Catégorie : Quadricopter

03/05/2015

Châssis Mini-quadcopter [1/3] – Vue d’ensemble

Origine de l’idée

Pour mon premier quadcopter, j’ai acheté un châssis pas trop cher: le x525. Un châssis de 60 cm d’envergure de moteur à moteur. C’était un type châssis assez populaire avec une dimension ‘standard’. Et c’est vrai qu’avec cette taille on s’attend à avoir assez de place sur la plateforme centrale; seulement avec une plaque de 12×12 cm, on se retrouve vite à l’étroit. Une fois qu’on a réussi à installer les 4 ESCs (variateurs de vitesse), le contrôleur de vol et le récepteur, il ne reste pas grande place pour une caméra et un système FPV (vol en immersion). C’est à ce moment là que commence l’optimisation pour tout faire rentrer, ce qui donne un montage super propre où chaque élément à sa place. Sauf que quand on commence, notre œuvre d’art s’écrase assez fréquemment, et là…c’est la grosse misère pour réparer le moindre truc.

Controleur de vol, transmetteur et ESC

Controleur de vol, antennes du transmetteur et ESC

En plus, ce type de châssis est en fibre de verre et donc se casse assez facilement lors de crash, en particulier les pièces sensibles comme les patins d’atterrissage et les supports moteurs. En fait, le gros problème c’est que les parties en fibre de verre ne sont pas capables d’absorber l’impact à cause du poids trop élevé de l’ensemble (> 1 Kg). Et bien évidemment pour les réparer, il faut avoir des pièces de rechange en stock ou alors les commander et attendre 3 semaines pour qu’elles arrivent. Enfin…vous connaissez sûrement le problème.

Châssis X525 en fibre de verre et bras aluminium

Donc même en ayant un bon stock de pièces de rechange, ça a fini par me gaver. À ce moment là, j’ai eu deux choix : Changer la fibre de verre pour de la fibre de carbone plus solide, ou redesigner un châssis plus simple, facile à réparer et avec des matériaux que je pouvais trouver partout.

C’est sûr que la seconde solution est plus complexe et implique beaucoup plus de défis, alors que la première solution est juste plus chère !

Étant un amoureux des défis, j’ai opté pour la solution la plus intéressante.

Définition des exigences

Avant de se lancer dans la construction, esquissons un simili cahier des charges pour ce nouveau châssis :

Faible coût
Un truc pas trop cher parce qu’on va s’en servir pour apprendre ou s’entraîner donc il va se crasher régulièrement.
Solide
Oui, on va l’écraser, mais on ne va pas le réparer à chaque fois quand même.
Simple
Simplicité, mais pas simpliste. Plus le montage est simple, plus il est facile à réparer, et à assembler.
Léger et transportable
Le poids est important, car il joue sur la durée maximum du vol et sur la force appliquée sur châssis au moment de l’impact.
Transportable… pourquoi pas !
Résistant aux intempéries
Ici, je vous parle de météo. Vivant au Canada où une année se compose de 6 mois de neige, 3 mois de pluie et 3 mois de soleil, il est primordial d’avoir un montage résistant aux intempéries afin de voler plus de 3 mois par an. Donc oui, ce quad sera résistant à l’eau !

Beaucoup de promesses ? Et bien pourtant ce quadcopter existe, et pas seulement dans ma tête…

Voyons comment satisfaire toutes ces exigences.

Poids

Le poids est un critère important qui est difficile à satisfaire avec des matériaux peu chers. Et c’est certain qu’on ne peut pas compétitionner avec la fibre de carbone, car son ratio solidité-poids est excellent. Mais on peut trouver des matériaux qui satisfont nos exigences : Aluminium ou bois.

Au début, j’avais opté pour l’aluminium pour sa légèreté et sa grande solidité, mais le souder est très compliqué (pour moi) et demande des outils bien spéciaux. Oui, il y a toujours l’utilisation de visserie pour s’exempter de soudure, mais les vis sont du poids supplémentaire. Sans oublier que l’aluminium est souvent plus cher que le bois.

