Sélection et calcul des performances du système de propulsion pour les Uav multi-rotors

Le choix du système de propulsion d'un tel véhicule est crucial pour répondre aux besoins de la mission. Le système de propulsion influence directement les performances de vol, l'endurance, la capacité de charge utile, la maniabilité et l'efficacité opérationnelle globale. Que vous conçoyiez un drone d'inspection commercial, une plateforme de pulvérisation agricole, un quadcopter de course ou un système de surveillance de longue durée, il est essentiel de comprendre les principes de sélection du système de propulsion et de calcul des performances pour obtenir des résultats optimaux.

Ce guide complet explore les concepts fondamentaux, les considérations techniques, les méthodes de calcul et les approches pratiques pour sélectionner et optimiser les systèmes de propulsion pour les UAV multi-rotors. De la compréhension des rapports de poussée à poids au calcul de l'endurance de la batterie, nous couvrirons tout ce que vous devez savoir pour prendre des décisions éclairées sur l'architecture de propulsion de votre UAV.

Comprendre les systèmes de propulsion UAV multi-routiers

Les moteurs électriques fonctionnent à plusieurs reprises sur une plate-forme de drone, largement divisée en systèmes de propulsion et de mouvement de précision. Dans les configurations multi-rotors, le système de propulsion se compose de plusieurs composants interconnectés qui travaillent ensemble pour générer de la poussée et permettre un vol contrôlé.

Composantes essentielles du système de propulsion

Un système de propulsion multirotor typique comprend quatre éléments principaux:

• Moteurs sans brosse: Un moteur de drone est un composant clé qui alimente les hélices d'un drone en convertissant l'énergie électrique en énergie mécanique pour générer des ascenseurs et permettre des mouvements.Ces moteurs sont des moteurs sans brosses pour les drones en raison de leur efficacité, de leur rapport couple/poids élevé et de leurs faibles besoins en maintenance.
• Commandeurs de vitesse électroniques (ESC): Chaque moteur fonctionne avec l'aide d'un régulateur de vitesse électronique (ESC) pour réguler la vitesse, la direction et la consommation d'énergie des moteurs. L'ESC agit comme interface entre le contrôleur de vol et le moteur, traduisant les signaux de commande en vitesses précises du moteur.
• Propulseurs:[ Les pales rotatives qui génèrent la poussée en accélérant l'air vers le bas. Une hélice, qu'elle soit sur un aéronef ou un drone, génère la poussée en accélérant l'air. Les pales d'hélice sont façonnées pour créer une différence de pression entre leurs surfaces avant et arrière, ce qui provoque l'attraction de l'air et l'expulsion à une vitesse plus élevée.
• Pack de batteries:[ La source d'énergie qui alimente l'ensemble du système, typiquement les batteries au lithium-polymère (LiPo) pour leur densité d'énergie élevée et leur débit de décharge.

Fonctionnement de la propulsion multi-rotor

Les multirotors comptent entièrement sur la rotation à grande vitesse de plusieurs rotors pour contrer la gravité. Le vol et la manœuvre nécessitent une consommation d'énergie continue, ce qui en fait un « vol intensif en travail ».

Les drones multi-rotors atteignent la stabilité de vol en ajustant la vitesse de chaque moteur pour contrôler la direction et le mouvement. L'équilibrage dynamique de la poussée entre plusieurs rotors permet des manœuvres précises et la possibilité de survoler en place. Ce contrôle différentiel de poussée permet au drone d'exécuter des mouvements de lacet, de tangage et de roulis sans aucune surface de commande en mouvement, contrairement aux avions.

Facteurs critiques influant sur la sélection du système de propulsion

Le choix d'un système de propulsion approprié nécessite une attention particulière aux multiples facteurs interdépendants. Comme ce type d'UAV se caractérise par une consommation d'énergie élevée, il est de la plus haute importance de choisir précisément les paramètres et composants du système afin d'atteindre les performances de vol requises qui répondent aux exigences de la mission.

Poids total du système

Le poids total de votre UAV est la base de tous les calculs de propulsion. La première chose à considérer lors de la conception d'un drone est son poids. Vous ne saurez pas le poids précis avant de décider sur les moteurs. Mais à commencer par une estimation approximative du poids du drone rendra le calcul de la conception du drone plus facile.

Le poids total comprend généralement:

• Poids de la cellule:[ Structure de la structure, train d'atterrissage, matériel de montage et composants structuraux
• Poids du système de propulsion: Moteurs, ESC, hélices et câblages associés
• Poids de la batterie: La source d'énergie, qui représente souvent 20-30% du poids total
• Électronique Poids: Contrôleur de vol, GPS, systèmes de télémétrie et capteurs
• Poids de charge:[ Appareils photo, gimbals, capteurs, cargaison ou matériel spécifique à la mission

Plus le drone est lourd, plus la puissance nécessaire pour le maintenir en vol. Des matériaux légers comme la fibre de carbone et les composites plastiques sont couramment utilisés pour réduire le poids global.

