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*INTRODUCTION*

Le projet Polytech est un projet qui se déroule sur les deux années de PeiP (Parcours des Écoles d’Ingénieur Polytech). Le but est de travailler par groupe de trois ou quatre sur un sujet choisi au préalable afin d’apprendre à collaborer en équipe. En effet, savoir mener à bien une étude fait partie intégrante du métier d’ingénieur. Ainsi, le projet Polytech consiste en une première mise en situation de ce savoir-faire indispensable.

Dans notre cas, nous avons choisi le projet proposé par M. Laffont dont l’intitulé est le suivant : 

+Le Simulateur de drone+.

L’objectif de ce projet est de modéliser le fonctionnement d’un drone dans un environnement virtuel à l’aide du logiciel Raydium. Ce travail implique différents aspects car avant de recréer un drone, il faut savoir comment celui fonctionne, c’est-à-dire connaitre les forces nécessaires à ses différents mouvements puis savoir traduire ces actions en language informatique. La modélisation 3D du drone fait également partie des tâches à effectuées.

Ce rapport sera découpé en 4 parties. Dans un premier temps, nous expliciterons concrètement l’aspect mécanique de ce projet, c’est-à-dire que nous étudierons quelles forces sont nécessaires pour qu’un drone décolle, vole, avance, recule, etc. Ensuite, nous nous attarderons sur la présentation d’un outil indispensable : le moteur de jeu. Ensuite, nous développerons l’aspect régulation du projet. Enfin, la modélisation du drone et des forces seront expliquées. 

h1. *+ASPECT MÉCANIQUE+*

Tout d’abord, un drone est un aéronef dont le pilotage n’est pas effectué par un être humain à son bord mais par pilotage automatique ou télécommandé. Plusieurs usages sont possibles, allant de l’utilisation civile et récréative à une utilisation militaire.

 De ce fait, il existe plusieurs modèles n’utilisant pas tous les mêmes procédés de vol. En effet, à l’inverse de drones militaire, les drones civils fonctionnent pour la plupart via un système de rotors.

Dans notre projet nous nous sommes donc attelés à modéliser un drone quadrirotor, il a alors fallu que nous nous intéressions dans un premier temps au fonctionnement réel de ces derniers. Ainsi, il a été nécessaire d’étudier plusieurs aspects physique en relation avec le drone afin de réaliser notre modélisation. Tout d’abord, il a été nécessaire de s’intéresser aux forces qui s’appliquent sur le drone du décollage à l’atterrissage. Ensuite, dans l’optique de mettre en mouvement le drone nous avons dûs étudier les différents mouvements réalisable par un drone afin de les transposer lors des simulations. 

+Forces exercées sur le drone :+

Il existe plusieurs forces qui vont s’exercer sur le drone, parmi elles des forces générées par le drone lui même et d’autres extérieure à celui-ci. On compte alors quatre forces majeures interagissant avec le drone :

-la gravité (poids) est la force qui tend à ramener le drone au sol, plus le drone est lourd et plus l’attraction gravitationnelle sera importante.

-la portance correspond à la force de poussée générée par le drone, pour que celui-ci décolle elle doit alors être supérieure à la gravité. 

-la traction, correspondant à la force qui fait avancer le drone par inclinaison de ce dernier

-la trainée, qui est la force s’opposant à la traction du fait de la résistance de l’air sur l’avancée du drone, elle agit comme un frottement.

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+Forme des hélices+

Tout comme les avions, les drones utilisent la portance afin de décoller puis voler. En effet, d’après la Troisième Loi de Newton, “Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force de même intensité, de même direction mais de sens opposée exercée par le corps B.”. Ici désignons l’hélice comme A et l’air comme B. A étant en mouvement (rotation) elle va rencontrer et dévier une masse d’air B. L’hélice, applique donc une force vers le bas sur l’air. En contrepartie l’air va appliquer une force d’intensité égale vers le haut qui va permettre, lorsque la vitesse des hélices sera suffisante, de faire décoller le drone.

Ainsi, la troisième loi de Newton justifie la forme inclinée des hélices du drone puisque cette inclinaison permet d’envoyer plus d’air vers le bas et donc de créer une force de portance plus importante.

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+Définitions des mouvements selon les axes X,Y,Z :+

Intéressons nous maintenant aux différents mouvements du drone il convient alors dans un premier temps de définir les axes par rapport auxquels ils sont effectués. 