Le bois, il y en a des dizaines de sortes dans nos magasins, mais ils ne sont pas tous recommandables pour l’utilisation qu’on veut en faire. Bien souvent le bois est plus élastique que d’autres matériaux, donc il nous faut un type de bois pas trop souple, léger et solide. Petite remarque avant de continuer, ici je ne parle pas de bois modifié, laminé ou recomposé, je parle de bois brut.
Le pin et le peuplier sont deux bois assez rigides et pas trop lourds. Le peuplier est plus léger que le pin, mais le pin est plus solide.

Densité moyenne du peuplier : 4,55×10-4 g/mm³
– Soit 455g un cube de 10x10x10 cm
Densité moyenne du pin : 5,45×10-4 g/mm³
– Soit 545g un cube de 10x10x10 cm

Pour le châssis, j’ai choisi le peuplier, car j’ai trouvé des morceaux qui me permettaient de faire au moins 2 châssis complets pour 10$. Il faut rajouter 5$ de plus pour la visserie si vous n’avez pas déjà ce qu’il faut. Pour info, le calcul de densité du morceau que j’ai acheté me donne 5,5×10-4 g/mm³, soit proche de celui du pin.

À ce stade, on a satisfait plusieurs exigences du cahier des charges :

Solide
Léger – à confirmer selon la taille finale
Faible coût

Taille

Il nous faut un châssis pas trop grand pour qu’il ne soit pas trop lourd, mais assez grand pour contenir toute l’électronique. Je me suis grandement inspiré des quadcopters de courses qui sont assez compacts, légers et embarquent tout ce qu’il faut pour faire du FPV. Le QAV250 est un bonne exemple, et il entre dans la catégorie des racers.

Châssis QAV250 de Lumenier

Ce qui nous place dans la catégorie des quadcopters de 25 cm d’envergure. Mais je vous avoue tout de suite que pour respecter notre prérequis de place et de simplicité, ce ne sera pas un véritable 25 cm de diagonale, mais plutôt 32 cm. Afin de maximiser la place disponible, le châssis sera de type H, comme la plupart des quadcopters de courses d’ailleurs.

Dimensions châssis

Afin de simplifier les plans et que chaque morceau soit interchangeable, le châssis est construit sur un carré de 250 mm de coté, et se compose de 4 morceaux :

2 bras de 250x25x12 mm
2 plateformes de 250x80x6 mm

L’épaisseur des planches peut sembler un peu étrange, mais c’est parce qu’elles sont des multiples du pouce impérial (1 in = 2,56 cm). Si vous avez des planches en métrique, vous pouvez arrondir les épaisseurs à 10 mm pour les bars et 5 mm pour la plateforme.

Les planches que j’ai utilisées ont les dimensions suivantes :

Pour les bras : ½x2x4 inch
Pour les plateformes : ¼x6x4 inch

Voyons maintenant le poids du châssis sans visserie :

Bras : 75 000 mm³
Plateforme : 120 000 mm³
Total (2 bras + 2 plateformes) : 390 000 mm³

Pour une densité moyenne de 5×10-4 g/mm³, on obtient une masse moyenne de 200g.
Cette fois, le châssis satisfait aux exigences de simplicité et de légèreté. De plus, je considère le châssis transportable puisqu’il entre parfaitement dans la mallette de transport de ma télécommande FrSky Taranis.

Assemblage

Assemblage sommaire

Ici, je vais rapidement vous introduire le montage du quadcopter pour vous démontrer la simplicité de l’ensemble.

Donc nous avons à notre disposition 4 pièces qui en réalité sont 2 paires : une paire pour les bras et une paire pour la plateforme. De plus, ces paires sont interchangeables, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de modèle de bras avant-arrière ou gauche-droite. Le même modèle est utilisé pour l’avant ou l’arrière, et c’est aussi valide pour la plateforme.

Si vous avez déjà vu des quadcopters avec des châssis en H, vous vous doutez sûrement à quoi va ressembler le montage. Oui, c’était prévisible, mais il faut bien concéder que le montage est d’une simplicité accablante. C’est quand même bien plus simple que de monter un meuble Ikea !
Mais avant d’assembler les pièces, il faut les fabriquer. Ce n’est pas très mystérieux non plus, mais je traiterais la fabrication en détail dans la seconde partie de cet article.