Profil de la mission et caractéristiques de vol

Votre style de vol détermine directement la poussée dont votre drone a réellement besoin. Différents styles de vol exigent des exigences de poussée très différentes : Cinematic FPV : Nécessite une réponse aux gaz lisses et une poussée contrôlable. Freestyle : Priorise la puissance explosive, la montée rapide et la capacité de récupération. Course : Poursuite de l'accélération extrême et réponse aux gaz · Long Gamme : Recherche de stabilité et capable de transporter des charges lourdes.

Envisager de répondre à ces besoins spécifiques à la mission :

• Photographie aérienne/vidéographie:[ Nécessite un vol stationnaire stable, des mouvements fluides et un temps de vol prolongé avec des charges utiles pour la caméra
• Inspection et levé:[ Besoin d'endurance modérée, positionnement précis et capacité de transporter des capteurs
• Applications agricoles:[ Exige une capacité de charge utile élevée pour l'équipement de pulvérisation et les produits chimiques
• Raçage:[ Privilégier l'accélération maximale, la vitesse maximale élevée et la réponse rapide
• Recherche et sauvetage:[ Exige une endurance prolongée, une performance fiable dans diverses conditions et une flexibilité de charge utile

Conditions d'exploitation environnementales

Les facteurs clés qui influent sur l'efficacité de la propulsion sont le poids du drone, l'aérodynamique, la durée de vie de la batterie, la taille de l'hélice et les conditions environnementales, comme le vent ou la température.

Les facteurs environnementaux ont une incidence significative sur les performances de propulsion:

• Altitude:[ Les hautes altitudes et les températures chaudes réduisent la densité de l'air, abaissent l'efficacité de la poussée.
• Température: Les températures extrêmes affectent les performances de la batterie, l'efficacité du moteur et le fonctionnement de l'ESC. Les températures élevées en été sont en effet un défi majeur pour les opérations de drone. Nous recommandons de traiter ce problème à partir de trois aspects : Choisir le moteur approprié : Choisir des moteurs de qualité industrielle avec une meilleure conception de dissipation de la chaleur (comme la série T-MOTOR U) et éviter d'utiliser des moteurs de qualité consommation pendant de longues périodes sous des charges lourdes.
• Conditions de vent:[ Des vitesses de vent plus élevées exigent des réserves de poussée supplémentaires pour maintenir la position et le contrôle
• Humidité et précipitations:[ Peut affecter le refroidissement moteur et la fiabilité des composants électriques

Efficacité moteur et gestion thermique

L'efficacité du moteur a une incidence directe sur la consommation d'énergie et donc sur la durée du vol. Les moteurs à haut rendement réduisent la charge de la batterie, permettent de prolonger les temps de mission et réduisent la contrainte thermique sur le système de propulsion.

Contrairement à de nombreux moteurs industriels, les moteurs à drones dépendent fortement du flux d'air généré par le mouvement de l'hélice et le vol avant pour le refroidissement. Un refroidissement inadéquat peut entraîner une réduction de l'efficacité, une réduction de la durée de vie des composants et une défaillance potentielle pendant le vol.

Classe KV moteur et adéquation des hélices

La cote KV, qui définit la relation entre la vitesse du moteur et la tension appliquée, doit être soigneusement adaptée au profil de l'hélice et de la mission. Une valeur KV mal adaptée peut réduire l'efficacité, augmenter la contrainte thermique ou limiter la capacité de poussée.

La cote KV indique le régime de rotation du moteur par volt d'entrée.

• Moteurs haute KV (2000+ KV): Tourner plus vite avec des hélices plus petites, adapté aux manœuvres de course et agiles
• Moteurs KV moyens (1000-2000 KV): Performance équilibrée pour les applications à usage général
• Moteurs KV bas (inférieurs à 1000 KV): Tourner les hélices plus grandes plus lentement, idéal pour les applications de levage lourd et d'endurance

Les moteurs à plus haute KV produisent plus de poussées mais peuvent tirer plus de puissance. Exemple : Un moteur de 1 400 KV jumelé à des hélices efficaces est idéal pour les drones légers.

Compatibilité des batteries et besoins en puissance

La compatibilité entre la batterie et le moteur est essentielle pour les performances de vol. Une combinaison inappropriée peut conduire à une instabilité ou à une puissance insuffisante. La batterie doit être capable de fournir le courant exigé par les moteurs sans rafales de tension excessive ou surchauffe.

