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Un drone qui vole comme un oiseau

Drone oiseau de l'EPFL

Développé par l’École polytechnique de Lausanne, le « drone-oiseau » a la particularité d’être « bio-inspiré ». Doté de plumes, il peut étendre ou de replier ses ailes en vol, lui permettant d’affronter plusieurs conditions de vents et de maniabilité.

Les oiseaux virent de bord, prennent de la vitesse ou encore traversent de forts vents contraires, etc. Et tout cela leur est possible grâce aux changements de configuration qu’ils peuvent apporter à leurs ailes. C’est en les observant que l’équipe du Laboratoire des systèmes intelligents de l’École polytechnique de Lausanne a voulu créer un drone souple, capable à la fois de voler à très grande vitesse et de manœuvrer dans des espaces restreints tout en limitant sa consommation énergétique. En effet, « les drones à ailes fixes, tout comme les avions plus gros, sont conçus pour voler efficacement dans des conditions très spécifiques » explique Dario Floreano, directeur du Laboratoire des systèmes intelligents. « Ils sont par exemple optimisés pour le vol contre les vents. » De l’autre côté, les drones à voilure tournante sont conçus pour une plus grande manœuvrabilité. Ils sont en revanche limités à des vitesses plus faibles et peuvent être d’importants consommateurs en énergie.

Le drone-oiseau a lui été développé afin qu’il puisse faire face à des exigences aérodynamiques variées, que ce soit pour voler entre les obstacles, virer serré ou montrer une capacité à voler par vents forts. Pour cela, il imite les oiseaux qui arrivent aussi bien à réduire leur résistance au vent en rétractant leurs plumes, qu’à effectuer des manœuvres agiles à basse vitesse en les déployant. Le drone modifie ainsi sa géométrie en vol en repliant ou dépliant les plumes artificielles qu’il possède en bout d’ailes. Ces dernières sont largement fabriquées en matériaux composites afin de maximiser la robustesse tout en réduisant le poids global du drone. Les plumes sont composées d’un axe en fibres de carbone rectiligne (d’un diamètre de 1,5 mm), collé à un cadre en fibres de verre (d’une épaisseur de 0,2 mm) et recouvert d’une couche d’Icarex (un tissu léger et étanche en polyester souvent utilisé pour la fabrication de cerfs-volants ou de voile de modélisme).

Aujourd’hui, le prototype actuel peut voler pendant 10 minutes à une vitesse maximale de 8 m/s. « Il a une charge utile limitée car il a été conçu comme un prototype léger pour acquérir des données pendant les vols d’essais » précise Stefano Mintchev, chercheur au Laboratoire des systèmes intelligents. « Cependant, la nature nous montre des oiseaux comme l’Ardeotis kori qui pèse jusqu’à 19 kg et qui a des ailes repliables. Par conséquent, il serait théoriquement possible de concevoir un drone plus grand avec une capacité de charge utile accrue pour une caméra ou d’autres capteurs. »

Défis technologiques

La conception et la fabrication de ce drone ont entrainé de nombreux défis technologiques et il continue à faire travailler les chercheurs. « Un des premiers défis a été de créer une surface qui puisse subir un changement de forme significatif sans que cela ne compromette les propriétés aérodynamiques lors des différents modes de fonctionnement », explique Stefano Mintchev. « Il est par ailleurs extrêmement difficile de trouver le bon équilibre entre l’efficacité aérodynamique et le poids de l’appareil. » Il faut enfin s’assurer que les contraintes mécaniques induites par le changement de forme des ailes (concept de morphing wings) n’entravent pas le contrôle du drone. Les ailerons, par exemple, sont difficiles à installer sur ce type d’aile, cela demande donc de trouver des solutions alternatives. Prochaine étape pour l’équipe suisse : mettre en place des lois de pilotage qui adaptent de façon automatique la forme de l’aile pendant le vol afin d’optimiser l’efficacité et la maniabilité du drone.

Schéma du drone oiseau de l'EPFL
Schéma du drone oiseau de l’EPFL. Crédit : EPFL

Vol en ville ou transport de fret

« Ce drone ailé ouvre de nouvelles perspectives. Grâce à ses facultés d’adaptation, il pourrait se montrer très efficace pour progresser à basse altitude, dans un contexte urbain où les vents restent incontrôlables », s’enthousiasme Stefano Mintchev. Le gain énergétique ainsi que les performances annoncés par les chercheurs pourraient fournir un plus pour des vols sur de longues distances. Ce type de drone pourrait donc probablement servir dans le cas de transport de fret où les machines devront voler à grande vitesse sur plusieurs dizaines de kilomètres, mais aussi décoller et atterrir précisément dans des zones confinées, éventuellement entre les bâtiments, qui exigent de l’agilité et de la précision.

Encore loin de l’industrialisation

Le drone-oiseau n’est pas encore pour demain. Si le premier prototype a été testé avec succès dans la soufflerie Hepia à Genève et en vol, l’industrialisation n’est pas à l’ordre du jour. « Nous n’avons pas encore prévu l’industrialisation immédiate du drone, mais nous poursuivons nos recherches sur les plumes artificielles et les drones avec morphologie adaptative », conclut Stefano Mintchev.