Un nouveau drone flexible peut résister aux collisions.
La rédaction ·
Le drone FlexiQuad possède quatre rotors et un corps déformable. (Image : Luca Girardi / ETH Zurich)
Bref
Contrairement à de nombreux drones à quatre rotors classiques, le FlexiQuad est construit avec un cadre déformable et flexible au lieu d'un corps rigide.
Sa structure est conçue pour être flexible, lui permettant de continuer à voler après une collision. Elle assure une transmission de force rigide exactement là où c'est nécessaire pour rester en l'air.
À l'avenir, le drone pourrait être utilisé pour des inspections, des opérations de sauvetage ou des mesures environnementales dans des espaces confinés et des environnements difficiles.
Depuis plus d'un siècle, les quadricoptères sont construits selon le même principe de base. Quatre bras, chacun muni d'une hélice, se déploient à partir d'un corps central rigide. Cette conception est idéale pour un vol précis et agile, mais elle présente un inconvénient majeur : les drones sont extrêmement sensibles aux contacts inattendus avec leur environnement. S'ils heurtent un mur ou un autre obstacle, ils peuvent se déstabiliser, voire se briser.
Des chercheurs de l'ETH Zurich espèrent résoudre ce problème grâce à une nouvelle conception structurelle. Leur drone FlexiQuad est doté d'une structure souple en forme d'anneau, sans corps central. Les rotors, les batteries et le module de commande sont répartis uniformément le long de cette structure. Cette conception permet au drone de se déformer lors d'un impact, absorbant ainsi une partie de l'énergie de la collision.
FlexiQuad a été développé par Luca Girardi et Stefano Mintchev, alors professeur à l'ETH Zurich, au sein du Laboratoire de robotique environnementale. Girardi mène actuellement des recherches au Laboratoire de robotique mobile de l'ETH Zurich, tandis que Mintchev est désormais professeur de robotique agricole à l'Université de Bonn. Ils ont déposé une demande de brevet pour FlexiQuad, et l'invention est en lice pour le prix Spark de cette année.
Souple à l'impact, rigide en vol
La structure n'est pas aussi flexible dans toutes les directions. Comme l'explique Girardi, les chercheurs se sont inspirés des oiseaux et des insectes. « Nous nous sommes intéressés à la rigidité de leurs ailes et à la façon dont ils les plient – ou ne les plient pas – dans différentes directions. » Suivant ce principe, ils ont conçu une structure qui fléchit latéralement, là où la déformation est souhaitée. Verticalement, la structure est plus rigide, permettant aux rotors de transmettre les forces nécessaires au vol.
Malgré sa structure flexible, le FlexiQuad est rapide et agile. « Notre drone est très maniable et peut voler jusqu'à 80 km/h. Il atteint des accélérations linéaires et angulaires comparables à celles des drones rigides. Souple ne rime pas forcément avec lent », explique Girardi. Lors de tests de collision, les chercheurs ont projeté le FlexiQuad contre des obstacles à des vitesses allant jusqu'à environ 25 km/h. La structure flexible se déforme brièvement à l'impact, réduisant les forces exercées sur le drone et lui permettant de poursuivre son vol. Selon Girardi, la vitesse de test était principalement limitée par l'espace nécessaire à l'accélération du drone avant l'impact. Cette flexibilité peut également être mise à profit pour saisir et transporter des objets.
La vidéo met en avant les trois principaux atouts du FlexiQuad : sa grande vitesse et son agilité, sa compressibilité et sa capacité à transporter des objets. Il peut continuer à voler même après une collision. (Vidéo : Luca Girardi / ETH Zurich)
Utilisation dans les recherches de personnes disparues et pour la défense contre les drones indésirables
Le brevet envisage des applications dans des environnements encombrés, notamment l'inspection des ballasts des navires, le soutien aux opérations de recherche et de sauvetage dans les bâtiments effondrés et la réalisation de mesures environnementales dans les forêts denses. Girardi prévoit également d'autres applications, comme l'intégration d'un filet au centre creux du FlexiQuad pour capturer les drones non autorisés ou indésirables.
La déformabilité pourrait s'avérer particulièrement avantageuse lors des inspections, car un drone plus grand pourrait embarquer davantage de capteurs et rester en vol plus longtemps tout en se faufilant dans des passages étroits. Ce concept pourrait également servir au transport de petits objets. Lors des tests, le FlexiQuad a déjà saisi, transporté et déposé une trousse de premiers secours souple, et soulevé une charge utile plus lourde que le drone lui-même.
« Lorsqu'une mission exige d'un drone qu'il parcoure rapidement de longues distances, celui-ci est censé voler vite, mais ses capteurs peuvent détecter des obstacles – comme un arbre – trop tard pour éviter une collision. Pour un drone rigide, un tel impact peut mettre fin à la mission. La capacité du FlexiQuad à résister aux collisions pourrait lui permettre de voler à des vitesses trop risquées pour un drone qui dépend entièrement de la détection et de l'évitement des obstacles », explique Girardi.
Le FlexiQuad se distingue également par sa conception modulaire et économique. Les matériaux de sa structure coûtent moins de 15 francs suisses, avec une marge confortable pour des réductions supplémentaires. Une fois l'anneau ouvert, les éléments plats de la structure se rangent de manière compacte. Girardi a déjà transporté un prototype de cette façon dans une valise de taille moyenne. Grâce à des fixations rapides et des batteries amovibles, le drone pourrait, à l'avenir, être assemblé sur place en un temps record, explique le chercheur.
Ce que les drones flexibles doivent encore apprendre
Avant de pouvoir être déployé hors du laboratoire, le FlexiQuad doit être capable de percevoir son environnement de manière fiable et de naviguer de façon autonome. « Nous continuons de remettre en question la tradition centenaire de concevoir des drones à structure rigide, une conception qui perdure car une structure rigide facilite un contrôle précis », souligne Girardi.
Après une collision, les oscillations de la structure flexible peuvent brouiller les images de la caméra et compliquer la navigation. Dans leurs travaux les plus récents, Girardi et ses collègues se sont donc inspirés des réflexes naturels : grâce à l’apprentissage par renforcement, ils ont appris à FlexiQuad à se stabiliser après un impact à l’aide de ses capteurs de mouvement embarqués, puis à reprendre son vol autonome.
Dans le même temps, l'équipe étudie si la flexibilité de la structure pourrait devenir une source d'information. S'inspirant de la façon dont les insectes perçoivent les déformations de leurs ailes, les chercheurs explorent la possibilité que les mesures de la flexion et des vibrations du FlexiQuad puissent un jour fournir des informations supplémentaires pour le contrôle du vol.
Girardi développe ce drone flexible depuis environ cinq ans. Un moment l'a particulièrement marqué : le premier décollage du FlexiQuad sans renfort central. « Au début, j'étais sceptique quant à la capacité du drone à voler sans renfort central. Mais j'aimais beaucoup l'idée. Alors on a essayé, et ça a marché. »