Résistance à l’eau

Controleur de vol mouillé

Pour vraiment faire le tour de toutes les exigences fixées en introduction, parlons rapidement de cette fameuse résistance aux intempéries. Alors oui c’est possible, et je vais vous monter comment le faire assez facilement. Cette protection s’appliquera sur l’électronique embarquée dans le quadcopter, soit le contrôleur de vol, les variateurs de vitesse, le transmetteur, et le système de FPV. Et non je ne parlerai pas des moteurs puisque les moteurs brushless ne craignent pas l’eau !

Appliquer correctement cette protection est un exercice qui demande un peu de minutie et de la patience (mais pas trop quand même, faut pas déconner !). Et comme c’est un sujet riche, je le développerai dans la troisième partie de l’article. À cette occasion, je couvrirai aussi comment protéger le châssis en bois de l’eau.

Caractéristiques finales

Avant de se lancer dans la fabrication du châssis, voyons quelles seront les caractéristiques techniques du quadcopter que je m’apprête à vous présenter.
Je vous l’ai dit plus tôt, le multicopter est proche de la catégorie des racers (ou quadcopter de course) avec une envergure de 250 mm. Cette dimension limite la taille des hélices à 6 pouces max (ou 150 mm). Donc seules les hélices de 5 ou 6 pouces seront compatibles avec ce modèle. Vu la taille des hélices, on sait dès lors qu’il faudra des moteurs à vitesse élevée du genre 2300 Kv. Petite digression : Kv est la constante de vitesse du moteur, elle représente le nombre de rotations par minute par volt appliqué sur le moteur à vide, d’où l’unité :RPM/v. Ainsi, pour 10 volts appliqués aux bornes du moteur à vide (sans hélice), on obtient 23000 tours par minute.

Sachant que nos moteurs devront développer une vitesse élevée, le courant demandé sera plus faible qu’un moteur dimensionné pour tourner moins vite et qui produirait alors plus de couples. Pour ce type de moteur, on ne se trompe pas si on estime à 20A de consommation instantanée max par moteur. Au vu des moteurs que je vais conseiller, je peux vous dire par avance qu’on est en dessous de 12A. Ce qui n’est pas plus mal, car une consommation plus faible signifie un temps de vol plus long !

En parlant de consommation, parlons de la batterie. La batterie est l’élément souvent le plus lourd sur un quadcopter, donc il faut bien la sélectionner. Il y a deux choses à regarder : la tension souhaitée et la capacité. En terme de tension, les quadcopters de cette taille tournent avec des batteries 3S ou 4S. Petite digression : Dans cette notation, le chiffre détermine le nombre de cellules dans la batterie, sachant qu’une cellule a une tension nominale de 3,7v. Ainsi une batterie 3S aura une tension de (3 x 3,7v) 11,1v alors qu’une batterie 4S produira 14,8v. Les batteries 4S sont souvent utilisées pour survolter les moteurs dans le dernier quart du throttle, cela permet d’augmenter la sensibilité et la réponse du quad. Donc pour commencer, je conseille une batterie 3S. En plus, les 4S ont une cellule supplémentaire donc pour le même poids avec une 3S vous aurez une capacité plus élevée. D’ailleurs, la capacité de la batterie va déterminer le temps de vol max. Avec une capacité de 2,2Ah, on arrive facilement à dépasser les 10 minutes en vol stationnaire. Mais si vous êtes un peu plus actif, ça tournera autour de 5 à 7 minutes. Ce qui est à peu près dans la moyenne.

Pour ce qui est du contrôleur de vol et du système de transmission, c’est à vous de faire vos choix, puisque le châssis pourra sûrement les supporter. Personnellement, pour ce quadcopter, j’ai pris un contrôleur Naze32 Acro pour ça taille et son prix. Tandis que le système de transmission est un FrSky DR4-II configuré en PPM (Pulse-Position Modulation) afin de réduire le nombre de fils.

