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sylvainmahe.site LE SITE de Sylvain Mahé contact@sylvainmahe.site
Article : Sylvain Mahé contact@sylvainmahe.site Le quadri-hélicoptère Le quadri-hélicoptère (et non pas drone, voir plus bas "L'amalgame du drone en aéromodélisme") 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 (acrobaties en vol dos avec inversion du sens de rotation des moteurs) avec ma radiocommande de conception personnelle en 2018. Vidéo ci-dessous, un vol en cours de conception (filmé au début du projet en 2016) : Photos ci-dessous, montage de l'électronique et assemblage du châssis : Programmation de l'automate programmable MODULABLE 32 avec MODULE :
Le programme en langage C++ fonctionnant avec MODULE est téléchargeable ici :
Télécharger le programme du quadri-hélicoptère (.zip, 6.6Kio) 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" = 800Hz (fréquence PWM des ESC).
- "CUES" = 187μs (coupure des ESC, moteur arrêté).
- "MIEN" = 198μs (gaz minimum des ESC en vol normal).
- "MAEN" = 250μs (gaz maximum des ESC en vol normal).
- "MIEI" = 176μs (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" = 95% (gain du gyroscope sur l'axe de roulis).
- "GAYA" = 99% (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" = 100% (diminution des gains en fonction des gaz).
- "LOCK" = 30% (augmentation des gains lors des acrobaties).
- "LIMI" = 100% (limitation des gaz maximums).
Connexions (automate programmable MODULABLE 32 sur les différents systèmes embarqués) : - Port 5 sur broche CSN (slave select) composant nRF24L01+.
- Port 6 sur broche MOSI (master output slave input) composant nRF24L01+.
- Port 7 sur broche MISO (master input slave output) composant nRF24L01+.
- Port 8 sur broche SCK (serial clock) 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) composant MPU6050.
- Port 18 sur broche SDA (serial data line) composant MPU6050.
- Port 25 sur broche WAVE (onde) buzzer de signalement.
- Port 31 sur sortie 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 où 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 boîte ! 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 demandés (les consignes de vitesses angulaires sur les 3 axes), la prise en compte du rendement des hélices (variable avec la vitesse de rotation), la sensibilité des corrections que l'algorithme doit effectuer (gains) variable selon les ordres du pilote aux gaz et au cyclique, ce qui permet de garantir un meilleur verrouillage de l'assiette lors des acrobaties... Tous ces calculs assez subtils participent au bon comportement en vol de l'ensemble, et permettent des vols acrobatiques assez poussés (notamment pour la voltige 3D, comprendre ici le vol dos ou inversé). 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 32 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) sur 5 bits (0 à 31).
- Surveillance de l'activité du modèle (watchdog) sur 5 bits (0 à 31).
- 3 modes de vol ("Full 2D", "Half 2D", et "Full 3D").
- 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.
- Entre-axes moteurs : 372mm x 372mm.
Boîte de transport sur-mesure en contre-plaqué 10mm : Les modes de vol : À l'instar des machines de voltige équipées de pas variable collectif, cet hélicoptère est conçu pour effectuer des acrobaties 3D (vol inversé) grâce à l'inversion du sens de rotation des moteurs en plein vol (sens normal, l'air est aspirée au dessus et est refoulée en dessous de l'hélicoptère, sens inversé, l'air est aspirée en dessous et est refoulée au dessus de l'hélicoptère). Ceci permet à l'aide d'hélices adaptées, soit symétriques et à double sens de rotation, de voler sur le dos (c'est le vol inversé). Pour un pilote habitué au vol 3D, cette caractéristique d'inversion du sens de rotation des moteurs en vol est intuitive, ce premier étant familiarisé à l'inversion du pas collectif (de positif à négatif et inversement) sur des hélicoptères à rotors classiques (rotor principal et rotor anti-couple), avec un neutre c'est-à-dire un pas collectif à 0 degrés, situé manche de gaz au milieu. En revanche pour un pilote non-initié à la voltige 3D, cette convention d'un ralenti moteur manche de gaz au milieu, avec leur rotations inversées suivant la position de ce manche de gaz sur la moitié inférieure ou supérieure de sa course totale serait non seulement contraignante, contre-intuitive, mais pourrait être également très dangereuse ! C'est pourquoi j'ai décidé de programmer 3 modes de vol adaptés aux différentes situations, que vous pouvez sélectionner à tout moment via l'interrupteur auxiliaire A (3 positions) : - Interrupteur auxiliaire A sur position 1 = Mode "Full 2D" : toute la course du manche de gaz (de 0% à 100%) est utilisée sans inversion du sens de rotation des moteurs.
- Interrupteur auxiliaire A sur position 2 = Mode "Half 2D" : la moitié supérieure de la course du manche de gaz (de 52.5% à 100%) est utilisée sans inversion du sens de rotation des moteurs.
- Interrupteur auxiliaire A sur position 3 = Mode "Full 3D" : toute la course du manche de gaz (de 0% à 100%) est utilisée avec inversion du sens de rotation des moteurs (inversé si manche de gaz inférieur à 47.5%, normal si manche de gaz supérieur à 52.5%).
