Game Of Drone est une compétition organisée par le PMClab qui a permet aux étudiants de l’UPMC de découvrir le monde des drones, derniers-nés de la robotique moderne et de plus en plus présent dans notre société.

Le but premier est de pousser les étudiants à participer à un projet pluridisciplinaire visant à leur apprendre le travail en équipe, l’innovation, la gestion de projet mais surtout de les aider à donner un sens à leurs études. En effet, c’est en créant que l’on apprend. Game of Drone c’est l’occasion d’enfin appliquer les connaissances acquises durant nos études pour réaliser un projet concret. En plus d’être une compétition c’est aussi un jeu et cela donne une parfaite combinaison ludique nous permettant de créer et d’apprendre.

Le second but, non des moindres, est de faire découvrir le concept des FABlabs, initié par le MIT, à travers un projet concret et innovant. Par conséquent le but est de faire connaître le PMClab aux étudiants de l’UPMC et de leur faire découvrir la technologie d’un drone. En un mot, c’est un outil de communication.

Nous sommes très heureux de pouvoir participer à la concrétisation de ces deux objectifs. Dans un premier temps, nous allons nous présenter et exposer notre motivation. Puis, nous vous détaillerons notre projet. Enfin, nous établirons la liste précise des composants nécessaire afin de réaliser notre modèle de drone.

L’équipe MécaFly est constituée de deux étudiants motivés Raphaël Viards et Louis Mamelle. Nous sommes issus de la troisième et dernière année de licence d’ingénierie mécanique de l’UPMC.

Nos parcours sont très diversifiés : médecine, prépa + Licence de maths, STI; avec cependant un point commun, la maturité acquise au cours de nos différentes années d’études. Nous partageons aussi quelques compétences notamment en informatique (programmation, modélisation) et en mécanique. Nous sommes passionnés par la robotique et le modélisme et vraiment déterminés à aller jusqu’au bout.

Nous voulions participer à cette aventure, d’une part, pour nous prouver à nous-mêmes que nous, étudiants, sommes capables de réaliser et gérer un projet et, d’autre part, pour participer à la Robolution en marche, notamment dans le secteur des drones. De plus, l’esprit d’ouverture et d’entraide du PMClab nous a conquis et nous sommes ravi d’apprendre en participant à ce projet.

Les parties programmation, montage, essais et innovation et TOUTES les autres seront réalisées en commun.

Remarque : Ce plan de répartition fut ajusté au fur et à mesure de l’avancée du projet et les taches secondaires qui découlent des premières ont été traités sur le vif.

Après plusieurs réflexions et discussions, nous avons décidés d’abandonner un premier projet trop complexe pour nous concentrer sur un projet plus ‘classique’, plus simple mais tout aussi intéressant. Nous avons fait le choix d’une structure V-Tail personnalisée. En effet, le but ultime est de réussir à faire voler notre drone. Étant inexpérimentés dans ce domaine, il était donc préférable d’opter pour un drone fonctionnel, et plus facile à concevoir. L’électronique du drone étant notre principale faiblesse, nous avons du acheter cette partie.

Nous avons envisagé des pistes d’améliorations : • Pieds munis de roues pour deux types d’atterrissages possibles • Structure anti-vibratoire • Programme semi-autonome • Retour vidéo en direct avec affichages des informations de vol

Nous nous sommes arrêtés sur un modèle de drone de type V-Tail personnalisé. Voici un schéma du drone permettant de visualiser ses dimensions :

Voici la structure retenue en dimensions réelles (excepté pour les hélices et les protections de celles-ci) réalisée sous Blender :

Pourquoi ?

→ Le design de ce châssis n’est pas seulement élégant mais aussi réfléchi. En effet, il possède une composante aérodynamique nécessaire à un vol stable et une composante pratique car il permet de pouvoir placer les divers composants électroniques (carte de vol, contrôleurs, batterie …) de façon accessible.

Matériau ?

→ Fibre de carbone. Ce matériau nous semble parfait car il est, à la fois, souple, résistant et léger. Il composera la majeure partie du châssis.