La batterie de plus grande capacité consomme moins de courant. ... La batterie de plus grande capacité peut atteindre des RPM plus élevés. ... La batterie de plus grande capacité permet une charge utile et une endurance plus élevées.

Comprendre le rapport entre la poussée et la poussée

La poussée est la force fondamentale qui permet le vol multi-rotor. La poussée dans le moteur de drone est la force générée pour contrer la gravité et propulser le drone vers le haut ou vers l'avant. C'est le concept fondamental dans l'opération d'un drone pour déterminer sa capacité à soulever des charges utiles, effectuer des manœuvres et maintenir un vol stable.

Qu'est-ce que le rapport entre la poussée et la masse?

Le rapport poussée-poids est crucial car il a une incidence directe sur la performance et la stabilité du vol. Il s'agit du rapport entre la poussée totale du moteur et la masse UAV, indiquant si la poussée supporte le vol.

Le rapport poussée-poids (TWR) est calculé comme suit:

TWR = Masse totale / Poids total

Un TWR de 2:1 signifie que le système de propulsion peut générer deux fois la poussée nécessaire pour contrer le poids du drone. Cela ne signifie pas, cependant, qu'une poussée égale au poids du drone est suffisante ! Dans la plupart des cas, vous devriez prévoir un rapport de poussée de 2:1 pour permettre à votre drone de voler à moitié à l'accélérateur.

Rapport de poussée à la masse recommandé

Différentes applications nécessitent des valeurs TWR différentes:

• 1.5:1 à 2:1: Des rapports inférieurs (p. ex. 1,5:1) sont suffisants pour le vol stationnaire et la photographie stable.
• 2:1 à 3:1: Performance équilibrée pour la plupart des applications commerciales, offrant une bonne maniabilité et autorité de contrôle
• 3:1 à 5:1: Les rapports élevés (p. ex., 2:1 ou plus) sont idéaux pour les drones de course et l'aérobatique.
• Au-dessus de 5:1: Performances extrêmes pour les courses compétitives, mais au prix d'un temps de vol réduit

Les rapports plus élevés signifient une meilleure montée, une meilleure maniabilité et une meilleure capacité de charge. La poussée motrice devrait être au moins deux fois le poids total de l'UAV pour de bonnes performances.

Calcul de la poussée nécessaire

Pour déterminer la poussée requise de chaque moteur:

Thrust per Motor = (Poids total × TWR) / Nombre de moteurs

Par exemple, supposons que nous venons d'apprendre à tourner des vidéos FPV, et un rapport de 3:1 sera suffisant. Déterminez le nombre de moteurs dans votre drone. Nous construisons un quadcopter, donc nous garderons la valeur par défaut de quatre. La calculatrice de moteur de drone multiplie le poids total de notre drone par le rapport poussée-poids et affiche cette valeur – dans notre cas, 2100 grammes – comme la poussée complète requise pour notre drone. La dernière étape consiste à diviser la poussée totale par le nombre de moteurs. Nous avons besoin de quatre moteurs qui fourniront une poussée d'au moins 525 grammes chacun.

Importance de marges de poussée adéquates

Pour un vol stable, la poussée totale de tous les moteurs de drone doit dépasser le poids total du drone. Pendant le vol stationnaire, la poussée correspond à la force gravitationnelle, en mouvement avant ou en montée, une poussée supplémentaire est nécessaire.

Le maintien des marges de poussée présente plusieurs avantages :

• Permet de planer à l'accélérateur partiel, d'améliorer la précision de contrôle et de réduire l'usure du moteur
• Fournit une puissance de réserve pour manœuvrer, grimper et répondre aux rafales de vent
• Compensation pour une poussée réduite à l'altitude ou en conditions chaudes
• Permet une flexibilité de charge utile et de futures mises à niveau
• Améliore l'efficacité de la batterie en évitant le fonctionnement à la puissance maximale

Sélection et spécifications du moteur

Choisir le moteur approprié implique de comprendre les principales spécifications et la façon dont elles sont liées aux exigences de votre UAV.

Caractéristiques principales du moteur

Taille et poids du moteur:[ Généralement désignés par un nombre à quatre chiffres (p. ex., 2207, 2306) où les deux premiers chiffres représentent le diamètre du stator en millimètres et les deux derniers représentent la hauteur du stator.

KV Cote:[ Comme nous l'avons vu plus haut, cela indique le RPM déchargé du moteur par volt. La relation entre le KV, la tension et la taille de l'hélice est essentielle pour l'optimisation.

Courant maximal: Le courant maximal que le moteur peut supporter sans endommager. Il doit être assorti aux capacités de l'ESC et aux débits de décharge de la batterie.

