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WO2008107526A1 - Helicoptere automatique - Google Patents

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Publication number
WO2008107526A1
WO2008107526A1 PCT/FR2008/000006 FR2008000006W WO2008107526A1 WO 2008107526 A1 WO2008107526 A1 WO 2008107526A1 FR 2008000006 W FR2008000006 W FR 2008000006W WO 2008107526 A1 WO2008107526 A1 WO 2008107526A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
helicopter
receivers
propellers
signals
stable
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2008/000006
Other languages
English (en)
Inventor
Jannick Simeray
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
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Priority to US12/522,095 priority patent/US20100161155A1/en
Publication of WO2008107526A1 publication Critical patent/WO2008107526A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63H—TOYS, e.g. TOPS, DOLLS, HOOPS OR BUILDING BLOCKS
    • A63H27/00—Toy aircraft; Other flying toys
    • A63H27/12—Helicopters ; Flying tops
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D45/00—Aircraft indicators or protectors not otherwise provided for
    • B64D45/04—Landing aids; Safety measures to prevent collision with earth's surface
    • B64D45/08—Landing aids; Safety measures to prevent collision with earth's surface optical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00—Type of UAV
    • B64U10/10—Rotorcrafts
    • B64U10/17—Helicopters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00—Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/20—Rotors; Rotor supports
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/10—Propulsion
    • B64U50/11—Propulsion using internal combustion piston engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/30—Supply or distribution of electrical power
    • B64U50/39—Battery swapping
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0808—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft
    • G05D1/0858—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft specially adapted for vertical take-off of aircraft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U2201/00—UAVs characterised by their flight controls
    • B64U2201/10—UAVs characterised by their flight controls autonomous, i.e. by navigating independently from ground or air stations, e.g. by using inertial navigation systems [INS]

