Réalisation d'un drone à base d'Arduino - Chapitre 1

Bonjour à tous, aujourd'hui je vous propose une série de tutoriels dont la trame principale est la conception et réalisation d'un quadricoptère de type X basé sur un Arduino Uno.
Un sujet vaste et des plus passionant !

Dans ce premier tutoriel, nous allons aborder les conceptes de bases, faire un état de l'art des drones et essayer de démystifier un peu ces engins qui font tant parler d'eux.

1. Qu'est-ce qu'un drone ?

Avouons-le, dès qu'on entend/lit le mot "drone", on pense toute de suite à ça :

Drones du commerce
Drones du commerce

Mais en fait, un drone peut très bien être aussi ça :

Drones
Drones

De manière générale, un drone désigne un aéronef sans pilote à bord qui peut être télécommandé ou en pilotage automatique. Il peut avoir un avoir un usage civil ou militaire.
Une définition assez large donc !

Les engins auxquels nous allons nous intéresser sont les quadrirotors (ou quadricoptères), une catégorie bien précise de drones.

Un quadrirotor est un aéronef à voilure tournante comportant quatre rotors pour sa sustentation. Les rotors sont généralement placés aux extrémités d'une croix, mais on peut trouver toute sorte de cadres (en H, en X, en T...etc).

Et c'est là qu'on pose les bases de notre futur cahier des charges : nous allons réaliser un quadricoptère de type X.

Dans le cadre de notre série de tutoriels, voici le schéma que j'utiliserai à chaque fois comme référence :

Schéma du drone
Schéma du drone

Pourquoi les hélices ne tournent pas toutes dans le même sens ?

D'après la troisème loi de M. Newton, toute masse soumise à une force (ou action) oppose à celle-ci une force qui lui est égale et de sens opposé (encore appelée réaction). Et les hélices d'un drone n'y échappent pas !
En clair, une hélice qui tourne génère une force de réaction opposée à son sens de rotation.

Forces d'une hélice tournante
Force de réaction d'une hélice

Maintenant, si toutes les hélices tournent dans le même sens, les forces de réaction se cumulent et le quadricoptère va se mettre à tourner sur lui-même (sur son axe de lacet).
En alternant les sens de rotation deux à deux et lorsque les hélices tournent à la même vitesse, les forces de réaction se compensent et le drone conserve son orientation.

2. Mécanique des déplacements

Si nous voyons maintenant à quoi ressemble un drone globalement, nous allons essayer d'expliquer comment il se déplace dans les airs.

Tout d'abord, définissons les trois axes de mouvement d'un drone :

  • Axe X : axe de roulis (Roll en anglais)
  • Axe Y : axe de tangage (Pitch en anglais)
  • Axe Z : axe de lacet (Yaw en anglais)
Yaw, Pitch & Roll

Traduit en français, le roulis correspond au mouvement de bascule de gauche à droite, le tangage, d'avant en arrière et le lacet, rotation sur lui-même.

Nous l'avons vu, ce sont les hélices, par leur rotation, qui permettent au drone de s'élever dans les airs. En effet, lorsqu'elles sont parallèles au sol, elles génèrent une force perpendiculaire, mais que se passe-t-il lorsqu'elles sont inclinées ?

Lorsqu'on représente les forces sur un schéma, on visualise immédiatement que l'inclinaison de l'héclice génère une force latérale.

Forces de portance d'une hélice
Représentation des forces de portance

On comprend donc que pour que le drone puisse se déplacer dans une direction il doit être incliné dans cette direction.

A partir de là et en partant du schéma du drone en X, on peut établir le tableau suivant :

Déplacement Actions moteurs
Monter Translation sur l'axe de lacet Augmenter la vitesse de rotation de tous les moteurs de la même manière
Descendre Translation sur l'axe de lacet Diminuer la vitesse de rotation de tous les moteurs de la même manière
Avancer Rotation sur l'axe de tangage Diminuer la vitesse de rotation des moteurs de la paire avant ET
augmenter la vitesse des moteurs de la paire arrière
Réculer Rotation sur l'axe de tangage Augmenter la vitesse de rotation des moteurs de la paire avant ET
diminuer la vitesse des moteurs de la paire arrière
Déplacement latéral gauche Rotation sur l'axe de roulis Diminuer la vitesse de rotation des moteurs de la paire gauche ET
augmenter la vitesse des moteurs de la paire droite
Déplacement latéral droit Rotation sur l'axe de roulis Augmenter la vitesse de rotation des moteurs de la paire gauche ET
diminuer la vitesse des moteurs de la paire droite
Rotation horaire Rotation sur l'axe de lacet Diminuer la vitesse des moteurs B & C ET
augmenter la vitesse des moteurs A & D
Rotation anti-horaire Rotation sur l'axe de lacet Augmenter la vitesse des moteurs B & C ET
diminuer la vitesse des moteurs A & D

Pour rappel, le sens horaire signifie le sens des aiguilles d'une montre

Les deux derniers déplacements méritent une attention particulière.

