Decoodt Clément Houzé-Jorant Grégoire - odpf.org · Nous nous sommes aperçus que les drones...

Projet réalisé par :

Decoodt Clément

Houzé-Jorant Grégoire

Encadré par : Valant Karl Maximilien

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TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION ................................................................................................................................................ 4

PRESENTATION GLOBALE ................................................................................................................................ 4

FONCTIONNEMENT ET SYSTEMES..................................................................................................................... 5

TELECOMMANDE ......................................................................................................................................... 5

DÉTERMINER LA POSITION DES AXES ...................................................................................................... 5

SÉRIALISATION DES SIGNAUX REÇUS ..................................................................................................... 6

ÉMISSION ................................................................................................................................................ 7

CODE INTERNE DE REGULATION EN BOUCLE ............................................................................................... 8

ACQUISITION DES DONNEES | CENTRALE INERTIELLE ............................................................................. 8

TRAITEMENT DU SIGNAL......................................................................................................................... 9

CONTROLE DES DONNEES ...................................................................................................................... 10

ELECTRONIC SPEED CONTROLER .............................................................................................................. 11

LES HELICES .............................................................................................................................................. 12

HELICES ............................................................................................................................................... 12

ACTION … REACTION ! ........................................................................................................................ 12

TRANSPORT D’UNE MASSE DE A EN B ....................................................................................................... 13

TESTS ET PROTOTYPAGE ................................................................................................................................ 15

PREMIER PROTOTYPE ................................................................................................................................ 16

DEUXIEME PROTOTYPE ............................................................................................................................. 17

TROISIEME PROTOTYPE ............................................................................................................................. 17

CONCEPTION ........................................................................................................................................ 17

TESTS DU TROISIEME PROTOTYPE ......................................................................................................... 18

QUATRIEME PROTOTYPE ........................................................................................................................... 18

CONCEPTION ........................................................................................................................................ 18

STATION DE CONTROLE AU SOL ............................................................................................................. 19

CONCLUSION ................................................................................................................................................. 21

BIBLIOGRAPHIE........................................................................................................................................ 22

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Résumé

Notre projet consiste en la création d’un drone, un aéronef sans pilote, qui a pour but de localiser la/les victime(s),

qui est étape cruciale dans tout sauvetage, puis de leur apporter des soins. Tout au long de l’année, nous avons donc

effectué divers prototypes qui mettaient fin à chaque fois aux problèmes rencontrés sur les prototypes précédents.

Cela nous a ainsi permis d’améliorer constamment notre drone dans l’optique de son application. Pour commencer

notre projet, nous avons tout d’abord pensé à l’utilisation d’un drone pour des applications de sauvetage grâce à des

défibrillateurs. Nous avons ensuite fait le choix des divers composants nécessaires à son fonctionnement et

répondants aux objectifs de l’application comme par exemple avec la caméra. Ces composants devaient également

être compatible entre eux et rentrer dans notre budget. Nous nous sommes ensuite attardés à leurs fonctionnements

puis nous avons effectué la réalisation du premier prototype. Viens ensuite une longue période où nous avons fait

les différents réglages comme le réglage des hélices dont certains compliqués ont été réalisés selon une succession

de tests. Différents crashs et problèmes comme la stabilité pour notre application sont alors apparues et nous avons

procédé à d’autres prototypes présentant de nombreuses évolutions notamment au niveau de la stabilité, de la

protection mais également dans la précision et le confort du contrôle du drone avec la fabrication d’un flightcase.

Dans un souci d’une meilleure précision des réglages, nous avons effectué une recherche plus approfondie des

notions physique que le drone soulève.

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Préambule

Le point de départ a été la lecture d’un article sur internet concernant les défibrillateurs

(http://www.undefipourlavie.com/defibrillateur-automatise-externe-samaritan-pad/) où il est écrit :

« En France, on dénombre chaque année 60 000 décès dus à un arrêt cardiaque, soit 164 décès par jour. 88 %

de ces décès ont lieu dans des lieux publics : travail, transports publics, centres commerciaux, centres sportifs,

gares, voies publiques…. Chaque minute perdue fait diminuer de 10% les chances de rétablissement sans

séquelles. Idéalement la défibrillation doit être réalisée dans les 5 premières minutes suivant l’accident, afin

d’augmenter les chances de survie. Selon l’Inserm, une intervention rapide grâce au défibrillateur et au massage

cardiaque permettrait de sauver près de 12 000 vies chaque année. »

Nous nous sommes alors posé la question : comment pouvoir gagner ces précieuses minutes ?

En nous renseignant, nous avons vu qu’il existait de nombreux défibrillateurs publics, répertoriés et localisés

(http://defibrillateurs-en-france.com/). Mais le citoyen quelconque ne sait souvent pas où ils sont. Imaginons équiper

les défibrillateurs sur des drones pilotables à distance et gérés par les centres de secours. Le poids des nouveaux

défibrillateurs devrait le permettre. Dès qu’un appel aux urgences est lancé, sans problèmes de feux, de sens uniques,

d'embouteillages, toujours prêt, le drone est un moyen rapide, surtout en ville, d’accéder aux victimes! Il s'agirait de

gagner de précieuses minutes, le drone précédant l’arrivée physique des secours et permettant aux personne non

secouristes présentes sur les lieux de réaliser les premiers gestes vitaux. Le drone étant muni d'une caméra, d'un

microphone, d'un haut-parleur et d’un écran LCD, il y a d’autres possibilités : en attendant les premiers secours, on

peut envisager de filmer ce qui se passe, un secouriste en observant les images (via le web ou autre liaison), peut se

rendre compte de la situation et donner des ordres plus précis que s'il n'y avait qu'une communication téléphonique:

dans quelle position mettre la victime ou au contraire ne pas la déplacer, voir son état comateux ou pas, comment

réaliser un massage cardiaque...

Nous nous sommes aperçus que les drones existants étaient très chers et ne permettaient pas le transport d’objets ou

alors, n’avaient pas de possibilité d’évolution pour s’adapter à notre problématique (pilotage à distance,

éventuellement en immersion, communication etc...). Il faudrait donc tout réaliser soi-même.

Ce projet nous est très vite apparu très ambitieux pour un TPE. Cependant, nous nous sommes lancé le défi

d’apporter une contribution à la résolution de ce problème

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INTRODUCTION

Dans le cadre de nos TPE, nous avions décidé d’entreprendre la réalisation d’un drone, un aéronef sans

pilote, pour mettre à l’épreuve nos compétences en matière d’électronique et d’aérodynamique, de développement et

de gestion de projet. Ce projet dans le cadre du TPE ayant très bien fonctionné, nous avons décidé de nous consacrer

à son amélioration dans un contexte touchant le milieu plus physique.

Après une présentation globale de notre projet ou nous expliquerons le choix d’un quadricoptère et justifierons le

titre d’un drone « au service de tous », nous nous intéresserons à la compréhension des différents composants

nécessaires à la réalisation d’un quadricoptère et de certains phénomènes physiques sous-jacents ainsi qu’a l’histoire

évolutive du drone à travers les différents prototypes que nous avons réalisés.

PRESENTATION GLOBALE

Pourquoi un quadricoptère comme drone ?

Passionnés d’électronique et de programmation nous avons décidé

de mêler les deux domaines en s’intéressant au domaine de la

robotique. En effet, celui-ci mène parfaitement ces deux sujets et

nous nous sommes donc mis d’accord pour mettre au point une

sorte de robot automatique. Puis un ami nous a montré cette vidéo:

http://www.youtube.com/watch?v=TI760jcFV2s

Elle montre des quadricoptères en train de construire une tour de 6

mètres de haut. Nous nous sommes donc demandé comment cela

était possible et nous sommes alors intéressés à la conception d’un

drone et plus particulièrement d’un quadricoptère. Nous avons

alors imaginé diverses applications comme la localisation de

victimes, la surveillance, la cartographie, etc. Remarquant les

immenses possibilités des quadricoptères, nous avons choisi d’étendre la problématique de notre drone sur sa

polyvalence et donc sur des diverses applications visant des usages civils, puis nous nous sommes intéressés à leur

application de SAR (Recherche et Sauvetage en Anglais).