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Le Tangage regroupe les mouvements faisant avancer reculer le drone par rotation autour de l'axe Y. Le Roulis lui, comporte les mouvements de déplacement du drone vers la gauche et vers la droite par rotation autour de l'axe X, tandis que le Lacet permet une rotation horizontale sur place autour de l’axe Z.

Ces notions vont nous permettrent de définir les différents mouvements basiques que peut effectuer un drone ainsi que leurs mise en oeuvre.

Ainsi, nous verrons par la suite qu’afin d’effectuer ces différents mouvements il est nécessaire de jouer sur la vitesse de rotation des hélices. Pour ce faire, chaque rotor est relié à un seul moteur ce qui permet à chaque hélice de tourner à des vitesses différentes les unes des autres. De ce fait, cela permet au drone de mieux répondre aux différentes contraintes qu'il subit mais également d'effectuer les divers mouvements autours des axes X,Y et Z.

Intéressons nous maintenant à la réalisation de ces différents mouvements.

+Montée & descente :+

Premièrement, afin que le drone puissent décoller les hélices doivent créer une force plus importante que celle générée par le poids du drone permettant ainsi son envol. A l’inverse, pour descendre toutes les hélices diminuent de vitesse, le drone descend alors car la force exercée par son poid devient supérieur à sa force d’élévation. Lors de la montée descente, toutes les hélices tournent à la même vitesse permettant d’avoir un unique mouvement selon l’axe Z.

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+Stabilité en vol stationnaire :+

Dans la réalité, afin d’assurer une bonne stabilité les hélices sont placées symétriquement afin de ne pas créer de déséquilibres sur le drone.  Ces dernières une fois en vol vont alors tourner à la même vitesse afin que chaque hélice génère la même force pour qu’une fois encore il n’y ait pas de déséquilibres. De plus, la bonne stabilité du drone sera également assurée par une inversion par paire du sens de rotation des hélices. 

Ainsi, les hélices M1 et M3 tourneront dans le sens horaire tandis que M2 et M4 tourneront en sens anti-horaire. 

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Cela a pour effet d’annuler le couple créé par la rotation de chaque hélice. De ce fait, les forces faisant tourner le drone vers la droite sont compensées par celle le faisant tourner vers la gauche. En effet si toutes les hélices tournaient toutes dans le même sens alors le drone tournerait sur lui-même.

+Mouvement de tangage et de roulis :+

Pour que le drone avance et recul (mouvement de tangage) ou se déplace latéralement (mouvement de roulis) il faut créer une inclinaison du drone par rapport à l’horizontale. Afin de créer cette angle, il est nécessaire de diminuer la puissance des moteurs dans la direction de mouvement souhaitée et d’augmenter en parallèle la puissance des deux moteurs opposés afin de conserver la même altitude.

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Une fois l’angle créé le drone avance dans la direction que l’on a choisie, à savoir celle où les rotors ont diminués de puissances. En effet, les forces créées par les hélices ne sont alors plus absolument verticales mais possèdent désormais une composante horizontale responsables du mouvement.

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+Mouvement de lacet :+

Le mouvement de lacet simple va permettre au drone d’effectuer une rotation sur place vers la droite ou vers la gauche. Pour ce faire, il faut diminuer la puissance des deux moteurs dont les hélices tournent en sens opposé à la rotation souhaitée. En parallèle, on augmente la puissance des hélices qui elles tournent dans le même sens que la rotation à effectuer. Ainsi, pour effectuer une rotation horaire, il faut diminuer la puissance des rotors tournant dans le sens anti-horaires et augmenter ceux tournant dans le sens horaire et inversement.

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Pour ce mouvement de lacet, on utilise le couple créé par la rotation des hélices afin de tourner. Initialement, ce couple est compensé par l’inversion du sens de rotation des hélices deux à deux, les hélices sur la même diagonales tournant dans le même sens. Ainsi, lorsqu’on diminue une paire d’hélices tournant dans le même sens, le couple associé créé par ces dernières diminue également. L’équilibre est rompu et le drone effectue une rotation sur lui même dans le sens de rotation des deux autres hélices ayant conservées leur puissance.

Maintenant que l'aspect mécanique du projet a été présenté, intéressons-nous à l'aspect moteur de jeu