Etude technologique 3.1 Introduction La première partie ce chapitre sera consacré à la présentation synoptique de la solution adoptée tout en respectant les détails mentionnés dans le cahier des charges. Dans une deuxième partie, on va faire un tour d’horizon sur l’étude technologique des différents composants du drone. Cette étude portera sur le choix des composants et leur mode de fonctionnement 3.2 Choix des éléments et dimensionnement 3.2.1 La carte arduino Arduino est un projet créé par une équipe de développeurs, composée de six individus : Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, David Mellis et Nicholas Zambetti. Cette équipe a créé le "système Arduino". C’est un outil qui va permettre aux débutants, amateurs ou professionnels de créer des systèmes électroniques plus ou moins complexes. Le système Arduino nous donne la possibilité d'allier les performances de la programmation à celles de l'électronique. Plus précisément, nous allons programmer des systèmes électroniques. Le gros avantage de l'électronique programmée c'est qu'elle simplifie grandement les schémas électroniques et par conséquent, le coût de la réalisation, mais aussi la charge de travail à la conception d'une carte électronique. La carte arduino uno R3 qu’on va utiliser dans la conception de ce système est basée sur l’AT mega328 elle contient : • 14 broches numériques d'entrées/sorties : Chacune des 14 broches numériques de la carte UNO (numérotées des 0 à 13) peut être utilisée soit comme une entrée numérique, soit comme une sortie numérique, ces broches fonctionnent en 5v. • 6 entrées analogiques : les broches analogiques peuvent être utilisées en tant que broches numériques, elles sont numérotées en tant que broches numériques de 14 à 19. 16 Etude technologique Figure 24 : broche de la carte arduino • 4 broches d’alimentation : • VIN : La tension d'entrée positive lorsque la carte Arduino est utilisée avec une source de tension externe (à distinguer du 5V de la connexion USB ou autre source 5V régulée). Vous pouvez alimenter la carte à l'aide de cette broche, ou, si l'alimentation est fournie par le jack d'alimentation, accéder à la tension d'alimentation sur cette broche. • 5V : La tension régulée utilisée pour faire fonctionner le microcontrôleur et les autres composants de la carte (pour info : les circuits électroniques numériques nécessitent une tension d'alimentation parfaitement stable dite "tension régulée" obtenue à l'aide d'un composant appelé un régulateur et qui est intégré à la carte Arduino). Le 5V régulé fourni par cette broche peut donc provenir soit de la tension d'alimentation VIN via le régulateur de la carte, ou bien de la connexion USB (qui fournit du 5V régulé) ou de tout autre source d'alimentation régulée. • 3V3 : Une alimentation de 3.3V fournie par le circuit intégré FTDI (circuit 17 Etude technologique intégré faisant l'adaptation du signal entre le port USB de votre ordinateur et le port série de l'ATmega) de la carte est disponible : ceci est intéressant pour certains circuits externes nécessitant cette tension au lieu du 5V). L'intensité maximale disponible sur cette broche est de 50mA • GND : Broche de masse (ou 0V) • Un quartz 16Mhz • Une connexion USB • Connecteur d’alimentation jack • Connecteur ICSP • Bouton de réinitialisation • Microcontrôleur ATmega328 à 32 ko de mémoire FLASH pour stocker le programme (dont 0.5Ko également utilisés par le bootloader) , L'ATmega 328 a également 2ko de mémoire SRAM (volatile) et 1Ko d'EEPROM . Figure 25 : Description de la carte Arduino De plus, certaines broches ont des fonctions spécialisées : ➢ Communication Série: Port Serie Serial: 0 (RX) and 1 (TX) .utilisées pour recevoir (RX) et 18 Etude technologique transmettre (TX) les données séries de niveau TTL. Les broches 0 (RX) and 1 (TX) sont connectées aux broches correspondantes du circuit intégré ATmega328 programmé en convertisseur USB-vers-série de la carte, composant qui assure l'interface entre les niveaux TTL et le port USB de l'ordinateur. ➢ Interruptions Externes: Broches 2 (interrupt 0), 3 (interrupt 1). Ces