Le principal avantage d’un quadricoptère dans notre cas est assez simple : Il est plus stable qu’un hélicoptère

classique pour le même prix et le même encombrement. Il peut également porter des charges plus lourdes. Plus le

multicoptère a de moteurs, plus il sera stable. Par exemple, un octocoptère est plus stable qu’un tricoptère ou un

hélicoptère (deux hélices). Autre chose entre cependant en compte : le budget. Il est donc nécessaire de trouver un

juste milieu entre budget et stabilité ; d’où le choix de quatre moteurs

Le budget dont nous disposions nous permettait simplement de réaliser un drone pouvant fonctionner et donc voler

sans équipements permettant une certaine application (comme le transport d’un défibrillateur). Nous avons donc

décidé de diriger notre drone vers une application touchant la surveillance civile ou la localisation de victimes car

ceci pour pouvait se faire avec une simple caméra.

Nous avons orienté notre projet vers un développement open-source, c’est-à-dire un développement qui pourra être

réutilisé librement. Ainsi, des personnes pourront réutiliser notre démarche comme nous nous pouvons réutiliser par

exemple le code interne du logiciel de traitement des images en relation avec la caméra d’une personne l’ayant placé

sous une licence libre de droit. Toujours dans un contexte de disponibilité pour tous, l’ensemble de notre projet sera

http://www.youtube.com/watch?v=TI760jcFV2s

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disponible sur internet (site http://ardufo.funpic.org), et l’ensemble des explications quant à son fonctionnement sera

destiné à une population très large. Dans une optique de polyvalence, nous avons décidé que notre quadricoptère

puisse être facilement modifiable dans son système interne de contrôle et de gestion. Nous avons donc décidé de

faire l’acquisition d’une carte de vol (carte électronique qui effectue tous les calculs de répartitions entre moteurs et

qui permet l’analyse des différentes positions vectorielles du drone) qui soit récente et surtout open-source : la carte

VRBrain. Cette carte peut facilement être modifiable par nous-même mais aussi par des centaines de personnes. De

plus cette carte inclut pour un même prix un autopilote, une télémétrie plus avancée que d’autres cartes comme les

cartes KK avec l’affichage d’un horizon virtuel qui peut être fusionné à une l’affichage de la caméra, un processeur

ARM Cortex M4 très puissant et peu consommateur d’énergie, … Nous avons alors choisi comme nom de projet

celui qui soutient le groupe de développement de la Carte ArduPilot Mega (la carte VRBrain est un fork – projet

dérivé – de cette carte) : le projet ArdUFO. Ainsi, notre projet s’en trouve constamment améliorable et peut alors à

tout moment basculer vers une application différente de celle que nous proposons.

Nous avons donc montré que le choix d’un quadricoptère était approprié pour le transport de défibrillateurs mais

que les champs d’application sont beaucoup plus nombreux. Dès son origine, ArdUFO qui s’oriente vers une mission

altruiste de sauvetage, a pour vocation d’être « au service de tous ». L’esprit du projet open-source renforce cette

notion en le rendant réalisable par tous et en étant le plus polyvalent possible.

FONCTIONNEMENT ET SYSTEMES

La première étape lors de la réalisation d’un produit est de comprendre comment il fonctionne, d’un point

de vue tant de la compréhension des phénomènes physiques que du développement du code interne.

TELECOMMANDE

La télécommande que nous avions lors des tests ne nous satisfaisant pas de par son manque de précision, nous avons

choisi d’en réaliser une par nos propres moyens. Un problème c’est alors posé : comment reproduire le

fonctionnement d’une télécommande ?

DÉTERMINER LA POSITION DES AXES

Le potentiomètre est indispensable dans tout joystick. Il permet en effet d’interpréter chaque position axiale du

joystick en une tension qui sera appliqué à un signal numérique pouvant être « lu » par la carte de contrôle de notre

drone.

Mais comment fonctionne-t-il ?

Un potentiomètre est constitué de trois bornes dont une est considéré comme un curseur qui va changer de position

sur une piste résistante dont les extrémités sont les deux autres bornes. Chaque position axiale donnée par le joystick

va correspondre à une position du curseur sur la piste. La position du curseur est ensuite interprétée en fonction de

la tension mesurée entre lui-même et une borne.

Figure 1 Représentation schématique d'un potentiomètre

http://ardufo.funpic.org/

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Quatre directions sont à mesurer : la manette des gaz, le tangage, le roulis et le lacet.

Figure 2 Différentes commandes pour différents axes

SÉRIALISATION DES SIGNAUX REÇUS

A présent, nous voilà avec quatre tensions variant entre 0 et 5V.

Et après ? 4 tensions ne peuvent pas être envoyées directement ! Comment donc faire pour tout

regrouper en un seul et unique signal à émettre ? Faire la somme des tensions ? Non, impossible de

déterminer la position, il nous manquerait des informations …

En vérité, nous n’allons pas sommer directement les tensions, nous allons les sérialiser. Pour cela, nous allons mettre

des valeurs numériques « bout à bout » ! En fait le concept est simple, il s’appelle signal PPM (Pulse-Position

Modulation). L’avantage est de réduire toutes les connections qu’il peut y avoir en … un seul fil ! Le signal se

décompose en une trame d’impulsions dont en voici un exemple que nous allons étudier.

Figure 3 Représentation d'un signal PPM

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Le signal que vous pouvez voir figure 3 correspond à la représentation d’un signal ppm. Une trame de données est

envoyée toutes les 22.5ms. Elle est normalement composée de 7 impulsions, car le signal peut envoyer jusqu’à 8

valeurs, mais peut être réduite si besoin est. La durée entre chaque impulsion correspond (à facteur multiplicatif

près) à la valeur de la tension qui nous est donnée par les potentiomètres. Elle peut ainsi être lue facilement et

rafraichie toutes les 22.5ms, ce qui est très suffisant pour ce genre de commandes.

Le signal est ensuite éventuellement retraité par l’unité d’émission pour y inclure d’autres informations comme l’état

de la liaison, un chiffrage de la liaison, etc. Mais ce signal est totalement transparent en dehors de la liaison.

ÉMISSION

Lorsque le signal est généré, il ne reste plus qu’une étape dans la radiocommande : l’émettre.

C’est étrange, le courant ne passe pas dans l’air non ? Comment alors envoyer un signal

électrique ?

En réalité le courant passe dans l’air, seulement, il n’est pas visible, il est sous la forme d’ondes électromagnétiques.

Ce phénomène a été découvert par Faraday :

Quand le flux du champ magnétique à travers un circuit fermé change, il apparait un courant électrique

Loi de Faraday

La réciproque est également due à la découverte de Faraday. La fréquence du signal sérialisé est de l’ordre de 50Hz

environ. Sachant que la longueur de l’antenne est (à facteur multiplicatif près) proportionnelle à la longueur d’onde

de l’onde émise, l’antenne devrait être de plusieurs kilomètres de longueur ! Nous allons donc utiliser pour cela une

onde porteuse de haute fréquence.

Une onde porteuse ? C’est une onde qui va porter le signal ?

Exactement ! Nous allons faire de la Modulation par Déplacement de Fréquence (FSK : Frequency Shift Keying).

Le principe est simple : utiliser une onde d’une certaine fréquence, et moduler (c’est-à-dire modifier) la fréquence

dans certaines parties : la fréquence sera plus importante lorsque l’impulsion ppm est donnée, et moins élevée lorsque

l’état du signal sera à 0.

Mais… La fréquence dépend aussi de la vitesse relative entre l’émetteur et le récepteur !

Oui, c’est l’effet Doppler. Mais ici, c’est la différence entre les deux fréquences qui permet de détecter un

changement d’état, donc peu importe la vitesse des émetteurs/récepteurs, le signal est toujours modulé de la même

manière, et va donc toujours donner un signal modulé, à fréquence de la porteuse près, identique. De plus, la

fréquence de la porteuse dépassant les 433MHz (pour les plus faibles), il faudrait aller à plus de 300km.h-1 pour

éventuellement perdre une partie du signal !