Definitions

  • the invention relates to the principle and the realization of a motorized flying machine, used as toy or drone at very low cost, the flight of which is made autonomous by means of an onboard automatism, and possibly associated with a remote control device.
  • the state of the art does not present remote-controlled flying toy whose flight is autonomous.
  • the dexterity required for piloting, for example, a remotely controlled miniature helicopter precludes its use by children, especially in fenced areas.
  • the object of the invention consists in producing a flying toy or a military observation drone in an urban environment, the flight of which is made static and stationary at a fixed altitude in the absence of instructions from the optional remote control.
  • remote controls for motorized flying vehicle either by radio or by infrared. They emit in direction of the motorized toy in particular instructions of acceleration or direction.
  • Remote controls lack responsiveness, they do not take into account the inertia of the flying machine nor the effect of the wind.
  • the state of the art comprises the document WO2006 / 076743A which describes a rotating contract double-helix flying toy which maintains its constant altitude by means of a ground distance detection system comprising a coaxial optical transmitter and receiver.
  • WO2004 / 027434 discloses a helicopter provided with optical image sensors which control the position of the center of gravity in order to drive it automatically. This document comes out of claim 1.
  • the invention aims to solve these constraints, and realizes a flying machine whose flight is autonomous.
  • the machine a helicopter, is stable at fixed altitude in the absence of command.
  • the helicopter is provided with a residual permanent rotation compensation system.
  • the altitude of the helicopter is stable, by means of a servo which regulates its distance to the ground.
  • the helicopter avoids the obstacles by means of a servo which directs it in a direction free of obstacles.
  • the helicopter does not rotate permanently, by means of a servo which acts on its orientation.
  • the helicopter advances in a regular manner in its axis, by means of a balance which generates a horizontal forward component of the lift of the propeller (s).
  • FIG. 1 represents a front view of the helicopter with two independent counter-rotating propellers.
  • FIG. 2 represents a side view of the helicopter with two independent counter-rotating propellers.
  • Figure 3 shows a principle view of the side of the helicopter with two contra-rotating propellers engrainées in reverse.
  • Figure 4 shows the side view and top of the principle of processing sensor signals for controlling the motors.
  • FIG. 5 shows the electronic block diagram of this treatment.
  • FIG. 1 represents a front view of the helicopter with two counter-rotating propellers 11 and 12, respectively motorized and symmetrically controlled by each of a motor 16, and an amplifier device 15, which processes a signal emitted by an optical receiver 14, which signal is proportional to the retro-scattering of the light emitted towards the ground by the transmitter 13.
  • FIG. 2 shows likewise and on the side said propellers 11 and 22, one of the motors 16 controlled by an amplifier device 55 and a sensor 14, and a transmitter 13, but also a battery 28, which provides the autonomous power supply, a tail 29 which stabilizes the flight.
  • the center of gravity G is located in the vertical plane of symmetry of the helicopter and slightly shifted forward, so that the lift has a horizontal component forward.
  • the helicopter comprises for each helix 11, 12, a transmitter of lunrvière 13 for example non-limiting infrared, a light receiver 14 for example non-limiting infrared, one and the other oriented towards the ground at 45 ° forward and 45 ° towards the ground.
  • the receiver 14 is associated with a filtering system and discriminates the retro light diffused by the ground.
  • This discriminator is for example a filter of an otic nature favoring the optical wavelength of the transmitter and filtering the others, or of an electronic nature, a modulation filter associated with a privileged frequency.
  • the signal proportional to the back-scattered light is processed and amplified by an amplifier 15 and then converted into proportional control of the motor 16, which engages on a toothed wheel 17.
  • the speed of the motor is proportional to the sum of the retro-scattered amplitude and its derivative, so it is maintained at a constant altitude, and damped the altitude oscillations.
  • the motor 16 associated with 13, 14 and 15 located at the front right of the helicopter control the propeller 11 in rotation in the clockwise direction.
  • the sensors and motors on the front left side controls the rotation of the propeller 12 in the counter-clockwise direction.
  • an obstacle detected on the front right side results in an increase in signal reception, and an acceleration of the helix 11 which rotates clockwise.
  • reaction the helicopter rotates counter-clockwise and changes its trajectory accordingly to avoid the said obstacle.
  • the toy application of the helicopter is an original means of ensuring the safety of fragile household objects, and also an original mode of remote control in which the child interposes on the trajectory to modify it, and follows the helicopter when this trajectory is suitable.
  • the heat detection will be done by sensors according to the state of the art, and the transmission of detection by a radio transmitter, the detector helicopter will then be signaled by the emission of powerful optical flashes embedded in the 'helicopter. The detector helicopter will then become the marker of a suspicious heat source, such as a flashing beacon.
  • the helicopter has only one engine at the front 16 for the lift, but also a steering motor 32 and also a gearing 31 which reverses the speeds of the two propellers, whose rotations are connected.
  • the progression of the helicopter is always associated with the center of gravity offset in front of the axis of the two propellers.
  • the direction of propagation is modified and controlled by the motorized propeller 32.
  • FIG. 4 represents the helicopter in plan view and side view
  • the obstacle and altitude detection signals are always delivered by a transmitter associated with a receiver located at the right front 44 and at the front. left 45 respectively, emitting and receiving in the right front and left front respectively, 45 ° laterally and 45 ° to the ground.
  • control of the lift motor 46 is processed by a summing device 41, and the control of the orientation motor 42 is processed by differentiator 43.
  • the motor 42 turns the helicopter clockwise as soon as the signal 44 is greater than the signal 45.
  • FIG. 4 gives an overview of the treatment of the signals 44 and 45, with the summator 41 realized by an operational amplifier 516, two summing resistors 511 and 512, a differentiating filter 513 and 514 for the damping of the altitude oscillation and a resistance to the gain 515, all supplied to the engine 46. the differentiator 43 to the motor 42, with two filters di f férentiados 524, 523, and two gain control resistors 525 and 526.
  • the circuit may also include a device for canceling the authorization of the helicopter 530, which acts as an integrator. The rotation of the helicopter is detected by the closure of a 3-state switch 531, controlled by the helicopter tail drift, mounted on two pivots 534.
  • the closed switch will change the voltage at the terminal of the capacitor 532, which will shift a slowly varying voltage source 530, which delivers an offset voltage to the device 525.
  • This offset voltage has the effect of controlling the motor 42 to cancel any residual permanent rotation of the helicopter, and thus compensate for any balance faults in the right and left processing lines.
  • the helicopter is of conventional structure, comprising a single horizontal helical propeller, and a single vertical tail propeller, opposing the autorotation, the speed of the one and the other being linked by a proportional function.
  • the speed of the carrier helix is a function of the sum of the amplitudes of the retro signals diffused by the ground, and the speed of the tail propeller is modified, as a function of the difference between the amplitudes of the backscattered signals. by the ground

