Conception d'un nano-drone à ailes vibrantes

Design of a vibrating-wing nano drone

• Auteur / Autrice : Mathieu Colin
• Direction : Olivier Thomas, Sébastien Grondel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Conception
• Date : Soutenance le 18/06/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LISPEN - Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Physiques et Numériques
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Gourinat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Thomas, Sébastien Grondel, Yves Gourinat, Morvan Ouisse, Benjamin Thiria, Xavier Amandolese, Rose-Marie Sauvage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Morvan Ouisse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions -- Dynamique

Aérodynamique

Thèses et écrits académiques

Drones

Mots clés libres

Nano-Drone

Aerodynamique

Dynamique de structures

Résonance

Microfabrication

Nav

Aerodynamics

Structural dynamics

Nonlinear damping

Microfabrication

Résumé

Cette thèse vise à réaliser un nanodrone à ailes vibrantes d'une masse de 20 mg. Une telle échelle engendre de nombreux défis. Les travaux antérieurs ont permis l’obtention d’un prototype générant une portance compensant son propre poids mais insuffisante pour le décollage. Il faut donc (i) comprendre comment générer plus de portance et (ii) d'optimiser la structure en ce sens. Le premier axe de travail est l'étude de l’interaction de l’air avec la structure. Deux modèles de cette interaction sont proposés : le premier sous la forme d’un amortissement modal non linéaire et le second avec une force aérodynamique générée par une aile flexible de nanodrone. Ces modèles permettent de déterminer des stratégies de création de portance par des structures à ailes vibrantes et ainsi de valider le principe d’actionnement du nanodrone, appelé combinaison modale. Ce principe consiste à exciter une structure ayant un mode de flexion et un mode de torsion des ailes à une fréquence où ces modes sont en quadrature de phase. Si les modes sont assez proches alors le mouvement est résonant à la fréquence d’excitation. La conception de la structure est donc cruciale pour la combinaison modale et représente le second axe de travail. Un code de calcul de structure est développé et permet de modéliser les drones comme des treillis de poutres avec une cinématique d'Euler-Bernoulli. Ce code est ensuite intégré à un algorithme d’optimisation paramétrique dont les critères reposent principalement sur les réponses en fréquence simulées. Ces outils sont mis à profit pour une conception efficace de nouvelles architectures de drones plus simples et prometteuses.

This research aims at designing a 20-mg vibrating-wing nanodrone. A number of challenges arise at this scale. Previous work led to a prototype that generated a lift force equal to its weight but insufficient for take-off. The goal is therefore (i) to understand how to generate higher lift, and (ii) to optimise the structure accordingly. The first work lead is the interaction of air with the structure, studied with two distinct models: first as a nonlinear modal damping and second as an aerodynamic force generated by a flexible nanodrone wing. It allows determining lift generation strategies and validates the actuation principle of the drone, called modal combination. This principle consists in exciting a structure with a bending mode and a twisting mode of the wings at a phase shift quadrature frequency. If the modes are close enough, the motion is resonant at the excitation frequency. Since this principle relies heavily on the design of the structure, the design itself is thus the second work lead. A structural code modelling the drone as a beam truss with Euler-Bernoulli kinematics is developed. The code is then integrated into a parametric optimisation algorithm which cost-function is based mostly on the simulated frequency responses. These tools enable the efficient design of new prototype architectures that are promising.