IMA3/IMA4 2018/2020 P4

Présentation générale

Description

Dans le cadre du projet IMA3/4, nous avons choisi le sujet P4 : Construction d'un drone volant. Notre groupe se compose de Maxime CLAUDEL, Lukas FAUCHOIS, Evan GURY et Richard Simonin. Nous avions dans un premier temps décidé de réaliser notre projet autour d'un drone servant à la livraison de petit colis, cependant dans un souci concernant la matériel mis à notre disposition et de budget, nous avons finalement opté pour un drone "loisir". Ce dernier sera destiné à un public amateur, dans un but d'apprentissage et/ou d'amusement et sera ainsi plus en adéquation avec nos contraintes et compétences, de plus amples informations sont décrites ci-dessous dans la partie Objectifs de notre présentation.

Objectifs

A terme, l'objectif principal de ce projet est de concevoir et construire entièrement un drone "made in Polytech Lille"

Nous allons alors répartir notre travail en deux sessions, une première réalisée en IMA (S6) et une seconde en IMA4.

Pour la fin de cette première session de projet, nous avons pour objectif de faire voler notre drone. Pour ce faire, nous n'avons évidemment pas le temps de nous occuper de la partie concernant le vol nous-mêmes, c'est pour quoi nous avons opté pour l'utilisation d'un contrôleur de vol n'ayant qu'à être configuré.

Parallèlement à cela, nous comptons réaliser nous-mêmes la commande permettant de communiquer avec ce dernier pendant qu'une autre partie des membres du projet s’attellera à la partie mécanique et électrique du drone.

Ce faisant et si tout se passe bien, nous pourrons avoir pour débuter l'année prochaine une base solide pour concevoir nous-mêmes notre contrôleur de vol. Ce qui nous amène à notre second point, puisque nous comptons dans un second temps réaliser notre propre contrôleur de vol, une fois le premier objectif atteint.

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

PARROT AR.DRONE 2.0

UDI U818S

Analyse du premier concurrent : PARROT AR.DRONE 2.0

Le PARROT AR.DRONE 2.0, tout comme le notre, est destiné à un usage ludique. En dehors de la camera que nous n'envisageons pas d'intégrer à notre drone pour le moment, il dispose de toutes les caractéristiques que nous souhaiterions obtenir. A savoir une portée d'environ 100m, une autonomie de plus de 10min et une vitesse moyenne d'environ 20 km/h pour un prix avoisinant les 100 euros.

Notre avantage peut se jouer sur la camera, en effet, en enlevant cette dernière nous pouvons réaliser des économies. De plus, si une personne recherche un drone simplement pour prendre du plaisir à le faire voler, il ne souhaitera pas forcément gaspiller son argent dans une camera qu'il n'aurait surement de base pas voulu.

Analyse du second concurrent : UDI U818S

Fabriqué par la marque UDI, le UDI U818S est un drone au caractéristiques similaires au précédent, à l'exception de la camera. En effet, cette fois nous sommes face à un concurrent qui tout comme nous, propose simplement la fonctionnalité de base d'un drone, à savoir voler et cela se fait ressentir sur le prix puisque nous passons sur un prix d'environ 50 euros. Face à un concurrent proposant un produit similaire au notre et à un prix au plus bas pour ces caractéristiques, difficile de faire mieux sur le plan technique. Peut être serait il alors plus judicieux de proposer un produit plus haute gamme, plus chère, mais destiné à un public désireux de s'amuser avec un produit de qualité.

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

A qui notre drone peut-il servir ?

Le drone "made in Polytech Lille" s'adresse à tout public n'ayant que pour objectif l'amusement

Toute personne souhaitant débuter avec un drone de qualité, sans s'encombrer de fonctionnalité ne s'avérant pas utiles peut être amenées a utiliser notre drone.

Pour quel type d'utilisation ?

Nombre de notre génération ont déjà reçu comme cadeau une voiture RC. Cette dernière n'avait que pour objectif de rouler à toute vitesse pour nous satisfaire. Nul besoin d'embarquer des caméras, stabilisateurs et nombres d'autres gadgets inutile à la vocation initiale de notre voiture, rouler.

Avec notre drone, nous voulons remettre cela en avant, le simple plaisir de piloter une voiture RC appliqué aux drones. Alors enfant, adultes et nostalgiques pourront par le biais de notre produit découvrir ou redécouvrir le plaisir de piloter un engin motorisé, qui plus est cette-ci fois dans les airs.

