that the corresponding thruster 3 must exert, and therefore the azimuth angle [3 ; and the elevation angle a ; with respect to which this thruster 3 must be oriented.
  • the magnitude of each vector T furthermore indicates the intensity of the propulsion that the corresponding thruster 3 must exert, and therefore the rotational speed of the propellers of this thruster 3.
  • the control unit 4 determines for each thruster a first component called force T iF generating a thrust corresponding to the force setpoint F of the navigation instruction I N. Simultaneously, in a step E32, the control unit 4 determines a second component called moment T iM generating a thrust corresponding to the moment setpoint M x , My and/or M z of the navigation instruction I N.
  • step E33 the control unit 4 determines a third propulsion offset component Ti0 , or offset, the value of which depends on one or more of the roll ⁇ p, pitch 0, and yaw information of the drone 1.
  • This third component ensures the stability of the drone 1 and prevents the thrusters 3 from being oriented, individually and/or collectively, according to particular orientations, especially according to 90° orientation poles. or that the thrusts generated by two thrusters are directed towards each other.
  • a step E34 the control unit thus determines the propulsion vector by summing the components T iF , T iM and T i0 determined in steps E31 to E33:
  • steps E31 to E34 are carried out independently for each thruster 3 of the drone 1.
  • a step E4 the control unit 4 determines, for each thruster 3 and from the propulsion vector T ; determined for this thruster 3, a pair of rotation angles ⁇ ; and [3; such that the thrust generated by this thruster 3 oriented at these rotation angles is directed collinearly with said propulsion vector T ; .
  • the control unit 4 further determines, for each thruster 3 and from the propulsion vector T ; determined for this thruster 3, a rotation speed ⁇ ; of the propellers of this thruster such that the thrust force exerted by this thruster corresponds to the magnitude of the thrust vector T ; determined for this thruster 3.
  • the control unit 4 controls each drive system so that the associated second shaft 32 is oriented at the angle [3 ; and so that the thruster mounted on this second shaft is inclined at a ; .
  • the thrust of each thruster 3 is therefore directed in the same direction and sense as the thrust vector Tj determined for that thruster 3.
  • the control unit 4 controls the rotational speed of the propellers of each thruster 3 according to the speed oij.
  • the thrust of each thruster 3 thus corresponds to the magnitude of the thrust vector T ; determined for that thruster 3.
  • control unit determines each first force component T ⁇ sub>iF ⁇ /sub> as a fraction of the force setpoint by the number N of drone thrusters 3:
  • the first force components T ⁇ sub>iF ⁇ /sub> of the propulsion vectors T ⁇ sub>i ⁇ /sub> are all identical to each other and their combination alone generates a thrust corresponding to the force command F of the navigation instruction I ⁇ sub> N ⁇ /sub> . It should be noted that in the absence of a force command, these first components are miles.
  • control unit 4 determines the second moment components T iM of the propulsion vectors T ; of each of the thrusters 3 so that these second moment components are in the same direction for thrusters 3 arranged on the same side of the drone 1 with respect to its roll axis X d and so that the second moment components are in opposite directions for thrusters 3 arranged on opposite sides of the drone 1 with respect to its roll axis X d .
  • control unit 4 may, for example, determine the second moment components according to the following equations:
  • the second components T iM are oriented only along the yaw axis Z d of the drone, and have the same norm, determined from the moment setpoint M x and the half-width of the drone 1 measured along its pitch axis Y d .
  • an equivalent piloting law may be used to determine the second moment components T ; M by considering the pitch axis Y d instead of the roll axis X d and the half-length Li of the drone 1 along the roll axis X d rather than the half-width L 2 of the drone 1.
  • the second moment components T iM make it possible to generate a torque causing a roll ⁇ p and/or a pitch 0, in accordance with the moment setpoint M x and/or My .
  • the control unit 4 determines the second moment components T iM of the propulsion vectors T ; of each of the thrusters 3 so that these second moment components T iM are oriented to be all coplanar with the extension plane of the chassis 2 defined by the roll axis X d and the pitch axis Y d , being in opposite directions for thrusters 3 arranged on opposite corners of the vehicle.
  • the contribution along the yaw axis Z d of the second moment component T iM to the thrust exerted by the corresponding thruster 3 is therefore zero.
  • control unit 4 is arranged to distribute the torque generated by each thruster from the second component T ⁇ sub>iM ⁇ /sub> between the roll axis X ⁇ sub>d ⁇ /sub> and the pitch axis Y ⁇ sub>d ⁇ /sub> .
  • the control unit 4 determines the second moment component T ⁇ sub>iM ⁇ /sub> from the yaw setpoint M ⁇ sub> z ⁇ /sub>, the dimensions of the drone Li and L ⁇ sub>2 ⁇ /sub>, and as a function of a torque distribution coefficient ⁇ between the roll axis X ⁇ sub>d ⁇ /sub> and the
  • control unit 4 selects the value of the coefficient ⁇ as a function of the pitch 0 of the drone 1, according to a predetermined function, represented in [Fig.8].
  • This function gives a value of the coefficient ⁇ of 0.5 for a pitch angle of zero, indicating an identical distribution of torque between the Xd and Yd axes when the drone 1 is level, and a value of ⁇ of 0 for a pitch angle of 90°, indicating an identical distribution of torque only along the roll axis Xd when the drone 1 is vertical
  • the control unit 4 can thus control the distribution of each second component T iM in order to reduce the contribution of this second component along the pitch axis Y d of the drone 1 when the pitch becomes too large, which makes it possible to avoid creating a force which, under certain conditions, opposes the third component T i0 and which would thus cause the thruster to be oriented at an angle of 90° causing a gimbal blockage.
  • the control unit 4 determines each permanent subcomponent T ⁇ sub>iO ⁇ /sub> p as a function of the roll ⁇ p and pitch 0 of the drone 1, such that this permanent subcomponent alone generates thrust in a direction not orthogonal to the extension plane of the chassis 2 during stationary navigation, in particular coplanar with this extension plane and oriented at a non-zero angle, for example 12°, with respect to the roll axis X ⁇ sub> d ⁇ /sub> of the vehicle.
  • the contribution along the yaw axis Z ⁇ sub> d ⁇ /sub> of the permanent subcomponent T ⁇ sub>iO ⁇ /sub>p to the thrust exerted by the corresponding thruster 3 is therefore zero.
  • the control unit 4 determines each permanent subcomponent Ti0P from a first coefficient Fy , whose value is 1 as long as the roll ⁇ p of drone 1 is less than 60° and whose value becomes zero when the roll ⁇ p of drone 1 exceeds 80°, and from a second coefficient Fx, whose value is 1 as long as the pitch 0 of drone 1 is less than 60° and whose value becomes zero when the pitch 0 of drone 1 exceeds 80°.
  • FIG. 10 gives an example of a function allowing the calculation unit 4 to determine the value of the coefficient Fx as a function of the pitch 0 of drone 1.
  • control unit 4 determines each safety sub-component T iO s of the third offset component T i0 of the propulsion vector T ; of each thruster 3 from a coefficient C y function of the pitch 0 of the drone 1.
  • Each sub-component Ti0S is exclusively oriented along the pitch axis Yd .
  • the coefficient Cy is thus determined by the control unit 4 so that this
  • the sub-component T i0S offsets the third offset component T i0 from the pitch axis Y d , increasing the offset up to a value of 20°, when pitch 0 exceeds a given threshold value, for example 65°.
  • this safety sub-component T i0S prevents gimbal lock-up when the pitch 0 of drone 1 exceeds this threshold value and drone 1 thus approaches the vertical.
  • the third offset component includes other safety sub-components whose values are determined from one and/or the other of the roll ⁇ p, pitch 0 and yaw of the drone 1, and which are intended to prevent either of the angles a ; and [3;, from approaching or reaching a value of 90°, or from remaining at this value for too long a time.
  • the sub-components of the third offset component T i0 are exclusively oriented along one and/or the other of the roll axis X d and pitch axis Y d .
  • step E4 In connection with [Fig.12], we will now describe a method, implemented during step E4, allowing us to obtain the angles a ; and [3 ; from a propulsion vector T ; determined by the control unit 4.
  • angles a, and [3 ; can be determined simply by the control unit 4 using respectively the inverse sine and inverse cosine functions.
  • the control unit 4 calculates the travel time from the current orientation of the thruster 3 to the orientation corresponding to this pair of angles.
  • the control unit 4 may employ an elementary angular displacement model of the drive system giving the response time of the drive system required to move either of the shafts 31 and 32 by one angular unit. For each pair of angles ⁇ and ⁇ , the travel time will thus correspond to the maximum of the time required to rotate the first shaft 31 and thus pivot the second shaft 32 towards this angle ⁇ , and the time required to rotate the second shaft 32 and thus tilt the thruster towards this angle ⁇ .
  • the control unit 4 can then select, for each thruster 3, the pair of angles ⁇ and ⁇ from among the two pairs of angles having the shortest travel time short and to control the motor system to orient this thruster according to this pair of angles a ; and [3 ; selected.
  • each propulsion vector is determined from more than three components, and in particular from a component that is a function of the aerodynamics of the drone, or that each of the components that have been described includes other sub-components than those that have been described.
  • control laws allowing to define, from translational and rotational commands of the vehicle, whether manual or automatic, both the orientation of each of the thrusters and the force of the thrust generated by each of the thrusters, and allowing to ensure the stability of the vehicle in the case of stationary navigation, in particular in the case of turbulent external conditions and to avoid the thrusters of the vehicle being oriented according to singular orientations likely to create a gimbal blockage, in particular simultaneously.
  • the invention is not limited to the embodiments specifically described in this document, and extends in particular to all equivalent means and to any technically feasible combination of these means.
