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Drone (UAV)

Drone (UAV)

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Un drone, en termes technologiques, est un avion sans pilote. Les drones sont plus formellement connus sous le nom de véhicules aériens sans pilote (UAV) ou de systèmes d’aviation sans pilote (UAS). Essentiellement, un drone est un robot volant qui peut être commandé à distance ou voler de manière autonome grâce à des plans de vol contrôlés par logiciel dans leur systèmes embarqué , en travaillant en conjonction avec des capteurs embarqués et le GPS.

Dans un passé récent, les drones ont été le plus souvent associés à l’armée, où ils ont d’abord été utilisés pour la pratique des cibles anti-aériennes, la collecte de renseignements et ensuite, plus controversé, comme plateformes d’armes. Aujourd’hui, les drones sont également utilisés dans un large éventail de rôles civils allant de la recherche et du sauvetage, de la surveillance, du suivi du trafic, de la surveillance météorologique et de la lutte contre les incendies, à la photographie personnelle  ainsi qu’à la vidéographie, à l’agriculture et même aux services de livraison.

 

L’histoire des drones

Nombreux sont ceux qui font remonter l’histoire des drones à l’Italie de 1849, lorsque Venise luttait pour son indépendance vis-à-vis de l’Autriche. Les soldats autrichiens ont attaqué Venise avec des ballons à air chaud, remplis d’hydrogène ou d’hélium et équipés de bombes.

Les premiers avions radio-commandés sans pilote ont été utilisés pendant la Première Guerre mondiale. En 1918, l’armée américaine a mis au point le Kettering Bug expérimental, un avion « bombe volante » sans pilote, qui n’a jamais été utilisé au combat.

Le premier drone d’usage général est apparu en 1935, lors du rééquipement en taille réelle du biplan de Havilland DH82B « Queen Bee », qui était équipé d’une radio et de commandes servo-opérées sur le siège arrière. L’avion pouvait être piloté de manière conventionnelle depuis le siège avant, mais en général il volait sans pilote et était tiré par des artilleurs en formation. Le terme de drone date de cette première utilisation, une pièce de théâtre sur la nomenclature « Queen Bee ».

La technologie des drones a continué à intéresser les militaires, mais elle était souvent trop peu fiable et trop coûteuse à mettre en œuvre. Après les inquiétudes suscitées par l’abattage d’avions espions, les militaires sont revenus sur le thème des drones. L’utilisation militaire des drones s’est rapidement étendue pour jouer des rôles de largage de tracts et d’espionnage.

Des soldats de la Bundeswehr, les forces armées allemandes, récupèrent un drone de reconnaissance KZO après une mission réussie lors des exercices militaires multinationaux de l’OTAN Thunder Storm 2018, le 7 juin 2018 près de Pabrade, en Lituanie.

L’utilisation de drones militaires s’est solidifiée en 1982 lorsque l’armée de l’air israélienne a utilisé des drones pour anéantir la flotte syrienne avec un minimum de pertes pour les forces israéliennes. Les drones israéliens servaient de leurres, brouillaient les communications et offraient une reconnaissance vidéo en temps réel.

Les drones ont continué à être un pilier de l’armée, jouant des rôles essentiels dans le renseignement, la surveillance et la protection des forces, le repérage de l’artillerie, le suivi et l’acquisition de cibles, l’évaluation des dommages de combat et la reconnaissance, ainsi que pour l’armement.

 

L’histoire des drones modernes

Un rapport du Wall Street Journal affirme que l’utilisation généralisée des drones a commencé en 2006, lorsque l’Agence américaine des douanes et de la protection des frontières a introduit des drones pour surveiller la frontière entre les États-Unis et le Mexique.

Fin 2012, Chris Anderson, rédacteur en chef du magazine Wired, s’est retiré pour se consacrer à sa société de drones, 3D Robotics, Inc. (3DR). Cette société, qui s’est d’abord spécialisée dans les drones personnels de loisir, commercialise aujourd’hui ses drones auprès de sociétés de photographie aérienne et de cinéma, de sociétés de construction, de services publics et de télécommunications, et de sociétés de sécurité publique, entre autres.

