FablabSU

L’équipe se compose de la manière suivant:

• Yanis MAZOUZ (Chef de projet)
• Wilson COLIN
• Mégane MILLAN
• Anatole LEPREVOST

Nous sommes tous les quatre en 3eme année d’école d’ingénieur à l’école polytechnique universitaire, en spécialité robotique. Cette formation nous assure des connaissances solides en mécanique, électronique, informatique, asservissement de système et conception assistée par ordinateur, compétences essentielles à notre sens à la réalisation d’un drone.

Avant d’entamer tout projet, il est essentiel de dresser un cahier des charges précis prenant en compte les différentes contraintes techniques, financières et temporelles. Le cahier élaboré ci-dessous s’inspire en partie de la compétition de drone de l’année dernière, mais également du retour d’autres constructeurs de drone trouvé sur internet. Pour rappel les conditions globales de la compétition sont :

• Un budget total inférieur à 500€
• Un drone d’une envergure totale inferieur à 80cm
• Un poids inférieur à 1.5kg

Les conditions que nous avons définies à partir de la compétition de l’année dernière :

• Un drone d’une envergure inferieur à 40cm : bien qu'un drone plus grand procure une plus grande stabilité un petit drone à l'avantage d'avoir une maniabilité accrue et est plus aisé à manœuvrer dans les cerceaux
• Protection des hélices : la fragilité des hélices qui a représenté un point faible chez de nombreux drones. En effet, le moindre contact avec les hélices en vol provoquait la chute immédiate de l'appareil, c'est pour cela que sur notre drone les hélices seront équipées de protection
• Utilisation d’une télécommande de modélisme : Les participants de l’édition précédente ont rencontré de nombreuses difficultés lorsque leur drone n’était pas piloté au travers d’une télécommande de modélisme, en effet l’ergonomie d’autres contrôleurs tels que les manettes de jeux vidéo est inadapté pour cet usage.

Condition supplémentaires :

• Camera embarqué avec retour vidéo : à notre sens cela ouvre de nouvelle perspective en termes d'utilisation et de pilotage.
• Montage de type clean/dirty : Cela signifie que le drone sera constitué de deux parties distinctes, une « dirty » qui subit les vibrations des moteurs et une partie « clean » isolé de ces vibrations: Ce type de montage permet de prémunir l’accéléromètre et le gyroscope de vibrations parasites issues des moteurs et d’avoir un flux vidéo beaucoup plus net.
• Autonomie de 10 à 15mn d’affilé, et de 30mn à 45mn avec des pauses de moins de 3mn : La compétition durant longtemps et le nombre de chargeur de batterie étant limité, il faut être capable de tenir l’ensemble des épreuves sans avoir besoins de recharger.
• Contrôleur de vol avec un moyen de mettre à jour les PIDs sans fil.
• Un poids inférieur à 700g : cette contrainte est dicté par l’envergure limitée du drone qui ne peut donc pas accueillir de grande hélice essentiel pour une grande poussée.

Le choix des hélices se fait en fonction de l’écartement entre moteurs et de la géométrie du drone. Notre drone étant de taille réduite, il ne pourra donc pas accueillir des hélices plus grandes que 6 pouces.

Il faut à présent dimensionner le moteur afin qu'il puisse, avec les hélices précédemment choisies, fournir la poussée nécessaire afin de soulever et manœuvrer le drone. Une loi empirique dit qu'il faut, au minimum, que les moteurs soient capables de soulever 3 fois le poids du drone pour qu'il soit manœuvrable. Partant de ce constat, il faudrait que les moteurs produisent, au minimum, une poussée maximale de 2100g soit environ 500g par moteur. La formule suivante permet de déterminer la poussée en fonction de l’hélice et du pas :

$T=P×D^3×RPM^2×10^{-10}×28×K$ Avec P le pas, D le diamètre, RPM le nombre de tour par minute, et K un coefficient propre à l’hélice valant entre 0.9 et 1.2 or $RPM=k_v×V$ (Dans notre cas nous choisirons une batterie 3S, V est donc égale à 12.5V) $k_v=\sqrt{\frac{T}{(P×D^3×V^2×10^{-10}×28×K)}} $ $kv_{min}=2100 RPM/V$ On choisira un moteur avec un coefficient $k_v$ au moins égale à 2100 RPM/V, le moteur devra être également le plus efficace possible et le plus léger possible. C’est pour cela que nous choisirons le moteur T-Motor GF MN2204 2300KV. Bien que légèrement plus cher que les autres moteurs de la même catégorie, il est bien plus efficace et beaucoup plus résistant.