Réponse à la question difficile

Qu'en est-il du dimensionnement des composants pour permettre à votre drone de porter une telle charge ?

Nos contraintes et objectif ayant totalement changé, la question ne se pose plus vraiment. En effet nous avons suites à notre présentation réalisé des calculs en terme de puissance et nous nous sommes très vite rendu compte de l'impossibilité à réaliser notre projet.

En effet, au vu de notre budget, l'achat d'un seul des quatre moteurs nécessaire à l'atteinte des chiffres que nous avions avancés était déjà impossible. Nous avons donc totalement changé d'objectif et avons récupéré du matériel déjà présent à Polytech, à savoir quatre moteurs et leur ESC. Nous avons pris le problème à l'envers et avons réfléchi à ce que nous pouvions réaliser avec le budget et le matériel à disposition.

C'est de cette manière que nous avons eu l'idée d'un drone "loisir", effaçant ainsi la question de la charge.

Bibliographie et webographie

Arducopter

https://www.digi.com/resources/documentation/digidocs/PDFs/90000976.pdf

http://jeromeabel.net/wiki/xbee/xbee-arduino.pdf

https://www.digi.com/resources/documentation/digidocs/pdfs/90001942-13.pdf

https://www.arduino.cc/en/Reference/Servo

• Manuel d'utilisation

http://ardupilot.org/copter/index.html

• Tutoriels vidéos

Première installation et setup : https://www.youtube.com/watch?v=30cCs4aHdB0&t=754s
Alimentation de l'Ardupilot : https://www.youtube.com/watch?v=TS4OWAcfAQY&t=270s
Calibration des ESC : https://youtu.be/gYoknRObfOg

Préparation du projet

Cahier des charges du groupe

Diagramme bête à cornes

Le diagramme bête à cornes nous permet de faire une analyse fonctionnelle du besoin. Notre drone permet à utilisateur de découvrir l'aéronautique à travers une activité ludique à l'aide d'une télécommande.

Diagramme en pieuvre

Le diagramme en pieuvre permet quant à lui de répertorier toutes les fonctions (principales et de service) et d'analyser l'importance des besoins de notre projet

Tableau de fonctions

Le tableau ci-dessous liste les fonctions principales (FP) et les fonctions contraintes (FC), dans l'orde d'importance, les accompagnant d'une petite description.

Cahier des charges des équipes

Equipe 1 : Gestion de la commande (Evan Gury et Richard Simonin)

L'objectif de cette partie, est de créer une télécommande ainsi que le récepteur. Nous devons lire les valeurs des potentiomètres, créer des trames, envoyer les trames et analyser les trames reçus. Notre système doit être performant en matière de vitesse ainsi qu'en précision.

Equipe 2 : Contrôleur de vol (Maxime Claudel et Lukas Fauchois)

L'objectif de l'équipe est d'utiliser une carte de contrôle pouvant être liée à un logiciel de contrôle de vol. Etant donné notre projet, la carte doit respecter certaines contraintes : être adaptée à un drone à quatre hélices (quadcopter), fonctionner sur batterie (car positionnée sur le chassis du drone), être déjà programmée et relativement simple d'utilisation. Le logiciel doit quant à lui nous permettre de gérer le vol du drone et de calibrer les commandes.

Choix techniques : matériel et logiciel

Equipe 1

Émetteur

Pour la réalisation de l'émetteur, nous avons choisi de travailler avec une Arduino ainsi que deux joysticks et un émetteur Xbee. Nous voulons une télécommande petite c'est pourquoi nous avons pris avec une Arduino NANO. Le drone a besoin de deux joysticks pour être dirigé selon 3 axes.

Récepteur

Pour la réalisation du récepteur, qui sera situé sur le drone nous avons commencé par utiliser une Arduino UNO mais nous souhaitons changer pour une NANO afin d'optimiser le poids ainsi que l'espace. Nous avons aussi besoin d'un récepteur Xbee afin de recevoir les trames.

Equipe 2

Nous avons choisi pour notre carte de contrôle un Ardupilot 2.8, son prix est raisonnable (une trentaine d'euros) et nous trouvons beaucoup de tutoriels l'utilisant sur YouTube.

Pour le logiciel, deux choix relativement similaires s'offraient à nous : Mission Planner ou APM Planner. Les deux logiciels ont à peu près la même interface et permettent tous les deux d'effectuer les mêmes étapes de calibrage de l'Ardupilot et des commandes avant le premier vol.