Fin 2013, le PDG d’Amazon, Jeff Bezos, a annoncé un plan visant à utiliser des drones commerciaux pour les activités de livraison. Cependant, en juillet 2016, la startup Flirtey, basée à Reno, a battu Amazon à plate couture en livrant avec succès un colis à un résident du Nevada via un drone commercial. Depuis, d’autres entreprises ont suivi le mouvement. Par exemple, en septembre 2016, l’Institut polytechnique et l’Université d’État de Virginie ont commencé un test avec Project Wing, une unité du propriétaire de Google Alphabet, Inc. pour effectuer des livraisons, en commençant par des burritos produits dans un restaurant Chipotle local. Puis, en décembre 2016, Amazon a livré son premier colis Prime Air à Cambridge, en Angleterre. En mars 2017, elle a fait la démonstration d’une livraison de drones Prime Air en Californie.

L’enseignement des drones se développe également ; l’Embry-Riddle Aeronautical University, qui a longtemps été un lieu de formation pour l’industrie aéronautique, propose désormais une licence en applications de systèmes non habités, une maîtrise en systèmes non habités et une mineure en systèmes aériens non habités.

 

Comment fonctionnent les drones

Bien que les drones servent à des fins diverses, comme les loisirs, la photographie, le commerce et l’armée, leurs deux fonctions de base sont le vol et la navigation.

Pour voler, les drones sont constitués d’une source d’énergie, telle que batterie ou carburant, de rotors, d’hélices et d’un châssis. Le cadre d’un drone est généralement fait de matériaux composites légers, afin de réduire le poids et d’augmenter la maniabilité en vol.

Les drones nécessitent un contrôleur, qui est utilisé à distance par un opérateur pour le lancer, le piloter et le faire atterrir. Les contrôleurs communiquent avec le drone par ondes radio, y compris par Wi-Fi.

 

Technologie, caractéristiques et composants

Les drones contiennent un grand nombre de composants technologiques, notamment :

  • Contrôleurs électroniques de vitesse (ESC), un circuit électronique qui contrôle la vitesse et la direction d’un moteur.
  • Contrôleur de vol
  • Module GPS
  • Batterie
  • Antenne
  • Récepteur
  • Caméras
  • Capteurs, y compris les capteurs à ultrasons et les capteurs de prévention des collisions
  • L’accéléromètre, qui mesure la vitesse
  • L’altimètre, qui mesure l’altitude

Toute discussion sur les caractéristiques des drones est étroitement liée au type et au cas d’utilisation du drone, y compris les utilisations récréatives, photographiques, commerciales et militaires. Voici quelques exemples de caractéristiques :

  • Type d’appareil photo, résolution vidéo, mégapixels et format de stockage
  • Durée maximale de vol, par exemple la durée pendant laquelle le drone peut rester en l’air
  • Vitesses maximales, y compris en montée et en descente
  • Précision du survol
  • Portée sensorielle des obstacles
  • Maintien de l’altitude, qui maintient le drone à une altitude fixe
  • Flux vidéo en direct
  • Carnets de vol

 

Les systèmes de navigation, tels que le GPS, sont généralement logés dans le nez d’un drone. Le GPS d’un drone communique sa position précise au contrôleur. S’il est présent, un altimètre embarqué peut communiquer des informations sur l’altitude. L’altimètre permet également de maintenir le drone à une altitude spécifique, si le contrôleur le commande.

Les drones peuvent être équipés d’un certain nombre de capteurs, notamment des capteurs de distance (ultrasons, laser, lidar), des capteurs de temps de vol, des capteurs chimiques et des capteurs de stabilisation et d’orientation, entre autres. Les capteurs visuels offrent des données fixes ou vidéo, les capteurs RGB collectant les longueurs d’onde visuelles standard du rouge, du vert et du bleu, et les capteurs multispectraux collectant les longueurs d’onde visibles et non visibles, telles que l’infrarouge et l’ultraviolet. Les accéléromètres, les gyroscopes, les magnétomètres, les baromètres et les GPS sont également des caractéristiques courantes des drones.

