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[Dronequadrirotor autonome]cole Centrale dlectronique Rapport de projet 2009-2010 [email protected]

PROJET DE FIN DTUDES

Arnaud Alexandre Bndicte Issa Jrmie

Buirette Jumeline Watier Fortin Sangar

Arnaud Buirette Jrmie Sangar Bndicte Watier Issa Fortin Alexandre Jumeline

Projet de fin dtudes Rapport final

REMERCIEMENTSNous tenons remercier Julien MARZAT, notre professeur dautomatique et rfrent de ce Projet de Fin dtudes, pour son aide prcieuse, sa disponibilit et sa sympathie. Par ailleurs, nos remerciements vont Christophe BAUJAULT, responsable de la majeure Systmes Embarqus, pour les conditions matrielles quil nous a offertes, ainsi que pour son soutien et sa confiance depuis prs de trois mois avant le dmarrage du projet. Enfin, merci Raphal POLONOWSKI, ingnieur ESIEE et ami, pour son aide et ses conseils durant toute la dure de ce projet.

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Projet de fin dtudes Rapport final

SOMMAIREREMERCIEMENTS ................................................................................... 2 SOMMAIRE ........................................................................................... 3 I PRSENTATION DU PROJET .................................................................. 41.1 INTRODUCTION .....................................................................................................4 1.2 PRINCIPE DE VOL DUN QUADRIROTOR ...........................................................................4 1.3 TAT DE LART ......................................................................................................5 1.4 CAHIER DES CHARGES .............................................................................................6 1.5 ARCHITECTURE DU PROJET ........................................................................................8 1.6 CHOIX MATRIELS ................................................................................................ 101.6.1 Calculateur ................................................................................................................. 10 1.6.2 Capteurs ..................................................................................................................... 10 1.6.3 Communication ........................................................................................................... 11

II RALISATION ............................................................................... 122.1 STRUCTURE MCANIQUE ......................................................................................... 122.1.1 lments utiliss .......................................................................................................... 12 2.1.2 tapes de construction ................................................................................................. 13

2.2 ASSERVISSEMENT ET STABILISATION .......................................................................... 162.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.3 Thorie ....................................................................................................................... 16 Simulation du modle sous Matlab.................................................................................. 20 Rsultats obtenus ......................................................................................................... 21 Incohrence du modle ................................................................................................. 21 Constitution ................................................................................................................. 22 Protocole ..................................................................................................................... 22 Stabilisation................................................................................................................. 23 Dbogage en communication sans fil .............................................................................. 23 Rglage du PID ............................................................................................................ 23 Limites du banc dessai ................................................................................................. 24

2.3 RGLAGE COEFFICIENTS SUR BANC DESSAI ................................................................... 22

2.4 PROGRAMMATION EMBARQUE .................................................................................. 242.4.1 Centrale inertielle ........................................................................................................ 24 2.4.2 Calculateur principal ..................................................................................................... 24

2.5 PROGRAMMATION HTE (STATION SOL) ....................................................................... 26

III BILAN DU PROJET ........................................................................ 273.1 RSULTATS OBTENUS ............................................................................................ 27 3.2 DIFFICULTS RENCONTRES..................................................................................... 27 3.3 POURSUITE DU PROJET ........................................................................................... 28

CONCLUSION ...................................................................................... 29 ANNEXES ........................................................................................... 301 Abstract ........................................................................................................................... 31 2 Bibliographie..................................................................................................................... 33 3 Glossaire .......................................................................................................................... 34

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I PRSENTATION DU PROJET1.1 IntroductionLe but de notre projet est la ralisation dun vhicule voilure tournante, rendu commandable distance, puis ensuite automatis via un systme lectronique embarqu. Nous sommes une quipe de quatre lves ingnieurs en cinquime anne, tous issus de la majeure Systmes Embarqus : Jrmie SANGARE (chef de projet) Arnaud BUIRETTE Alexandre JUMELINE Issa FORTIN Bndicte WATIER

Lapplication principale du drone envisage tait la dcouverte et surveillance dune zone donne. Nous verrons travers ce rapport laboutissement du projet aprs les tapes de fabrication, dasservissement et de stabilisation ainsi que de programmation embarque.

1.2 Principe de vol dun quadrirotorUn quadrirotor est un appareil qui est compos de quatre rotors, qui est la partie rotative dune machine. Afin dviter un mouvement de lacet (lappareil tourne sur luimme), il est ncessaire que deux rotors tournent dans un sens et que les deux autres tournent dans lautre sens. De plus, afin de diriger lappareil, les rotors tournant dans le mme sens doivent tre places lun en face de lautre.

Figure 1 : degrs de libert

Il existe quatre mouvements possibles pour un quadrirotor : la puissance, le lacet, le tangage et le roulis. Le mouvement de puissance correspond la monte ou la descente de lappareil. Pour faire slever le quadrirotor, il suffit daugmenter la vitesse des quatre moteurs et pour le faire redescendre, il faut rduire cette dernire.

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Le lacet est un mouvement qui fait tourner le quadrirotor autour de son axe vertical. Le roulis et le tangage sont des mouvements qui provoquent linclinaison du quadrirotor selon les axes horizontaux.

1.3 tat de lartLes drones (ou UAV) sont des aronefs sans pilote humain bord. Leur apparition remonte la premire guerre mondiale avec lemploi de bombes volantes plus ou moins tlguides. Lessor des drones date de la guerre froide et de la guerre du Viet Nam. Les Etats-Unis en particulier raliseront prs de 3000 missions de reconnaissance photographique au Viet Nam, montrant limportance stratgique quest lutilisation de drones.

