À propos

RÉGLEMENTATION EASA/DGAC FRANCE

Compas magnétique

Le compas est une sorte de boussole. Sur nos drones, le compas est généralement électronique et il permet de détecter la direction du nord magnétique. On l’appelle parfois également « magnétomètre ». Nous allons commencer le cours par les compas « classique » utilisés sur les aéronefs habités.

Sur un compas magnétique « classique », l’alignement se fait sur l’orientation du nord magnétique mais la direction du nord est entachée d’erreurs : l’imprécision mécanique de par la conception du compas (frottement divers, équilibrage, etc…) et la déviation en raison de la présence de champs perturbateurs (masses métalliques notamment).

compas magnétique classique à flotteur

compas magnétique à rose verticale

On parle alors souvent de « nord compas » et non plus de « nord magnétique« .
Il est possible de corriger la valeur du nord lue sur l’instrument en appliquant des corrections, on appelle ceci l’étalonnage. Il faut alors aligner l’axe du compas selon des directions connues et de noter la correspondance entre l’indication lue et le cap magnétique réel.

On notera aussi que l’attraction magnétique terrestre est due à des masses ferreuses situées dans les profondeurs, ce qui a pour conséquence de faire piquer un peu vers le bas l’aiguille du compas, comme ceci :

On ajoute alors un contre-poids pour compenser cette inclinaison… mais de part sa position asymétrique (le côté noir de l’aiguille sur le dessin ci-dessus), il rend l’aiguille sensible aux diverses accélérations de l’aéronef. L’indication est donc vite inexacte lors de virages ou de turbulences, d’accélérations ou de ralentissements.

Exemple de contre-poids sur une rose des caps.

Compas électronique

Le magnétomètre (compas électronique) est un capteur capable de mesurer le champ magnétique terrestre. Il est utilisé pour estimer l’azimut du drone (sa direction dans le plan horizontal par rapport au nord). Comme pour une boussole, le magnétomètre permet d’estimer la direction du nord magnétique mais pour cela la connaissance de la verticale locale est requise.

Exemple d’un magnétomètre, notez les axes indiqués sur la carte électronique du magnétomètre (X pour l’axe horizontal, Y pour l’axe latéral et Z pour l’axe vertical)

Il peut fournir une sortie numérique qui décrit l’angle entre l’orientation du drone et des pôles magnétiques de notre planète. Les puces des magnétomètres sont habituellement de type vecteur, contenant trois capteurs montés orthogonalement, chacun d’entre eux à 90 degrés pour les deux autres. Un logiciel adéquat peut ainsi interpréter les lectures analogiques des capteurs pour calculer le nord magnétique ou sud quelque soit l’angle sous lequel l’instrument est actuellement détenu, par rapport au sol.

Comme les compas classiques, les magnétomètres sont sensibles aux champs magnétiques, il faut donc les calibrer loin de toute interférences magnétique : ligne à haute tension, émetteurs, véhicules, objet métallique tels que barrières ou grillages, etc…
Le calibrage devrait être effectué en champ ouvert et à l’écart de toutes sources possibles d’interférences électromagnétiques.

Si l’on procède soi-même au montage d’un magnétomètre sur son drone, son positionnement est très important. Les effets des champs magnétiques perturbateurs des transformateurs, des relais, des moteurs , des caméras, etc… doivent être pris en compte.

Gyroscope

Le gyroscope est un « appareil » qui exploite le principe de la conservation du moment angulaire en physique (l’effet gyroscopique). Cette loi fondamentale de la mécanique veut qu’en l’absence de couple appliqué à un solide en rotation, celui-ci conserve son axe de rotation invariable. Sa propriété essentielle est donc la fixité dans l’espace.

Le but d’un gyroscope est de connaitre les variations de l’assiette du drone en tangage, roulis et lacet.

Il existe différents types de gyroscope : mécanique, optique, à structures vibrantes.

Le gyroscope mécanique : Il se base sur le principe de conservation du mouvement cinétique et de la force de Coriolis.

Exemple d’un gyroscope mécanique.

Le gyroscope optique (effet Sagnac) : Aussi appelés « gyromètre laser » ou plus simplement « gyrolaser ». Le système mesure le décalage temporel de la réception de deux signaux lumineux (laser) effectuant un parcours similaires mais sur des directions différentes. Lorsque le système bouge, les faisceaux subiront un décalage sur leurs points d’aboutissements. Ce décalage permet d’en déduire des vitesses angulaires.

Représentation schématique simplifiée d’un gyrolaser.

Le gyroscope piezo-électrique : On utilise du cristal (quartz) pour réaliser des capteurs. Lorsque les capteurs piézo-électrique sont soumis à une pression mécanique, ils font apparaitre un potentiel électrique sur certaines de leurs faces. Cette tension délivrée est à l’image de l’action extérieure appliquée. Le système mesure alors les vitesses angulaires.

Exemple d’une carte de contrôleur de vol incorporant des gyros type piézoélectrique.

Le gyroscope à structures vibrantes : C’est la forme la plus aboutie de gyroscope pour nos machines. On parle de la technologie MEMS (de l’anglais Micro Electro Mechanical System) qui permet de concevoir des capteurs extrêmement réduits, de la taille d’une puce électronique. Ce gyroscope mesure la vitesse angulaire grâce à l’accélération de Coriolis (c’est à dire l’accélération tangentielle que subit un objet placé sur un disque en rotation, proportionnelle à la distance de l’objet par rapport au centre du disque). En mesurant cette accélération, on peut mesurer le couple externe qui l’a engendrée et donc en déduire des vitesses angulaires.

Exemple d’une carte IMU (centrale inertielle à 5° de liberté) incorporant une puce MEMS.