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Abstract

Hélicoptère autonome destiné à un usage ludique ou à un système de surveillance en essaim caractérisé en ce que l'hélicoptère possède un contrôle de vol automatique complet et en ce que : - Son vol est stable et automatique au moyen d'un dispositif d'asservissement de son altitude, qui comporte au moins deux récepteurs optiques, au moins un émetteur optique, au moins deux cha*nes de traitement des signaux des récepteurs et au moins deux moteurs commandant au moins deux hélices, à une vitesse proportionnelle à la somme des signaux reçus. - Il évite les obstacles au moyen d'un dispositif d'orientation commandé par la différence des signaux des deux récepteurs. - Il progresse à vitesse régulière au moyen d'un déport de son centre de gravité devant l'axe des deux hélices de sustentation.

Description

Hélicoptère automatique
L'invention concerne le principe et la réalisation d'un engin volant motorisé, utilisé comme jouet ou drone à très bas coût, dont le vol est rendu autonome au moyen d'un automatisme embarqué, et éventuellement associé à un dispositif de télécommande.
L'état de l'art ne présente pas de jouet volant télécommandable dont le vol est autonome.
La dextérité requise pour le pilotage par exemple d'un hélicoptère miniature télécommandé exclut son usage par des enfants, en particulier en espace clôt.
Le contrôle de plusieurs axes de déplacement, les commandes relatives à l'orientation de l'hélicoptère sont autant d'obstacles à une prise en main ergonomique et intuitive.
L'objet de l'invention consiste à réaliser un jouet volant ou un drone d'observation militaire en milieu urbain, dont le vol est rendu statique et stationnaire à altitude fixe en l'absence consigne émanant de la télécommande optionnelle.
II existe toutes sortes de télécommandes pour engin volant motorisé, soit par radio soit par infrarouge. Elles émettent en direction du jouet motorisé notamment des consignes d'accélération ou de direction.
Ces consignes sont interprétées par le véhicule en fonction de sa propre position instantanée. L'utilisateur doit prendre en compte cette contrainte pour parvenir à piloter le jouet. Cette contrainte est peu acceptable pour un enfant. Tourner à droite est intuitif quand le véhicule s'éloigne du pilote, quand le véhicule revient vers le pilote, la commande est inversée.
Les télécommandes manquent de réactivité, elles ne prennent pas en compte l'inertie de l'engin volant ni l'effet du vent.
L'état de l'art comporte le document WO2006/076743A qui décrit un jouet volant à double hélice contrat rotative qui maintient son altitude constante grâce à un System de détection de la distance du sol comportant un émetteur et un récepteur optique coaxiaux.
Le document US2006/0231677 décrit un hélicoptère à hélices contrat rotatives, et deux hélices d'orientation.
La combinaison de ces deux documents ne réalise pas l'invention.
Le document WO2004/027434 décrit un hélicoptère muni de capteurs optiques d'image qui contrôlent la position du centre de gravité afin de le piloter automatiquement. Ce document sort de la revendication 1 .
L'invention vise à résoudre ces contraintes, et réalise un engin volant dont le vol est autonome.
Associé à une télécommande intuitive il réalise un jouet ergonomique. - Associé à des capteurs et des dispositifs de signalement ou de communication, il réalise un drone de surveillance et détection à usage militaire. Description de l'invention :
Selon l'invention, l'engin ; un hélicoptère, est stable à altitude fixe en l'absence de commande.
Selon l'invention, l'hélicoptère est pourvu d'un système de compensation de la rotation permanente résiduelle.
Selon l'invention - L'altitude de l'hélicoptère est stable, au moyen d'un asservissement qui régule sa distance au sol.
- Selon l'invention l'hélicoptère évite les obstacles au moyen d'un asservissement qui l'oriente dans une direction dépourvue d'obstacle.
- Selon une réalisation de l'invention, l'hélicoptère ne tourne pas de façon permanente, au moyen d'un asservissement qui agit sur son orientation.
- Selon l'invention, l'hélicoptère avance de manière régulière dans son axe, au moyen d'un équilibre qui génère une composante horizontale vers l'avant de la portance de ou des hélices.
Les figures illustrent les différents exemples et modes de réalisation de l'invention.
Figure 1 représente une vue de principe de face de l'hélicoptère à deux hélices contrarotatives indépendantes.
Figure 2 représente une vue de principe de coté de l'hélicoptère à deux hélices contrarotatives indépendantes. Figure 3 représente une vu de principe de coté de l'hélicoptère à deux hélices contrarotatives engrainées en inverse.
Figure 4 représente la vue de coté et du dessus du principe de traitement des signaux des capteurs pour la commande des moteurs.
Figure 5 représente le schéma de principe électronique de ce traitement.
La figure 1 représente vue de face de l'hélicoptère à deux hélices contrarotatives 11 et 12, respectivement motorisées et contrôlées de façon symétriques par chacune un moteur 16, et un dispositif amplificateur 15, qui traite un signal émis par un récepteur optique 14, lequel signal est proportionnel à la rétro diffusion de la lumière émise en direction du sol par l'émetteur 13.
La figure 2 représente de même et de coté les dites hélices 11 et 22, un des moteurs 16 contrôlé par un dispositif amplificateur 55 et un capteur 14, et un émetteur 13, mais aussi une batteries 28, qui assure l'alimentation électrique autonome, une queue 29 qui stabilise le vol.
Selon ce mode réalisation de l'invention, le centre de gravité G est situé dans le plan vertical de symétrie de l'hélicoptère et légèrement décalé vers l'avant, de telle sorte que la portance comporte une composante horizontale vers l'avant.
