Mini-Conf. 2 Décembre Conception et réalisation d'un quadricoptère pour la prise de vue aérienne. Gaétan LAURE.
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- Roger Leduc
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1 Mini-Conf. 2 Décembre 2016 Conception et réalisation d'un quadricoptère pour la prise de vue aérienne Gaétan LAURE
2 Plan I. Introduction II. Composants utilisés III. Design du châssis IV. Construction V. Utilisation d ArduPilot VI. Essais en vol 2/68
3 o Types de drones : Multirotors : I. Introduction Tricoptère Drones à voilure fixe : Quadricoptère Hexacoptère / Octocoptère Aile volante Motoplanneur 3/68
4 I. Introduction o Applications : Prise de vue aérienne Reconstruction 3D (de sites archéologiques, bâtiments ) Agriculture de précision (caméras hyperspectrales) Livraison (DHL, Amazon, Google ) Recherche de personnes et sauvetage (en mer / montagne) Analyse des couches de neige / prédiction d avalanches 4/68
5 I. Introduction o Drone pour la prise de vue : DJI Phantom 4 (~ 1400 ) Drone populaire 5/68
6 I. Introduction o Drone pour la prise de vue : Caméra stabilisée et orientable Modes de vol automatiques (avec un GPS) : Rester à un point fixe Vol en ligne droite Rotation autour d un point fixe Retour au point de décollage en cas de perte de signal / batterie faible Analyse d image, mode «Follow Me», évitement d obstacles etc (pour les derniers modèles dont le Phantom 4) 6/68
7 I. Introduction o Pourquoi faire son drone? Facilement réparable Evolutif (motorisation, caméra..) Matériel réutilisable (radiocommande, camera..) Accessoires/batteries moins chers Design sur mesure (adapté au transport) 7/68
8 o Comment ça vole? I. Introduction Les hélices génèrent la poussée Centrale inertielle/microcontrôleur : asservissement des angles d Euler et de la poussée Radiocommande Consigne angles et poussée ( illustration ) 8/68
9 II. Composants utilisés o Câblage du drone (simplifié) : 9/68
10 II. Composants utilisés o Radiocommande Graupner MX-16 HoTT : 8 Voies 2.4 GHz Portée : 2 km ~ /68
11 II. Composants utilisés o ArduPilot Mega (APM) 2.5 : Processeur Atmel Atmega2560 (16 MHz, 8 bit) Accéléro/gyro Baromètre Magnétomètre Centrale inertielle intégrée Fonctionne avec le soft ArduPilot (open source) Prix : ~ 40 11/68
12 II. Composants utilisés o ArduPilot : Software open source Bien documenté ( ) Beaucoup de possibilités dont le vol automatique (suivi de waypoints etc ) Installation et configuration via Mission Planner 12/68
13 II. Composants utilisés o Power Module : Régulateur 5V pour alimenter l APM Mesure courant et tension Prix : ~ 10 13/68
14 II. Composants utilisés o Chaine de propulsion : Batterie ESCs Moteurs Hélices 14/68
15 II. Composants utilisés o Batterie Lipo 4S et «Cell Checker» : 4S 4 cellules : 16.8 V 13.2 V (1 cellule : 4.2 V 3.3 V) Taux de décharge important (20C soit 100 A) À manipuler avec précaution (utilisation d un chargeur spécifique) «Cell Checker» sonne si on passe sous les 3.4 V / cellule Poids : 450 g, Prix : ~ 27 15/68
16 II. Composants utilisés o Moteurs Brushless : ( illustration : ) T-Motor MT Kv Contrôle précis en vitesse Poids : 74 g, Prix : ~ 45 16/68
17 II. Composants utilisés o ESCs : Contrôle le moteur à partir du signal PWM de l APM Favourite LittleBee 30A Processeur intégré Génère le courant triphasé pour entraîner le moteur à la vitesse souhaitée Prix : ~ 12 17/68
