CONCOURS EDUCADUINOV 2015

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1 CONCOURS EDUCADUINOV 2015 L'EDUCADRONE, le premier drone à base d'educaduino Collège Antony Duvivier 3 rue des cannes Luzy

2 Table des matières 1) DESCRIPTION DU PROJET...3 2) ANALYSE ) Diagramme bête à corne ) Diagramme pieuvre ) Cahier des charges fonctionnel...6 3) SOLUTION RETENUE ) Stabilisation du drone ) Le module radio ) Propulsion ) Batteries...9 4) PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT GÉNÉRAL ) Schéma simplifié ) RÉALISATION D'UNE CARTE POUR EDUCADUINO ) Schéma de la carte ) Photo de la carte ) MECANIQUE ) SQUELETTE DU DRONE ) REALISATION : ) STRUCTURE EN ALUMINIUM ) LE SOCLE ) PARTIE CENTRALE ) PROTECTION DES ELICES ) FIXATION DES PROTECTIONS ) TRAIN D'ATERRISSAGE ) ELECTRONIQUE ) STABILISATION ) SCHEMA DE BRANCHEMENT ) FONCTIONNEMENT ) RADIO COMMANDE ) SCHEMA DE BRANCHEMENT ) Principe de fonctionnement ) CARTE GPS ET BLUETOOTH ) SCHEMA DE BRANCHEMENT ) VIDEO ) MOTEUR, ESC ET BATERIE ) INTERRUPTEUR ) MONTAGE ) INFORMATIQUE ) MODIFICATION ) PARAMETRAGE ) INTERDISCIPLINARITE ) ECO-DÉVELOPPEMENT ) PRIX DE REVIENT ET POID DU DRONE ) CONCLUSION SUR L'UTILISATION DE LA CARTE...23

3 1) DESCRIPTION DU PROJET Notre projet est de créer un drone, capable de faire des trajets automatiquement, sans aucune commande manuelle. Il pourra également être contrôlé à l'aide d'une radio auquel il est relié, il est également capable de voler sur une durée d'environ un quart d'heure. Ce drone à été réalisé entièrement manuellement. Tout les élèves de la classe de troisième ainsi que certains professeurs du collège ont contribué à la réalisation de ce drone ainsi que le projet en lui même. Il est composé de différents capteurs reliés à la carte Super Educaduino, qui ont chacun une fonctionalité définie et unique. Le drone est capable de ce stabiliser seul ainsi que de mesurer son altitude. Pour la réalisation du drone, nous nous sommes tout de même inspirés de certains modèles de drone déjà existants, certaines pièces étant créés à l'aide d'une imprimante 3D et d'une machine à commande numérique. Les différents capteurs utilisés ont néanmoins été achetés. Suite a un incident pendant un essaie de vole du drone, pour la sécurité du drone et la notre, nous avons décidé d'ajouter un interupteur marche/arrêt afin de faire fonctionner le drone. Pour controler et parametrer le drone, nous avons installé un logiciel sur une tablette. Ce logiciel ce nomme MultiWii. Le coût total de ce drone est autour de 260 euros.

4 2) ANALYSE 21) Diagramme bête à corne

5 22) Diagramme pieuvre

6 23) Cahier des charges fonctionnel Le cahier des charges fonctionnel est un document par lequel le demandeur exprime son besoin (ou celui qu'il est chargé de traduire) en terme de fonctions et de contraintes. Pour chacune d'elles sont définis des critères d'appréciation et leurs niveaux, chacun de ces niveaux est assorti d'une flexibilité. Référence fonction Fonction Critère Niveau FP Convertir les ondes radios pour que l'utilisateur commande le drone Taux d'erreurs Fc1 Ergonomie et transport Faciliter le transport Bras pliables Fléxibilité Liaison au sol Train d'atterissage Rapidité Pieds fixés au bras/corps Fc2 Recevoir ondes radios Reception des ondes <1,5s < 1s Fc3 Durer de la tenue de Temps délimité la batterie selon la taille de la batterie Fc4 Respecter la réglementation Respect de la DGAC S-1 vol à vue, distance horizontale maximale de 100 mètres Aucune Fc5 Pouvoir voler Sans tomber Eviter les obstacles Haute Tous Aucune Aucune Fc6 Protéger les composants électronique Electronique Isolant, distance entre les composants Environ 10 min Cablage Courant Carteriser Fc7 Motoriser 4 moteurs à hélices Hélice vers le haut orientés vers le haut Fc8 Gérer le vol Une batterie Évantuelement une seconde batterie Gestion de données Une carte éléctronique Carte GPS positionnement horizontal vers le haut Cable à l'exterieur 8-12 min

7 Une antenne recepteur Positionnement horizontal Une carte PCB Centralisation des connexions Fc9 Accès aux commandes Accès facilement à l'ensemble des composants électroniques Fc10 Minimiser la masse 1500g 120g