Selon ce mode de réalisation de l'invention, l'hélicoptère comporte pour chaque hélice 11 , 12, un émetteur de lunrvière 13 par exemple non limitatif infrarouge, un récepteur de lumière 14 par exemple non limitatif infrarouge, l'un et l'autre orientés vers le sol à 45 ° vers l'avant et 45 ° vers le sol. Selon l'invention le récepteur 14 est associé à un système de filtrage et discrimine la lumière rétro diffusée par le sol. Ce discriminateur est par exemple un filtre de nature otique privilégiant la longueur d'onde optique de l'émetteur et filtrant les autres, ou bien de nature électronique, un filtre par modulation, associé à une fréquence privilégiée.
Selon l'invention, le signal proportionnel à la lumière rétro diffusée est traité et amplifié par un amplificateur 15 puis transformé en commande proportionnelle du moteur 16, qui engraine sur une roue dentée 17.
Selon le principe fondamental de l'invention, la vitesse du moteur est proportionnelle à la somme de l'amplitude rétro diffusée et de sa dérivée, ainsi il se maintient à une altitude constante, et amorti les oscillations d'altitude.
Selon le second principe de l'invention, le moteur 16 associé à 13, 14 et 15 situés à l'avant droit de l'hélicoptère contrôlent l'hélice 11 en rotation dans le sens horaire.
Par symétrie, les capteurs et moteurs du coté avant gauche contrôle la rotation de l'hélice 12 dans le sens anti- horaire. Ainsi, un obstacle détecté du coté avant droit par exemple, se traduit par un surcroît de réception du signal, et une accélération de l'hélice 11 qui tourne dans le sens horaire. Par réaction l'hélicoptère tourne dans le sens anti-horaire et modifie en conséquence sa trajectoire pour éviter le dit obstacle.
Un mur, une personne un dénivelé, seront ainsi perçues et évitées comme des obstacles. II en résulte pour une application jouet de l'hélicoptère un moyen original d'assurer la sécurité des objets domestiques fragiles, et aussi un mode original de télécommande dans lequel l'enfant s'interpose sur la trajectoire pour la modifier, et suit l'hélicoptère quand cette trajectoire est convenable.
Il en résulte dans le domaine militaire qu'un essaim de ces hélicoptères aura tendance à se déployer, en raison des interférences entre les faisceaux rétro diffusés sur le sol, et que cet essaim déployé pourra le cas échéant signaler par signal par radio et visuel toute source de chaleur suspecte, comme par exemple un tireur isolé.
Dans ce contexte, la détection de chaleur se fera par des capteurs selon l'état de l'art, et la transmission de détection par un émetteur radio, l'hélicoptère détecteur sera alors signalé par l'émission de flash optiques puissant embarqués dans l'hélicoptère. L'hélicoptère détecteur deviendra alors le marqueur d'une source de chaleur suspecte, comme une balise clignotante.
Ceci réalise un premier mode de réalisation d'un hélicoptère autonome à vol automatique.
Dans une seconde option de réalisation, figure 3, l'hélicoptère ne possède qu'un seul moteur à l'avant 16 pour la sustentation, mais aussi un moteur 32 d'orientation et aussi un engrainement 31 qui inverse les vitesses des deux hélices, dont les rotations sont reliées.
Selon l'invention, la progression de l'hélicoptère est toujours associée au centre de gravité décalé en avant de l'axe des deux hélices. Selon l'invention, la direction de propagation est modifiée et contrôlée par l'hélice motorisée 32.
Selon l'invention figure 4 représentant l'hélicoptère en vue de dessus et vue de coté, les signaux de détection d'obstacle et d'altitude sont toujours délivrés par un émetteur associé à un récepteur situé a Pavant droite 44 et à l'avant gauche 45 respectivement, émettant et recevant à l'avant droit et respectivement avant gauche, à 45° latéralement et à 45° vers le sol.
Selon l'invention, le commande du moteur de sustentation 46 est traitée par un dispositif sommateur 41 , et la commande du moteur d'orientation 42 est traitée par différentiateur 43.
Selon l'invention, le moteur 42 tourne l'hélicoptère dans le sens nanti horaire dès lors que le signal 44 est supérieur au signal 45.
Par ce principe, l'hélicoptère se comporte exactement comme dans l'option précédente.
La figure 4 donne un aperçu du traitment des signaux 44 et 45, avec - le sommateur 41 réalisé par un amplificateur opérationnel 516, deux résistances sommatrices 511 et 512, un filtre différenciateur 513 et 514 pour l'amortissement des oscillation d'altitude et une résistance pour le gain 515, le tout alimentant le moteur 46. le différentiateur 43 alimentant le moteur 42, avec deux filtres différentiateurs 524, 523, et deux résistances de contrôle du gain 525 et 526. Enfin le circuit peut aussi comporter un dispositif de compensation de i'autorotation de l'hélicoptère 530, qui agit comme un intégrateur. La rotation de l'hélicoptère est détectée par la fermeture d'un interrupteur à 3 états 531 , commandé par la dérive de queue de hélicoptère, montée sur deux pivots 534.
En cas de rotation persistante de l'hélicoptère, l'interrupteur fermé va modifier la tension à la borne du condensateur 532, ce qui va décaler une source de tension à variation lente 530, qui délivre une tension de décalage au dispositif 525.
Cette tension de décalage a pour effet de commander le moteur 42 pour annuler toute rotation permanente résiduelle de l'hélicoptère, et compenser ainsi tous les défauts d'équilibrage des chaînes de traitement droit et gauche.
Selon une autre version l'invention, l'hélicoptère est de structure classique, comportant une hélice porteuse horizontale unique, et une hélice de queue verticale unique, s'opposant à I'autorotation, la vitesse de l'une et l'autre étant liées par une fonction proportionnelle.
Selon l'invention, la vitesse de l'hélice porteuse est fonction de la somme des amplitudes des signaux rétro diffusés par le sol, et la vitesse de l'hélice de queue est modifiée, en fonction de la différence entre les amplitudes des signaux rétrodifusés par le sol