Petit résumé des pièces choisies:

Pièce	Désignation	Qt	Prix unitaire ($)	Prix total ($)
Contrôleur de vol	AfroFlight Naze32 Acro	1	25	25
Transmetteur	FrSky DR4-II	1	20	20
Variateur de vitesse	Afro ESC 12A	4	10	40
Moteur	DYS BE1806-13 2300Kv	4	10	40
Hélice	Gemfan 6030, 1 pair	2	1,5	3
Batterie	Turnigy 2200mAh 3S 25C Lipo	1	9	9

Petite astuce : Si vous décidez de vous lancer dans l’aventure, n’achetez pas seulement 4 moteurs ou 4 ESCs, achetez-en 5, voir 6. Et pour les hélices au moins 8. En bref, prévoyez des pièces de rechange !

Suite de l’article:

Fabrication et montage: à venir…
Traitement d’imperméabilité: à venir…

08/11/2014

Glove Controller

Depuis que je me suis mis à construire un quadricopter, je cherchais une autre façon de contrôler l’engin, une façon de commander plus naturelle. En temps normal pour contrôler des modèles réduits, on utilise des télécommandes assez sophistiquées qui couvrent toutes les fonctionnalités du contrôleur de vol. Malheureusement, ce n’est pas avec cette manette qu’on peut ressentir un vol, c’est pour ça que j’ai créé le « Glove Controller » (ou le gant de contrôle) !

Avant un long discours quoi de mieux qu’une petite vidéo du gant !

Où tout a commencé.

Je faisais voler mon quadricopter avec ma nouvelle télécommande FrSky Taranis -une super télécommande en passant-, et je pensais à la beauté du « port d’entrainement » qui permet à une autre télécommande de prendre le contrôle (limité) de la télécommande maître. C’est une super fonctionnalité pour partager sa passion avec quelqu’un d’autre en toute sécurité pour votre quadricopter. Et soudain, j’ai entrevu la puissance de ce port avec lequel on peut interfacer n’importe quel périphérique qui est capable d’envoyer un signal PPM (Pulse-Position Modulation, ou modulation en position d’impulsion). Comprenez qu’on peut contrôler le quadricopter avec presque n’importe quoi…

C’est ainsi que le Glove Controller est né !

Quésaco ?

La IMU Sparkfun 9DOF Razor

J’ai baptisé ce projet le Glove Controller juste à cause du form factor final : un gant… mais un gant high-tech ! Pour dire vrai, j’aurais dû l’appeler le « 9 DoF IMU Controller », ce qui est incompréhensible mais tellement plus sexy. Bon faisons la lumière sur ce nom obscure : 9 Degree-of-Freedom (DoF) Inertial Measurement Unit (IMU) Controller, soit dans la langue de Molière : l’unité de contrôle basé sur une centrale inertielle de 9 degrés de liberté. Tout de suite c’est plus clair, hein !? Une centrale inertielle, que j’appellerai « IMU » par la suite, est quelque chose de très commun, je suis prêt à parier que vous en avez une dans votre poche. Non ? Les gens appellent ça un téléphone intelligent, un smartphone, une tablette, etc… En faite tous ces périphériques qui ont un accéléromètre (pour quand vous le secoué), un gyroscope (pour faire tourner l’écran) et un magnétomètre (le capteur de la boussole). Cet ensemble de trois capteurs forme une IMU.

Celle que j’utilise pour le gant embarques un accéléromètre 3 axes, un gyroscope 3 axes et un magnétomètre 3 axes, ce qui donne bien un total de 9 degrés de liberté. L’IMU est alimenté par une batterie lithium-ion de 3.6V 2Ah, le tout est attaché à un chargeur USB. Le gant est un simple gant de vélo.

Système complet avec le gant, la IMU, le chargeur et la batterie.

Comment ça marche ?

Pitch, Roll, Yaw

La IMU 9DoF Razor vient avec un firmware très complet qui combine toutes les données des capteurs afin de donner le roulis (Roll), le tangage (Pitch), et le lacet (Yaw), soit les 3 mouvements élémentaires d’un modèle réduit (ou d’un vrai avion). C’est justement parfait pour contrôler un quadricopter sur le plan (X; Y). Notez que c’est assez rare de trouver les termes français dans la littérature, on voit bien plus souvent Roll, Pitch et Yaw; donc à retenir pour la suite. Bon, les initiés auront remarqué que je ne parle pas des gaz (throttle), un point important pour pouvoir voler quand même… Mais dans une volonté de simplicité et au vu des fonctionnalités des contrôleurs de vol actuels, il y a souvent une option d’asservissement en altitude (Altitude Hold) qui supprime le besoin de contrôle des gaz. Ainsi, le quadricopter peut garder l’altitude cible au moment où le gant est activé.