ANTENNE RADIO

Lors de l’émission, il est nécessaire de convertir le courant en une onde électromagnétique. C’est le travail de

l’antenne radioélectrique. Elle va permettre de rayonner (ou de capter) des ondes électromagnétiques. Elle est

constituée d’une longueur bien définie de conducteur, petite devant la longueur d’onde spatiale, dans laquelle nous

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y faisons circuler le signal amplifié que nous avons généré avant. La relation liant la fréquence f du signal à émettre

(soit la porteuse) à la longueur effective d’une antenne (type omnidirectionnel : un fil conducteur) est la suivante :

𝑙 =𝜆

4 car le rendement est optimal lorsque l’émission est en quart d’onde ("l" correspond à la longueur effective de

l’antenne, 𝜆 =𝑐

𝑓 la longueur d’onde). Cette équation n’est valable que lorsque l’émission est réalisée sur une antenne

constituée d’un fil dénudé de longueur l.

Il existe de nombreux types d’antennes caractérisées comme telles : fréquence d’utilisation, impédance de l’antenne,

directivité, polarisation, rendement, dimensions, formes, etc.

Généralement, à un émetteur/récepteur n’est associé que très peu

d’antennes, la grande différence va souvent se jouer sur la directivité

et donc la forme du diagramme d’émission des antennes.

Voici un exemple de diagramme de rayonnement d’une antenne de

type cardioïde. En général les antennes utilisées sont de type

omnidirectionnel, ce qui permet d’émettre dans presque toutes les

directions. Les diagrammes sont réalisés en chambre anéchoïde (les

parois empêchent tout écho des ondes électromagnétiques en les absorbant).

CODE INTERNE DE REGULATION EN BOUCLE

Le signal d’ordre est à présent en possession de la carte de vol. Il faut alors récupérer les informations de son attitude

de vol et traiter les données pour en déduire ce qu’il faut envoyer à chaque moteur.

ACQUISITION DES DONNEES | CENTRALE INERTIELLE

ACCELEROMETRES

On en parle partout… Smartphones, tablettes, et même dans les disques durs ! Mais finalement …

Qu’est-ce que c’est ? Pourquoi en utilise-t-on partout et pourquoi en avoir mis un ici ?

Un accéléromètre, comme son nom l’indique, est un outil qui sert à mesurer une accélération. En réalité,

l’accéléromètre mesure une force. Or d’après la seconde loi de Newton, �⃗� = 𝑚. �⃗� donc une force mesurée

correspond à une accélération. A présent, réalisons une petite expérience : prenons un accéléromètre et posons-le

sur notre bonne vieille Terre. Que pensez-vous que l’accéléromètre mesurera ?

Qu’est-ce qu’il pourrait y avoir comme accélération ici ? Rien ! L’accéléromètre ne détecterait

aucune accélération !

Imaginons qu’aucune accélération n’existe sur Terre. Que se passerait-il ? Nous serions comme dans une salle sans

pesanteur : le système qui nous permet de rester dans une certaine position est constitué d’accéléromètres. S’il ne

détecte rien, alors nous aurons l’impression de tomber constamment. Il existe donc une accélération qui nous

attirerait vers le plancher de la salle, nous donnant une impression de pesanteur ! L’accélération détectée par un

accéléromètre est donc de 9.81 m.s-2 dirigée vers le haut !

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Nous savons donc à présent comment mesurer les accélérations du drone grâce à trois accéléromètres (un par

dimension), mais il nous manque une information …

GYROSCOPES

Le gyroscope utilisé dans le drone est un gyroscope de type

piézoélectrique. Le principe de fonctionnement global est

d’utiliser le phénomène gyroscopique pour déterminer

l’inclinaison du gyroscope par rapport à l’azimut. Le mode de

fonctionnement piézoélectrique utilise une masse sur des

ressorts pour faire bouger un châssis avec des pics situés entre

deux autres pics. Cela créé un condensateur dont la capacité

varie. La plaque est mise en rotation pour détecter l’inclinaison

par rapport à un référentiel (calibré à l’azimut).

MAGNETOMETRE ET GPS

Le magnétomètre est un instrument qui, comme son nom l’indique sert à mesurer l’intensité et l’orientation du champ

magnétique dans lequel il se trouve.

Mais à quoi peut-il bien servir dans un drone ? La connaissance du nord est-il vraiment si

importante ? Après tout, le GPS ne suffirait-il pas ? Personnellement mon GPS fonctionne très bien

sans magnétomètre !

Le GPS nous donnera la position du drone (ses coordonnées) mais en aucun cas il ne nous indiquera son orientation.

Il a besoin d’effectuer des calculs et il est nécessaire de réaliser des mouvements pour qu’il puisse le détecter. Par

exemple : prenez un GPS et marchez en arrière. Le GPS ne saura en aucun cas si votre direction est (par rapport au

GPS) à l’endroit ou à l’envers. L’utilisation d’un magnétomètre permet en réalité de connaitre immédiatement

l’orientation du drone !

TRAITEMENT DU SIGNAL

A présent, nous avons tous les capteurs nécessaires pour le bon vol du drone. Comment, à partir de

son attitude et de l’ordre que nous lui avons donné, le drone va-t-il donner un ordre à chaque

moteur ?

Nous allons utiliser le système de régulation PID (Proportionnelle, Intégrale, Dérivée). C’est un système de

régulation sans fin qui permet de corriger par le biais des moteurs la différence entre un ordre donné (par exemple

par la radiocommande) et la réalité (estimée grâce à l’IMU). Le système analyse la différence et la corrige par le

moyen de trois méthodes (PID) :

- P correspond au coefficient de réactivité des moteurs (si P est faible, le moteur est « mou », s’il est trop

élevé, il sera trop réactif et oscillera).

Figure 4 Schéma du circuit d'un gyroscope de type piézoélectrique.

Ce circuit est mis en rotation autours d'un axe

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- I est un réglage plus fin, il utilise l’intégrale de la courbe d’erreur, et agit pour réduire sa surface, il prend

donc en compte le « passé » de la courbe. La courbe doit tendre vers la réalité, donc la surface doit être minimale

(tendre vers 0)

- D est un réglage encore plus fin (pas utilisé dans notre système) qui intervient sur la dérivée de la courbe

d’erreur. Il réduit ainsi le coefficient directeur de la tangente pour qu’elle tende vers 0. Elle anticipe donc le futur.

Le graphique que vous pouvez voir Fig. 3 nous montre ce qu’il se passe lorsque les réglages sont modifiés

(x représente le temps et y l’ordre en u.a.). À chaque moteur va être assigné une partie des données et un système

PID qui va lui permettre de donner l’ordre.

Figure 5 Représentation des variations PID, l’axe des X représente le temps en secondes et l’axe des Y représente l’action en unités

arbitraires

CONTROLE DES DONNEES

En imaginant que le vol soit immersif ou automatique, comment alors vérifier que l’ordre est bien

réalisé ? Il nous faudrait un retour de contrôle …

Effectivement, nous allons utiliser un module dit de télémétrie (« mesures à distance »). Le module de télémétrie

ajouté au mois de janvier 2012 nous permet de posséder une liaison permanente entre le drone et l’ordinateur. Ceci

nous a permis d’étendre les possibilités car la station au sol peut gérer de nombreuses commandes, comme le

décollage automatique, le vol en autonomie, le RTL (Return To Launch) et bien d’autres fonctions qu’il nous sera

alors rapidement possible d’ajouter. Nous avons utilisé diverses stations de sol : HK’s Ground Control Station,

QGroundControl, ArduPilotMissionPlanner, etc. Après divers essais, nous avons remarqué que chaque station est

utile dans une certaine condition, QGroundControl est plus polyvalent, ArduPilotMissionPlanner est plus efficace

dans son horizon virtuel et pour le vol en autonomie tandis que HK est plus utile pour le contrôle des capteurs.

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Puisqu’il est possible de

communiquer avec de nombreuses

stations de sol, le langage utilisé ne

serait-il pas universel ?

Le langage qui est utilisé pour communiquer se

nomme MAVLink (Micro Air Vehicle Link). Créé à

l’origine par Lorenz Meier à l’ETH de Zurich, il était

destiné au projet PIXHAWK (un projet de

stabilisation du drone et de création de cartes 3D

basé uniquement par la vision). Il est à présent utilisé

par de nombreux systèmes pour communiquer car il

possède l’avantage d’être très léger, libre

d’utilisation et supporte des réseaux maillés.

