Tutoriel vidéo - Améliorer l'autonomie de vol du drone
L'objectif de ce rapport est de démontrer un processus simple pour prolonger l'autonomie de vol de votre multicoptère. De nombreux concepts présentés ici s'appliquent également aux appareils à voilure fixe. Les concepts appliqués ici peuvent également être utilisés pour augmenter la capacité de levage de votre drone.
Table des matières
- Introduction et hypothèses
- Comment un drone vole-t-il ?
- Formule d'efficacité
- Trouver l'hélice de drone la plus efficace
- Trouver le moteur de drone le plus efficace
- Choisir un ESC
- Calculer l'autonomie de vol du drone (avec la calculatrice)
Remarque : Nous utiliserons le banc d'essai de poussée Series 1585 pour recueillir les données du moteur et de l'hélice pour cet article.
1. Introduction et hypothèses
Le processus d'optimisation est une boucle, nous devons donc commencer par faire quelques hypothèses. Tout d'abord, supposons que le drone vole déjà, vous avez donc une conception existante dont vous connaissez le poids et la taille de la batterie. De plus, nous allons optimiser un multirotor qui passe la majeure partie de son temps en vol stationnaire (notre drone n'est ni un drone de course ni un drone de compétition).
Lecture complémentaire : Calculs de conception et hypothèses pour drone
Figure 1 : Le quadcopter Otus
Pour mieux illustrer le processus, nous utiliserons le quadcopter Otus comme exemple, bien que cette méthode soit applicable à tout UAV volant.
La première version non optimisée de notre quadcopter possède :
- 4 hélices : Gemfan 5040
- 4 moteurs : moteurs Hypetrain 2207-2450Kv
- 4 ESC : Afro 20A Race Spec Mini ESC avec BEC
- 1 batterie : Turnigy nano-tech 1300mAh 4S 45~90C Lipo Pack
- Châssis et charge
Avec cette conception actuelle, notre autonomie de vol est d'environ 4 minutes.
2. Comment un drone vole-t-il ?
La première étape consiste à comprendre comment un drone peut voler et décoller. Pour qu'un drone puisse s'élever, il doit vaincre son poids et sa traînée. Le poids d'un drone est le produit de sa masse par la gravité et la traînée est la force qui s'oppose au mouvement du drone dans l'air, qui dépend de la surface de référence, de la densité de l'air et de la vitesse d'écoulement.
La rotation des hélices génère de la poussée et permet au drone de s'élever et de maintenir son vol. En vol stationnaire, nous pouvons supposer que la poussée combinée des hélices est égale au poids total du drone.
À partir de cette hypothèse et avec le poids du drone, nous pouvons déduire la poussée requise par chaque hélice pour maintenir le vol stationnaire. Ici, notre drone pèse 777 g, nous avons donc besoin d'une poussée totale de 7,6 N pour voler en stationnaire ou de 1,9 N par hélice.
Figure 2 : Poids du drone et exigences de poussée en vol stationnaire
Pour conserver une bonne autorité de contrôle, la poussée maximale atteignable par l'hélice devrait être d'environ deux fois la poussée en vol stationnaire. Gardez à l'esprit que ce n'est qu'une recommandation. Les quads de course auront un rapport poussée maximale sur poids beaucoup plus élevé.
Nous recherchons l'hélice la plus efficace produisant 1,9 N de poussée qui a une taille maximale de 6 pouces, et peut atteindre 3,8 N de poussée de pointe.
Nous pouvons faire varier des paramètres tels que le pas, la taille, le profil, le matériau et la marque pour trouver notre système de propulsion le plus efficace.
3. Formule d'efficacité
L'efficacité est le rapport de la sortie divisée par l'entrée. Ici, les hélices convertissent l'énergie mécanique en poussée.
4. Trouver l'hélice de drone la plus efficace
Tout d'abord, faites une sélection initiale d'hélice basée sur les données du fabricant. Malheureusement, les tests d'hélices ne sont pas standardisés et vous ne pouvez pas comparer les données fournies par différents fabricants. Les fabricants fournissent souvent le strict minimum de spécifications techniques, il appartient donc à l'acheteur d'avoir quelques connaissances sur les performances attendues avant d'acheter.
Nous avons compilé une base de données de données de moteur de drone, d'hélice et d'ESC qui peut vous aider à évaluer les hélices avant d'acheter.
