Équilibrage des hélices pour améliorer les performances des UAV - Livre blanc

Par Lauren Nagel

Résumé

Les véhicules aériens sans pilote (UAV) dépendent d’hélices bien équilibrées pour atteindre des performances, une efficacité et une longévité optimales. Cependant, même un léger déséquilibre des hélices peut déclencher un cercle vicieux de contraintes mécaniques, entraînant une augmentation des vibrations, une réduction de l’efficacité de la poussée, une consommation d’énergie accrue et une usure accélérée des composants critiques. Au fil du temps, ces effets dégradent le système de propulsion de l’UAV, les roulements, les performances du contrôleur de vol et l’intégrité structurelle, réduisant ainsi sa durée de vie moyenne avant défaillance (MTTF) et augmentant les coûts d’exploitation.

Ce livre blanc explore les causes, les conséquences et les solutions du déséquilibre des hélices d’UAV. Il examine les normes industrielles telles que l’ISO 21940-11:2016, qui fournit des lignes directrices sur le déséquilibre résiduel admissible.

Pour atténuer les risques associés aux hélices déséquilibrées, le livre blanc évalue les techniques d’équilibrage statique par rapport à celles d’équilibrage dynamique. Si l’équilibrage statique offre une méthode simple et peu coûteuse pour corriger la répartition des masses, il manque de la précision nécessaire aux applications professionnelles des UAV. En revanche, l’équilibrage dynamique fournit des corrections basées sur des mesures prises pendant la rotation de l’hélice, garantissant un niveau de précision plus élevé, la conformité aux normes industrielles et une durée de vie prolongée des composants. L’adoption de solutions d’équilibrage dynamique permet aux fabricants et aux opérateurs d’UAV de réduire l’usure, d’améliorer l’efficacité de vol et d’accroître la fiabilité globale des UAV.

En traitant le déséquilibre des hélices à la source, les professionnels des UAV peuvent réduire les temps d’arrêt, abaisser les coûts de maintenance et assurer des vols stables et efficaces dans divers environnements opérationnels.

Partie 1 : Contexte

Des hélices bien équilibrées sont un élément essentiel des UAV haut de gamme. Tout comme des hélices équilibrées sont la clé du succès, des hélices déséquilibrées peuvent entraîner des défaillances sous forme de performances dégradées, de contraintes sur les composants et d’une compétitivité réduite sur le marché.

Sur les petits UAV, les hélices sont souvent bon marché et faciles à remplacer. Les coûts commencent à s’accumuler lorsqu’une défaillance liée à une hélice entraîne des dommages à l’UAV dans son ensemble, ou lorsqu’une défaillance survient sur des drones plus grands dotés d’hélices de grande taille, plus coûteuses à remplacer.

Ce livre blanc approfondit les subtilités de l’équilibrage des hélices, soulignant son importance pour maintenir la fonctionnalité, la fiabilité et la longévité des UAV.

1.1 Qu’est-ce que l’équilibrage des hélices ?

De manière générale, l’équilibrage des hélices désigne l’action d’équilibrer les pales et les axes d’une hélice, en mettant l’accent sur la taille, la masse et la génération de force.

Les hélices sont généralement équilibrées de l’une des trois manières suivantes : statiquement, dynamiquement et aérodynamiquement. L’équilibrage statique et dynamique consiste à ajouter des poids à l’hélice afin d’obtenir une masse égale sur l’hélice lorsqu’elle est au repos (équilibrage statique) ou à son régime de rotation nominal (équilibrage dynamique). Ces types de réparation corrigent les désalignements entre le centre de masse et le centre de rotation.

En revanche, l’équilibrage aérodynamique vise à obtenir une génération de poussée égale en ajustant les propriétés physiques des pales, telles que leur forme et leur angle d’incidence. On l’appelle souvent le réglage du suivi. L’équilibrage aérodynamique peut être détecté en mesurant les couples de tangage et de roulis sur le moteur, ou en suivant chaque pale pendant une rotation afin de s’assurer qu’elles suivent toutes deux la même trajectoire. 

Cet article abordera l’équilibrage statique et dynamique, qui doit être effectué avant l’équilibrage aérodynamique.

Dans l’ISO 21940-11:2016, l’équilibrage des hélices est défini comme « une procédure par laquelle la répartition de la masse d’un rotor est examinée et, si nécessaire, ajustée afin de garantir que le déséquilibre résiduel ou les vibrations en service se situent dans les limites spécifiées » (ISO, 2016). Une définition plus visuelle de l’équilibrage des hélices la décrirait comme l’ajout ou le retrait de poids sur une hélice afin d’obtenir une répartition presque égale de la masse autour du centre.