  • other configurations of the omnidirectional vehicle may be considered, notably employing other types of propulsion systems or other types of rotating shafts, or employing a different number of propulsion systems or a different spatial configuration of the propulsion systems on the chassis. It may also be possible to design other control laws than those described.

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Abstract

L'invention concerne un véhicule propulsé comportant : un châssis; au moins deux propulseurs montés sur le châssis, chaque propulseur étant monté mobile en rotation sur le châssis selon deux axes de rotation orthogonaux et chaque propulseur étant apte à exercer une poussée selon une direction définie par l'angle de rotation du propulseur selon chacun de ces axes de rotation; au moins deux systèmes moteurs chacun associé à l'un des propulseurs et susceptible d'entrainer une rotation dudit propulseur selon l'un et/ou l'autre desdits axes de rotation; une unité de contrôle des systèmes moteurs, caractérisé en ce que, à la réception d'une instruction de navigation, l'unité de contrôle est agencée pour déterminer, à partir de l'instruction de navigation, un vecteur de propulsion pour chacun des propulseurs comportant une première composante dite de force générant une poussée correspondant à une consigne de force de l'instruction de navigation, une deuxième composante dite de moment générant une poussée correspondant à une consigne de moment de l'instruction de navigation et une troisième composante de décalage de propulsion dont la valeur dépend de l'assiette du véhicule,; l'unité de contrôle étant agencée pour contrôler les systèmes moteurs associés à chaque propulseur en fonction dudit vecteur de propulsion déterminée pour ce propulseur.

Description

Description
VEHICULE PROPULSE OMNIDIRECTIONNEL COMPORTANT UNE UNITE DE CONTROLE DE LZORIENTATION DES PROPULSEURS
[0001] L’invention concerne le domaine des véhicules propulsés, notamment des véhicules aériens pilotés à distance, ou drone. Plus précisément, l’invention concerne un véhicule propulsé comportant une unité de contrôle de l’orientation spatiale des propulseurs.
[0002] Un véhicule aérien piloté à distance, également nommé UAV (de l’anglais « Unmanned Aerial Vehicle) ou drone, comporte de façon connue plusieurs propulseurs, par exemple munis d’hélices ou de pâles, montés sur un châssis. Afin de contrôler la direction du drone, chaque propulseur peut être muni d’un variateur de vitesse électrique contrôlable à distance, par exemple depuis une manette manipulée par un utilisateur. La direction du drone peut ainsi être contrôlée en augmentant la vitesse de rotation des hélices de certains propulseurs et/ou en diminuant la vitesse de rotation des hélices d’autres propulseurs.
[0003] Afin d’augmenter la maniabilité du véhicule, il est connu de monter les propulseurs de façon rotative sur le châssis selon deux axes de rotation orthogonaux afin de pouvoir contrôler l’angle azimutal de chaque propulseur, c’est-à-dire son orientation dans un plan azimutal défini par les axes de tangage et de roulis du véhicule, et son angle d’élévation par rapport à ce plan azimutal. Chaque propulseur peut ainsi exercer une poussée selon une direction définie par l’angle de rotation du propulseur selon chacun de ces axes de rotation. Ce type de véhicule, à propulsion omnidirectionnelle ; peut alors adopter n’importe quel comportement de navigation, stationnaire ou de croisière et réaliser à cet effet n’importe quel mouvement de translation ou de rotation depuis n’importe quelle inclinaison dans l’espace, au travers de changements d’inclinaison des propulseurs selon ces axes de rotation et/ou de différentiels de vitesse de rotation entre les propulseurs.
[0004] Se pose toutefois la question du contrôle des propulseurs et des systèmes moteurs permettant d’ entrainer en rotation les propulseurs d’un véhicule omnidirectionnelle en fonction des instructions de navigation que doit suivre ce véhicule. Il est en effet nécessaire de définir des lois de pilotage permettant de définir, à partir de commandes en translation et en rotation du véhicule, qu’elles soient manuelles ou automatiques, à la fois l’orientation de chacun des propulseurs et la force de la poussée générée par chacun des propulseurs. Ces lois de pilotage doivent en particulier permettre d’assurer la stabilité du véhicule dans le cas d’une navigation stationnaire, notamment en cas de conditions extérieures mouvementées. [0005] Par ailleurs, il a été constaté que ce type de véhicule subit des phénomènes de blocage de cardan lorsque l’orientation de l’un ou plusieurs des propulseurs passe par des points particuliers, correspondant à des combinaisons particulières d’angles azimutal et d’élévation. C’est par exemple le cas lorsque le véhicule transite par une orientation verticale, l’angle d’élévation du propulseur passant par une valeur de 90°, dénommée pôle, de sorte que la poussée qu’il génère soit coplanaire avec le plan azimutal. Dans cette configuration, la vitsse de changement d’orientation du propulseur, notamment dans ce plan , diminue au fur et à mesure que son angle d’élévation se rapproche d’un pôle. Cette perte de réactivité, due au phénomène de blocage de cardan, pose un problème au regard de la réactivité du véhicule dans certaines trajectoires.
[0006] Il existe ainsi un besoin pour des lois de pilotage permettant d’éviter que les propulseurs d’un véhicule omnidirectionnel soient orientés selon l’un des pôles, en particulier de façon simultanée.
[0007] Ces besoins se retrouvent également dans d’autres domaines techniques, par exemple pour des drones sous-marins (également nommés AUV ou « Autonomous Underwater Vehicle), et de façon plus large pour n’importe quel véhicule omnidirectionel muni de plusieurs propulseurs rotatifs selon deux axes de rotation.
[0008] La présente invention se place dans ce contexte et vise à répondre à ce besoin.
[0009] A ces fins, l’invention a pour objet un véhicule propulsé comportant : a. un châssis ; b. au moins deux propulseurs montés sur le châssis, chaque propulseur étant monté mobile en rotation sur le châssis selon deux axes de rotation orthogonaux et chaque propulseur étant apte à exercer une poussée selon une direction définie par l’angle de rotation du propulseur selon chacun de ces axes de rotation ; c. au moins deux systèmes moteurs chacun associé à l’un des propulseurs et susceptible d’entrainer une rotation dudit propulseur selon l’un et/ou l’autre desdits axes de rotation ; d. une unité de contrôle des systèmes moteurs.
[0010] Le véhicule selon l’invention est caractérisé en ce que, à la réception d’une instruction de navigation, l’unité de contrôle est agencée pour déterminer, à partir de l’instruction de navigation, un vecteur de propulsion pour chacun des propulseurs comportant une première composante dite de force générant une poussée correspondant à une consigne de force de l’instruction de navigation, une deuxième composante dite de moment générant une poussée correspondant à une consigne de moment de l’instruction de navigation et une troisième composante de décalage de propulsion dont la valeur dépend de l’assiette du véhicule; l’unité de contrôle étant agencée pour contrôler les systèmes moteurs associés à chaque propulseur en fonction dudit vecteur de propulsion déterminée pour ce propulseur.
[0011] L’invention se propose ainsi de définir une loi de pilotage permettant d’aboutir à un vecteur de propulsion pour chaque propulseur en déterminant simultanément des composantes répondant respectivement à une consigne de force de propulsion du véhicule et une consigne de moment du véhicule. La position des angles de rotation de chaque propulseur selon ses axes de rotation propres, ainsi que la force de la propulsion peuvent alors être calculées à partir de ce vecteur de propulsion afin que le véhicule réponde à la consigne globale qui lui est fournie.
[0012] En outre, le vecteur de propulsion est déterminé à partir d’une troisième composante correspondant à un décalage de propulsion, ou offset, et permettant d’assurer la stabilité du véhicule ou l’évitement de l’orientation de la propulsion de chaque propulseur selon un point singulier. En particulier, cette troisième composante permet de décaler la propulsion lorsqu’un ou plusieurs propulseurs s’approchent d’un pôle d’orientation à 90°, par exemple pour contourner ce pôle. Cet offset permet ainsi d’augmenter la réactivité du propulseur, et donc du véhicule. Par ailleurs, il est possible d’orienter, grâce à ces offsets, chaque propulsion vers l’extérieur du véhicule, ce qui permet d’augmenter sa stabilité pendant une navigation stationnaire. En effet, il a été constaté que dans le cas où un évènement extérieur crée une poussée sur le véhicule stationnaire, comme du vent, les offsets créent un moment de rappel du véhicule vers sa position stationnaire.
[0013] Dans la présente invention et de façon non limitative, on entend par « instruction de navigation » une consigne ou un ensemble de consignes programmées, calculées ou transmises à l’unité de contrôle d’un véhicule propulsé pour contrôler sa navigation. Ces instructions pourront inclure directement une position géographique à atteindre, un cap ou une trajectoire à suivre, une altitude à atteindre, une vitesse à atteindre et être interprétées par l’unité de contrôle sous la forme de consignes de force ou de translation et de moment ou de rotation. En variante, elles pourront directement comporter des consignes de force et de moment, sous la forme d’un vecteur de force et d’un vecteur de moment. Ces instructions de navigation pourront indifféremment être des instructions de navigation stationnaire, dépourvues de consigne de force et de moment ou des instructions de navigation de croisière, intégrant des consignes de force et/ou de moment. Les instructions de navigation pourront par ailleurs être transmises depuis une unité distante ou un opérateur distant du véhicule ou en variante être déterminées automatiquement par l’unité de contrôle dans le cadre d’une navigation autonome ou asservie.
[0014] Dans la présente invention et de façon non limitative, on entend par « vecteur de propulsion» un vecteur orienté par rapport aux axes de roulis, de tangage et de lacet du véhicule, définis vis-à-vis du châssis du véhicule. Chaque composante d’un vecteur de propulsion peut ainsi prendre la forme d’un vecteur dont les coordonnées selon lesdits axes sont déterminées par l’unité de contrôle à partir de l’instruction de navigation, et selon les consignes contenues dans cette instruction, et le cas échéant à partir de l’assiette du véhicule, par exemple déterminée selon l’un ou plusieurs de ces axes.
