Transcript 1. Fabriquer un quadricoptère

Classe de seconde SI-CIT
Quadricoptère
Table des matières
1. Fabriquer un quadricoptère...............................................................................................................2
2. Les bases...........................................................................................................................................2
2.1. Le châssis..................................................................................................................................2
2.2. Les moteurs...............................................................................................................................2
2.3. Les ESC....................................................................................................................................3
2.4. Les hélices.................................................................................................................................3
2.5. La batterie.................................................................................................................................3
2.6. La radio-commande..................................................................................................................3
2.7. Le contrôleur de vol..................................................................................................................3
2. Composition.....................................................................................................................................3
3. La carte de commande APM 2.5......................................................................................................4
4. L'émetteur de radiocommande TURNIGY TGY 9X........................................................................6
5. Réalisation........................................................................................................................................7
6. Guide de réglage...............................................................................................................................8
7. Failsafe.............................................................................................................................................9
8. Entrainement...................................................................................................................................10
Un quadricoptère est un objet volant composé de 4 moteurs munis d'hélices, disposés aux 4
extrémités d'une croix en métal, ou autre matériau, le composite carbone étant le nec plus ultra
(meilleur compromis poids/rigidité).
Chaque moteur est relié à un variateur de vitesse, les 4 variateurs étant pilotés par une carte de
commande, qui reçoit ses ordres d'un récepteur de radiocommande.
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1. Fabriquer un quadricoptère
L'objectif de ce projet est de construire un quadricoptère facile à piloter, mais résistant à des
atterrissages un peu brutaux, inévitables en phase d'apprentissage de pilotage. Il sera donc un peu
lourd mais solide.
Le temps de vol en pratique est d'environ 9 minutes avec un accumulateur LiPo 3S de 2.2Ah.
Les spécifications retenues sont :
•
envergure : 68cm (diagonale)
•
poids avec batterie : 1.2kg
•
vol en mode X (soit 2 bras en avant) car avec un appareil photo ou vidéo en emport, la
visibilité est meilleure.
2. Les bases
La première chose à comprendre est « De quoi est composé un drone », dans notre cas un
quadricoptère.
Avant de rentrer dans le détail de chacun des éléments, nous allons en faire la liste :
•
Châssis (ou Frame en anglais)
•
ESCs (Electronic Speed Control)
•
Moteurs
•
Hélices
•
Batterie
•
Contrôleur de vol
•
Radio
2.1. Le châssis1
C’est la structure du drone, c’est sur lui que l'on monte le reste des pièces. De lui dépend le
comportement général du drone mais aussi son autonomie. Un châssis ultra léger permet de gagner
en autonomie. Des bras longs amélioreront la stabilité alors que des bras plus courts permettront des
figures plus acrobatiques.
On en trouve principalement à base d’aluminium ou de fibre de carbone. Il existe des dizaines de
formes différentes. Les châssis en aluminium sont facile à fabriquer et bon marché. Vous trouverez
des dizaines de personnes qui expliquent comment elles ont fabriqué leur chassis pour quelques
dizaines d’euros et un peu d’imagination.
2.2. Les moteurs
C’est eux qui permetront au quadricoptère de voler. Là encore il existe des centaines de modèles
plus ou moins adaptés à l’utilisation que vous allez en faire. Il faut compter entre 15€ et 50€ par
moteur.
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Frame en anglais
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2.3. Les ESC2
Ce sont des petits boîtiers qui vont permettre de contrôler électroniquement la vitesse des moteurs.
Il faut donc un ESC pour chaque moteur. Les prix sont à peu près équivalent aux moteurs à savoir
15€ à 50€.
2.4. Les hélices
Elles doivent être adaptées à la taille de l'engin mais aussi aux moteurs que vous avez choisi. Vous
trouverez généralement des conseils sur la fiche technique de votre moteur. Une hélice coûte
généralement quelques euros.
2.5. La batterie3
C’est la source d’énergie de votre drone. Il en existe des dizaines de modèles très différents et à tous
les prix.