Que ce soit dans le domaine du militaire ou du civil, les drones sont gnralement utiliss pour accder des zones risque : territoire ennemi dans le cas dun conflit, ou bien recherche de survivants dans des endroits inaccessibles par les secours. Cependant les drones ne sont pas cantonns la prise de vue arienne des fins de renseignements tactiques et militaires, il peuvent galement tre utiliss dans le civil pour la dtection de feux de forts, linspection dinfrastructures particulires (lignes haute tension par exemple), la surveillance du trafic routier, la prise de mesures atmosphriques, etc. On distingue diffrentes catgories de drones suivant leurs dimensions et leurs missions : Haute Altitude Longue Endurance (HALE) : ce sont les plus lourds, les plus rapides ; ils volent une altitude leve et possdent une autonomie pouvant atteindre plus de 30 heures.

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Arnaud Buirette Jrmie Sangar Bndicte Watier Issa Fortin Alexandre Jumeline Moyenne Altitude Longue Endurance (MALE) : leur rayon daction est plus limit que celui des HALE (infrieur 1000km) mais leur autonomie est suprieure. Traditionnellement utiliss pour de la reconnaissance ils sont prsent trs frquemment arms.

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les drones tactiques (TUAV) : ils sont trs nombreux, plus petits et moins chers produire. Ils sont utiliss pour de la reconnaissance de terrain dans un primtre rduit.

les drones de combat (UCAV) : conus spcifiquement pour les frappes au sol et les bombardements.

Labsence de pilote lintrieur des drones, ainsi que les nouvelles technologies permettent leur miniaturisation. Ainsi on voit apparatre des engins de trs petite taille appels mini drones ou micro drones . Ils revtent souvent la forme dun hlicoptre car ils interviennent en milieu urbain courte distance. Les drones de type quadrirotor appartiennent cette catgorie et la proximit avec le domaine du modlisme suscite lattention de nombreuses personnes. Ainsi on retrouve des quadrirotors dans diffrents secteurs : militaire pour des missions de reconnaissance notamment. loisir pour les particuliers avec des quadrirotors assimils des jouets (XUFO, Draganfly, Parrot AR.Drone). des fins pdagogiques. On retrouve de nombreux exemples de projets universitaires de ralisation dun drone quadrirotor. On peut galement citer le Challenge Minidrones qui sest droul sur 3 ans et qui a runi une vingtaine dquipes dtudiants, tout ceci sponsoris par lONERA et la DGA. des projets de quadrirotors open source comme

On trouve galement Mikrokopter, UAVP, etc.

1.4 Cahier des chargesNous allons nous intresser au principe de fonctionnement global de notre drone. Ainsi, ce dernier est quip dune carte comprenant plusieurs dsPICs Microchip qui jouent le rle de calculateurs du vhicule. Ils seront relis plusieurs capteurs dont ils utilisent les donnes entrantes pour se stabiliser et sont galement utiliss pour dfinir les commandes qui permettent au vhicule de se dplacer dans lespace. Des camras sont embarques sur le drone afin de pouvoir transmettre des images la station sol du drone.

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Dans un second temps, une liaison permet denvoyer des instructions de vol au drone, comme par exemple un ordre de dcollage ou datterrissage et une autre liaison permettra de rceptionner les donnes des capteurs ainsi que les images des camras sur la station sol. En termes de spcifications, la structure de vhicule prend la forme dune double plaque de carbone situe au centre et porte par des tubes en carbone disposs en croix au bout desquels sont placs les moteurs. Cette structure peut tre schmatise de la faon suivante :

Figure 2 : schma d'un quadrirotor

Les moteurs utiliss dans cette structure ont t choisis en fonction de leur puissance et du poids total de la structure embarque (840kv, 600g de pousse pour un poids de 1400g). En ce qui concerne les calculateurs embarqus, nos choix se sont orients vers des dsPIC Microchip, puissants microcontrleurs 16 bits qui permettent du calcul rapide. Le drone est quip de divers capteurs embarqus : une centrale inertielle (constitue dun acclromtre, de trois gyromtres, dun dsPIC et dentres/sorties), deux tlmtres ultrasons (un pour valuer la position par rapport au sol et un pour dtecter les obstacles autour du vhicule), un magntomtre, un baromtre, un GPS (dlivr trop tard par le fournisseur pour tre exploit pour notre projet) et deux camras. Enfin, pour la communication avec la station, nous avons opt pour une technologie sans fils avec lutilisation de modules XBee PRO, qui implmentent les couches basses de la stack ZigBee.

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1.5 Architecture du projetLe systme drone est constitu comme suit :

Drone

instructions

instructions donnes capteurs retour vido

Radiocommande

Station sol

Figure 3 : schma synoptique du systme La commande du drone peut se faire manuellement, par radiocommande, par la station sol, ou automatiquement.

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Voici un schma dtaill de larchitecture matrielle retenue pour le projet, avec les types de communications mis en jeu entre lments.

DroneBus SPI EEPROM

Calculateur Vidotx /rx Module Camra Traitement image Servos

Calculateur Commandepwm tx /rx ESC Moteurs XBee i2c Magnto spi tx /rx GPS Baromtre

Calculateur Inertieladc Acclros pwm Ultrasons Gyros adc

instructions(pwm en 2.4GHz)

Camra 2.4GHz oprateur

instructions donnes capteurs (XBee 50mW)

retour vido (2,4GHz)

Station sol RadiocommandeIHM capteurs IHM vido

IHM commande

Figure 4 : schma dtaill du systme

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1.6 Choix matriels1.6.1 CalculateurAfin de disposer dune puissance de calcul suffisante pour raliser lensemble des tches incombant au calculateur, notre choix sest port vers la famille des microcontrleurs dsPIC de chez Microchip. Ce choix sexplique par notre connaissance de la programmation de PIC, et la puissance de calcul supplmentaire apporte par le cur de DSP incorpor au dsPIC. En effet les dsPIC incluent entre autre la multiplication et la division cble 16 par 16 bits, et permettent datteindre une vitesse de traitement de 40 millions dinstructions par seconde. De plus les registres sont nativement en 16 bits ce qui permet une manipulation aise de valeurs importantes ou trs prcises. Enfin lalimentation en 3,3V permet de faire des conomies dnergie. Nous avons donc slectionn le dsPIC33FJ128MC802 (en version 28-PIN SDIP pour tre utilisable sur breadboard) qui possde entre autre 5 timers de 16 bits, 4 canaux de capture en entre, 6 canaux de gnration de PWM en sortie, 15 ports remappables dont certains tolrant du 5V, etc.