On a vu que les hélices étaient placées de manière à compenser leurs forces de réactions.
En ralentissant une paire d'hélices tournant dans le même sens, les forces de réaction ne se composent plus tout à fait et le drone commence à tourner suir lui-même.

C'est sur ce principe que l'on peut décider du sens et de la vitesse de rotation sur son axe de lacet.

Pourquoi on agit toujours sur deux paires de moteurs au lieu d'une seule ?

Si on se contente d'agir sur une seule paire de moteur, le total des forces sera différent du total avant la correction, le drone na va donc pas garder la même altitude.
En agissant par paires opposées, on s'assure que le total des forces reste inchangé et ainsi que le drone conserve son altitude.

3. Première approche de l'asservissement

De base, un drone ne tient pas en équilibre dans les airs.
En effet, dans la physique sentimentale on aurait tendence à croire que si on fait tourner les moteurs à la même vitesse, ça suffit à faire garder une assiette stable au drone. Mais dans la réalité, les moteurs génèrent des vibrations répercutées sur la carlingue, les hélices génèrent des turbulances, le drone n'est jamais parfaitement équilibré, le vent souffle de manière anarchique...
Bref, le drone va forcément s'incliner d'un côté ou d'un autre au bout d'un moment. Comme il n'y a pas de correction sur l'inclinaison, le drone va continuer à prendre de l'angle jusqu'à se viander lamentablement.

Ainsi intervient la notion d'asservissement.

Qu'est-ce que c'est que ce gros mot ?

Faisons une analogie. Vous êtes au volant d'une voiture lancée à 130 km/h sur une route parfaitement droite et vous voulez qu'elle suive cette trajectoire. Vous avez deux solutions.

Première solution
Appuyer sur le champignon et fermer les yeux en espérant que la voiture va aller tout droit.
On est bien d'accord que la voiture va forcément dévier de sa trajectoir pour aller se manger le talu.

Deuxième solution
Vous regardez la route et lorsque vous constatez que la voiture dévie de sa trajectoire vous corriger cette dernière en donnant un coup de volant proportionné à l'erreur.
Dans cette seule phrase nous avons plusieurs conceptes clés de l'asservissement :

  • La voiture doit aller tout droit : il s'agit là de la consigne à suivre
  • Vous regardez : vous êtes en fait un capteur
  • La voiture dévie : notions d'erreur par rapport à la consigne
  • coup de volant proportionné : notion de correction adaptée à l'erreur

Si vous donnez un violent coup de volant, la correction apportée va être pire que l'erreur initiale et la prochaine correction va être encore pire : votre système va commencer à osciller de plus en plus fort, la correction est inefficace et vous avez ainsi un système instable.
Maintenant si la correction apportée est adaptée à l'erreur, on obtient ainsi un système asservi stable.

La notion de stabilité peut être déterminée de différente manière (diagrammes de Black, fonction de transfert...), nous y reviendrons dans les prochains chapitres

Les deux solutions que nous venons de citer portent respectivement le nom d'asservissement en boucle ouverte (pas de contre-réaction) et asservissement en boucle fermée. Il ne fait aucun doute que c'est la deuxième solution que nous mettrons en place lors de cette série de tutoriels.

Pour résumer, un asservissement en boucle fermée c'est donc :

  • Un système à asservir
  • Une consigne
  • Au moins un capteur
  • Un correcteur

Et d'un point de vue schématique, voici comment cela se représente :

Système asservi en boucle fermée

Cette première approche de l'asservissement n'est qu'une vulgarisation, nous aurons tout le loisir d'y revenir plus en détail lorsque nous attaquerons son implémentation pour Arduino.

Conclusion

Nous venons de poser les bases nécessaires à la compréhension du fonctionnement d'un drone. Ces notions nous seront indispensables pour la suite et notamment pour les phases de conception/réalisation.

Dans le prochain toturiel, nous verrons plus en détail l'anatomie d'un drone, les éléments physiques et électroniques qui le composent.

A bientôt sur Fire-DIY !