→ Nylon. Ce matériau a été choisi pour sa bonne flexibilité et sa bonne résistance, ainsi que pour la facilité de l’usinage (imprimante 3D). Il permettra de réaliser les trains d’atterrissage et une partie de la queue du drone ainsi que les protections des hélices.

Création ?

→ La fraiseuse à commande numérique et les imprimantes 3D, mis à disposition au PMClab, nous permettront d’usiner la structure.

→ Compte tenu des dimensions, nous avons découpé en plusieurs parties la structure (voir image suivante) tout en gardant la robustesse grâce à un système d’étages et de visseries.

Afin de choisir les moteurs et les hélices qui constitueront la propulsion de notre drone nous devons faire une estimation du poids final du drone. Les valeurs que nous retenons sont un poids d’environ 400 grammes pour la structure complete et de 1400 grammes une fois tous les composants ajoutes.

Le drone étant un quadricoptère, et sachant que nous voudrions obtenir au minimum 2*1400 = 2800g de poussée au total, chaque moteur doit être capable de fournir environ 700g de poussée. De plus nous voulons obtenir un drone polyvalent, capable à la fois d’etre stable et un minimum nerveux. Notre choix s’est donc porté sur des moteurs Turnigy Multistar 2212 – 920Kv. En effet, avec une alimentation classique (11.1V), ils nous permettrons d’atteindre un maximum de 10212 rotations/minutes. Associés à des hélices 9×4.3’’ nous devrions obtenir une poussée d’environ 670g par moteur ce qui est relativement correct.

Compte tenu des délais, nous avons décide de nous concentrer sur nos compétences (mécanique et informatique).

Nous avons convenu d’établir un câblage classique :

C’est pourquoi, nous allons acheter une carte MultiWii contenant un gyroscope, un accéléromètre et baromètre 3 axes, connectée à un émetteur d’une portée d’1km.

Les moteurs acceptant 20 A au maximum, nous avons choisi des ESC 30A ce qui nous laisse une bonne marge de sécurité. Nos moteurs consommeront 50% de leur puissance maximale pour un vol stationnaire soit 10A par moteur, donc 40A pour l’ensemble. Nous voulons obtenir un temps de vol d’au moins 7 minutes, il nous faut alors une batterie de 4670 mAh, valeur que nous arrondissons à 5000 mAh en tenant compte de la consommation des autres composants. De plus la batterie doit être capable de fournir 20*4 = 80A en burst. Il nous faut donc un coefficient de décharge C d’au moins 80/(5000*0,01) = 16 afin de pouvoir alimenter correctement les moteurs et les composants du drone. Nous choisissons une batterie avec un coefficient de décharge de 25C afin d’avoir une bonne marge de manœuvre.

Nous choisissons une manette à 6 chanel, ce qui est le plus pratique et le plus utilisé pour des drones quadricopteres, avec un émetteur/récepteur 2.4GHz afin d’avoir une bonne portée.

Enfin la camera couplée à ses émetteurs/récepteurs 2.4GHz, et au système OSD (Over Screen Display), nous permettra d’obtenir un retour vidéo en direct sur ordinateur grâce à la carte d’acquisition. Ce retour vidéo sera complet, c’est-à-dire comportant un affichage en temps réel des données collectées par les capteurs (coordonnées, GPS, vitesse, niveau de batterie, altitude…)

Nous possédons certaines compétences informatique notamment la programmation en C ou java, ce qui permet d’avoir une sorte de liberté. De plus, nous envisageons de coder un programme de drone semi-autonome garantissant une plus grande sureté du vol et une plus grande sécurité du drone lui-même. Pour l’exploitation de notre carte de vol, il nous faut l’IDE Arduino et pour la programmation, le logiciel MultiWii.

Voici un tableau récapitulation des composants choisis: Fichier Excel: dronecomponents.xls

Nous obtenons un prix total de 303,83€ pour les composants essentiels uniquement, c’est-à-dire le prix nécessaire pour obtenir un drone basique mais capable de voler.

