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Conception et réalisation d'un quadricoptère pour la prise de vue aérienne

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Conférence de Gaëtan Laure - Campus Polytech - Sophia Antipolis 2016

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Conception et réalisation d'un quadricoptère pour la prise de vue aérienne

  1. 1. Conception et réalisation d'un quadricoptère pour la prise de vue aérienne Mini-Conf. 2 Décembre 2016 Gaétan LAURE www.gaetanlaure.com
  2. 2. Plan I. Introduction II. Composants utilisés III. Design du châssis IV. Construction V. Utilisation d’ArduPilot VI. Essais en vol 2/68
  3. 3. I. Introduction o Types de drones : • Multirotors : Tricoptère 3/68 Quadricoptère Hexacoptère / • Drones à voilure fixe : Aile volante Motoplanneur Octocoptère
  4. 4. I. Introduction o Applications : • Prise de vue aérienne • Reconstruction 3D (de sites archéologiques, bâtiments…) • Agriculture de précision (caméras hyperspectrales) • Livraison (DHL, Amazon, Google…) • Recherche de personnes et sauvetage (en mer / montagne) • Analyse des couches de neige / prédiction d’avalanches • … 4/68
  5. 5. I. Introduction 5/68 DJI – Phantom 4 (~ 1400 €)  Drone populaire o Drone pour la prise de vue :
  6. 6. I. Introduction o Drone pour la prise de vue : • Caméra stabilisée et orientable • Modes de vol automatiques (avec un GPS) :  Rester à un point fixe  Vol en ligne droite  Rotation autour d’un point fixe • Retour au point de décollage en cas de perte de signal / batterie faible • Analyse d’image, mode « Follow Me », évitement d’obstacles etc… (pour les derniers modèles dont le Phantom 4) 6/68
  7. 7. I. Introduction o Pourquoi faire son drone ? • Facilement réparable • Evolutif (motorisation, caméra..) • Matériel réutilisable (radiocommande, camera..) • Accessoires/batteries moins chers • Design sur mesure (adapté au transport) 7/68
  8. 8. I. Introduction o Comment ça vole ? • Les hélices génèrent la poussée • Centrale inertielle/microcontrôleur : asservissement des angles d’Euler et de la poussée • Radiocommande  Consigne angles et poussée 8/68( illustration )
  9. 9. II. Composants utilisés o Câblage du drone (simplifié) : 9/68
  10. 10. II. Composants utilisés o Radiocommande Graupner MX-16 HoTT : 10/68  8 Voies  2.4 GHz  Portée : 2 km  ~ 250 €
  11. 11. o ArduPilot Mega (APM) 2.5 : 11/68 Accéléro/gyro Baromètre Magnétomètre Processeur Atmel Atmega2560 (16 MHz, 8 bit)  Centrale inertielle intégrée  Fonctionne avec le soft ArduPilot (open source)  Prix : ~ 40 € II. Composants utilisés
  12. 12. o ArduPilot : • Software open source • Bien documenté ( http://ardupilot.org/ ) • Beaucoup de possibilités dont le vol automatique (suivi de waypoints etc…) • Installation et configuration via Mission Planner 12/68 II. Composants utilisés
  13. 13. o Power Module : 13/68  Régulateur 5V pour alimenter l’APM  Mesure courant et tension  Prix : ~ 10 € II. Composants utilisés
  14. 14. o Chaine de propulsion : • Batterie • ESCs • Moteurs • Hélices 14/68 II. Composants utilisés
  15. 15. o Batterie Lipo 4S et « Cell Checker » : 15/68  4S → 4 cellules : 16.8 V – 13.2 V (1 cellule : 4.2 V – 3.3 V)  Taux de décharge important (20C soit 100 A)  À manipuler avec précaution (utilisation d’un chargeur spécifique)  « Cell Checker » sonne si on passe sous les 3.4 V / cellule  Poids : 450 g, Prix : ~ 27 € II. Composants utilisés
  16. 16. o Moteurs Brushless : 16/68  T-Motor MT2216-12 800Kv  Contrôle précis en vitesse  Poids : 74 g, Prix : ~ 45 € ( illustration : http://irobux.com ) II. Composants utilisés