Vos réactions (27) :

mr_boune

Quand est-ce qu'on aura le prochain article ?

19/12/2016 à 19:12

lobodol

@mr_boune : Salut ! La suite de cet article est prévue pour Janvier. J'y travail et j'espère que ça vous plaira !

20/12/2016 à 08:53

Guillaumebdx

salut, impatient de lire la suite !

09/01/2017 à 00:39

natalis

A quand un nouveau cours

14/01/2017 à 08:59

lobodol

Bientôt, bientôt ;)

14/01/2017 à 12:44

natalis

Je suis un amoureux de bricolage et d'électronique mais je vois bien que vous vous êtes un un pro et cela me ferait vraiment plaisir de correspondre avec vous

14/01/2017 à 15:34

lobodol

Pas de soucis ! L'idéal serait d'échanger sur le forum pour que tout le monde en profite ou participe :)
Ce site est un repère de passionnés, tu as frappé à la bonne porte !

14/01/2017 à 17:50

natalis

Je ne manquerai pas d'intervenir sur le forum

14/01/2017 à 21:49

natalis

Mais si je pouvais avoir vos coordonnées téléphoniques ce serait cool

14/01/2017 à 21:50

lobodol

On ne donne pas les coordonnées perso ;)

18/01/2017 à 19:46

natalis

D'accord je vois

19/01/2017 à 07:25

natalis

Où peut être un a mail juste si possible j'aurais aimer vous inviter très prochainement dans mon pays si possible pour une conférence sur certains sujets

19/01/2017 à 08:00

natalis

Sinon les cours que vous proposez pourriez donner aussi des références?

19/01/2017 à 08:01

lobodol

Non, c'est pas prévu que je donne des conférences. Pour les demande de contact, je t'invite à utiliser le formulaire prévu à cet effet

19/01/2017 à 08:45

natalis

D'accord

19/01/2017 à 18:27

kogi

Cool votre cours à quand le prochain

29/01/2017 à 13:30

lobodol

Salut kogi, j'y travail, normalement semaine prochaine ;)

29/01/2017 à 14:38

kogi

J'ai hâte et je vous félicite pour votre travail remarquable

29/01/2017 à 15:34

lobodol

Merci pour ton soutien :)

29/01/2017 à 15:36

kogi

Une question est ce que vous ajoutez des références à vos cours

29/01/2017 à 15:41

malick

Eh bien bravo pour le cours ! Quand est ce que le prochain sort?

02/02/2017 à 08:52

lobodol

Aujourd'hui même ! --> La suite

02/02/2017 à 11:14

Voltigeur

introduction très intéressante mais étant dans l'aeromodelsime depuis 15 ans sur Vgm et jets je ne comprend pas pourquoi cette explication sur le comportement d'un avion qui au passage dans le cadre des lacets ne va pas se comporter comme un planeur ou motoplaneur.

De plus peu de dronistes passent par la case avion rc et un monde encore différent celui de l'helico rc, qui a de loin plus de similitudes avec un drone, même si un dronistes qui prend un hélico pensant le faire voler comme un multirotors a 99% de chances de le fracasser tout comme un avion. Je trouve dommage de ne pas parler aussi de l'équilibrage des hélices

Que cela soit sur un avion ou un drone c'est primordiale, la différence entre une hélice bas de gamme et haut de gamme et flagrante au même titre que cet équilibrage à faire régulièrement afin d'avoir un rendement plus important. J'ai vu des rendements passer de 65 à 80% juste en étant plus attentif aux hélices.

Parler aussi des lipos de la puissance et de la tension, du taux de décharge, de l'entretien qui peux faire durer une batterie plus longtemps.

Comment savoir ou en est l'état des accus en accédant a l'état des résistances des cellules.

voilà pourquoi il est important de commencer par étudier les avions rc ou hélicos, car il y a des techniques incontournables vous en avez eu quelques' une qui sont utiles pour les multirotors.

Et comme dans tout les domaines du modelisme la,mode est au " je sort de la boite et faut que ça marche " plus ça va moins savent comment fonctionne leurs machines et cela est bien dommage.