2.6. La radio-commande
Le choix de la radio-commande dépend beaucoup de ce que l'ion veut faire avec le quadricoptère.
Les prix s’étalent de quelques dizaines à quelques centaines d’euros. Elle se compose d’un boitier
de commande et d’un récepteur qui sera placé sur le quadricoptère.
Ex : Turnigy 9X 9Ch Transmitter w/ Module & 8ch Receiver (Mode 1) (v2 Firmware)
2.7. Le contrôleur de vol4
C’est le coeur du drone. C’est lui qui va stabiliser l’engin mais aussi effectuer différentes tâches
plus ou moins complexes comme suivre un plan de vol, atterrir automatiquement, … Il existe de
nombreux pilotes automatiques. Certains dédiés uniquement aux avions ou aux hélicoptères.
D’autre totalement polyvalents. Beaucoup de projets de pilotes automatiques sont Open Source et
chacun peut apporter sa contribution. Citons par exemple Arducopter, OpenPilot ou encore
Paparazzi. Les prix varient d’une centaine d’euros à environ 250€.
Le choix du matériel est une étape longue et fastidieuse. C’est pourquoi de nombreux sites
proposent des kits complet prêt à monter. Il faut compter au minimum 500€ pour les premiers kits.
Il est possible de se faire son propre kit pour un peu moins cher mais cela n’est finalement pas
évident. Vous devrez faire des sacrifices sur la qualité de certaines pièces et vous risquez de perdre
pas mal d’argent en frais de ports ou taxes de douanes lors de commande à l’étranger. Au final les
kits sont de bons moyens de démarrer avec une base solide et sûr.
2. Composition
Le quadricoptère se compose de :
2
3
4
•
1 chassis (support de cartes, batterie, accessoires...) , fabrication personnelle en dural
•
4 bras (supports des moteurs, train,...), fabrication personnelle en dural et epoxy
•
4 moteurs brushless 12V, de poussée adaptée au poids de l'appareil
Electronic Speed Control
type Lipo : Lithium polymère Ion
pilote automatique
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Ref AC2830-358, 850Kv (17.40€)
•
4 hélices plastique 10x4.5 : 2 dans chaque sens
Hélice 10x4.5 Sens horaire CW 1045 (1.69€)
Hélice 10x4.5 Anti-horaire CCW 1045 (1.69€)
Remarque : pour débutant, commander 10 hélices de chaque sens minimum...
•
1 récepteur de radiocommande 2.4GHz 8 canaux
Recepteur FrSky V8FR-II-HV 8CH – 2.4Ghz (29€)
•
1 carte de commande, pilotée par le récepteur, qui envoie ses ordres aux variateurs de
vitesse
ArduPilot Mega APM 2.5 DIYDRONES (195€)
•
4 variateurs de vitesse (ou ESC's) qui pilotent les moteurs en triphasé
ArduCopter ESC 20 Amp (17,40€)
•
1 émetteur de radiocommande 2.4GHz 9 canaux sans module, firmware V2
TURNIGY TGY 9X (42€)
•
1 module émission
FrSky DJT 2.4Gh (30€)
•
1 batterie LiPo 3S 11.1V 2,2 à 2.6 h, décharge >30C
LIPO Hyperion G3 VX - 11,1V 3S 2600mAh 35C/5C (47.90€) à longue durée de vie
ou Zippy 2100maH 3S1P 35C (25€)
•
1 chargeur automatique pour Lipo
HKC6 Hobbyking (32.90€)
•
1 Alarme Buzzer modèle perdu (4.50€)
•
1 avertisseur batterie faible (à fabriquer)
•
Cables divers de connexion
Il est important de ne pas trop décharger une batterie LiPo sous peine de diminuer sa durée de vie.
Le niveau bas pour une 3S doit être>10.2V.
Contrairement aux idées reçues, il est possible, moyennant quelques précautions, de paralléliser des
batteries LiPo identiques.