1.6.2 CapteursLa qualit et la prcision des capteurs sont trs importantes pour assurer une bonne connaissance de lattitude du drone dans lespace. La centrale inertielle est bien sr llment le plus important et le plus complexe, et donc le plus cher. Ainsi le choix des capteurs rsulte dun compromis entre le prix et la qualit des mesures. Lutilisation du magntomtre permet de comparer lattitude mesure par celui-ci celle obtenue partir des gyromtres et des acclromtres de la centrale. Par la suite, un filtre de Kalman peut tre appliqu pour recaler les mesures dun capteur par rapport lautre, en tenant compte de leur fiabilit respective. une centrale inertielle 6 degrs de libert compose dun acclromtre 3 axes, de 3 gyromtres 1 axe, dune connectique pour GPS, de connecteurs pour servomoteurs, tout ceci reli un calculateur intgr de la famille dsPIC30F. Cette centrale a pour avantages, en plus de son faible cot (150$), doffrir une solution tout en un, ainsi quun firmware opensource dvelopp par le crateur de la carte. des tlmtres ultrason LV-EZ0 et LVEZ4 de la marque Maxbotix, dtectant les obstacles de 0 6,45m, et ce avec une rsolution de 512 valeurs. Cette valeur peut-tre rcupre via une liaison srie RS232, une ligne analogique, ou un signal PWM. Lintrt davoir choisi deux tlmtres diffrents est quils possdent des cnes de dtection diffrents : un cne large pour lvaluation de la distance au sol et au plafond, et un cne plus fin (et donc plus prcis) pour la dtection dobstacles

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autour du drone. En ce qui concerne ce dernier capteur, il a t utilis avec un servomoteur afin de pouvoir assurer une rotation denviron 180 degrs et dtre capable de dtecter les obstacles sur sa gauche, en face de lui et sur sa droite, et ce de manire continue.

un capteur baromtrique (et de temprature) SPC1000 nous permettant de dterminer laltitude du drone avec une prcision denviron 10cm. Lacquisition se fait en SPI.

un magntomtre 3 axes HMC5843 qui permet de connatre lattitude (vecteur) du drone dans lespace, ceci par rapport au ple magntique de la Terre. Linterface est en IC.

un rcepteur GPS 50 canaux (rfrence GS407) communiquant via une liaison srie. Le rafraichissement des donnes se fait une frquence de 4Hz. Les 50 satellites recherchs en parallle permettent une golocalisation plus rapide et plus stable.

1.6.3 Communication 2 modules XBee Pro 50mW Series 2.5 Wire Antenna pouvant communiquer une distance thorique de 1,6km sans obstacles. Ces modules ont lavantage dtre facilement configurables laide dun programme fourni par le constructeur. La gamme pro permet de communiquer une plus grande distance (puissance dmission accrue). La frquence utilise est 2,4GHz et 11 canaux sont utilisables.

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II RALISATION2.1 Structure mcanique2.1.1 lments utiliss 4 moteurs TowerPro Brushless Outrunner 241009 13A / 104W donns pour 840kv (tours par minute par volt). Ces moteurs peuvent soulever chacun une charge denviron 600g, soit 2,4kg pour lensemble du drone. Le fonctionnement en 10V des moteurs ncessite lutilisation de batteries 3S (3 cellules de 3,7V en srie) fournissant du 11,1V.

4 contrleurs Hobbyking SS Series 25-30A ESC assurant la gestion des besoins lectriques des moteurs vis--vis de la batterie, besoins dfinis par les commandes moteurs en sortie de calculateur. Ces contrleurs supportent un amprage constant de 25A et de 30A en burst (monte en charge de trs courte dure). Les moteurs ne consomment chacun que 13,5A maximum ce qui offre une marge de scurit satisfaisante par rapport aux caractristiques des contrleurs. 2 batteries Rhino 4900mAh 3S1P 11.1v 20C Lipoly Pack assurant les besoins nergtiques du drone. Une batterie 20C de 4900mAh offre un amprage maximum de 4,9x20 soit 98A. Les 4 moteurs demandent au maximum 4x13,5A soit 54A. La batterie est volontairement surdimensionne car les habitus de batteries Lipo conseillent une utilisation 2/3 des capacits de la batterie pour ne pas lendommager. Daprs les tests raliss, on voit que le drone dcolle mi-throttle, donc la moiti des possibilits des moteurs. On considre donc un amprage ncessaire de 4x13,5/2 soit 27A, la batterie pouvant fournir 4,7A par heure, on obtient donc une autonomie approximative de 10 minutes en vol stationnaire. 2 couples dhlices rotatives et contrarotatives aux dimensions 10"x4,5". Lutilisation de ces deux types dhlices satisfait les caractristiques propres aux quadrirotors dont les 2 moteurs dun axe tournent dans le sens oppos celui des 2 moteurs de lautre axe.

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des tubes et des feuilles de carbone pour lossature du drone. La fibre de carbone, de part sa structure particulire, offre une grande rsistance pour un poids rduit. Cest pourquoi elle est utilise, entre autre, dans le modlisme haut de gamme.

