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Looptime, protocole ESC et processeur F7, explications simples 


C’est un peu obscur toutes ces notions de looptime, de PID et de taux de rafraîchissement des ESC, non ? D’autant plus qu’il n’est pas indispensable de comprendre ces choses pour piloter un racer ou un drone de loisir. Pourtant, l’arrivée des ESC comme les Wraith 32 va un peu changer la donne. Car ils proposent le Dshot 1200 et un taux de rafraîchissement si élevé que seule une carte de vol avec un processeur F4 ou mieux F7 et un gyro super balèze peuvent tirer parti des performances de ces ESC. 

Il faut au moins savoir ça sans quoi acheter les Wraith ne rime à rien si on a une F3 sur sa machine. Du moins, il ne sera pas possible de profiter complètement de la rapidité de traitement de ces esc. 

Pourquoi ? Car une carte de vol est un système composé d’éléments qui engendrent une latence. Si certains calculs sont effectués très rapidement mais que d’autres sont trop lents, c’est la réactivité générale et la précision qui sont affectés. 

Comment fonctionne une carte de vol 

C’EST QUOI CETTE CARTE F4 DE OUF ? Réponse bientôt.

1 – Le gyro, le cœur du système 

L’élément le plus important, c’est peut-être le gyro et sa capacité à envoyer rapidement ses données au processeur. En effet, le gyro ( et les accéléromètres si le vol est stabilisé ) est le composant qui lit la position de la machine dans l’espace et surtout sa rapidité de déplacement angulaire. Or, plus il donnera souvent les informations au processeur, plus ce dernier pourra appliquer les consignes PID et plus la machine sera précise et volera comme sur des rails. SAUF QUE l’emploi d’un gyro surpuissant n’a pas que des avantages

La vitesse à laquelle le gyro envoie ses données s’exprime par une fréquence. Le MPU6000 par exemple ne peut pas dépasser les 8 kHz. Le gyro super secret de la F4 Raceflight est beaucoup plus puissant. C’est à dire qu’il est capable d’envoyer de nouvelles données plus rapidement là où d’autres se contentent de les répéter ou plutôt d’être relues par la FC :

Un gyro 32 k, c’est pas forcément bon !

 Exemple : 

  • Un MPU6000 a un taux de rafraîchissement de 8 kHz maximum. Le lire à 16 kHz, c’est lire les mêmes données deux fois. A 32 kHz, c’est les lire quatre fois. On peut presque parler d’extrapolation de la résolution. 
  • Le gyro super secret de la Revolt propose du 32 kHz. Dans un même laps de temps, il envoie de nouvelles infos quatre fois plus souvent que le MPU 6000. La résolution est meilleure. 

Or, plus les données sont nombreuses, plus le vol est smooth. Surtout si les PID sont appliqués souvent. C’est ici que le processeur les applique sous la forme d’une boucle de calcul. 

Raaa ! Une F7 !

2 – le Processeur et le looptime 

C’est quoi le looptime ? Pour répondre à cette question, il faut rapidement expliquer ce que sont les PID. Prenons l’exemple de l’ascenseur car oui, un ascenseur ou même une découpeuse numérique est régi par des PID. 

Si un ascenseur est mal réglé, vous n’en sortirez simplement jamais ! Vous avez remarqué qu’il s’arrête précisément au niveau du sol. Que vous soyez seul à l’intérieur ou qu’il soit bondé, il est toujours aussi précis. C’est grâce à des PID robustes  ( nous reviendrons à la notion de robustesse des PID plus bas ). 

Si vous empruntez un ascenseur qui s’arrête à la moitié de l’étage, vous y resterez coincé plusieurs mois. Ça m’est arrivé ! C’est d’ailleurs pendant ces longs mois sans manger ni boire que j’ai crée FPV Passion. 

Les PID sont donc une façon de régler un ascenseur ou une carte de vol de façon à ce qu’elle ne dépasse pas la consigne qu’on lui donne. Qu’il s’agisse d’ascenseur ou de déplacement sur un axe, les PID sont présents partout. En l’occurrence, sur un multirotor la consigne provient du gyro. Si vous voulez que votre quad vire à gauche à la vitesse que vous aurez réglé ( rate ), il faut que les gyros lisent la vitesse angulaire puis envoient l’info au processeur qui applique les PID plusieurs fois par seconde, c’est le looptime. C’est à dire une boucle de calcul exécutée à une vitesse plus ou moins rapide selon justement la puissance du gyro ( son taux de rafraîchissement ) et de celle du processeur qui exécute les calculs. 

Un processeur puissant pourra exécuter les PID suffisamment de fois par seconde pour que ça ait un impact sur le comportement en vol. Il faut donc un bon gyro ET un bon processeur. Et aussi un bon intermédiaire entre les deux ( spi ).   

Le Gyro et le processeur sont donc intimement liés et si un des deux n’a pas les performances suffisantes, ça peut avoir des répercussions sur l’autre. Cela n’est pas forcément vrai dans le cas processeur / gyro mais la latence du système peut provenir de plusieurs autres facteurs comme : 

3 – Les filtres

Données brutes du gyro à gauche, filtrées à droite

a-Les filtres naturels 

Cette notion est finalement assez simple. Un joint de caoutchouc sous une carte de vol n’est rien d’autre qu’un filtre physique puisqu’il réduit les vibrations. A ceci prêt qu’il ne vise pas expressément une gamme de fréquences. 