ELECTRONIC SPEED CONTROLER

Après la génération de la commande d’ordre à envoyer au moteur, il est nécessaire de l’envoyer via un signal appelé

PWM (Pulse Width Modulation). Ce signal est un signal à impulsions d’une durée déterminée. Cette impulsion,

envoyée à durée fixe va être plus ou moins longue en fonction de la vitesse à laquelle le moteur doit tourner.

L’ESC, en recevant ce signal (d’une fréquence de 50 à 400Hz, tout dépend de la qualité de l’ESC), va ensuite devoir

générer un signal de puissance vers le moteur qu’il contrôle.

Mais quel est le type de signal que l’ESC envoie à ces moteurs ? Ne peut-on pas simplement envoyer

un courant et faire varier la puissance ?

Pour comprendre cela, utilisons un oscilloscope. Branchons sur

celui-ci quatre entrées (il est possible d’en utiliser deux, à la

condition qu’ils soient bien synchronisés). La première correspond

au signal PWM envoyé à l’ESC. Les trois autres correspondent à

chaque signal envoyé à chaque ligne d’un moteur. La masse est

commune et correspond à la masse de l’alimentation de l’ESC. Le

signal obtenu correspond à trois signaux trapézoïdaux toujours de

même intensité. La vitesse va être régulée par la fréquence des

signaux. Augmenter la fréquence fait tourner le moteur plus

rapidement, tandis que diminuer la fréquence le fait tourner plus

lentement. Afin de faire tourner le moteur, il est tout d’abord

nécessaire « d’attirer » l’aimant du rotor puis de le « repousser »

lorsqu’il est à la bonne position, tout en l’attirant de nouveau sur le

suivant. Ainsi les signaux sont-il complémentaires. Un signal sera

utilisé comme masse tandis que les deux autres fourniront le courant

à deux bobines.

Figure 6 Schématisation d'un exemple de contrôle multiple de systèmes

automatiques contrôlés par MAVLink en liaison maillée

Figure 7 Visualisation des signaux émis au moteur

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LES HELICES

HELICES

Une hélice comporte essentiellement un moyeu et des pales ; celles-ci sont identiques et font entre elles des angles

égaux. Certaines hélices plus perfectionnées peuvent faire varier l’angle, elles sont orientables dans toutes les

directions. Le moyeu correspond à la partie généralement cylindrique qui se fixe à l’arbre porte-hélice. Le pas d’une

hélice correspond à la distance réalisée dans un fluide non-compressible lors d’un tour complet de l’hélice. Elle est

déterminée par la formule 𝐻 = 2 𝜋 𝑟 𝑡𝑔 𝜃 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 avec r la distance de la section de l’hélice et θ la rotation

de la pale. Ainsi nos hélices de 12x7" possèdent-elles un angle de rotation tan 𝜃 = 𝐻

2 𝜋 𝑟=

7

2𝜋 6= 0.18568

donc 𝜃 ≈ 10.5°. Après vérification, ce résultat est vrai.

D’après la théorie de Froude, nous avons un écoulement

théorique comme sur le schéma présenté ici.

Le calcul du rendement s’effectue de la manière suivante :

𝜔 =2

1+𝑉0𝑉2

Malheureusement, le rendement réel ne dépasse en

général pas 85% du rendement théorique, ceci étant dû :

- Au frottement des pales contre l’air

- A l’écoulement radial du fluide contre les pales

- A de nombreuses autres causes négligeables qui,

sommées, ne donnent pas un résultat négligeable.

Cependant, cette donnée datant de 1980, de nombreuses

améliorations ont permis une différence de rendement

théorique/pratique de seulement 96 à 97% pour les

meilleures hélices ! Nos hélices n’étant pas parmi celles-

ci, le rendement pratique tendrait vers 0.85 𝜔

ACTION … REACTION !

Un phénomène très important dans le monde du multi rotor est le couple. Regardez le fonctionnement d’un

hélicoptère : il est constitué d’une grande hélice … et d’une plus petite. Cette petite hélice est appelée rotor de queue

ou rotor d’anti-couple ! Sans celui-ci, l’hélicoptère tournerait sur lui-même et ne pourrait même pas décoller sans

s’écraser … Pourquoi me diriez-vous ? Pour cela, faisons une expérience très simple : asseyez-vous sur une chaise

roulante. Tendez bras et jambes et tournez brusquement vos bras vers la gauche. Vos jambes ne restent pas fixes :

elles tournent dans le sens contraire de la rotation de vos bras, ici vers la droite. C’est la loi d’action-réaction,

également appelée troisième loi de Newton.

« TOUT CORPS A EXERÇANT UNE FORCE SUR UN CORPS B SUBIT UNE FORCE D'INTENSITE EGALE, DE MEME DIRECTION MAIS

DE SENS OPPOSE, EXERCEE PAR LE CORPS B. »

TROISIEME LOI DE NEWTON.

Figure 8 Schéma explicatif de la théorie de Froude quant à la théorie

unidimensionnelle des hélices

13

Tout ceci se passe exactement de la même manière pour un quadricoptère. Chaque moteur va tourner dans un sens,

si tous tournaient dans le même sens le quadricoptère tournerait dans le sens opposé. Il est donc nécessaire de mettre

des hélices d’anti-couple, c’est-à-dire qu’elles vont tourner dans le sens inverse des aiguilles d’une montre tandis

que les autres tournent dans le sens des aiguilles d’une montre. Ces hélices sont montées face à face et sont deux à

deux inversées.

Pour mieux comprendre ce phénomène, réalisons une expérience : lançons un objet assez lourd d’une barque en

exerçant une force de valeur F sur l’objet, la barque reculera car l’objet aura réagi à cette force pour exercer une

force de même intensité F sur vous. Il se réalise exactement le même phénomène sur le drone.

TRANSPORT D’UNE MASSE DE A EN B

Notre application visant le transport de défibrillateurs implique que notre drone devra transporter une certaine

masse.

Mais quelles forces agissent sur le drone sans le poids

ajouté ?

Le système étudié est donc le drone et nous l’étudierons dans un référentiel terrestre supposé galiléen.

Les forces extérieures exercées sur le drone sont alors :

- Son poids �⃗⃗� découlant de la gravité

- Les frottements 𝑓 exercés par l’air

- La réaction de l’air �⃗� permettant au système au repos d’être pseudo-isolé

Les frottements de l’air sont calculés ainsi :

𝑓 =𝐶𝑥𝜌𝑆𝑣2

2

Avec :

- Cx le coefficient de résistance aérodynamique (coefficient de trainée)

- 𝜌 la masse volumique de l’air

- 𝑆 le maitre-couple

- 𝑣 la vitesse air-système

Le drone ne dépassant pas une vitesse d’environ 30km.h-1 et le coefficient Cx de résistance aérodynamique étant

inférieur à 1, nous pouvons en déduire que les frottements de l’air au système complet sont petit.

Ceci pose un nouveau problème. Au niveau d’un moteur,

l’air est très rapide, quelle forme doit alors avoir la section

des bras ? Le moteur doit-il être au-dessus ou en dessous du

bras ?

Plusieurs sections de bras sont disponibles : circulaire, carrée ou fuselée.

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Le coefficient de trainée (Cx) des sections citées ci-dessus est respectivement de 0.47 ; 1.05 et 0.04. Notre premier

prototype possédait des bras à section carrée, soit Cx=1.05, le troisième une section circulaire Cx=0.47 et le

quatrième une section fuselée soit Cx=0.04

La différence entre une section circulaire et une section fuselée est de 1.01 tandis qu’entre une section carrée et une

section circulaire, la différence est de 0.58.

La différence de frottements de l’air entre le premier (et le second) prototype et le troisième prototype est de 58%

tandis qu’entre le premier et le dernier (quatrième) la différence est de 101% ! Il est donc très intéressant de modifier

la section des bras ! De plus d’après la théorie de Froude, la vitesse au-dessus des bras est inférieure à la vitesse en

dessous des bras, il est donc plus intéressant de mettre les bras au-dessus qu’en dessous des moteurs.

Que se passe-t-il lorsque nous y ajoutons une masse ?

