1. Introduction
Au début du développement des drones, la R&D se concentrait principalement sur la structure aérodynamique et les performances mécaniques, visant des capacités de vol stables, rapides et à haute altitude. Avec l'itération rapide des puces, de l'intelligence artificielle et des technologies de big data, les drones ont évolué vers l'intelligence, la terminalisation et l'opération en essaim. L'intervention de la technologie de l'information électronique et de la microélectronique a considérablement réduit le seuil d'application des drones, permettant aux consommateurs civils d'atteindre un vol stable avec une opération simple.
Sans aucun doute, la mise à niveau rapide de la technologie de contrôle de vol est le principal moteur de la popularisation complète et du saut de performance des drones au cours de la dernière décennie.
2. Qu'est-ce qu'un système de contrôle de vol ?
Le système de contrôle de vol (FCS) est considéré comme le cerveau des drones. Il assume des fonctions essentielles, notamment la perception en temps réel de l'attitude de l'aéronef, le calcul des données, le jugement logique et la sortie d'instructions.
Le vol, le vol stationnaire, la transformation d'attitude et l'ajustement de trajectoire des drones multi-rotors suivent tous une logique unifiée : divers capteurs collectent des données d'attitude et de position en temps réel et les transmettent au contrôleur de vol. Après un fonctionnement et une analyse à haute fréquence, le contrôleur de vol émet des commandes de contrôle à l'actionneur, afin d'ajuster la vitesse du moteur et de réaliser un contrôle de vol stable.
Semblable au cerveau humain, le contrôleur de vol forme une boucle de contrôle en boucle fermée de "perception-calcul-exécution-rétroaction", qui est le système matériel et logiciel le plus essentiel pour assurer un vol stable et sûr des drones.
3. Principe de vol et logique de contrôle des drones quadricoptères
3.1 Composition structurelle globale
Un drone quadricoptère standard se compose de quatre modules principaux : module de détection, module de contrôle, module d'exécution et module d'alimentation. Le fuselage adopte une structure rigide symétrique en croix en fibre de carbone légère et à haute résistance. Quatre moteurs de rotor sont installés aux quatre extrémités du fuselage, fournissant toute la puissance de vol au drone.
L'attitude et la position de vol du quadricoptère sont entièrement contrôlées en ajustant la vitesse des quatre rotors. Pour compenser le couple de rotation et éviter l'autorotation du fuselage, les rotors avant et arrière tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, tandis que les rotors gauche et droit tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, réalisant une annulation mutuelle du couple en état de vol stationnaire.
Le drone quadricoptère est un système non linéaire typique sous-actionné et fortement couplé avec une sortie de mouvement à 6 degrés de liberté contrôlée par 4 groupes de vitesses de rotor. Il existe une forte relation de couplage entre le mouvement d'attitude et le mouvement de translation, ce qui impose des exigences élevées en matière de performance en temps réel et de précision des algorithmes de contrôle de vol.
3.2 Cinq états de vol de base
Vol stationnaire: Les quatre rotors tournent à la même vitesse, la portance totale est équilibrée avec la gravité du drone, et le couple global est nul, réalisant un vol stationnaire statique stable dans les airs.
Mouvement vertical: Augmenter ou diminuer simultanément la vitesse des quatre rotors. L'augmentation de la portance totale permet une ascension verticale, tandis que la réduction de la portance totale provoque une descente verticale.
Mouvement de roulis: Maintenir la vitesse des rotors avant et arrière inchangée, ajuster la vitesse des rotors gauche et droit pour créer une différence de portance, générer un couple latéral, et réaliser une inclinaison et une translation latérales du fuselage.
Mouvement de tangage: Maintenir la vitesse des rotors gauche et droit inchangée, ajuster la vitesse des rotors avant et arrière pour créer une différence de portance avant-arrière, et réaliser une inclinaison et un vol avant et arrière du fuselage.