[0015] On pourra prévoir que l’unité de contrôle détermine chaque composante d’un vecteur de propulsion indépendamment des autres composantes de ce vecteur de propulsion, voire des autres consignes des autres propulseurs, par exemple à partir d’une ou plusieurs lois de pilotage prédéterminées. On pourra notamment prévoir que les premières composantes de force de l’ensemble des vecteurs de propulsion soient déterminées par l’unité de contrôle de sorte que leur combinaison génère à elle seule une poussée correspondant à la consigne de force de l’instruction de navigation. De façon similaire, on pourra prévoir que les deuxièmes composantes de moment de l’ensemble des vecteurs de propulsion soient déterminées par l’unité de contrôle de sorte que leur combinaison génère à elle seule une poussée correspondant à la consigne de moment de l’instruction de navigation.
[0016] Dans la présente invention et de façon non limitative, on entend par « unité de contrôle » un ou plusieurs dispositifs électroniques et/ou informatiques conçus pour déterminer, seul ou ensemble, de façon analogique et/ou numérique, les composantes du vecteur de propulsion à partir des consignes de l’instruction de navigation et de l’assiette du véhicule autour de l’un ou plusieurs de ses axes de roulis, tangage et lacet. De préférence, l’unité de contrôle pourra déterminer lesdites composantes au fur et à mesure de l’évolution des instructions de navigation et de l’inclinaison du véhicule que l’unité de contrôle reçoit. On pourra prévoir que l’unité de contrôle soit équipée d’un ou plusieurs processeurs, agencés pour exécuter des instructions d’un ou plusieurs programmes informatiques afin de mettre en œuvre des étapes de calcul ou de traitement permettant de déterminer lesdites composantes. On pourra prévoir que ces étapes soient mises en œuvre de façon centralisée par une même unité de traitement ou de façon distribuée par plusieurs unités de traitement. On pourra encore prévoir que tout ou partie de ces étapes soient mises en œuvre par une unité de traitement embarquée dans le véhicule et/ou par une unité de traitement distante du véhicule avec lequel elle peut échanger des données via des moyens de communication sans-fil.
[0017] Avantageusement, l’unité de contrôle pourra être agencée pour contrôler chaque système moteurs à partir du vecteur de propulsion déterminé pour le propulseur associé à ce système moteur pour orienter le propulseur de sorte que la poussée du propulseur soit dirigée dans la même direction et le même sens que ledit vecteur de propulseur.
[0018] Avantageusement, le véhicule propulsé comporte quatre propulseurs et quatre systèmes moteurs chacun associé à l’un des propulseurs, lesdits propulseurs étant répartis sur le pourtour du châssis, notamment aux quatre coins du châssis. En variante, et de façon plus générale, le châssis pour emprunter n’importe quelle forme parallélépipédique avec un nombre pair d’arêtes sur lesquelles sont montés les propulseurs. D’autres configurations et formes du châssis ou répartitions des propulseurs sur le châssis pourront être envisagées sans sortir du cadre de la présente invention.
[0019] Dans un mode de réalisation de l’invention, le véhicule propulsé comporte, pour chaque propulseur, un premier arbre, monté rotatif sur le châssis autour d'un premier axe de rotation et un deuxième arbre monté rotatif sur le premier arbre autour d'un deuxième axe de rotation orthogonal au premier axe de rotation, le deuxième arbre supportant ledit propulseur dudit véhicule propulsé. Le cas échéant, chaque système moteur comporte un premier dispositif d'entrainement en rotation du premier arbre autour dudit premier axe de rotation et un deuxième dispositif d'entrainement en rotation du deuxième arbre autour dudit deuxième axe de rotation. On comprend ainsi que le premier arbre permet de contrôler l’angle azimutal du propulseur associé, c’est-à-dire son orientation dans un plan azimutal défini par les axes de tangage et de roulis du véhicule, et que le deuxième arbre permet de contrôler l’angle d’élévation du propulseur par rapport à ce plan azimutal. Il est ainsi possible de contrôler l’orientation de la poussée pour qu’elle puisse emprunter n’importe quelle configuration, autorisant ainsi une manœuvrabilité complète du véhicule.
[0020] On pourra notamment prévoir que le premier arbre autorise une rotation du propulseur autour du premier axe de rotation selon n’importe quel angle compris entre 0 et 360°, afin de permettre une orientation du propulseur selon n’importe quel angle, et que le deuxième arbre autorise une rotation du propulseur autour du deuxième axe de rotation n’importe quel angle compris entre 0 et 360°, afin de pouvoir incliner la poussée selon n’importe quel angle.
[0021] De préférence, le deuxième arbre pourra être monté sur le premier arbre de sorte que le deuxième axe de rotation soit sensiblement orthogonal au premier axe de rotation. Par exemple, le deuxième arbre pourra être supporté en deux points distincts du premier arbre, lesdits points définissant le deuxième axe de rotation, et le deuxième dispositif d’entrainement pourra être logé dans le premier arbre, au niveau d’un de ces points de support du deuxième arbre sur le premier arbre.
[0022] Avantageusement, le premier arbre pourra être supporté en deux points distincts du châssis, lesdits points définissant le premier axe de rotation, et le premier dispositif d’entrainement pourra être logé dans le châssis, au niveau d’un de ces points de support du premier arbre sur le châssis.
[0023] Dans un exemple de réalisation du premier mode, le premier arbre peut comporter un cadre comprenant deux pivots diamétralement opposés et montés chacun pivotant dans un renfoncement du châssis, lesdits renfoncements se faisant face. A titre d’exemple non limitatif, le cadre pourra être de forme sensiblement circulaire, ovale, elliptique, conique ou oblongue.
[0024] Dans un autre exemple de réalisation de l’invention, le premier arbre comprend une couronne de forme de révolution autour du premier axe de rotation.
[0025] On pourra prévoir que les premier et deuxième dispositifs d'entrainement de chaque système moteur comporte un moteur équipé d'un axe rotatif autour du premier et respectivement du deuxième axe de rotation; et les premier et deuxième arbres comportent chacun un organe de transmission relié mécaniquement à l'axe rotatif du moteur associé de sorte qu'une rotation de l'axe du moteur soit transmise audit arbre.
[0026] Dans un exemple de réalisation, le deuxième arbre peut comporter une pièce centrale supportant le propulseur et deux tiges s’étendant, selon le deuxième axe de rotation, de part et d’autre depuis la pièce centrale vers un point de support du deuxième arbre sur le premier arbre.
[0027] De préférence, le propulseur comporte des hélices entrainées par un moteur en rotation autour d’un troisième axe de rotation perpendiculaire au deuxième axe de rotation.
[0028] Si on le souhaite, le deuxième arbre pourra supporter deux propulseurs montés de part et d’autre du deuxième arbre, chaque propulseur étant muni d’hélices, les hélices des propulseurs étant contrarotatives. L’emploi d’hélices contrarotatives permet de supprimer des effets gyroscopiques du véhicule propulsé.
[0029] On pourra prévoir que le propulseur soit un propulseur à pâles ou à hélice, une turbine à réaction, et plus généralement n’importe quel type de propulseur dont l’orientation peut être contrôlée en le faisant pivoter et requérant une alimentation électrique, notamment pourvu d’un rotor et d’un stator.
[0030] Dans un mode de réalisation de l’invention, l’unité contrôle du véhicule propulsé pourra être apte à échanger des données avec un ou plusieurs capteurs du propulseur, comme une centrale inertielle, et/ou avec un variateur de vitesse d’un ou plusieurs moteurs du propulseur.
[0031] De préférence, le véhicule propulsé pourra comporter un capteur d’assiette du véhicule par rapport à un référentiel donné, notamment des capteurs de roulis, de tangage et de lacet du véhicule, par exemple rassemblé dans une centrale inertielle embarquée dans le véhicule.
[0032] Dans un mode de réalisation de l’invention, l’unité de contrôle est agencée pour déterminer la première composante de force du vecteur de propulsion de chaque propulseur comme une fraction de ladite consigne de force.
[0033] Dans ce mode de réalisation, les premières composantes de force des vecteurs de propulsion sont ainsi orientées dans la même direction et sont avantageusement identiques les unes aux autres. On notera qu’en l’absence de consigne de force, les premières composantes de force sont milles, chaque vecteur de propulsion étant uniquement composé d’une composante de moment et/ou d’une composante de décalage de propulsion.
[0034] De préférence, l’unité de contrôle pourra être agencée pour déterminer chaque première composante de force comme une fraction de la consigne de force par le nombre de propulseurs du véhicule.
[0035] Dans un mode de réalisation de l’invention, lorsque l’instruction de navigation reçue par l’unité de contrôle intègre une consigne de moment de roulis et/ou de tangage, l’unité de contrôle est agencée pour déterminer les deuxièmes composantes de moment des vecteurs de propulsion de chacun des propulseurs de sorte que les deuxièmes composantes de moments soient de sens identiques pour des propulseurs disposés d’un même côté du véhicule par rapport à un axe de roulis et/ou de tangage du véhicule et de sorte que les deuxièmes composantes de moments soient de sens opposés pour des propulseurs disposés sur des côtés opposés du véhicule par rapport audit axe de roulis et/ou de tangage. Les deuxièmes composantes permettent ainsi de générer un couple entrainant une rotation du véhicule autour de ses axes de roulis et/ ou de tangage, conformément à la consigne de moment. On notera qu’en l’absence de consigne de moment, les deuxièmes composantes de moment sont milles, chaque vecteur de propulsion étant uniquement composé d’une composante de force et/ou d’une composante de décalage de propulsion.