8 3) SOLUTION RETENUE 31) Stabilisation du drone Pour stabiliser le drone sur les trois axes, nous avons choisis deux capteurs : SparkFun 9 Degrees of Freedom - Sensor Stick (qui contient un accéléromètre, un gyroscope et un magnétomètre) et un capteur barométrique BMP180 (utilisé comme altimètre). 32) Le module radio Pour piloter le drone, nous avons choisi une radio-commande de type 2.4G FS-CT6B 6 CH Radio Model RC Transmitter + Receiver 33) Propulsion Pour assurer la propulsion du drone nous avons choisis de réaliser un quadricopter afin de pouvoir soulever une charge suffisante : 4 moteurs brushless A KV 4 ESC HP 30A 4 hélices de 10 pouces

9 34) Batteries Nous avons choisi d'utiliser deux batteries de type 11.1V 2200mAh 3S 25C Lipo RC Batterie.

10 4) PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT GÉNÉRAL 41) Schéma simplifié

11 5) RÉALISATION D'UNE CARTE POUR EDUCADUINO 51) Schéma de la carte 52) Photo de la carte La carte a été réalisée grâce à une plaque à souder.

12 6) MECANIQUE 61) SQUELETTE DU DRONE Voici une représentation réalisée à l'aide de Sketchup de la partie mécanique du drone. Filament PLA noir Aluminium 7,5 carré en U PVC 3 mm Le squelette de l'educadrone a été imaginé de toute pièce par les élèves du collège, notamment la protection des hélices en forme d'octogone, le socle en forme d'étoile et le train d'atterrissage. 62) REALISATION : 621) STRUCTURE EN ALUMINIUM Pour assurer la rigidité du drone nous avons utilisé des barres d'aluminium de 7,5 mm carré 638 mm

13 622) LE SOCLE Le socle permet de fixer la structure du drone solidement et aussi de garder un axe perpendiculaire entre les deux barres d'aluminium. Les deux pièces du socle ont été réalisé grâce à la machine à commande numérique du collège.

14 623) PARTIE CENTRALE La partie centrale est constituée de 4 parties réalisées avec la machine à commande numérique pour contenir la partie électronique et les batteries. La partie centrale est constituée de deux étages, un pour la partie puissance avec les ESC et les câbles et l'autre pour la partie électronique, elle est vissé au support de chaque cotés. 624) PROTECTION DES ELICES Pour éviter de toucher les hélices par accident et de risquer un grave accident, nous avons décidé de fabriquer une protection en forme d'octogone. L'imprimante 3D ne permet pas de fabriquer la protection en une seule fois, il est donc nécessaire de le fabriquer en plusieurs morceaux

15 625) FIXATION DES PROTECTIONS Pour éviter les vibrations des protections, nous avons décidé d'installer des fixations à l'extrémité du drone, les pièces ont été réalisés avec l'imprimante 3D. 626) TRAIN D'ATERRISSAGE Le train d atterrissage est fixé sur les supports des moteurs, la pièce est aussi réalisée avec l'imprimante 3D

16 7) ELECTRONIQUE Pour stabiliser le drone nous avons utilisé deux cartes électroniques pour gérer la stabilité du drone. (9DOF Sensor Stick et BMP180) Pour piloter le drone nous utilisons une radio commande FS-CT6B Le tout est relié a la carte Educaduino super via la carte shield. 71) STABILISATION 711) SCHEMA DE BRANCHEMENT Nous utilisons le bus I2C pour gérer toutes les informations transmises par les cartes. Ce bus permet d établir une connexion entre la carte Educaduino et les composants 712) FONCTIONNEMENT La carte 9DOF sensor stick contient - un accéléromètre qui permet de mesurer l accélération linéaire dans les trois dimensions. - un gyroscope qui permet entre autre de connaître la position du drone dans l'espace - un magnétomètre qui permet de connaître la position du drone par rapport au nord magnétique. La carte BMP180 permet de connaître l'altitude du drone par rapport a la pression atmosphérique. Les informations transmissent à la carte Educaduino permettent de stabiliser le drone en position horizontal en modifiant la vitesse de rotation des hélices du drone.

17 72) RADIO COMMANDE 721) SCHEMA DE BRANCHEMENT 722) Principe de fonctionnement Le récepteur de la radio est connecté sur les entrées analogiques de la carte Educaduino Super de A8 a A13, les informations envoyées par la radio commande sont reçues par la carte Educaduino pour être utilisé par le drone. 73) CARTE GPS ET BLUETOOTH La carte GPS permet de connaître la position du Drone en temps réel grâce, a un téléphone ou une tablette, par la suite cela permettra aussi de réaliser des taches automatiques, tel que le retour automatique a la base ou des missions programmées. Cela peu s avérer très utile en cas d'accident pour retrouver le drone. La carte bluetooth permet de se connecter à un téléphone ou a une tablette pour obtenir des paramètres de vol du drone.

