PPE 2014 : Etude de la motorisation et de la Batterie

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1 Luc Perard T4SSI PPE 2014 : Etude de la motorisation et de la Batterie Sommaire : 1/ Problématique et environnement 2/ Modélisation des données constructeur 3/ Essais et exploitation des données expérimentales a) Protocole de mesures b) Exploitation 4/ Facteurs de consommation et Batterie Li-Po 5/ Protection de la batterie 6/ Conclusion 1/ Problématique et environnement Le travail réalisé portait sur l étude des moteurs, des variateurs et de la batterie. Il visait à répondre à la problématique suivante : «Comment déterminer la durée d un vol stationnaire tout en protégeant la batterie?». La réponse à cette problématique se fait selon des conditions initiales précises. On étudie uniquement le vol stationnaire du drone sans tenir compte des phases d accélération ou de décélération, dues au décollage ou à l atterrissage. Le vol se réalise en intérieur dans des conditions optimales, on considère qu il n y a que le poids qui agit sur le robot. 2/ Modélisation des données constructeur Afin d en simplifier la manipulation, j ai réalisé un modèle Matlab avec les données constructeurs. Pour cela j ai modélisé, avec un professeur de physique chimie sur le logiciel Latis Pro, l équation d une courbe passant par les points fournis par les documents techniques Modélisation Matlab Modélisation Latis Pro Tableur Excel Accélération (%) Vitesse (trs/mn) tension (v) Intensité (A) ,6 8, ,2 10, ,3 12, ,1 17,7 1

2 3/ Essais et exploitation des données expérimentales a) Protocoles et mesures On cherche à mesurer, en fonction de l accélération (déterminée par la télécommande), la vitesse de rotation d un moteur, l effort qu il produit et l intensité absorbée de l ensemble moto-variateur pour les comparer au modèle constructeur. On réalise pour cela un montage unique sur un banc d essai dans le but d effectuer toutes les mesures simultanément. Pour mesurer la vitesse des pales, on utilise un tachymètre laser avec une pastille réfléchissante collée sur l une d elles (ce système est peu précis mais on ne dispose pas de mieux). Pour mesurer les efforts, le moteur est monté sur un capteur d efforts qui lui sert de support. Pour mesurer la consommation en ampère, on utilise une pince ampère-métrique. On réalise plusieurs enroulements pour augmenter la précision de la mesure. Pour piloter le moteur, on le relit à un récepteur contrôlé par une télécommande, cependant ce mode de pilotage manuel influe sur la précision des mesures car il est difficile de conserver une vitesse constante. Le moteur atteignant des vitesses assez importantes il est indispensable de s en tenir écarté, de fixer les câbles (éviter l aspiration des pales) et de s assurer que les pâles sont correctement serrées. Tachymètre Laser Pales 3 Alimentation utilisée pour les essais Moteur Capteur d efforts Pastille réfléchissante Variateur Pince Ampère-métrique Alimentation 13.8V Schéma du montage des mesures Vers secteur Moteur, pale et capteur d effort Tachymètre Laser Pince Ampère-métrique (10 enroulements) 2

3 b) Exploitation A partir des résultats obtenus, j ai pu tracer de nouvelles courbes et les comparer au modèle constructeur créé plus tôt. Intensité (A) Intensité (A) Données expérimentales Modélisation des données expérimentales 3.5 accélération (%) accélération (%) Représentation du modèle constructeur Représentation du modèle expérimental On remarque que le modèle constructeur est un morceau de parabole (équation du second degré). Toutefois, sur les données expérimentales, le haut de la parabole semble s écrasé, ce qui est probablement due à la présence d une surface pleine sous le moteur lors du test empêchant ainsi l air d arriver. J ai donc modélisé une autre parabole à partir des données expérimentales qui semble être très similaire à celles fournies par le constructeur. Pales Moteur Il n y a plus assez d air à déplacer J ai effectué le même travail pour la vitesse, cependant je ne disposais pas de données constructeur exploitables pour l effort de traction créé par la portance des pales. On remarque que la vitesse atteinte est nettement supérieur à la vitesse théorique. Modélisation Modélisation Représentation de la vitesse théorique Représentation de la vitesse expérimentale Représentation de l effort expérimentale 3