D’ailleurs, je ne vais pas m’arrêter en si bon chemin pour simplifier un peu plus: Supprimons le lacet (Yaw) ! On évitera les nœuds ! – Ok je sors – Mon contrôleur de vol, qui est une carte APM2.6 chargée avec le firmware Arducopter, a un mode appelé Super Simple qui permet au pilote de contrôler le copter à partir de son point de vue tout en ignorant dans quelle direction le copter pointe. C’est dur d’expliquer mieux ce mode, il faut avoir volé au moins une fois pour bien comprendre l’avantage de ce mode… ou regarder cette vidéo. Mais en bref, cela permet de laisser le contrôle du Yaw au contrôleur de vol.

Et voilà ! Le mode Altitude Hold verrouille l’axe Z et s’occupe des gaz, et le mode Super Simple s’occupe du lacet (Yaw) pour nous. Fantastique ! Il nous reste plus qu’à gérer le Roll et le Pitch avec le gant.

Voici comment le gant fonctionne

La IMU sur le gant encapsule dans un signal PPM et envoie le Pitch et le Roll à la télécommande via le port d’entrainement.
La télécommande lit le signal et envoie les infos à son récepteur.
Le récepteur sur le quadricopter fait transiter les données au contrôleur de vol.
Le Pitch et le Roll sont traités par le contrôleur de vol.
Les variateurs de vitesse des moteurs sont ajustés en fonction du Pitch et du Roll.

Le « Glove Controller » avec son câble

La partie technique.

La IMU 9DoF Razor est construite autour d’un microcontrôleur Atmel ATmega328P et est par le fait même compatible avec Arduino. Ce qui veut dire qu’il suffit d’un convertisseur Serial-USB de 3.3V pour pouvoir programmer la carte. Personnellement, j’utilise celui de Sparkfun parce qu’il a exactement le bon brochage. Pour que la IMU ait les fonctionnalités qui vont bien, j’ai fait une petite modification du firmware d’origine afin d’ajouter la sortie PPM, et de limiter les valeurs du Pitch et du Roll.

En tant normal, la IMU produit des angles entre [-180; 180] degrés, mais la télécommande, elle, ne comprend que des valeurs entre [-100; 100]%. Donc j’ai commencé par limiter les angles du Pitch et du Roll à [-90; 90] degré, parce que c’est assez compliqué d’aller au-delà de ±90 deg avec son poignet. Par contre, sachant que le Roll devient très sensible quand le Pitch est supérieur à ±85 deg, j’ai dû limiter le Roll à ±85 deg et le Pitch à ±90 deg. J’ai aussi ajouté une petite option bien pratique au cas où quelque chose va mal, ou que vous avez simplement besoin de votre main: Tournez votre paume vers le ciel (> 110 deg) pour désactiver le gant, et mettre toutes les sorties à zéro. Les sorties seront forcées à zéro jusqu’à ce que votre paume soit de nouveau face au sol (< 10 deg).

Le signal PPM est généré par le timer 16-bit du microcontrôleur, ce qui signifie que la carte continue de traiter les données des capteurs pendant que le signal est produit. Ainsi, il n’y a aucune latence qui pourrait être véhiculée par l’utilisation de délais (fonction delay()). Je me suis inspiré de cet exemple pour mettre en oeuvre le signal PPM. Juste quelques mots en passant à propos du signal PPM: La plupart du temps, les gens font la confusion entre PPM et PWM (Pulse Width Modulation). PPM est une sorte de modulation numérique comme le FSK ou le PSK (Frequency and Phase-Shift Keying), ainsi chaque pulse représente un octet (une valeur numérique), et peut avoir une largeur différente des pulses qui l’entour. Alors qu’un signal PWM est utilisé pour numériser une seule valeur, car cette fois on ne s’intéresse pas à un pulse, mais au rapport cyclique (temps haut sur période). En bref, avec un signal PPM vous pouvez envoyer la valeur de plusieurs chaines, alors qu’avec un signal PWM on ne peut envoyer qu’une seule et unique valeur.