Figure 1 : Ajout de poids sur les pales d’une hélice pour obtenir une répartition égale de la masse

1.2 Normes d’équilibrage des hélices

Actuellement, la norme la plus citée pour l’équilibrage des hélices est l’ISO 21940-11:2016, « Procédures et tolérances pour les rotors à comportement rigide ».

Elle remplace la norme précédente, l’ISO 1940-1:2003, avec des définitions mises à jour et des applications plus larges.

La nouvelle norme, établie en 2016, repose sur un principe simple : le niveau de déséquilibre (U) d’un rotor est considéré comme acceptable lorsque le déséquilibre résiduel, U_res, est inférieur ou égal à un déséquilibre résiduel admissible prédéfini, U_per.

U_per est défini comme la tolérance totale dans le plan du centre de masse et est proportionnel à la masse du rotor :

U_per ∝ m

Il est mesuré en kg·m (kilogrammes-mètres), g·mm (grammes-millimètres), kg·mm (kilogrammes-millimètres) ou mg·mm (milligrammes-millimètres).

Le rapport entre U_per et la masse du rotor est appelé e_per, défini comme le déséquilibre spécifique résiduel admissible :

e_per = U_per m

Il est mesuré en kg·m/kg (kilogrammes-mètres par kilogramme), m (mètres), g·mm/kg (grammes-millimètres par kilogramme) ou μm (micromètres), cette dernière unité étant souvent privilégiée car de nombreuses valeurs d’e_per se situent entre 0,1 μm et 10 μm.

Pour un rotor présentant uniquement un déséquilibre résultant (et un déséquilibre de moment négligeable), e_per est la distance entre le centre de masse du rotor et l’axe de l’arbre.

Il a été observé que e_per varie généralement de manière inversement proportionnelle à la vitesse de service, n, du rotor :

e_per ∝ 1 n

Pour l’équilibrage des rotors d’UAV, on pourrait remplacer « vitesse de service » par « vitesse de rotation de croisière », ou par le régime de rotation auquel l’hélice fonctionne pendant le vol de croisière.

Cette relation peut également s’exprimer ainsi :

e_per = c Ω

où

Ω = la vitesse angulaire de la vitesse de croisière, en rad/s

c est une constante

Autrement dit,

Ω = 2πn 60

où n = vitesse de rotation de croisière en tours/minute.

L’ISO 21940-11:2016 spécifie cinq méthodes pouvant être utilisées pour déterminer l’ampleur du déséquilibre résiduel admissible : 

1. Grades de qualité d’équilibrage, dérivés d’une expérience pratique à long terme sur un grand nombre de rotors différents
2. Évaluation expérimentale des déséquilibres résiduels admissibles
3. Forces limitées sur les roulements dues au déséquilibre
4. Vibrations limitées dues au déséquilibre
5. Expérience établie concernant les tolérances de déséquilibre

Pour les méthodes 3 et 4, les objectifs sont, respectivement, de limiter les forces sur les roulements et les vibrations. Les tolérances de qualité d’équilibrage sont fixées par les limites correspondantes de force sur les roulements et de vibrations.

Les méthodes 2 et 5 sont le plus souvent employées par les organisations ayant accumulé une quantité importante de données d’équilibrage pour leurs rotors spécifiques, suffisante pour fixer en interne les tolérances de qualité d’équilibrage.

La méthode 1 utilise une norme globale fondée sur « l’expérience mondiale et les considérations de similitude » pour fixer les exigences de qualité d’équilibrage pour les types de machines courants.

L’unité du grade de qualité d’équilibrage selon la méthode 1 est « G », équivalente à l’ampleur de e_perΩ exprimée en mm/s (millimètres par seconde). C’est-à-dire que si e_perΩ = 6,3 mm/s, alors le grade de qualité d’équilibrage = G 6,3, qui est d’ailleurs le grade le plus couramment cité pour l’équilibrage des rotors d’UAV.

Ci-dessous se trouve un tableau récapitulatif des grades de qualité d’équilibrage pour les types de machines courants :

1.3 Causes du déséquilibre des hélices

De nombreuses variables peuvent provoquer le déséquilibre d’une hélice. 

Les contraintes cumulées sont une cause fréquente de déséquilibre des hélices en fonctionnement normal. De minuscules imperfections lors de la fabrication peuvent s’accentuer au fil du temps, en particulier après de nombreuses heures de fonctionnement à haut régime. Une hélice déséquilibrée entraîne une augmentation des vibrations, qui peuvent provoquer le desserrage des composants, des désalignements, des fissures et d’autres effets néfastes, agissant en cercle vicieux pour dégrader davantage l’équilibrage de l’hélice.

