Photographie aérienne, Hélicoptère et drone

Projet de recherche et développement

Par Olivier Pain, reporter photographe à Tours

et Léa Paris, Ingénieure ouvrages d'art

Avec le soutien logistique du magasin Germain Photo

Avec l'aide et les conseils du magasin Tours Modelisme

Bienvenue dans le journal de bord du projet de R&D :

     Avant de commencer ma carrière de reporter photographe, j'ai eu la chance, lors de mes études en électronique, de réaliser un stage à la base aérienne 705 de Tours en tant que stagiaire au 2nd échelon de maintenance électrique sur alphajet. J'ai alors pu participer à la vérification périodique de l'un de ces "bébés".Le moment le plus marquant de ce stage fut celui où l'avion sur lequel j'avais travaillé pendant des mois a effectué son premier décollage.

     Je réalise donc ce projet en repensant aux enseignements de mon chef "Mimoune", de Nathalie, du "Grand rouquin", d'Arnaud, Jérôme, sans oublier tout le reste de l'équipe qui m'avait pris sous son aile.

     Je remercie aussi Pascal Bourdin, Philippe Metayer ainsi que les autres "gars" de la clinique PSLV pour l'exemple qu'il m'ont donné en terme d'adaptabilité et de qualité de travail.

Bref point sur la réglementation et la sécurité valables sur la durée du projet (Attention : la réglementation a fortement évoluée depuis) :

- Catégorie E : masse comprise entre 2 et 25 Kg

- Scénarii possibles avec ce drone :

  * S1 : vol à vue directe, hors zone peuplée et inf. à 100m en horizontale et 150m en verticale

  * S2 : vol à vue en zone peuplée, avec autorisation ponctuelle ou constante.

- L'usage en ville, sous certaines conditions, fait l'objet d'autorisations de la préfecture, pour les autorisations de survols ainsi que pour la prise de vue.

- Dans le cas du projet de recherche, je resterai en dessous des distances et altitudes maximales nécessitant un brevet ou une attestation théorique.

Autorisations sans brevet : 150 mètres d'altitude et un rayon de 100 mètres toujours en vol à vue par temps clair et dégagé, de jour, avec un engin volant de moins de 25 Kg de POV.

- Enregistrement comme photographe aérien obligatoire

- FPV non obligatoire mais recommandée sur écran de contrôle (limitation de puissance à 500 mW en 5,8 GHz soit environ 800 mètres en zone dégagée) en S1

- FVP (First person view, retour vidéo à la première personne) obligatoire en S2 avec enregistrement des 20 dernières minutes de vol.

- Système de stabilisation GPS non obligatoire mais recommandé en S1, obligatoire en S2

- Système d'éclairage clignotant du drone obligatoire en S1 et S2

- Connaissance des cartes aéronautiques non obligatoire mais recommandée en S1, obligatoire en S2

- Connaissances en météorologie recommandées en S1 et S2

Rappels importants à l'intention de ceux qui seraient tentés par l'utilisation d'un hélicoptère ou d'un drone :

- sur un hélicoptère de classe 450, ayant un rotor de 700mm et des pales de 25gr chacune : 

- vitesse de rotation max : 2000 tours/min

- vitesse en bout de pale : 270 Km/h

- vitesse d'éjection d'une pale : 140 Km/h

- force de traction de la pale sur son support (sur le plan de rotation, vers l'extérieur) : 21 Kg

=> il suffirait de passer à 2700 tours/min pour doubler la force de traction !!

Une pale se détachant d'un hélicoptère RC alors en translation peut traverser un enfant de 8 ans s'il se trouve à moins de 3 mètres de lui.

Il va sans dire qu'un rotor d'hélicoptère est alors aussi tranchant qu'une lame de tondeuse (ce que j'ai pu vérifier en le "plantant" contre un arbre...)

RESPECTEZ LES DISTANCES DE SECURITE

JOURNAL DE BORD

(dans l'ordre chronologique)

Novembre 2011 :

     Achat d'un premier Hélicoptère de classe 30 à pas fixe de 30 cm de diamètre rotor. Type : Flybarless, motorisation : 300 Watts. Apprentissage des bases du pilotage de modèle réduit.

     Poids en ordre de vol (POV) : 350 grammes, Motorisation brushless : 300W, Autonomie : 7 minutes, Energie : Batterie Lipo 2s 1000 mA

Février 2012 :

     Achat d'un second hélicoptère de classe 50 à pas collectif de 72 cm de diamètre rotor. Type : flybar, motorisation 1700 Watts. Apprentissage avancé du pilotage d'hélicoptères à pas collectif.

     POV : 900 grammes. Motorisation brushless : 1700W, Autonomie : 11 minutes. Energie : Batterie Lipo 3s 2200 mA.

