• *Présentation des membres: Introduction Pour participer au concours nous nous sommes doté d'un cahier des charges. Le but pour nous était de faire un drone en se basant sur ce qui a déjà été développé, testé et éprouvé puis d'y ajouter des modification. Nous avons donc commencé par définir ses fonctions possibles. Nous avons regardé les utilisations qui en sont déjà faites et les possibilités à explorer. Nous avons finalement opté pour la fabrication d'un modèle: - Évolutif permettant l'ajout d'équipements post-fabrication. - Avec une grande endurance pour pouvoir mener à bien ses missions avec des contraintes logistiques amoindries. - Une capacité d'emport pour transporter une charge pouvant aller jusqu'à 800g. - Une caméra optique et une caméra nocturne permettant la prise de photos avec des angles de vue inaccessibles en temps normal. - Un bruit généré faible pour permettre des interactions à travers un haut-parleur avec un public donné. Pour fabriquer un drone, il est nécessaire de choisir une configurations, un jeu de capteurs embarqués, un type de propulsion, d'alimentation et un système électronique de contrôle. Théorie et choix des composants: Configuration: Il existe une infinité d'architectures à voilure tournante et on peut citer: - La configuration d'hélicoptère classique avec un rotor principal et un rotor anticouple placé sur la queue de l'appareil. Ce dernier chage son incluinaison en modifiant l'angle d'attaque des pales à leur passage à un angle donné pour générer plus de portance. - Les hélicoptères de type notar: Le principe de vol est le même mais le couple induit est compensé par un jet d'air pulsé. - Les doubles rotors placés en tandem: Cote à cote Coaxiaux Ou engrenants - Les multi-rotors: Dans tous les cas précédents, chaque hélice génère suivant son axe une portance et un couple induit par un effet action réaction. Pour arriver à stabiliser un drone, la somme des moments et des forces doit être nulle sur les trois axes du repère absolu. On peut donc éviter de modifier l'inclinaison des pales en mettant 3 moteurs excentrés dont un (ou plusieurs) à inclinaison réglable ou 4 moteurs excentrés voir plus en prenant soin d’équilibrer les 6 équations (Prenant en compte la gravité et l'action du vent) en jouant sur la vitesse de rotation de chaque hélice. Les cas les plus courants sont les tricopters qui sont plus endurants mais moins faciles à stabiliser car les degrés de liberté sont liés. Les quadricopters quand à eux sont plus faciles à stabiliser car c'est le nombre minimum de moteurs permettant d'initier un mouvement sur chaque degré de liberté indépendamment des autres sans changer l'inclinaison d'aucun moteur. Nous avons retenu cette configuration avec les moteurs en X pour ne pas gêner le champ de vision de la caméra pointant vers l'avant. Contrôleur de vol et capteurs Pour faire avancer le drone, il est nécessaire de modifier son inclinaison tout en le stabilisant en temps réel. Souvent les capteurs embarqués se résument à une centrale inertielle mesurant les accélérations de translation et les vitesses de rotation sur chaque axe. Avec ces donnés il est possible de déduire les vitesses et accélérations de chaque axe par intégration ou dérivation et de calculer la correction nécessaire. Il existe donc de nombreux contrôleurs de vol basés sur des Arduino (http://arduino.cc/en/Main/Products) intégrant des capteurs ainsi que les entrés/sorties pour la télécommande et les moteurs. Pour choisir un controleur, il faut s'intéresser à l'alghorithme de vl qu'il supporte. Les deux plus importants sont Multiwii et Megapirate (MissionPlanner dans certains controleurs), ils sont tous équivalents même si Megapirate est plus façile à modifier et plus userfriendly. Un autre facteur à prendre en compte est le nombre d'entrée pour la télécommande, le nombre de sorties pour les moteurs, les branchements dédiés aux composants additionnels issus du modélisme (un GPS par exemple) et les port Gpio supplémentaires. Comme dans un arduino, on peut brancher un grand nombre de composants electronique et les controler via ces dernier et le nombre de fonctionnalités additionneleles dépend du nombre de ports disponnibles. On a choisi donc dans un premier temps le controleur de vol suivant: - Les inputs correspondent aux entrés ou les canaux de la télécommande doivent être branchés. - Les Outputs correspondent aux sortie et donc aux signaux qui commandent les moteurs et chaque sortie en controle un (Ou un cerveau moteur) - On voie un branchement prévu pour le Gps, un autre pour les modules de télémétrie et l'I2C qui permet de brancher un magnétomètre (Une bousolle) le tout suivant les normes du modélisme. - Les