Test du mini drone quadricoptère

Drone, Électronique, Conception de Produits, Développement de produits, Prototypage, User-Centered Design

When lightweight is not just a cost optimization but the main criteria of the product to function. Can you make a military tank fly? Or how to enter the virtuous cycle of making a light frame permits to put smaller moteur, that permits to put smaller batteries, that permits (…).

C'est aussi un excellent exemple d'utilisation de composants croisés existants sur étagère pour obtenir des coûts de consommation très faibles.

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Lorsqu'il s'agit d'un jouet volant, chaque gramme compte. Et lorsque l'objectif est de le rendre aussi bon marché que possible, les concepteurs doivent utiliser intelligemment les composants disponibles sur le marché.

Design

Déjà, la boîte est pensée allégée : 2 simples élastiques pour maintenir le produit en toute sécurité mais facile à mettre ou à détacher.

Le corps de l'hélicoptère principal

Le circuit imprimé est le cadre — Le PCB est le cadre

Un très bel exemple de conception de produit.

Le cadre principal est réalisé en même temps :

la structure physique de l'hélicoptère sans qu'aucun autre assemblage ne soit nécessaire. La découpe CNC permet d'obtenir une forme avancée en creusant les 4 bras, ce qui réduit encore plus le poids.
le cadre est le PCB lui-même ! ce qui permet de souder tous les composants électroniques directement dessus, évitant ainsi de fixer un PCB séparé ; il permet également de faire passer les deux pôles des 4 moteurs directement sur les 4 bras du châssis sans avoir besoin de câbles supplémentaires (sauf ceux directement sur le moteur -lisez la suggestion à ce sujet ci-dessous-)
une saillie du PCB ; c'est en même temps le connecteur d'alimentation. Pour assurer une connexion correcte en termes de polarité +/-, le adieu joug n'est qu'une résistance CMS montée sur un côté, évitant ainsi les erreurs de l'utilisateur. Cette résistance est montée comme les autres composants électroniques sur la carte.

Résistance en poka yoke — une résistance comme poka-yoke

L'autre idée de génie est le choix d'une moteur standard de taille micro utilisé dans l'industrie du téléphone.

Fabriqués spécialement, ces moteurs coûteraient une fortune, mais comme ils sont utilisés comme actionneurs de vibrateurs dans de très grands volumes, ces moteurs de fortune sont non seulement très fiables, mais aussi très bon marché.

Leds pour l'avant et l'arrière — LEDs pour l'avant et l'arrière

4 LEDs, 2 rouges et 2 bleues, sont placées aux extrémités du bras pour aider le pilote à distinguer l'avant de l'arrière du drone pendant le vol, le drone ayant une forme globalement ronde. Ces LEDs sont simplement acheminées en parallèle au moteur, évitant ainsi un routage supplémentaire dédié au PCB.

La batterie est simplement maintenue en place avec du ruban adhésif double face sur la carte de circuit imprimé, puis entourée par le couvercle du corps principal.

Examen de la conception du mini-drone quadcopter 2

Cadre de protection mince — cadre de protection mince

Cadre de protection des lames

Léger et flexible, le cadre est destiné à protéger les doigts de l'utilisateur des lames, et les lames de tout choc contre l'environnement pendant la phase d'apprentissage du pilote.

Il s'agit de la pièce injectée la plus fine de ce produit ; 6 éjecteurs par cercle sont nécessaires pour sortir la pièce du moule.

Cage du moteur

Cage de moteur en plastique — Cage du moteur en plastique

Une œuvre d'art en termes de conception pour réaliser un moule en 2 parties seulement (il suffit de suivre le plan de joint !).

Les coupures sont autorisées, dans la limite de 15 mm :

la cage autour du moteur + 2 clips sur le dessus, maintenant le moteur après l'insertion.
4 butées de fin de course autour du PCB + 2 clips
un axe inférieur, fournissant au moteur à la fois des passages d'aération et un espace pour les fils.
2 "pieds" sur le fond, faisant office de supports d'atterrissage (vraiment nécessaire ? Hypothèse : ils étaient peut-être destinés à permettre un passage différent pour les fils.)

Couvercle du corps principal

Injection plastique très fine, avec un design de creusement qui atteint 4 objectifs :

une belle conception visuelle, avec des formes techniques
maintien de la batterie et protection des composants contre les doigts de l'utilisateur et contre les chocs potentiels pendant le vol (ou à la fin du vol)
espace pour la ventilation des composants électroniques, y compris la batterie
permettre la conception d'un moule à 1 mouvement

Télécommande

Il est évident que les efforts de conception et d'optimisation sont moindres dans ce cas. Il fait simplement son travail pour un tel niveau de prix.