En incluant le retour vidéo ainsi qu’une carte de programmation pour les ESC et en prévoyant 1 batterie, 2 moteurs, 1 ESC, 1 carte de distribution et 8 hélices supplémentaires pour pallier aux éventuels problèmes durant le montage et les épreuves de la compétition, nous obtenons un prix final de 446,71€. Ceci nous laisse une marge de 50 € si jamais des composants se révèlent plus chers que prévu, en cas de problème inattendu, d’oubli de notre part ou encore éventuellement pour acheter une 3ème batterie.

Le poids final estimé du drone est de 1290g, en sachant que le calcul du poids utile des plaques de fibre de carbone a été réalisé sans prendre en compte l’usinage (nous avons calculé la surface nécessaire pour découper nos pièces et calculé la masse correspondante). Nous estimons donc le poids final de la coque à 200 g au lieu de 350g. En revanche les protections des hélices et les trains d’atterrissage n’ont pas été pris en compte. Nous espérons ainsi obtenir un drone pesant moins de 1400g.

La structure de notre drone a été entièrement conçue à l’aide du logiciel de modélisation 3D Blender. Tout d’abord, nous avons modélisé un prototype afin de savoir vers quelle géométrie nous nous orientions, et ainsi décider de l’organisation des composants dans la structure, du découpage de la structure en plusieurs parties, des systèmes de fixation.

Ensuite, chaque pièce a été modélisée de nouveau et individuellement dans l’optique de pouvoir exporter les fichiers au format .dxf, format que la fraiseuse à commande numérique (C.I.F.) peux recevoir et traduire afin d’usiner les pièces dans des plaques de fibre de carbone.

Remarques : - L’export au format .dxf n’est pas natif du logiciel Blender, il faut pour ce faire installer un script disponible en suivant ce lien : DXF Exporter - Il faut préparer le modèle (ou mesh) afin que la conversion se fasse sans problèmes. L’idéal est de travailler avec un objet sans épaisseur, d’éviter d’avoir des vertices (points) trop rapprochés ou en trop grand nombre, et de supprimer toutes les faces afin de ne conserver que les points formants les contours extérieurs et éventuellement intérieurs de la pièce ainsi que les edges(lignes) qui les relient entre eux.

Voici un exemple de modèle Blender prêt à l’export:

Et voici l’ensemble des fichiers .dxf utilisés pour la fabrication du drone: drone_.dxf.zip. (Cette archive sera mise a jour avec les nouveaux fichiers prochainement)

Utilisation de la C.I.F Il faut désormais importer les fichiers .dxf dans le logiciel Galaad et le préparer pour l’usinage. Nous avons mesuré l’épaisseur de nos plaques en fibre de carbone puis entré cette épaisseur dans le logiciel ainsi que la hauteur et largeur des différentes pièces. Il faut ensuite sélectionner la taille et le type de foret que l’on souhaite utiliser puis définir pour chaque ligne à découper si la fraiseuse doit passer à l’intérieur ou à l’extérieur de celle-ci (par défaut la fraiseuse passe juste au-dessus de la ligne) Il ne reste plus qu’à installer la plaque, fixer le foret, étalonner la machine et regarder sa pièce se faire usiner.

Voici le résultat final après usinage :

Une pièce a été réalisée par l’imprimante 3D. C’est sur cette pièce que l’on va fixer les ailes de la queue Nous avons assemblés les différentes parties par le biais d’une visserie étudiée (Vis, écrous, rondelles, tubes en polystyrène).

Remarque : Bien poncer les pièces usinées pour éliminer les imperfections/rugosités.

Problèmes rencontrés : - Il a fallu utiliser un plugin adapté pour Blender pour obtenir un fichier au format dxf destiné à la fraiseuse. - Il est important de bien calibrer la fraiseuse avant de la démarrer pour éviter un découpage imprécis ou incomplet. (Ex : Sur la découpe d’une aile, la fraiseuse n’avait pas découpé assez profondément du à une mauvaise calibration selon l’axe z. Nous avons du finir la découpe de manière délicate avec un cutter)

Nous pouvons maintenant procéder à l'assemblage de la coque:

Même si nous avons acheté tous les composants électroniques du circuit, il ne faut pas négliger le montage, et notamment le branchement des éléments avec la carte de vol. Après quelques recherches et recoupements d’informations, vous finissez par réaliser un montage correct. En effet, il existe des forums, tutoriels et multiples aides sur la toile correspondants aux différentes cartes de vol.