branchements restants la grande barre au dessu n'est rien d'autre que des ports Gpio libre pouvant prendre une valeur vrai ou fausse ou lire un signal de même nature, ce qui permet de commander des laides, des moteurs ou tout autres composants compatibles avec un arduino. Vous remarquerez que les entrée sorties et port Gpio sont ordonnés trois par trois avec des inscriptions “s+-”, le “s” signifie que la colonne trasmet le signal, le “+-” correspondent aux colonne reliés à la masse ou à un potentiel de 5 volts qui servent à alimenter le controleur ou à lui faire alimenter un recepteur par exemple. Remarque: Dans ce controleur, les colonnes + et - des inputs ne peuvent pas servir à l'alimenter et il faut brancher cette dernière sur les autres ports. Mais suit à un défaut de fabrication, nous en avons commandé un autre moins performant en raison des délais: http://le-modelisme.com/?Rc-1628Rc--MultiWii-SE-V2.5-Flight-Controller-Nouvelle-version-2-port-i2C.html Hélices et Moteurs Il est extrêmement difficile de choisir de bons moteurs, les bonnes pales pour le bon drone mais nous avons choisi quel type de drone nous voulions réaliser; donc nous nous limiterons à des moteurs avec un kv bas. En effet si le drone n'as pas assez de couple il pourrais surchauffer ou tout simplement demander trop d'énergie. Par contre si le couple est trop important il faut faire des modifications sur l'intensité du courant reçue pour ne pas abîmer le drone. Nous utiliserons des moteurs « brushless »: Vu de l'extérieur, le moteur fonctionne avec un courant triphasé. Son appellation (de l'anglais Brushless) vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun collecteur tournant et donc pas de balais. Par contre un système électronique de commande doit assurer la commutation du courant dans les enroulements statoriques. Ce dispositif peut être, soit intégré au moteur pour les petites puissances, soit extérieur sous la forme d'un convertisseur de puissance (onduleur). Le rôle de l'ensemble {capteur plus électronique de commande} est d'assurer l'auto-pilotage du moteur c'est-à-dire l'orthogonalité du flux magnétique rotorique par rapport au flux statorique, rôle autrefois dévolu à l'ensemble balais-collecteur sur une machine à courant continu. Pour choisir des moteurs, le plus préférable serais de prendre des moteurs pouvant supporter chacun le poids du multicopter. Nous prendrons des moteurs avec un kv bas ce qui nous permet de prendre des hélices plus grandes 9 à 15'' avec un pas de 4,5 à 7. Ces hélices adaptées au moteurs, mènerons à leur terme la quête d'une bonne poussée. Les moteurs que nous allons utiliser sont des Tiger Motor MT-2212-13 980kv. Ces moteurs fonctionnent en consommation maximale 14,8V et 11,1A. En les couplant à des pales de prix peu élevé, nous aurons alors 148W et 840g de poussée par moteur. Il faut préciser que les moteurs mettent 10 minutes pour arriver au régime maximal et qu’en régime minimal nous avons 565g de poussée. Un avantage indéniable est le fait que les moteurs ne dépassent pas 41°C même au maximum de leur utilisation et que leur poids est de 55g. Le tout pesant alors 220g. Parlons peu parlons bien : le prix de ces merveilles est de 44 dollars l'unité. C'est ce que nous trouvons sur le site en lien avec l'image, le prix peut varier de 40,9 dollars à 55 dollars. Donc nous aurons au total à dépenser de 166 dollars à 223 dollards hélices comprises. Contrôleurs de moteurs (ESC): Un contrôleur permet de commander la vitesse des moteurs brushless via une information d'entrée qui se transforme en vitesse de variation des électroaimants dans la cage du moteur. Pour choisir un bon contrôleur de moteurs il faut qu'il soit adapté à l'ampérage maximal qui peut passer dans le circuit. Il peut tout simplement griller si l'intensité du courant d'entrée est plus importante que ce qu'il ne pourrais supporter. L'ESC est lui même contrôlé par le contrôleur de vol. Nous en avons choisi un qui peut supporter 30A. Distribution de puissance: Beaucoup de problèmes peuvent survenir et nous pourrons ne pas avoir le temps de régler les soucis de bonnes ou mauvaises tentions, tension des moteurs égale à la tension de sortie de la batterie etc… Donc nous prenons une carte qui centralise le tout pour nous : Pour 9€99 plus de problème de câblage. Batteries choisies: Structure schématique du montage de la batterie finale. Nous allons utiliser 8 batteries de type Li-ion de 5000mah 3,7V et 31g afin de créer une batterie de 7,4V(2*3,7V) et de 20000mah (4*5000mah) pesant alors 248g (8*31g) et de dimensions 66*18mm. a)Fabrication de quatre batteries de 7,4V et de 5000mah. A partir de deux batteries de 5000mah et 3,7V il est possible de