Tout d’abord, nous avons fait un test de vol sans le nouveau poids, où l’on a testé la durée maximale à laquelle le

drone pouvait voler. Elle s’élevait en théorie à 24.49 minutes. En pratique, le résultat était inférieur à une vingtaine

de minutes, à cause de conditions de température et de pression différentes, et d’arrêts réguliers lors du test

comprenant plusieurs phases de décollage/atterrissage. Pendant ce même test nous avons branché du début à la fin

une pince ampérométrique sur notre drone. L’intensité qui devait s’élever en moyenne à 9.58 A d’après eCalc c’est

révélé être entre 9 et 10A, soit une moyenne de 9.5A. Les résultats se sont donc révélés être très précis. Sachant que

la batterie fonctionne avec un voltage de 11,60 V avec les composants dont nous disposons, la relation P=UxI nous

permet de déterminer la puissance moyenne utilisée. Ainsi notre puissance moyenne s’élevait à environ 110 W pour

un poids total du drone de 1100 g. La théorie annonçait 113W. De plus, avec son poids « standard », nous avons

remarqué que le drone décollait au premier quart de la manette des gaz.

Nous avons ensuite répété cette expérience avec une masse de 1500 g (n’ayant pas de défibrillateur, nous avons

utilisé une masse quelconque) pour un poids total du drone de 2600 g et un temps de vol estimé vers 7 minutes.

Ainsi nous trouvâmes une intensité moyenne de 30.72 A et donc une puissance de 30,72x11,60 soit environ 356 W.

Pour le décollage, il a fallu pousser la manette des gaz à plus de la moitié. Cependant la manette se situait en dessous

de la valeur critique de 80%, permettant tout de même une assez bonne maniabilité.

Ainsi, pour déterminer la puissance qu’il faudra en plus, nous avons simplement fait la différence entre la puissance

fournie avec le défibrillateur et la puissance fournie sans celui-ci. Nous trouvâmes ainsi une puissance de 356-110

soit 246 W en plus. De même, pour ce qui est du temps de vol, le drone aurait perdu une autonomie maximale

d’environ 15 minutes et pour ce qui est du pourcentage de la manette des gaz au décollage, il faudra compter 40%

en plus.

Le temps de vol en est donc très réduit…Serait-il possible

de réduire la masse de l’ensemble drone-défibrillateur ?

N’ayant pas à notre disposition un vrai défibrillateur (car coûtant excessivement cher !) nous avons tenté d’estimer

la masse des piles qui sont à l’intérieur et du boitier qui protège l’ensemble. Les batteries NiCd de 650 mAh 12V

utilisées dans la plupart des défibrillateurs ont un poids variant aux alentours de 500g. Le boitier plastique serait

certainement d’un poids entre 200 et 700g. Il serait donc possible de réduire le poids jusqu’à environ 1.5Kg. Des

tests de portée de cette masse nous permettent d’en déduire que la manette des gaz est d’environ 30-35% pour un

temps de vol de près de 15 minutes à une puissance fournie de 14.00*11.60=162.4W.

La seconde solution serait d’utiliser des défibrillateurs de poche d’une masse totale d’environ 500g (batterie et

électrodes incluses). Cependant leur prix est presque le double de ceux d’un défibrillateur classique.

15

Le poids peut être réparti en dessous et au-dessus du drone. Le centre de gravité est actuellement plus bas que les

hélices. Il doit être en théorie dans le même plan que les hélices, ceci permettant de réduire au minimum la force

de poussée �⃗� nécessaire pour un déplacement et pour stopper l’inertie du drone.

Le défibrillateur pourrait donc être éventuellement divisé en deux parties : la première partie serait la commande et

les électrodes. Ayant une nécessité d’être à la disposition, elles devraient être placées au-dessus du drone. La partie

de puissance (transformateurs par exemple) et la batterie (à la condition de l’utiliser) pourraient se situer en

dessous, ceci permettant de recentrer le centre de gravité vers le plan des hélices.

Le fonctionnement précis du drone compris, nous pouvons à présent nous centrer sur la réalisation pratique de celui-

ci et aux différents tests qui nous ont permis de comprendre quels facteurs modifier pour optimiser les temps de vol,

la maniabilité, et la masse du drone.

TESTS ET PROTOTYPAGE

La conception est une étape importante, qui doit permettre d’évaluer la faisabilité du projet selon nos

capacités (connaissances, savoir-faire, finances,…) et d’identifier les différents composants nécessaires à la

réalisation d’un projet. Souvent, lors de la réalisation puis des essais, de nouvelles questions se posent auxquelles il

faut répondre en s’adaptant et en faisant évoluer le concept pour améliorer le projet. C’est la démarche que nous

avons adoptée en réalisant différents prototypes.

Une fois la carte déterminée et le fonctionnement du drone compris, nous nous sommes intéressés aux

autres composants nécessaires à son fonctionnement. Ces autres composants devaient rentrer dans notre budget et

être compatible avec la carte de contrôle sélectionnée. Nous avons donc fait l’acquisition de :

- carte de vol (VRBrain)

- moteurs sans balais (BLDC)

- contrôleurs de vitesse (ESC)

16

- hélices

- batterie (LiPo puis LiFe)

- caméra

- transmetteurs divers (Télémétrie à 433MHz, Radio à 2.4GHz, Audio/Vidéo à 1.2GHz)

- matériaux divers pour la structure (Fibre d’époxy, aluminium, fibre de verre)

Apres la réception de toutes nos pièces, nous avons procédé à la réalisation du châssis, de la structure de notre drone

puis nous avons fait le montage des divers composants qui nous a pris 3 jours.

PREMIER PROTOTYPE

La première version de la structure était constituée de plaques en PVC de 18 cm de côté qui ont comme

particularité d’être légères et de deux barres en aluminium solides et peu chères de 67 cm de longueur maintenues

par ces plaques. Le reste du montage est assez simple : il faut relier l’APM au module XBee, aux ESC et relier les

ESC aux moteurs.

Après le montage effectué nous nous sommes attardés à différents tests que nous avons réalisés dans le gymnase de

notre lycée pendant nos séances de TPE. Après une calibration des contrôleurs de vitesses et d’une vérification de

compensation des moteurs et du sens de rotation de ceux-ci, nous avons pratiqué quelques tests de vols très

instructifs. Ces premiers vols ont été révélateurs de deux problèmes : un problème de stabilité et un problème de

poids. En effet, le drone oscille et nous nous sommes rendu compte que nous devons régler les paramètres PID.

Pour le problème de poids (1,6 kg), nous nous en sommes rendu compte lors du décollage car les moteurs ont du

mal à faire décoller notre quadricoptère, car en effet, pour un décollage, il a fallu mettre la manette des gaz à plus de

80% !

Ces problèmes ont abouti à la réalisation d’un second prototype pour sa résolution. Nous avons alors rencontré une

succession de problèmes dans nos divers prototypes qui seront résolu dans les prototypes suivants pour un objectif

d’amélioration au niveau de nos applications de surveillance et de localisation.

17

DEUXIEME PROTOTYPE

Objectif principal : diminuer le poids

Alors que nous pensions que 67cm d’entraxe moteurs permettait de faire un drone plus simplement car il

s’agit d’une distance moyenne entre plusieurs châssis trouvés sur le net, nous avons remarqué que l’aluminium que

nous utilisions pesait tout de même 1g.cm-1 et que les fils que nous avions mis à l’intérieur pesaient 3g.cm-1 – il

s’agit de fils de cuivre de récupération donc pas prévus pour la légèreté mais très robustes car ils supportaient très

bien les forts courants ! -. Après réflexion, nous avons donc décidé de réduire l’entraxe moteur à 40 cm, le minimum

raisonnable pour des hélices de 10x4.5" comme les nôtres, ce qui permet également de supprimer les fils de puissance

que nous avons utilisés pour la première version.