Cote de puissance: La puissance maximale continue, mesurée en watts. La puissance d'un moteur détermine l'efficacité de votre drone à décoller, à transporter la charge utile et à maintenir la stabilité pendant le vol. Il représente la vitesse à laquelle un moteur peut travailler ou produire une poussée, qui est essentielle pour maintenir le drone en vol et la manœuvre. Pour calculer la puissance du moteur, vous devez tenir compte de divers facteurs, y compris le poids total du drone, la poussée souhaitée et l'efficacité du moteur.

Efficacité: Nous avons récemment découvert que l'efficacité maximale moyenne d'un moteur sans brosse est d'environ 78%, donc nous allons supposer que c'est l'efficacité de notre moteur. L'efficacité du moteur varie avec la charge et le régime de rotation, donc examiner les courbes d'efficacité est important pour optimiser les performances.

Erreurs de sélection de moteurs communes

Beaucoup d'utilisateurs se concentrent fortement sur la poussée motrice, croyant que plus est toujours mieux. Bien que la poussée est importante, il est crucial de considérer l'équilibre de l'ensemble du système. La poussée excessive tout en négligeant d'autres facteurs peut conduire à plusieurs problèmes : ● haute consommation de puissance et faible efficacité : Choisir un moteur avec une poussée excessive peut conduire à une consommation de puissance inutile, réduisant l'efficacité globale. ● réduction du temps de vol : les moteurs à haute poussée nécessitent généralement plus de puissance, raccourcissant considérablement le temps de vol. ● augmentation du poids moteur : les moteurs à haute poussée sont souvent plus lourds, augmentant le poids total de l'UAV et affectant les performances de vol.

Lors de la sélection d'un moteur multirotor UAV, il faut tenir compte de l'efficacité, du poids, de la maniabilité, du coût et des exigences de mission en même temps que la poussée.

Comprendre le couple dans la sélection de moteurs

Le couple est un concept fondamental dans les moteurs de drones représentant la force de rotation qu'un moteur génère pour faire tourner l'hélice. Il affecte directement la capacité du drone à soulever, manœuvrer et stabiliser dans diverses conditions. Il est mesuré à Newton mètres (Nm) et détermine comment efficacement un moteur sans brosse pour drone peut surmonter la résistance et maintenir la vitesse de l'hélice.

Les moteurs à drones à haute torque peuvent faire tourner de grandes hélices et produire une poussée plus grande pour les charges utiles lourdes ou les opérations à haute altitude. ... Le couple assure des réglages précis de la vitesse de l'hélice et maintient la stabilité pendant le vol. Dans les drones multi-rotor, le couple d'équilibrage entre tous les moteurs à drone est essentiel pour exécuter des manœuvres en lacet, en tangage et en roulis.

Sélection et optimisation des hélices

L'hélice est l'endroit où l'énergie électrique est convertie en poussée aérodynamique. La sélection adéquate de l'hélice est tout aussi importante que la sélection du moteur pour obtenir une performance optimale.

Spécifications de l'hélice

Les hélices sont généralement désignées par deux nombres : le diamètre et la hauteur (par exemple, 10×4,5 signifie 10 pouces de diamètre avec 4,5 pouces de hauteur).

Diamètre: La taille globale de l'hélice de l'extrémité à l'extrémité. Les hélices plus grandes génèrent plus de levage, tandis que les hélices plus pointues augmentent la vitesse.

Pitch: La distance théorique que l'hélice avance en une seule révolution. Les hélices à pas plus élevé génèrent plus de poussée à des vitesses plus élevées mais nécessitent plus de puissance.

Compte de la lame: La plupart des hélices multirotors ont 2 ou 3 lames. Les hélices à trois lames fournissent généralement plus de poussée mais avec un rendement légèrement réduit.

Matériel: Les matériaux courants comprennent le plastique (léger, peu coûteux), la fibre de carbone (stint, durable, coûteux) et les matériaux composites (propriétés équilibrées).

Correspondance moteur-propulseur

Le choix de l'hélice influence grandement les besoins en puissance motrice. Les hélices plus grandes ou celles à plus grande hauteur génèrent plus de poussée mais exigent plus de puissance.

La relation entre le moteur KV et la taille de l'hélice suit les directives générales:

• High KV (2000+ KV):[ Meilleur avec de petites hélices (5-7 pouces) pour la course et l'agilité
• Moyen KV (1000-2000 KV):[ Convient aux hélices moyennes (8-12 pouces) pour les applications générales
• KV faible (inférieur à 1000 KV):[Optimal pour les grandes hélices (13+ pouces) pour le transport lourd et l'endurance

Les fabricants fournissent souvent des données d'essai de poussée pour des combinaisons d'hélices automobiles spécifiques, qui devraient être consultées pendant le processus de sélection.