Mouvement de lacet: Ajuster la différence de vitesse entre les groupes de rotors dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pour rompre l'équilibre du couple, générer un couple de rotation autour de l'axe central du fuselage, et réaliser une rotation de déviation gauche et droite.
3.3 Vol autonome et logique de contrôle stable
Le suivi précis de trajectoire est la condition de base du vol autonome des drones. Affecté par une dynamique fortement couplée, des erreurs de paramètres de modèle et des interférences de champ de vent externes, le contrôle d'attitude stable est la condition préalable principale du contrôle de trajectoire précis.
Le système de contrôle de vol adopte un cadre de contrôle imbriqué à double boucle: la boucle interne réalise un contrôle stable à haute fréquence de trois angles d'attitude (roulis, tangage, lacet), et la boucle externe complète le suivi de trajectoire et de position à basse fréquence. La boucle interne à réponse rapide supprime les interférences externes et les tremblements d'attitude, tandis que la boucle externe réalise une navigation de route précise sur longue distance.
Pour faire face aux interférences environnementales complexes et au bruit des capteurs, le système de contrôle de vol est équipé d'observateurs de perturbation et d'algorithmes de compensation adaptative pour améliorer la robustesse du système, assurant un suivi d'attitude et une exécution de trajectoire continus et stables dans des scénarios complexes.
4. Composants principaux et fonctions des capteurs du système de contrôle de vol
4.1 Unité de mesure inertielle IMU (Perception d'attitude principale)
L'IMU est l'unité de détection la plus fondamentale du système de contrôle de vol, composée d'un gyroscope 3 axes, d'un accéléromètre 3 axes, d'un magnétomètre 3 axes et d'un baromètre, responsable de la perception de l'état de mouvement multidimensionnel.
Gyroscope 3 axes: Basé sur l'effet gyroscopique, il mesure la vitesse angulaire du drone sur les axes X, Y et Z en temps réel, capture les tendances de changement d'attitude et fournit des données essentielles pour la correction de la stabilité d'attitude.
Accéléromètre 3 axes: Détecte l'accélération linéaire des trois axes du fuselage, juge l'état de mouvement tel que l'accélération, la décélération et l'état statique, et aide à calculer l'angle d'inclinaison de l'attitude.
Capteur géomagnétique: Équivalent à une boussole électronique, il calibre l'angle de cap du drone pour résoudre le problème de dérive du lacet des capteurs inertiels.
Baromètre: Mesure les changements de pression atmosphérique pour réaliser un positionnement d'altitude relatif de haute précision et un vol à altitude fixe, compensant la faible précision de la mesure d'altitude GPS.
L'IMU forme une boucle de contrôle en boucle fermée à haute fréquence de 10 Hz avec le contrôleur de vol, qui compense dynamiquement le décalage d'attitude en temps réel pour éviter le retournement et le crash causés par un déséquilibre d'attitude.
4.2 Capteur de vitesse de l'air
Le capteur de vitesse de l'air calcule la vitesse de l'air en temps réel en détectant la différence de pression entre la pression atmosphérique statique et la pression du vent venant en sens inverse. Différent de la vitesse au sol GPS, il reflète la vitesse de mouvement relative entre le drone et l'air, ce qui est une donnée clé pour juger de la portance au décollage et de la stabilité du vol, évitant efficacement les échecs de vol causés par les interférences de vent de face ou de vent arrière.
4.3 Module de positionnement GPS/Beidou
Basé sur le principe de trilatération satellitaire, le GPS/Beidou obtient les informations de longitude, latitude, vitesse au sol et altitude absolues du drone. Le système de positionnement ouvert et mature peut atteindre une précision de positionnement de niveau métrique, voire sub-métrique, dans des environnements ouverts, fournissant une référence de position absolue pour la planification de trajectoire, le vol stationnaire à point fixe et le vol de retour au point de départ.
Le GPS est susceptible d'être occulté par des bâtiments, des arbres et des tunnels, entraînant une perte de signal et une dérive, ce qui est l'une des principales causes de dérive et de crash des drones dans des scénarios complexes.