  17. 17. o ESCs : • Contrôle le moteur à partir du signal PWM de l’APM 17/68  Favourite LittleBee 30A  Processeur intégré  Génère le courant triphasé pour entraîner le moteur à la vitesse souhaitée  Prix : ~ 12 € II. Composants utilisés
  18. 18. o Hélices : 18/68  Graupner E-Prop 10x5  Rigides  Bien équilibrées de base  Prix : ~ 7.5 € II. Composants utilisés
  19. 19. o Bilan sur la chaine de propulsion : • Batterie 4S, Moteurs 800 Kv, ESCs 30A, Hélices 10x5 • Site très utile pour le choix : http://www.ecalc.ch/ 19/68 II. Composants utilisés
  20. 20. o Schéma complet : 20/68 II. Composants utilisés
  21. 21. o GPS et magnéto externe : 21/68  Magnéto externe  remplace le magnéto interne de l’APM pour éviter les interférences  GPS  Modes de vol autonomes  Prix : ~ 15 € II. Composants utilisés
  22. 22. o Télémétrie : 22/68  Renvoie les données du drone en temps réel sur PC ou Smartphone  Protocole MAVLink  433 MHz  Portée : ~ 1 km  Prix : ~ 25 € II. Composants utilisés
  23. 23. o Transmission vidéo : 23/68  GoPro 3 Black (2.7K 30fps, ~ 200 € d’occasion)  ImmersionRC 5.8 Ghz (~ 65 €)  Portée : ~ 1 km II. Composants utilisés
  24. 24. o Lunettes : 24/68  FatShark Attitude V2  Résolution : 640 X 480 VGA  Prix : ~ 350 € II. Composants utilisés
  25. 25. o Nacelle stabilisée et régulateur 12 V : 25/68  DYS Smart3 (3 axes)  Conçue pour la GoPro 3/4  Stabilisation sur 3 axes  Contrôle de l’orientation (axes lacet et tangage)  Poids : 240 g  Prix : ~ 150 € II. Composants utilisés
  26. 26. III. Design du châssis o Inspiré du tricoptère : 26/68  Construit à partir du kit de RCExplorer  Voir construction sur mon site
  27. 27. o Réalisé sous SolidWorks : 27/68 III. Design du châssis
  28. 28. o Vue éclatée : 28/68 III. Design du châssis  Conçu pour être réalisé au SoFab (découpeuse laser et impression 3D)
  29. 29. o Train d'atterrissage : 29/68  Inspiré des drones MikroKopter  Imprimé en 3D avec de l’ABS III. Design du châssis
  30. 30. o Les deux plaques principales et cales : 30/68 III. Design du châssis  Découpé au laser dans du contreplaqué et du plexiglas (PMMA coulé)
  31. 31. o Installation des bras : 31/68 III. Design du châssis  Les bras viennent en buté sur 4 vis
  32. 32. o Les bras peuvent être pliés : 32/68 III. Design du châssis  Permet aussi d’amortir les chocs en cas de crash
  33. 33. o Les bras peuvent être pliés : 33/68 III. Design du châssis
  34. 34. o Plateforme anti-vibration pour l’APM : 34/68 III. Design du châssis  Découpé au laser dans du plexiglass (PMMA coulé)
  35. 35. o Plateforme anti-vibration pour l’APM : 35/68 III. Design du châssis  Découpé au laser dans du plexiglass (PMMA coulé)
  36. 36. o Plaque pour installer la batterie et la nacelle : 36/68 III. Design du châssis  Découpé au laser dans du contreplaqué
  37. 37. IV. Construction o Usinage à la découpeuse laser du SoFab : 37/68 Trotec Speedy 100 Matières usinées : • Contreplaqué 5 mm (3 plis) • PMMA coulé 3 et 10 mm
  38. 38. IV. Construction o Support anti-vibration usiné : 38/68 PMMA coulé 3 mm
  39. 39. IV. Construction o Les 2 plaques principales et cales usinés : 39/68  Contreplaqué 5 mm (3 plis)  PMMA coulé 10 mm
  40. 40. IV. Construction 40/68  Contreplaqué 5 mm (3 plis) o Support pour installer la batterie/nacelle usiné :
  41. 41. IV. Construction o Train d'atterrissage imprimé : 41/68  Imprimé avec de l’ABS
  42. 42. IV. Construction o Installation de APM/GPS sur le support anti-vibration : 42/68
  43. 43. IV. Construction o Assemblage des bras : 43/68
  44. 44. IV. Construction o Installation du moteur : 44/68
  45. 45. IV. Construction o Les 4 bras assemblés : 45/68 Numérotation des câbles
  46. 46. IV. Construction o Installation des bras entre les plaques : 46/68
