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Article: Sylvain Mahé contact@sylvainmahe.site Le quadri-hélicoptère Le quadri-hélicoptère (et non pas drone) est un type d'hélicoptère propulsé par quatre moteurs. Ce projet a débuté en 2015, était fonctionnel en 2016 avec ma radiocommande de modélisme standard achetée dans le commerce (de marque FUTABA), et a été finalisé pour fonctionner en voltige 3D avec ma radiocommande de conception personnelle en 2017. Vidéo ci-dessous, un vol en cours de conception (filmé au début du projet en 2015): Programmation de l'automate programmable MODULABLE M32 avec MODULE:
Le programme en langage C++ fonctionnant avec MODULE est téléchargeable ici:
Télécharger le programme en langage C++ (.zip, 18.4Kio) Les paramètres (settings) sont à régler via la radiocommande, voici les valeurs que j'ai indiqué qui sont optimisées pour un hélicoptère comportant des caractéristiques précises (voir les caractéristiques de mon hélicoptère plus bas): - "FRES" = 1000Hz (fréquence PWM des ESC).
- "CUES" = 187μs (coupure des ESC, moteur arrêté).
- "MIEN" = 190μs (gaz minimum des ESC en vol normal).
- "MAEN" = 250μs (gaz maximum des ESC en vol normal).
- "MIEI" = 185μs (gaz minimum des ESC en vol inversé).
- "MAEI" = 125μs (gaz maximum des ESC en vol inversé).
- "SPPI" = 360°/s (vitesse angulaire maximale sur l'axe de tangage).
- "SPRO" = 360°/s (vitesse angulaire maximale sur l'axe de roulis).
- "SPYA" = 360°/s (vitesse angulaire maximale sur l'axe de lacet).
- "GAPI" = 97% (gain du gyroscope sur l'axe de tangage).
- "GARO" = 94% (gain du gyroscope sur l'axe de roulis).
- "GAYA" = 97% (gain du gyroscope sur l'axe de lacet).
- "TRAV" = 40% (proportion des débattements de l'axe de tangage et de roulis par rapport au lacet).
- "PROP" = 90% (diminution des gains en fonction des gaz).
- "LOCK" = 60% (augmentation des gains lors des acrobaties).
- "LIMI" = 90% (limitation des gaz maximums).
Connexions (automate programmable MODULABLE M32 sur les différents systèmes embarqués): - Port 5 sur broche CSN (slave select) du composant nRF24L01+.
- Port 6 sur broche MOSI (master output slave input) du composant nRF24L01+.
- Port 7 sur broche MISO (master input slave output) du composant nRF24L01+.
- Port 8 sur broche SCK (serial clock) du composant nRF24L01+.
- Port 9 sur broche PWM ESC moteur 1 (avant gauche).
- Port 10 sur broche PWM ESC moteur 2 (avant droit).
- Port 11 sur broche PWM ESC moteur 3 (arrière gauche).
- Port 12 sur broche PWM ESC moteur 4 (arrière droit).
- Port 17 sur broche SCL (serial clock line) du composant MPU6050.
- Port 18 sur broche SDA (serial data line) du composant MPU6050.
- Port 25 sur buzzer de signalement.
- Port 31 sur pont diviseur de tension 10kΩ / 1kΩ (tension de la batterie).
Historique, faisabilité, et caractéristiques: Cette idée que j'avais de faire se sustenter un objet semi-autonome en stationnaire au dessus du sol ne date pas d'hier, mais elle est devenue un peu plus réalité à l'époque ou j'ai commencé le pilotage des aéro-modèles, c'est-à-dire en 2003. À cette période, la propulsion électrique des modèles réduits d'aéronefs était à ses débuts, mais on voyait déjà apparaître sur les terrains d'aéromodélisme des mini-hélicoptères radio-commandés qui peinaient tout juste à se soulever de quelques centimètres, puis quelques mètres au dessus du sol. Depuis ce temps, la technologie a fait un bond, notamment au niveau des accumulateurs au Lithium/Polymère et des moteurs sans charbons (brushless), ce qui a permis des avancées jusqu'alors insoupçonnées en terme de durée de vol et de performances. La miniaturisation de l'électronique, notamment des gyroscopes et des émetteurs/récepteurs radios, a progressé à tel point qu'aujourd'hui en terme de volume, toute l'électronique tient dans une petite boite ! Contraintes de stabilisation en vol:
Le vol basique d'un aéronef à 4 hélices a été avec MODULE solutionné sans difficulté. En effet avec MODULE, vous pouvez programmer et faire fonctionner très facilement des gyroscopes, accéléromètres, magnétomètres, baromètres, servo-moteurs et ESC électroniques (contrôleurs de moteurs sans charbons) sans passer des heures en programmation.