4 On peut déterminer plusieurs facteurs d erreur. Premièrement nos pales ne sont pas exactement les mêmes que celles utilisées par le constructeur dans ses tests. Deuxièmement, la précision de nos mesures : il y a une erreur due à la manipulation du tachymètre et de la télécommande. Et enfin une erreur due à l alimentation utilisée pendant nos essais : il s agit d une alimentation 13.8V, or, les données constructeur et notre drone fonctionne en 11.1V. J ai donc posé l hypothèse qu il existe une relation de proportionnalité pour la vitesse et l effort et j ai divisé la totalité des résultats des tests effectués sur cette alimentation par le rapport 13.8/11.1 ( 1.24). J étais obligé de réaliser les tests avec cette alimentation car c est la seul de notre laboratoire capable de fournir une intensité suffisante pour permettre un fonctionnement optimal. 4/ Facteurs de consommation et batterie Li-Po Différents éléments influent sur la consommation du drone et par conséquent sur son temps de vol. Si l on néglige la consommation des variateurs de vitesse et de la carte de programmation Arduino Mega 2560 (négligeable d après la documentation), Seuls les moteurs consomment de l énergie. Dans le cadre de nos conditions initiales, cette consommation dépend de deux paramètres : le choix de nos moteurs et le poids de notre drone. Les moteurs ont été choisis et achetés par nos enseignants, il s agit de moteurs brushless T-motor MT Le poids du robot a été optimisé par l équipe responsable de la conception mécanique, soit 13,17N pour l ensemble (avec un corps en PVC). Comme le drone est équipé de quatre moteurs, chacun d eux devra produire un effort supérieur ou égal à 13,17/4 3,29N. D après les résultats obtenus avec mes essais j ai pu déterminer à quelle vitesse devait tourner le moteur et quelle sera l intensité absorbée, voici les paramètres : )(%) tension Vitesse Accélération (v) Intensité (trs/mn) (A) (%) puissance tension Vitesse (trs/mn) (W) (v) Effort Intensité tension (N) (v)(a) Vitesse Intensité puissance (RPM) (A) puissance Intensité (W) (A) (W) Effort Effort (N) (N) Vitesse (RPM) Intensité (A) (A 5 5, , ,05 5,8 5,8 3,5 8,3 8,3 7400,0 48,05 3,46 3,5 3,57400,0 7400,0 3,46 3,46 Connaissant maintenant l intensité absorbée par chaque moteur, et par conséquent l intensité absorbée totale, j ai pu déterminer une durée de vol stationnaire avec notre batterie. Il s agit d une batterie Li- Po (Lithium-Polymère) 3S, 4000mAh et 35C de marque Dualsky. 4

5 Elle est donc capable de fournir un courant de 4A pendant 1 heure, 8 A pendant une demi-heure, et jusqu à 140A max (35 fois sa capacité horaire) sous une tension de 11,1V. Pour voler notre drone absorbe une intensité totale de 4x A, soit un temps de vol d environs 17,3min et un taux de décharge de 17.3/60 3.5C ce qui est très inférieur à 35C. 5/ Protection de la batterie Bien que puissantes, les batteries Li-Po requièrent la plus grande attention. En effet, si on les décharge trop il devient impossible de les recharger, il faut s assurer que leur tension ne descende jamais en dessous de 3.0V par élément soit 9.0V pour une 3S. Je souhaite donc pouvoir faire l acquisition de la tension de la batterie sur une entrée analogique d une carte de programmation. Cependant, ces entrées n acceptent pas de tensions supérieures à 5V (source Arduino). Pour avoir une tension image de la batterie qui puisse être acquise par la carte, j ai réalisé un pont diviseur de tension «à vide» (pour ne pas consommer de courant). Ra R1 = Ra+Rb = Ω U Rb Vers entrée analogique Rc Rd R2 = Rc+Rd = Ω U2 Vers Ground Pour le choix des résistances, il fallait que R1 et R2 est une valeur assez élevée pour ne pas absorber de courant mais pas trop élevée car le pont serait devenu très sensible aux perturbations électromagnétiques. J ai donc choisi un rapport de 1/10 pour que la différence entre une batterie chargée et vide soit assez nette. Ainsi, d après la loi d Ohm, on a : Par conséquent lorsque la batterie est chargée (11.1V), la carte reçoit une tension U2 = 11.1* / ( ) = 1.11V et lorsqu elle est déchargée, elle reçoit une tension U2 = 9.0* / ( ) = 0.9V Un sous-programme prioritaire fait l acquisition constante de cette tension image. Dès qu elle atteint le seuil de décharge, il peut prendre le contrôle du drone pour le poser ou encore envoyer un avertissement sonore ou lumineux. Conclusion L objectif était de déterminer une durée de vol stationnaire pour le drone tout en protégeant notre batterie. À l aide d un modèle constructeur et de modèles expérimentaux, j ai pu déterminer l ensemble des paramètres nécessaires pour que le robot reste en vol le plus longtemps possible. Avec ces données, l équipe responsable de la programmation peut fixer des constantes pour piloter les variateurs. Enfin j ai protégé la batterie en réalisant l acquisition d une tension image sur la carte de programmation, permettant ainsi un arrêt d urgence» 5