[0036] De préférence, l’unité de contrôle pourra être agencée pour déterminer les deuxièmes composantes de moment des vecteurs de propulsion de sorte qu’elles soient parallèles à l’axe de lacet du véhicule, et qu’elles présentent une même norme, déterminée à partir de la consigne de moment de roulis et/ou de tangage et des dimensions du véhicule selon ses axes de roulis et de tangage.
[0037] Dans un mode de réalisation de l’invention, alternatif ou cumulatif, lorsque l’instruction de navigation reçue par l’unité de contrôle intègre une consigne de moment de lacet, l’unité de contrôle est agencée pour déterminer les deuxièmes composantes de moment des vecteurs de propulsion de chacun des propulseurs de sorte que les deuxièmes composantes de moment soient de sens opposés pour des propulseurs disposés sur des coins opposés du véhicule. Les deuxièmes composantes permettent ainsi de générer un couple entrainant une rotation du véhicule autour de son axe de lacet, conformément à la consigne de moment. Comparativement à un couple créé par des différentiels de vitesse de rotation entre les propulseurs, ce type de pilotage permet de générer seulement un couple autour de l’axe de lacet, sans couple autour de l’axe de tangage et/ou de roulis. On pourra toutefois compléter ce pilotage par des variations de vitesse de rotation des propulseurs. [0038] De préférence, l’unité de contrôle pourra être agencée pour déterminer les deuxièmes composantes de moment des vecteurs de propulsion de sorte qu’elles soient parallèles entre elles, et qu’elles présentent une même norme, déterminée à partir de la consigne de moment de lacet et des dimensions du véhicule selon ses axes de roulis et de tangage. On pourra notamment prévoir que chaque composante de moment soit orientée pour être coplanaire avec un plan d’extension du châssis.
[0039] Avantageusement, l’unité de contrôle est agencée pour déterminer la deuxième composante de moment du vecteur de propulsion de chaque propulseur en fonction d’un coefficient de répartition du couple entre les axes de roulis et de tangage et dont la valeur est déterminée par l’unité de contrôle à partir de l’assiette du véhicule, cette valeur s’approchant d’une valeur nulle au fur et à mesure que le roulis, le tangage et/ou le lacet du véhicule s’approche d’une valeur singulière donnée, notamment de +90° ou de -90°.
[0040] Selon un exemple de réalisation de l’invention, l’unité de contrôle peut ainsi piloter la répartition de chaque deuxième composante entre les axes de roulis et de tangage du véhicule en fonction du tangage du véhicule, notamment afin de diminuer la valeur de la coordonnée de la deuxième composante selon l’axe de tangage du véhicule lorsque le tangage devient trop important. En effet, plus le tangage est important, moins il est souhaitable que la propulsion soit orientée selon l’axe de tangage, car cette orientation peut venir s’opposer aux troisièmes composantes de décalages de propulsion et entrainer le propulseur vers une orientation selon un angle à 90°, notamment en cas de consigne de moment trop importante.
[0041] On pourra par exemple prévoir que l’unité de contrôle soit agencée pour déterminer la valeur du coefficient de répartition à partir d’une fonction prédéterminée donnant une valeur de 0,5 pour un tangage nul du véhicule et une valeur nulle pour un tangage de 90°.
[0042] Dans un mode de réalisation de l’invention, l’unité de contrôle est agencée pour déterminer une sous-composante dite permanente de la troisième composante de décalage de propulsion du vecteur de propulsion de chaque propulseur, cette sous- composante permanente générant à elle seule une poussée selon une direction non orthogonale à un plan d’extension du châssis lors d’une navigation stationnaire. En d’autres termes, à la réception d’une instruction de vol stationnaire du véhicule propulsé, les premières et deuxièmes composantes de chaque vecteur de propulsion sont dirigées seulement selon un axe vertical ou sont milles et l’unité de contrôle est ainsi agencée pour contrôler chaque système moteur de sorte à orienter chaque propulseur pour qu’il exerce une poussée orientée en fonction de la troisième composante, à savoir selon une direction non orthogonale au plan d’extension du châssis. Ces orientations des propulseurs définissent ainsi des offsets, qui permettent de diriger l’orientation des forces de propulsion vers l’extérieur ou l’intérieur du véhicule, ce qui permet, lorsque les poussées sont dirigées vers l’extérieur , d’augmenter la stabilité du véhicule et de créer un moment de rappel ramenant le véhicule dans sa position stationnaire si un évènement extérieur le force à s’écarter de cette position, et lorsque les poussées sont dirigées vers l’intérieur du véhicule, de générer de l’instabilité qui peut être souhaitable pour certaines applications requérant une forte manœuvrabilité.
[0043] De préférence, l’unité de contrôle pourra être agencée pour déterminer chaque sous- composante permanente de sorte qu’elle soit coplanaire avec le plan d’extension du châssis du véhicule, notamment en étant orientée selon un angle non nul, par exemple de 12°, par rapport à l’axe de roulis du véhicule.
[0044] Avantageusement, l’unité de contrôle est agencée pour déterminer ladite sous- composante permanente à partir d’un premier coefficient dont la valeur est maximale tant que le roulis du véhicule est inférieur à une première valeur seuil donnée et dont la valeur est minimale lorsque le roulis du véhicule dépasse une deuxième valeur seuil donnée et d’un deuxième coefficient dont la valeur est maximale tant que le tangage du véhicule est inférieur à une troisième valeur seuil donnée et dont la valeur est minimale lorsque le tangage du véhicule dépasse une quatrième valeur seuil donnée. On pourra prévoir que le roulis et le tangage du véhicule soient déterminés par l’unité de contrôle par une projection d’une consigne en force de compensation de la gravité reçue ou déterminée par l’unité de contrôle sur les axes de roulis et de tangage du véhicule.
[0045] Dans cet exemple, l’unité de contrôle peut ainsi maintenir une orientation de la sous- composante permanente constante au regard des axes de roulis et de tangage tant que le roulis et le tangage du véhicule restent inférieurs respectivement à la première et à la troisième valeurs seuils, pouvant être par exemple de 60° chacune. A contrario, l’unité de contrôle peut minimiser, et notamment annuler la coordonnée de la sous- composante permanente selon l’axe de roulis du véhicule lorsque le roulis est trop important, c’est-à-dire supérieur à la deuxième valeur seuil, par exemple de 80°, et minimiser, et notamment annuler la coordonnée de la sous-composante permanente selon l’axe de tangage du véhicule lorsque le tangage est trop important, c’est-à-dire supérieur à la quatrième valeur seuil, par exemple de 80°. Cette caractéristique permet notamment de générer un décalage de propulsion, ou un offset, lorsque l’orientation d’un propulseur, notamment autour de l’axe de tangage, s’approche d’une valeur de 90° et qui permet alors au propulseur de contourner ce pôle sans à-coup et sans perdre en réactivité.
[0046] Dans un mode de réalisation de l’invention, l’unité de contrôle est agencée pour déterminer, à partir de l’assiette du véhicule, une sous-composante dite de sécurité de la troisième composante de décalage de propulsion du vecteur de propulsion de chaque propulseur, ladite sous-composante écartant ladite troisième composante de décalage de propulsion d’un axe de tangage et/ou de roulis et/ou de lacet du véhicule lorsque le tangage, respectivement le roulis et le lacet, du véhicule dépasse une valeur seuil donnée. Cette sous-composante de sécurité permet notamment d’éviter un blocage de cardan lorsque l’inclinaison du véhicule selon l’axe de tangage, de roulis et/ou de lacet dépasse ladite valeur seuil donnée.
[0047] De préférence, l’unité de contrôle pourra être agencée pour déterminer chaque sous-composante de sécurité de sorte qu’elle soit orientée uniquement selon l’axe de tangage du véhicule.
[0048] Selon un exemple, l’unité de contrôle pourra être agencée pour déterminer la valeur du coefficient de cette sous-composante de sécurité selon l’axe de tangage du véhicule à partir d’une fonction dont la valeur est nulle si le tangage est inférieur à 65° et dont la valeur s’accroit à mesure que le tangage se rapproche de 90°.
[0049] Dans un mode de réalisation de l’invention, l’unité de contrôle est agencée pour déterminer, pour chaque propulseur et à partir du vecteur de propulsion déterminé pour ledit propulseur, une paire d’angles de rotation selon les deux axes de rotation orthogonaux dudit propulseur, et pour contrôler les systèmes moteurs associés audit propulseur pour entrainer une rotation dudit propulseur autour desdits axes de rotation selon lesdits angles de rotation déterminés. Selon cette caractéristique, l’unité de contrôle peut ainsi déterminer les angles de rotation des premier et deuxième arbres associés à chaque propulseur tels que la poussée générée par ce propulseur orienté selon ces angles de rotation soit dirigée de façon colinéaire au vecteur de propulsion déterminé pour ce propulseur.
[0050] Avantageusement, l’unité de contrôle est agencée pour déterminer, pour chaque propulseur et à partir du vecteur de propulsion déterminé pour ledit propulseur, deux paires d’angles de rotation selon les deux axes de rotation orthogonaux dudit propulseur et définissant chacune une même direction orientée selon ledit vecteur de propulsion. Le cas échéant, l’unité de contrôle est agencée pour sélectionner la paire d’angles minimisant une fonction de coût prédéterminée au regard de l’orientation courante du propulseur. Ladite fonction de coût pourra être une fonction de temps de déplacement minimum. En effet, une même direction peut être décrite par deux paires d’angles, reliées l’une à l’autre par des rotations de 180°. En d’autres termes, depuis une orientation donnée, un propulseur peut atteindre une autre orientation par deux paires de rotation distinctes. Cette caractéristique permet ainsi de sélectionner la paire de rotations et donc la paire d’angles pouvant être atteinte en un minimum de temps depuis l’orientation courante du propulseur. En variante, ladite fonction de coût pourra être une fonction de consommation énergétique minimum, ou une fonction de stabilité du véhicule. [0051] Dans un exemple, l’unité de contrôle pourra être agencée pour calculer, pour chaque paire d’angles, le temps de trajet depuis l’orientation courante vers l’orientation correspondant à cette paire d’angles, notamment à partir d’un modèle de déplacement élémentaire angulaire du système moteur et pour sélectionner la paire d’angles présentant le temps de trajet le plus court.