2.1.2 tapes de construction

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2.2 Asservissement et stabilisation2.2.1 - ThorieAfin de stabiliser le drone, plusieurs mthodes peuvent tre employes. Ces mthodes consistent identifier le drone dans une optique dautomaticien et envoyer une commande de stabilisation au vhicule afin de le maintenir dans un tat donn. Pour ce faire, le systme doit dj tre identifi et modlis le plus prcisment possible afin que la simulation reflte la ralit. Cette modlisation seffectue par un modle mathmatique dynamique dfini grce des quations physiques reprsentant les forces appliques au drone. Il est bas sur les quations de la mcanique qui sappliquent sur 6 axes, qui peuvent tre dcomposes en diffrents types dacclrations : La portance : cest la force qui, lorsquelle compense au moins le poids, permet au drone de slever. Cest le terme linaire en bl dans les quations de vitesses angulaires en roulis et en tangage. B est le coefficient de porte en kg.m/rad2, l la demi envergure du drone en m et i la vitesse de chaque moteur en rad/s. La trane : cest la force qui rsulte des frottements de lair sur le vhicule. Elle correspond la partie de lexpression linaire en d, o d est le coefficient de traine en kg.m2/rad2. Leffet gyroscopique : cette force apparat sur un axe lorsque le quadrirotor est en rotation sur les deux autres axes. Irotor est le moment dinertie du moteur en kg.m2.

Lorsque lon ajoute ces trois composantes leffet des moments dinertie sur chaque axe, on obtient les quations de modlisation du quadrirotor en roulis, tangage et lacet suivantes :

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Le quadrirotor subit galement des acclrations dans les trois axes de lespace. Elles dpendent de la somme des portances gnres par chaque moteur notes i avec i=b.i2. Grce au principe fondamental de la dynamique appliqu sur les 3 axes de lespace, ces acclrations scrivent de la manire suivante :

Ces six quations reprsentent la dynamique du drone. De ce fait, si on reprsente le systme par un schma simple :

On se rend compte que grce aux acquisitions des capteurs de la centrale inertielle, on peut observer le comportement du drone, en dduire une commande, et appliquer une action sur les moteurs. On dfinit donc notre modle avec en sorties les trois vitesses et acclrations angulaires (, , ) ainsi que les trois positions et acclrations en x, y et z, et en entres les quatre vitesses moteurs.

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Lintrieur de cette boite de sous-systme sous Matlab se prsente comme suit :

Figure 5 : Simulink Cette reprsentation semble complique mais est en fait assez simple. Chaque partie du schma constitue une des quations vues plus haut. Ces six quations sont lies entre elles par les variables , , et . Elles possdent toutes au moins un terme variant en fonction des vitesses moteurs. De cette manire, si on injecte les quatre vitesses en entre du systme, les quations dduiront automatiquement les angles, vitesses angulaires, positions et acclrations qui en rsultent. Choix de la commande : le PID Le PID est un correcteur utilis en automatique afin de stabiliser des systmes mcaniques. Il est normment utilis dans lindustrie et dans le monde des machines automatises. Afin dappliquer un PID, on observe lcart entre la valeur autour de laquelle on veut stabiliser, la consigne, et la valeur relle observe sur le systme. On appelle cet cart lerreur. Une action proportionnelle (P) : on applique un gain Kp sur lerreur. Une action intgrale (I) : on intgre lerreur, et on multiplie le rsultat par un gain Ki. Une action drive (D) : on drive lerreur, et on multiplie le rsultat par un gain Kd.

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Arnaud Buirette Jrmie Sangar Bndicte Watier Issa Fortin Alexandre Jumeline Voici un schma pour rsumer laction du PID sur le systme :

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Figure 6 : Correcteur PID Le rglage dun PID consiste dterminer les coefficients Kp, Ki et Kd optimaux pour que le systme soit stable. Application du PID au drone Dans le cas du drone, nous avons choisi dutiliser un correcteur PID sur les angles de tangage, roulis et lacet. Plus prcisment, nous navons utilis que laction proportionnelle et laction drive du correcteur. Cependant, le meilleur moyen darriver trouver les coefficients optimaux du quadrirotor est dutiliser la simulation sous Matlab en sappuyant sur le modle dtermin plus haut. Identification des paramtres du drone Comme nous lavons vu prcdemment, le drone peut tre modlis mathmatiquement par six quations physiques. Cependant, pour que le modle corresponde parfaitement a notre drone, certains paramtres doivent tre identifis : La masse du drone m Le coefficient de porte b Le coefficient de trane d Lenvergure x et la demi envergure l Le moment dinertie dun moteur Irotor La somme des moments dinertie sur chaque axe Ix, Iy, Iz

Certains coefficients sont faciles identifier comme la masse ou lenvergure, tandis que les autres coefficients comme b, d ou Irotor sont plus ardus dterminer. Au dpart, nous avons repris des valeurs collectes par des personnes qui utilisaient les mme moteurs et pales que nous utilisions.

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Cependant, ces coefficients se sont avrs par la suite insuffisant car le modle mathmatique ne correspondait pas au modle rel. Nous les avons donc retrouvs partir de mesures prises en vol. En effet, tant donn que les quations sont linaires en b et d, il est possible avec les donnes capteurs de retrouver ces mmes b et d. Pour Irotor, le moment dinertie de chaque moteur, il a fallu trouver les caractristiques de couple et de rsistance dun moteur et dune pale afin de retrouver le coefficient. Au final, pour chaque moteur, Irotor = 2.857040737520000e-05.

2.2.2 - Simulation du modle sous MatlabUne fois les diffrents paramtres du drone identifis, on peut simuler son comportement sous Matlab afin didentifier les coefficients du PID quon applique sur les angles de roulis et de tangage. On modlise donc le systme complet en boucle ferme comme on la vu prcdemment avec la boucle systme, capteurs, commande, actionneurs.