créer une batterie de 5000mah et 7,4V en les liants en série. En série les tensions s'additionnent et les intensités ne changent pas (pour deux batteries identiques). Ainsi nous aurons : U=U1+U2 et I=I1=I2 Nous répétons cette opération jusqu’à avoir quatre batteries de 7,4 V(3,7+3,7) et de 5000mah. b)Fabrication d'une batterie de 7,4V et de 20000mah. A partir des quatre batteries que nous avons fabriqués au préalable (7,4V et 5000mah) nous pouvons créer une nouvelle batterie de 7,4V et 20000mah en les branchant en parallèle. Cependant nous devons respecter deux précautions en réalisant le montage : -Les batteries doivent être neuves et exactement du même modèle, achetées en même temps sur le même stock en magasin. Il faut les relier dès le départ, et ne jamais les dissocier. -Le câblage doit respecter la symétrie et c’est très important pour que leur charge et décharge soit homogène d’une batterie à l’autre. Si ces deux conditions sont réunies, un branchement en parallèle ne pose pas de problème et ne nuira pas à la durée de vie des batteries. Explication : On voit sur la figure que dans le cas du mauvais branchement, la quatrième batteries verra 6 branches de connexion de plus que la première batterie. Les 2ème, 3ème et 4ème batteries subiront une petite chute de tension croissante supplémentaire par rapport à la 1ère. A chaque cycle de charge et de décharge un petit décalage de charge s’accumulera, et après un certain nombre de cycles la batterie d’une des extrémités sera très usée par rapport à celle de l’autre extrémité. Dans le cas du bon branchement, chaque batterie voit 3 branches de connexion, et elles verront toutes à peu près les mêmes chutes de tension dues aux connexions pendant les cycles de charge et de décharge. En parallèle les intensités s'additionnent et les tensions ne changent pas. Ainsi nous aurons : U=U1=U2=U3=U4 et I=I1+I2+I3+I4 Conclusion : Grâce à ce procédé nous aurons au final une batterie de 7,4V et de 20000mah pour 248g. Pourquoi choisir ce procédé alors que nous pouvons trouves des batteries déjà faites sur le marché. Prenons un exemple : LIPO Hyperion G3 CX - 7,4V 2S 5000mAh (25C/5C) (http://www.flashrc.com/hyperion/4676-lipo_hyperion_g3_cx_74v_2s_5000mah_25c_5c.html) C'est une des meilleures marques et batteries sur le marché actuel. Le prix étant de 47,90€ pour un poids de 254g avec comme dimensions 137 x 46 x 22mm. La batterie que nous fabriquons coûte environs 25€ à la commande de 10 pièces. Nous utilisons 8 pièces pour créer une batterie de 7,4V et 20000mah pour un poids d'un peu plus de 248g (31g*8 + câbles) avec comme dimensions (68*2) x (18*2) x (18*2) mm soit :136 x 36 x 36mm. Entendons nous bien le meilleur choix est de créer soit même une batterie. http://fr.aliexpress.com/item/New-10pcs-Sports-LED-Flashlights-Battery-Rechargeable-18650-Li-ion-5000mah-Free-Shipping/601839335.html Le but du présent rapport est d'évaluer le fonctionnement et la faisabilité de la batterie Akkumulator Eins présentée dans le précédent rapport, de manière théorique. Pour ce faire, nous avons mené des expérimentations en faisant une analogie entre les piles Li-Ion, utilisées dans la batterie finale, et des piles alcalines du commerce. Cette analogie est valide, dans le sens où les lois physiques mises en jeu sont valables aussi bien dans le cas de batteries Li-Ion que dans celui de piles alcalines du commerce. I. Mise en pratique stricte des principes présentés dans le précédent rapport. Nous allons, à présent, présenter, étape par étape, la fabrication de la batterie Akkumulator Eins, en prenant soin de vérifier, si besoin en est, l'application des lois physiques mises en jeu à chaque étape. a. Première Etape: Doubler la tension dans un circuit. Comme il était possible de le voir dans le précédent rapport, la première étape de fabrication de la batterie était de brancher deux batteries identiques en série afin de délivrer une tension résultante valant deux fois la tension d'une seule batterie. Ceci est prévu par la loi d'additivité des Tensions,l'une des deux Lois de Kirchhoff. Dans l'optique de vérifier l'application de cette loi dans notre cas, nous allons avoir besoin de deux piles alcalines et d'un Voltmètre. Nous assemblons les deux piles, identiques, en série, en prenant soin de maintenir la cohésion de l'ensemble ainsi formé au moyen d'un étau. Nous branchons ensuite le voltmètre aux bornes de l'ensemble des deux piles. Nous mesurons la tension résultante, après avoir mesuré les tensions des piles utilisées. Nous avons mesuré, pour chaque pile, une tension de 1,628 V. Nous avons mesuré, au moyen du sus-nommé montage, une tension de 3,26 V aux bornes de l'ensemble des deux piles. Les