Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Dans l'optique de réaliser de la surveillance intra-bâtiment avec un système autonome, mobile, très discret, des recherches sont en cours pour développer des nanodrones. Elles se concentrent sur la compréhension et l'imitation du vol battu des insectes et sur les aspects de la miniaturisation. Cet article décrit la conception et la réalisation d'un insecte artificiel à ailes résonantes à l'aide des technologies de microfabrication de la microélectronique. Un actionneur électromagnétique induit un mouvement de flexion/torsion des ailes correspondant à une cinématique similaire à celle des insectes. L'estimation des phénomènes aéroélastiques en grands déplacements est réalisée à l'aide d'un modèle basé sur les éléments finis et une formulation analytique de l'aérodynamique. Une validation expérimentale est ensuite proposée.
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To achieve intra-building surveillance with autonomous, mobile and very discreet system, research is underway to develop nano air vehicles (or nano drones). It focuses on the understanding and imitation of flapping flight of insects and on miniaturization. This article describes the design and micro-fabrication of an artificial insect with resonant wings using microelectronics technologies. An electromagnetic actuator induces a bending / twisting motion of the wings corresponding to insect-like kinematics. Aero-elastic phenomena in large displacements are estimated using a model based on the finite elements method and on an analytical formulation of aerodynamics. An experimental validation is then proposed.
Auteur(s)
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Thomas VANNESTE : Ingénieur, Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie de Valenciennes (IEMN, UMR CNRS 8520), France
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Alexandre BONTEMPS : Ingénieur Sensefly, Cheseaux-Lausanne, Suisse
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Caroline SOYER : Maître de conférences à l'université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis, Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie de Valenciennes (IEMN, UMR CNRS 8520), France
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Jean-Bernard PAQUET : Ingénieur de recherche à l'Office national d'étude et de recherche aérospatiale, Lille, France
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Olivier THOMAS : Professeur des universités au Campus de Lille d'Arts et Métiers ParisTech et au Laboratoire des sciences de l'information et des systèmes (LSIS, UMR CNRS 7296), France
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Eric CATTAN : Professeur à l'université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis, Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie de Valenciennes (IEMN, UMR CNRS 8520), France
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Sébastien GRONDEL : Professeur à l'École nationale supérieure d'ingénieurs en informatique, automatique, mécanique, énergétique, électronique (ENSIAME), Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie de Valenciennes (IEMN, UMR CNRS 8520), France
INTRODUCTION
Domaine : Nanodrone
Degré de diffusion de la technologie : Émergence | Croissance | Maturité
Technologies impliquées : Techniques de microfabrication utilisées pour réaliser des microsystèmes
Domaines d'application : Surveillance militaire ou civile intra-bâtiment
Autres acteurs dans le monde : Université de Harvard, Microrobotics Laboratory Prof. Robert Wood
Contact : [email protected]
L'expertise technique et scientifique de référence
DOI (Digital Object Identifier)
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Concepts mis en œuvre
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3. Défis scientifiques et technologiques
Lors de la conception de ce type d'engins, la principale difficulté à surmonter est d'intégrer au sein du corps de l'insecte artificiel un ou plusieurs actionneurs, de densité énergétique suffisante, nécessaires à la création d'une cinématique similaire à celle des ailes d'insecte. Cette dernière doit engendrer une force de portance supérieure au poids du nanodrone pour permettre son envol. Une fois cette étape franchie, le travail qui reste à effectuer réside dans la recherche de solutions bio-inspirées afin d'obtenir des performances en termes de communication et d'orientation dans l'espace proches de celles des insectes sociaux (abeilles, fourmis, termites).
3.1 Actionneur
Il est remarquable de constater que les ailes de certains insectes volants battent à des cadences très élevées : elles peuvent atteindre le kilohertz chez les cératopogonidés. Plus précisément, c'est l'action de puissants muscles dans le thorax qui provoque le mouvement de brassage des ailes. Les impulsions envoyées aux muscles peuvent être à des fréquences inférieures à celle des ailes en raison de l'utilisation d'un mode résonant entretenu, il n'en reste pas moins que ces muscles fonctionnent à des vitesses bien plus élevées que chez les autres animaux.
Si l'on souhaite se rapprocher de ces performances, l'actionnement du nanodrone requiert des caractéristiques toutes particulières en termes d'encombrement et de masse embarquée. Il n'est donc plus possible comme c'est le cas à l'échelle macroscopique de s'appuyer sur l'utilisation des moteurs électriques à courant continu dont le rendement diminue avec la taille. Il est donc nécessaire de s'orienter vers des actionneurs linéaires adaptés au prototype à réaliser. La première contrainte réside dans la fréquence d'actionnement qui doit être aisément modulable entre une dizaine et plusieurs centaines de hertz afin de facilement s'adapter aux fréquences de résonance qui seront produites par des géométries d'ailes différentes. L'actionneur devra avoir de préférence un rendement et une densité de puissance élevés ce qui se traduit par une obligation de minimiser la masse embarquée et la consommation énergétique qui évidemment seront, à cette échelle de prototype, des éléments cruciaux à l'obtention d'un envol. La dernière contrainte forte est d'éviter de disposer de mécanisme d'amplification du mouvement, difficile...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GRASMEYER (J.), KEENNON (M.) - Development of the black widow micro air vehicle. - 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reno, NV, États-Unis, p. 1-9 (2001).
-
(2) - * - ProxDynamics http://www.proxdynamics.com/products/ Dernière consultation : 16/05/2015
-
(3) - BRUGGEMAN (B.) - Improving flight performance of DelFly II in hover by improving wing design and driving mechanism. - Delft Univ. Technol. M. Sc. thesis (2010).
-
(4) - * - AeroVironement Inc. http://www.avinc.com/ Dernière consultation : 16/05/2015
-
(5) - CHIRARATTANANON (P.), MA (K.Y.), WOOD (R.J.) - Adaptive control of a millimeter-scale flapping-wing robot. - Bioinspir. Biomim., 9, 025004 (2014).
-
(6) - KARPELSON (M.), WOOD (R.J.) - A review of actuation...
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