Par exemple, les capteurs thermiques peuvent être intégrés dans des applications de surveillance ou de sécurité, comme la surveillance du bétail ou la détection de la signature thermique. Les capteurs hyperspectraux peuvent aider à identifier les minéraux et la végétation, et sont idéaux pour une utilisation dans le domaine de la santé des cultures, de la qualité de l’eau et de la composition des surfaces.

Certains drones utilisent des capteurs de détection d’obstacles et d’évitement de collisions. Au départ, ces capteurs étaient conçus pour détecter les objets se trouvant devant le véhicule. Aujourd’hui, certains drones permettent de détecter les obstacles dans les six directions : avant, arrière, dessous, dessus et côté à côté.

Pour atterrir, les drones utilisent des systèmes de positionnement visuel avec des caméras orientées vers le bas et des capteurs à ultrasons. Les capteurs à ultrasons déterminent la proximité du drone par rapport au sol.

 

Types de drones

Les plates-formes de drones sont de deux types principaux : à rotor, y compris à un ou plusieurs rotors (tels que les tricoptères, les quadriptères, les hexacoptères et les octocoptères), ou à voilure fixe, qui comprennent les drones hybrides VTOL (décollage et atterrissage vertical) qui ne nécessitent pas de piste.

Les drones peuvent être classés en deux catégories : personnels/hobbystes ou commerciaux/entreprises.

De nombreux drones personnels sont désormais disponibles pour le grand public, offrant des capacités de vidéo HD ou d’appareil photo, ou pour simplement se déplacer en avion. Ces drones pèsent souvent de moins d’un kilo à dix livres.

Des drones plus forts et plus performants sont également disponibles pour une utilisation dans des environnements commerciaux. Par exemple, Insitu, une société de Boeing, propose le ScanEagle, qui a une envergure de 3 mètres et pèse 16 kg. La société construit également l’Integrator, un avion de 35 Kg et de 5 mètres d’envergure. Les drones insitu ne décollent pas des pistes, comme le ferait un avion ; ils sont plutôt des VTOL au décollage et sont récupérés sur les lanceurs SkyHook de la société. Les capteurs disponibles comprennent des imageurs électro-optiques, des imageurs infrarouges à ondes moyennes, des marqueurs infrarouges et des télémètres laser.

 

En 2018, Boeing a annoncé qu’il avait réalisé le prototype d’un véhicule aérien de fret (VTOL) électrique sans équipage capable de transporter une charge utile de 230 Kg.

Les drones attachés sont une autre option, mais avec la limitation évidente qu’ils sont physiquement attachés à une station de base. Certains drones attachés peuvent résoudre le problème d’alimentation électrique auquel de nombreux drones sont confrontés si le câble fournit une alimentation électrique directe. La station d’attache Safe-T pour les drones d’Elistair, par exemple, offre une puissance de 2,5 kW et peut voler à plus de 61 mètres de hauteur, avec des taux de transfert de données allant jusqu’à 200 Mb/s.

Parmi les fabricants de drones commerciaux, on compte :

  • Robotique 3D
  • DJI
  • Elistair
  • Hubsan
  • Technologies identifiées
  • Insitu
  • Mesure
  • Perroquet
  • PrecisionHawk
  • Yunees

Applications de drones commerciaux et d’entreprise

L’utilisation de drones en dehors de l’armée s’est considérablement développée au cours de la dernière décennie. Au-delà des applications de surveillance et de livraison, les drones sont utilisés pour le journalisme, la recherche et le sauvetage, les interventions en cas de catastrophe, la protection des biens, la surveillance de la faune, la lutte contre les incendies, les relais de communication, les soins de santé et l’agriculture.

L’intégration des drones et de la technologie de l’internet des objets (IoT) a créé de nombreux cas d’utilisation en entreprise. Les drones travaillant avec des réseaux de capteurs IoT au sol peuvent aider les entreprises agricoles à surveiller les terres et les cultures, les compagnies d’énergie à surveiller les lignes électriques et les équipements opérationnels, et les compagnies d’assurance à surveiller les propriétés pour les réclamations et la police.

Une expérience menée en 2015 à Austin, au Texas, a montré comment les drones peuvent potentiellement « relier les points » grâce à l’IoT. Une entreprise de technologie de sécurité s’est associée à une start-up de drones pour traquer les balises Zigbee afin d’essayer de donner un aperçu des réseaux IoT présents dans les zones résidentielles et commerciales de la ville. Les entreprises ont déclaré que les résultats étaient rapides et instructifs.