Considérations relatives à l'efficacité de l'hélice

Si les hélices sont endommagées ou déséquilibrées, elles peuvent entraîner des vibrations qui affectent négativement les performances. La poussée de l'hélice dépend des propriétés de l'hélice et de l'air qui l'entoure. L'inspection régulière et l'équilibrage des hélices sont essentiels pour maintenir une performance optimale et réduire la tension induite par les vibrations sur la cellule et l'électronique.

Sélection du contrôleur électronique de vitesse (ESC)

L'ESC est le lien critique entre le contrôleur de vol et les moteurs, et une sélection adéquate assure un fonctionnement fiable et empêche la défaillance des composants.

ESC Notes actuelles

Les ESC sont évalués en fonction de leurs capacités de courant continu et de courant d'éclatement. La cote d'ampli sur la plupart des ESC est plus que suffisante pour le pilote moyen de drone FPV. La cote d'ampli ESC est l'une des considérations les plus importantes pour créer un drone de course personnalisé qui doit fonctionner à haute vitesse ou avec des performances exceptionnelles. Néanmoins, la plupart des pilotes n'utilisent pas leurs batteries suffisamment pour dépasser la cote d'ampli en cours de fonctionnement normal de leurs ESC. Ces deux cotes d'ampli sont cruciales car, dans certaines circonstances, votre ESC peut frire ou prendre feu si sa valeur d'ampli est trop faible, en particulier lorsqu'il fonctionne à haute pression.

Pour sélectionner un ESC approprié:

• Déterminer le tirage maximal du courant de votre combinaison motor-propeller à plein gaz
• Sélectionnez un ESC avec une cote continue d'au moins 20% supérieure à votre courant maximal prévu
• S'assurer que le débit d'éclatement peut gérer de brèves pics de courant lors de changements rapides de gaz
• Considérer les exigences en matière de gestion thermique et de refroidissement

Caractéristiques et protocoles de l'ESC

Les ESC modernes offrent diverses caractéristiques qui peuvent améliorer les performances:

• Les protocoles de communication: PWM, OneShot, DShot et d'autres protocoles affectent le temps de réponse et la fiabilité
• BLHeli Firmware: Firmware configurable qui permet de régler le timing du moteur, le freinage et d'autres paramètres
• Télémétrie: Fournit des données en temps réel sur le courant, la tension, la température et le régime de rotation
• Braking actif:[ Améliore la réponse du moteur et la précision de contrôle

Calculs et analyse des performances

Des calculs précis des performances vous permettent de prédire les caractéristiques de vol et d'optimiser votre conception avant de construire.

Méthodes de calcul de la poussée

Plusieurs méthodes existent pour calculer ou estimer la poussée :

Données du fabricant :[ La plupart des fabricants de moteurs et d'hélices fournissent des données d'essai de poussée pour diverses combinaisons, ce qui constitue la source la plus fiable pour les estimations initiales.

Trousses de poussée: Nous pouvons maintenant tester notre hélice de 48" en utilisant un support de poussée pour confirmer qu'elle produit la poussée dont nous avons besoin. Nous pouvons également mesurer son efficacité et la comparer avec d'autres hélices pour trouver la plus efficace. Un support de poussée comme la série 1585 fonctionne bien pour les hélices plus petites jusqu'à 5 kgf, mais nous devons mesurer jusqu'à 20 kgf, afin que le stand de vol 50 fonctionne mieux. Nous montons notre moteur et l'hélice de 48" sur le stand de vol 50, puis nous effectuons un test commandé manuellement à l'aide du logiciel de stand de vol.

Calculatrices en ligne:[ Divers outils en ligne vous permettent d'entrer les spécifications du moteur, de l'hélice et de la batterie pour estimer la poussée et la consommation d'énergie.

Calculs théoriques :[ L'une des méthodes les plus utilisées est basée sur la théorie de l'impulsion, qui indique que la poussée générée par une hélice est proportionnelle au taux de changement de l'impulsion de l'air qui s'écoule à travers elle. La formule pour le calcul de l'impulsion à l'aide de la théorie de l'impulsion est : ... où : T = Thrust (en Newtons, N) -m = Débit massique (en kg/s) -v = Variation de la vitesse (en m/s) -t = Temps (en secondes)

Calculs de la consommation d'énergie

Comprendre la consommation d'énergie est essentiel pour la sélection des batteries et l'estimation du temps de vol. L'équation de base de la puissance est :

Puissance (W) = Tension (V) × Courant (A)

Pour les systèmes multi-rotors, la consommation totale d'énergie comprend:

• Puissance du moteur (facteur dominant, variable avec les gaz)
• Contrôleur de vol et électronique (généralement 2-5W)
• Systèmes de télémétrie et de communication
• Exigences en matière de puissance de charge utile (caméras, capteurs, etc.)