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On voit bien que lon fait reboucler les sorties des angles de roulis, tangage et lacet obtenus en sortie du systme afin de calculer lerreur avec la consigne, ici, PhiRef, ThetaRef et PsiRef. Une fois les erreurs calcules pour les trois angles un PID est applique sur chacun dentre eux. Les coefficient Kp, Ki et Kd sont a dterminer a lintrieur de chaque bloc. Une fois que le PID est effectue sur chaque angle, on ajoute la valeur du throttle, le PID tant juste la correction. Enfin, une saturation est effectue pour ne pas que la commande me puisse envoyer au moteur une valeur de vitesse trop leve pour lui.

2.2.3 - Rsultats obtenusUne fois la modlisation termine, nous avons donc pu faire des tests pour dterminer les coefficients du PID, et voici les meilleurs rsultats que nous avons pu obtenir en simulation :

Dans lordre, on peut observer la rponse en roulis, tangage et lacet. On peut observer que le drone se stabilise en roulis et en tangage en deux secondes environ. Aucune correction nest faite en lacet.

2.2.4 - Incohrence du modleMalheureusement, le modle utilis pour la simulation sous Matlab nest pas cohrent avec le systme rel du drone. En effet, les ractions observes en simulation ne sont pas les mmes que celles observes sur banc de test en rel. Ceci est d au fait que les coefficients de porte identifis sont inexactes.

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2.3 Rglage coefficients sur banc dessaiAprs nous tre longuement documents sur les quadrirotors ainsi que leurs diverses ralisations, il nous a sembl vident que nous devions concevoir un banc dessai afin de pouvoir effectuer nos premiers tests. Il nous a notamment permis de tester la stabilisation du quadrirotor en isolant un axe de lautre afin de dcomposer le problme.

2.3.1 - ConstitutionLe banc dessai tait constitu dune tige mtallique parallle au sol et solidement fixe chaque extrmit. Nous y fixions un axe du quadrirotor afin de pouvoir tester son axe orthogonal.

2.3.2 - ProtocoleAfin deffectuer nos essais sur la stabilisation dun axe, nous oprions selon un simple protocole dfini par nos soins : Maintenir le drone parallle au sol durant de linitialisation des capteurs (acclromtres et gyromtres) ainsi que des moteurs Augmenter le throttle jusqu atteindre un rgime stationnaire proche de celui ncessaire lenvol du quadrirotor Observer le comportement du quadrirotor et lui affecter des perturbations extrieures

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2.3.3 - StabilisationPour stabiliser le drone, nous devions appliquer un PID par axe, cependant nos recherches ainsi que diffrents tmoignages nous ont orients sur laffectation dun PD uniquement. Aussi, plusieurs choix soffraient nous, asservir le quadrirotor en angle ou en vitesse angulaire, nous avons opt pour lasservissement en angle, car nous disposions de donnes capteurs pr filtres en angle (pour le P) ainsi quen vitesse angulaire (pour le D). Le gain proportionnel (P) a donc t affect la diffrence de langle capt par rapport une consigne (rfrence) dabord fixe 0 (angle plat) pour stabiliser le drone lhorizontale. Par la suite, nous pourrons faire varier la consigne pour diriger le drone en le stabilisant autour dun angle non nul. Le gain driv (D) est affect la diffrence de vitesse angulaire retourne par le gyromtre par rapport 0. En effet, en drivant langle, nous obtenons une vitesse angulaire qui, si nulle, indique que langle ne varie par rapport sa valeur prcdente. Cette action a pour effet dattnuer les oscillations gnres par laction proportionnelle.

2.3.4 - Dbogage en communication sans filAfin de pouvoir surveiller les valeurs de nos diffrentes variables (angle, puissance des moteurs, action du P, action du D) et mieux comprendre le comportement de notre drone, nous avons implment une liaison srie sans fil au moyen dun module XBee. Cette liaison srie nous a t dune grande utilit pour dboguer ainsi que pour saisir les diffrentes donnes et terme les envoyer la station sol.

2.3.5 - Rglage du PIDNotre modle matlab ntant pas fidle la ralit, nous avons d dterminer le PD par lexprimentation. Pour ce faire, nous avons procd de la manire suivante. Nous avons dans un premier temps, dsquilibr le drone sur le banc dessai et y avons appliqu un P uniquement afin de nous rendre compte de leffet du D sur la stabilisation dun axe. Nous avons donc dabord affect des valeurs extrmes, puis progressivement rduit lintervalle. Ensuite, lorsque nous obtenions une correction avec un D suffisamment lev lui permettant de se rtablir mais induisant de fortes oscillations et une correction avec un faible D ne lui permettant pas de se rtablir compltement mais sans effets de bords, nous avons procd par dichotomie. Nous sommes ainsi parvenus obtenir une stabilisation autour de notre consigne avec de moindres oscillations, cest alors que nous nous sommes penchs sur laction drive que nous avons dtermine selon le mme procd. Nous avons ainsi obtenu un premier couple PD (0.775, 0.031) permettant une stabilisation robuste du drone bien que de petites oscillations persistaient. En effectuant davantage de tests, nous avons constat quil nexistait pas un, mais plusieurs couples PD que nous obtenions en y affectant un facteur k (0.775k, k), nous avons alors cherch le plus petit couple permettant une stabilisation effective et robuste et nentrainant aucune oscillation. Nous avons obtenu cette stabilisation trs satisfaisante avec un k gal 1/2 (0.39, 0.015)

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2.3.3 - Limites du banc dessaiLe banc de tests avait tout de mme ses limites, en effet, la fixation du drone impliquait une force de raction du support ainsi que des frottements qui nexistaient pas en conditions relles. Ainsi, une bonne stabilisation sur le banc de tests sest rvle tre moins effective en vrai car elle ne refltait pas tout fait la ralit. Cette diffrence est ce qui nous a entre autre entrains continuer nos tests sur la stabilisation du quadrirotor. Aussi, nous ne pouvions tester quun axe la fois et donc, nous ne subissions pas leffet dun axe sur lautre (bien que dans la thorie, il soit cens tre nul pour un quadrirotor parfaitement quilibr). La stabilisation du drone restait tout de mme trs bonne, cependant un important effet induit nous a chapp : leffet de lacet. Bien que stable sur les angles x et y, en conditions relles le drone sest rvl tre trs instable sur son angle z.