Claims

Revendications
1 ) Engin volant motorisé en forme d'hélicoptère destiné à un usage ludique ou de surveillance et de détection en essaim caractérisé en ce que :
- Son vol est stable et automatique au moyen d'un dispositif d'asservissement de son altitude, qui comporte au moins deux récepteurs optiques, au moins un émetteur optique, au moins deux chaînes de traitement des signaux des récepteurs et au moins deux moteurs commandant au moins deux hélices, à une vitesse proportionnelle à la somme des signaux reçus.
- Il évite les obstacles au moyen d'un dispositif d'orientation commandé par la différence des signaux des deux récepteurs.
- Il progresse à vitesse régulière au moyen d'un déport de son centre de gravité devant l'axe des deux hélices de sustentation.
2) Engin volant motorisé en forme d'hélicoptère selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est stable à altitude fixe au moyen d'un automatisme qui commande la ou les hélices de sustentation en fonction de la somme des signaux rétro diffusés par le sol.
3) Engin volant motorisé en forme d'hélicoptère selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il est stable en rotation au moyen d'un système de compensation de la rotation permanente résiduelle piloté par un capteur et un intégrateur.
PCT/FR2008/000006 2007-01-02 2008-01-02 Helicoptere automatique Ceased WO2008107526A1 (fr)

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JP (1) JP2010514627A (fr)
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