Connaissance générale des aéronefs

Technologies drone, systèmes de navigation, capteurs, liaisons de données et systèmes embarqués

📚 Objectifs du module

  • Comprendre les différents types de drones et leurs configurations
  • Maîtriser les systèmes de propulsion et d'alimentation électrique
  • Connaître les systèmes de navigation et capteurs embarqués
  • Comprendre les liaisons de données et systèmes de communication
  • Maîtriser la maintenance et le diagnostic des pannes

1. Introduction

Les drones (ou UAS - Unmanned Aircraft Systems) sont des aéronefs complexes composés de nombreux systèmes interdépendants. La connaissance approfondie de ces systèmes est essentielle pour le télépilote professionnel, particulièrement dans le cadre des opérations de secours et d'intervention des sapeurs-pompiers.

🎯 Pourquoi cette formation est cruciale ?

  • Sécurité des vols : Comprendre les systèmes pour anticiper les pannes
  • Performance optimale : Exploiter au maximum les capacités du drone
  • Maintenance préventive : Détecter les problèmes avant qu'ils ne deviennent critiques
  • Prise de décision : Réagir efficacement en cas d'urgence

⚠️ Important : Ce module couvre les aspects techniques essentiels. Pour les aspects réglementaires, référez-vous au module "Réglementation aérienne".

2. Types de drones et configurations

Classifications principales

Multirotors (Drones à voilure tournante)

🚁 Tricopter (3 moteurs)

  • • Configuration rare
  • • Bonne maniabilité
  • • Moins stable que quadricoptère

🚁 Quadricoptère (4 moteurs)

  • Configuration la plus courante
  • • Excellent compromis stabilité/agilité
  • • Idéal pour inspection et reconnaissance

🚁 Hexacoptère (6 moteurs)

  • • Redondance accrue
  • • Port de charge utile importante
  • • Utilisé pour caméras thermiques lourdes

🚁 Octocoptère (8 moteurs)

  • • Redondance maximale
  • • Port de charge très élevé
  • • Vol possible même avec 1-2 moteurs en panne

✅ Avantages des multirotors :

  • • Décollage et atterrissage vertical (VTOL)
  • • Vol stationnaire précis
  • • Facilité de pilotage
  • • Compact et transportable

Drones à voilure fixe

✅ Avantages

  • Autonomie très élevée (45min - 2h+)
  • • Grande portée
  • • Efficacité énergétique
  • • Couverture de grandes surfaces

❌ Inconvénients

  • • Pas de vol stationnaire
  • • Nécessite zone de décollage/atterrissage
  • • Moins adapté aux zones urbaines
  • • Pilotage plus technique

🌲 Usage SP : Cartographie de zones forestières, recherche de personnes en zones rurales étendues

⚡ Drones hybrides (VTOL)

Combinent les avantages des multirotors (VTOL) et des ailes fixes (autonomie).

  • • Décollage vertical puis transition en vol d'avion
  • • Autonomie intermédiaire (30-60 min)
  • • Complexité technique accrue
  • • Coût élevé

3. Systèmes de propulsion

🔌 Moteurs brushless (sans balais)

Les drones modernes utilisent des moteurs brushless DC (BLDC), beaucoup plus efficaces que les anciens moteurs à balais.

✅ Avantages

  • • Rendement élevé (85-90%)
  • • Durée de vie très longue
  • • Peu d'entretien
  • • Rapport poids/puissance excellent
  • • Pas d'étincelles ni d'interférences radio

🔧 Caractéristiques

  • KV rating : tours/minute par volt
  • • KV élevé = moteur rapide, hélices petites
  • • KV faible = couple élevé, grosses hélices
  • • Nécessite un ESC (contrôleur électronique)

⚠️ Points de vigilance :

  • • Vérifier l'absence de jeu dans les roulements
  • • Nettoyer régulièrement (poussière, herbe)
  • • Éviter les surchauffes prolongées
  • • Vérifier le bon serrage des hélices

⚙️ ESC (Electronic Speed Controller)

Les contrôleurs électroniques de vitesse (ESC) convertissent le signal du pilote automatique en alimentation triphasée pour les moteurs brushless.