[0052] Dans un mode de réalisation de l’invention, le véhicule propulsé est un drone aérien à propulsion omnidirectionnelle.
[0053] L’invention a également pour objet un véhicule propulsé comportant : a. un châssis s’étendant selon un plan d’extension ; b. au moins deux propulseurs montés sur le châssis, chaque propulseur étant monté mobile en rotation sur le châssis selon deux axes de rotation orthogonaux et chaque propulseur étant apte à exercer une poussée selon une direction définie par l’angle de rotation du propulseur selon chacun de ces axes de rotation ; c. au moins deux systèmes moteurs chacun associé à l’un des propulseurs et susceptible d’entrainer une rotation dudit propulseur selon l’un et/ou l’autre desdits axes de rotation ; d. une unité de contrôle des systèmes moteurs ; caractérisé en ce que, à la réception d’une instruction de navigation, l’unité de contrôle est agencée pour déterminer, à partir de l’instruction de navigation, un vecteur de propulsion pour chacun des propulseurs comportant une première composante dite de force générant une poussée correspondant à une consigne de force de l’instruction de navigation, une deuxième composante dite de moment générant une poussée correspondant à une consigne de moment de l’instruction de navigation et une troisième composante de décalage de propulsion générant à elle seule une poussée selon une direction non orthogonale au plan d’extension du châssis lors d’une navigation stationnaire; l’unité de contrôle étant agencée pour contrôler les systèmes moteurs associés à chaque propulseur en fonction dudit vecteur de propulsion déterminée pour ce propulseur.
[0054] L’invention a encore pour objet un procédé de contrôle d’un propulseur d’un véhicule propulsé selon l’invention, le procédé étant mis en œuvre par une unité de contrôle du véhicule propulsé.
[0055] La présente invention est maintenant décrite à l’aide d’exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de l’invention, et à partir des dessins annexés, dessins sur lesquels les différentes figures représentent :
[0056] [Fig.l] représente, schématiquement et partiellement, une vue en perspective d'un drone omnidirectionnel selon un mode de réalisation de l'invention ; [0057] [Fig.2] représente, schématiquement et partiellement, un propulseur du drone de la
[Fig.l] ;
[0058] [Fig.3] représente, schématiquement et partiellement, un procédé de contrôle des propulseurs du drone omnidirectionnel de la [Fig.l] selon un exemple de réalisation de l’invention ;
[0059] [Fig.4] représente, schématiquement et partiellement, un exemple de loi de pilotage selon des vecteurs de propulsion employée dans le cadre du procédé de la [Fig.3] ;
[0060] [Fig.5] représente, schématiquement et partiellement, un exemple de calcul, selon une consigne de force, des premières composantes des vecteurs de propulsion de la [Fig.4] ;
[0061] [Fig.6] représente, schématiquement et partiellement, un exemple de calcul, selon une première consigne de moment, des deuxièmes composantes des vecteurs de propulsion de la [Fig.4] ;
[0062] [Fig.7] représente, schématiquement et partiellement, un exemple de calcul, selon une deuxième consigne de moment, des deuxièmes composantes des vecteurs de propulsion de la [Fig.4] ;
[0063] [Fig.8] représente, schématiquement et partiellement, une loi de calcul d’un coefficient de répartition du couple employée dans l’exemple de la [Fig.7] ;
[0064] [Fig.9] représente, schématiquement et partiellement, un exemple de calcul de sous- composantes des troisièmes composantes des vecteurs de propulsion de la [Fig.4] ;
[0065] [Fig.10] représente, schématiquement et partiellement, une loi de calcul d’un coefficient employée dans l’exemple de la [Fig.9] ;
[0066] [Fig.11] représente, schématiquement et partiellement, un exemple de calcul d’autres sous-composantes des troisièmes composantes des vecteurs de propulsion de la [Fig.4] ; et
[0067] [Fig.12] représente, schématiquement et partiellement, un exemple de calcul des angles de rotation d’un propulseur du drone de la [Fig.l] à partir d’un vecteur de propulsion.
[0068] Dans la description qui suit, les éléments identiques, par structure ou par fonction, apparaissant sur différentes figures conservent, sauf précision contraire, les mêmes références.
[0069] On a représenté en [Fig.l] un véhicule propulsé, sous la forme d’un drone omnidirectionnel 1, selon un premier mode de réalisation de l’invention. La description qui va être donnée de l’invention pourra s’appliquer d’autres types de drones omnidirectionnels, par exemple des drones sous-marins (également nommés AUV ou « Autonomous Underwater Vehicle), des drones spatiaux (également nommés ASV ou « Autonomous Spatial Vehicle) ou encore à d’autres types de véhicules propulsés, pouvant être ou non pilotables à distance voir autonomes, semi- autonome s ou manuels, comme une voiture, une moto, un camion, un vélo, un train, un avion, un hélicoptère, un navire.
[0070] Le drone 1 comporte un châssis 2 sur lequel sont montés quatre propulseurs 3, répartis dans l’exemple décrit aux quatre coins du châssis 2.
[0071] Chaque propulseur 3 est monté mobile en rotation sur le châssis 2 selon deux axes de rotation orthogonaux a et [3. Chaque propulseur 3 peut ainsi apte à exercer une poussée selon une direction définie par l’angle de rotation du propulseur selon chacun de ces axes de rotation a et [3, le drone 1 bénéficiant ainsi d’une capacité de manœuvre particulièrement importante le rendant omnidirectionnel.
[0072] Plus précisément, il est possible grâce aux propulseurs 3 de provoquer des mouvements de translation et de rotation du drone 1 selon différents axes, à savoir son axe de roulis Xd, orienté de l’arrière du châssis 2 à l’avant du châssis 2, son axe de tangage Yd, orienté de l’un des côtés latéraux du châssis 2 vers l’autre, et son axe de lacet Zd, orienté de bas en haut selon une direction normale au plan défini par les axes Xd et Yd. Dans la suite de la description, on notera par <p le roulis du drone 1, à savoir l’angle de rotation du drone 1 autour de l’axe de roulis Xd par rapport à une inclinaison de référence ; 0 le tangage du drone 1, à savoir l’angle de rotation du drone 1 autour de l’axe de tangage Yd par rapport à une inclinaison de référence ; et le lacet du drone 1, à savoir l’angle de rotation du drone 1 autour de l’axe de lacet Zd par rapport à une inclinaison de référence.
[0073] A ces fins, comme représenté dans l’exemple de la [Fig.2], le drone 1 comporte, pour chaque propulseur 3, un premier arbre 31, monté rotatif sur le châssis 2 autour du premier axe de rotation [3 et un deuxième arbre 32 monté rotatif sur le premier arbre 31 autour du deuxième axe de rotation a, le deuxième arbre 32 supportant ce propulseur 3. Le premier arbre 31 permet ainsi de pivoter le propulseur 3 autour du premier axe de rotation [3, notamment selon un angle compris entre 0 et 360°, afin de permettre une orientation du deuxième axe de rotation a du deuxième arbre 32 et donc de la poussée du propulseur 3 selon n’importe quel angle. Le deuxième arbre 32 autorise une rotation du propulseur 3 autour du deuxième axe de rotation a, notamment selon un angle compris entre 0 et 360°,, afin de pouvoir incliner la poussée selon n’importe quel angle.
[0074] Dans la suite de la description, on notera [3; l’angle azimutal d’un propulseur 3, c’est- à-dire l’orientation du deuxième arbre 32 provoquée par une rotation du premier arbre 31, et donc l’orientation de la poussée qu’exerce le propulseur 3 dans un plan azimutal défini par les axes de Xd et Yd du drone 1 par rapport à une orientation de référence, et a, l’angle d’élévation de cette poussée par rapport à ce plan azimutal. [0075] Dans l’exemple décrit, le premier arbre 31 comprend une couronne de forme de révolution autour du premier axe de rotation [3, montée en rotation dans une ou plusieurs bagues circulaires du châssis 3. La couronne peut ainsi tourner axialement autour de son axe de révolution [3.
[0076] On pourra prévoir que le premier arbre 31 comporte des moyens de guidage en rotation de la couronne dans la bague, comme l’un des éléments suivants ou une combinaison de plusieurs des éléments suivants : gorge et nervure, patin et bague, roulements de type bille ou galet et chemin de roulement. On pourra encore prévoir que les moyens de guidage en rotation soient électriquement conducteurs, de sorte que la coopération mécanique des moyens de guidage entre eux permette ainsi de transmettre la puissance électrique développée par une source de puissance électrique au propulseur 3 sans requérir à des câbles qui généraient la rotation du premier arbre 31.
[0077] En variante, on pourra prévoir que le premier arbre 31 comporte un cadre comprenant deux pivots diamétralement opposés et montés chacun pivotant dans un renfoncement du châssis, lesdits renfoncements se faisant face. A titre d’exemple non limitatif, le cadre pourra être de forme sensiblement circulaire, ovale, elliptique, conique ou oblongue.
[0078] Par ailleurs, le deuxième arbre 32 est monté sur le premier arbre 31 de sorte que le deuxième axe de rotation a soit sensiblement orthogonal au premier axe de rotation [3.