broches peuvent être configurées pour déclencher une interruption sur une valeur basse, sur un front montant ou descendant, ou sur un changement de valeur. Voir l'instruction attachInterrupt() pour plus de détails. ➢ Impulsion PWM (largeur d'impulsion modulé): six Broches fournissent une impulsion PWM 8-bits à l'aide de l'instruction analogWrite(). ➢ SPI (Interface série Périphérique) : Certains broches supportent la communication SPI (Interface Série Périphérique) disponible avec la librairie pour communication SPI. Les broches SPI sont également connectées sur le connecteur ICSP qui est mécaniquement compatible avec les cartes Uno, Duemilanove et Diecimila. ➢ I2C: certains broches supportent les communications de protocole I2C (ou interface TWI (Two Wire Interface - Interface "2 fils"), disponible en utilisant la librairie Wire/I2C (ou TWI Two-Wire interface - interface "2 fils"). Noter que ces broches n'ont pas le même emplacement que sur les cartes mega, Duemilanove ou Diecimila. Il y a deux autres broches disponibles sur la carte : ➢ AREF: Tension de référence pour les entrées analogiques (si différent du 5V). Utilisée avec l'instruction analogReference(). ➢ Reset: Mettre cette broche au niveau BAS entraîne la réinitialisation (= le redémarrage) du microcontrôleur. Typiquement, cette broche est utilisée pour ajouter un bouton de réinitialisation sur le circuit qui bloque celui présent sur la carte. 3.2.2 Module XBEE : Le XBee est un microcontrôleur sans fil fabriqué par Digi qui utilise un émetteur-récepteur sans fil 2,4 GHz pour communiquer avec un autre module XBee. Ces modules sont capables de communiquer avec plus d’un module XBee, ce qui signifie que vous pouvez créer un réseau de modules de partout, du moment qu’ils sont à portée. Il existe plusieurs catégories de modules. Le XBee standard a une puissance d’émission de 1mW avec une portée de 10 à 100 mètres (série 1 19 Etude technologique et 2) et le XBee Pro dispose d’une puissance d’émission de 60 mW avec une portée pouvant aller jusqu’à 1000 mètres. Il existe aussi différents types d’antennes du module : filaire, chip, U.FL, RPSMA. Figure 26 : Module Xbee • • • • • • • Caractéristique : Puissance de sortie RF: 1 mW (0 dBm) Portée max. intérieure : jusqu'à 30 m (suivant nature des obstacles) Portée max. extérieure : jusqu'à 100 m (en champ libre) Débit RF: 250 Kbps Débit de l’interface : Jusqu'à 115.2 Kbps Sensibilité du récepteur : -92 dBm 3.2.3 Module MPU-6050 : Le MPU-6050 est un composant très apprécié pour la mesure de mouvement proprioceptif. En combinant un gyroscope à 3 axes et un accéléromètre à 3 axes sur le même die silicium avec un processeur motion digital™ (DMP™) capable de traiter des algorithmes complexes de Motion fusion à 9 axes, le MPU-6050 est capable d'éliminer les problèmes d'alignement de perpendicularité des axes qui peuvent apparaitre sur des petites pièces Notre carte pour le MPU-6050 intégrant le petit boîtier QNF du MPU-6050 est très pratique et vous facilitera le travail dans la réalisation de votre projet. Toutes les broches utilises sont mise à disposition sur un connecteur d'entre-axes 2,54mm, y compris le bus maitre auxiliaires I2C qui permet au MPU-6050 d'accéder aux manomètres externes et autres capteurs. 20 Etude technologique Figure 27 : Module MPU-6050 L'accéléromètre : L'accéléromètre mesure l'accélération. Qui allait dire ça? Nous aurons l'accélération des 3 axes : X, Y et Z, les trois dimensions de notre espace 3D. Appelons par exemple, le réseau mobile IMU vers le haut, l'axe Z, en avant et en arrière l'axe Y et d'un côté à l'autre l'axe X. Si vous vous souvenez de deux classes de première année (ou équivalentes), vous vous souviendrez que la gravité de la Terre a une accélération d’env. 9,8 m / s², perpendiculaire au sol. Par conséquent, l'IMU détecte également l'accélération de la gravité terrestre. Mais les valeurs que nous recevons de l'IMU ne seront pas exprimées en unités "g". Ce module fonctionne avec des registres 8 bits. Chaque valeur d'accélération est stockée dans deux registres, les bits bas et haut. La somme de