🔋 Fonctions principales :

  • • Contrôle précis de la vitesse de rotation
  • • Protection contre les surcharges
  • • Freinage du moteur
  • • Télémétrie (température, courant, tension)

💡 Calibration : Les ESC doivent être calibrés pour répondre uniformément. Une calibration incorrecte peut causer des vibrations ou un vol instable.

🌀 Hélices

📐 Dimensions

Notation : Diamètre x Pas (ex: 9x4.5)

  • Diamètre : taille de l'hélice (pouces)
  • Pas : distance théorique parcourue par tour
  • • Grande hélice = + de portance, - de vitesse
  • • Petit pas = + d'agilité, - de vitesse

🛠️ Matériaux

  • Plastique : bon marché, fragile
  • Nylon renforcé : résistant, flexible
  • Fibre de carbone : rigide, performant, cassant

🚨 Sécurité hélices :

  • • Vérifier l'absence de fissures avant chaque vol
  • • Remplacer immédiatement toute hélice endommagée
  • • Toujours remplacer par paires (équilibrage)
  • • Respecter le sens de rotation (CW/CCW)
  • • Serrage correct mais sans excès (risque de casse du moyeu)

4. Batteries et alimentation électrique

🔋 Batteries LiPo (Lithium Polymère)

Les batteries LiPo sont le standard dans le monde des drones grâce à leur excellent rapport énergie/poids et leur capacité de décharge élevée.

📊 Capacité (mAh)

Quantité d'énergie stockée.
Exemple : 5000mAh = 5Ah

⚡ Tension (S)

Nombre de cellules en série.
1S = 3.7V
4S = 14.8V, 6S = 22.2V

🔥 Taux de décharge (C)

Courant max en continu.
25C sur 5000mAh = 125A max

⚠️ Règles de sécurité LiPo (CRITIQUES) :

  • Ne JAMAIS décharger en dessous de 3.0V/cellule (destruction irréversible)
  • Ne JAMAIS charger sans surveillance
  • • Utiliser un chargeur équilibreur (balance charging)
  • • Stocker à 3.8V/cellule (storage voltage) pour longue durée
  • • Stocker dans sac ignifuge (LiPo bag)
  • • Ne pas exposer à températures extrêmes (-10°C à +60°C)
  • • Mettre au rebut toute batterie gonflée (puffing)

🚨 Signes de batterie défectueuse :

  • Gonflement (puffing) : arrêt immédiat d'utilisation
  • • Déséquilibre de tension entre cellules (>0.1V)
  • • Chute brutale de tension sous charge
  • • Échauffement anormal (>60°C)
  • • Dommages physiques (perforation, choc)

⏱️ Autonomie et temps de vol

📐 Calcul théorique simplifié :

Temps de vol (min) = (Capacité batterie × 0.8) / Consommation moyenne

Exemple : batterie 5000mAh, consommation 20A :
Temps = (5Ah × 0.8) / 20A = 0.2h = 12 minutes

🎯 Facteurs réduisant l'autonomie :

  • • Charge utile élevée (caméra thermique lourde)
  • • Vent fort (consommation accrue pour stabilisation)
  • • Température basse (<5°C : -20 à -40% d'autonomie)
  • • Pilotage agressif (accélérations brutales)
  • • Vol en altitude (air moins dense, moins de portance)
  • • Batterie vieillissante (perte de capacité)

5. Systèmes de navigation

🛰️ GPS/GNSS

Le système GPS (États-Unis) fait partie des systèmes GNSS (Global Navigation Satellite System). Les drones modernes utilisent souvent plusieurs constellations simultanément.

🌐 Constellations GNSS :

  • GPS (USA) - 31 satellites
  • GLONASS (Russie) - 24 satellites
  • Galileo (Europe) - 30 satellites
  • BeiDou (Chine) - 35 satellites

📍 Précision :

  • • GPS seul : ±3-5 mètres
  • • Multi-GNSS : ±1-2 mètres
  • • RTK (Real-Time Kinematic) : ±2 cm
  • • Nécessite vue dégagée du ciel

⚠️ Situations de perte GPS :

  • • Canyons urbains (immeubles hauts masquant les satellites)
  • • Sous pont ou structure métallique
  • • Zones forestières denses
  • • Interférences électromagnétiques
  • • Conditions météo extrêmes

➜ Le drone passe alors en mode ATTI (attitude) : stabilisation uniquement, pas de maintien de position GPS.