Je ne dénigre pas les multirotors devant en utiliser pour usage pro, mais qu'il y a t'il de fascinant??? il monte descent garde son altitude et revient à sa base. Cet engouement pour ces machines me dépassent, le prix déjà prohibitif pour un châssis 4 moteurs 4 ubec et le reste parfois à 2000€. À titre d'info j'invite les dronistes à monter leur multirotors avec des cartes arduino moins chers tout aussi efficace.
Exemple pour un quadri moteur classe 550

Châssis\ 80€
4 moteurs plus'leur régulateurs / 100€
4 hélices ( de bonne facture à équilibrer régulièrement ) 20€
Arduinpilot 70 € et je suis large.
qui comporte un gps, accéléromètre, baromètre, gyroscope, contrôleur de vol
module anti collision / 5€ ( vous régler la hauteur minimale ).
module ultrason pour éviter les obstacles
5€
Pour les lipos embarquez de la qualité aussi en évitant les marques exotiques'.

Voilà, c'est monte en une journée grandj maximum, pour le logiciel me diriez vous et bien une fois votre arduino branche sur pc vous avez accès gratuitement car open source a une foule de programmes, impossible de se tromper, à la porté de partaits non initiés au monde de l'arduino.
Il faut en finir avec ces prix,

Un exemple le dernier "drone" de chez parent cette aile volante à 1200€ et bien, nous avons refait exactement la même machine avec une aile volante de 1,20 m en elapor cette mousse peux sembler fragile détrompez vous. Plus solide que le bois à densité égale, se répare et astuce en cas de déformation quelques secondes dans de l'eau à 80° c et elle revient à sa forme l élapor a bien des qualités.

Mais cette aile n'est plus ni moins qu'une dérivation de nos drones arduino alors quand j'ai vu le prix j'aî pensé qu'il s'agissait de la référence. Parros se vente de faire un avion drone qui se pose seul, oui nous fesions des avions qui se posent seuls et passe par des waipoints il y'a 4 ans en club rien de sorcier et tout cela sur des motoplaneur à cent euros...

Bonne séance de vol à tous...

03/03/2017 à 09:52

Voltigeur

Précision à l'auteur venant de lire la suite de cet excellent tuto concernant les esc il y a une chose importante à préciser que l'auteur confirmera.

Les esc ont tous une valeur annoncée en pointe, ce qui veux dire que vous pouvez pousser les gaz à 100% durant quelques secondes (pas plus de 10).

Donc déjà il y a une méthode empirique pour savoir qu'elle esc installer. Vous prenez la puissance de vos moteur que vous divisez par le voltage de vos accus.

Exemple/ un moteur de 400w et une lipo 3s soit 400/11,1 vous obtenez 36 et des poussières.

sachant que les esc ont des valeurs annonces souvent gonfles il faut rajouter 10A soit 20 à 25% de l amperage annoncé, vous obtenez donc la valeur de pointe c'est à dire l'amperage maximum possible à 100% des gazs, Donc pour être certain de ne pas voir brûler son esc et de pouvoir monter les gazs sans inquiétudes dans notre cas un esc de 50 à 60 À sera parfait. Autre petit détail qui a son importance, il est bon de pouvoir séparer l'alimentation moteur et servos/RX/naza etc d'installer des esc OPTO ,en cas de problème même léger vous garderez n'aurez pas votre électronique qui détaille en même temps qu'un esc ou de la lipo. Pour les plus tatillons sur la sécurité de l'alimentation un module d alimentation permet d'y brancher deux accus ( soit pour les moteurs soit pour l électronique ou les deux ) cela est intéressant car une fois mis en place une batterie est sollicitée mais si elle a le moindre souci, comme perte brutale de tension' sur une cellule ou décharge trop importante la seconde batterie prendra le relais, cela peux aussi permettre de pouvoir rallonger l autonomie de vos vols.

Bon week-end.

03/03/2017 à 10:08

lobodol

Salut Voltigeur et merci pour tes remarques constructives :)

Un article dédié à l'équilibrage des hélices est prévu, je ne voulais pas risquer de bâcler le travail en en parlant rapidement ici. Idem pour les LiPo et le reste des composants.

"plus ça va moins savent comment fonctionne leurs machines et cela est bien dommage." --> Je suis entièrement d'accord et c'est pour ça que je rédige cette série d'articles :)

Tu as l'air d'avoir de solides connaissances dans le domaine du modélisme, alors n'hésites pas à venir dispenser tes conseils et retours d'exéprience sur le forum où ils auront une place de choix :D
Si tu as également des réalisations que souhaiterais publier ici, n'hésite pas non plus !
A bientôt !

03/03/2017 à 11:29

Mr. Roboto

Cet article est tellement bon qu'il a été plagié sur ce site: https://quarkx.org/2017/11/05/les-bases-du-drone-quadricopteres/

05/11/2017 à 21:50

lobodol

Merci pour l'info, je vais contacter le webmaster de ce site.

06/11/2017 à 00:31

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