ces registres nous donne 16 bits de données. Ces données auront un maximum de 16 bits, de sorte que nous aurons une valeur d'accélération maximale de 2 ^ 16 = 65 536 incluant le signe positif ou négatif. Si nous lisons la fiche technique de ce module, nous verrons que "1g" est égal à 16384. Donc, si nous lisons la valeur d'accélération et divisons cette valeur en 16384, nous obtenons l'accélération en "g" unités. Grâce à la gravité terrestre, vous pouvez utiliser les lectures de l'accéléromètre pour connaître l'angle d'inclinaison par rapport à l'axe des X ou des Y. Supposons que l'IMU soit parfaitement aligné avec le sol. Ensuite, comme vous pouvez le voir sur l'image ci-dessous, l'axe Z sera 1g = 9,8 et les deux autres axes seront 0. Supposons maintenant que nous tournions l'IMU à 90 degrés. Maintenant, c'est l'axe X qui est perpendiculaire au sol, donc il va marquer l'accélération de 1g de gravité. 21 Etude technologique Nous savons que la gravité est de 9,8 m / s², et nous savons mesurer les trois axes de l'accéléromètre. Par trigonométrie, il est possible de calculer l'angle d'inclinaison de l'IMU. Les formules pour calculer les angles sont : Puisque l'angle est calculé à partir de la gravité, il n'est pas possible de calculer l'angle Z avec cette formule ou avec une autre. Pour ce faire, vous avez besoin d'un autre composant : le magnétomètre, qui est un type de boussole numérique. Le MPU-6050 ne comporte pas de magnétomètre et ne peut donc jamais calculer précisément l'angle Z. Toutefois, pour la grande majorité des applications, seuls les axes X et Y sont nécessaires. Le gyroscope : Au début, les gyroscopes électriques étaient des artefacts volumineux qui valaient la plus grande partie du budget militaire d'un État. Plus tard, pendant la Seconde Guerre mondiale, ils ont été utilisés pour diriger des roquettes et des torpilles. Heureusement, grâce à la révolution numérique et à la miniaturisation des circuits, tout amateur d'électronique en a les moyens. Bien que ne pas construire des missiles. Le gyroscope mesure la vitesse angulaire. Si vos leçons de physique à l'institut ne sont pas très récentes, je vous rappellerai que la vitesse angulaire est le nombre de degrés que l'on fait pivoter en une seconde et que nos unités seront donc en degrés / seconde. 22 Etude technologique Si nous connaissons l'angle initial de l'IMU, nous pouvons ajouter la valeur qui marque le gyroscope pour connaître le nouvel angle à chaque instant. Supposons que nous démarrions l'IMU à 0 °. Si le nous donne une mesure toutes les secondes et marque 3 sur l’axe des X, nous aurons l’angle avec cette formule simple : Où elapsedTime est le temps qui s'écoule chaque fois que cette formule est calculée à l'intérieur de la boucle, PreviousAngle est l'angle calculé lors du dernier appel de cette formule et GyroData est la lecture de l'angle Y ou X du gyroscope. Et la même chose se passe avec tous les axes. En règle générale, seul l’axe Z est ignoré. En effet, lorsque vous ne pouvez pas calculer un angle Z avec l’accéléromètre, vous ne pouvez pas appliquer de filtre supplémentaire pour l’axe Z. Caractéristiques : • • • • • • • • Données MotoFusion de 6 à 9 axes accessibles par sorties digitales I2C, (matrice de rotation, quaternion, angles Euler ou format de données brutes) Tension d'entrée : 2,3 - 3,4 volts Cavaliers sélectionnables sur CLK, FSYNC et AD0 Capteur de vitesse angulaire triaxial (gyroscope) avec une sensibilité allant jusqu'à 131 LSB/dps et une gamme à pleine échelle s'échelonnant à ±250, ±500, ±1000, et ±2000 dps Accéléromètre Tri-Axis avec une pleine échelle programmable de ±2g, ±4g, ±8g et ±16 g Le DMP™ (Digital Motion Processing) s'occupe de la détection complexe MotionFusion, de la synchronisation des capteurs et du mouvement Algorithmes embarqués pour le calibrage de la boussole. Aucune intervention de l'utilisateur requise Capteur de température à sortie numérique 3.2.4 moteurs brushless : Un moteur sans balais, ou « moteur brushless », ou « moteur bldc», ou machine synchrone autopilotée à aimants permanents, est une machine électrique de la catégorie des machines synchrones, dont le rotor est constitué d'un ou de plusieurs aimants permanents et peut être pourvu d'un capteur de position rotorique. 