Les nouveautés de ce second prototype sont donc assez limitées : il nous a fallu couper les bras des moteurs

et changer la plaque de PVC par une d’un autre matériau. Très utilisée en électronique, la fibre d’époxy permet

d’offrir, pour un poids quasi-identique une résistance incomparable. Nous avons donc choisi ce matériau, nous

permettant dans un même temps de couper les barres en dessous du drone pour y placer la batterie, s’y trouvant ainsi

coincée entre une plaque d’époxy et une autre en mécano®. Nous obtenons au final un gain de 0,5Kg

Après une rencontre dans un forum d’aéromodélisme de plusieurs personnes, nous nous sommes aperçus

que, bien que les hélices soient fabriquées en usine, la densité de plastique ou de carbone résultant de sa fabrication

n’est pas uniforme. Il faut donc les équilibrer. L’équilibrage est une étape très simple qui consiste à attacher une

hélice sur une tige filetée qui repose sur un système de maintien électromagnétique permettant de supprimer les

frottements dus au maintien de la tige. Ce second prototype présentait les avantages d’une robustesse importante,

mais restait toujours relativement fragile face à un crash important. Ce second prototype présente donc une nette

amélioration, mais reste très lourd pour la puissance qu’il peut fournir, le problème semble venir de la batterie qui,

étant très dangereuse va surement être remplacée par une autre alternative à chercher. Cette batterie devra être, si

possible, moins dangereuse pour l’environnement, pour l’homme et le matériel. Concernant la sécurité, le prochain

prototype devra également être capable de protéger le drone et être prémunie de tout risque de blessure humaine.

TROISIEME PROTOTYPE

Objectif : améliorer la sécurité humaine et matérielle du quadricoptère

CONCEPTION

Une réelle innovation de notre projet est

apparue ici : après de nombreux crashs nous nous

sommes aperçus de la réelle importance d’une

protection. Après diverses recherches nous sommes

arrivés sur un site qui annonçait la nouvelle version

du drone Japonais destiné à une utilisation civile et

militaire. L’idée de construire une structure en

s’inspirant de la leur nous est donc venue

immédiatement. Cependant le poids d’ArduSpider

était déjà de 1,056 Kg nous avons donc du opter pour

une structure plus légère en fibre de carbone. Le

poids total du projet est à présent de 1,100Kg

Figure 9 Équilibrage d'une hélice

18

incluant la protection. Celle-ci est pliable pour amortir les chocs lors de l’atterrissage volontaire ou pas.

Un problème de fabrication de notre batterie LiPo a entraîné la crevaison de la poche d’une de nos cellules. En

connaissant les dégâts qu’une seule cellule pourrait faire sur l’Homme et son environnement, nous avons recherché

une alternative.

Apparue début 2007, une nouvelle batterie à fait son apparition et s’est rapidement popularisée en modélisme et en

robotique. Cette batterie appelée A123, LiFePO4, Phosphate de fer litié ou LiFe, ressemble à une batterie plus courte

et plus large que le format AA standard. Ce nouveau type de cellules est directement issu des batteries Li-Ion déjà

utilisées dans les ordinateurs portables et est à l’origine destiné aux voitures électriques. Leur avantage est leur

importante densité d’énergie, presque équivalente à celles des LiPo et le fait qu’elles n’explosent pas !

Le poids d’ArduSpider étant important, nous avons opté pour quatre cellules mais de 2300mAh, permettant un gain

de poids de presque 300g. Le prototype n’est à présent plus dangereux

TESTS DU TROISIEME PROTOTYPE

Les tests se sont faits chez nous car nous devions absolument respecter le calendrier prévu. Le premier vol

a été très stable, mais s’est terminé à l’envers suite à une rafale de vent qui était normalement compensable par

l’autopilote. Nous avons donc remarqué que les réglages PID par défaut étaient trop faibles. Après quelques tests

nous avons finalement trouvé le bon réglage, très proche des valeurs par défaut. Cependant, après quelques heures

de vol, nous avons fini par nous améliorer dans le contrôle du drone et avons remarqué qu’un problème de stabilité

persistait. Deux possibilités, le réglage étant déjà fait : des capteurs qui ne sont pas suffisamment performants, ou

un problème de précision de la radiocommande. Il faudrait donc trouver un moyen de changer la carte inertielle,

voire toute la carte de vol, afin de changer les gyroscopes/accéléromètres par une centrale inertielle 6DOF

MPU6000. La radiocommande pourra être remplacée par un système plus performant, comme un joystick. Le sonar

qui a été ajouté dans le second prototype a été testé, mais le drone s’est écrasé … au plafond, suite à un

dysfonctionnement interne. Après avoir regardé la boite noire du drone, et étude du système de contrôle nous avons

décidé d’utiliser un sonar numérique, le problème pouvant se situer dans un brouillage électromagnétique dû aux

courants alternatifs triphasés générés par les ESC.

QUATRIEME PROTOTYPE

Objectifs : améliorer la maniabilité, la stabilité, …

Repenser le modèle au vu de l’expérience acquise grâce aux

prototypes précédents. Repenser l’aérodynamisme.

CONCEPTION

Quelques mois se sont écoulés. L’inscription aux

Olympiades de Physique France nous a permis un renouveau du

projet : un budget nous a été fourni et un partenariat a été conclu

avec Roberto Navoni, le créateur d’une carte de vol plus

perfectionnée. Tout ceci nous a permis de concevoir un

quatrième prototype plus performant. Nouvelle carte de vol à

processeur Cortex M4, centrale inertielle 6DOF (6 axes : x, y, z

pour l’accéléromètre et il en est de même pour le gyroscope),

nouvelle commande de pièces pour un sonar en sont quelques

Figure 10 Troisième prototype, longtemps utilisé

pour les phases de test

19

nouvelles caractéristiques. Après la lecture de livres sur

la mécanique des fluides (Méthodes Comolet et

Rebuffet), nous avons tenté une nouvelle approche de

notre prototype : le faire le plus aérodynamique

possible. Nous voulions optimiser le rendement, et

pour ceci, il n’y avait que deux solutions : l’alléger ou

réduire au minimum la force de frottements de l’air sur

le drone, pour utiliser moins d’énergie. Ayant deux

possibilités pour réaliser une force de frottements

minimale, nous avons tenté les deux. La première est

un châssis en croix, tandis que la seconde est en H. Le

châssis en croix est un châssis très utilisé que nous

utilisons depuis le début, et présente l’avantage d’être

simple à construire. Le châssis en H, bien que plus

compliqué à construire, permet d’utiliser la moitié du

matériel des fixations et des barres, et donc un gain de poids

assez léger. Dans un même souci aérodynamique, nous avons souhaité

retourner les moteurs pour les mettre vers le sol. En effet, le flux d’air qui

s’écoule des hélices a une importance plus grande après être passé dans les

hélices qu’avant. Nous avons également modifié le profil des bras, passant

d’un bras carré en aluminium (qui entraine un écoulement tourbillonnaire du fluide) à un bras cylindrique en fibre

de verre (réduisant les tourbillons, légèrement présents mais entrainant une perte négligeable).

La nouvelle carte nous a été fournie pour 200€ les deux cartes au lieu de 570€ (prix public), mais toujours

afin de trouver une meilleure stabilité, nous avons choisi d’isoler les ESC, gros générateurs de champs

électromagnétiques, avec une plaque d’époxy cuivrée. Ceci permet au MPU6000 de ne pas être brouillé et donc

d’être plus précis.

Parmi les problèmes soulevés, le problème de poussée a été souvent négligé. Ainsi avons-nous testé une

autre paire d’hélices en 11x4.7" au lieu de 10x4. 5". Après simulations diverses (utilisation du site xcopter calc)

nous avons remarqué une autonomie bien supérieure par l’utilisation d’une batterie LiFe 4S2P (4 cellules en série et

2 en parallèle), passant de 10 à 25 minutes possibles de vol (ceci reste une simulation, en considérant que la batterie

est rodée et que la température et la pression soient exactement les mêmes que celles entrées dans le simulateur.

Le prototype n°4 est donc une étape importante dans l’évolution de notre projet. Mais notre travail ne s’est pas

concentré que sur la partie volante : pour améliorer le contrôle du quadricoptère, une grande modification de la

partie commande a été apportée.