La consommation d'énergie varie considérablement en fonction des conditions de vol. Le vol exige généralement de 50 à 60 % de gaz avec un TWR 2:1, tandis que le vol agressif peut exiger un plein gaz.

Estimation du temps de vol

Le temps de vol est l'une des mesures de performance les plus importantes pour la plupart des applications. La formule de base est :

Temps de vol (minutes) = (Capacité de batterie (mAh) × Tension de la batterie (V) × Efficacité de décharge) / (Consommation moyenne de puissance (W) × 60)

Principales considérations pour le calcul du temps de vol:

• Efficacité de décharge:[ Généralement 80-85% pour les batteries LiPo pour éviter la surcharge
• Consommation moyenne de puissance:[ Varie avec le profil de la mission; le vol stationnaire utilise moins de puissance que le vol ou la manœuvre avant
• Valeur C de la batterie:[ Doit être suffisant pour fournir le courant requis sans accumulateur de tension excessive
• Effets de température: Les températures froides réduisent considérablement la capacité et les performances de la batterie

Pour les drones électriques, la technologie de la batterie est l'un des facteurs les plus critiques.

Optimisation de l'efficacité

Maximiser l'efficacité prolonge le temps de vol et améliore les performances globales :

• Operating Point Optimization:[ Concevoir le système à un vol stationnaire à 40-60% pour un rendement maximal
• Propulseur Sélection:[ Choisissez des hélices optimisées pour vos conditions de fonctionnement typiques
• Réduction de la masse:[ Chaque gramme enregistré améliore la performance et l'endurance
• Aérodynamique :[ Minimiser la traînée grâce à la conception simplifiée de la cellule
• Courbes d'efficacité du moteur: Sélectionnez les moteurs qui fonctionnent efficacement à vos niveaux de puissance typiques

Considérations avancées dans la conception du système de propulsion

Effets de l'interférence des rotors

Dans l'ensemble, les résultats soutiennent le comportement aérodynamique des rotors côte à côte, c'est-à-dire généralement lorsque les rotors se rapprochent les uns des autres en vol stationnaire, la performance totale en souffre. Plus précisément, la poussée diminue et la puissance augmente avec le point de rupture de la calandre/collective fixe.

L'espacement entre les rotors affecte l'efficacité. L'espacement plus étroit des rotors réduit l'efficacité globale en raison des interférences aérodynamiques, tandis que l'espacement plus large augmente la taille et le poids du cadre.

Configurations coaxiales et ductées

Le système de propulsion de l'UAV a été choisi pour être des rotors coaxiaux parce qu'il a un rapport poussée-poids élevé et pour augmenter l'efficacité du système de propulsion, une hélice unique a été proposée pour obtenir une poussée plus élevée. Les configurations coaxiales peuvent fournir une poussée accrue dans une empreinte compacte mais nécessitent une conception soignée pour gérer l'interaction entre les rotors supérieurs et inférieurs.

Les configurations d'hélices ductées peuvent améliorer l'efficacité et la sécurité, mais ajouter du poids et de la complexité à la conception.

Considérations relatives à la scalabilité

Cependant, les configurations multirotors sont confrontées à un certain nombre de problèmes, dont le moins important est leur faible efficacité aérodynamique générale du rotor/véhicule en vol stationnaire et en vol de croisière. De plus, l'expérience actuelle de ces véhicules se limite à de très petits aéronefs, généralement de moins de 2 kilogrammes de masse; on ne sait pas à quel point ces véhicules peuvent être évolutifs, même jusqu'à la taille modeste de 25 kilogrammes qui sera probablement nécessaire pour les applications de livraison de petits emballages.

Avec la taille, le poids de la structure augmente plus rapidement que la capacité de levage, et l'efficacité du rotor devient de plus en plus critique. Les grands multi-rotors nécessitent une attention particulière à la dynamique structurale, à la gestion des vibrations et à la fiabilité des composants.

Redondance et fiabilité

Pour les applications critiques, la redondance du système de propulsion peut améliorer la sécurité et la fiabilité:

• Configurations des hexacopter et octocopter: Peut continuer le vol commandé avec une défaillance motrice
• Deux ESC: Fournir une sauvegarde en cas de défaillance de l'ESC
• Redondance de batterie: Plusieurs batteries peuvent améliorer la fiabilité
• Qualité des composants:[ Les composants de qualité industrielle offrent une meilleure fiabilité par rapport aux solutions de qualité de consommation

Processus de conception pratique et flux de travail

Une approche systématique de la sélection des systèmes de propulsion garantit des résultats optimaux et évite les erreurs coûteuses.