Nous avons d'abord commencé sur Mission Planner mais des problèmes de mises à jour du firmware de l'Ardupilot nous ont empêché de calibrer les ESC du drone. Nous sommes donc ensuite passés sur APM Planner car il permet d'éviter ce problème de mises à jour.

Bilan

Matériel nécessaire à la conception

• Matériel :
  • 2 joysticks
  • Emetteur Xbee
  • Récepteur Xbee
  • Arduino NANO
  • Arduino UNO
  • Ardupilot 2.8
  • Câblage

• Logiciels :
  • Arduino
  • Mission Planner
  • APM Planner 2.0

Liste des tâches à effectuer

Equipe 1

Pour pouvoir réaliser la partie gestion de la commande, nous devons réaliser les tâches suivantes

• Analyse du projet
• Découverte Xbee
• Prise en main Xbee
• Envoi de trames
• Réception de trames
• Optimisation de la programmation
• Test sur maquette
• Réalisation du PCB
• Mise en œuvre sur notre drone

Equipe 2

Pour pouvoir réaliser la partie contrôleur de vol, nous devons réaliser les tâches suivantes

• Analyse du projet
• Choix d'une carte de contrôle
• Documentation, recherche d'un software
• Calibration de la carte
• Réalisation des branchements
• Mise en application sur la maquette
• Mise en relation avec la partie commande

Calendrier prévisionnel

Nous avons décidé de réaliser un diagramme de GANTT pour chacun des calendriers prévisionnels (un par équipe). Sur chaque tâche, nous avions prévu un temps de travail en bleu dans les diagrammes et le temps réel consacré en jaune.

Equipe 1 : Calendrier prévisionnel pour la gestion de la commande

Equipe 2 : Calendrier prévisionnel pour le contrôleur de vol

Réalisation du Projet

Projet S6

Semaine 5 et 6

Avant de scinder le groupe en deux équipes, nous avons passés les deux premières séances à évaluer les besoins de conception de notre projet pour pouvoir ensuite réaliser un cahier des charges et établir un calendrier prévisionnel des tâches à effectuer.

Semaine 7

Xbee

Equipe 1

Etant donné que nous avons décidé d'utiliser des modules XBee, nous avons consacrés cette semaine à la documentation, afin de comprendre comment configurer et utiliser ces derniers.

Semaine 8

Ardupilot 2.8

Equipe 1

Sur le principe de la semaine 7, nous nous sommes documentés sur les XBee afin de comprendre comment les configurer et les utiliser.

Pour la configuration, nous avons retenu le logiciel XCTU qui est celui recommandé pour configurer les XBee. Cependant, nous gardons quand même de côté Legacy XCTU qui est l'ancienne version XCTU mais qui reste tout de même viable.

Equipe 2

Nous avons consacré cette séance de documentation à la recherche d'une carte de contrôle de vol satisfaisant nos exigences. Nous cherchions donc une carte facilement connectable avec un Arduino Uno/Micro. Nous avons opté pour l'Ardupilot 2.8. Il comprend tout le nécessaire pour diriger un drone quadcopter, centrale gyroscopique, accéléromètres, interface de radiocommande. Nous avons donc commandé l'Ardupilot via le site Alibaba.com (30€) et nous l'avons reçu trois semaines plus tard.

Semaine 9

Equipe 1

Après avoir effectués diverses recherches sur les modules XBee et effectué de nombreux tests (XCTU, legacy XCTU), nous avons abandonné l'utilisation du logiciel XCTU, étant donné que nous n'utilisons que deux XBee, nous pouvons les initialiser directement dans le programme avec le programme suivant:

Equipe 2

En attendant la réception du colis de l'Ardupilot, nous nous sommes documentés sur les différents logiciels de contrôle de vol à notre disposition. L'objectif étant de trouver un logiciel compatible avec l'Ardupilot 2.8 et avec suffisamment de documentation et tutoriels d'utilisation. Les deux logiciels qui sont ressortis le plus dans nos recherches sont Mission Planner et APM Planner 2. Ces deux logiciels sont très similaires au niveau de l'interface et des options de calibration de la carte de vol à laquelle ils sont connectés.

En connectant l'Ardupilot via un câble USB, le logiciel le reconnait et une démarche de calibration peut être entamée : boussole, accéléromètres, radiocommande, ESC.

Semaine 10

Equipe 1

Nous avons travaillé sur la transmission, la réception et le traitement des trames.