résultats expérimentaux ici consignés prouvent donc que, dans le cadre de la fabrication de l'Akkumulator Eins, la première étape est viable. b. Seconde Etape: Doubler l'intensité dans un circuit. La seconde étape de la fabrication de l'Akkumulator Eins consiste à assembler deux ensembles de batteries en dérivation dans le but d'augmenter l'intensité délivrée par la batterie ainsi obtenue, ce qui, par extension, a pour conséquence d'augmenter la capacité de la batterie. Ceci est prévu par la loi d'additivité des intensité, la deuxième loi de Kirchhoff. Dans l'optique de vérifier cette loi, dans le cadre de la fabrication de l'Akkumulator Eins, nous allons utiliser deux piles alcalines identiques, un Ampèremètre, ainsi que deux diodes. Nous installons les piles de telle manière à les brancher en dérivation, et connectons une diode à chaque pile, de telle sorte que le courant aille dans un seul sens. Nous observons que les batteries ont chacune une intensité à vide de 55 mA. Lorsque nous branchons deux piles alcalines en parallèle, nous observons une intensité de 84 mA. Nous pouvons observer que, quand nous branchons les piles en dérivation, la valeur de l'intensité augmente. Elle n'est cependant pas doublée. En effet, nous observons un écart d'environ vingt-pour cent par rapport aux prévisions théoriques, ce qui est imputable aux diodes. Il est également possible d'imputer une telle différence à l'usure prématurée des piles utilisées durant les expérimentations. Pour conclure, nous pouvons constater que les deux grandes étapes de la fabrication de l'Akkumulator Eins sont viables. Nous pouvons donc conclure que, du point de vue d'une stricte application des lois physiques, l'Akkumulator Eins est fiable. II. Améliorations possibles de la Technique. En tout premier lieu, nous pouvons dire que l'Akkumulator Eins final aura un meilleur fonctionnement quand nous utiliserons les batteries Li-Ion. En effet, les batteries Li-Ion présentent un très bon rapport Poids-Charge, et sont tout à fait indiquées dans l'usage comme batterie d'un drone où chaque gramme compte. Il nous faut également discuter du non-usage de batteries Li-Po. Nous n'utiliserons pas de batteries Li-Po à cause de leur prix, singulièrement plus élevé que celui des Li-Ion, du fait de la composition résolument plus onéreuse des batteries Li-Po, les batteries Li-Po utilisant un électrolyte composé d'un polymère gélifié, ce qui est complexe, et donc onéreux, à fabriquer. Les performances des Li-Po et des Li-Ion étant tout à fait comparables, nous avons choisi des Li-Ion. Il nous faut également utiliser des diodes avec une faible consommation, afin de ne pas trop réduire la charge de l'Akkumulator Eins, ce qui tuerait l'intérêt de l'usage de la dite batterie. Enfin, il nous faudrait également mettre au point un boîtier afin de protéger les différents composants de l'Akkumulator Eins. Voici donc le support sus nommé: Support de batteries en trois parties. une partie basse qui pourrait contenir la base de quatre batteries GOOD 18650. Une partie médiane qui ferait liaison entre le bloc composé des quatre premières batteries et un autre bloc de quatre batteries. Une dernière partie identique à la première viendra capuchonner le dernier bloc. Ce support permettrait de placer des batteries GOOD 18650 par bloc de quatre et de l'étendre. | Base de Batterie (STL) | | Liaison (STL) | Enfin il suffit juste de placer les batteries dans le support, de relier toutes les parties du support avec une tige de métal et enfin de câbler suivant ce que nous avons écris précédemment. Le chassis: Il est possible de le fabriquer soie même mais cela n'a pas un grand interet dans le mesure ou des modèles très bon marché sont disponnibles en ligne et ces derniers sont assez robustes pour que le drone puisse prendre coups (Certains on même fait des chutes de plusieurs milieurs de mètres sans se casser). Nous avons donc choisi le modèle suivant: http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__32537__Hobbyking_SK450_Glass_Fiber_Quadcopter_Frame_450mm_EU_warehouse_.html La raison est son prix et de la présence d'un repère visuel permettant de connaitre l'avant du drone et donc de faciliter le pilotage. La télécommande: Nous avons choisi de prendre une télécommande à 2,4 Ghz (fréquence la plus utilisée). Des systèmes radio UHF permettent d’augmenter considérablement la portée du drone mais il est interdit de voler à plus de 400m environs en France. Nous avons donc pris un minium de six canaux avec une portée de quelques centaines de mètres sans chercher un modèle haut de gamme. Prix : 25,07$ Remarque: Nimporte qu'elle autre télécommande de modélisme fait l'affaire Fabrication:**

