F-SAM — un drone souple qui se roule comme un tube
Il s'avère qu'il ne faut pas beaucoup de matériel pour créer un robot volant. Les robots volants sont généralement très complexes et comportent un grand nombre de composants, comme deux ailes entières ou quatre moteurs distincts.
Ces appareils sont peut-être créés pour des personnes disposant de gros financements, mais pour quiconque tente de respecter un budget raisonnable, tout ce qui est réellement nécessaire pour construire un robot volant se résume à un seul profil aérodynamique et une hélice à pas fixe fixée dessus. Et si vous rendez ce profil aérodynamique souple, vous pouvez même le replier entièrement en une sorte de couteau suisse volant robotisé.
Ce type de drone s'appelle monocoptère, et sa conception repose globalement sur les graines de l'érable à samares, qui sont des capsules uniques munies d'une « aile ». La capacité à tourner de façon stable ralentit la chute des graines au sol, leur permettant de se disperser sur plusieurs kilomètres. Il s'agit d'une structure intrinsèquement stable, qui tourne d'elle-même et le fait de manière nette et prévisible, ce qui est un bon atout pour un drone : si un élément matériel tombe en panne, il descend simplement en tournoyant doucement jusqu'à atterrir par défaut.
L'Université de technologie et de design de Singapour a créé un monocoptère baptisé F-SAM, acronyme de folding monocopter with single actuator (monocoptère pliable à un seul actionneur). Sur le plan matériel, il n'y a peut-être pas grand-chose, mais c'est justement une partie du charme de la conception de cet appareil. Un seul actionneur assure le contrôle complet de la direction : l'accélérateur augmente le régime de l'appareil, le faisant monter en altitude.
Piloter un monocoptère peut sembler complexe, car cela nécessite des impulsions répétées du moteur à un point précis pendant la rotation de l'appareil. Le F-SAM fonctionne dans un environnement de capture de mouvement vidéo afin d'explorer son potentiel d'autonomie précise, mais il n'est pas limité à cet environnement et ne nécessite aucun contrôle externe pour être piloté.
Bien que le tableau de bord du F-SAM ait été conçu sur mesure et que l'aile nécessite un certain usinage, les autres pièces sont peu coûteuses et vendues séparément. Le poids total du F-SAM n'est que de 69 g, dont près de 40 % pour la batterie, ce qui permet une autonomie de vol d'environ 16 minutes.
Le média IEEE Spectrum s'est entretenu avec les créateurs du monocoptère et leur a posé plusieurs questions. Les scientifiques ont étudié différents matériaux et combinaisons de matériaux pour la structure souple de l'aile. Le rédacteur a demandé pourquoi ils s'étaient arrêtés sur un mélange de balsa et de plastique.
« La structure de l'aile d'un monocoptère doit être rigide pour pouvoir être pilotée en vol. Bien qu'un monocoptère puisse voler avec des matériaux plus souples que nous avons testés, comme un plastique souple ou un polymère souple, ceux-ci permettent à l'aile de pivoter librement en vol, ce qui réduit l'efficacité du contrôle cyclique du moteur. Le balsa laminé de plastique offre une rigidité suffisante pour un contrôle efficace, tout en permettant de le plier »
Selon les chercheurs, le F-SAM peut voler en extérieur. Il est passivement stable, il n'a donc pas besoin d'un contrôle en boucle fermée pour voler. L'environnement de capture de mouvement fournit sa position absolue pour les vols en station et les points de passage en intérieur. En vol extérieur, une boussole électronique fournit le cap relatif pour le contrôle cyclique principal. L'équipe de scientifiques travaille sur un prototype doté d'un GPS intégré pour des vols autonomes en extérieur.
« On peut ajouter une caméra (nous l'avons déjà fait), mais en raison de sa nature rotative, les images peuvent être floues. Les caméras à vision à 360 degrés deviennent de plus en plus légères et petites, et nous pourrions en installer une sur le F-SAM ou sur les autres monocoptères que nous possédons. Parmi les autres capteurs possibles figurent le LiDAR ou le capteur ToF. Avec le LiDAR, la plateforme a un avantage, car elle tourne déjà à une vitesse connue. Un système LiDAR classique nécessite un actionneur spécial pour créer le mouvement de rotation. En tant que plateforme rotative, le F-SAM possède déjà une dynamique de rotation naturelle, ce qui rend l'intégration du LiDAR simple et plus efficace »
À ce jour, le F-SAM peut être replié sous une forme compacte et rangé dans un conteneur. Toutefois, il faut toujours qu'une personne le déploie et le lance manuellement, ou le pose au sol pour qu'il décolle. À l'avenir, les scientifiques envisagent de placer le F-SAM dans un conteneur doté d'un mécanisme (par exemple, un gaz comprimé) permettant de catapulter le bloc plié dans les airs, afin qu'il puisse immédiatement commencer à se déployer grâce aux matériaux élastiques utilisés. Le moteur peut initier la rotation, qui permet à l'aile de se redresser sous l'effet des forces centrifuges.
Les scientifiques estiment que le F-SAM peut être un bon jouet, mais qu'il ne peut pas constituer une bonne alternative aux quadricoptères si l'objectif est la photographie ou la vidéo aérienne classique. Cependant, il pourrait être un bon concurrent pour des missions de reconnaissance jetables guidées par GPS. Comme le vol ne repose que sur un seul actionneur, il peut être fabriqué à un coût relativement bas.
De plus, il est très silencieux en vol et se camoufle facilement après l'atterrissage. Des capteurs légers destinés à différentes tâches, par exemple la surveillance du climat, peuvent être intégrés à la plateforme. Plusieurs appareils F-SAM peuvent être largués depuis les airs, car ils sont capables de tourner automatiquement pendant la descente, mais aussi de voler à certaines périodes pour une collecte étendue de données météorologiques en altitude.
« Nous avons plusieurs projets intéressants, dont la plupart reposent sur le principe « faire plus avec moins ». Cela signifie que nos projets visent à accomplir plusieurs tâches et modes de vol en utilisant le moins d'actionneurs possible. À l'image du F-SAM, qui n'utilise qu'un seul actionneur pour assurer un vol contrôlé, nous travaillons sur un autre projet, une version entièrement en autorotation appelée Samara Autorotating Wing (SAW) »
Selon lui, cette plateforme peut fonctionner dans deux modes de vol avec un seul actionneur. Elle est parfaitement adaptée au déploiement de capteurs jetables dans des lieux isolés. Par exemple, la plateforme peut servir à déployer des capteurs de surveillance des forêts ou un système d'alerte aux incendies de forêt.
Les capteurs peuvent se poser sur la canopée des arbres, et une fois au sol, l'aile offre la surface nécessaire pour capter l'énergie solaire et fonctionner en continu pendant plusieurs années. Un autre scénario intéressant consiste à utiliser la plateforme en autorotation pour renvoyer les radiosondes vers un point de collecte après la fin de leur ascension.
Le chercheur explique qu'actuellement, de nombreuses radiosondes sont lancées avec des ballons à hydrogène depuis des stations météorologiques du monde entier (plus de 20 000 par an rien qu'en Australie), et une fois que le ballon atteint une grande altitude et éclate, les capteurs retombent au sol. En les renvoyant vers un point de collecte, on pourrait économiser chaque année des millions de dollars, tout en préservant l'environnement grâce à une pollution moindre.