Pour la transmission, nous avons mis en place le système suivant:

• On lit la valeur des potentiomètres
• On convertit la valeur en une chaîne de caractère et on lui attribue un indice qui est propre à chaque position des joysticks.
• On envoie la chaîne de caractère par liaison série.

Pour la réception, nous avons mis en place le système suivant:

• On reçoit un tableau de caractère qui contient la consigne entre 0 et 1023 et un indice pour dire à quel joystick et quelle position la consigne correspond.
• On converti le tableau en entier et à l'aide de la fonction map on adapte la consigne pour qu'elle est une valeur entre 0 et 180.
• On transmet la consigne à l'ardupilot.

Equipe 2

Idem semaine 9.

Semaine 11

Equipe 1

Débogage de la communication entre les modules XBee et l'ardupilot.

En utilisant deux terminaux, la communication était réalisé entre les deux XBee cependant une fois branché sur l'ardupilot nous avons eu des difficultés à traiter les trames, du au fait d'une transmission trop rapide.

De plus nous avons passé un certains temps à vouloir utiliser une arduino micro mais avons finalement décidé de laisser tomber, puisque nous n'avons pas réussi à réceptionner les trames XBee.

Equipe 2

Idem semaine 9.

Semaine 12

Equipe 1

Optimisation du format des trames et réglage de la vitesse de transmission.

Passage d'une Arduino UNO à une Arduino Nano pour l'envoie des trames dans l'optique de réaliser un PCB pour la commande.

Equipe 2

A ce stade du projet nous ne pouvions qu'expérimenter les calibrations de la boussole et des accéléromètres de l'Ardupilot car la partie commande n'était pas terminée.

La calibration de la boussole s'effectue en bougeant l'Ardupilot selon tous ces axes pendant une période de temps donnée jusqu'à ce que les informations nécessaires soient récoltées. La calibration des accéléromètres s'effectue en positionnant l'Ardupilot dans des positions définies (sur le côté gauche, sur la face avant, etc.). (cliquer sur l'image ci-dessous pour lancer le GIF)

Semaine 13

Equipe 1

Réglage des trames pour la commande du prototype.

Nous avons rencontré quelques problème de sensibilité au niveau des joysticks et du traitement du signal de commande transmis à l'ardupilot.

En effet, ayant trouvé très peu de documentation sur l'ardupilot, nous avons eu du mal à générer les bons signaux de commande.

Equipe 2

Nous nous sommes ensuite consacrés à la partie alimentation de l'Ardupilot et du drone. En se documentant sur le site servant de manuel d'utilisation d'Ardupilot et des logiciels Mission Planner et APM Planner 2, nous avons trouvé que l'Ardupilot pouvait être alimenté via les ESC. Une batterie LiPo alimente les ESC qui elles-mêmes alimentent l'Ardupilot via les broches Output. L'Ardupilot alimente ensuite l'Arduino qui réceptionne les trams reçues par le récepteur Xbee. Sur les sorties (Output) de l'Ardupilot sont aussi branchés les fils permettant la réception du signal envoyé aux moteurs. Ainsi, tous les composants nécessaires au drone sont alimentés.

Semaine 14

Equipe 1

Conception du PCB pour la commande en essayant de limiter le plus possible les vias.

Vérification de l'envoie des trams à l'aide de l'ordinateur et test de réception sur l'Ardupilot.

Equipe 2

Branchements comme indiqués à la semaine précédente, alimentation et tests de bon fonctionnement des moteurs, Ardupilot et Arduino.

Semaine 15

Equipe 1

Fabrication de la manette

Modification de l'envoie des trams. Tests de transmission. Implémentation du programme sur le prototype.

Les deux équipes ont passé la semaine à réunir leur travail, nous avons ainsi tous pu réaliser de nombreux tests du prototype, avec réussite, hormis un léger accident qui à entraîné la destruction de deux hélices.

Equipe 2

A ce stade, la commande étant terminée et nous avons pu nous lier à l'équipe 1 pour mettre en relation la télécommande et l'Ardupilot. Après avoir utilisé Mission Planner pendant plusieurs semaines, un problème de mise-à-jour du software de l'Ardupilot nous empêchait toujours d'effectuer la calibration de la radiocommande. Nous sommes donc passés sur APM Planner 2 et la mise-à-jour n'était plus demandée, nous avons donc enfin pu terminer l'intégralité de la phase de calibration. Comme expliqué ci-dessus, nous avons effectué de nombreux tests pour atteindre notre objectif.