- Une fois que vos composants son arrivés, commencez par connecter les esc à la distribution de puissance (En les soudant dans notre cas). La manière de les brancher est evidente mais evitez d'utilisez des cables trop fins car vous risuez de les faire fondre comme cela nous est arrivé. Prenez plutot des brachements achetés dans des magasins de modélisme ou soudez directement les cables des esc à la distrib.

- Branchez ensuite les moteurs aux esc (Sans les pales) la façon de les connecter est la aussi evidente, ça se fait par les trois gros cables qui sortent de l'esc et n'accordez pas d'importance à leur ordre. Ensuite branchez le petit fil comprenenat trois cables au recepteur sur le canal de la puissance (Le canal dépend du réglage de votre télécommande) Mettez la commande des moteurs dans la télécommande à zero puis branchez la batterie à la ditribution de puissance et montez le stock pour vous assurer que les moteurs et les esc marchent. Si ce n'est pas le cas essayez d'intervertir les composants pour trouver celui qui ne marche pas.

Içi un schéma très général montrant la façon de les connecter:

- Vous pouvez ensuite fixer les moteurs, distrib de puissance et batterie au chassis.

- Brachez votre controleur de vol à votre PC avec la connectique et le logiciel correspondant à votre modèle. Nous détaillerons içi la procédure pour Multiwii comme alghortime de vol et une interface graphique Multiwiigui. Connectez le logiciel au port COM correspondant et vous devriez voir des donnée de vitesse, angle… s'afficher sur le logiciel. Il est recommandé de cliquer sur calibrer les acceleros et calibrate mag pour les calibrer.

- Branchez ensuite la télécommande au contrielur de vol, en vous assurant que le “s” le “+” et le “-” sont branchés au port de même signe sur le controleur. Vous devriez avoir 4 port s connectés et au moins un “+” et un “-” pour alimenter le recepteur. Rebranchez lme controleur de vol au PC et assurez vous que stick qui ne reviens pas au mileu tout seul est relié à la jauge thrittle dans le logiciel. SI ce n'est pas le cas intervertissez les cablmes “s” jusqu'à trouver le bon. Ensuite reliez le deuxième axe du même stick au “yaw” sur le logiciel. Puis sur l'autre stick, reliez l'axe allant du haut vers la bas au “pitch” et l'axe de drote à gauche et “rolle”. Vous aurez ainsi des commandes de vol correctement reliés.

