Un gimbal rejette les mouvements basse fréquence. Il ne peut pas rejeter les vibrations haute fréquence, parce que sa propre boucle d'asservissement n'est pas assez rapide et que l'énergie arrive par la structure et non comme un changement d'assiette mesurable. Tout ce qui dépasse environ 40 Hz relève du système de fixation, et un bon gimbal sur une mauvaise fixation donne de mauvaises images.
Points clés
- L'énergie vibratoire arrive par bandes de fréquence distinctes, et chaque bande est prise en charge par une partie différente du système — isolateurs, servos du gimbal, ou rien du tout.
- Le mouvement basse fréquence de la cellule est l'affaire du gimbal ; l'énergie rotor haute fréquence doit être tuée mécaniquement avant d'atteindre le capteur.
- Les isolateurs se choisissent à partir de la masse de la charge utile et de la fréquence propre visée, pas au feeling — une fixation sous-chargée amplifie la bande même qu'elle devait absorber.
- Mettez en service chaque montage de la même façon, car des aéronefs identiques avec des masses de charge utile différentes ne partagent pas la même solution d'amortissement.
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D'où vient l'énergie
Sur un multirotor, trois sources dominent. La fréquence de passage de pale est le régime rotor multiplié par le nombre de pales — une hélice bipale à 6 000 tr/min produit 200 Hz. Les fréquences électriques et de roulements du moteur se situent plus haut. La résonance structurale de la cellule se situe plus bas, typiquement 15–60 Hz, et c'est la plus dangereuse car elle peut coïncider avec la bande passante d'asservissement du gimbal.
Sur voilure fixe et VTOL, le tableau change : harmoniques du moteur ou de l'hélice propulsive, plus un buffeting aérodynamique dans la bande 5–30 Hz qui se comporte davantage comme de la turbulence que comme de la vibration. La stratégie d'isolation qui marche sur un quadricoptère est souvent fausse sur un VTOL.
Les bandes de fréquence et qui les traite
| Bande | Source typique | Traitée par | Symptôme si non traitée |
|---|---|---|---|
| 0–5 Hz | Manœuvre de l'aéronef, rafale | Boucle d'asservissement du gimbal | Dérive d'horizon, errance lente |
| 5–20 Hz | Flexion de cellule, buffeting | Boucle du gimbal + isolateur | Oscillation d'image basse fréquence |
| 20–60 Hz | Résonance structurale | Conception de l'isolateur (bande critique) | Mouvement amplifié, effet jello |
| 60–200 Hz | Passage de pale, moteur | Isolateur + rigidité de la charge utile | Jello, oblique due à l'obturateur déroulant |
| 200–800 Hz | Électrique moteur, roulements | Amortissement matériau, masse | Légère mollesse d'image |
| > 800 Hz | Acoustique, extrémité de pale | Généralement bénin | Rarement visible |
Choisir des isolateurs sans deviner
Un isolateur de vibrations est un système masse-ressort doté de sa propre fréquence propre. En dessous de cette fréquence il transmet tout ; à son voisinage il amplifie; au-delà d'environ 1,4 fois celle-ci, il atténue. La règle de conception est donc simple à énoncer et facile à rater : placez la fréquence propre de l'isolateur bien en dessous de la perturbation la plus basse à rejeter, et bien au-dessus de tout ce qui vous est indifférent.
Pour un multirotor typique dont le passage de pale se situe à 150–250 Hz, une fréquence propre d'isolateur autour de 15–25 Hz convient. Y parvenir demande d'accorder la raideur de l'isolateur à la masse suspendue réelle — les mêmes silentblocs parfaits avec une charge utile de 400 g seront très sous-chargés avec 120 g et surchargés avec 1,5 kg.
C'est l'erreur d'intégration la plus fréquente que nous voyons : bons isolateurs, mauvaise masse de charge utile, et la résonance qui en résulte tombe pile sur la fréquence de passage de pale et l'amplifie.
Symptômes et causes
- Le jello (distorsion verticale ondulante). Un capteur à obturateur déroulant échantillonne les lignes pendant que la charge utile vibre. C'est presque toujours un problème d'isolation, pas de gimbal.