STATION DE CONTROLE AU SOL

Lors de notre TPE et des trois premiers prototypes, nous avions utilisé une boite en carton et un ordinateur portable

dans lesquels nous avions implanté les composants, cependant, nous nous sommes très rapidement confrontés à un

problème : l’ordinateur portable est moins puissant qu’un ordinateur fixe et donc ne permet pas, sans risque de

plantage, d’enregistrer la vidéo et d’utiliser les logiciels de contrôle. Un second problème se posait : au fur et à

mesure de nos vols, nous avons remarqué que la télécommande, de par ses petits joysticks, ne permettait pas un

contrôle précis du drone, le faisant légèrement varier par rapport à ce que nous voulions. L’idéal étant bien sûr de se

passer de joystick mais les contrôles à la voix et au geste de sont pas assez précis et fiables pour se passer totalement

de joystick. Nous avons donc opté pour un « carton » plus conséquent et plus solide dans lequel nous aurions un

système fiable, solide et très évolutif. Concernant la solidité, nous avons opté pour le choix d’un Flight Case (cf.

Figure 11 Test de vol du quatrième prototype.

L’emplacement du vol est limité au carré en bois pour

des raisons de sécurité

20

Site internet pour sa construction) plus solide et plus gros

qu’un simple carton. Pour la fiabilité, ayant un Flight Case,

nous pouvons y mettre un ordinateur fixe, assurant ainsi une

meilleure fiabilité. Pour la partie évolutive, deux problèmes

se posaient : le choix d’une ou plusieurs interfaces de

communication et la puissance de calcul. La seconde sous-

partie est rapidement résolue en utilisant un second pc pour

les calculs secondaires éventuels comme des traitements du

son ou de l’image pour des simulations 3D, consommant

d’avantage mais empêchant le premier pc d’une surcharge

trop importante le faisant ralentir. Pour contrer au premier

problème, nous avons opté pour l’utilisation d’une carte

arduino contrôlant toute la partie radiocommande. Le reste

n’étant qu’alimentations et cartes à interface série/FTDI. Ainsi

avons-nous pu commencer à mieux concevoir le Flight Case.

La première étape a été de réaliser les plans de construction : choix des planches, de la taille du Flight Case,

des emplacements des composants, etc. C’est alors qu’un autre problème s’est posé : comment alimenter tous ces

modules ? Les ordinateurs ont une alimentation à découpage séparée propriétaire, nous n’y avons donc pas touché,

mais l’ensemble des autres modules qui ne s’alimentaient pas en USB utilisaient un transformateur 12 ou 9V continu.

Utiliser 5 alimentations auxiliaires non stabilisées (un pont de diode ne redresse pas très bien un signal alternatif)

consommant excessivement beaucoup pour le peu de courant qui en sortait nous paraissait totalement inenvisageable

car cela entrainait forcément une consommation excessive et une chaleur interne de plus de 30°C. Nous avons donc

opté pour la transformation d’une alimentation de PC en alimentation 12, 9, 5 et 3.3V. Le 12V est utilisé pour le

récepteur Audio/Vidéo et le chargeur. Le 9V est utilisé pour l’émetteur radio et le Switch vidéo tandis que le 5V et

le 3.3V sont utilisés en secours, car les modules utilisent en réalité des tensions similaires pour fonctionner. Une fois

le Flight Case réalisé (une cinquantaine d’heures de travail) il nous a été possible d’y aménager l’intérieur. Les

premiers périphériques que nous y avons mis ont été les PC et un écran. Les PC sont vissés et l’écran l’est également

sur une plaque collée et vissée sur le plafond. Nous y avons ensuite mis les alimentations (au total 3 alimentations)

puis les modules radio. Mais où les mettre ? Faut-il les laisser à l’intérieur ou laisser dépasser le connecteur de

l’antenne ? Nous avons, pour l’instant, mis les modules à l’intérieur, ceci évitant le risque d’oublier d’y mettre les

antennes et donc … de griller les amplificateurs opérationnels qui amplifient le signal avant de l’émettre. Cependant,

plusieurs types d’antennes existent, et parfois, il est préférable de les mettre à l’extérieur du flight case. Nous

parlerons de ceci dans le chapitre suivant. Lorsque tout est fixé, nous pouvons nous occuper de la télécommande.

Pour ceci de nombreuses solutions ont été envisagées :

- Utilisation d’un joystick de PC analogique (port MIDI/de jeu) : nous avions trouvé un joystick que nous avions

récupéré. Ce joystick Microsoft avait cependant plusieurs gros problèmes : il fonctionnait à retour de force, or nous

n’avons pas de retour de force possible, et sans ce retour, le joystick ne fonctionnait pas. Le second problème est

que le système de positionnement ne possédait aucun potentiomètre, il s’agissait d’un capteur qui utilisait une caméra

CMOS et quatre leds, ce qui est très difficilement récupérable.

-Utilisation d’un joystick USB : deux possibilités de branchement

O Sur l’ordinateur sans aucune modification : il faut donc utiliser le réseau télémétrique pour commander

intégralement le drone, donc risque important de latences, et donc de crashs …

O Sur l’ordinateur pour les commandes secondaires (boutons de changement de mode, etc.) et sur la carte

arduino pour les commandes primordiales (joystick pur). N’ayant pas de joystick USB, nous avons dû en acheter

Figure 12 Station de contrôle au sol réalisée à l'occasion du

quatrième prototype

21

un. Les joysticks possèdent deux possibilités pour reconnaitre la position des manches : l’effet Hall et le

potentiomètre. Le potentiomètre est la méthode la moins chère mais est moins précise et s’use plus rapidement que

le capteur à effet hall. C’est ce que nous avons choisi pour notre joystick car il est relativement simple à utiliser.

Le capteur à effet Hall utilise d’autres méthodes que nous ne décrirons pas ici.

La télécommande pouvait également être intégré ou mise à part à l’aide d’un câble. Ne sachant quoi choisir, nous

avons essayé les deux.

CONCLUSION

Ainsi ce projet nous a-t-il permis de relever un défi de conception électronique mais aussi d’apprendre de

nouvelles notions dans ce domaine, comme dans celui des mathématiques par l’apprentissage des intégrales ou

encore en physique et en automatique par les théories de Newton ou de Froude. Au terme de ce projet quelques

problèmes de conception de la structure, de crashs et de réglages très compliqués nous ont fait remarquer que

certaines connaissances très pointues devaient être acquises, connaissance d’un niveau bac+5 au moins (intégrales

triples, lois de l’aérodynamique,…). Peut-être nos travaux seront-ils repris par d’autres, peut-être nos travaux

apporteront-ils une modeste contribution à une application qui pourrait sauver des vies. Alors le projet « ArdUFO :

un drone au service de tous » aura pris tout son sens. A présent, notre but est de l’améliorer et, au fur et à mesure

que nos connaissances se développent et que le budget nous est fourni, nous améliorons le drone par des tests de

simulation de matériaux plus précis, plus fiables et plus réalistes. Nos prochaines étapes sont un développement

complet de l’interface du sonar permettant un démarrage et un atterrissage automatiques (moments les plus difficiles

pour le contrôle du drone) et par l’évitement d’obstacles sur tous les côtés, puis nous pourrons encore, si le temps et

le budget le permettent de déployer un système SLAM pour un meilleur contrôle automatique. D’autres idées sont

également envisagées, comme la commande à la voix, au geste voire à la pensée, les tests sur les grandes distances,

etc. Saurons-nous relever ces nouveaux défis ?

22

BIBLIOGRAPHIE

- DIYDrones [en ligne], DIY Drones, 2012 – [Consulté les 9, 11, 16, 19, 23, 27 et 30 décembre 2011 et les

1, 6, 10 et 21 janvier 2012]. Disponible sur http://diydrones.com/

- ArduPilot-Mega [en ligne], Google Code, 2012 – [Consulté les 9, 11, 16, 19, 23, 27 et 30 décembre 2011

et les 1, 6, 10 et 21 janvier 2012]. Disponible sur http://code.google.com/p/ardupilot-mega/

- ArduCopter [en ligne], Google Code, 2012 – [Consulté les 9, 11, 16, 19, 23, 27 et 30 décembre 2011 et les

1, 6, 10 et 21 janvier 2012]. Disponible sur http://code.google.com/p/arducopter/

- Conversations avec des aéromodélistes et fondateur des cartes de Virtualrobotix (Roberto Navoni)

- Cours d’électronique et de physique divers

- Mécanique expérimentale des fluides, R.COMOLET

- Aérodynamique expérimentale, P.REBUFFET

- Aérodynamique théorique, P.CALVET

http://diydrones.com/

http://code.google.com/p/ardupilot-mega/

http://code.google.com/p/arducopter/

23

ANNEXE 1

Schéma de fonctionnement

global

25

ANNEXE 2

Code généré pour

le sérialiseur

26

/// -*- tab-width: 2; Mode: C++; c-basic-offset: 4; indent-tabs-mode: nil -*-

/*

* PPM Encoder Joystick for ArdUFO GCS Version 0.9

* Lead author: Lichard Torman(Clement Decoodt)

* Based on code and ideas from Ion Johnson

*

* This firmware is free software; you can redistribute it and/or

* modify it under the terms of the GNU Lesser General Public

* License as published by the Free Software Foundation; either

* version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.