Les dommages causés aux hélices lors de chocs ou de collisions avec le terrain peuvent également entraîner des pertes de matière qui aboutissent à une hélice déséquilibrée. Pour les petits UAV dotés d’hélices peu coûteuses, il est souvent plus économique de simplement remplacer l’hélice. Pour les UAV plus grands dotés d’hélices plus chères, il peut être judicieux de rééquilibrer l’hélice plutôt que de la remplacer. Cela dit, pour les aéronefs de toutes tailles, il faut également tenir compte des effets plus larges des dommages sur le système, car le moteur ou d’autres composants peuvent également avoir été endommagés.

Les contraintes thermiques peuvent également provoquer des déformations sur certains types d’hélices, comme celles en nylon et autres plastiques.

Figure 2 : Pale d’hélice d’UAV endommagée (Bayne, 2022)

Partie 2 : Conséquences des hélices déséquilibrées

2.0 Contexte

Les hélices déséquilibrées créent un effet domino qui affecte de nombreux systèmes d’UAV. Quelle que soit la cause du déséquilibre, la rotation à grande vitesse entraîne une asymétrie qui est exploitée encore et encore, des milliers de fois par minute. Il ne faut donc pas longtemps pour que les effets d’un faible déséquilibre affectent le système de propulsion global, les capteurs et la stabilité de l’aéronef.

Ci-dessous se trouve un résumé de certaines des conséquences les plus critiques des hélices déséquilibrées dans un UAV.

2.1 Vibrations

Les vibrations, résultant de la rotation à grande vitesse d’une hélice déséquilibrée, sont la cause profonde de nombreux problèmes en aval abordés dans cette section. Plusieurs études antérieures ont démontré comment le déséquilibre des hélices peut provoquer des vibrations déstabilisantes sur divers types d’aéronefs (Best, 1945 ; Loeffler, 1987 ; Fu, 2018). Ces vibrations entraînent une dégradation des performances de l’ensemble des systèmes, avec une perte de poussée, une augmentation du bruit, une usure accélérée et une réduction de l’efficacité de vol.

Dans le domaine des multirotors, plusieurs études ont confirmé que la relation de causalité entre le déséquilibre des hélices et les vibrations s’étend aux UAV, en utilisant des méthodes incluant des accéléromètres embarqués (Ghalamchi, 2018) et des capteurs sur rotor (Lin, 2023). D’autres recherches ont visé à déduire les vibrations et le déséquilibre à l’aide de méthodes sans contact telles que l’analyse du profil sonore (Rangel-Magdaleno, 2018) et la vibrométrie laser (Kuantama, 2019).

Ces études nous ont aidés à mieux comprendre la relation entre le déséquilibre des hélices et les vibrations, y compris lorsqu’il devient une source d’inquiétude.

Dans l’étude de Kuantama (2019), un vibromètre laser Doppler a été utilisé pour mesurer les vibrations d’hélices d’UAV équilibrées et déséquilibrées. Dans l’étude, un faisceau laser a été focalisé sur trois zones de l’hélice : l’extrémité, le centre de la pale et le moyeu, où il a surveillé le mouvement dynamique de l’hélice afin de déduire la vitesse de vibration. Avant les expériences, les auteurs ont utilisé un système d’équilibrage statique pour équilibrer l’hélice dans deux zones : le centre des pales et le moyeu. L’hélice a ensuite été montée sur un rotor et fait tourner à des vitesses de rotation allant jusqu’à 7 000 tr/min.

Figure 3 : Installation de test avec vibromètre laser de Kuantama (2019)

Il est intéressant de noter qu’à des régimes de rotation plus élevés, l’hélice de 14” a présenté un écart beaucoup plus important de vitesse de vibration entre les modèles équilibrés et déséquilibrés par rapport à l’hélice de 13”. À 5 000 tr/min, l’hélice déséquilibrée de 13” présentait une vitesse de vibration supérieure de 12 % ou de 0,4 m/s par rapport à l’hélice équilibrée. En comparaison, cet écart atteignait 33 % ou une augmentation de 2,3 m/s de la vitesse de vibration entre les hélices déséquilibrées et équilibrées de 14”. Les auteurs ont noté qu’« une augmentation spectaculaire de la vitesse de vibration s’est produite au-delà de 4 000 tr/min ». 

Figure 4 : Vitesse de vibration d’une hélice de 13” (à gauche) et d’une hélice de 14” (à droite) (Kuantama, 2019)

Ces résultats confirment les conclusions antérieures selon lesquelles les vibrations dues au déséquilibre des hélices ont un impact plus important à haut régime et peuvent avoir des conséquences plus importantes sur les UAV dotés d’hélices plus grandes.

Une étude plus récente de Salem et al. (2025) visait à relever les défis associés à la détection du déséquilibre du rotor dans des environnements dynamiques, tels que ceux impliquant des turbulences éoliennes et du bruit environnemental.

