CREATION D'UN DRONE

Par l'équipe SAVATE

Nous sommes une équipe constitué d'étudiants en Master 2 - Systèmes Avancés et Robotique. Nous avons participé à Game of Drones cette année et cette page vous présente notre drone. Pour info, le nom de l'équipe vient simplement d'un mélange des premières lettres de nos prénoms:

• Alexandre Esse (Chef d'équipe) <prénom.nom@gmail.com>
• Timothé Leroux (Pilot d'essai et conception)
• Eric Gibier (Fabrication)
• Samuel Delalez
• Valentin Delahayes
• Adrien Malaisé

Sommaire du Tutoriel:

• Materiel
• La Frame
• La Motorisation
• L'alimentation

Nous rappelons que la conception et l'utilisation d'un drone est soumis au respect de la loi: (http://www.developpement-durable.gouv.fr/Demarches-pour-effectuer-des.html)

• 4 x SUNNYSKY X2212 980KV (4 x 24,99€): http://www.drotek.fr/shop/en/home/104-sunnysky-x2212-brushless-motor.html
• 4 x 30 A OPTO ESC (4 x 14,50€): http://www.drotek.fr/shop/en/home/182-opto-esc-30a-simonk-brushless-controller.html
• 2 x Paires d'helices 10×4.5” CW et CCW (2 x 3,50€): http://www.drotek.fr/shop/en/home/78-epp1045-propellers.html
• Batterie LiPo 3S (20€): http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=32627
• Chargeur et balanceur de batterie (20€): http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__7028__Turnigy_Accucel_6_50W_6A_Balancer_Charger_w_Accessories.html
• 3A UBEC (3,50€): http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__4319__TURNIGY_3A_UBEC_w_Noise_Reduction_EU_warehouse_.html
• Contrôler de vol ArduFlyer V2.5.2 (100€): http://www.drotek.fr/shop/en/home/296-arduflyer-v252-kit-flight-controller.html
• Télécommande et émetteur RC 2.4GHz (100€)

Cela nous donne donc un budget minimum de 408.50 € sans compter la frame et les pièces de rechange.

• Imprimante 3D: MakerBot Replicator 2X
• Fer à souder / Étain / Gaine thermorétractable
• Ordinateur

• Solidworks 2014
• MakerBot MakerWare
• Mission Planner

Nous avons décidé d'entièrement imprimer la frame du drone en 3D pour avoir une plus grande liberté de design.
Elle est composée des éléments suivants:

• Un support anti-vibration sur lequel on fixera le contrôleur de vol.
• La partie supérieure du châssis - qui supportera le support anti-vibration - et la partie inférieure.
• Les 4 bras qui seront encastrés entre les 2 parties ci-dessus.

Voici un aperçu d'une partie de celle-ci, sans le support anti-vibration du contrôleur de vol :

L'imprimante 3D accessible au PMCLab est une Replicator 2X de MakerBot. L'un des avantages de ce modèle est de pouvoir utiliser 2 couleurs durant l'impression. Si vous ne savez pas comment utiliser l'imprimante, vous pouvez demander de l'aide à un autre membre du PMCLab, consulter ces vidéos ou lire le manuel, la page wiki n'étant pas disponible pour l'instant .

Pour pouvoir imprimer des pièces, il faut utiliser le logiciel MakerWare téléchargeable gratuitement. Il permet de faire le lien entre un modèle 3D et l'imprimante via l'utilisateur qui spécifie les paramètres d'impression. Pour plus d’informations, là encore vous pouvez demander de l'aide ou lire de manuel .

• *MakerWare ne peut ouvrir que 3 types de fichier (.stl, .obj, .thing). Nous fournissons dans ce tutoriel les fichiers .stl des différentes parties du drone créées sous SolidWorks. Si vous voulez modifier les pièces et que vous ne disposez pas de SolidWork, des logiciels gratuits de modélisation 3D comme Blender peuvent importer les modèles 3D. L'impression des pièces est longue, prévoyez donc environ 1 semaine pour tout imprimer, surtout si d'autres membres l'utilise. La durée dépend aussi de paramètres d'impression. ====Etape 1 : Le support anti-vibration==== Le contrôleur de vol sera fixé sur le support anti-vibration, lui-même posé sur la partie supérieure du châssis. Il est également composé de plusieurs pièces : * La plaque supérieure supportant le contrôleur de vol * La plaque inférieure fixée au châssis * Des joints anti-vibratoires fait maison! Voici un aperçu du support complet :
  ===Les plaques=== Les modèles STL des plaques proviennent du site Thingiverse de MakerBot, où l'on peut trouver des modèles 3D à imprimer. Durée d'impression : 35~45min x2
  Télécharger les fichiers STL ===Les joints=== Pour les joints, on a décidé d'imprimer un moule et de les créer nous même avec du mastic. On vous conseille de les laisser sécher assez longtemps pour ne pas avoir de problèmes.
  Durée d'impression du moule: 35~45min x2
  Durée de séchage des patins anti-vibration: 2~3 jours
  Télécharger le fichier STL Placer les deux parties du moules dans un étau et coulez le silicone à l’intérieur: ====Etape 2 : Le châssis==== Le châssis est divisé en 2 pièces. ===Partie supérieure=== Pour cette partie, on a spécifié un taux de remplissage de 50% pour la rendre plus solide donc l'impression est longue. Durée d'impression : ~4h30
  Télécharger le fichier STL ===Partie inférieure=== Durée d'impression : ~3h
  Télécharger le fichier STL —- =====La motorisation===== ===Les moteurs Brushless=== La motorisation de notre drone est assurée par quatre moteurs brushless SunnySky 2212-13 de 980Kv.
  