Les ESC doivent supporter la puissance et l’intensité maximale demandées par un moteur, or d’après la figure n°1, cette intensité est de 10,2 ampère, nous prendront donc la valeur standard supérieur soit 12A. On s'assurera également que les ESC peuvent être reprogrammés avec le frimware SimonK qui offre de meilleurs résultats que les frimwares par défaut en ayant une vitesse de rafraîchissement des données plus élevée.

Souhaitant obtenir une autonomie de 10 à 15mn et chaque moteur consommant 2.3A lorsque le drone est en vol stationnaire, il faut donc une batterie de (2.3A×4 moteurs×15mn)/60mn= 2300mAh et 3000mAh. Le taux de décharge doit lui supporter l’intensité maximale demandé instantanément par les quatre moteurs Soit pour une batterie de 2300mAh (10.2×4moteurs)/2,3Ah=18.08C. On prendra donc une batterie avec un taux de décharge au moins égale à 20C.

Les contraintes liées à la construction du châssis sont multiples, d'une part les méthode d'usinage sont limitées (fraiseuse 2D, découpe laser, imprimante 3D) et d'autre part, le châssis doit avoir un poids inférieur à 400g, dans ces conditions le choix de la fibre de carbone ou de verre s'impose. En effet, en plus d'être des matériaux possédant l'un des modules de Young (solidité) les plus grands par rapport au poids, ils s'usinent facilement à l'aide de la fraiseuse. La construction se fera sous la forme de quatre plaques : La première est un PCB qui servira de board de distribution électrique et accueillera les ESC ainsi qu'un connecteur de batterie. La deuxième est en fibre composite et prend en sandwich les bras. Les troisième et quatrième sont également en fibre composite. La troisième et la deuxième seront reliées par des ergots en caoutchouc ce qui permet d'isoler le reste de la structure des vibrations. La troisième plaque accueillera le contrôleur de vol ainsi que l'émetteur vidéo et le récepteur de la télécommande. Entre la troisième et la quatrième plaque se trouvera, pris en sandwich, une pièce supportant la caméra. Le reste des support est assuré par des entretoise hexagonale. Enfin pour le style sur la dernière plaque reposera une coque en forme de dos de coccinelle faite en impression 3D, grâce à la Makerbot, la partie rouge et la partie noir sont contenues dans deux fichiers différents.

Les plaques ont été découper grâce à la CNC du lab, les fichier de fabrication sont disponible sur le liens suivant: https://grabcad.com/library/droneslayer-250-custom-drone-racer-1 Vous pourrez entre autre visualiser en 3D le modele

Le contrôleur de vol sera réalisé par nos soins. Il comprendra un accéléromètre et un gyroscope donnant les déplacements relatifs, et un baromètre et magnétomètre donnant l'altitude et l'orientation absolue. Les différents capteurs se trouveront sur un PCB fille vendu par Electrodragon, il reposera sur un PCB mère, qui lui comprendra deux microcontrôleurs : un Atmega2560 pour les calculs de puissance et le contrôle des moteurs, et un Atmega 32U2 qui décodera les informations reçues par la télécommande et gérera l'USB. Il disposera également d'un second PCB fille qui servira à la communication Bluetooth, ce qui permettra de recevoir la mise à jour des PID sans avoir à reprogrammer la carte. Celle-ci disposera également d'un grand nombre d'entrée-sortie, analogique et numérique, qui permettront de contrôler différents systèmes, tel que des rubans de LED ou recevoir les informations du moniteur de batterie.