Le déséquilibre a été introduit dans le système en desserrant l’une des vis de pale d’une hélice. Les profils de vibration ont été enregistrés à l’aide d’un capteur microsystème électromécanique (MEMS) monté sur le corps de l’UAV, et les données enregistrées ont été utilisées pour entraîner leur modèle de réseau neuronal perceptron multicouche (MLP), qui a ensuite été appliqué à un ensemble de données de test.

Dans leurs résultats, ils ont noté que le profil de vibration du rotor déséquilibré présentait des vibrations nettement plus importantes sur les trois axes (X, Y, Z) par rapport au rotor équilibré. L'écart était le plus prononcé sur l'axe X, avec des pics dépassant 2 g, mais les schémas irréguliers observés sur les axes Y et Z suggèrent que le déséquilibre induisait des vibrations secondaires dans l'ensemble du système. 

L'auteur note que « ces fluctuations pourraient non seulement compromettre la stabilité du drone, mais aussi augmenter le risque de défaillance mécanique si elles ne sont pas corrigées. »

Figure 5 : Accélération des vibrations pour a) des hélices équilibrées et b) des hélices déséquilibrées (Salem, 2025)

Leur réseau neuronal a pu atteindre un coefficient de corrélation de 0,9224 sur les ensembles de données de test, ce qui suggère que le modèle peut être utilisé pour identifier des déséquilibres spécifiques dans d'autres systèmes de propulsion avec des données similaires.

Il est essentiel que les vibrations soient caractérisées avec précision dans les systèmes de drones, car elles contribuent aux facteurs abordés dans les sections suivantes.

2.2 Perte de poussée

Il peut être déduit mathématiquement et démontré expérimentalement que la génération de poussée par l'hélice est affectée négativement par des pales déséquilibrées.

Mathématiquement parlant, l'une des variables clés contribuant à la poussée en vol stationnaire (T) est le coefficient de poussée (C_T), pour lequel la géométrie de la pale est un contributeur clé (Rangel-Magdaleno, 2018) :

T = C_T ρ A_r r² n²

C_T = T ρ n² D⁴

Où C_T est le coefficient de poussée, ρ est la densité de l'air, A_r est la surface du disque du rotor, r est le rayon de l'hélice, n est la vitesse angulaire, et D est le diamètre de l'hélice.

Les recherches menées par Sedek (2018) et Mizui (2012) ont confirmé ce phénomène expérimentalement.

Chez Sedek (2018), il est démontré qu'un déséquilibre représentant 5 % de la masse totale de l'hélice peut entraîner une réduction de la poussée allant jusqu'à 50 %. Il est très peu probable qu'une nouvelle hélice commerciale présente un défaut aussi important, mais il est possible qu'une hélice endommagée puisse subir une perte de matière entraînant un tel déséquilibre.

Figure 6 : Poussée vs. tr/min pour des hélices équilibrées et déséquilibrées (Sedek, 2018)

Un scénario plus réaliste est présenté dans Mizui (2012), où le déséquilibre de l'hélice représente à peine plus de 1 % de la masse totale de l'hélice. Ce déséquilibre a entraîné une réduction de la poussée de l'ordre de 2 à 8 % à des vitesses de fonctionnement allant de 2800 à 5600 tr/min.

Figure 7 : Poussée vs. tr/min pour des hélices équilibrées et déséquilibrées (Mizui, 2012)

L'opérateur subit donc une poussée réduite ou une consommation d'énergie accrue, comme en témoigne Rangel-Magdaleno et al. (2018), qui a démontré que la consommation d'énergie augmentait avec le déséquilibre dans une hélice de test. L'équipe a utilisé des signaux sonores pour démontrer que les fréquences associées au déséquilibre correspondaient aux tr/min où la consommation d'énergie était la plus élevée.

Figure 8 : Médiane, moyenne et écart-type de la consommation d'énergie des hélices équilibrées et déséquilibrées (Rangel-Magdaleno)

2.3 Bruit

Intuitivement, on suppose que les hélices déséquilibrées produisent davantage de bruit que les hélices équilibrées. Cependant, pour les petits déséquilibres n'entravant pas de manière significative le vol du drone, les résultats sont mitigés.

Par exemple, dans Pechan (2015), les auteurs ont observé l'effet inverse. Des hélices présentant diverses imperfections telles que des protubérances, des pales dentelées et des déséquilibres de masse ont été testées pour leur production de bruit et faites tourner à divers tr/min allant de 3000 à 5500 tr/min.

Dans la majorité de leurs expériences, les hélices avec protubérances ou dents ont montré, en moyenne, une production de bruit (LZmax) égale ou supérieure à celle de l'hélice non endommagée.