*

*/

//Pin Mapping

int Pin_AEL = A11; // Aeleron potentiometer (tangage)

int Pin_ELE = A10; // Elevator potentiometer (roulis)

int Pin_THR = A2; // Throttle potentiometer (acceleration)

int Pin_RUD = A3; // Rudder potentiometer (lacet)

//int Pin_TIpot = 4; // Channel 4, optionnal mode changer

int outPinPPM = A0; // PPM Output pin

// Raw values

int Raw_AEL; // raw - 0->1023

int Raw_ELE; // raw - 0->1023

int Raw_THR; // raw - 0->1023

int Raw_RUD; // raw - 0->1023

//int Raw_TIpot; // raw - 0->1023

// For internal use

int AEL;

int ELE;

int THR;

int RUD;

//int TIpot;

// PPM µs vars

int Aeleron_uS = 750; // Ch.0 µS var - Aeleron

int Elevator_uS = 750; // Ch.1 µS var - Elevator

int Throttle_uS = 750; // Ch.2 µS var - Throttle

int Rudder_uS = 750; // Ch.3 µS var - Rudder

27

//int TI_uS = 750; // Ch.4 µS var - Mode

// Constants for PPM making

int Fixed_uS = 300; // PPM frame fixed LOW phase

int pulseMin = 750; // pulse minimum width in uS

int pulseMax = 1700; // pulse maximum width in uS

// Constants

float DualrateMultAel = 1.0; // Aeleron Constant

float DualrateMultEle = 1.0; // Elevator Constant

float DualrateMultThr = 1.5; // Throttle Constant

float DualrateMultRud = 1.25; // Rudder Constant

//float DualrateMultTI = 0.9; // Auxiliary pot. Constant

// Trim

int DualrateAdjAel = -50; // mid adjustment (useless)

int DualrateAdjEle = -50; // mid adjustment (useless)

int DualrateAdjThr = -200; // mid adjustment (useless)

int DualrateAdjRud = -200; // mid adjustment (useless)

//int DualrateAdjTI = 0; // mid adjustment (useless)

/* Lower rates if problem

Constants

DualrateMultAel = 0.5;

DualrateMultEle = 0.5;

DualrateMultThr = 0.9;

DualrateMultRud = 0.7;

DualrateMultTI = 0.9;

Trim

DualrateAdjAel = 200;

DualrateAdjEle = 200;

DualrateAdjThr = 0;

DualrateAdjRud = 100;

DualrateAdjTI = 0;

// Normal/high rates

Constants

DualrateMultAel = 0.9;

28

DualrateMultEle = 0.9;

DualrateMultThr = 0.9;

DualrateMultRud = 0.9;

DualrateMultTI = 0.9;

Trim

DualrateAdjAel = 0;

DualrateAdjEle = 0;

DualrateAdjThr = 0;

DualrateAdjRud = 0;

DualrateAdjTI = 0;

*/

// 22ms loop

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {

ppmoutput(); // Jump to ppmoutput subroutine

}

// Global Setup

void setup() {

//Serial.begin(9600);

pinMode(outPinPPM, OUTPUT);

// Giving some voltage for the potentiometers

pinMode(A14, OUTPUT);

digitalWrite(A14, HIGH);




digitalWrite(A13, LOW);







29





// Setup timer (from Ian Johnson Project, but how ?)

TCCR1A = B00110001; // Compare register B used in mode '3'

TCCR1B = B00010010; // WGM13 and CS11 set to 1

TCCR1C = B00000000; // All set to 0

TIMSK1 = B00000010; // Interrupt on compare B

TIFR1 = B00000010; // Interrupt on compare B

OCR1A = 22000; // 22mS PPM output refresh

OCR1B = 1000;

}

// PPM generation

void ppmoutput() {

// Channel 1 - Aeleron

digitalWrite(outPinPPM, LOW);

delayMicroseconds(Fixed_uS); // Hold

digitalWrite(outPinPPM, HIGH);

delayMicroseconds(Aeleron_uS); // Hold for Aeleron_uS microseconds

// Channel 2 - Elevator




delayMicroseconds(Elevator_uS); // Hold for Elevator_uS microseconds

// Channel 3 - Throttle




delayMicroseconds(Throttle_uS); // Hold for Throttle_uS microseconds

// Channel 4 - Rudder


30



delayMicroseconds(Rudder_uS); // Hold for Rudder_uS microseconds

/* Channel 5 - TI Switch




delayMicroseconds(TIsw_uS); // Hold for TIsw_uS microseconds

// Channel 5 - Opt. Pot




delayMicroseconds(TI_uS); // Hold for TI_uS microseconds

*/

// Synchro pulse



digitalWrite(outPinPPM, HIGH); // Start Synchro pulse

}

// From reading to µs values

void loop() { // Main loop

// Read Pot. ports for Aeleron, Elevator, Throttle, Rudder and the Auxiliary pot.

Raw_AEL = analogRead(Pin_AEL);

Raw_ELE = analogRead(Pin_ELE);

Raw_THR = analogRead(Pin_THR);

Raw_RUD = analogRead(Pin_RUD);

// Raw_TIpot = analogRead(Pin_TIpot);

// Compensate for discrepancy in pot inputs including centering offset.

// Also use this to invert inputs if necessary

AEL = map(Raw_AEL, 0, 1023, 1200, 0) - 100; // Invert Aeleron pot and slight

centre offset

ELE = map(Raw_ELE, 0, 1023, 1200, 0) - 120; // Invert Elevator pot and slight

centre offset

31

THR = map(Raw_THR, 0, 1023, 0, 1023) + 0; // Throttle (In case of 2nd trim

use)

RUD = map(Raw_RUD, 0, 1023, 0, 1023) + 0; // Rudder (In case of 2nd trim

use)

// TIpot = map(Raw_TIpot, 0, 1023, 1023, 0) + 0; // Auxiliary pot.

// Tranform 0-1023 inputs to µS Rates with trim adjustment

Aeleron_uS = (AEL * DualrateMultAel) + pulseMin + DualrateAdjAel;

Elevator_uS = (ELE * DualrateMultEle) + pulseMin + DualrateAdjEle;

Throttle_uS = (THR * DualrateMultThr) + pulseMin + DualrateAdjThr;

Rudder_uS = (RUD * DualrateMultRud) + pulseMin + DualrateAdjRud;

// TI_uS = (TIpot * DualrateMultTI) + pulseMin + DualrateAdjTI;

// Check the limits

if (Aeleron_uS <= 750) Aeleron_uS = 750;

if (Aeleron_uS >= 1700) Aeleron_uS = 1700;

if (Elevator_uS <= 750) Elevator_uS = 750;

if (Elevator_uS >= 1700) Elevator_uS = 1700;

if (Throttle_uS <= 750) Throttle_uS = 750;

if (Throttle_uS >= 1700) Throttle_uS = 1700;

if (Rudder_uS <= 750) Rudder_uS = 750;

if (Rudder_uS >= 1700) Rudder_uS = 1700;

// if (TI_uS <= 750) TI_uS = 750;

// if (TI_uS >= 1700) TI_uS = 1700;

}

33

ANNEXE 3

Détermination du PID

Méthode Ziegler-Nichols

Decoodt Clément Houzé-Jorant Grégoire - odpf.org · Nous nous sommes aperçus que les drones...

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