Lecture complémentaire : Comment utiliser notre base de données de moteurs de drone, d'hélices et d'ESC
Vous pouvez également utiliser notre banc d'essai de poussée RCbenchmark Series 1585 pour tester toutes vos hélices avec le même moteur et enregistrer la poussée, le couple, la tension, le courant, la vitesse de rotation du moteur et les vibrations. En option, vous pouvez utiliser la fonction de téléchargement de la base de données de l'application qui vous guidera à travers le processus de test avec un script de test.
Nous voulons mesurer la poussée, le couple et la vitesse de rotation. Les données de l'hélice sont indépendantes des données du moteur lorsque vous vous fiez au couple et à la vitesse. La poussée d'une hélice spécifique dépend uniquement de la vitesse de l'hélice et de la vitesse de l'air entrant, pas du moteur qui alimente l'hélice.
Indépendamment du moteur que vous choisissez, la poussée générée sera la même à une vitesse de rotation donnée. Cette propriété est utile pour vérifier que vos tests ont été effectués correctement. Les points de données sur un graphique de poussée vs vitesse de rotation pour une seule hélice testée avec plusieurs moteurs devraient tous être très proches de la même ligne que sur l'image ci-dessous.
Lorsque vous avez déterminé le couple et la vitesse souhaités pour l'hélice la plus efficace en vol stationnaire, vous pouvez effectuer une recherche pour le moteur qui est le plus efficace à ce couple et cette vitesse. Mais d'abord nous devons trouver notre hélice.
Concentrons-nous sur seulement 3 hélices pour garder cela simple. Nous allons les tester avec le banc d'essai de poussée Series 1585.
- 6030R Gemfan => diamètre : 6 po, pas : 3 po, poids 2,22 g
- 6040R King Kong => diamètre : 6 po, pas : 4 po, poids 3,38 g
- 5040R Gemfan => diamètre : 5 po, pas : 4 po, poids 3,00 g
Le test peut être fait manuellement ou avec un script. Nous avons effectué le test avec un script et comparé les résultats à ceux de notre base de données de propulsion de drone. Voici une comparaison de l'efficacité mécanique de l'hélice (N/W) en fonction de la poussée (N).
Comme le montre le graphique, à 1,9 N, l'hélice la plus efficace est la Gemfan 6030 à 0,077 N/W. Nous pouvons écarter les deux autres hélices car elles ont une efficacité inférieure.
À une poussée de 1,9 N, la Gemfan 6030 fonctionne à 1300 rad/s, où elle génère également 0,0184 N.m de couple (figure 6).
5. Trouver le moteur de drone le plus efficace
Maintenant que nous avons trouvé une hélice, notre prochaine étape est de chercher le moteur le plus efficace au point de fonctionnement de 0,0184 N.m et 1300 rad/s. Nous allons limiter notre recherche à 2 moteurs différents dans le but de ce tutoriel, mais en réalité, il y a beaucoup plus de candidats à choisir.
Le graphique de la figure 8 montre l'efficacité mécanique des moteurs testés lorsqu'ils sont équipés d'une hélice Gemfan 6030. À 1,9 N de poussée, l'efficacité du Multistar est de 68 % tandis que l'efficacité de l'EMAX est de 60 %. Ainsi, nous concluons que pour cette hélice spécifique en vol stationnaire, le moteur le plus efficace est le Multistar Elite 2306.
Le graphique ci-dessus nous a permis d'observer la différence d'efficacité pour les lignes de couple-vitesse de deux moteurs. Nous n'avons pas déterminé que le Multistar est un meilleur moteur en général, seulement qu'il est plus performant pour cette hélice spécifique. Le moteur Emax peut être plus efficace que le Multistar avec une autre hélice.
Une autre chose que nous devons vérifier est que ce moteur est également capable de générer la poussée de pointe de l'hélice pour une autorité de contrôle suffisante. Plus tôt, nous avons dit que nous recherchions l'hélice la plus efficace à 1,9 N de poussée qui peut également atteindre 3,8 N de poussée de pointe.
Nous confirmons graphiquement que ce moteur est capable de générer la poussée de pointe de 3,8 N dont nous avons besoin. À 3,8 N, le moteur est capable de générer 0,035 N.m de couple à 1783 rad/s.
6. Choisir un ESC
Une fois le moteur et les hélices choisis, nous pouvons sélectionner un ESC approprié. Pour l'instant, nous choisissons simplement un ESC capable de fournir le courant de pointe du moteur de 7 Ampères avec un facteur de sécurité. Nous choisirons l'Afro Race Spec Mini ESC qui prend en charge 20 Ampères. Il y a quelques optimisations qui peuvent être faites sur l'ESC, mais cela est en dehors de la portée de cet article.