18 II. Composants utilisés o Hélices : Graupner E-Prop 10x5 Rigides Bien équilibrées de base Prix : ~ /68
19 II. Composants utilisés o Bilan sur la chaine de propulsion : Batterie 4S, Moteurs 800 Kv, ESCs 30A, Hélices 10x5 Site très utile pour le choix : 19/68
20 II. Composants utilisés o Schéma complet : 20/68
21 II. Composants utilisés o GPS et magnéto externe : Magnéto externe remplace le magnéto interne de l APM pour éviter les interférences GPS Modes de vol autonomes Prix : ~ 15 21/68
22 II. Composants utilisés o Télémétrie : Renvoie les données du drone en temps réel sur PC ou Smartphone Protocole MAVLink 433 MHz Portée : ~ 1 km Prix : ~ 25 22/68
23 II. Composants utilisés o Transmission vidéo : GoPro 3 Black (2.7K 30fps, ~ 200 d occasion) ImmersionRC 5.8 Ghz (~ 65 ) Portée : ~ 1 km 23/68
24 II. Composants utilisés o Lunettes : FatShark Attitude V2 Résolution : 640 X 480 VGA Prix : ~ /68
25 II. Composants utilisés o Nacelle stabilisée et régulateur 12 V : DYS Smart3 (3 axes) Conçue pour la GoPro 3/4 Stabilisation sur 3 axes Contrôle de l orientation (axes lacet et tangage) Poids : 240 g Prix : ~ /68
26 III. Design du châssis o Inspiré du tricoptère : Construit à partir du kit de RCExplorer Voir construction sur mon site 26/68
27 III. Design du châssis o Réalisé sous SolidWorks : 27/68
28 III. Design du châssis o Vue éclatée : Conçu pour être réalisé au SoFab (découpeuse laser et impression 3D) 28/68
29 III. Design du châssis o Train d'atterrissage : Inspiré des drones MikroKopter Imprimé en 3D avec de l ABS 29/68
30 III. Design du châssis o Les deux plaques principales et cales : Découpé au laser dans du contreplaqué et du plexiglas (PMMA coulé) 30/68
31 III. Design du châssis o Installation des bras : Les bras viennent en buté sur 4 vis 31/68
32 III. Design du châssis o Les bras peuvent être pliés : Permet aussi d amortir les chocs en cas de crash 32/68
33 III. Design du châssis o Les bras peuvent être pliés : 33/68
34 III. Design du châssis o Plateforme anti-vibration pour l APM : Découpé au laser dans du plexiglass (PMMA coulé) 34/68
35 III. Design du châssis o Plateforme anti-vibration pour l APM : Découpé au laser dans du plexiglass (PMMA coulé) 35/68
36 III. Design du châssis o Plaque pour installer la batterie et la nacelle : Découpé au laser dans du contreplaqué 36/68
37 IV. Construction o Usinage à la découpeuse laser du SoFab : Trotec Speedy 100 Matières usinées : Contreplaqué 5 mm (3 plis) PMMA coulé 3 et 10 mm 37/68
38 IV. Construction o Support anti-vibration usiné : PMMA coulé 3 mm 38/68
39 IV. Construction o Les 2 plaques principales et cales usinés : Contreplaqué 5 mm (3 plis) PMMA coulé 10 mm 39/68
40 IV. Construction o Support pour installer la batterie/nacelle usiné : Contreplaqué 5 mm (3 plis) 40/68
41 IV. Construction o Train d'atterrissage imprimé : Imprimé avec de l ABS 41/68
42 IV. Construction o Installation de APM/GPS sur le support anti-vibration : 42/68
43 IV. Construction o Assemblage des bras : 43/68
44 IV. Construction o Installation du moteur : 44/68
45 IV. Construction o Les 4 bras assemblés : Numérotation des câbles 45/68
46 IV. Construction o Installation des bras entre les plaques : 46/68
47 IV. Construction o Installation des bras entre les plaques : 47/68
48 IV. Construction o Installation de l APM/GPS : 48/68