- Un horizon incliné qui n'apparaît qu'en vol. Rectification vibratoire biaisant l'accéléromètre. Le filtre de fusion croit que la gravité a bougé.
- Images nettes en stationnaire, molles en vol d'avancement. Buffeting aérodynamique dans une bande que l'isolateur ne couvre pas.
- Pire à un régime moteur précis. Une résonance excitée à ce régime. Changez d'hélice, de masse ou de raideur d'isolateur — pas de gimbal.
- Isolateurs desserrés ou vieillis. L'élastomère durcit avec l'âge et le froid. Une installation correcte il y a deux hivers peut ne plus l'être.
Comment cela se manifeste dans nos charges utiles
Nos gimbals stabilisés tels que AX-20D utilisent une structure mécanique trois axes non orthogonale qui garde la masse suspendue compacte et les modes structuraux élevés, ce qui élargit l'écart utile entre la résonance de l'isolateur et les fréquences perturbatrices. Les micro-nacelles intégrées telles que MV-4P apportent leur propre interface de fixation amortie, si bien que l'intégrateur accorde une masse connue au lieu de deviner.
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Une procédure de mise en service reproductible
Les problèmes de vibration se diagnostiquent en une vingtaine de minutes si on les aborde méthodiquement, et peuvent dévorer des semaines si on change une chose à la fois à l'intuition. La procédure ci-dessous est celle que nous recommandons aux intégrateurs mettant en service une nouvelle combinaison cellule/charge utile.
Le principe est d'identifier la fréquence avant de changer le matériel. Presque toutes les corrections de vibration ratées que nous voyons sont un remède correct appliqué à la mauvaise bande — de nouveaux isolateurs montés alors que le vrai problème était une hélice tordue, ou un équilibrage d'hélice fait alors que le vrai problème était une fixation sous-chargée en résonance.
Consignez les résultats. Une configuration mise en service et écrite peut être reproduite sur une flotte et auditée après un changement ; une qui vit dans la mémoire d'un ingénieur, non.
- Banc d'abord : faites tourner l'aéronef bridé à plusieurs régimes et enregistrez la vidéo en pleine résolution. Un jello apparaissant à un régime précis identifie immédiatement la bande de fréquence.
- Vérifiez les fondamentaux mécaniques avant tout : équilibrage des hélices, état des roulements moteur, bras desserrés, contrainte de câble sur la charge utile.
- Confirmez que l'isolateur est correctement chargé — mesurez l'affaissement statique et comparez au point de conception du fabricant pour cette masse de charge utile.
- Changez une variable à la fois et refaites le même test aux mêmes régimes.
- Testez en vol d'avancement comme en stationnaire ; le buffeting occupe une bande différente de la vibration hélice.
- Documentez la configuration finale : référence d'isolateur, masse de charge utile, type d'hélice et plage de régimes testée.
FAQ
Mes images présentent une distorsion ondulante. Le gimbal est-il défectueux ?
Généralement non. La distorsion verticale ondulante — le jello — vient d'un capteur à obturateur déroulant qui échantillonne les lignes pendant que la charge utile vibre à haute fréquence. Les gimbals ne peuvent pas rejeter cette bande. Vérifiez l'état des isolateurs, leur raideur au regard de la masse réelle, l'équilibrage des hélices et tout contact rigide entre charge utile et cellule.
Puis-je utiliser les isolateurs livrés avec une autre charge utile ?
Seulement si la masse suspendue est comparable. La fréquence propre d'un isolateur dépend conjointement de la raideur et de la masse ; réutiliser des supports dimensionnés pour une charge plus lourde place la résonance au mauvais endroit et peut amplifier la vibration au lieu de l'atténuer.
Pourquoi l'image est-elle bonne en stationnaire et molle en vol d'avancement ?
Le vol d'avancement ajoute un buffeting aérodynamique à des fréquences plus basses que la vibration hélice, souvent dans une bande que l'isolateur n'atténue pas. Il change aussi la charge du rotor et donc la fréquence de passage de pale. Testez à vitesse de croisière, pas seulement en stationnaire.