23 Etude technologique Figure28 : Moteur brushless Les bobines sont alimentées de façon séquentielle. Cela crée un champ magnétique tournant à la même fréquence que les tensions d’alimentation. L’aimant permanent du rotor cherche à chaque instant à s’orienter dans le sens du champ. Pour que le moteur brushless tourne les tensions d’alimentation doivent être adaptées continuellement pour que le champ reste en avance sur la position du rotor, et ainsi créer un couple moteur. Caractéristiques : • Tension d'alimentation 28 V • Vitesse demandée 3500 tr/min • Couple pour vaincre les frottements 85 mNm • Couple en déplacement 30 mNm (hypothèse de frottements nuls) • Puissance utile max permanente 22 W • Puissance utile nominale 80 W • Tension d'alimentation nominale (Ua) 24 V • Vitesse au courant In 3903 tr/mn • Couple au courant In 53 mNm • Courant maximum permanent In 1600 mA • Vitesse à vide à Ua à +/- 10% 5650 tr/mn • Courant à vide à +/- 50% 150 mA 150 • Courant de démarrage à Ua 4364 mA • Couple de démarrage à Ua 175 mNm • Constante de couple 40 mNm/A • Constante de vitesse 239 tr/mn/V • Pente vitesse/couple 32.9 tr/mn/mNm 24 Etude technologique • • • • • • • Vitesse limite 25000 tr/mn Puissance utile maximum à Ua 25.9 W Rendement maximum 76 % Constante de temps électromécanique 6.9 ms Inertie 20 gcm² Résistance aux bornes 5.50 Ohm Inductance 0.856 mH 3.2.5 Châssis : Le châssis est la pièce principale du drone. Elle supporte toute la plateforme (bras, électronique, charge utile) et est soumise aux sollicitations mécaniques les plus importantes. Cette composante est par ailleurs constituée par des pièces assemblées, car elle est difficile à fabriquer en une seule pièce par les méthodes classiques de fabrication de pièces en matériaux composites. Figure 29 : châssis 3.2.6 hélices : En aéronautique, une hélice est un moyen de propulsion qui convertit le mouvement rotatif d'un moteur et génère une force propulsant l'aéronef vers l’avant. Elle comporte généralement au moins deux pales munies, comme des ailes, d'un profil aérodynamique. Sa rotation agit sur la masse d'air qui passe à travers l'hélice la projette vers l'arrière à une vitesse accélérée. Selon le principe de la conservation de la quantité de mouvement une force de réaction (appelée traction) 25 Etude technologique s'applique sur l'hélice et propulse l'avion vers l'avant. Figure 30 : Hélices Caractéristiques : La taille de l’hélice ce fait en fonction de la portance (soit la masse à faire voler) dont on a besoin. Pour un quadricoptère par exemple, la taille varie entre 8″ et 13″ à cela il faut prendre en compte la taille du châssis : Pour un châssis de 30cm on peut monter à 9″ max, sur 450cm on peut monter du 12″ max. 3.2.7 ESC : Un contrôle électronique de la vitesse ou ESC est un circuit électronique qui contrôle et régule la vitesse d'un moteur électrique. Il peut également assurer l'inversion du moteur et le freinage dynamique. Des régulateurs de vitesse électroniques miniatures sont utilisés dans les modèles radiocommandés à alimentation électrique. Les véhicules électriques pleine grandeur disposent 26 Etude technologique également de systèmes permettant de contrôler la vitesse de leurs moteurs d'entraînement. Figure 31 : ESC • • • • • • Résistance de sortie extrêmement basse, très bonne résistance au courant. Multiple protection : Coupure basse tension / Température / Perte de signal 3 modes de démarrage : Normal / Soft / Super-Soft, compatible avec avions et hélicoptères La course des gaz est totalement paramétrable et compatible avec tous les émetteurs actuellement sur le marché Réponse douce, précise et linéaire Compatible avec la carte de programmation T-Motor 3.3 Conclusion : Dans ce chapitre nous avons décrit les différents composants pour amener à la conception et réalisation du drone. Dans le chapitre suivant nous allons décrire la solution adoptée pour mener au bon fonctionnement du drone. 27