Mais cela contribue à dépolluer le bruit et cela favorise le travail de la carte. J’avais tenté de mettre un couche de double face entre les bras des moteurs et la platine inférieure. Mais si les vibrations étaient stoppées, la rigidité en avait pris un coup aussi. De même, les soft mounts sous les moteurs ne doivent pas être comprimés sinon ils perdent leur efficacité.

b-Les filtres logiciels 

Les filtres logiciels visent à réduire les fréquences les plus nuisibles aux gros. On les appelle le bruit. La vidéo ci dessous et l’image plus haut sont d’ailleurs très parlantes : 

Les filtres d’origine appliqués aux gyros sont les Low filters. Ou filtre passe bas en français si je ne dis pas de bêtises. Ils ont tendance à augmenter la latence générale puisque tout le système est interdépendant. Certains pilotes  les suppriment donc. Mais il faut savoir ce qu’on fait !  

Les vibrations à éliminer

Ces filtres sont là pour palier aux vibrations néfastes engendrées par les ESC et les moteurs. Elles sont émises dans une gamme de fréquence qui est identifiée puis neutralisée . Il suffit de voir la vidéo ci dessous pour comprendre l’efficacité qu’ils engendrent. En parlant avec le grand maître des PID Xkin Al dont le métier est justement de régler des PID, j’ai appris que les toutes dernières recherches sur Betaflight se font justement à ce niveau. Un filtre dynamique est à l’étude et si j’ai bien compris, il sera adaptatif. 

Il y a d’autres composants qui doivent être performants pour obtenir une machine smooth, précise et réactive : 

4 – Les ESC

Wraith 32

Wraith 32

Deux facteurs agissent sur leurs performances : 

  1. La nature du signal. Analogique ( PWM, Multishot) ou numérique ( Dshot ). Plus le traitement est riche et rapide, plus le système est véloce et souple.
  2. La fréquence de l’horloge interne. Plus les ESC sont puissants, plus ils peuvent lire un signal très rapide. A savoir que le signal numérique ( Dshot ) est préférable puisqu’il ne contient pas d’erreurs. 

 Le Dshot 1200

J’ai reçu des ESC prototypes dont je vous ai déjà parlé : les Wraith 32. Équipés d’un processeur méga balèze, ils n’apportent rien si le reste ne suit pas. Un processeur F4 ou F7 est préférable. 

Mettre un plus gros tuyau sur une arrivée d’eau n’augmente pas cette dernière. C’est pareil avec des ESC capables d’envoyer beaucoup d’ordres aux moteurs. Il faut qu’ils en reçoivent eux-mêmes beaucoup. 

Des PID robustes

C’est quoi des PID robustes ? Il y a quelques années, il arrivait souvent qu’on ait à retoucher les PID d’une machine qu’on venait de monter. Puis est arrivé Betaflight. Tout le monde a remarqué que les PID stock ( d’origine ) sont capables de faire voler plusieurs types de machines. Ils sont très polyvalents et sont fonctionnels avec un 3 pouces comme avec un 6 pouces. Et bien c’est précisément ça des PID robustes. Ce sont des PID qui fonctionnent dans plusieurs types de situation. C’est bien le cas de Betaflight

La latence générale et la cohérence du système

Plus le processeur sera rapide, moins il y aura de filtres qui ralentissent le système, plus les protocoles d’ESC seront efficaces et plus le système entier sera véloce et précis dans sa globalité.

  • Un looptime élevé
  • du Sbus
  • du Dshot 
  • un processeur au top

 et on obtient une machine réactive.

Si on prend un vieux racer en : 

  • PWM pour la radio,
  • PWM pour les ESC
  • avec un processeur F1
  • et des ESC poussifs

 on verra vite la différence en termes de réactivité globale. Et de comportement.  

Les Wraith 32 que j’ai en ma possession ne sont pas exploitables pleinement avec la F3 montée sur mon Moka 5 pouces. Ce n’est pas cohérent. Cela ne ralentira pas le système mais le Dshot 1200 ne sera probablement pas géré correctement. Ainsi, il faut que tous les composants soient harmonieux en termes de puissance de calcul. Une carte F7 avec un RX en PWM, c’est pas folichon ! 

Une conclusion étonnante ? 

Il ne faut pas se mentir, le gain de rapidité que chaque élément apporte est si petit qu’il est bien difficile de le ressentir. En revanche, en termes de précision, de souplesse de pilotage, c’est autre chose. Voler en 4 k / 4 k ( Gyro / FC ) doit être différent du 32 k / 32 k atteignable avec la Revolt. Les ESC Kiss sont aussi très puissants et comme le dit Arturo FPV, ils sont toujours à la pointe alors qu’ils ont déjà un an. 

Pour en revenir aux gyros mega puissants, ils ont le désavantage d’être proportionnellement plus sensibles aux vibrations qu’ils sont plus efficaces en matière de taux de rafraîchissement. En d’autres termes, un bon vieux vieux MPU 6000 reste un choix pertinent puisqu’il ne nécessite pas l’emploi de filtres supplémentaires.  On commence à comprendre que l’architecture d’une carte est plus subtile que l’addition de composants super puissants ! 

BL Heli 32 !

J’ai branché les Wraith et les fonctions sont intéressantes. N’oubliez pas que BL Heli 32 apporte beaucoup d’améliorations à découvrir. Les Wraith 32 seront dispo chez FPV4drone prochainement. 

Demain, on découvre la F4 avec ESC : 

L’Asguard ! 

Dispo ici. Et vraiment économique ! Les ESC sont inclus !


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