De la logistique à l’agriculture en passant par la sécurité, les drones et l’IoT font souvent partie du même débat, offrant une composante de connectivité et d’interactivité omniprésentes.

Parmi les autres exemples d’applications et de fonctions des drones, on peut citer

  • Les drones peuvent aider les agriculteurs en mesurant et en enregistrant la hauteur des cultures. Ils utilisent une technologie de télédétection appelée Lidar qui illumine les cultures avec un laser et calcule la distance en mesurant ce qui est réfléchi.
  • Les drones équipés de capteurs biologiques peuvent se rendre dans des zones dangereuses pour prendre des mesures de la qualité de l’air et vérifier la présence de micro-organismes ou d’éléments atmosphériques spécifiques.
  • Pendant les incendies, les drones peuvent surveiller l’étendue des zones touchées et déterminer à quelle vitesse les feux se propagent. Les images prises peuvent fournir des détails sur les dégâts dans des zones spécifiques.
  • Les drones sont utilisés par les réseaux sportifs de télévision pour capturer des images d’événements sportifs, telles que des images enregistrées et des survols en direct, qui seraient autrement difficiles à acquérir. L’utilisation de drones doit être conforme aux réglementations de la FAA, des ligues sportives, du site et des forces de l’ordre locales.

 

Réglementation relative à la réception des drones et aux drones

L’adoption rapide des drones au cours de la dernière décennie a suscité un certain nombre de plaintes et de préoccupations en matière de vie privée, de sécurité et de sûreté. Du point de vue de la vie privée, les voyeurs et les paparazzi ont utilisé des drones pour obtenir des images d’individus chez eux ou dans d’autres lieux autrefois considérés comme privés. Des drones ont également été déployés dans des zones jugées potentiellement dangereuses, telles que les zones urbaines et près des aéroports.

La croissance des drones commerciaux et personnels a également créé des problèmes de sécurité, à savoir les collisions en vol et la perte de contrôle des drones. Les préoccupations spécifiques concernant les drones volant trop près des avions commerciaux ont suscité des appels à la réglementation.

Si de nombreux pays ont établi une réglementation sur les drones, d’autres ne l’ont pas fait. L’utilisation des drones étant de plus en plus populaire, les lois changent constamment. Avant d’utiliser un drone à des fins commerciales ou personnelles, il est essentiel de vérifier les lois du pays dans lequel il est exploité.

En Chine, par exemple, tout drone volant à plus de 120 m de hauteur nécessite une licence de l’Administration de l’aviation civile de Chine (CAAC). Les drones pesant plus de 7 kg nécessitent également une licence, et les zones d’interdiction de vol doivent être respectées.

Au Royaume-Uni, l’autorité de l’aviation civile (CAA) interdit aux drones de voler au-dessus de 150m. En outre, tout drone pesant plus d’une demi-livre doit être enregistré auprès de la CAA. L’organisation a également publié son « Dronecode : »

  • Ne prenez pas l’avion près des aéroports ou des terrains d’aviation
  • N’oubliez pas de vous tenir à une distance de moins de 120 m et d’au moins 50 m des bâtiments et des personnes
  • Observez votre drone à tout moment
  • Ne jamais voler à proximité d’un avion
  • Profiter de manière responsable

Jusqu’en 2006, l’utilisation de drones commerciaux était illégale en vertu de la réglementation de la Federal Aviation Administration (FAA) des États-Unis, selon laquelle les vols non commerciaux en dessous de 120  n’étaient autorisés que si les opérateurs suivaient la circulaire consultative 91-57, Model Aircraft Operating Standards, publiée en 1981.

En 2005, la FAA a publié ses premières directives sur les drones et a ensuite délivré son premier permis de drone commercial en 2006. Une politique d’exploitation des drones a ensuite été publiée en 2007. Plus tard, la loi de modernisation et de réforme de la FAA de 2012 a été publiée, qui comprenait la section 333, en vertu de laquelle le secrétaire américain aux transports pouvait approuver l’utilisation de drones commerciaux au cas par cas.