- Revenez au moteurs et faites en sorte d'avoir deux moteurs l'un face à l'autre tournant dans la même direction et les deux autres tourannt dans la direction opposée. Pour cahnger le sens de rotation il suffit d'intervertir deux des cables reliant les esc au moteurs.

- Branchez ensuite les quatre esc au controleur de vol en vous assurant que le fil du signal est bien sur la colone “s” des inputs. Brachez la batterie et assurez vous que le controleur de vol est alimenté, si ce n'est pas le cas, branchez les “+” et “-” de l'un des esc au “+-” d'un des inputs ou de la colonne des Gpio supplémentaires mais laissez le “s” de l'est braché la ou il était.

- Installez l'interface de programmation Arduino et connectez la à votre controleur de vol en suivant les instructions relatives à votre modèle. Téléchargez le code Multiwii et ouvrez le avec Arduino. AAllez dans l'onglet config.h et modifiez le type de configuration en Quad X en décochant la ligne correspondante:

Décommentez ensuite la ligne du modèle correspondant à votre controleur de vol dans la partie suivante:

- Envoyez le code, déconnectez arduino du controleur pui connectez y Multiwiigui. Si vous ne voyez pas valeurs des capteurs sa'fficher sur le logiciel c'est que vous avez choisi un mauvais modèle de controleur de vol dans la liste et retrouvez le bon.

- Revenez ensuite au code et décocher la commande permettant de calibrer les esc (#define ESC_CALIB_CANNOT_FLY) qui doivent être toujours connectés au controleur de vol (Vous trouverez cette partie tout en bas):

- Implémentez le code puis débranchez le controleur de vol du PC et brachez la batterie. Vous devriez entendre les esc emmetre des sonneries trois fois, après les trois sonneries les esc seront calibrés et vous pourrez débrancher la batterie.

- Rebranchez Le controleur de vol au PC et recommentez la ligne de calibration des esc et rechagez le code.

- Connectez Multiwiigui au controleur de vol avec la babtterie brachée, cochez toutes les cases dans la ligne “arm”, puis cliquez sur writhe pour enregistrer les modifcations et faites tourner les moteurs avec la télécommande. Vous verrez la vitesse de rotation des moteurs s'affichez dans les jauges de Multiwiigui. Isolez ensuite les moteurs en jouant sur les sticks et assurez vous que chaque moteur dans le logiciel correspond au bon moteur ans le drone (RL pour arrière gauche par exemple). Si ce n'est pas le cas intervertissez les cables des Outputs jusqu'a trouver la bonne combinaison. Vous pouvez maintenat régler vos PID.

Réglage du PID:

- Allez dans une zone de test ou vous pourrez ffaire voler le drone en toute securité. Vérifiez que les pas sont bien fixés car elle se déicent parfois et peuvent être dangereuses.

- À chaque axe correspond un jeu de trois paramètres PID. Mttez les à zero pour le rolle lepitch le yax et alt. Cochez toutes les cases sur la ligne horison, réglez l'armement des moteurs à votre convenance et cochant les cases et doucochez tous le reste.

Le P correspond à la forece qu'exercent les moteurs pour la correction. Le I corespond au temps d'acuisition avant que la correction ne commence ou en d'autres termes, le logiciel somme toutes les perturbations sur un temps donné et corrige seulon leur moyenne. Le D donne la vitesse de correction après acquisition.

- Mettez vous sous le drone, tenez le prudemment avec vos mais et faites tourner les pales. Augmentez progressivement le P du pitch et inclinez légèrement le dorne à la main. Vous sentirez un retours, augmentez progressivement le P jusqu'à avoir des oscillation puis réduisez le P de 20% une fois ce stade atteint. Faite le ensuite décoller depuis le sol et augmentez progressivement le I jusqu'à avoir un drone qui se setabilise correctement suivant le pitch.

- Augmentez et modifiez ensuite le D pour régler la vitesse de la correction à votre convenance.

- Reproduisez la même démarche pour les autres axes.

Remarque: si votre drone tourne de plus en plus vite sur lui même suivant le yaw, décommantez la ligne (#define YAW_DIRECTION -1) et commentez la ligne (#define YAW_DIRECTION 1). Le problème devrait se régler:

Votre done vole!