3. La carte de commande APM 2.5
Cette carte intègre :
•
un Atmega2560
•
un Atmega32-U2 comme programmateur série USB (Arduino Compatible) et encodeur
PPM
•
capteurs intégrés (Invensense 6DoF MPU-6000 ) dont gyromètres, accéléromètres,
capteur de pression (altimètre), magnétomètre, mini-USB pour paramétrages avec un PC,
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GPS 10Hz MT3329 Mediatek, une carte mini-SD avec mémoire dataflash,.
•
12 entrées/sorties analogiques
•
8 sorties PWM
•
update par le port USB
Des extensions sont disponibles pour ajouter par exemple un sonar, qui permet de maintenir
l'altitude à 20cm près, un capteur de défilement optique, un support pour appareil photo avec
déclenchement télécommandé, etc...
Voici une vue de la carte APM 2.5 (Ardupilot Mega APM 2.5):
L'APM 2.5 permet de commander en temps réel 10 modes de vol différents, dont un vol stabilisé
simple, un vol à hauteur fixe, un retour automatique à la base de départ , un mode acrobatie
(commutation par inverseurs sur la radiocommande).
De ce fait, un débutant en télécommande peut se lancer sans trop de risques (sauf quelques
atterrissages malencontreux au début, et quelques hélices cassées...).
Du fait de la disparité de puissance et de dimensions des machines pouvant être pilotées par une
telle carte, il est nécessaire de pouvoir paramétrer un certain nombre de variables du programme de
pilotage intégré, basé sur des correcteurs PID, dont voici un synoptique :
Un correcteur est un algorithme de calcul qui délivre un signal de commande à partir de la
différence entre la consigne et la mesure.
Le correcteur PID agit de 3 manières :
•
action Proportionnelle : l'erreur est multipliée par un gain G
•
action Intégrale : l'erreur est intégrée et divisée par un gain Ti
•
action Dérivée : l'erreur est dérivée et multipliée par un gain Td
Plus d'information.
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Les variables se paramètrent par l'intermédiaire d'un logiciel spécifique appelé APM Mission
Planer, qui permet de télécharger le firmware spécifique au quad, de le paramétrer, et de planifier
des missions (en rentrant des coordonnées GPS que le quad suivra en mode automatique).
On peut également analyser les paramètres après un vol (log).
La difficulté peut venir du fait que ce logiciel est en anglais, ainsi que le forum qui lui est associé.
4. L'émetteur de radiocommande TURNIGY TGY 9X
Cet émetteur bas prix est malheureusement doté d'un
firmware très limité.
Il existe un autre firmware « ER9x » qui permet d'atteindre
les mêmes performances que des appareils beaucoup plus
chers.
Il faut pour cela reflasher le firmware.
Utiliser la version ER9x avec chip ATMEGA 64A.
Ceci nécessite un programmateur AVRisp ISP10 par
exemple (installer le pilote et l'éxécutable).
L'éxécutable est « eXtreme Burner – AVR 1.3 Beta Test »
Il faut cabler une prise de programmation dans l'émetteur.
Il faut installer le module d'émission FrSky DJT 2.4Gh à
l'arrière de l'émetteur, dans le logement prévu à cet effet,
ce qui nécessite également une intervention dans le boitier
(support du connecteur).
La commutation de 6 modes de vol se fait avec les
inverseurs AUX3 (3 pos) et AIL D/R.
Il faut programmer le mode MIXER avec les paramètres suivants :
•
CH5 59% HALF ID0
•
CH5 +9% HALF ID1
•
CH5 -41% HALF ID2
•
CH5 -26% HALF AIL
•
CH7 100% FULL TRN
Pour les autres voies :
•
CH1 -100% AIL roulis
•
CH2 100% ELE tangage
•
CH3 100% THR moteurs
•
CH4 100% RUD dérive
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5. Réalisation
Moyennant quelques matériaux disponibles dans les grandes
surfaces bricolage, il est assez simple de réaliser son
quadricoptère.
Bien sur, on peut aussi se procurer une structure(frame) toute
faite et pliable éventuellement.
Voici par exemple un modèle pliable en carbone pour 136€...
Mais il est plus satisfaisant de le faire soi-même si l'on est
bricoleur.