18 731) SCHEMA DE BRANCHEMENT 74) VIDEO Vous avons choisi d'utiliser une camera indépendante du reste du système, nous avons choisi le modèle SJ6000 qui permet d'avoir une autonomie de 30 minutes, cette camera fonctionne par Wifi et on peut voir ce que la camera film et déclencher l'enregistrement a distance. 75) MOTEUR, ESC ET BATERIE Nous avons choisi des moteurs brushless capable de tourner très vite si besoin, les ESC (Electronic Speed Control) permettent de réguler la vitesse de rotation des moteurs indépendamment. Pour les 2 batteries nous avons choisi le modèle 11.1V 2200mAh 3S 25C Lipo, comme cela si une batterie tombe en panne il en reste toujours une faire un atterrissage d'urgence et éviter le crash.

19 La taille des batteries a été étudié en science physique pour avoir une utilisation supérieure a 15 minutes. 76) INTERRUPTEUR Nous avons décidé d'installer un interrupteur pour couper la rotation des hélices, suite aux premiers tests du drone ou nous avons perdu le contrôle du drone au sol. 77) MONTAGE Voici une photo de la carte après installation des composants.

20 8) INFORMATIQUE Pour la partie informatique nous avons testé chaque composants individuellement pour comprendre comment ceux ci fonctionnent. Nous avons décidé d'utiliser un logiciel open source du marché afin de bénéficier des nombreux logiciels fournit pour le paramétrage et l'utilisation du drone. C'est le logiciel Multiwii Malheureusement, les composants que nous avons choisis ne sont pas compatible avec ce logiciel, nous avons donc réaliser des modifications de ce logiciel pour le rendre compatible avec l'educadrone. 81) MODIFICATION Modification du fichier config.h Modification du fichier def.h

21 9) PARAMETRAGE Le paramétrage du drone est très complexe puisque il est basé sur des logiciels prévus pour une autre carte et qu'il nécessite des compétences dans le pilotage des drones (Que nous devons apprendre) Il s avère aussi que les accidents de drones peuvent être dangereux et occasionner de sévères coupures si l'on est pas très prudent. Pour les tests en cours nous avons fixé le drone sur une table avec des liens et il ne peut bouger que de quelques centimètres, cela afin de régler la stabilité du drone. Actuellement le drone est en phase de test, et nous apprenons à le piloter. Voici une copie d écran des deux logiciels que nous utilisons. Multiwii Configurator et ez-gui sur tablette :

22 Multiwiiconf sur pc 10) INTERDISCIPLINARITE Nous avons travaillé sur ce projet dans plusieurs matières (technologie, physique-chimie, mathématiques, français, histoire géographie et arts plastiques). Présentation de toutes ces matières dans ce projet : en technologie nous avons travaillé sur la structure du drone(mécanique), toutes la partie électronique (recherche sur le fonctionnement des composants) et informatique (programmation), en physique-chimie nous avons travaillé sur la duré de vol et nous avons calculé la taille de chaque batteries pour avoir une autonomie de vol supérieur a 15 mn en mathématiques nous avons travaillé sur la réalisation des protections des hélices en forme d'octogone et la vitesse de rotation d'une hélice pour que le drone reste stable, en français nous avons travaillé sur l'orthographe de nos fiches, en arts plastiques notre professeur nous a aidé pour la fabrication du logo qui sera affiché sur le dessous du drone et aussi pour la réalisation de deux plaques latérales. en Histoire-Géographie, nous avons appris comment déterminer les coordonnées géographiques d'un endroit et comment l'appliquer au GPS 11) ECO-DÉVELOPPEMENT Le drone ne produit pas de CO2 car il fonctionne grâce à des batteries électriques qui sont rechargeable avant chaque vol. Le drone est entièrement recyclable car la structure est en plastique et en aluminium, le reste du drone en matériaux recyclables et les composants électroniques (comme des cartes électroniques) peuvent être

23 recyclé Le développement des drones peut avoir un véritable impact sur l'éco-développement : Nous pourrions appliquer ce projet : Nous pourrions surveiller les cultures comme au États-Unis grâce à la caméra wifi permettant de voir le champ sur la tablette et de localiser les endroits ou il y a des manques d'engrais une commande pourrait être crée pour délivrés les engrais au dessus de la plantation mineure. Le drone peut aussi servir pour la SNCF, ici il servira a repérer les défauts des rails. Il peut aussi servir au pompier pour éteindre les diminuer les feux forestiers. Drone pour les champs Intervention en urgence d'un drone défibrilateur Drone police Drone repérage SNCF Drone des pompiers

24 12) PRIX DE REVIENT ET POID DU DRONE On arrive à un total de 375 pour un poids de 1,4 Kg 13) CONCLUSION SUR L'UTILISATION DE LA CARTE La réalisation du drone est une tache complexe pour des élèves de 3eme et cela a été possible grâce a l implication de plusieurs élèves qui n'ont pas hésité à venir en dehors des heures de cours, grâce aussi a l'implication de nombreux professeurs du collège pour enseigner les choses indispensables au fonctionnement du drone. La carte Educaduino permet de gérer le drone aussi bien qu'une carte dédié à cela.