  47. 47. IV. Construction o Installation des bras entre les plaques : 47/68
  48. 48. IV. Construction o Installation de l’APM/GPS : 48/68
  49. 49. IV. Construction o Connexion des ESCs : 49/68
  50. 50. IV. Construction o Installation du support batterie/nacelle : 50/68
  51. 51. IV. Construction o Installation des derniers éléments : 51/68 Plus de détail sur mon site
  52. 52. IV. Construction o Zoom sur la nacelle stabilisée : 52/68 Pièce imprimée en 3D (jaune) pour installer la GoPro
  53. 53. IV. Construction o Zoom sur l’installation de la batterie : 53/68 Positionnée en arrière, elle permet d’équilibrer le centre de gravité
  54. 54. V. Utilisation d’ArduPilot o Installation du firmware sous Mission Planner : 54/68
  55. 55. 55/68 o Configurations de base :  Calibration des accéléro/magnéto, de la radiocommande et des ESCs  Configuration du type de châssis V. Utilisation d’ArduPilot
  56. 56. o Les modes de vol : 56/68  Stabilize : mode de base, contrôle des angles d’Euler  Loiter : contrôle du déplacement (GPS)  Circle : décrit un cercle d’un rayon prédéfini  Auto : Suivi de waypoints préprogrammés  RTL : retour au point de décollage V. Utilisation d’ArduPilot
  57. 57. o Réglage des gains du correcteur PID : 57/68  Réglage du PID propre à chaque drone  Des gains trop élevés pour P et D entraînent des oscillations  Des gains trop faibles entraînent un manque de réactivité V. Utilisation d’ArduPilot
  58. 58. 58/68 V. Utilisation d’ArduPilot  Retour des infos de vol sur smartphone, programmation de waypoints… o Télémétrie avec DroidPlanner 2 :
  59. 59. 59/68 V. Utilisation d’ArduPilot  Retour des infos de vol sur PC, programmation de waypoints… o Télémétrie avec Mission Planner :
  60. 60. o Démonstration : 60/68 IV. Essais en vol  Autonomie en vol : 15 minutes
  61. 61.  Les waypoints définissent une spline  Le drone va rester orienté vers le point d’intérêt (2) o Vol autonome : • Définition d’une mission sur DroidPlanner 2 : 61/68 - Décollage (1) - Point d'intérêt (2) - Waypoints (3-11) - Retour au point de départ (12) IV. Essais en vol
  62. 62. o Vol autonome : • Vidéo : 62/68 IV. Essais en vol
  63. 63. o Vol autonome : • Trace GPS enregistrée sur l’APM : 63/68 Erreur max de 3 m par rapport aux waypoints IV. Essais en vol
  64. 64. o Vitesse max 78 km/h : • Vidéo : 64/68 IV. Essais en vol  Donne une indication de la capacité à remonter le vent
  65. 65. o Vitesse max 78 km/h : • Données enregistrées sur l’APM : 65/68 31.3 A pour 13.5 V, puissance max consommée ≈ 423 W IV. Essais en vol  Vitesse (GPS)  Tension aux bornes de la batterie  Courant consommé
  66. 66. Conclusion o Coût de l’ensemble : • Bilan : 66/68 Drone 700 € Radiocommande / Chargeur 300 € Lunettes FatShark 350 € GoPro 3 (occasion) 200 € Total 1550 € • Réduction possible du coût à 1250 € :  Moniteur LCD à la place des lunettes (- 200 €)  Motorisation plus légère (- 100 €)
  67. 67. Conclusion o Poids du drone : • Bilan : 67/68 Batterie 450 g Nacelle + GoPro 3 320 g Moteurs + ESCs + Hélices 430 g Châssis + autres équipements 590 g Total 1790 g • Réduction possible de la masse :  Passage au carbone et simplification du câblage (- 150 g)  Motorisation plus légère (- 100 g) 250 g de moins  gain de 3 minutes d’autonomie
  68. 68. Conclusion 68/68 o Caractéristiques principales : • Drone open source • Nacelle stabilisée et retour vidéo • ArduPilot : Modes de vol pour la prise de vue • Poids 1790 g • 15 minutes d’autonomie o Perspectives : • Faire une seconde version allégée (sous les 1500 g) • Atteindre les 20 minutes d’autonomie
  69. 69. Merci pour votre attention ! Contact et infos : www.gaetanlaure.com

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