En 2014, seules deux entreprises aux États-Unis étaient autorisées à exploiter des drones commerciaux. En 2015, une politique provisoire de la FAA régissant l’utilisation de petits drones pour certaines utilisations commerciales de moins de 60 m a été publiée, et la FAA a annoncé qu’elle avait approuvé plus de 1 000 demandes de drones commerciaux et qu’elle continuait d’approuver à un rythme d’environ 50 demandes par semaine. L’année suivante, la FAA a encore assoupli ses restrictions et, en vertu de la partie 107 de son règlement sur les petits aéronefs sans pilote, elle a délivré 3 100 permis de drones rien qu’en 2016.

La partie 107 impose des limites au fonctionnement des drones autonomes ou semi-autonomes. Entre autres choses, la FAA donne des mandats spécifiques :

  • Les aéronefs sans pilote doivent rester dans la ligne de vision du pilote commandant à distance et de la personne qui manipule les commandes de vol du petit UAS, ou, alternativement, dans la zone VLOS de l’observateur visuel ;
  • Les drones doivent à tout moment rester suffisamment proches du pilote commandant à distance et de la personne qui manipule les commandes de vol pour que ces personnes puissent voir l’avion sans être aidées par un dispositif autre que des lentilles de correction ;
  • Les drones ne peuvent pas opérer au-dessus de toute personne ne participant pas directement à l’opération, sous une structure couverte ou à l’intérieur d’un véhicule stationnaire couvert ;
  • Opérations de jour uniquement, ou crépuscule civil (30 minutes avant le lever officiel du soleil à 30 minutes après le coucher officiel du soleil, heure locale) avec un éclairage anti-collision approprié ;
  • Doit céder le passage à d’autres avions.

Le 5 octobre 2018 a été signé le FAA Reauthorization Act of 2018, qui établit de nouvelles conditions pour l’utilisation récréative des drones. Les règles de la FAA diffèrent selon qu’il s’agit d’une utilisation personnelle ou commerciale des drones. Par exemple, un certificat de pilote à distance délivré par la FAA est nécessaire pour piloter des drones à des fins commerciales et les drones commerciaux doivent être enregistrés et voler à une vitesse inférieure ou égale à 160 km/h.

Les lois sur l’utilisation des drones varient également d’un État à l’autre. Par exemple, les lois de l’Alaska limitent l’utilisation des drones pour le maintien de l’ordre, notamment en ce qui concerne la manière dont ils peuvent enregistrer des images et des vidéos capturées par les drones et la possibilité de le faire. En Arizona, les villes et les communes possédant plusieurs parcs publics doivent autoriser l’utilisation de drones dans au moins l’un d’entre eux. Une loi du Minnesota exige des opérateurs de drones commerciaux qu’ils paient une licence d’exploitation commerciale et qu’ils souscrivent une assurance pour les drones.

 

Perspectives d’avenir

Les prévisions concernant le marché des drones sont à la fois agressives et optimistes.

Un rapport de Business Insider BI Intelligence de 2016 prévoyait que les revenus des drones atteindraient 12 milliards de dollars en 2021, la croissance de l’utilisation des drones d’entreprise devant dépasser celle du secteur des drones grand public tant en termes de livraisons que de revenus d’ici 2021, pour atteindre 29 millions de livraisons dans le monde.

Goldman Sachs prévoit un marché de 100 milliards de dollars pour les drones entre 2016 et 2020, dont la majeure partie est constituée par l’armée avec 70 milliards de dollars de dépenses. Les drones grand public représenteront une part de 17 milliards de dollars de ce marché, l’utilisation commerciale et gouvernementale civile représentant 13 milliards de dollars. En outre, le secteur de la construction devrait dépenser 11,164 millions de dollars pour des applications telles que l’arpentage, l’inspection et la surveillance des bâtiments, et l’agriculture 5,922 millions de dollars pour des applications telles que la surveillance de la santé, l’analyse des sols et l’estimation des rendements. Parmi les autres industries de premier plan, on trouve les assurances, le pétrole et le gaz offshore, le raffinage, la police américaine, les pompiers, les garde-côtes, la protection des clients et des frontières, le journalisme, l’immobilier et les services publics.

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