Fabrication d'un quadcopter autonome

Cette page sert de carnet de notes pour l'avancée des ateliers de fabrication d'un quadcopter autonome, à la Maison de Quartier La Touche. En fin de projet, la mise en forme de ces notes constituera la documentation du projet.

Idées de départ

• Cela fait des années que nous réalisons des petits projets de robots, en grande majorité à l'aide de cartes arduino.
• Les ados de la Maison de Quartier La Touche demandent depuis longtemps qu'on se lance dans la fabrication d'un drone.
• La réglementation parait lourde dans le cadre d'un vol en extérieur, en particulier sur l'espace public. Nous décidons donc de penser le projet pour un vol en intérieur (salle des fêtes, gymnase, etc...)
• Nous ne souhaitons pas fabriquer un drone pilotable avec une télécommande : nous voulons relever le défi de réaliser un drone capable de se déplacer tout seul, en évitant les obstacles, en faisant demi tour s'il arrive contre un mur, etc...

Liens externes

https://diydrones.com/profiles/blogs/arduimu-quadcopter-part-iii : un exemple de drone avec des capteurs de distance. La vidéo dans le parking montre bien un exemple de ce qu'on veut réaliser

http://www.electronoobs.com/eng_robotica_tut6_2.php : on va pas y couper, il va falloir se plonger dans les boucles PID, pour corriger les consignes (inclinaison, hauteur) avec les mesures effectives.

https://www.firediy.fr/article/calibrer-le-capteur-mpu6050-avec-un-arduino-drone-ch-5 : utilisation du gyroscope

https://www.firediy.fr/article/utiliser-sa-radiocommande-avec-un-arduino-drone-ch-6 : code Arduino : attachInterrupt et registres d'interruption

http://mitappsinventor.blogspot.com/2015/05/rgb-slider-color-selector-rgb-led.html appli Android pour controler le drône : un bon point de départ avec cet exemple de l'utilisation d'un slider pour contrôler une LED.

https://www.carnetdumaker.net/articles/mesurer-une-distance-avec-un-capteur-ultrason-hc-sr04-et-une-carte-arduino-genuino/ débuter avec les capteurs de distance ultrasons

Matériel

1. Un chassis

2. 4 moteurs, 4 ESC et 4 hélices

3. Une batterie

4. Une carte arduino micro

5. 4 capteurs de distance infrarouge

6. un gyroscope

7. un baromètre deux sonars HC-SR04. Après tests, le baromètre n'est pas assez précis pour un vol en intérieur

8. un capteur bluetooth

Pour plus d'explications :

1. Le Realacc 220 est un chassis de 22cm (22cm de diagonale, c'est la distance entre les 2 centres d'hélices). Nous avons cherché un compromis entre un chassis assez gros pour embarquer tous nos capteurs électroniques, tout en essayant de ne pas être trop volumineux, étant donné qu'il est destiné à voler en intérieur.

2. Nous avons acheté un kit complet, connu pour être adapté à un chassis de 22cm. Si l'on veut aller dans le détail, il faut choisir les moteurs en fonction du poids de notre drone et de la vitesse maximale que l'on souhaite. Puis choisir des ESC avec une puissance suffisante pour les moteurs. Puis choisir les hélices adaptées. Notre kit rassemble des moteurs Racerstar 2205, des ESC 30A et des hélices 5 pouces. On verra bien ce que ça donne.

3. La batterie Li-po que nous avons choisie est une 3S 70C 1500mAh.

4. La carte de vol sera une carte arduino, que nous allons programmer. Nous pensons partir sur une carte arduino micro pour qu'elle soit la plus légère possible.

5. Les 4 capteurs infrarouges seront des Sharp GP2Y0A21YK0F, qui sont capables de détecter les obstacles entre 10 et 80 cm.

6. Le gyroscope est un MPU6050.

7. Le baromètre est un BMP180. Un sonar orienté vers le haut pour ne pas se cogner au plafond, un autre orienté vers le bas pour gérer la hauteur du drone.