Figure 9 : Le niveau de bruit maximal détecté (LZmax) des hélices endommagées (B1 - B5), déséquilibrées (B6) et lisses

Dans le cas de l'hélice déséquilibrée, qui avait subi un retrait de matière sur une pale par ponçage, les résultats ont montré que l'hélice équilibrée produisait en réalité plus de bruit à des fréquences plus élevées à 5000 tr/min. 

Figure 10 : Spectres de bruit des hélices lisses et déséquilibrées à 3000 (gauche) et 5000 tr/min (droite)

Les auteurs ne précisent pas quelle quantité de matière a été retirée de la pale, ni n'indiquent si l'équilibrage de l'hélice a été caractérisé avant le test, il est donc difficile de décider comment interpréter ces résultats. Les hélices endommagées par l'ajout ou le retrait de matière n'ont pas non plus été caractérisées en détail, et représentent probablement elles-mêmes un état déséquilibré.

Les auteurs discutent de la différence entre le bruit tonal et le bruit à large bande, qu'ils différencient comme suit : « Le bruit tonal est lié à l'aérodynamique et à la cinématique de la pale en écoulement uniforme, [...] à l'épaisseur, à la charge et au bruit quadripolaire. Le bruit à large bande est plus complexe et est généré par l'interaction entre l'écoulement et divers composants de la pale ». Les niveaux de bruit tonal représentent la majeure partie de la contribution au bruit total, tandis que le bruit à large bande ne représente qu'une petite partie. Ils notent qu'un contributeur majeur au bruit tonal est le bruit d'épaisseur, déterminé par l'épaisseur de la pale de l'hélice.

On peut émettre l'hypothèse qu'en réduisant l'épaisseur de la pale de l'hélice déséquilibrée par ponçage, ils ont pu contribuer à réduire le bruit d'épaisseur et la production de bruit tonal.

Dans une autre étude par Iannace (2019), des mesures du bruit de l'hélice ont été prises dans une chambre anéchoïque à l'aide d'un drone quadcopter avec quatre hélices à 2 pales. Le bruit a été comparé dans trois conditions : 1) hélices non modifiées, 2) ruban adhésif ajouté à une pale de l'une des hélices, 3) ruban adhésif ajouté aux deux pales de l'une des hélices. La masse du drone, des hélices et du ruban adhésif n'a pas été indiquée.

Quatre microphones ont été placés à différents endroits autour du drone et le niveau de pression acoustique linéaire a été mesuré en dB. Fait intéressant, il n'y avait pas de différences significatives dans le son mesuré dans les trois conditions différentes. Le niveau sonore moyen du drone avec quatre hélices équilibrées était en fait légèrement plus élevé (1,4 dB Lin) que les deux conditions déséquilibrées.

Figure 11 : Niveau de pression acoustique en dB Lin pour chacune des trois conditions

Malgré des niveaux de bruit totaux très similaires, chacune des conditions présentait une signature sonore unique que le réseau neuronal de l'auteur a pu différencier avec un taux de réussite de plus de 97 %.

Une troisième étude réalisée par Semke (2020) a cherché à caractériser comment les dommages influencent l'accélération, les niveaux acoustiques et les performances de vol des drones. Les tests ont été effectués à l'aide d'un DJI Phantom 4 Pro avec quatre ensembles uniques d'hélices, deux des ensembles avaient une conception à faible bruit et les deux autres ensembles avaient une conception standard. Dans chaque ensemble, un centimètre de matière a été retiré de l'extrémité de l'une des hélices pour introduire un déséquilibre, tandis que l'autre était non modifiée.

Les résultats ont démontré que pour deux des pales standard, les hélices déséquilibrées présentaient une augmentation du niveau de bruit de 4 dB par rapport aux hélices non modifiées, 78 dB contre 74 dB, soit une augmentation de 5 %. En revanche, les hélices à faible bruit présentaient peu ou pas de différence entre les conditions endommagées et non endommagées.

Figure 12 : Niveau de pression acoustique en dB des drones avec hélices non endommagées et endommagées

Ils ont également comparé les vibrations de l'appareil à l'aide d'un accéléromètre embarqué. Les résultats sont parallèles aux mesures acoustiques. Tous les appareils ont présenté des vibrations accrues, mais l'augmentation était moins prononcée dans les drones avec les hélices à faible bruit.

Figure 13 : Augmentation de l'accélération entre les drones avec hélices non endommagées et endommagées

Chacune de ces études part du principe que les hélices et les moteurs du drone étaient bien équilibrés avant les expériences. Il serait intéressant de voir d'autres études de ces effets avec les ajouts suivants : 1) masse connue de l'hélice, 2) masse ou ampleur connue du déséquilibre, 3) une mesure de l'équilibrage de l'hélice par rapport à une norme établie avant l'expérience. 

Il serait également intéressant de mener ces études sur des drones plus grands. Alors que Pechan (2015) a testé une hélice Xoar de 22”, les deux autres études ont utilisé de petits quadcopters.