Avantages :

Tenue dans le vent.

Puissance utile

Problèmes rencontrés :

Sécurité (plus de 270Km/h en bout de pale)

Fiabilité du châssis

Réglages de la tête de rotor peu fiables dans le temps

Juin 2012 :

     Modifications pour l'installation d'une caméra Go-pro HD2 : renforcement de la poutre de queue, passage à pales de rotor principal en carbone, Renforcement du châssis principal avec de la fibre de verre. Achat d'une radiocommande Futuba 8FG Super (2,4 Ghz, 14 voies dont 8 voies proportionnelles...)

     POV : 1500 grammes,  Motorisation brushless : 1700W, Autonomie : 7 minutes, Energie : Batterie Lipo 3s 2200 mA

Avantages :

Bonne rigidité du châssis

Puissance utile, capacité d'emport

Réduction des vibrations générées par les pales.

Fiabilisation de la liaison radio

Précision du pilotage

Problèmes rencontrés :

Sécurité (plus de 270Km/h en bout de pale)

Coûts de maintenance commençant à devenir importants

Juillet 2012 :

     Optimisation du centrage du modèle, amélioration de la stabilité en vidéo. Investissement dans un nouveau Gyroscope Futaba à conservateur de cap. Altitude atteinte maximale sans vent : 15 mètres. Début de réalisation de vidéos et photographies depuis l'hélicoptère. Prises de vues avec la GoPro HD2 : JPEG sRVB 11 Mpx, Reprise sous Adobe Lightroom 4.1.

     POV : 1600 grammes,  Motorisation brushless : 1700W, Autonomie : 9 minutes, Energie : batterie Lipo 3s 2200 mA.

Avantages :

Bonne rigidité du châssis

Puissance utile, capacité d'emport

Conservation du cap même avec du vent

Précision du pilotage

Problèmes rencontrés :

Sécurité (plus de 270Km/h en bout de pale)

Coûts de maintenance

Forte usure mécanique liée à la charge embarquée (roulements, tringlerie...)

 Aout 2012 :

     Achat d'un Quadricoptère GAUI 500X : Quadricoptère de classe 450, diamètre inter-rotors : 45cm, 4 moteurs de 270 Watts, 4 hélices PVC : 12 cm, Apprentissage du pilotage de "drone" quadricoptère. Prise en main des différentes assistances au pilotage (3 gyroscopes et accéléromètres pour l'auto stabilisation du drone) ainsi que du mode manuel. En parallèle, début de la préparation à l'examen théorique de pilote privé d'hélicoptère, ces cours comprennent :

- Mécanique de vol

- Aérodynamique

- Mécanique

- Anémométrie

- Circulation aérienne

- Réglementation

- Météorologie

- Cartographie

     POV : 1200gr,  Motorisation brushless : 1080W, Autonomie : 12 minutes, Energie : Lipo 3s 2200 mA.

Septembre 2012 :

     Installation de la caméra Go-Pro HD2 sur le drone. Après un premier crash ayant pour cause le manque de fiabilité du châssis, revue complète de sa géométrie et passage à des pièces maîtresses en carbone. Installation d'un train d'atterrissage amorti. 

     POV : 1350gr, Autonomie : 10 minutes, Energie : Lipo 3s 2200 mA

Début Octobre 2012 :

     Crash du GAUI 500X de plus de 10 mètres d'altitude, cause : rafale et effet venturi entre deux containers (rabattants). Modifications : renforcement du châssis, passage à un contrôleur DJI NAZA comprenant en plus un altimètre. Gains : Autonomie : 12 minutes, sécurité : atterrissage forcé en cas de batterie faible, auto-stabilisation plus précise et réactive, Altitude atteinte : 25 mètres. Prises de vues avec la GoPro HD2 : JPEG sRVB 11 Mpx, Reprise sous Adobe Lightroom 4.1.

     POV : 1400gr,  Motorisation brushless : 1080W, Autonomie : 12 minutes, Energie : Lipo 3s 2200 mA.

Avantages :

Coûts de maintenance faibles

Stabilité sans vent sur les 3 axes

Facilité de prise en main

Autonomie

Fiabilité mécanique

Problèmes rencontrés :

Réserve de puissance faible

Problèmes de fiabilité de la caméra Gopro

Début Novembre 2012 :

     Acquisition du module GPS NAZA; Gains : Stabilisation sur les 3 axes du "drone", possibilité de monter en vertical avec des vents de plus de 10 Km/h, mode de retour à la maison et atterrissage automatique en cas de batterie faible, stabilisation possible d'une nacelle sur deux axes. Altitude atteinte : 60 mètres.