Étape 1 : Définir les besoins de la mission

Commencez par définir clairement les exigences de votre mission :

• Temps de vol ou endurance requis
• Capacité de charge utile et type
• Environnement de fonctionnement (altitude, température, conditions de vent)
• Exigences de performance (vitesse, maniabilité, stabilité)
• Contraintes de taille et de poids
• Limites budgétaires

Étape 2 : Estimation du poids total

Créez un budget de poids détaillé incluant tous les composants. Utilisez les spécifications du fabricant et les modèles existants similaires comme références. Inclure une marge (généralement 10-15 %) pour le câblage, les attaches et les ajouts imprévus.

Étape 3: Déterminer le rapport de poussée à la masse requis

Selon vos besoins de mission, choisissez un TWR approprié. Les dessins conservateurs pour la photographie peuvent utiliser 2:1, tandis que les dessins axés sur la performance peuvent cibler 3:1 ou plus.

Étape 4: Calculer les exigences de poussée

En utilisant votre estimation de poids et le TWR souhaité, calculez la poussée totale requise et la poussée nécessaire de chaque moteur.

Étape 5: Sélectionner la combinaison moteur et hélice

Recherche de combinaisons motrice-hélice qui peuvent fournir la poussée requise.

• Taille et poids du moteur
• KV pour la tension de votre batterie et la taille de l'hélice
• Efficacité à votre point d'exploitation prévu
• Données d ' essai de poussée du constructeur
• Coût et disponibilité

Étape 6: Sélectionner les ESC

Choisissez des ESC avec des cotes de courant appropriées en fonction du tirage maximal de votre combinaison motopropulseur. Inclure des marges de sécurité et considérer des caractéristiques comme la télémétrie et le freinage actif.

Étape 7 : Sélectionner une batterie

Choisissez une batterie qui fournit:

• Tension appropriée pour vos moteurs
• Capacité suffisante pour le temps de vol souhaité
• C-cotisation adéquate pour livrer les besoins actuels
• Poids acceptable dans votre budget

Étape 8: Affiner et itérer

Maintenant que vous savez quelle poussée est nécessaire pour obtenir votre drone, vous devez trouver un type de moteur qui répond à vos exigences. Ensuite, vous pouvez recalculer le poids total du drone pour prendre en compte le poids réel du moteur. Par exemple, nous avons trouvé un moteur de drone avec une poussée de 550 grammes mais pesant 15 grammes de plus (au total) que nous ne l'espérions. Après avoir introduit le nouveau poids dans la calculatrice, nous découvrons que la poussée requise est maintenant égale à 536 grammes, en dessous des performances du moteur choisi. Cela signifie que nous pouvons l'utiliser en toute sécurité pour notre drone.

Mettez à jour votre budget de poids avec les poids réels des composants et recalculez les exigences de poussée. Itérer jusqu'à ce que vous atteignez un design équilibré qui répond à toutes les exigences.

Étape 9 : Valider par test

Avant de s'engager dans une construction complète, validez votre conception par:

• Essais de résistance à la poussée des combinaisons motopropulseurs
• Essais sur banc des systèmes électriques
• Tests de prototype avec augmentation de la charge utile
• Validation des performances dans des conditions d'exploitation représentatives

Défis et solutions communs en matière de conception

Temps de vol insuffisant

Problème: Le temps de vol réel est significativement inférieur au calcul.

Solutions:

• Réduire le poids grâce à l'optimisation des composants
• Augmenter la capacité de la batterie (dans les limites de contraintes de poids)
• Optimiser la sélection des hélices pour une efficacité optimale
• Réduire la consommation moyenne d'énergie grâce à la technique de vol
• Envisager la propulsion hybride pour des applications d'endurance prolongée

Moteurs ou ESC surchauffés

Problème: Les composants surchauffent en fonctionnement normal.

Solutions:

• Améliorer le débit d'air autour des moteurs et des ESC
• Sélectionnez des composants avec une meilleure gestion thermique
• Réduire le tirage continu de puissance grâce à l'optimisation de l'hélice
• Ajouter des dissipateurs de chaleur ou un refroidissement actif si nécessaire
• Évitez de fonctionner durablement à l'accélérateur maximal

Mauvaise maniabilité ou mauvaise maîtrise

Problème: L'UAV est lamentable ou insensible.

Solutions:

• Augmenter le rapport poussée-poids par des améliorations moteur/hélice
• Réduire le poids, en particulier aux extrémités
• Optimiser les paramètres ESC et les protocoles de communication
• Améliorer l'accordage du contrôleur de vol
• Considérer des moteurs KV plus élevés pour une réponse plus rapide

Vibrations excessives

Problème: Les niveaux de vibrations élevés affectent la qualité du vol et les performances du capteur.