📐 IMU (Inertial Measurement Unit)

L'unité de mesure inertielle combine plusieurs capteurs pour déterminer l'orientation et les accélérations du drone.

🧭 Gyroscope

Mesure les vitesses angulaires (rotation) sur 3 axes : roulis (roll), tangage (pitch), lacet (yaw).

📏 Accéléromètre

Mesure les accélérations linéaires sur 3 axes et la gravité (détection de l'horizontale).

🧲 Magnétomètre (Compass)

Mesure le champ magnétique terrestre pour déterminer le cap (heading).

🔧 Calibration IMU :

  • Gyroscope : drone immobile sur surface plane
  • Accéléromètre : 6 positions (chaque face vers le bas)
  • Magnétomètre (Compass) : rotation 360° horizontale et verticale
  • • À effectuer régulièrement et après transport/choc
  • • Compass : s'éloigner des masses métalliques (véhicules, structures)

📊 Baromètre

Mesure la pression atmosphérique pour déterminer l'altitude relative du drone.

  • • Précision : ±0.5 à 1 mètre (verticale)
  • • Complémentaire au GPS (altitude moins précise par GPS)
  • • Sensible aux variations météo (fronts, orages)
  • • Altitude relative au point de décollage

⚠️ Limitation : Ne détecte pas les obstacles (arbres, pylônes). Toujours combiner avec l'observation visuelle et les capteurs d'obstacles.

6. Capteurs et instruments

👁️ Capteurs d'obstacles

🔴 Capteurs ultrasoniques

  • • Portée : 0.5 à 8 mètres
  • • Bon marché et simple
  • • Utilisés pour maintien altitude basse
  • • Inefficaces sur surfaces absorbantes

🟢 Capteurs infrarouges (ToF)

  • • Time of Flight (temps de vol)
  • • Portée : jusqu'à 30m
  • • Précis et rapide
  • • Sensibles à la lumière solaire

📷 Capteurs optiques (Vision)

  • • Caméras stéréo + traitement d'image
  • • Détection 3D des obstacles
  • • Portée : jusqu'à 30m
  • • Nécessite bon éclairage

📡 LiDAR

  • • Laser pulsé haute précision
  • • Portée : jusqu'à 100m+
  • • Fonctionne de jour comme de nuit
  • • Coût élevé

🛡️ Directions de détection :

Drones haut de gamme : capteurs 6 directions (avant, arrière, gauche, droite, dessus, dessous).
Drones entrée/milieu de gamme : avant et dessous uniquement.

📸 VPS (Visual Positioning System)

Caméras orientées vers le bas + algorithmes pour maintenir la position en l'absence de GPS (intérieur, sous pont).

✅ Fonctionnement :

  • • Capture d'images du sol
  • • Détection de motifs visuels (textures, contrastes)
  • • Calcul des déplacements relatifs
  • • Maintien précis de la position (hovering)

⚠️ Limitations :

  • • Nécessite surface texturée (inefficace sur eau, neige)
  • • Portée limitée (max 10-15m de hauteur)
  • • Nécessite éclairage suffisant
  • • Ne fonctionne pas en vol rapide

7. Systèmes de communication

📡 Liaison radiocommande

La radiocommande transmet les ordres du télépilote au drone.

📻 Bandes de fréquences :

  • 2.4 GHz : portée moyenne (1-2 km), résistant aux obstacles
  • 5.8 GHz : haut débit vidéo, portée réduite
  • 433 MHz / 868 MHz / 915 MHz : longue portée (5-10 km), faible débit

🔐 Protocoles :

  • SBUS / IBUS : standard industriel
  • PPM : ancien protocole analogique
  • Propriétaires : DJI Lightbridge, OcuSync
  • • Latence typique : 20-50ms

🚨 Perte de liaison (Failsafe) :

Comportement programmé en cas de perte du signal radio :

  • RTH (Return to Home) : retour automatique au point de décollage
  • Land : atterrissage immédiat sur place
  • Hover : maintien de position (dangereux)

⚠️ Toujours configurer le failsafe avant chaque mission !