Purement fonctionnel et non destiné à supporter les chocs.

Sa taille est vraiment le minimum pour être tenu correctement par deux mains adultes.

Le corps est composé de 3 parties de base, y compris le couvercle de la batterie. Les fonctions comprennent les 2 joysticks typiques à contrôler avec les pouces.

Conclusion

Les pouces en l'air ! Une belle démonstration du choix judicieux des composants, des analyses de valeur pour tout réduire au minimum, et de la conception plastique. Sans compter un beau travail d'injection pour des pièces et cadres déformables aussi fins.

Il est probable que le processus de conception ait commencé avec le micromoteur disponible (voir article sur ce point) et le reste est ensuite adapté, c'est-à-dire la taille globale du cadre et le choix de la batterie.

Tout cela permettant, à notre connaissance, le plus petit jouet de drone produit en série, tout en maintenant un produit bon marché vraiment abordable.

Améliorations possibles ?

Compatible dans cette gamme de prix et ce segment du marché des jouets, nous n'en voyons que de très mineures :

façonner légèrement les pattes du cadre du PCB de manière plus régulière et directement sur le corps ; une amélioration encore plus poussée pourrait consister à relier les 4 bras par une trajectoire circulaire, rendant le drone plus rigide, au prix d'une moins bonne optimisation du placement du PCB sur la feuille totale et des pertes de matériaux associées au PCB
une forme d'indexation en plastique dans la cage du moteur, et sa contre forme femelle dans le PCB, pour éviter que la cage du moteur ne tourne.
une amélioration possible de la production : si les moteurs se situent sur le PCB plutôt que dans le plan médian, cela signifie un redesign complet de la cage, et les deux broches du moteur pourraient être connectées directement sur le PCB avec des soudures traversantes, évitant complètement les 8 fils et les soudures manuelles 2x2x4 associées. Rigidité et conception globale typique du quadcoptère à confirmer.

Des innovations possibles ?

Au fur et à mesure que le prix des petits composants diminue, nouvelle génération pourrait inclure des capteurs de hauteur + distance latérale pour permettre un contrôle plus facile de la hauteur et de l'évitement des obstacles pour les pilotes débutants ou les courses rapides ?

Certains laboratoires de recherche ont déjà démontré une incroyable coopération entre les drones volants. Combiné avec la suggestion de capteur ci-dessus, ce drone pourrait devenir une belle plateforme de drone de bricolage et gagner une base de clients massive supplémentaire en étant programmable ? (une puce programmable USB à code source ouvert + un connecteur USB légèrement plus grand).

Glossaire des termes utilisés

Computer Numerically Controlled (CNC): un processus de fabrication qui utilise un logiciel informatique programmé pour contrôler les machines-outils, permettant un fonctionnement précis et automatisé pour des tâches telles que la découpe, le fraisage, le perçage et la gravure de matériaux.

Contract Manufacturer (CM): Une entreprise qui produit des biens pour le compte d'une autre entreprise, généralement selon des spécifications de conception et de qualité spécifiques. Ce dispositif permet à l'entreprise qui recrute de se concentrer sur ses compétences clés, comme le marketing et le développement produit, tout en externalisant les processus de fabrication.

Printed Circuit Board (PCB): Carte plate en matériau isolant qui supporte et connecte les composants électroniques par des circuits conducteurs, généralement gravés dans des feuilles de cuivre. Elle sert de base à l'assemblage des circuits et facilite les connexions électriques entre les composants.

Sujets abordés : Quadcoptère, mini-drone, conception légère, optimisation des coûts, composants disponibles sur le marché, cadre PCB, découpe CNC, moteur de petite taille, poka-yoke, LED, placement de la batterie, coûts de consommation, conception du produit, composants électroniques, routage du moteur, structure du cadre, char militaire, cycle vertueux ISO 9001, ISO 14001, ISO/IEC 27001, ISO 45001, et ISO 50001.

Contexte historique

Système laser à verrouillage de mode dans un laboratoire d'optique moderne.