Solutions:

• Balancez soigneusement les hélices
• Vérifier les roulements du moteur et les remplacer s'ils sont usés
• Assurer un montage moteur approprié et une rigidité du cadre
• Utiliser des supports d'amortissement des vibrations pour les composants sensibles
• Remplacer immédiatement les hélices endommagées ou courbées

Tendances futures de la propulsion multirotor

Plusieurs tendances façonnent l'avenir de la conception de moteurs UAV. La demande croissante d'assurance de la chaîne d'approvisionnement et de conformité réglementaire met davantage l'accent sur les composants traçables et les procédés de fabrication contrôlés. Parallèlement, les concepteurs de systèmes continuent de pousser vers une plus grande densité de puissance, une meilleure utilisation thermique et une intégration plus étroite entre la propulsion, les capteurs et les composants structurels.

Technologies avancées de la batterie

Les nouvelles technologies de piles promettent des améliorations significatives de la densité et des performances énergétiques:

• Cellules à haute densité en lithium-ion: offrant 20-30% de plus de capacité que les batteries traditionnelles LiPo
• Patteries à l'état solide:[ Promettant une densité énergétique plus élevée et une meilleure sécurité
• Champes à combustible d'hydrogène:[ Les futures tendances en matière de propulsion des drones comprennent l'utilisation de piles à combustible à hydrogène, de drones à énergie solaire, de systèmes autonomes de gestion de l'énergie et de technologies de propulsion respectueuses de l'environnement.

Systèmes de propulsion hybrides

Les systèmes de propulsion hybrides combinent moteurs électriques et moteurs à base de carburant, offrant une autonomie étendue, un temps de vol plus important et une flexibilité accrue.

Gestion de l'énergie optimisée par l'IA

Intégration du système de propulsion à l'IA : L'intelligence artificielle (AI) est utilisée pour optimiser la gestion de la puissance et la distribution des poussées en vol, permettant aux drones de réagir en temps réel avec une plus grande efficacité.

Technologies de l'automobile améliorées

Les développements en cours dans la conception des moteurs comprennent:

• Densité de puissance supérieure par des matériaux magnétiques avancés
• Amélioration de la gestion thermique grâce à des conceptions innovantes de refroidissement
• Capteurs intégrés pour la surveillance en temps réel des performances
• Conceptions modulaires pour faciliter l'entretien et le remplacement

Conclusion

Pour les ingénieurs qui développent des plates-formes de drones de nouvelle génération, une intégration réussie des moteurs nécessite une réflexion approfondie sur la production de poussées, le comportement thermique, l'efficacité et les contraintes spécifiques à la mission. En évaluant les moteurs dans le cadre du système de propulsion complet, y compris les hélices, les conditions de débit d'air et les profils opérationnels, les ingénieurs peuvent optimiser les performances tout en maintenant la fiabilité du système et l'assurance de la mission.

Le processus exige l'équilibre de multiples facteurs concurrents : poussée et poids, puissance et efficacité, performance et endurance, coût et capacité. Il existe rarement une solution « correcte » unique; au contraire, les conceptions réussies émergent d'une analyse minutieuse, d'une optimisation systématique et d'un raffinement itératif.

Voici les principales options pour la sélection des systèmes de propulsion :

• Commencer par définir clairement les besoins et les contraintes de la mission
• Comprendre les relations entre poids, poussée, puissance et efficacité
• Choisir les composants comme système intégré, pas comme pièces individuelles
• Utilisez les données du fabricant, les calculs et les tests pour valider votre conception
• Inclure les marges de sécurité appropriées dans tous les calculs
• Examiner les conditions environnementales et les scénarios opérationnels
• Itérer et affiner en fonction des tests et des performances réelles

À mesure que la technologie multirotors continuera d'évoluer, de nouveaux matériaux, composants et méthodes de conception permettront de mieux en mieux les plates-formes. Cependant, les principes fondamentaux de la sélection des systèmes de propulsion – comprendre les exigences de poussée, optimiser l'efficacité et équilibrer les contraintes de conception concurrentes – demeureront essentiels pour créer des conceptions réussies d'UAV.

Que vous construisiez un petit quadricopter de course, une plate-forme d'inspection commerciale ou un drone agricole lourd, l'application de ces principes et calculs vous aidera à créer un système de propulsion optimisé pour votre application spécifique. L'investissement dans l'analyse et la conception soignées va payer des dividendes dans l'amélioration des performances, l'endurance prolongée et le fonctionnement fiable.

Pour plus d'informations sur la conception et les systèmes de propulsion de l'UAV, envisager d'explorer les ressources d'organismes tels que American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA)[, la recherche universitaire dans des revues comme MDPI Drones Journal[, et la documentation technique du fabricant provenant de grandes entreprises de moteurs et d'hélices.