Ce qu'il faut retenir de ces études est que les petits déséquilibres dans les hélices de drone sont peu susceptibles d'augmenter significativement la production de bruit, bien que les grands déséquilibres puissent entraîner plus de bruit, en particulier à mesure que la taille de l'hélice et les tr/min augmentent.

2.4 Dégradation des performances du contrôleur de vol

L'un des impacts des hélices déséquilibrées est la réduction de la stabilité de vol, ce qui nécessite des actions correctives de la part du contrôleur de vol embarqué. Cela peut prendre la forme d'entrées de couple compensatoires pour contrer les perturbations (Pose, 2024) ou d'ajustements rapides constants pour maintenir la stabilité (Vertiq, n.d.). Ces corrections augmentent les exigences de puissance du contrôleur de vol et diminuent ainsi l'efficacité et le temps de vol du drone.

Un exemple clé est l'impact du déséquilibre sur l'Unité de Mesure Inertielle (IMU), responsable de la mesure de paramètres clés tels que l'attitude, l'accélération et la vitesse angulaire. Les IMU sont très sensibles aux vibrations, et des charges de vibration excessives peuvent entraîner de la fatigue et des fractures, résultant en des défaillances dans les microfaisceaux et les contacts métalliques dans les systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) (Xu, 2024). Il a été constaté que cela peut être causé par une synchronisation de la fréquence d'accélération externe avec la fréquence naturelle du câblage, entraînant une résonance et une concentration de contraintes (He, 2019). Une autre étude a démontré que de telles fissures dans les microfaisceaux peuvent dégrader les performances du gyroscope et donc les lectures des capteurs MEMS (Larkin, 2020).

La dégradation des lectures des capteurs embarqués précède souvent la défaillance catastrophique du drone. Dans Pose (2024), les vibrations dues au déséquilibre de l'hélice ont entraîné un bruit extrême dans les mesures inertielles, provoquant des estimations d'attitude imprécises qui ont finalement entraîné plusieurs crashs.

2.5 Usure accélérée des roulements

La relation entre le déséquilibre de l'hélice et les vibrations a été bien définie, tout comme la relation entre les vibrations et la dégradation des roulements, en particulier dans les industries plus anciennes, comme la fabrication industrielle. Dans Li (2023), un banc d'essai a été conçu pour étudier le comportement des roulements à billes sous excitation vibratoire. La recherche a démontré que cette excitation peut augmenter significativement l'accélération et la trajectoire axiale du roulement et réduire la rigidité du roulement, accélérant ainsi la dégradation.

La majorité des travaux sur la relation entre les vibrations et la durée de vie des roulements dans les drones se concentre sur la façon dont la dégradation des roulements entraîne une augmentation des vibrations.

Dans Banerjee (2023), des chercheurs du NASA Langley Research Center ont utilisé un drone DJI S1000 pour détecter expérimentalement des anomalies de vibration dans un aéronef avec des roulements endommagés. Ils ont développé une caractéristique de diagnostic de santé normalisée appelée « Vibrational Anomaly Indicator (VAI) », pour identifier les signatures de vibration uniques aux vols avec des roulements défectueux. L'indicateur a utilisé un ratio d'événements de vibration uniques par rapport aux événements non uniques pour évaluer chaque système.

Le diagnostic leur a permis de différencier les systèmes intacts et endommagés, qui ont montré des valeurs VAI de 0,04 (a) et 0,08 (b) pour les systèmes intacts, et 0,65 (c) et 0,84 (d) pour les systèmes endommagés.

Figure 14 : Densité spectrale de puissance (PSD), comme indicateur de vibration dans les systèmes avec roulements intacts (a, b) et endommagés (c, d)

Résumé

Une hélice déséquilibrée déclenche une boucle de rétroaction positive de performances dégradées, raccourcissant le temps moyen avant défaillance (MTTF) d'un drone. La rotation à grande vitesse d'une hélice déséquilibrée génère des vibrations excessives, qui réduisent l'efficacité de la poussée, augmentent la production de bruit, et font grimper la consommation d'énergie. Ces vibrations se propagent à travers la structure, entraînant une usure accélérée des roulements, une fatigue structurelle et des inexactitudes des capteurs qui peuvent entraîner une réduction de la stabilité de vol.

Si elle n'est pas corrigée, cette boucle s'auto-renforçant peut entraîner une défaillance prématurée des composants critiques du drone.

Partie 3 : Techniques d'équilibrage des hélices

3.0 Contexte

Pour atténuer les dégradations de performances décrites dans la section précédente, il faut s'attaquer à la cause profonde : les hélices déséquilibrées.

