Par Lauren Nagel
Les vibrations excessives nuisent aux performances des drones (UAV), entraînant une dégradation prématurée des composants, une réduction du temps de vol, une instabilité des enregistrements vidéo et d'autres conséquences néfastes.
L'une des principales sources de ces vibrations est le déséquilibre des hélices, où la masse est répartie de manière inégale sur les pales. Ce déséquilibre peut être présent dès la sortie d'usine, ou survenir à la suite de dommages pendant le transport ou l'utilisation.
Dans cet article, nous examinons des études explorant la relation entre le déséquilibre des hélices et les vibrations, et nous formulons des recommandations pour limiter les vibrations dans les drones.
Table des matières
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Vibrations par rapport au régime moteur (RPM) et au diamètre de l'hélice
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Développement d'un modèle pour détecter les vibrations causées par un déséquilibre
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Comment réduire les vibrations des hélices sur les drones
Figure 1 : Hélice montée sur un drone
1. Vibrations par rapport au régime moteur (RPM) et au diamètre de l'hélice
Dans le monde des multirotors, plusieurs études ont confirmé que la relation de causalité entre le déséquilibre des hélices et les vibrations s'applique aux drones. Ces études nous ont aidés à mieux comprendre ce phénomène, notamment pour identifier quand il devient une source de préoccupation.
Dans l'étude de Kuantama (2019), un vibromètre laser Doppler a été utilisé pour mesurer les vibrations sur des hélices de drones équilibrées et déséquilibrées. Dans cette étude, un faisceau laser était focalisé sur trois zones des hélices — l'extrémité, le centre de la pale et le moyeu — afin de surveiller le mouvement dynamique de l'hélice et d'en déduire la vitesse de vibration.
Des hélices de 13 et 14 pouces ont été comparées.
Avant les expériences, les auteurs ont utilisé un système d'équilibrage statique pour équilibrer les hélices dans deux zones : le centre des pales et le moyeu. Les hélices ont ensuite été montées sur un banc d'essai et ont tourné jusqu'à 7000 tr/min.
Figure 2 : Configuration du test au vibromètre laser de Kuantama (2019) (Reproduit de Kuantama, 2019, sous licence CC BY 4.0.)
Il est intéressant de noter qu'à des régimes élevés, l'hélice de 14 pouces a montré un écart beaucoup plus important de vitesse de vibration entre les modèles équilibrés et déséquilibrés, par rapport à l'hélice de 13 pouces.
À 5000 tr/min, l'hélice déséquilibrée de 13 pouces présentait une vitesse de vibration supérieure de 12 % (soit 0,4 m/s) à celle de l'hélice équilibrée. En comparaison, cet écart atteignait 33 % (soit une augmentation de 2,3 m/s) entre les hélices de 14 pouces déséquilibrées et équilibrées. Les auteurs ont noté qu'une « augmentation spectaculaire de la vitesse de vibration se produit au-delà de 4000 tr/min ».
Figure 3 : Vitesse de vibration d'une hélice de 13” (à gauche) et d'une hélice de 14” (à droite) (Reproduit de Kuantama, 2019, sous licence CC BY 4.0.)
Ces résultats confortent les conclusions précédentes selon lesquelles les vibrations dues au déséquilibre des hélices ont un impact plus important à des régimes élevés et suggèrent qu'elles pourraient être plus lourdes de conséquences sur les drones équipés de plus grandes hélices.
Pour aller plus loin : Normes d'équilibrage des hélices pour drones
2. Développement d'un modèle pour détecter les vibrations causées par un déséquilibre
Une étude plus récente menée par Salem et al. (2025) visait à relever les défis liés à la détection du déséquilibre du rotor dans des environnements dynamiques, tels que ceux impliquant des turbulences de vent et du bruit environnemental.
Le déséquilibre a été introduit dans le système en desserrant l'une des vis de pale sur une hélice. Les profils de vibration ont été enregistrés à l'aide d'un capteur MEMS (système micro-électromécanique) monté sur le châssis du drone, et les données enregistrées ont été utilisées pour entraîner leur modèle de réseau neuronal perceptron multicouche (MLP), qui serait ensuite appliqué à un jeu de données de test.
Dans leurs résultats, ils ont noté que le profil de vibration du rotor déséquilibré montrait significativement plus de vibrations sur les trois axes (X, Y, Z) par rapport au rotor équilibré. L'écart était plus prononcé sur l'axe X, avec des pics dépassant 2g, mais les modèles irréguliers observés sur les axes Y et Z suggèrent que le déséquilibre a induit des vibrations secondaires dans tout le 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 traitées. »
Figure 4 : Accélération des vibrations pour des hélices a) équilibrées et b) déséquilibrées (Salem, 2025) (Reproduit de Salem, 2025, sous licence CC BY 4.0.)
Leur réseau neuronal a pu atteindre un coefficient de corrélation de 0,9224 sur les jeux de données de test, ce qui suggère que le modèle peut être utilisé pour identifier des déséquilibres spécifiques dans d'autres systèmes de propulsion en utilisant 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.
Recommandé pour vous : Options de test en soufflerie (Comparaison)
3. Comment réduire les vibrations des hélices sur les drones
De telles études soulèvent plusieurs questions : à quel régime les effets du déséquilibre provoquent-ils des vibrations excessives pour une hélice donnée ? Les modèles de vibration des hélices peuvent-ils aider à identifier les déséquilibres sur d'autres aéronefs ? Comment réduire les vibrations des hélices ?
Pour répondre à ces deux questions, nous avons besoin de données robustes pour caractériser les hélices concernées.
Chez Tyto Robotics, nous avons développé un système d'équilibrage dynamique des hélices qui permet aux utilisateurs de quantifier et de corriger les déséquilibres de leurs hélices.
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Figure 5 : Ajout de poids sur les pales d'une hélice pour obtenir une répartition égale de la masse
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