Le matériel nécessaire est basique :
•
une perceuse électrique avec une boite de forêts métal
•
une scie à métaux
•
un étau
•
une scie sauteuse avec des lames pour métaux tendres
•
des limes, des tournevis
•
un fer à souder
Les matériaux à se procurer sont :
•
une boite de CD vide avec couvercle de 5cm de hauteur
•
une plaque de dural de 1.5mm d'épaisseur, pour découper un rond de 14cm de diamètre
•
une plaque de circuit imprimé époxy de 1.5mm d'épaisseur, pour découper un rond de
14cm de diamètre, et qui, dans la photo ci-dessous ,intègre un régulateur +5V pour
l'alimentation de la carte de commande et du récepteur. Ce régulateur extérieur est
fortement conseillé, car celui qui est intégré dans les variateurs de vitesse (BEC) est
fortement parasité.
•
2m de tube alu carré de 15mm et 4 obturateurs plastiques de la même section
•
25cm de tube alu de 6mm ext pour les entretoises des pieds (version train 1)
•
1m de tube epoxy de 6mm (si version train 2 : plus fragile mais plus léger)
•
de la visserie acier de 3mm avec écroux autobloquants
•
de la visserie nylon en 3mm et entretoises
Voici quelques étapes de la construction en photos.
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Pour la connexion de la batterie aux 4 contrôleurs de vitesse, il est
recommandé d'utiliser une platine de connexion comme celle cicontre.
Si la structure doit être peinte, plonger les tubes dans de la soude
caustique pour enlever la couche d'alumine et dégraisser. Rincer à
l'eau claire abondamment. Sécher. Ne pas y poser les doigts, une
fois propres.
•
Passer un primaire pour alu/PVC au pinceau. Laisser
sécher 24h.
•
Peindre les tubes et les pieds à la bombe rouge pour les
tubes avant, noir pour les tubes arrières.
6. Guide de réglage
Lire d'abord le manuel et les instructions ArduCopter pour la configuration.
Les prérequis sont :
•
installer le driver USB (Arduino Mega 2560.inf)
•
installer Mission Planer last version
Le forum donnera des indications pour l'optimisation des paramètres PID.
Il est très important de ne pas négliger cette dernière étape qui est primordiale pour la fonctionnalité
et les performances du quad.
Le tableau des paramètres par défaut du firmware V8.1 est le suivant :
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Après optimisation en vol, les paramètres retenus sont :
7. Failsafe
Le failsafe est une fonction de sécurité intégrée dans le récepteur : en cas de perte du signal de
liaison (émetteur défaillant ou hors de portée), le récepteur envoie des ordres par défaut à la carte de
commande.
Le plus simple est de programmer le failsafe sur le mode de vol RTL (Return To Launch), ce qui, en
cas de problème, fera revenir le quad au point de départ avec atterrissage automatique.
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Ceci se programme comme suit:
•
émetteur en marche sur le mode de vol RTL
•
mettre le récepteur sous tension
•
presser le bouton F/S du récepteur brièvement
... et c'est terminé !
Il faut tout de même vérifier avec Mission Planer que le mode de vol commute bien sur RTL si l'on
coupe l'émetteur.
8. Entrainement
Il est recommandé de débuter avec un petit modèle du commerce, que l'on peut acquérir à prix
modéré chez divers fournisseurs.
En effet, la perte d'un modèle comme décrit ci-dessus est assez onéreuse (>400€).
Il y a plusieurs modèles faciles à piloter et très évolutifs, avec tonneaux et loopings faciles à
éxécuter. Voir par exemple:
•
Hubsan X4 V2 (avec ou sans retour vidéo) à moins de 50€
•
V929, V959, etc...
Récemment, DJI a commercialisé un modèle complet, le Phamtom RTF à 420€ (2014)
Cet appareil intègre un GPS et une boussole pour une navigation aisée. Mais son logiciel est moins
ouvert que celui de la carte APM 2.5.
Toutefois, il n'y a qu'a le mettre sous tension pour voler...
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