De nombreux drones prêts à l'emploi sont livrés avec des rotors pré-équilibrés qui obtiendraient une note de passage selon les normes ISO. Les versions plus petites de ces drones sont relativement peu coûteuses à acquérir avec des pièces de rechange à coût relativement faible. Lorsqu'il s'agit de déséquilibre dans ces modèles, l'opérateur a tendance à simplement remplacer les hélices.

Il existe trois scénarios principaux où il est conseillé d'équilibrer les hélices :
Les hélices sont grandes et coûteuses à remplacer.
Le drone est construit en interne.
Une hélice est associée à un nouveau modèle de moteur.

Le premier scénario est assez explicite - si les hélices d'un drone coûtent des centaines ou des milliers de dollars à remplacer, il vaut la peine d'essayer de les équilibrer et de les réparer.

Dans le deuxième scénario, les fabricants de drones ne comptent pas sur l'équilibrage du fournisseur et doivent effectuer un équilibrage en interne dans le cadre du processus de production ou d'assurance qualité.

Le troisième scénario reflète le fait que les moteurs et les hélices devraient idéalement être équilibrés ensemble, car une hélice parfaitement équilibrée sur un moteur déséquilibré entraînera toujours des vibrations plus élevées et une dégradation en aval.

Dans ce livre blanc, nous couvrons deux façons d'équilibrer une hélice de drone – statique et dynamique. L'équilibrage statique est effectué sur une hélice fixe, tandis que l'équilibrage dynamique s'occupe d'une hélice en rotation. Chaque technique a ses avantages et ses limites, discutés ci-dessous.

3.1 Équilibrage statique

L'équilibrage statique consiste généralement à monter une hélice sur un support immobile et à effectuer des ajustements sur les pales de l'hélice ou le moyeu jusqu'à ce qu'elle soit visiblement équilibrée. Les équilibreurs magnétiques sont une option populaire parmi les équilibreurs statiques, utilisant des aimants opposés pour créer un point de pivot à faible friction autour duquel l'hélice peut tourner.

Une fois l'hélice montée, l'utilisateur peut manipuler l'hélice pour identifier les déséquilibres dans les pales et le moyeu, et de la matière peut être ajoutée ou retirée pour minimiser le déséquilibre. 

Les méthodes courantes pour réduire la masse d'une hélice incluent le ponçage, le limage, ou le perçage de petits trous. Pour ajouter de la masse, les matériaux courants incluent la peinture claire, la colle, le vernis à ongles, le ruban adhésif, ou de petites vis.

Figure 15 : Un équilibreur statique magnétique d'hélice

3.1.1 Avantages

Il y a plusieurs avantages à l'équilibrage statique, et il peut être préférable dans les situations où le drone n'est pas utilisé commercialement.

Par exemple, l'équipement d'équilibrage statique a tendance à être moins cher que l'équipement d'équilibrage dynamique, il y a donc un avantage économique. Il est également très facile à apprendre, ne nécessitant pratiquement aucune expertise technique, et peut être effectué assez rapidement une fois la configuration configurée.

3.1.2 Limites

Pour les développeurs et opérateurs de drones commerciaux, les limites de l'équilibrage statique sont significatives.

Tout d’abord, le travail est effectué manuellement, les mesures sont donc beaucoup moins précises que celles d’un système numérique. Il est également impossible de comparer l’équilibrage à une norme telle que l’ISO 21940-11:2016, car aucune valeur G n’est générée. De plus, certains types d’hélices, comme les hélices repliables ou celles dotées de plus de 2 pales, sont plus difficiles à équilibrer avec un équilibreur statique.

3.2 Équilibrage dynamique

Les systèmes d’équilibrage dynamique nécessitent au minimum : 1) un capteur mesurant la vitesse de rotation de l’hélice et 2) un accéléromètre mesurant les vibrations. Certains systèmes utilisent la mesure de position à haute fréquence au lieu de l’accélération.

Plusieurs solutions commerciales d’équilibrage dynamique sont disponibles sur le marché de l’aviation habitée, mais aucune n’est spécifiquement conçue pour la caractérisation des UAV.

Conscient de ce besoin, Tyto Robotics a développé un système d’équilibrage dynamique d’hélices comprenant du matériel pour fixer l’hélice, des capteurs pour enregistrer les mesures et un logiciel pour contrôler la chaîne d’entraînement et traiter les données afin d’obtenir les corrections nécessaires.

Voici un exemple illustré du processus d’équilibrage :

Étape 1 : Fixez l’hélice sur le support de poussée et connectez le capteur de régime moteur à l’unité de mesure de force.

Figure 16 : Banc d’essai d’équilibrage dynamique Flight Stand avec hélice et capteur de régime moteur

Étape 2 : Saisissez les caractéristiques du rotor dans le logiciel. Cela comprend le régime moteur de fonctionnement (croisière), la distance de correction où le poids correcteur sera ajouté et le niveau de qualité d’équilibrage souhaité.