     POV : 1400gr,  Motorisation brushless : 1080W, Autonomie : 19 minutes, Energie : Lipo 3s 4400 mA

Avantages :

Coûts de maintenance faibles

Stabilité avec vent faible sur les 3 axes

Pilotage

Autonomie

Sécurisation du matériel embarqué

Fiabilité de la mécanique

Problèmes rencontrés :

Rapport poids/puissance limitant

Problèmes de fiabilité de la caméra Gopro
Très forte déformation géométrique due à l'optique Fisheye de la caméra
Qualité des images JPEG fournies par la caméra, impossibilité d'orienter la caméra

Obligation de passer à un nouveau système de prises de vues plus qualitatif.

Fin Novembre 2012 :

     Acquisition d'un nouveau train d'atterrissage ainsi que d'une nacelle gyrostabilisée sur deux axes.

Avantages :

Néant

Problèmes rencontrés :

L'appareil ne décolle plus au delà de 2 mètres

Conicité des rotors trop grande : chute de la portance + fortes vibrations

     POV : 1850gr,  Motorisation brushless : 1080W, Autonomie : Néant, Energie : Lipo 3s 4400 mA

Conclusion : Démontage du drone en vue d'une refonte complète de l'engin technique.

Début Décembre 2012 :

Construction d'un nouvel Aéronef

Caractéristiques techniques du nouveau drone :

Nombre de rotors : 6

Hélices : 25 cm chacune, fibre de verre

Châssis : entièrement en fibre de carbone + circuit de distrubution de puissance sur résine époxi de 2 mm

Moteurs brushless : 6x550 Watts

Puissance totale : 3300 Watts

Energie : Lipo 3s 4400 mA

Stabilisation : NAZA + GPS

POV : 2500 grammes pouvant aller jusqu'à 4000 grammes

Appareil photo : SONY NEX5n + 18-55mm standard

Nacelle : fibre de verre et fibre de carbone, gyrostabilisée sur deux axes, télécommandable sur 3 axes

Déclenchement de l'appareil photo depuis la radiocommande

Prises de vues : RAW 16 Mpx Adobe RVB avec le SONY NEX5n et le 18-55mm

POV : 2700gr,  Motorisation brushless : 3300W, Autonomie : 9 minutes, Energie : Lipo 3s 4400 mA.

Avantages du nouveau drone :

Meilleure tenue dans le vent.

Vibrations beaucoup moins importantes grâce aux hélices en fibre de verre et au châssis en fibre de carbone.

Qualité des photographies et vidéos supérieure.

Altitude atteinte : 50 mètres.

Qualité des images : nouveau capteur APS-C, grande plage dynamique en RAW

Problèmes rencontrés :

Manque de qualité de l'objectif de base 18-55mm

Manque d'angle de champ avec la position 18mm

Décembre 2012 :

Achat du 16 mm f/2,8 SONY. Gain de qualité lors des prises de vues et gain de 2 minutes d'autonomie

POV : 2550gr,  Motorisation brushless : 1080W, Autonomie : 10 minutes, Energie : Lipo 3s 4400 mA

Avantages :

Coûts de maintenance faibles

Coûts de fonctionnement relativement faibles

Autonomie intéressante

Grande stabilité pour photos et vidéos

Fiabilité mécanique

Photographie : Exellente dynamique, piqué intéressant, déformation géométrique faible

Problèmes rencontrés :

Manque le retour vidéo permettant de cadrer de façon précise

BILAN de Mi-décembre sur le projet :

- Temps passé sur le projet : 1 an et 2 mois

- Coût du projet de recherche en date du 13 Décembre 2012 : 5500 euros ttc

- Nombre de crashs : 22 dont 5 graves nécessitant le remplacement de plus de 60% du matériel

- Heures de vol : 280 heures dont 70 heures avec appareil photo embarqué

Environnement matériel actuel avec :

Nombre de rotors : 6 type X

Hélices : 25 cm chacune, fibre de verre / 26 cm chacune, en fibre de carbone (200 euros)

Châssis : entièrement en fibre de carbone

Moteurs brushless : 6x550 Watts

Puissance totale : 2700 Watts

Energie : Lipo 3s 4400 mA / Lipo 3s 4400 mA x2 (180 euros) / Lipo 4s 4400mA (400 euros)

Stabilisation : NAZA + GPS/ DJI Wookong-M (1200 euros) ou plateforme open source (900 euros)

POV : 2550 grammes maximum

Appareil photo : SONY NEX5n + 16mm f/2.8, déclenchement effectué depuis la radiocommande

Nacelle : fibre de verre, gyrostabilisée sur deux axes, télécommandable depuis la radiocommande /Passage à un entrainement à courroie pour gagner en fluidité (300 euros)

Retour Vidéo pour FPV/cadrage : 5,8 GHz, 500 mW avec écran de 18cm au sol. (450 euros) / Un second retour vidéo dédié au cadreur (400 euros) / 2nde télécommande 8 voies dédié à l'appareil photo et à la nacelle (400 euros)

Module de télémétrie DJI (Energie, vitesse, altitude, cap,distances, positions GPS...) (500 euros)

Pour des raisons de facilité de lecture je n'ai pas donné de listing précis du matériel présent et prévu, si vous êtes intéressés par ces données, n'hésitez pas à me contacter par mail ou téléphone.