📺 Liaison vidéo (FPV)

🎥 Systèmes de transmission :

  • Analogique 5.8 GHz : faible latence (20-30ms), qualité limitée
  • Numérique HD : haute qualité, latence plus élevée (80-120ms)
  • DJI OcuSync : numérique basse latence, longue portée
  • 4G LTE : portée illimitée (réseau mobile), latence variable

⚠️ Réglementation :

En France, la puissance d'émission est limitée à 25 mW en 2.4 GHz et 100 mW en 5.8 GHzpour usage sans licence. Au-delà, nécessite autorisation ANFR.

8. Caméras et systèmes d'imagerie

📷 Caméras optiques

📐 Résolution :

  • 4K (3840×2160) : standard actuel
  • 5.4K / 6K : haute définition professionnelle
  • • 12 à 20 Mpx pour photos
  • • Capteur 1" ou APS-C pour drones pro

🎥 Caractéristiques :

  • Gimbal 3 axes : stabilisation mécanique
  • • Ouverture variable (f/2.8 à f/11)
  • • ISO 100-6400 (sensibilité lumière)
  • • Vidéo 24/30/60 fps

💡 Usage SP : Documentation d'intervention, reconnaissance de zone, recherche visuelle de victimes en zone dégagée.

🌡️ Caméras thermiques (infrarouge)

Essentiel pour les sapeurs-pompiers : détection de points chauds, recherche de victimes, surveillance d'incendie.

📊 Caractéristiques techniques :

  • • Résolution : 160×120 à 640×512 px
  • • Plage thermique : -20°C à +550°C (feu)
  • • Précision : ±2°C ou ±2%
  • • Longueur d'onde : 8-14 μm (infrarouge lointain)

🚒 Applications SP :

  • Incendie : détection points chauds, couvées
  • Recherche de victimes : chaleur corporelle
  • Fuite de gaz : visualisation panache
  • Noyés : détection corps dans l'eau

⚠️ Limitations :

  • • Ne traverse pas le verre (réflexion)
  • • Efficacité réduite par fumée dense ou brouillard
  • • Nécessite différence de température avec environnement
  • • Coût élevé (5 000 à 30 000€)

9. Radiocommande et télémétrie

🎮 Radiocommande

🕹️ Manches (Sticks) :

  • Manche gauche :
  •   - Vertical : Gaz (throttle)
  •   - Horizontal : Lacet (yaw)
  • Manche droit :
  •   - Vertical : Tangage (pitch)
  •   - Horizontal : Roulis (roll)

⚙️ Interrupteurs et molettes :

  • Modes de vol (GPS/ATTI/Sport)
  • RTH (Return to Home)
  • Orientation caméra (gimbal)
  • Photo/Vidéo
  • Parachute (si équipé)

🔋 Télémétrie en temps réel :

  • Batterie : tension, pourcentage, temps de vol restant
  • GPS : nb satellites, qualité signal, position
  • Altitude : relative et absolue
  • Vitesse : horizontale et verticale
  • Distance : par rapport au Home Point
  • Alertes : vent fort, batterie faible, IMU errors

10. Pilote automatique et modes de vol

🤖 Flight Controller

Le contrôleur de vol est le cerveau du drone. Il traite les données des capteurs et commande les moteurs pour stabiliser et diriger l'appareil.

⚙️ Fonctions principales :

  • Stabilisation : correction des perturbations (vent, rafales)
  • Maintien de position (GPS Hold)
  • Maintien d'altitude (Altitude Hold)
  • Return to Home automatique
  • Waypoints : vol autonome programmé
  • Orbite, Follow me, modes intelligents

📍 Mode GPS (P-Mode)

  • • Maintien position GPS
  • • Capteurs obstacles actifs
  • Mode le plus sûr
  • • Vol assisté

⚠️ Mode ATTI

  • • Pas de GPS
  • • Stabilisation uniquement
  • • Dérive avec le vent
  • • Pilotage manuel requis

🏎️ Mode Sport

  • • Vitesse max augmentée
  • • Capteurs désactivés
  • • Réponses plus vives
  • Réservé experts