  Les moteurs brushless on différents avantages pour notre application: * Rendement et puissance idéal pour un multicopter * Couple maximal dès le démarrage * Bonne durée de vie par rapport aux moteurs à balais Il y a cependant des inconvenants: * Complexité et prix du système de commande (Voir section ESC) * Faible autonomie (particulièrement, les moteurs à fort Kv qui sont gourmands en énergie) Le Kv ( Motor velocity constant ) est la caractéristique physique d’un moteur exprimée en tours par minute par volt. Et donc la vitesse de rotation v d'un moteur alimenté par une tension U est définie par: v = U x Kv
  Un moteur brushless est composé d'aimants et de bobines. L'image ci-dessous montre un moteur simple à 3 pôles (Cliquer sur l'image pour avoir une animation). Le Kv est en grande partie fonction du nombre de spires et du diamètre de fil utilisé pour ces bobinages. D'ailleurs, plus le diamètre des fil est grand, plus la résistance interne sera petite et donc, plus l'intensité de courant (Ampères) pouvant passant dans le moteur est élevée.
  Le choix du Kv est important est sera fonction de l'utilisation faite du multicopter. Nous conseillons pour un quadcopter un Kv entre 750 et 1000, sachant que:
  * Petit Kv → Plus de couple, plus de puissance et de capacité de charge utile. (Un moteur à faible Kv est dit “coupleux”.) * Grand Kv → Plus de vitesse, plus d'agilité et de capacité acrobatiques. Connaissant la nature de la compétition Game of Drone, nous avons sélectionné des moteurs à haut Kv pour assuré de l'agilité et de la performance dans les courses entre drônes. (Le multicopter a d'ailleurs remporté le prix du drone le plus rapide de la compétition ) ===Les ESC=== Comme vu sur l'image animée du moteur, on remarque que les moteurs brushless ont besoin d'alterner l'alimentation des 3 bobines pour faire tourner l'arbre moteur. En effet, un moteur brushless possède plusieurs pôles de trois bornes chacune décalées à 120° l'une de l'autre. Il fonctionne donc grâce à un signal sinusoïdale triphasé. Ce signal est délivré par les ESCs (Electronic speed controlers). Ces ESC sont eux même commandés par un signal pulsé appelé PWM (Pulse-width modulation) qui est une modulation de la largeur d'impulsion. Ce signal délivré par le contrôleur de vol commandera grâce à la largeur d’impulsion la vitesse de rotation du moteur.
  Controleur de vol→-ESC→-Moteurs
  Il existe plusieurs types d'ESC délivrant différents niveaux de courants. Le plus souvent les ESC comportent un BEC (Battery Eliminator Circuit) intégré qui permet par exemple d'alimenter le contrôler de vol. D'autres ont une commande isolé par opto-coupleur (isolation galvanique par signal lumineux) et sont souvent qualifié d'ESC OPTO mais n'ont pas de sortie BEC 5V. L'avantage est la sécurité de ne pas grillé les RX et l'inconvénient et qu'il faut ajouter un BEC au montage pour alimenter le contrôleur de vol.
  Nous avons alors choisis des ESCs OPTO de RcTimer délivrant 30A. C'est un peu élevé pour nos moteurs mais qui peut le plus peut le moins … Des ESCs de 20A auraient suffit.
  Un autre avantage de ces ESC est qu'ils n'ont pas de connecteurs de sortie longs ce qui évite de les faire se toucher et de griller notre ESC… En effet: Ne pas connecter deux sorties d'ESC ensemble lors du fonctionnement. Cela casse les ESC directement…
  Le choix des ESC doit aussi se faire en fonction des batteries utilisées. Référez-vous aux sites vendeurs pour vérifier ce point.
  Un autre point important des ESC est le firmware. Les ESC sont composées de transistors de puissances commandés par un microcontrôleur. Chaque microcontrôleur est flashé avec un programme appelé firmware qui commande l'ESC en fonction de son entrée. Les firmware sont propre à chaque microcontrôleur et donc à chaque ESC. Chaque firmware est spécialisé pour un type d'application et le plus souvent les firmware de base sont fait pour des avions qui nécessitent une réponse moins rapide des moteurs. Les ESC que nous utilisons sont basés sur des microcontrôleur ATmega et sont donc flashable par le célèbre firmware SimonK (https://github.com/sim-/tgy). Nous avons acheté ces ESC déjà flashés. D'autres firmware existent notamment pour les microcontrôleur SciLabs comme BLHeli (https://github.com/bitdump/BLHeli).
  Pour vous montrer la différence qu'il peut y avoir d'un firmware à l'autre, voici une vidéo:

  ===Les Hélices=== Pour les hélices nous avons utilisé des 10×4.5“ et des 9×4.5”. Le premier chiffre représente le diamètre des hélices et le deuxième le pas de celle-ci. Ces dimensions sont en pouces (1 pouce = 2,54 centimètres). Il faut choisir ses hélices en fonction de la taille de son drone et de l'application visée. Des hélices plus petites génèrerons moins de résistance dans les moteurs et permettrons donc un vol plus nerveux par contre, moins on tourne vite plus les hélices doivent être grande pour assurer une certaine stabilité. —- =====L'alimentation===== ====La batterie==== Pour ce concours nous avons choisis de commander trois batteries. C'est à mon avis le minimum pour être flexible entre la charge, l'utilisation et les imprévus.
  Les Batteries sont à manipuler avec précaution…

  Nous recommandons donc de stocker vos batteries dans un sac spécifique: Les batteries utilisées sont des batteries LiPo (Lithium Polymère). Elle ont l'avantage de délivrer une puissance constante au cours de l'utilisation et d’être légères par rapport aux autre technologies plus anciennes. Ces Batteries sont composées d'éléments de tension nominale 3,7V. Un élément chargé aura une tension de 4,2V, valeur qu'il ne faut pas dépasser! Il faut aussi veiller à ne pas passer en dessous de 2,8V car la destruction advient à 2,5V.
  Sachant que ces batteries doivent garder une certaine harmonie dans le niveau de leurs cellules, il est important des les “équilibrer”. Un équilibrage consistera donc à décharger les cellule à voltage trop élevée et charger celles qui sont trop basses. Pour cela, la batterie comporte un connecteur à brancher au “chargeur équilibreur” pour mesurer le voltage aux bornes de chaque cellules. Lors de la charger mettez donc le mode equilibrage ou blance mode.
  Nous avons utilisé des batteries contenant 3 cellules (S) montées en série, c'est à dire 1 ligne (P) de cellules autrement dit des batteries 3S1P. Ces batteries délivrent donc une tension nominale de 3 x 3,7V = 11.1V.
  Nous avons choisi de prendre des batteries de 3300mAh ce qui nous permet de voler près de 10 minutes. Plus vous choisissez des batteries à mAh grand, plus le poids sera élevé, plus le temps de vol sera long. Il faut trouver le bon compromis pour pouvoir voler correctement. ====L'UBEC==== L'UBEC, (Ultimate Battery Eliminator Circuit) a une fonction principale, alimenter le contrôleur de vol et le récepteur de télécommande. Plus préformant qu'un simple BEC, l'UBEC fonctionne par découpage pour délivrer les 5V désirés de façon stable.
  11,1V -UBEC→ 5V
  Attention, pour certain UBEC à bien sélectionner l'option 5V avec le cavalier.** (en bleu sur l'image)

Pour stabiliser le quadcopter, il est nécessaire d’être assisté par un contrôleur de vol. Ce contrôleur de vol va faire le lien entre le récepteur de votre télécommande et les ESC contrôlant les moteurs en leur envoyant différentes instructions par PWM. Nous utilisons un contrôleur de vol basé sur un microcontrôleur Atmel AVR ATmega2560 autrement connu sous le nom d'Arduino Mega. Le contrôleur de vol comporte aussi des capteurs permettant de connaitre l'état du drone, en particulier une centrale inertielle comportant un gyroscope et un accéléromètre de type MPU-6050. La carte que nous avons acheté est basée sur l'APM, vendu par la société 3D Robotics, basée aux USA. Pour des problèmes de livraison, nous avons acheté en France un clone appelé Arduflyer. Concernant l'utilisation de ce contrôleur, nous vous renvoyons vers le wiki très bien fait de 3D Robotics à cette adresse: http://copter.ardupilot.com/wiki/introduction/