Futurs services proposés grâce au drone :

- Ortho-photographies de petits bâtiments et petites surfaces (cimetières, jardins...)

- Photogrammétrie appliquée aux façades de bâtiments

- Photographies panoramiques aériennes très haute résolution (30 - 80 - 100 Mpx)

- Photographies aériennes HDRi

- Visite FPV de zones difficiles d'accès en temps réel

- Photographies d'architecture pour particuliers

- Photographies de complexes industriels

- Suivi de chantiers

...

Fin Décembre 2012 :

Réglages des asservissments, revue de la géométrie du chassis....

Avantages :

Autonomie totale de 50 minutes

Bonne réactivité du drone

Précision du pilotage intéressante

Problèmes rencontrés :

Assistance gyroscopique de la nacelle à revoir (saccades)

Manque de retour vidéo

Problème de longévité des hélices carbone

Début Janvier 2013 :

Réalisation d'une vidéo ayant pour sujet des ruines à l'Ouest du Mans

Avantages :

Autonomie totale de 50 minutes

Autonomie sans changement de batterie de 20 minutes

Bonne réactivité du drone

Bonne inertie face au vent du drone

Précision du pilotage intéressante

Fiabilité de l'alimentation accrue grâce aux deux batteries en parallèle

Problèmes rencontrés :

Mauvaise rigidité du chassis face au poids en ordre de vol : génération de vibrations et manque de précision dans la stabilisation de la nacelle

Manque un retour vidéo

Janvier 2013 : Modifications du chassis en carbone :

     Suite aux problèmes de rigidité du chassis rencontré lors du dernier vol, modification et renforcement du chassis initial par des poutres de soutainement au centre du chassis ainsi que par l'adjonction de tendeurs permettant de compenser la force poussée générée par les hélices. Les premiers tests en intérieur sont concluants.

Avantages :

Réduction importante des vibrations

Intégrité du chassis préservée même en cas de fortes variations de cap ou d'altitude

Problèmes rencontrés :

Aucun pour le moment mise à part l'esthétique de l'ensemble.

Janvier 2013 :

Modifications du chassis en carbone et modifications de la nacelle :

Fin Janvier 2013 :

Modifications du chassis en carbone et peinture :

Poursuite des modifications apportées au chassis, réalisation d'une peinture à la bombe.

Avantages :

Réduction importante des vibrations

Intégrité du chassis préservée même en cas de fortes variations de cap ou d'altitude

Intégrité chassis-nacelle forte, plus de torsion

Problèmes rencontrés :

Forte prise au vent

Crah à cause d'un bug du GPS : perturbation de la réception des signaux GPS liée à la cage de Faraday crée par le chassis en carbone

Janvier 2013 :

Bilan de fin de projet

Adjonction d'un module de télémétrie,  et de FPV.

Fiabilisation du chassis carbone.

Finalisation de la peinture.

Projet terminé avec un drone aux normes à date de Janvier 2013.

Caractéristiques finales :

Nombre de rotors : 6 type X

Hélices : 26 cm chacune, en fibre de carbone

Châssis : entièrement en fibre de carbone et vibre de verre

Moteurs brushless : 6x550 Watts

Puissance totale : 2700 Watts

Energie :  deux Lipo 4s 4000 mA soit 15 minutes d'autonomie

Stabilisation : DJI Wookong-M

POV : 4200 grammes

Appareil photo : SONY NEX5n + 16mm f/2.8, déclenchement effectué depuis la radiocommande
Retour Vidéo pour FPV/cadrage + OSD : 5,8 GHz, avec écran de 20cm au sol.

Module de télémétrie : vitesses, accélérations, cap, altitude, coordonnées GPS

Pilotage via le PC

Nacelle : fibre de verre, gyrostabilisée sur 3 axes, télécommandable depuis la radiocommande

Valeur de l'engin volant : 4000 euros ttc

Coût final du projet : 15 000 euros ttc

Création d'un site dédié à la commercialisation des photographies aériennes : 

photographieaerienne@innovao.fr

Projet de photogrammétrie avec Léa Paris :

Modélisation en trois dimension d'un batiment à partir de photographies aériennes réalisées avec le drone.