Samedi 31 mars 2012 à 8:25

Sciences et techniques

La mode est à l'étude de micro-drones et parmi ceux-ci, les développements les plus sérieux concernent les quadricoptères, hélicoptères minuscules à 4 rotors
            Il existe aussi des jouets dans ce domaine mais je vous en parlerai demain. Aujourd'hui je voudrai vous parler des recherches et développement menées à l'Université américaine de Pennsylvanie par l'équipe d'un chercheur indien, Vijay Kumar.
            Ce chercheur fait de nombreuses conférences et est doué de qualités médiatiques certaines et il a conçu de véritables shows pour vanter ces créations. Vous pouvez voir une de celles-ci à l'adresse indiquée par Maud : http://www.youtube.com/watch?v=4ErEBkj_3PY&feature=youtu.be
            Son accent américain n'est pas très agréable, alors ne vous attardez que sur les images, je vais vous expliquer le reste et comment fonctionne son appareil.
 
            Un quadricoptère est donc un petit engin muni de 4 rotors, un devant (1), un derrière (3), et un sur chaque coté (2) à droite et (4) à gauche.
            Ce micro-drone n'est qu'un engin d'étude dont la petite taille permet de l'essayer en laboratoire et de mettre au point son fonctionnement.
            il ne pèse que 50 grammes, mesure 20 cm de diamètre et ne consomme que 15 watts d'énergie.
            A bord, des moteurs aux quatre coins sous les rotors et au centre, la micro-batterie,, des gyroscopes et des accéléromètres, qui donnent un renseignement sur l'orientation de l'engin, sa vitesse et ses accélérations dans les trois directions et des microprocesseur qui vont contrôler le vol, ainsi qu'un système de communication wi-fi avec une tablette, genre iPad.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/quadrihelico.jpg
 
            La propulsion élémentaire est la suivante :
                        - si les 4 rotors tournent à la même vitesse, leur effet compensant le poids de l'engin, celui-ci se maintient là où il est en vol stationnaire.
                        - si on accélère les quatre rotors, l'engin va monter parce qu'il est horizontal, mais si l'engin est incliné, il va aller dans la direction de l'axe perpendiculaire à son assiette.
                        - si on diminue la vitesse des 4 rotors, il va descendre (ou aller dans la direction opposée à son inclinaison)
                        - si on fait tourner le rotor 3 plus vite que le rotor 1, l'engin va piquer du nez vers l'avant, et dans le cas inverse, va se cabrer.
                        - si on fait tourner le rotor 4 plus vite que le rotor 2, l'engin va s'incliner vers le rotor 2 et inversement.
                        - si enfin vous faites tourner les rotors 2 et 4 à une vitesse différente des rotors 1 et 3, l'engin va pivoter sur lui même horizontalement autour de l'axe vertical passant par son centre.
            Je vous ai parlé d'avant et d'arrière car je ne pouvais faire autrement pour expliquer, mais en fait les 4 rotors sont équivalents et l'engin peut aller dans tous les sens et évidemment on peut combiner ces actions sur les 4 rotors et le minuscule ordinateur de bord calcule 600 fois par seconde la vitesse à donner à chacun des rotors pour effectuer les manœuvres de vol et, comme l'engin est très léger, il réagit aussitôt et est très agile.
            Si R est le rayon de l'engin (environ 10 cm) comme l'inertie angulaire est proportionnelle à R5, avec un faible rayon, on la diminue considérablement et on peut tourner plus rapidement et avec moins de dépense d'énergie.
            Si vous avez regardé le film, vous avez pu voir le petit quadricoptère faire plusieurs tonneaux en moins d'une seconde et se rétablir ensuite parfaitement.
 
            Des gyroscopes et des accéléromètres mesurent la position, les vitesses angulaires et les accélérations du robot dans l'espace et transmettent ces informations aux calculateurs, et ceux ci commandent alors les vitesses des rotors. L'aboutissement de la recherche très difficile de cette université est la mise au point des équations physico-mathématiques des différents mouvements à donner à l'engin, par l'intermédiaire de ses rotors, en fonction des indications de ces appareils de mesure.
 
