Étude expérimentale de l'aérodynamique des drones en milieux perturbés

Résumé de la thèse

Les drones multirotors sont de plus en plus utilisés pour des applications d’inspection, de surveillance et d’opérations autonomes. Cependant, leur comportement aérodynamique reste encore mal compris lorsque les conditions d’utilisation s’éloignent du vol libre, notamment à proximité d’obstacles, en environnement confiné ou en présence d’écoulements perturbés. Ces interactions modifient le sillage généré par les rotors, les distributions de pression et les efforts aérodynamiques, affectant directement la stabilité et les performances du véhicule. Cette thèse étudie expérimentalement l’influence de l’environnement sur l’aérodynamique des systèmes multirotors en combinant mesures d’efforts, capteurs de pression distribués et diagnostics avancés des écoulements. Une plateforme expérimentale dédiée basée sur un quadrirotor compact a été développée afin de caractériser les modifications du flux et des charges aérodynamiques. La première partie de la thèse porte sur les interactions entre rotors et obstacles, incluant les effets de sol, de paroi et de plafond. Les mesures montrent une modification importante de la poussée et des empreintes de pression lors de l’approche des frontières, liée à une réorganisation du sillage. Des mesures par sonde Cobra et vélocimétrie par images de particules (PIV) permettent de relier l’évolution des structures tourbillonnaires aux variations de pression et d’efforts, conduisant à une nouvelle interprétation de l’effet de sol basée sur la déformation du sillage. La seconde partie s’intéresse aux écoulements perturbés et au phénomène d’anneau tourbillonnaire (vortex ring state, VRS) apparaissant lors de la descente verticale. Un dispositif expérimental de génération d’écoulements contrôlés a été développé afin d’étudier ce régime critique. Les résultats montrent que les mesures de pression distribuées permettent de détecter les signatures précoces du VRS et d’identifier les modifications de l’état aérodynamique du véhicule. Des campagnes réalisées en collaboration avec l’ONERA confirment ces observations et mettent en évidence l’influence bénéfique du déplacement horizontal sur la réduction du VRS. Enfin, cette thèse explore l’utilisation de la pression comme moyen de perception aérodynamique embarquée. Les signatures mesurées autour du véhicule permettent d’estimer les caractéristiques de l’écoulement incident grâce à des approches d’apprentissage automatique, ouvrant la voie à de nouvelles stratégies de contrôle et d’autonomie pour les drones évoluant dans des environnements complexes. Ces travaux établissent une méthodologie expérimentale reliant dynamique du sillage, distributions de pression et performances aérodynamiques. Ils démontrent le potentiel des capteurs de pression distribués pour améliorer la compréhension et la robustesse des systèmes multirotors soumis à des conditions de vol perturbées.

Experimental Investigation of Drone Aerodynamics in Disturbed Environments

Multirotor unmanned aerial vehicles (UAVs) are increasingly used for inspection, monitoring, and autonomous operations. Despite major advances in control and autonomy, their aerodynamic behavior remains poorly understood in non-ideal conditions, such as obstacle proximity, confined environments, and disturbed inflows. In these situations, the interaction between rotor-generated flows and surrounding constraints strongly modifies wake dynamics, pressure distributions, and aerodynamic loads, directly affecting vehicle stability and control capabilities. This thesis investigates the influence of environmental constraints on multirotor aerodynamics through a combination of force measurements, distributed pressure sensing, and advanced flow diagnostics. A dedicated experimental platform was developed around a compact quadrotor, enabling high-fidelity characterization of aerodynamic loads and local flow modifications. Two complementary sensing architectures were implemented: a laboratory setup for detailed aerodynamic investigations and an embedded version dedicated to real-time aerodynamic state estimation. The first part of the thesis focuses on rotor–obstacle interactions, including ground, wall, and ceiling effects. Systematic experiments reveal significant modifications of thrust generation and pressure footprints as boundaries are approached, resulting from a reorganization of the induced flow. Wake measurements using Cobra probe anemometry and stereoscopic particle image velocimetry provide insight into the evolution of vortical structures under increasing confinement. These observations lead to a reduced-order description linking pressure variations to wake topology and curvature. This approach provides a new interpretation of ground effect based on wake deformation induced by geometric constraints, complementing classical induced-velocity models. The second part investigates multirotor aerodynamics under perturbed inflow conditions. A dedicated wind-array facility was developed to generate controlled vertical, spatially varying, and unsteady flows. The vortex ring state (VRS), a critical aerodynamic regime occurring during descent, is characterized through combined force, pressure, and time-resolved flow measurements. The results show that distributed pressure sensing provides early signatures of VRS onset through changes in pressure gradients, offering a physically interpretable indicator of aerodynamic instability. Experiments performed in collaboration with ONERA confirm these observations in more realistic wind-tunnel conditions and demonstrate the influence of forward motion in mitigating vortex recirculation and reducing VRS severity. Beyond instability detection, this work explores pressure-based aerodynamic state estimation. Pressure measurements distributed around the vehicle are used to reconstruct incoming flow characteristics over a wide range of orientations and velocities. Machine learning approaches demonstrate the ability of pressure signatures to encode sufficient information for estimating flow direction and magnitude, highlighting the potential of compact onboard sensing strategies for autonomous aerial systems. Ongoing studies extend this framework to highly confined environments, where geometric constraints further modify wake development and rotor–environment interactions. Overall, this thesis establishes an experimental methodology and a physics-based understanding of multirotor aerodynamics in complex environments. By combining aerodynamic measurements, flow visualization, reduced-order modeling, and onboard sensing approaches, it demonstrates the potential of pressure-based measurements as both a diagnostic tool and a pathway toward improved robustness of aerial robots operating in challenging environments.