7. Calculer l'autonomie de vol du drone
Enfin, nous pouvons utiliser les informations que nous avons recueillies pour déterminer notre autonomie de vol :
La capacité de la batterie (Ebattery en Wh) peut être exprimée comme l'autonomie de vol (FT) en heures, multipliée par la puissance générée (Power en Watt).
La capacité de la batterie (Ebattery) est égale au poids de la batterie (Wbattery en grammes) multiplié par la densité d'énergie (sigmabattery en Wh/g).
La puissance totale (Power en Watt) est égale au poids du drone (Wdrone (g) = Wframe (g) + Wbattery (g)) divisé par l'efficacité des hélices (propefficiency en g/W).
L'efficacité de l'hélice est une fonction du poids total du drone divisé par le nombre d'hélices sur votre drone.
Donc en combinant les équations, nous obtenons l'autonomie de vol [eq1] :
Une augmentation du poids de la batterie augmente le terme de division dans l'équation ci-dessus et réduit l'efficacité de l'hélice. De cette façon, la batterie peut influencer l'autonomie de vol dans les deux sens. Les batteries plus grandes ont une capacité plus élevée, ce qui peut augmenter l'autonomie de vol, mais elles ont également un poids plus élevé, ce qui augmente la poussée requise pour le fonctionnement, diminuant ainsi l'autonomie de vol. La figure 11 montre un exemple de la façon de trouver le 'point idéal' en équilibrant la capacité et le poids de la batterie.
Ces formules sont implémentées dans la feuille de calcul ici :
Utilisez notre Google sheet pour calculer facilement l'autonomie de vol du drone.
Il y a des hypothèses que vous devez ajouter lorsque vous utilisez le Google sheet, comme le poids et la capacité de votre batterie. Également, écrivez le poids total de votre quad (SANS la batterie) et le nombre d'hélices. Maintenant vous avez tout ce dont vous avez besoin pour calculer l'autonomie de vol !
Lecture complémentaire : Construction et optimisation de drone (eBook)
Vous pouvez observer l'effet de la variation de la capacité de la batterie sur l'autonomie de vol. Comme vous pouvez le voir, augmenter la batterie à 33,3 mAh augmente l'autonomie de vol de quelques minutes, mais réduit l'autorité de contrôle car le rapport poids sur poussée diminue. Aller encore plus grand montre très peu d'avantages en termes d'autonomie de vol, mais augmente le bruit et réduit l'autorité de contrôle.
Conclusion
Dans cet article nous avons couvert comment choisir une hélice, un moteur, un ESC et une batterie pour notre drone, et nous avons regardé comment comparer les efficacités, analyser les données et calculer l'autonomie de vol.
Toutes ces modifications peuvent changer le poids total de votre drone, surtout si vous choisissez une autre batterie. Vous devrez peut-être redémarrer l'analyse si vous changez considérablement le poids du drone.
Comme nous l'avons mentionné au début de l'article, le processus de construction d'un drone est une boucle qui se répète à mesure que nous apprenons à connaître nos composants et leurs performances grâce aux essais. Nous formulons des hypothèses, choisissons des pièces en fonction de ces hypothèses, testons le système, remplaçons les pièces et répétons le processus.
Quel que soit l'outil utilisé pour recueillir les données, nous vous recommandons vivement de mesurer le couple pendant vos essais. Cela vous permettra d'analyser indépendamment les données du moteur et de l'hélice et de mesurer l'efficacité. Nous avons conçu plusieurs outils pour faciliter la collecte et l'analyse des données et les rendre plus précises.
La capacité de test automatique de la Series 1585 associée à notre base de données de données de propulsion pour drones devrait vous permettre de sélectionner le meilleur moteur, hélice et ESC en quelques heures de test. Les tests peuvent augmenter le temps de vol, la capacité de levage, et réduire la chaleur produite par le système, ce qui augmente la durée de vie de vos composants.
Si vous souhaitez approfondir le sujet de la théorie des moteurs pour optimiser pleinement votre moteur, regardez la vidéo “Comment maximiser le temps de vol de votre drone” sur notre chaîne YouTube. Dans cette vidéo, nous vous présentons les étapes que nous avons suivies pour construire le quadricoptère Otus et comment nous avons augmenté son temps de vol de 4 à 8 minutes et même jusqu'à 13 minutes !
Pour en savoir plus sur ce processus d'optimisation, consultez la partie 2 de cet article - Les calculs et hypothèses de la boucle de conception d'un drone