2.4 Programmation embarque2.4.1 Centrale inertielleLa centrale inertielle prsente un bon rapport qualit prix et est donc abordable pour les particuliers. Cest srement ce qui explique quune communaut de dveloppeurs et de passionns de modlisme ait vu le jour sur Internet. Le constructeur de lIMU met disposition, via le site DIY Drones (Do It Yourself Drones), diffrents firmwares complets programmer sur lIMU. Ceci nous a permis de gagner un temps prcieux car la quasi-totalit des fonctionnalits lmentaires sont dj implmentes dans les diverses versions du firmware. De cette manire, en tudiant le code fourni nous avons pu utiliser les fonctions suivantes : acquisition des capteurs embarqus : les 3 gyromtres et lacclromtre 3 axes sont relis au calculateur de lIMU par des liaisons analogiques. Ainsi des conversions analogique/numrique (ADC) sont ncessaires pour obtenir les valeurs des capteurs. Un premier filtrage est appliqu, en corrigeant les valeurs acquises par rapport la prcdente. Ceci donne des rsultats tout fait satisfaisant car nous observons un bruit damplitude 30 pour une chelle de valeurs de 16 bits signs soit -32768 32768 pour les gyromtres. calcul des angles de roulis et de tangage : cette fonction est implmente dans le firmware et permet dinterprter la valeur de chaque angle et la vitesse angulaire partir des capteurs afin des les exploiter facilement. envoi des informations au calculateur principal par lintermdiaire dune liaison srie.

2.4.2 Calculateur principalPour raliser les fonctions imputes notre calculateur nous avons choisi dutiliser un microcontrleur de la famille dsPIC33F. Celui-ci doit, selon larchitecture dfinie par nos soins, accomplir les tches suivantes : faire lacquisition de 4 canaux de radiocommunication. Cette fonction est assure par les modules Input Capture disponibles qui permettent de mesurer la largeur du signal PWM provenant du rcepteur radio. Le principe est simple : un timer

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dont la frquence est connue et utilise ; chaque front montant et descendant la valeur du timer est releve et la diffrence de ces deux valeurs constitue la largeur du signal PWM. rceptionner les valeurs des capteurs de la centrale inertielle par liaison srie, en sassurant de la cohrence des donnes reues. Les deux modules UART du dsPIC sont utiliss, lun pour communiquer avec la centrale inertielle, et lautre pour dialoguer en Zigbee avec la station sol. effectuer les calculs pour le rgulateur PD ralisant la stabilisation du drone. Les commandes des moteurs sont ainsi dduites des donnes de la centrale inertielle ainsi que du throttle demand. gnrer les 4 signaux PWM destination du contrleur de chaque moteur. Ces signaux PWM reprsentent les commandes envoyes aux moteurs. Ils sont gnrs par les modules Output Compare du dsPIC. faire lacquisition et la conversion analogique numrique (module ADC) des tlmtres ultrasons. gnrer les 3 signaux PWM permettant le contrle de servomoteurs. Puisquaucun autre module Output Compare nest disponible, chacune des 3 PWM est gnre manuellement laide dun timer qui lui est propre. En faisant varier la priode du timer, on met le port concern ltat haut pendant un temps correspondant la valeur de notre PWM (entre 1 et 2ms), puis ltat bas pour complter les 20ms, obtenant ainsi un signal PWM 50Hz.

Nous avons utilis deux types de tlmtres ultrasons lors de notre projet : un LV-MaxSonar-EZ0 et un LV-MaxSonar-EZ4.

Lintrt davoir choisi deux tlmtres diffrents est quils ont une porte de mesure de 0 6,45m et quils possdent des cnes de dtection diffrents : un cne large pour lvaluation de la distance au sol et un cne plus fin (et donc plus prcis) pour la dtection dobstacles autour du drone. En ce qui concerne ce dernier, il a t utilis avec un servomoteur afin de pouvoir assurer une rotation denviron 180 degrs et dtre capable de dtecter les obstacles sur sa gauche, en face de lui et sur sa droite, et ce de manire continue. Ainsi, il nous tait possible de rcuprer les valeurs des distances gauche, en face et droite du drone trs rapidement.

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2.5 Programmation hte (station sol)Ce module permet dassurer deux types de liaisons : une liaison montante qui permet denvoyer des instructions au quadrirotor et une liaison descendante qui permet de rcuprer les donnes envoyes par les capteurs situs sur le drone. Ces dernires sont rcupres grce au protocole XBee sous la forme dune trame forme avec les valeurs des capteurs et des sparateurs. En ce qui concerne linterface graphique de la station sol, celle-ci comporte deux onglets (qui nont pas tous t exploits) : Capteurs : cet onglet regroupe laffichage des valeurs des diffrents capteurs embarqus (acclromtre, gyromtre, magntomtre), des angles (roulis, tangage), du throttle et des vitesses des quatre moteurs. Graphiques : cet onglet comprend quatre graphiques sur lesquels il est possible dafficher lvolution de diffrentes valeurs de capteurs, modifiable laide dun menu droulant.

La station sol a t ralise avec le langage C++ pour toute la partie dveloppement, rcupration et exploitation des donnes des capteurs et les librairies QT et Qwt pour linterface graphique proprement parler.