[0079] Dans l’exemple de réalisation de la [Fig.1], le deuxième arbre 32 comporte une pièce centrale supportant le propulseur 3 et deux tiges s’étendant, selon le deuxième axe de rotation a, de part et d’autre depuis la pièce centrale vers un point de support du deuxième arbre 32 sur le premier arbre 31.
[0080] De façon similaire au premier arbre 31, le deuxième arbre 31 pourra comporter des moyens de guidage en rotation, par exemple de type manchon et palier, pouvant être le cas échéant électriquement conducteur.
[0081] Dans l’exemple de la [Fig.l], le deuxième arbre 32 supporte deux propulseurs 3 montés de part et d’autre du deuxième arbre 31, chaque propulseur étant muni d’hélices entrainées par un moteur en rotation autour d’un troisième axe de rotation perpendiculaire au deuxième axe de rotation a. De préférence, les hélices des propulseurs 3 sont contrarotatives, afin de supprimer des effets gyroscopiques du drone 1.
[0082] En variante, on pourra prévoir que chaque propulseur 3 soit un propulseur à pâles ou à hélice, une turbine à réaction, et plus généralement n’importe quel type de propulseur dont l’orientation peut être contrôlée en le faisant pivoter et requérant une alimentation électrique, notamment pourvu d’un rotor et d’un stator. [0083] Afin de pouvoir entrainer une rotation de chaque propulseur 3 selon l’un et/ou l’autre desdits axes de rotation a et [3, chaque propulseur 3 est associé à un système moteur (non représenté). Chaque système moteur comporte ainsi un premier dispositif d'entrainement en rotation du premier arbre 31 autour dudit premier axe de rotation [3 et un deuxième dispositif d'entrainement en rotation du deuxième arbre 32 autour dudit deuxième axe de rotation a.
[0084] Dans l’exemple de la [Fig.2], on pourra par exemple prévoir que le premier système d’entrainement comporte un moteur entrainant un pignon engrené sur des dents formées sur le pourtour extérieur de la couronne formant le premier arbre 31 et que le deuxième système d’entrainement comporte un moteur logé dans le premier arbre 31, au niveau d’un de ces points de support du deuxième arbre 32 sur le premier arbre 31 et entrainant un cylindre monté sur l’une ou l’autre des extrémités du deuxième arbre 32.
[0085] En référence de nouveau avec la [Fig.l], le drone 1 comporte une unité centrale de contrôle 4 apte notamment à commander la force de la poussée générée par chaque propulseur 3 en contrôlant la vitesse de rotation des hélices de ce propulseur 3 et apte à commander l’orientation de la poussée générée par chaque propulseur 3 en contrôlant le système moteur associé à ce propulseur pour faire pivoter les premier et deuxième arbres 31 et 32 autour des axes de rotation a et [3. Dans l’exemple décrit, l’unité centrale 4 est embarquée dans le drone 1. On pourra toutefois concevoir que tout ou partie de l’unité de contrôle 4 soit distante du véhicule 1, l’un et l’autre étant dans ce cas pourvus de moyens de communication sans-fil pour pouvoir échanger des données.
[0086] L’unité de contrôle 4 reçoit des instructions de navigation, transmises depuis une unité distante ou un opérateur distant du véhicule. En variante, ces instructions pourront être déterminées automatiquement par l’unité de contrôle dans le cadre d’une navigation autonome ou asservie.
[0087] Par ailleurs, l’unité de contrôle 4 est capable de déterminer le roulis <p et le tangage 0 du drone 1 en calculant la projection d’une consigne en force de compensation de la gravité, issue de la régulation de la propulsion du drone, sur les axes de roulis et de tangage du drone.
[0088] En variante, on pourra prévoir que le drone 1 comporte différents capteurs de l’assiette du drone 1 par rapport à un référentiel donné, dont des capteurs de roulis <p, de tangage 0 et de lacet du drone, par exemple rassemblés dans une centrale inertielle embarquée dans le véhicule.
[0089] L’unité centrale de contrôle 4 reçoit ainsi les instructions de navigations et les données acquises par ces capteurs et peut ainsi contrôler l’orientation des propulseurs 3 selon les lois de pilotage qui font désormais être décrites, en lien avec les [Fig.3] à [Fig.12],
[0090] La [Fig.3] représente un procédé de contrôle des propulseurs 3 du drone 1 selon un exemple de réalisation de l’invention.
[0091] Dans une étape El, l’unité de contrôle 4 reçoit des instructions IN de navigation, comportant des consignes de force F et de moment Mx, My et/ou Mz, indiquant respectivement une rotation selon les axes Xd, Yd et Zd. Ces consignes peuvent être reçues sous la forme d’un vecteur de force et d’un vecteur de moment. Dans le cas où la navigation doit être stationnaire, les consignes de force et de moment seront milles.
[0092] Simultanément, dans une étape E2, l’unité de contrôle 4 reçoit des informations relatives au roulis <p, au tangage 0 et au lacet de la part des différents capteurs.
[0093] Dans une étape E3, lors d’une mise à jour des instructions de navigation IN ou des informations relatives au roulis <p, au tangage 0 et au lacet , l’unité de contrôle 4 détermine, à partir de ces instructions et informations et des dimensions du drone Li et L2selon les axes Xd et Yd, un vecteur de propulsion T; pour chaque propulseur 3.
[0094] La [Fig.4] représente schématiquement le drone 1 de la [Fig.l], chaque propulseur 3 étant disposé à un coin du châssis 2. L’unité de contrôle détermine ainsi un vecteur de propulsion Ti à T4 pour chacun des propulseurs 3.
[0095] Dans l’exemple décrit, chaque vecteur T; est un vecteur orienté par rapport aux axes de roulis Xd, de tangage Yd et de lacet Zd du drone 1. L’orientation de chaque vecteur T; indique ainsi l’orientation de la propulsion que doit exercer le propulseur 3 correspondant et donc l’angle azimutal [3; et l’angle d’élévation a; selon lesquels ce propulseur 3 doit être orienté. Le module de chaque vecteur T; indique par ailleurs l’intensité de la propulsion que doit exercer le propulseur 3 correspondant et donc la vitesse de rotation des hélices de ce propulseur 3.
[0096] Plus précisément, dans une étape E31, l’unité de contrôle 4 détermine pour chaque propulseur une première composante dite de force TiF générant une poussée correspondant à la consigne de force F de l’instruction de navigation IN. Simultanément, dans une étape E32, l’unité de contrôle 4 détermine une deuxième composante dite de moment TiM générant une poussée correspondant à la consigne de moment Mx, My et/ou Mz de l’instruction de navigation IN.
[0097] Simultanément toujours, dans une étape E33, l’unité de contrôle 4 détermine une troisième composante de décalage de propulsion Ti0, ou offset, dont la valeur dépend de l’une ou plusieurs des informations relatives au roulis <p, au tangage 0 et au lacet du drone 1. Cette troisième composante permet d’assurer la stabilité du drone 1 et d’éviter que les propulseurs 3 soient orientés, individuellement et/ou collectivement, selon des orientations particulières, notamment selon des pôles d’orientation à 90° ou encore que les poussées générées par deux propulseurs soient orientées l’une vers l’autre.
[0098] Des exemples de calcul des composantes TiF, TiM et Ti0 seront données ultérieurement, en lien avec les [Fig.5] à [Fig.11].
[0099] Dans une étape E34, l’unité de contrôle détermine ainsi le vecteur de propulsion en sommant les composantes TiF, TiM et Ti0 déterminées aux étapes E31 à E33 :
[0101] On notera que les étapes E31 à E34 sont menées indépendamment pour chaque propulseur 3 du drone 1.
[0102] Dans une étape E4, l’unité de contrôle 4 détermine, pour chaque propulseur 3 et à partir du vecteur de propulsion T; déterminé ce propulseur 3, une paire d’angles de rotation a; et [3; tels que la poussée générée par ce propulseur 3 orienté selon ces angles de rotation soit dirigée de façon colinéaire audit vecteur de propulsion T;. L’unité de contrôle 4 détermine en outre, pour chaque propulseur 3 et à partir du vecteur de propulsion T; déterminé ce propulseur 3, une vitesse de rotation ai; des hélices de ce propulseur telle que la force de la poussée exercée par ce propulseur corresponde au module du vecteur de propulseur T; déterminé pour ce propulseur 3.
[0103] Ainsi, dans une étape E5, l’unité de contrôle 4 contrôle chaque système moteur pour que le deuxième arbre 32 associé soit orienté selon l’angle [3;et pour que le propulseur monté sur ce deuxième arbresoit incliné selon a;. La poussée de chaque propulseur 3 est donc dirigée dans la même direction et le même sens que le vecteur de propulseur Tj déterminé pour ce propulseur 3. Simultanément, l’unité de contrôle 4 contrôle la vitesse de rotation des hélices de chaque propulseur 3 selon la vitesse oij. La poussée de chaque propulseur 3 correspond ainsi au module du vecteur de propulseur T; déterminé pour ce propulseur 3.
[0104] En lien avec la [Eig.5], on va décrire une loi de pilotage permettant de déterminer, à l’étape E31, la première composante de force TiF de chaque propulseur 3.
[0105] Dans l’exemple de la [Eig.5], l’unité de contrôle détermine chaque première composante de force TiF comme une fraction de la consigne de force par le nombre N de propulseurs 3 du drone :
[0107] En d’autres termes, les premières composantes de force TiF des vecteurs de propulsion T; sont toutes identiques les unes aux autres et leur combinaison génère à elle seule une poussée correspondant à la consigne de force F de l’instruction de navigation IN. On notera qu’en l’absence de consigne de force, ces premières composantes sont milles. [0108] En lien avec la [Fig.6], on va décrire une loi de pilotage permettant de déterminer, à l’étape E32, la deuxième composante de moment T; M de chaque propulseur 3, dans le cas où la consigne de moment de l’instruction de navigation IN est une consigne de roulis Mx.