            Ces équations sont très complexes, car en fait, si vous voulez aller d'un point A en un point B, vous avez les trois dimensions de l'espace que nous connaissons tous, mais il y a en plus la direction de l'engin (c'est à dire de son vecteur vitesse), la valeur de cette vitesse, l'accélération (dérivée de la vitesse pour les matheux et matheuses de S), puis les valeurs dérivées que l'on appelle la "secousse", (un bond brusque de très courte durée), et le "décrochage" (quand vous passez dans un stade où rien ne réagit plus et qui ne doit pas trop durer !!). Bref si vous combinez tout cela vous évoluez dans un espace à 12 dimensions que l'on ne peut représentez qu'au moyen de matrices auxquelles je ne comprends pas grand chose, bien qu'ayant fait autrefois pas mal de maths !
            Les équations sont telles qu'à tout instant secousse et décrochage soient minimalisés, et on a donc une trajectoire fluide, malgré des acrobaties hardies.
            Suivant ce que l'on veut faire faire à l'aéronef, on change les instructions, on lui donne des points de repères et des ordres déterminés. Vous avez pu le voir passer à travers des cerceaux et même à travers un cerceau jeté en l'air, mais dont on a mesuré la trajectoire par une caméra et transmis la position à l'ordinateur du petit robot, qui passera dedans allègrement, comme il passera par l'orifice étroit vertical d'une porte, en passant lui même sur la tranche, incliné à 90 d°, et avec assez de vitesse pour ne pas se casser la figure.
 
            Vijay Kumar fait aussi voler ses petits quadricoptères en escadrilles. Mais il ne lui est pas possible de commander ensemble au niveau de son iPad centrale, les mouvements de plusieurs machines car cela demande trop de puissance de calcul à l'ordinateur et les robots n'auraient pas le temps de donner les ordres nécessaires à leurs rotors.
Alors il fixe simplement, comme pour la "patrouille de France", une configuration géométrique de positionnement dans l'espace les uns par rapport aux autres, et des distances minimales à respecter pour qu'il n'y ait pas d'effet mutuel aérodynamique.
            Ensuite on calcule sur l'iPad la trajectoire du "point moyen" de toute l'escadrille avec une répartition de configuration en 3 dimensions dans l'espace, des appareils les uns par rapport aux autres, et on demande à chaque robot de calculer lui même son erreur de position par rapport à ce point moyen, 100 fois par seconde et son ordinateur en tient compte dans les ordres qu'il donne aux rotors 600 fois par seconde.
            Vous avez pu voir sur le film, le ballet de 20 quadricoptères qui passent sous différentes formations dans un orifice vertical rectangulaire : mieux que des girls, de la natation synchronisée, ou que les chevaux du Cadre Noir de Saumur !!
            Vous avez pu les voir également positionner de petites poutres pour construire des cubes superposés. Là, les mouvements étaient commandés successivement, le chercheur ayant ensuite fourni un plan de ce qu'il fallait construire et des matériaux à utiliser.
            Et dans un clip final, neuf petits robots jouent de la musique concrète sur divers instruments.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/ballet.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/construc.jpg
 












            Vijay Kumar montre aussi un quadricoptère beaucoup plus gros, qui peut emmener une caméra, un pointeur laser (comme celui avec lequel on mesure la distance entre deux murs en bricolage) et un scanner laser, (comme celui de votre imprimante), et avec ces capteurs il va faire une carte de son environnement pour pouvoir se diriger par rapport à lui, comme s'il avait à bord, un micro-GPS, en estimant sa position 100 fois par seconde.
            Sur la vidéo il montre un robot qui effectue ainsi la cartographie de l'immeuble dans lequel il entre et qu'il parcours de pièce en pièce..
http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/robot.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/carte.jpg
 











            J'espère que je n'ai pas été trop confus dans mes explications et que j'ai donné envie, à certains d'entre vous d'aller voir le film.
            Mais ne vous laissez pas non plus emballer par cette démonstration très médiatique. Ces petits engins ne sont que des démonstrateurs. La vraie percée technologique, ce sont les équations de vol et leur réalisation informatique, qui sont applicables à des engins plus opérationnels, mais sans autant de spectacle.

            Demain je vous parlerai des applications pratiques des drones
Par autresrimes le Samedi 31 mars 2012 à 12:21
bonjour jean-pierre
un coucou poètique en ce samedi bonne journée, A+ du troubadour Emmanuel
Par maud96 le Samedi 31 mars 2012 à 19:15
Chapeau pour ce résumé du "show-vidéo" de Vijay Kumar : résumé très didactique et où, bien qu'ignorante dans ces domaines, j'ai tout compris
Et je trouve que tu as bien raison de dire, en fin d'article, sur ce sont les logiciels de calcul complexes qui sont derrière ces petits "démonstrateurs", applicables à plus gros et dangereux outils, qui sont l'essentiel ! Si en plus on leur applique des éléments de furtivité, les guerres de demain, celles des nations comme celles des terroristes, deviendront redoutables... et c'est ce qui me fait le plus peur dans ces techniques.
Par Doux le Samedi 31 mars 2012 à 19:17
Pour voir la vidéo avec des sous-titrages en français il suffit d'aller directement sur le site TED (une vrai mine d'or ce truc avec des milliers d'interventions sur autant de sujets différents, ça vaut le coup de fouiner une peu)
http://www.ted.com/translate/languages/fr
 

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