Remarques : - Beaucoup de soudures sont à prévoir. Entrainez-vous ! - Veillez à bien enfiler des gaines isolantes autour de vos fils pour éviter les courts-circuits.

Problèmes rencontrés : - Nous avons mal étudié la compatibilité entre le connecteur de la carte de distribution et le connecteur de la batterie. Nous avons du changer toute la connectique pour établir la liaison. - Nous n’avons pas bien anticipé les distances entre les différents organes du circuit électrique du drone. Nous avons du recommander des rallonge de câbles et des gold connectors.

Tout d'abord il faut programmer les ESC. Pour ce faire, deux techniques: Soit manuellement en écoutant une série de bips soit avec une carte de programmation. Nous avons choisit la seconde option qui est très rapide et pratique.

Ensuite nous nous attaquons à la carte de vol. Le programme de base étant fournit avec le contrôleur de vol MultiWii, nous l’avons juste adapté au modèle de notre drone et téléversé sur la carte. Dans un deuxième temps, nous avons du effectuer quelques modifications supplémentaires pour corriger les disfonctionnements rencontrés (Ex : Module Bluetooth, GPS, puissance min Trutlle, calibration ESC)
 Il vous suffit de télécharger le programme : https://code.google.com/p/multiwii/

Il vous faut, au préalable, avoir téléchargé le logiciel Arduino : http://arduino.cc/en/Main/Software

Problèmes rencontrés : - Nous avons rencontré un problème de compatibilité entre notre carte MultiWii et notre ordinateur. Il nous a fallut télécharger plusieurs plugins et drivers pour que la carte soit reconnue et que l’on puisse y téléverser le programme personnalisé.

Les PID permettent de définir la manière dont la carte de vol compense les mouvements du drone, ce sont donc les facteurs principaux permettant d'obtenir un vol stable et réactif.

Pour les régler nous avons branché un module bluetooth sur la carte de vol afin de pouvoir modifier les PID en direct depuis une tablette tactile. Il faut bien différencier les réglages du pitch, du roll, du yaw et de l'altitude. On commence par régler le P puis le I puis le D du pitch. On fait ensuite de même avec le roll puis avec le yaw. Pour des résultats encore meilleurs on recommence ensuite une seconde fois. L'altitude se règle en dernier avec le baromètre activé.

Pour régler le pitch et le roll on attache le drone entre deux supports avec des cables.

→ On ajuste le P de manière à ce que l'angle de rotation du drone soit identique à l'angle appliqué à la manette suite à une impulsion (on augment le P pour augmenter l'amplitude et inversement).

→ On règle le I de manière à ce que le drone reste en position après lui avoir fait effectuer un angle de rotation. Il faut trouver la valeur limite à laquelle le drone conserve sa position.

→ On modifie ensuite le D afin de modifier le temps de réaction du drone: un drone très nerveux aura un D élevé et inversement.

On effectue des manipulations de même type pour le yaw et l'altitude mais le drone n'est maintenant plus attaché.

Le réglage des PID du pitch, roll et yaw s'effectuent en mode gyroscope. Celui de l'altitude en ayant activé le baromètre.

Attention: L'activation du baromètre peut entraîner, lorsque les PID de l'altitude sont mal réglés, une élévation incontrôlable du drone. Il ne faut pas perdre son sang froid et désactiver tout de suite le baromètre sans lâcher complètement les gaz pour éviter le crash.

Remarques : Pensez à prévoir beaucoup d’hélices de remplacement ainsi que beaucoup de patience au début le temps de se familiariser au controle du drone et de régler les PID

Voilà c'est fini, vous pouvez “droner” :)