[0109] Dans ce cas, l’unité de contrôle 4 détermine les deuxièmes composantes de moment TiM des vecteurs de propulsion T; de chacun des propulseurs 3 de sorte que ces deuxièmes composantes de moments soient de sens identiques pour des propulseurs 3 disposés d’un même côté du drone 1 par rapport à son axe de roulis Xd et de sorte que les deuxièmes composantes de moments soient de sens opposés pour des propulseurs 3 disposés sur des côtés opposés du drone 1 par rapport à son axe de roulis Xd.
[0110] Dans un exemple non limitatif de l’invention, l’unité de contrôle 4 pourra par exemple déterminer les deuxièmes composantes de moment selon les équations suivantes :
[0112] Dans cet exemple, les deuxièmes composantes TiM sont orientées uniquement selon l’axe de lacet Zd du drone, et présentent une même norme, déterminée à partir de la consigne de moment Mx et de la demi-largeur du drone 1 mesurée selon son axe de tangage Yd.
[0113] Dans le cas où la consigne de moment de l’instruction de navigation IN est une consigne de tangage My, une loi de pilotage équivalente pourra être employée pour déterminer les deuxièmes composantes de moment T; M en considérant l’axe de tangage Yd à la place de l’axe de roulis Xd et la demi-longueur Li du drone 1 selon l’axe de roulis Xd plutôt que la demi-largeur L2 du drone 1.
[0114] En d’autres termes, les deuxièmes composantes de moment TiM permettent de générer un couple entrainant un roulis <p et/ou un tangage 0, conformément à la consigne de moment Mx et/ou My.
[0115] En lien avec la [Fig.7], on va décrire une loi de pilotage permettant de déterminer, à l’étape E32, la deuxième composante de force T; M de chaque propulseur 3, dans le cas où la consigne de moment de l’instruction de navigation IN est une consigne de lacet Mz.
[0116] Dans ce cas, l’unité de contrôle 4 détermine les deuxièmes composantes de moment TiM des vecteurs de propulsion T; de chacun des propulseurs 3 de sorte que ces deuxièmes composantes de moment TiM soient orientées pour être toutes coplanaire avec le plan d’extension du châssis 2 défini par les axes de roulis Xd et de tangage Yd, en étant de sens opposés pour des propulseurs 3 disposés sur des coins opposés du véhicule. La contribution selon l’axe de lacet Zd de la deuxième composante de moment TiM à la poussée exercée par le propulseur 3 correspondant est donc nulle.
[0117] Plus précisément, l’unité de contrôle 4 est agencée pour répartir le couple généré par chaque propulseur à partir de la deuxième composante TiM entre les axes de roulis Xd et de tangage Yd. A ces fins, l’unité de contrôle 4 détermine la deuxième composante de moment TiM à partir de la consigne de lacet Mz, des dimensions du drone Li et L2 et en fonction d’un coefficient § de répartition du couple entre les axes de roulis Xd et de
[0120] En outre, l’unité de contrôle 4 sélectionne la valeur du coefficient § en fonction du tangage 0 du drone 1, selon une fonction prédéterminée, représentée en [Fig.8].
[0121] Cette fonction donne une valeur du coefficient § de 0,5 pour un tangage 0 nul, indiquant une répartition identique du couple entre les axes Xd et Yd lorsque le drone 1 est à plat et une valeur § de 0 pour un tangage 0 de 90°, indiquant une répartition identique du couple uniquement selon l’axe de roulis Xd lorsque le drone 1 est à la verticale
[0122] L’unité de contrôle 4 peut ainsi piloter la répartition de chaque deuxième composante TiM afin de diminuer la contribution de cette deuxième composante selon l’axe de tangage Yd du drone 1 lorsque le tangage devient trop important, ce qui permet d’éviter de créer une force venant s’opposer, dans certaines conditions, à la troisième composante Ti0 et qui entrainerait ainsi le propulseur vers une orientation selon un angle à 90° engendrant un blocage de cardan.
[0123] La combinaison des deuxièmes composantes TiM permet ainsi de générer un couple entrainant un lacet du drone 1, conformément à la consigne de moment Mz.
[0124] On notera qu’en l’absence de consigne de moment, les deuxièmes composantes de moment TiM sont milles.
[0125] En lien avec les [Fig.9] à [Fig.l 1], on va décrire une loi de pilotage permettant de déterminer, à l’étape E33, la troisième composante d’offset T; 0 de chaque propulseur 3. Chaque troisième composante Ti0 est déterminée par l’unité de contrôle 4 en sommant différentes sous-composantes, dont une sous-composante dite permanente Ti0P et une sous-composante dite de sécurité Ti0S.
[0126] Comme illustré en [Fig.9], l’unité de contrôle 4 détermine chaque sous-composante permanente TiOp en fonction du roulis <p et du tangage 0 du drone 1, de sorte que cette sous-composante permanente génère à elle seule une poussée selon une direction non orthogonale au plan d’extension du châssis 2 lors d’une navigation stationnaire, notamment coplanaire avec ce plan d’extension et en étant orientée selon un angle non nul, par exemple de 12°, par rapport à l’axe de roulis Xd du véhicule. La contribution selon l’axe de lacet Zd de la sous-composante permanente T; 0P à la poussée exercée par le propulseur 3 correspondant est donc nulle.
[0127] Dans le cas d’un vol stationnaire du drone 1, les poussées exercées par les propulseurs sont ainsi orientées latéralement vers l’extérieur du drone 1, ce qui permet d’augmenter la stabilité du drone 1 et de créer un moment de rappel ramenant le drone 1 dans sa position stationnaire si un évènement extérieur, comme du vent, le force à s’écarter de cette position.
[0128] Dans l’exemple de la [Fig.9], l’unité de contrôle 4 déterminer chaque sous- composante permanente Ti0P à partir d’un premier coefficient Fy dont la valeur est de 1 tant que le roulis <p du drone 1 est inférieur à 60° et dont la valeur devient nulle lorsque le roulis <p du drone 1 dépasse 80° et d’un deuxième coefficient Fx dont la valeur est de 1 tant que le tangage 0 du drone 1 est inférieur à 60° et dont la valeur devient nulle lorsque le tangage 0 du drone 1 dépasse 80°. La [Fig.10] donne un exemple de fonction permettant à l’unité de calcul 4 de déterminer la valeur du coefficient Fx en fonction du tangage 0 du drone 1.
[0129] Dans cet exemple, l’unité de contrôle 4 peut ainsi maintenir une orientation de la sous-composante permanente Ti0P constante au regard des axes de roulis Xd et de tangage Yd tant que le roulis <p et le tangage 0 du drone 1 restent inférieurs à 60° et au contraire d’annuler la contribution de la sous-composante permanente Ti0P à la poussée exercée par le propulseur 3 correspondant selon l’axe de roulis Xd lorsque le roulis <p est trop important et/ou selon l’axe de tangage Yd lorsque le tangage 0 est trop important. Ainsi, lorsque l’orientation d’un propulseur, selon l’un ou l’autre de ses angles a, et [3;, s’approche d’une valeur de 90°, cette sous-composante permanente Ti0P permet alors de contourner ce pôle sans à-coup et sans perdre en réactivité.
[0130] Comme illustré en [Fig.11], l’unité de contrôle 4 détermine chaque sous-composante de sécurité TiOs de la troisième composante d’offset Ti0 du vecteur de propulsion T; de chaque propulseur 3 à partir d’un coefficient Cy fonction du tangage 0 du drone 1.
[0131] Chaque sous-composante Ti0S est exclusivement orientée selon l’axe de tangage Yd. Le coefficient Cy est ainsi déterminé par l’unité de contrôle 4 de sorte que cette sous-composante Ti0S écarte la troisième composante d’offset Ti0 de l’axe de tangage Yd, de façon croissante jusqu’à une valeur de 20°, lorsque le tangage 0 dépasse une valeur seuil donnée, par exemple de 65°. En d’autres termes, cette sous-composante de sécurité Ti0S permet d’éviter un blocage de cardan lorsque le tangage 0 du drone 1 dépasse cette valeur seuil et que le drone 1 se rapproche ainsi de la verticale.
[0132] On pourra en outre prévoir que la troisième composante d’offset comporte d’autres sous-composantes de sécurité dont les valeurs sont déterminées à partir de l’un et/ou l’autre des roulis <p, tangage 0 et lacet du drone 1, et qui sont destinées à empêcher que l’un ou l’autre des angles a; et [3;, ne s’approche ou atteigne une valeur de 90°, voire ne reste à cette valeur pendant un temps trop long.
[0133] On notera que les sous-composantes de la troisième composante d’offset Ti0 sont exclusivement orientées selon l’un et/ou l’autre des axes de roulis Xd et de tangage Yd.
[0134] En lien avec la [Fig.12], on va désormais décrire une méthode, mise en œuvre lors de l’étape E4, permettant d’obtenir les angles a; et [3; à partir d’un vecteur de propulsion T; déterminé par l’unité de contrôle 4.
[0135] Les angles a, et [3; peuvent être déterminées simplement par l’unité de contrôle 4 en utilisant respectivement les fonctions sinus inverse et cosinus inverse.
[0136] Toutefois, comme représenté en [Fig.12], la direction d’un vecteur de propulsion T; peut être décrite par deux paires d’angles. En effet, s’il est possible de parvenir à un vecteur de propulsion T; à partir d’une configuration Topar une rotation selon un angle [3i dans le plan azimutal et par une rotation selon un angle d’élévation oq , il est également possible de parvenir au vecteur de propulsion T; depuis la même configuration To par des rotations [32 = 180°+ [3X et a2 = 180°- oq.