Assemblage du gant.

Qu’est-ce qu’il me faut ?

Un [compléter avec un nombre]copter. Tri, quad, hexa, octo ou toutes autres variantes.
Un contrôleur de vol avec le mode Altitude Hold ou équivalent, et si vous avez le mode Super Simple c’est encore mieux.
Une télécommande avec un port d’entrainement maître. Remarque: Un port d’entrainement esclave ne fonctionnera pas !
La IMU 9DoF Razor + une batterie 3.6V (+ un programmeur FTDI Serial-USB 3.3V).
Un connecteur jack 3.5mm + câble.
Un gant de votre choix.

Le quadricopter, la télécommande et le gant

Configurer la IMU

Prérequis: Savoir utiliser l’IDE d’Arduino, et programmer une carte.

Souder les broches de connexions.
Programmer le firmware d’origine (la dernière version): ptrbrtz/razor-9dof-ahrs.
Suivre le tutoriel pour calibrer la carte (étape très importante !).
Sauvegarder les offsets déterminés au moment de la calibration, et les copier dans ma version modifiée du firmware: eklex/GloveController.
Programmer la IMU avec la version modifiée.
Scratcher la IMU sur le dessus du gant, et placer la batterie à l’intérieur.

La IMU sur le dessus du gant

Le velcro pour garder la IMU en place

La batterie et son chargeur à l’intérieur du gant

Fabriquer le câble entre l’IMU et la télécommande

Note: Cette étape a été validée sur une télécommande FrSky Taranis. Je ne garantis pas que cela fonctionnera sur votre télécommande. Il est donc préférable de vérifier le brochage du port d’entrainement dans votre manuel utilisateur ou sur les forums de RC. Il est aussi possible que la connexion au port ce fasse avec autre chose qu’une prise jack 3.5mm.

Trouver de vieux écouteurs avec une fiche jack de 3.5mm.
Couper les écouteurs, et ne garder que le câble avec sa fiche jack.
Utilisez un header femelle avec 2 pins (voir photo), et souder-le en suivant le brochage ci-dessous.

Port d’entrainement: connexion de la fiche jack

Câble entre la IMU et le port d’entrainement

Header avec 2 broches femelles

Connecter le gant au port d’entrainement

Brancher le header femelle 2 pins sur les broches au-dessus du bouton de reset. La masse est située sur la broche inférieure sur le flanc de la carte.
Brancher le jack dans le port d’entrainement (DSC sur la Taranis) de votre télécommande.

Brochage & axes sur la IMU

La IMU et son câble (mauvaise connexion sur la photo)

Port d’entrainement sur Taranis

Configuration de la télécommande

Si vous avez une télécommande qui a un système autre que OpenTX, référez-vous à votre manuel.
Sinon, maintenir le bouton menu pour ouvrir les pages de configurations, puis aller à la page TRAINER.
Si vous faites confiance à votre main, vous pouvez mettre Ail et Ele à 100%, sinon je vous conseille de commencer avec 50% sur les deux voies.
Poser le gant à plat sur une table pour obtenir un Pitch et Roll à zéro.
Appuyer sur le bouton reset de la carte et attendre 5 secs, puis mettez la IMU à l’envers pour forcer les sorties à zéros.
Appuyer sur Cal en bas de la page TRAINER afin de mettre toutes les voies à zéro.
Placer votre IMU à 90 deg, vous devriez avoir ±100% sur une voie, si ce n’est pas le cas, ajuster le Multiplier pour obtenir ±100%.
(Facultatif) Pour mieux comprendre comment le mode d’entrainement fonctionne sur les télécommandes OpenTX, vous pouvez visionner la vidéo ci-dessous [en anglais]. Il y a aussi un exemple de configuration présenté.

Décollage !

Tout est prêt pour vous envoler. Bon vol !

Futures améliorations: Ajouter une connexion sans fil entre la IMU et la télécommande, et peut-être l’ajout des gaz pour augmenter le fun. Restez branché !