Figure 17 : Écran de saisie des paramètres du logiciel d’équilibrage dynamique

Étape 3 : Effectuez une rotation d’essai initiale en augmentant la puissance jusqu’à ce que l’hélice atteigne le régime moteur de fonctionnement indiqué. Enregistrez une mesure et laissez l’hélice revenir au repos.

Étape 4 : Ajoutez le poids d’étalonnage, sous forme de ruban adhésif, de vernis à ongles transparent, etc., comme indiqué par le logiciel. Le logiciel indiquera la masse et le numéro de pale nécessaires, ainsi que l’endroit où le poids doit être ajouté à la distance de correction.

Figure 18 : Instructions du logiciel pour ajouter du poids à l’hélice lors de l’essai d’étalonnage

Étape 5 : Effectuez la rotation d’étalonnage et augmentez la puissance pour atteindre le régime moteur de fonctionnement.

Figure 19 : Système de commande de la puissance de l’hélice dans le logiciel d’équilibrage dynamique

Étape 6 : Ajoutez le poids de correction final à l’hélice, comme indiqué par le logiciel. Le poids ajouté à cette étape devrait suffire à atteindre le niveau d’équilibrage cible.

Figure 20 : Écran final indiquant que le niveau de qualité final est conforme à la norme définie

Étape 7 : Si l’hélice n’a pas atteint le niveau d’équilibrage cible, ajoutez le poids de correction supplémentaire recommandé par le logiciel et faites tourner l’hélice à nouveau pour vérifier son équilibrage.

3.2.1 Avantages

Pour les cas d’utilisation professionnels des UAV, l’équilibrage dynamique est presque toujours la méthode privilégiée pour plusieurs raisons.

Tout d’abord, il est extrêmement précis. Lorsque les conséquences d’hélices déséquilibrées sont si graves, il est absolument nécessaire de disposer de données précises sur l’équilibrage. Les systèmes dynamiques fournissent également une valeur G et respectent les normes publiées, ce qui peut être crucial pour les développeurs d’UAV souhaitant démontrer leur conformité aux clients ou aux parties prenantes.

De plus, avec les systèmes d’équilibrage automatisés, l’équilibrage dynamique est facile à réaliser et s’effectue relativement rapidement, en 5 minutes ou moins par hélice.

Enfin, les systèmes d’équilibrage dynamique ne sont pas limités par le nombre de pales ou le type d’hélice et peuvent équilibrer des hélices dotées de n’importe quel nombre de pales, y compris une seule pale ou un disque tel que le moteur.

3.2.2 Limites

Certaines connaissances techniques sont nécessaires pour équilibrer dynamiquement une hélice. Par exemple, la plupart des logiciels d’équilibrage dynamique exigent que l’utilisateur saisisse des variables telles que la vitesse de rotation de croisière et le niveau d’équilibrage G cible. L’information la plus importante est de savoir comment monter et modifier l’hélice en toute sécurité, tout en manipulant des systèmes sous tension et des hélices en rotation.

De plus, l’équipement utilisé pour l’équilibrage dynamique tend à être plus coûteux que l’équipement statique, ce qui nécessite un investissement plus important.

Conclusion

Les effets du déséquilibre des hélices sur les UAV sont considérables et affectent la stabilité du vol, l’efficacité, la précision des capteurs et la longévité des composants. Des vibrations excessives, résultant même de déséquilibres mineurs, peuvent entraîner une perte de poussée, une augmentation de la consommation d’énergie, une usure accélérée des roulements, une fatigue structurelle et une dégradation des performances du contrôleur de vol. Si ces problèmes ne sont pas traités, ils contribuent à réduire le temps moyen avant défaillance (MTTF), à diminuer la fiabilité et à augmenter les coûts d’exploitation.

L’équilibrage dynamique des hélices offre une solution pratique et très efficace pour atténuer ces risques. Contrairement à l’équilibrage statique, qui ne permet qu’une correction de masse de base, l’équilibrage dynamique détecte et corrige précisément les déséquilibres pendant que l’hélice tourne, garantissant un haut degré de précision et la conformité aux normes de l’industrie telles que l’ISO 21940-11:2016. Ce processus réduit les vibrations à la source, ce qui permet d’obtenir des vols plus fluides, une efficacité accrue et une durée de vie prolongée des composants.

Pour les fabricants et opérateurs d’UAV qui recherchent des performances optimales, des coûts de maintenance réduits et une sécurité accrue, la mise en œuvre de l’équilibrage dynamique comme pratique standard constitue une avancée cruciale. En adoptant cette approche, les systèmes UAV peuvent fonctionner à leur efficacité maximale, garantissant une plus grande fiabilité, des émissions sonores plus faibles et une durée de vie prolongée.

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