Verrouillage de mode (lasers)

Le verrouillage de modes est une technique permettant de produire des impulsions laser extrêmement courtes, de l'ordre de la picoseconde (10⁻¹² s) à la femtoseconde (10⁻¹⁵ s). Elle repose sur le fait de contraindre les nombreux modes longitudinaux de la cavité laser à osciller selon une relation de phase fixe. Ceci provoque une interférence constructive entre les modes, créant ainsi une impulsion unique, intense et ultracourte circulant dans la cavité.

Chercheur utilisant un broyeur à billes pour la synthèse de nanomatériaux par approche descendante dans une salle blanche.

Synthèse descendante de nanomatériaux

La synthèse descendante consiste à créer des nanomatériaux en partant d'un matériau massif et volumineux, puis en le décomposant ou en le modelant à l'échelle nanométrique. Les techniques clés incluent des méthodes mécaniques comme le broyage à billes et des méthodes lithographiques comme la photolithographie, la lithographie par faisceau d'électrons et la lithographie par nano-impression. Ces méthodes sont souvent utilisées pour créer des surfaces structurées et des circuits intégrés, mais peuvent présenter des imperfections de surface.

Système de stockage d'énergie par volant d'inertie pour applications en mécanique industrielle.

Stockage d'énergie par volant d'inertie (FES)

Le stockage d'énergie par volant d'inertie (SEE) fonctionne en accélérant un rotor (volant d'inertie) à une vitesse très élevée et en conservant l'énergie dans le système sous forme d'énergie cinétique de rotation. L'énergie stockée est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation. Lorsque l'énergie est extraite, la rotation du volant d'inertie ralentit. La formule de l'énergie stockée est \(E = \frac{1}{2} I \omega^2\), où I est le moment d'inertie et ω la vitesse angulaire.

Électronique moléculaire

L'électronique moléculaire explore l'utilisation de molécules individuelles ou d'ensembles moléculaires nanométriques comme composants électroniques fondamentaux. Cette approche vise à construire des circuits à la limite de la miniaturisation, bien au-delà des technologies traditionnelles à base de silicium. Parmi les composants clés, on trouve les fils, les commutateurs et les redresseurs moléculaires, qui exploitent les propriétés de la mécanique quantique, comme l'effet tunnel des électrons à travers les orbitales moléculaires.

Des ingénieurs analysent les composants microélectroniques pour détecter toute fatigue thermique et électromigration.

Physique de la défaillance (PoF)

La physique de la défaillance (PoF) est une approche d'ingénierie de la fiabilité qui utilise les connaissances en science des matériaux et en physique pour comprendre et modéliser les mécanismes à l'origine des défaillances. Au lieu de se fier uniquement aux données statistiques issues de défaillances passées, elle s'attache à prédire les défaillances en analysant les processus physiques (par exemple, la fatigue, la corrosion, le fluage) qui conduisent à la dégradation et à la rupture.

Analyse en laboratoire de points quantiques démontrant l'effet de taille quantique en physique des semi-conducteurs.

Effet de taille quantique dans les nanomatériaux

L'effet de taille quantique décrit le phénomène où les propriétés électroniques et optiques d'un matériau changent à mesure que sa taille se rapproche de l'échelle nanométrique. Lorsque les dimensions d'un matériau deviennent comparables à la longueur d'onde de Broglie de l'électron, un confinement quantique se produit. Ce phénomène quantifie les niveaux d'énergie des électrons, ce qui conduit à une bande interdite dépendant de la taille, \(E_g(R) \approx E_{g,\b\u\lk} + \frac{\hbar^2\pi^2}{2R^2}(\frac{1}{m_e^*} + \frac{1}{m_h^*})\).

Hygromètre de haute précision en laboratoire pour la mesure des facteurs d'augmentation de la pression de vapeur.

Facteur d'amélioration de la pression de vapeur

La pression de vapeur d'eau à l'équilibre sur une surface liquide dans l'air humide (p^*_{H_2O,a}) est légèrement supérieure à la pression de vapeur d'eau à l'équilibre sur une surface d'eau pure (p^*_{H_2O}). Cette différence est quantifiée par le facteur d'amplification de la vapeur d'eau, f_w, qui dépend de la température et de la pression de l'air humide. La relation est la suivante : p^*_{H_2O,a} = f_w(T, p_{ms}) \cdot p^*_{H_2O}).

1965

1970

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Analyse en laboratoire de phosphores de vanadate d'yttrium dopés à l'europium pour applications de télévision couleur.