11. Maintenance et vérifications

📋 Check-list pré-vol (OBLIGATOIRE)

✅ Structure et mécanique :

  • ☐ Bras et châssis : pas de fissures
  • ☐ Hélices : pas de fissures, bon serrage
  • ☐ Moteurs : rotation libre, pas de jeu
  • ☐ Gimbal : rotation libre, pas de blocage
  • ☐ Trains d'atterrissage déployés

🔋 Électrique et électronique :

  • ☐ Batterie chargée (>80%)
  • ☐ Batterie non gonflée
  • ☐ Batterie bien verrouillée
  • ☐ Connecteurs propres et secs
  • ☐ Carte SD insérée

📡 Systèmes et capteurs :

  • ☐ GPS : >10 satellites
  • ☐ Compass calibré
  • ☐ IMU : pas d'erreurs
  • ☐ Transmission vidéo OK
  • ☐ Failsafe configuré (RTH)

🎮 Radiocommande :

  • ☐ Batterie RC chargée (>50%)
  • ☐ Liaison radio stable
  • ☐ Manches centrés
  • ☐ Interrupteurs en position correcte

🔧 Maintenance régulière

FréquenceOpérations
Après chaque vol• Nettoyage hélices et moteurs
• Vérification visuelle structure
• Décharge batterie à storage voltage (si stockage >3 jours)
Toutes les 10h de vol• Vérification serrages vis
• Test moteurs (vibrations, température)
• Calibration IMU et compass
Tous les 50 vols• Remplacement hélices
• Nettoyage capteurs et caméras
• Vérification roulements moteurs
Annuel• Révision complète
• Mise à jour firmware
• Remplacement pièces d'usure

12. Diagnostics et résolution de problèmes

🚨 Problèmes courants et solutions

❌ Le drone ne décolle pas / Moteurs ne démarrent pas

  • • Vérifier batterie chargée et bien connectée
  • • Vérifier calibration IMU/compass
  • • GPS : attendre >10 satellites
  • • Mode de vol correct (pas en mode ATTI si GPS requis)
  • • Débloquer les moteurs (combinaison manches selon modèle)

🌀 Vol instable / Vibrations excessives

  • Hélices : vérifier fissures, équilibrage, sens de rotation
  • Moteurs : vérifier roulements usés, jeu axial
  • ESC : recalibrer les ESC
  • IMU : recalibrer gyroscope et accéléromètre
  • • Vérifier fixations (amortisseurs FC, caméra)

🧭 Erreur compass / Yaw instable

  • Calibration compass : refaire loin des masses métalliques
  • • Interférences magnétiques : s'éloigner véhicules, structures métalliques
  • • Vérifier absence d'objets métalliques sur le drone
  • • Compass défaillant : remplacer module GPS/compass

📡 Perte signal / Portée réduite

  • • Obstacles entre RC et drone (bâtiments, collines)
  • • Interférences radio (2.4 GHz saturé en zone urbaine)
  • • Antennes mal orientées ou endommagées
  • • Batterie RC faible
  • • Firmware radio obsolète

🔋 Autonomie réduite

  • Batterie vieillissante : tester capacité réelle, remplacer si <80%
  • • Température basse : réchauffer batterie avant vol
  • • Vol sportif ou vent fort : consommation accrue
  • • Surcharge : vérifier masse totale
  • • Moteurs/ESC défaillants : consommation anormale

📷 Pas d'image vidéo / Image figée

  • • Vérifier connexion HDMI / USB
  • • Relancer application / redémarrer smartphone
  • • Interférences 5.8 GHz : changer de canal
  • • Caméra non alimentée : vérifier connectique
  • • Carte SD saturée : libérer espace

🛠️ Outils de diagnostic

  • Logs de vol : analyser après chaque incident (DJI Go, ArduPilot, Betaflight)
  • Testeur de batterie : vérifier voltage, capacité, résistance interne
  • Multimètre : tester continuité, voltage ESC/moteurs
  • Analyseur de vibrations : détecter déséquilibres hélices/moteurs
  • Firmware à jour : corriger bugs connus

Informations du cours

Durée

30 min

Module

2/8

Niveau

Intermédiaire

Mis à jour

Janvier 2025

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