4.4 Station au sol et radio de transmission de données
La station au sol est le terminal d'interaction homme-machine et de planification de commandes du système de drone. Elle réalise la planification de trajectoire de vol, la configuration des paramètres, le déploiement des tâches et la surveillance de l'état de vol en temps réel via un logiciel de support.
La radio de transmission de données est le pont de communication entre la station au sol et le drone. Adoptant des bandes de fréquences courantes telles que 433 MHz, elle présente une forte pénétration et une longue distance de transmission. Elle réalise une transmission bidirectionnelle des commandes au sol et des données de vol du drone (altitude, vitesse, attitude, tension), prenant en charge la modification de trajectoire en temps réel et le contrôle d'urgence pendant le vol.
5. Fonctions principales des systèmes de contrôle de vol intelligents modernes
5.1 Perception précise de l'état complet
Le système de contrôle de vol peut surveiller en temps réel 15 quantités d'état de vol principales, y compris la position 3D, la vitesse 3D, l'accélération 3D, l'angle 3 axes et la vitesse angulaire 3 axes. Grâce à la fusion de données multi-capteurs, il élimine les erreurs de capteurs uniques tels que l'IMU, le GPS et le baromètre, et fournit des données d'état de vol de haute fiabilité.
5.2 Navigation intégrée multi-capteurs
Les systèmes de contrôle de vol modernes haut de gamme étendent les capteurs visuels et les capteurs ultrasoniques sur la base de la navigation inertielle et de la navigation satellitaire traditionnelles. La vision binoculaire permet un positionnement 3D, une mesure de vitesse et une évitement d'obstacles ; les ultrasons aident à un vol stationnaire à basse altitude de haute précision. L'IMU redondante et le système géomagnétique basculent automatiquement les canaux de travail en cas de défaillance d'un capteur, améliorant considérablement la fiabilité du vol. Il permet une commutation transparente du vol stable dans des scènes ouvertes avec un bon signal GPS et des scènes intérieures et abritées avec un signal GPS perdu.
5.3 Contrôle de vol à haute robustesse
Avec des algorithmes de contrôle optimisés, le système de contrôle de vol possède des capacités de contrôle de haute précision pour le vol stationnaire, la croisière à basse vitesse et le vol à haute vitesse. En même temps, il a une forte résistance aux interférences et une tolérance aux pannes. Il peut rapidement récupérer une attitude stable dans des scénarios extrêmes tels que des dommages d'hélice, des impacts externes et des changements de charge soudains, améliorant efficacement la sécurité du vol.
5.4 Diagnostic de panne intelligent et alerte précoce
Le système de contrôle de vol surveille les paramètres en temps réel tels que la tension, le courant, la température, la vitesse du moteur et les vibrations. Basé sur des algorithmes d'apprentissage profond et de reconnaissance de formes, il réalise un diagnostic intelligent des pannes potentielles telles que la dérive de l'IMU, la défaillance de la communication et les anomalies d'alimentation. Il prend en charge l'alerte précoce et la protection d'attitude d'urgence, réduisant considérablement la probabilité d'accidents de vol.
6. Résumé
Le système de contrôle de vol des drones repose sur le travail collaboratif de l'IMU, du positionnement satellitaire, de la mesure de la vitesse de l'air, de la communication et d'autres modules multi-capteurs. Grâce à un contrôle en boucle fermée à haute fréquence et à des algorithmes de fusion de données multi-sources, il réalise des fonctions de base telles que la stabilisation d'attitude, le vol stationnaire à altitude fixe et le suivi de trajectoire, ainsi que des fonctions intelligentes avancées telles que la navigation redondante, le vol anti-interférence et l'autodiagnostic de panne.
L'itération des algorithmes de détection et de contrôle de vol est le principal moteur de l'évolution des drones du vol manuel simple au vol intelligent entièrement autonome, et est la base clé de l'utilisation généralisée des drones dans la photographie aérienne, la topographie, la cartographie et les inspections industrielles.
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