Europium Phosphors for Color Television

The discovery that europium-doped yttrium vanadate (\(YVO_4:Eu^{3+}\)) could act as a brilliant red phosphor was a critical breakthrough for color television. Before this, red phosphors were weak, resulting in dull colors. The intense, narrow-band red emission from the \(Eu^{3+}\) ion allowed for bright, vibrant color displays, dramatically improving the quality of color TV and setting the standard for display technology.

Studio de design automobile avec un designer utilisant un logiciel de CAO pour créer des courbes de Bézier pour les carrosseries.

Bézier Curves

Développé par l'ingénieur français Pierre Bézier pour Renault dans les années 1960, UNISURF fut l'un des premiers véritables systèmes de CAO/FAO 3D. Son innovation principale résidait dans l'utilisation de ce que l'on appelle aujourd'hui les courbes et surfaces de Bézier. Il s'agit de courbes paramétriques définies par un ensemble de points de contrôle, permettant la création intuitive et mathématique de formes libres complexes pour les carrosseries automobiles.

Récepteur GPS affichant les signaux satellites et les mesures de distance en physique des ondes radio.

Principe de trilatération GPS

Le GPS détermine la position d'un récepteur grâce à la trilatération. En mesurant la distance à au moins trois satellites, le récepteur peut se localiser précisément à la surface de la Terre. La distance est calculée en multipliant le temps de trajet du signal par la vitesse de la lumière. Un quatrième satellite est nécessaire pour synchroniser l'horloge du récepteur et résoudre les quatre inconnues : latitude, longitude, altitude et heure.

Système de stockage d'énergie magnétique supraconducteur en laboratoire pour des applications en physique du solide.

Stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES)

Les systèmes de stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES) stockent l'énergie dans le champ magnétique créé par le flux de courant continu dans une bobine supraconductrice. L'énergie peut être stockée indéfiniment tant que la bobine est maintenue à des températures supraconductrices, car il n'y a pratiquement aucune perte d'énergie due à la résistance électrique. L'énergie stockée est donnée par \(E = \frac{1}{2} LI^2\).

Technicien de laboratoire mesurant l'indice de blancheur des textiles à l'aide d'un spectrophotomètre en colorimétrie.

Indice de blancheur de Ganz-Griesser

L'indice de blancheur de Ganz-Griesser est une formule linéaire largement utilisée, notamment dans l'industrie textile. Il est dérivé des valeurs tristimulus CIE et est défini comme \(W_{GG} = Y - Px - Qy + C\), où P, Q et C sont des constantes spécifiques à l'illuminant et à l'observateur. Pour les conditions D65/10°, la formule est \(W_{GG} = Y - 1868,322x - 3695,690y + 1809,441\).

Processus de démontage des batteries lithium-ion en laboratoire d'électrochimie.

Mécanisme d'intercalation lithium-ion

Les batteries lithium-ion fonctionnent par intercalation, c'est-à-dire par insertion réversible d'ions dans un matériau hôte stratifié. Lors de la décharge, les ions lithium (Li^+) se désintercalent d'une électrode négative (anode), généralement en graphite, et traversent un électrolyte non aqueux pour s'intercaler dans une électrode positive (cathode), généralement en oxyde métallique. Les électrons circulent dans le circuit externe, créant ainsi un courant.

Interface du système de gestion de la batterie affichant les mesures de profondeur de décharge pour les véhicules électriques.

Profondeur de décharge (DoD)

La profondeur de décharge (DoD) indique le pourcentage de la capacité d'une batterie déchargée. C'est l'inverse de l'état de charge (SoC), où 100 % de DoD signifie que la batterie est vide. La durée de vie d'une batterie dépend fortement de sa DoD moyenne ; des cycles de DoD plus faibles (par exemple, une décharge à seulement 80 % de sa capacité) augmentent considérablement la durée de vie d'une batterie.

Des ingénieurs assemblent des systèmes microélectromécaniques dans un environnement de salle blanche.

Lois de mise à l'échelle des MEMS

Les lois d'échelle des MEMS décrivent comment les forces et propriétés physiques évoluent lorsque les dimensions des dispositifs se réduisent à l'échelle micrométrique. Contrairement au monde macroscopique dominé par la gravité et l'inertie, les microdomaines sont régis par des forces de surface telles que la tension superficielle, la viscosité et les forces électrostatiques. Par exemple, la force due à la gravité est proportionnelle au volume (L³), tandis que la force électrostatique est proportionnelle à la surface (L²), devenant relativement plus intense aux plus petites dimensions.

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)