En revanche, la ou l'algorithme de vol (prototype en ces temps), a montré ses premiers signes de faiblesse, s'est trouvé lors des premiers tests d'accélérations et d'acrobaties diverses (boucles, tonneaux). Ainsi, après de nombreux tests en vol (mises gaz au ralenti/pleins gaz et angles vifs à plat et sur le dos volontairement), je me suis aperçu qu'il fallait programmer bien plus qu'une simple stabilisation (plus évoluée qu'un pendule stabilisé par exemple). Pour se faire, j'ai dû suivre une logique différente de ma première approche, à savoir tenir compte de plusieurs paramètres, notamment la consigne que doit tenir l'aéronef face aux ordres angulaires demandés, la prise en compte du rendement des hélices (variable avec la vitesse de rotation), la sensibilité des corrections que l'algorithme doit effectuer, variables selon les ordres du pilote aux gaz et au cyclique, ainsi que cette sensibilité glissante au cours du temps afin de tenir compte des ordres très rapides aux commandes. Tous ces calculs assez subtils participent au verrouillage en vol de l'ensemble, et permettent des vols acrobatiques assez poussés (notamment pour le vol 3D). Projet validé:
L'expérience acquise lors de la conception de cet hélicoptère, de la logique de l'algorithme de vol, ainsi que le nombre de vols effectués, m'ont permis de constater la fiabilité de l'ensemble des cartes électroniques à bord du modèle ainsi que de la programmation.
Les caractéristiques du quadri-hélicoptère:
- Automate programmable MODULABLE M32 équipé du microcontrôleur ATmega644P.
- Émetteur/récepteur radio 2.4GHz (composant nRF24L01+).
- Communication bidirectionnelle.
- Antenne Trèfle omnidirectionnelle 4 branches (7dBm).
- Communication par trames de 32 bits.
- Gyroscope MPU6050.
- Buzzer de signalement.
- Système à tolérance de pannes (fail-safe) envoyé par la radiocommande sur 6 bits (0 à 63).
- Contrôleurs de moteurs sans charbons KISS ESC 2-5S 24A Race Edition.
- Moteurs sans charbons TIGER MOTORS MN2206 2000kV.
- Hélices 3D Graupner 6" x 3".
- Accumulateur Lithium/Polymère TURNIGY 4S 2200mAh (+14.8V).
- Tension de la batterie envoyée à la radiocommande sur 10 bits (0 à 1023).
- Allumage ou extinction du modèle ou de la radiocommande dans n'importe quel ordre.
- Châssis en tubes d'aluminium 10mm x 12mm.
- Entres-axes moteurs: 372mm x 372mm.
Boite de transport sur-mesure en contre-plaqué 10mm: Les sécurités d'avant vol: Afin de garantir le non-démarrage des moteurs à l'allumage du modèle, j'ai mis en place quelques sécurités (ou conditions à remplir):
- Vérification de l'arrivée de toutes les voies de la radiocommande.
- Vérification que l'interrupteur moteurs coupés soit activé.
- Vérification que le manche de gaz soit centré entre 45% à 55% de sa course totale (ralenti moteur en mode 3D) sans trim ni courbe de gaz.
- Buzzer de signalement (code erreur sonore).
Une fois ses conditions remplies, l'hélicoptère est prêt à être mis en vol, il est alors en attente du basculement de l'interrupteur de coupure moteurs pour une mise au ralenti de ces derniers. Cet hélicoptère est également équipé d'un système à tolérance de pannes (fail-safe), ce qui permet d'arrêter les moteurs lorsque la radiocommande ne répond plus. Possibilités d'évolution: Il est possible d'utiliser le gyroscope/magnétomètre BNO055 à l'aide de la classe dédiée Bno055.h si vous souhaitez voler avec un horizon artificiel (vol assisté conseillé pour les débutants), ainsi que le baromètre BMP180 à l'aide de la classe Bmp180.h si vous souhaitez mesurer la pression atmosphérique et donc connaître l'altitude de votre hélicoptère. Exemple en vol de l'utilisation de l'horizon artificiel: Responsabilité: Vous pouvez utiliser la partie matérielle et logicielle que je propose, mais en matière de communication sans fil 2.4GHz et d'aéromodélisme, des précautions doivent être prises. Je ne pourrais être tenu pour responsable si vous faites une mauvaise utilisation de mes systèmes ! Ce qui signifie que vous utilisez ma programmation en toute connaissance de cause et en règle avec la loi en vigueur dans votre pays (notamment en ce qui concerne les lieux de vols autorisés, les fréquences et puissances d'émissions des radio-émetteurs, etc...). On ne rappellera jamais assez que les hélicoptères en aéromodélisme ne sont pas des jouets, surtout quand il s'agit d'hélices entraînées à 36000 tours / minute comme c'est le cas sur cet hélicoptère ! Vous devez prendre une extrême précaution lors des réglages d'un tel hélicoptère, il est vivement conseillé de démonter les hélices lors des réglages et de les remonter uniquement lorsque vous êtes certains de vos paramètres.