Principes de vol : comment un multirotor tient immobile dans les airs

Une hélice pousse l'air vers le bas et reçoit en réaction une poussée vers le haut. La poussée varie à peu près avec le carré de la vitesse de rotation et avec la masse volumique de l'air, et un plus grand diamètre la produit plus efficacement (T = C_T × ρ × n² × D⁴, où ρ est la masse volumique de l'air, n la vitesse de rotation et D le diamètre). En altitude ou par forte chaleur, l'air est moins dense ; les rotors doivent donc tourner plus vite pour porter le même poids.

Le stationnaire est l'état dans lequel la poussée totale des quatre rotors (ou plus) équilibre exactement le poids mg — sur un quadricoptère, mg ÷ 4 par rotor. Plus la caméra d'inspection ou le capteur de contact est lourd, plus les rotors tournent vite et moins il reste de réserve de poussée pour monter ou lutter contre les rafales. La conception d'un aéronef d'inspection est une bataille pour cette marge.

Un multirotor n'a pas de gouvernes. Tout mouvement vient des différences de vitesse entre les moteurs. Ralentissez légèrement les moteurs avant et accélérez les moteurs arrière : l'aéronef pique vers l'avant, la poussée s'incline vers l'avant et l'aéronef accélère (T·sinθ sur la figure). Le roulis fonctionne de la même façon. Pour s'arrêter, il s'incline dans l'autre sens et freine.

Le lacet fonctionne différemment. Une hélice en rotation produit un couple de réaction qui tend à faire tourner la cellule en sens inverse. Sur un quadricoptère, une paire diagonale tourne dans le sens horaire et l'autre dans le sens antihoraire, de sorte que les couples s'annulent. Accélérez une paire et ralentissez l'autre en gardant la poussée totale constante : seul le déséquilibre de couple subsiste — l'aéronef pivote sur place.

Un multirotor est un véhicule intrinsèquement instable qui basculerait en quelques secondes s'il était livré à lui-même. Le contrôleur de vol le maintient en l'air par une commande en cascade. De l'extérieur vers l'intérieur, il fixe des consignes de position, puis de vitesse, puis d'attitude, puis de vitesse angulaire ; la boucle de vitesse angulaire, la plus interne, lit les gyroscopes et commande les moteurs. La plupart des étages sont des régulateurs PID (corrigeant selon l'ampleur de l'erreur, P ; son cumul, I ; et la rapidité de sa variation, D) ou des étages plus simples en P seul (dans PX4, par exemple, la position utilise un P tandis que la vitesse et la vitesse angulaire utilisent un PID).

L'astuce est que les boucles internes tournent plus vite. Les erreurs d'attitude grandissent en un instant ; la boucle de vitesse angulaire tourne donc des centaines de fois par seconde ou plus, tandis que la boucle de position peut être bien plus lente. Le mélangeur répartit « tourner de tant autour de tel axe » en vitesses de moteurs individuelles. Un mauvais réglage se révèle près des ouvrages : l'aéronef soit réagit trop fort aux petites perturbations, soit répond trop tard et dérive.

La sensation d'un aéronef qui se rattrape avant de basculer s'apprend plus vite aux manches qu'en lisant. Essayez les manches en survolant une carte du monde dans votre navigateur (Airffic Simulation, en japonais).

La commande ne fonctionne que si l'aéronef connaît son état actuel. Aucun capteur ne peut être cru seul ; des capteurs aux caractères différents sont donc fusionnés — généralement avec un filtre de Kalman étendu (EKF) — pour estimer en même temps la position, la vitesse, l'attitude et même les biais des capteurs.

L'EKF répartit le travail : prédire rapidement avec l'IMU, corriger lentement avec tout le reste. Ce qui compte, c'est sa capacité à détecter un capteur qui ment et à le rejeter. Si le GNSS saute à cause des trajets multiples sous un pont, ou si le compas est faussé par des poutres en acier, et que le filtre continue de leur faire confiance, l'aéronef peut dériver droit dans l'ouvrage. Voir environnements sans GNSS, perturbations magnétiques et le chapitre suivant sur la navigation.

Pour apprendre depuis le début ce qu'apportent respectivement le GNSS, le baromètre et le compas, voir une leçon d'introduction sur la façon dont un drone sait où il est (Tobira, en japonais).

Dans le vent, un drone tient sa position en s'inclinant face au vent. Plus le vent est fort, plus l'inclinaison est prononcée et plus la poussée part sur le côté — ce qui laisse moins de marge pour monter ou tourner et vide la batterie plus vite. La « vitesse de vent maximale » d'un constructeur est une indication sur le maintien d'attitude en air libre, pas une promesse de pouvoir photographier près d'un ouvrage dans un écoulement turbulent.

Les ouvrages dévient, décollent et détachent le vent en tourbillons. Derrière les piles, aux angles des bâtiments et sous le vent des mâts d'éoliennes, les rafales changent brusquement de direction. L'aéronef doit mesurer la dérive avant de pouvoir la corriger, il y a donc toujours un retard — et la distance parcourue en dérive pendant ce retard fixe la distance minimale à l'ouvrage. Voir vent et turbulence.

Le même vent se présente autrement du point de vue du transport de marchandises. Comparez avec comment le stationnaire et le vent rognent le rayon de livraison (Airffic Logistics).

Quand un sol, un plafond ou un mur est proche des rotors, l'écoulement d'air change et la poussée aussi. L'inspection consiste justement à s'approcher des ouvrages ; on ne peut donc pas l'éviter.

Un multirotor consomme de l'énergie simplement pour rester en l'air. La puissance en stationnaire croît plus vite que la masse ; ajouter de la batterie ajoute donc aussi la puissance nécessaire pour soulever cette batterie — un dilemme intrinsèque. Les batteries lithium stockent bien moins d'énergie par kilogramme que le carburant, et les multirotors d'inspection courants volent quelques dizaines de minutes au plus.

• Froid : les basses températures réduisent la puissance disponible et provoquent des chutes de tension soudaines. Réchauffez les batteries avant le décollage. Froid et givrage
• Vent et masse : vent fort, charges utiles lourdes et montées fréquentes vident la batterie plus vite que l'estimation.
• Le chemin du retour : dans les zones à GNSS faible ou au cœur des ouvrages, le retour prend plus de temps. Fixez les seuils de réserve d'après ce qu'il faut pour revenir.
• Santé des batteries : la capacité diminue avec les cycles et le stockage. Tenez un journal par batterie.

Si vous voulez des chiffres sur la durée pendant laquelle une charge utile et une batterie données vous maintiendront en l'air avant de choisir un aéronef d'inspection, vous pouvez estimer le temps de stationnaire à partir de la masse de la cellule et de la batterie (Airffic Architect). Les résultats proviennent d'un modèle à coefficients, et non d'une mesure sur banc de poussée ; ne confondez pas les deux.

Un avion à voilure fixe génère de la portance grâce à sa vitesse vers l'avant (portance = ½ × masse volumique de l'air × vitesse² × surface alaire × coefficient de portance). Il n'a pas besoin de rotors en rotation simplement pour rester en l'air ; il vole donc bien plus loin avec la même énergie — idéal pour des ouvrages linéaires de plusieurs dizaines de kilomètres comme les pipelines, les lignes électriques, les voies ferrées et les digues. Mais il ne peut pas s'arrêter ni s'approcher.

Survoler de longues lignes implique presque toujours des opérations hors vue (BVLOS). L'obstacle est généralement la coordination de l'espace aérien et les procédures d'exploitation plutôt que l'aéronef lui-même — suite dans opérations à distance et BVLOS.