8. Le capteur bluetooth est un HC05

Schéma de branchement

version svg pour inkscape : Fichier:Schéma électronique quadcopter arduino.svg

Déroulement des séances

Découverte des moteurs et des ESC

On prend cette page comme point de départ : http://arduino.blaisepascal.fr/controler-un-moteur-brushless/

Et ça ne fonctionne pas. En testant avec un autre lien on y arrive : https://www.firediy.fr/article/calibrer-ses-esc-avec-un-arduino-drone-ch-3

L'erreur du premier lien, c'est qu'il manque des informations dans la ligne esc.attach(12); il fallait mettre esc.attach(12, 1000, 2000); Pourquoi ?

Par ailleurs il es important de comprendre la séquence de calibration des ESC. Pour calibrer un ESC, il faut mettre plein gaz dès l'allumage, attendre les bips aigus réguliers, et relâcher les gaz à ce moment précis.

Dans notre code arduino, nous avions mis esc.write(180); pendant quelques secondes, puis esc.write(0); 180 représente la valeur maximale (plein gaz) et 0 la valeur minimale. Le passage à 0 ne se faisait pas au bon moment, et le calibrage ne se faisait pas. Le deuxième lien (firediy) permet d'envoyer la valeur minimale à un moment précis. C'est grâce à ce code que nous avons réussi à calibrer notre ESC. Ensuite nous utilisons le 1er lien (blaisepascal) pour envoyer une valeur précise à l'ESC. Tout se passe bien, on arrive à faire tourner plus ou moins vite notre moteur. Ouf !

Piloter la carte arduino avec une application mobile sur android

Pour l'application mobile, on utilise app inventor : http://appinventor.mit.edu/

Pour communiquer avec la carte arduino, on passe par une carte bluetooth HC-05

Il existe plein de vidéos qui expliquent comment faire la connexion entre le smartphone et la carte bluetooth : https://www.qwant.com/?q=app%20inventor%20bluetooth%20arduino&t=videos

Au niveau des problèmes rencontrés, nous nous sommes cassés les dents sur :

• les pins à brancher pour les liaisons RX et TX via la bibliothèque SoftwareSerial. Beaucoup d'exemples utilisent les pins 2 et 3 de la carte arduino. Mais comme nous utilisons une carte arduino micro, ces pins ne sont pas compatibles. (Not all pins on the Leonardo and Micro support change interrupts, so only the following can be used for RX: 8, 9, 10, 11, 14 (MISO), 15 (SCK), 16 (MOSI).) Il va donc falloir changer notre schéma !
• dans le code arduino, attention au baudrate de la liaison par la bibliothèque SoftwareSerial ! Beaucoup d'exemples montrent un baudrate à 57600 ou 115200. Pour nous, ça n'a fonctionné que avec 9600.
• la valeur envoyée à la carte arduino est un nombre. Nous aurions voulu envoyer du texte mais il semble que ça ralentisse énormément la vitesse d'exécution du programme. Nous allons donc échanger uniquement des nombres pour garder une vitesse d'exécution optimale.

Mise en place de la carte arduino micro

Jusqu'ici nous faisions nos tests avec une carte arduino Uno. En adaptant nos branchements avec la carte arduino micro, il semble impossible de piloter le moteur branché sur le port 12. Nous modifions donc le branchement du moteur arrière gauche pour le mettre sur le port 7. Le port 7 devait servir plus tard pour brancher un sonar, il faudra voir si on peut le mettre sur le 12.

Réglage du PID

Sur Appinventor, nous avons mis au point un système pour modifier la vitesse des moteurs, ainsi que le réglage des constantes P, I, D, également les valeurs de référence du gyroscope. Nous travaillons seulement sur l'axe Y pour tester le système.

Le drone a tendance à faire le yoyo, on teste différents réglages de PID, on n'arrive pas à une stabilité parfaite mais on ne trouve pas mieux que :

P : 4

I : 0.003

D : 0.9

Y : -8

Il va falloir comprendre comment régler le PID.