[0137] Ainsi, dans l’étape E4, l’unité de contrôle 4 détermine, pour chaque propulseur
3 et à partir du vecteur de propulsion T; déterminé pour ledit propulseur, ces deux paires d’angles de rotation. Puis, pour chacune de ces paires d’angles, l’unité de contrôle 4 calcule le temps de trajet depuis l’orientation courante du propulseur 3 vers l’orientation correspondant à cette paire d’angles. A ces fins, l’unité de contrôle 4 pourra employer un modèle de déplacement élémentaire angulaire du système moteur donnant le temps de réponse du système moteur nécessaire pour déplacer l’un ou l’autre des arbres 31 et 32 d’une unité angulaire. Pour chaque paire d’angles a; et [3i,le temps de trajet correspondra ainsi au maximum du temps nécessaire pour entrainer le premier arbre 31 en rotation et pivoter ainsi le deuxième arbre 32 vers cet angle [3;, et du temps nécessaire pour entrainer le deuxième arbre 32 en rotation et incliner ainsi le propulseur vers cet angle a;.
[0138] L’unité de contrôle 4 peut alors sélectionner, pour chaque propulseur 3, la paire d’angles a; et [3; parmi les deux paires d’angles présentant le temps de trajet le plus court et pour contrôler le système moteur pour orienter ce propulseur selon cette paire d’angles a; et [3; sélectionnée.
[0139] On pourra concevoir que chaque vecteur de propulsion soit déterminé à partir de plus de trois composantes, et notamment à partir d’une composante fonction de l’aérodynamique du drone, ou encore que chacune des composantes qui ont été décrites comporte d’autres sous-composantes que celles qui ont été décrites.
[0140] La description qui précède explique clairement comment l'invention permet d'atteindre les objectifs qu'elle s'est fixée, à savoir proposer des lois de pilotage permettant de définir, à partir de commandes en translation et en rotation du véhicule, qu’elles soient manuelles ou automatiques, à la fois l’orientation de chacun des propulseurs et la force de la poussée générée par chacun des propulseurs, et permettant d’assurer la stabilité du véhicule dans le cas d’une navigation stationnaire, notamment en cas de conditions extérieures mouvementées et d’éviter que les propulseurs du véhicule soient orientés selon des orientions singulières susceptibles de créer un blocage de cardan, en particulier de façon simultanée. Ces objectifs sont atteints par des lois de pilotage permettant d’aboutir à des consignes sous la forme de vecteurs de propulsion pour chaque propulseur en déterminant simultanément des composantes répondant respectivement à une consigne de force de propulsion du véhicule, une consigne de moment du véhicule et un décalage de propulsion, ou offset, déterminé à partir de l’assiette du véhicule et permettant de décaler la propulsion lorsqu’un ou plusieurs propulseurs s’approchent d’un pôle d’orientation à 90°. La position des angles de rotation de chaque propulseur selon ses axes de rotation propres, ainsi que la force de la propulsion peuvent alors être calculées à partir de ce vecteur de propulsion afin que le véhicule réponde à la consigne globale qui lui est fournie.
[0141] En tout état de cause, l'invention ne saurait se limiter aux modes de réalisation spécifiquement décrits dans ce document, et s'étend en particulier à tous moyens équivalents et à toute combinaison techniquement opérante de ces moyens. On pourra en particulier envisager d’autres configurations du véhicule omnidirectionnel, notamment employant d’autres types de propulseurs ou d’autres types d’arbres mobiles en rotation ou encore employant un nombre différent de propulseur ou une configuration spatiale différente des propulseurs sur le châssis. On pourra encore concevoir d’autres lois de pilotage que celles qui ont été décrites.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Véhicule propulsé (1) comportant : a. un châssis (2) ; b. au moins deux propulseurs (3) montés sur le châssis, chaqu e propulseur étant monté mobile en rotation sur le châssis s elon deux axes de rotation orthogonaux (a, |3) et chaque pro pulseur étant apte à exercer une poussée selon une direction définie par l’angle de rotation (cq, [3;) du propulseur selon c hacun de ces axes de rotation ; c. au moins deux systèmes moteurs chacun associé à l’un des propulseurs et susceptible d’ entrainer une rotation dudit pro pulseur selon l’un et/ou l’autre desdits axes de rotation ; d. une unité de contrôle (4) des systèmes moteurs, caractérisé en ce que, à la réception d’une instruction de navigation (IN), l’unité de contrôle est agencée pour déterminer, à partir de l’instruction de navigation, un vecteur de propulsion (T;) pour chacun des propulseurs comportant une première composante dite de force (TiF) générant une poussée correspondant à une consigne de force (F) de l’instruction de navigation, une deuxième composante dite de moment (TiM) générant une poussée correspondant à une consigne de moment (Mx, My Mz) de l’instruction de navigation et une troisième composante de décalage de propulsion (Ti0) dont la valeur dépend de l’assiette (<p, 0 ) du véhicule; l’unité de contrôle étant agencée pour contrôler les systèmes moteurs associés à chaque propulseur en fonction dudit vecteur de propulsion déterminée pour ce propulseur.
[Revendication 2] Véhicule propulsé (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (4) est agencée pour déterminer la première composante de force (T; F) du vecteur de propulsion (T;) de chaque propulseur (3) comme une fraction de ladite consigne de force (F).
[Revendication 3] Véhicule propulsé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lorsque l’instruction de navigation (IN) reçue par l’unité de contrôle (4) intègre une consigne de moment de roulis et/ou de tangage (Mx, My), l’unité de contrôle est agencée pour déterminer les deuxièmes composantes de moment (TiM) des vecteurs de propulsion (T;) de chacun des propulseurs (3) de sorte que les deuxièmes composantes de moments soient de sens identiques pour des propulseurs disposés d’un même côté du véhicule par rapport à un axe de roulis (Xd) et/ou de tangage (Yd) du véhicule et de sorte que les deuxièmes composantes de moments soient de sens opposés pour des propulseurs disposés sur des côtés opposés du véhicule par rapport audit axe de roulis et/ou de tangage.
[Revendication 4] Véhicule propulsé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lorsque l’instruction de navigation (IN) reçue par l’unité de contrôle (4) intègre une consigne de moment de lacet (Mz), l’unité de contrôle est agencée pour déterminer les deuxièmes composantes de moment (TiM) des vecteurs de propulsion (T;) de chacun des propulseurs (3) de sorte que les deuxièmes composantes de moment soient de sens opposés pour des propulseurs disposés sur des coins opposés du véhicule.
[Revendication 5] Véhicule propulsé (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (4) est agencée pour déterminer la deuxième composante de moment (TiM) du vecteur de propulsion (Tj) de chaque propulseur (3) en fonction d’un coefficient (§) de répartition du couple entre les axes de roulis (Xd) et de tangage (Y d) et dont la valeur est déterminée par l’unité de contrôle à partir de l’assiette (<p, 0 ) du véhicule, cette valeur s’approchant d’une valeur nulle au fur et à mesure que le roulis (<p), le tangage (0) et/ou le lacet ( ) du véhicule s’approche de 90°.
[Revendication 6] Véhicule propulsé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (4) est agencée pour déterminer une sous-composante dite permanente (TiOp) de la troisième composante de décalage de propulsion (Ti0) du vecteur de propulsion (Tj) de chaque propulseur (3), cette sous-composante permanente générant à elle seule une poussée selon une direction non orthogonale à un plan d’extension du châssis (2) lors d’une navigation stationnaire.
[Revendication 7] Véhicule propulsé (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (4) est agencée pour déterminer ladite sous-composante permanente (TiOp) à partir d’un premier coefficient (Fy) dont la valeur est maximale tant que le roulis (<p) du véhicule est inférieur à une première valeur seuil donnée et dont la valeur est minimale lorsque le roulis du véhicule dépasse une deuxième valeur seuil donnée et d’un deuxième coefficient (Fx) dont la valeur est maximale tant que le tangage (0) du véhicule est inférieur à une troisième valeur seuil donnée et dont la valeur est minimale lorsque le tangage du véhicule dépasse une quatrième valeur seuil donnée.
[Revendication 8] Véhicule propulsé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de contrôle est agencée pour déterminer, à partir de l’assiette (<p, 0 ) du véhicule, une sous-composante dite de sécurité (TiOs) de la troisième composante de décalage de propulsion (Ti0) du vecteur de propulsion (T;) de chaque propulseur (3), ladite sous-composante écartant ladite troisième composante de décalage de propulsion d’un axe de tangage (Yd) et/ou de roulis (Xd) et/ou de lacet (Zd) du véhicule lorsque le tangage (0), respectivement le roulis (<p) et le lacet ( ), du véhicule dépasse une valeur seuil donnée.
[Revendication 9] Véhicule propulsé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (4) est agencée pour déterminer, pour chaque propulseur (3) et à partir du vecteur de propulsion (T;) déterminé pour ledit propulseur, une paire d’angles de rotation (a;, |3;) selon les deux axes de rotation orthogonaux (a, |3) dudit propulseur, et pour contrôler les systèmes moteurs associés audit propulseur pour entrainer une rotation dudit propulseur autour desdits axes de rotation selon lesdits angles de rotation déterminés.
[Revendication 10] Véhicule propulsé (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (4) est agencée pour déterminer, pour chaque propulseur (3) et à partir du vecteur de propulsion (T;) déterminé pour ledit propulseur, deux paires d’angles de rotation (ab [3i, a2, |32) selon les deux axes de rotation orthogonaux (a, |3) dudit propulseur et définissant chacune une même direction orientée selon ledit vecteur de propulsion, et en ce que l’unité de contrôle est agencée pour sélectionner la paire d’angles (ai5 13;) minimisant une fonction de coût prédéterminée au regard de l’orientation courante (T o) du propulseur.
[Revendication 11] Véhicule propulsé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est un drone aérien à propulsion omnidirectionnelle.
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