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III BILAN DU PROJET3.1 Rsultats obtenusEn bilan de ce projet, nous sommes parvenus raliser un quadrirotor stable en angle et vitesse angulaire. La stabilisation est robuste et ninduit que dinfimes oscillations peine perceptibles en rgime stationnaire (du moins sur banc). Pour des questions de temps, la correction en lacet consiste en lapplication dun gain en boucle ouverte. Cette correction est suffisante pour annuler quasi-compltement leffet de lacet. En plus de la stabilisation en tangage et roulis par laffectation dun couple PD, le quadrirotor est contrlable sur ces axes. La ralisation lectronique est aboutie, mais tous les lments nont pas t intgrs sur le PCB final. En raison de nos difficults stabiliser le drone, nous avons effectu la stabilisation directement sur lIMU afin de rduire les erreurs par exemple. La station sol destine rceptionner les diffrentes donnes est oprationnelle. Nous y rceptionnons les valeurs des gyromtres et des trois axes de lacclromtre, la puissance du throttle, la valeur des quatre moteurs ainsi que les angles de tangage et roulis. Les fonctions statistiques et graphiques sont galement excutes.

3.2 Difficults rencontresDans un premier temps, compte-tenu de la nature du projet, il nous a t difficile de dterminer lampleur de la tache. La ralisation dun drone quadrirotor offre de nombreuses possibilits en matire dapplications, comme explicit dans la partie poursuite du projet. La plus grande difficult rencontre lors de ce projet de fin dtude fut la stabilisation du drone. Nous nous sommes longtemps penchs sur le modle thorique ralis laide de la suite logicielle Matlab Simulink. Cependant celui-ci ntant pas fidle notre fabrication et son comportement rel, car nous navons pas t capables didentifier correctement les coefficients aronautiques, ne nous a pas donn de bons rsultats. Nous avons donc d stabiliser le drone par la voie de lexprimentation en utilisant un banc de test. Les coefficients du rgulateur qui nous faisaient dfaut ont t dtermins de cette manire. Certains des capteurs ncessitaient lemploi de bus de communication de type SPI et IC que nous ne connaissions pas et qui se sont avrs difficiles mettre en uvre. Enfin, dune manire gnrale nous avons mal estim la dure attribuer certaines taches, ce qui au final ne nous a pas permis de finir tout ce que souhaitions entreprendre.

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3.3 Poursuite du projetNous proposons dans cette partie diverses possibilits de poursuite du projet. La premire tape qui simpose est une correction plus robuste et plus rigoureuse en lacet. Ensuite, il faudrait stabiliser et asservir le drone quadrirotor en position. Ces deux tapes effectues, le drone sera viable pour lui appliquer diverses missions. Nous pourrions intgrer un algorithme de guidage laide du GPS et des diffrents capteurs (ultrasons, baromtre). Couple aux donnes capteurs, limplmentation de traitement dimages embarques offrirait toute un panel dactivits que lon pourrait imaginer (ex : dtection de formes spcifiques, tracking dobjets, etc.). Enfin, lintgration dun algorithme dcisionnel li de lintelligence artificiel le rendrait compltement autonome pour des missions plus pointues.

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CONCLUSIONAu terme de ce projet, nous pouvons dire que nous sommes fiers du travail que nous avons effectu car nous avons russi obtenir un quadrirotor stable en angle et vitesse angulaire, contrlable en tangage ou roulis. Qui plus est, larchitecture lectronique finale a t totalement aboutie. Malheureusement, nous navons pas pu raliser dasservissements de haut niveau (position, trajectoire) par manque de temps. Les suites qui pourraient tre donnes ce projet consistent en lintgration dalgorithmes de guidage, de traitement dimages embarqu et dalgorithme de dcision. Nous esprons que ce projet pourra tre repris par un autre groupe dtudiants dans les annes venir car, ayant pass beaucoup de temps pour assurer la stabilisation de notre drone, nous navons pas pu travailler sur son automatisation mais il serait intressant pour dautres lves dutiliser notre quadrirotor comme base de travail.

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ANNEXES

1 ABSTRACT .................................................................................... 31 2 BIBLIOGRAPHIE ............................................................................. 33 3 GLOSSAIRE ................................................................................... 34

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[Abstract]cole Centrale dlectronique Systmes Embarqus 2009-2010 [email protected]

PROJET DE FIN DTUDESRALISATION DUNDRONE QUADRIROTORUn quadrirotor est un vhicule volant constitu de quatre hlices, chacune situe au bout des branches dune croix. Grce ce type de structure, lengin peut se dplacer dans toutes les directions par translation. De nos jours, les vhicules autonomes tendent de plus en plus remplacer ltre humain lorsque les conditions sont trop hostiles pour que celuici puisse y tre en scurit. Cest le cas des drones, qui sont utiliss des fins militaires ou de reconnaissance dans des endroits sinistrs par exemple. Un drone est un vhicule volant nembarquant aucun pilote humain son bord. On en trouve sous plusieurs formes, allant de lavion lhlicoptre, en passant par des drones en forme dinsectes battant des ailes. Le but du projet Coriolis tait la ralisation dun drone quadrirotor se stabilisant de manire autonome en vol. Pour ce faire, le vhicule est quip dune centrale inertielle munie dacclromtres et de gyromtres. Ils sont utiliss pour dterminer les angles de tangage, roulis et lacet du vhicule ainsi que sa position dans lespace. Ensuite, un calculateur estime les vitesses de rotation affecter chaque moteur pour corriger lassiette du vhicule. Ces donnes sont galement transmises une station au sol. En tant que projet de fin dtudes, ce projet a regroup toutes les thmatiques majeures du monde des systmes embarqus, savoir llectronique, linformatique, lautomatique et la modlisation numrique Ce projet nous a galement permis de dcouvrir ou dapprofondir connaissances concernant le monde de laronautique et des drones en particulier. Auteurs : - Jrmie Sangar, chef de projet [email protected] - Arnaud Buirette [email protected] - Issa Fortin [email protected] - Alexandre Jumeline [email protected] - Bndicte Watier [email protected] nos