49 IV. Construction o Connexion des ESCs : 49/68
50 IV. Construction o Installation du support batterie/nacelle : 50/68
51 IV. Construction o Installation des derniers éléments : Plus de détail sur mon site 51/68
52 IV. Construction o Zoom sur la nacelle stabilisée : Pièce imprimée en 3D (jaune) pour installer la GoPro 52/68
53 IV. Construction o Zoom sur l installation de la batterie : Positionnée en arrière, elle permet d équilibrer le centre de gravité 53/68
54 V. Utilisation d ArduPilot o Installation du firmware sous Mission Planner : 54/68
55 V. Utilisation d ArduPilot o Configurations de base : Configuration du type de châssis Calibration des accéléro/magnéto, de la radiocommande et des ESCs 55/68
56 o Les modes de vol : V. Utilisation d ArduPilot Stabilize : mode de base, contrôle des angles d Euler Loiter : contrôle du déplacement (GPS) Circle : décrit un cercle d un rayon prédéfini Auto : Suivi de waypoints préprogrammés RTL : retour au point de décollage 56/68
57 V. Utilisation d ArduPilot o Réglage des gains du correcteur PID : Réglage du PID propre à chaque drone Des gains trop élevés pour P et D entraînent des oscillations Des gains trop faibles entraînent un manque de réactivité 57/68
58 V. Utilisation d ArduPilot o Télémétrie avec DroidPlanner 2 : Retour des infos de vol sur smartphone, programmation de waypoints 58/68
59 V. Utilisation d ArduPilot o Télémétrie avec Mission Planner : Retour des infos de vol sur PC, programmation de waypoints 59/68
60 IV. Essais en vol o Démonstration : Autonomie en vol : 15 minutes 60/68
61 IV. Essais en vol o Vol autonome : Définition d une mission sur DroidPlanner 2 : - Décollage (1) - Point d'intérêt (2) - Waypoints (3-11) - Retour au point de départ (12) Les waypoints définissent une spline Le drone va rester orienté vers le point d intérêt (2) 61/68
62 IV. Essais en vol o Vol autonome : Vidéo : 62/68
63 IV. Essais en vol o Vol autonome : Trace GPS enregistrée sur l APM : Erreur max de 3 m par rapport aux waypoints 63/68
64 IV. Essais en vol o Vitesse max 78 km/h : Vidéo : Donne une indication de la capacité à remonter le vent 64/68
65 IV. Essais en vol o Vitesse max 78 km/h : Données enregistrées sur l APM : Vitesse (GPS) Tension aux bornes de la batterie Courant consommé 31.3 A pour 13.5 V, puissance max consommée 423 W 65/68
66 o Coût de l ensemble : Bilan : Conclusion Drone 700 Radiocommande / Chargeur 300 Lunettes FatShark 350 GoPro 3 (occasion) 200 Total 1550 Réduction possible du coût à 1250 : Moniteur LCD à la place des lunettes (- 200 ) Motorisation plus légère (- 100 ) 66/68
67 Conclusion o Poids du drone : Bilan : Batterie Nacelle + GoPro 3 Moteurs + ESCs + Hélices Châssis + autres équipements Total 450 g 320 g 430 g 590 g 1790 g Réduction possible de la masse : Passage au carbone et simplification du câblage (- 150 g) Motorisation plus légère (- 100 g) 250 g de moins gain de 3 minutes d autonomie 67/68
68 Conclusion o Caractéristiques principales : Drone open source Nacelle stabilisée et retour vidéo ArduPilot : Modes de vol pour la prise de vue Poids 1790 g 15 minutes d autonomie o Perspectives : Faire une seconde version allégée (sous les 1500 g) Atteindre les 20 minutes d autonomie 68/68
69 Merci pour votre attention! Contact et infos :
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