Plus exactement, en mode de vol "Full 3D", lorsque le manche de gaz descend en dessous de 47.5% de sa course totale, le sens de rotation des moteurs s'inverse, au contraire lorsque le manche de gaz dépasse 52.5% de sa course totale, le sens de rotation des moteurs s'inverse à nouveau (sens normal). C'est donc un hystérésis de 5% qui a pour avantage de ne pas faire inverser le sens de rotation des moteurs de façon intempestive lorsque le manche de gaz se situe dans la zone du milieu (vers la moitié de sa course totale). Pour éviter un démarrage involontaire des moteurs à l'allumage du modèle quel que soit le mode de vol, il est indispensable d'avoir en premier lieu prévu les sécurités nécessaires pour prévenir tout accident (voir ci-dessous : "Les sécurités d'avant vol"). 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 de coupure moteur soit activé.
- Vérification que le manche de gaz soit inférieur à 5% de sa course totale (ralenti moteur en mode "Full 2D"), ou inférieur à 52.5% de sa course totale (ralenti moteur en mode "Half 2D"), ou centré entre 47.5% à 52.5% de sa course totale (ralenti moteur en mode "Full 3D"), sans trim ni courbe de gaz.
- Buzzer de signalement (code sonore).
Le buzzer de signalement produit 3 types de signaux différents :
- 2 bips consécutifs : le modèle ne reçoit pas la radiocommande, il est en "fail-safe", et/ou est en attente que l'utilisateur active l'interrupteur de coupure moteur, et positionne le manche de gaz en cohérence avec le mode de vol sélectionné avec l'interrupteur auxiliaire A.
- Mélodie courte : le modèle confirme qu'il a mis à jour ses paramètres (section "UPDATE" de la radiocommande) et qu'il les a sauvegardé dans sa mémoire interne.
- Mélodie longue : le modèle est prêt voler.
Une fois les conditions remplies, l'hélicoptère est prêt à être mis en vol, il est alors en attente du basculement de l'interrupteur de coupure moteur pour une mise au ralenti de ces derniers (sous réserve d'une position du manche de gaz cohérente au mode de vol sélectionné). Par sécurité, cet hélicoptère est équipé d'un système à tolérance de pannes (fail-safe), ce qui permet d'arrêter les moteurs lorsque la radiocommande ne répond plus. Précautions : On ne rappellera jamais assez que les hélicoptères en aéromodélisme ne sont pas des jouets, surtout quand il s'agit d'hélices entraînées à plusieurs milliers de tours par 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 certain de vos paramètres. 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 de l'utilisation de l'horizon artificiel (vol du prototype en 2015) : L'amalgame du drone en aéromodélisme : Qu'est-ce qu'un drone ? Si ce n'est un mot anglais dont la simple traduction est "bourdonnement", "vrombissement", ou encore "ronronnement". Dans ce cas, un bourdon, une voiture de course, et un chat seraient-ils des drones ? La question est posée ! Plus sérieusement, je vais essayer d'expliquer simplement (en quelques lignes, on va pas passer la nuit là-dessus) ce que je pense être l'origine de l'amalgame qui est fait aujourd'hui, largement propagé par les médias (de tous types), et venu s'incruster dans les mœurs de nos fameux terrains d'aéromodélisme ! Quel est le premier drone ayant marqué l'histoire ? Cela semble être le tristement mythique V1, un avion militaire allemand sans pilote équipé d'une lourde bombe destinée à faire des ravages outre Manche contre le Royaume-Uni (plus précisément Londres), et plus tard sur la Belgique. Cela a fait partie des armes secrètes de l'Allemagne Nazie... Cet avion avait à son bord trois gyroscopes permettant de le guider d'une façon autonome, et était propulsé par un moteur (appelé parfois moteur-fusée) de type pulso-réacteur : Ce type de moteur fait énormément de bruit ! Bien plus encore qu'un turbo-réacteur conventionnel (équipé d'un rotor), surtout à notre époque où beaucoup de progrès sont réalisés pour diminuer les émissions sonores notamment pour les vols commerciaux. Ce bruit s'apparente à un bourdonnement sourd (avec beaucoup de graves), audible à de grandes distances, et vous imaginez alors qu'un londonien à l'époque entendant ce bruit, devait certainement s'écrier quelque chose comme ceci : "I hear a drone noise !". C'était alors souvent trop tard puisque l'avion sans pilote tombait à court de carburant, et venait donc s'écraser sur Londres dans une violente explosion, faisant de nombreuses victimes la plupart du temps civils. Bien plus tard, les drones se sont invités au sein de l'armée américaine sous diverses formes, dans un premier temps dans un but de prospection (simplement équipés de caméras, de radars, etc...), et dans un deuxième temps équipés de missiles et autres engins de destruction de cibles ennemies (je ne ferais pas plus de commentaires sur ce sujet étant donné que je suis contre la guerre). Vous l'aurez compris, dans ma compréhension de cette problématique plus d'ordre littéraire qu'autre chose, les drones civils n'existent pas, l'historique veut qu'un drone est un engin sans pilote à but militaire, et cela doit le rester ! Autrement dit, un tri-hélicoptère (trois rotors), un quadri-hélicoptère (quatre rotors), un hexa-hélicoptère (six rotors), ou encore un octo-hélicoptère (huit rotors), sont des types d'hélicoptères radiocommandés (ou radio-pilotés), soit entièrement pilotés, semi-pilotés ou semi-autonomes, ou bien complètement autonomes, appelés également multi-coptères, ou multi-hélicoptères (pour plus de 2 rotors, en opposition au rotor principal et anti-couple d'un hélicoptère plus conventionnel), mais ces machines volantes ne sont en aucun cas des drones ! Sauf si effectivement pour vous, les bourdons dans mon jardin, ma voiture de course, ou mon chat sont des drones, auquel cas je ne peux plus rien faire pour vous !