[Abstract]cole Centrale dlectronique Masters degree in Engineering 2009-2010 [email protected]

FINAL YEAR PROJECTREALIZATION OF A QUADROTOR UAVA quadrotor is a flying aircraft with four propellers, each one located at the tip of a cross. With this kind of structure, it can move in every direction using a translation motion. Nowadays, autonomous machines are used to replace humans when environment is too hazardous. UAVs are used in this way, by armies to do some reconnaissance missions for instance. A UAV is a flying engine without any human pilot on board. There is a large variety of shape for UAV, planes, helicopters The goal of the Coriolis project was to build a quadrotor UAV that is stable during his flight. To do so, the vehicle is equipped with an inertial measurement unit with accelerometers and gyroscopes. They are used to determine angles of roll, pitch and yaw and the location of the quadrotor. By this way, the central calculator can adjust the values of the motors speed to stabilize the uav in hovering mode during the flight. As a final year project, this project gathered all the important themes of the domain of embedded systems: electronics, computer science, control engineering and simulation. This project permitted us to discover or to learn more about the aeronautics, and UAVs in particular. Authors: - Jeremie Sangare, project leader [email protected] - Arnaud Buirette [email protected] - Issa Fortin [email protected] - Alexandre Jumeline [email protected] - Bndicte Watier [email protected]

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2 Bibliographie Sites de revendeurshttp://www.sparkfun.com/ http://www.hobbycity.com/ http://www.selectronic.fr/

Projets existants et sujets de thseshttp://www.beugnet.fr/projets/fichiers/rapportquadri.pdf o PID vs LQ Control Techniques Applied to an Indoor Micro Quadrotor, by Samir Bouabdallah, Andr Noth and Roland Siegwart Stabilization of a Mini Rotorcraft with Four Rotors, By Pedro Castillo, Rogelio Lozano, and Alejandro Dzul A Prototype of an Autonomous Controller for a Quadrotor UAV, by Ian D. Cowling, Oleg A. Yakimenko, James F. Whidborne, and Alastair K. Cooke Path Tracking Control for Quadrotor Helicopters, by Katie Miller Quadrotor Helicopter Flight Dynamics and Control : Theory and Experiment, by Gabriel M. Homann Haomiao Huang Steven L. Waslander Claire J. Tomlin Quadrotor Helicopter Trajectory Tracking Control, by Gabriel M. Homann , Steven L. Waslander ESTIMATION DE LATTITUDE ET COMMANDE BORNEE EN ATTITUDE DUN CORPSRIGIDE : APPLICATION A UN MINI HELICOPTERE A QUATRE ROTORS par Jos Fermi GUERRERO CASTELLANOS

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Documentation techniqueDocumentation Microchip pour Pic18f, dsPIC30f, dsPIC33f, et librairies C18 et C30 Documentation technique de chaque capteur, disponible sur le site de Sparkfun

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3 Glossaire Quadrirotor Appareil volant, relativement petit, comportant 4 rotors pour sa sustentation, gnralement placs aux extrmits dune croix dont le centre contient llectronique de contrle. Lacet Mouvement de rotation horizontal dun appareil volant autour dun axe vertical. Tangage Mouvement de rotation dun appareil volant autour de laxe transversal. Roulis Mouvement de rotation dun appareil volant autour de son axe longitudinal. ZigBee Protocole de haut niveau permettant la communication de consommation rduite pour les rseaux dimension personnelle. petites radios,

dsPIC Microcontrleur de la socit Microchip, architecture 16 bits, adapt aux applications de traitement du signal, cur de DSP et oprations cables. Acclromtre Capteur qui, fix un mobile ou tout autre objet, permet de mesurer lacclration de ce dernier. Gyromtre Capteur de mouvement mesurant la vitesse de rotation du rfrentiel du capteur par rapport un rfrentiel inertiel suivant un ou plusieurs axes. Tlmtre ultrasons Appareil ou dispositif permettant par ultrason de dterminer la distance dun objet. Magntomtre Appareil qui sert mesurer laimantation dun systme. Il en existe trois types principaux : le VSM (Vibrating Sample Magnetometer), lAGFM (Alternating Gradient Force Magnetometer) et le SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Baromtre Instrument de mesure servant mesurer la temprature et la pression atmosphrique. GPS Sigle qui signifie Global Positioning System et dcrivant le principal systme de positionnement par satellites mondial actuel. Servomoteur Moteur conu pour produire le mouvement prcis dun lment mcanique selon une commande externe. Throttle Commande des gaz dterminant la puissance des moteurs

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IMU Sigle pour Inertial Measurement Unit, ou centrale inertielle qui est un appareil de navigation de prcision comportant des gyroscopes, des capteurs dacclration et de vitesse angulaire et calculant en temps rel partir de ces mesures lvolution du vecteur vitesse ainsi que de son attitude (roulis, tangage, lacet). UAV Sigle pour Unmanned Aerial Vehicle qui est la traduction anglaise du mot drone. Rgulateur PID Organe de contrle permettant deffectuer une rgulation en boucle ferme dun systme industriel. PWM Sigle pour Pulse Width Modulation, qui signifie modulation de largeur dimpulsion, est une technique couramment utilise pour synthtiser des signaux continus laide de circuit fonctionnement tout ou rien, ou plus gnralement tats discrets. ESC Sigle pour Electronic Speed Controller, qui est un circuit lectronique dont le but est de faire varier la vitesse et la direction dun moteur lectrique. Firmware Traduction anglaise de micrologiciel, logiciel intgr dans un composant matriel. SPI Sigle pour Serial Peripheral Interface qui reprsente un bus de donne srie synchrone oprant en Full Duplex. Les circuits communiquent selon un schma matre-esclaves, o le matre soccupe totalement de la communication.

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