A l'horizon, FR

Une voile, une hélice et un autopilot


La semaine dernière, j’ai reçu plusieurs mails relatifs à un concours de projets : Aviva. Feelobject dont nous avons déjà parlé sur FPVP est l’un des concourants avec sa carte interactive imprimée en 3D pour personnes malvoyantes. Plus proche de l’univers des mutlirotors, Julien m ‘a aussi contacté. Initiateur d’un projet très intéressant alliant FPV HD, autopilot, carte de vol Alexmosvoile de paramoteur Opale et servos. Le tout agrémenté d’un ou deux Arduino et d’un mini PC Raspberry.

Ce projet va nous permettre d’aborder des thèmes propres au vol RC comme les cartes radio qui sont des récepteurs professionnels permettant de choisir fréquences et protocoles. Nous aborderons également la transmission HD 1080p 60 FPS via le Connex HD, sans latence.

Ce sera aussi l’occasion de plonger dans le monde de la robotique, de l’innovation et surtout du rêve d’un jeune roboticien amoureux du vol libre. 

 De la contemplation

L’idée d’un engin autonome calme et silencieux est née devant un beau paysage marseillais que Julien Lerch contemplait. Le FPV n’existait pas, les drones étaient l’apanage de l’armée. Pourtant, la pensée de parcourir le ciel le plus calmement et lentement possible a surgi dans l’esprit de ce technicien rêveur. 

Il faut bien comprendre qu’Aube, c’est le nom du projet, c’est avant tout le désir de voler par procuration et d’être si proche d’un vol naturel que l’idée d’observer les animaux terrestres sans les déranger ni nuire à leur comportement sauvage est arrivée simplement. Et que les autres applications , nombreuses, utiles et ludiques ont suivi logiquement. 

Avant d’en arriver aux potentiels usages d’un drone paramoteur, il restait à faire la plus grosse partie : la conception. Heureusement, Julien avait les compétences attenantes. Il a estimé le matériel nécessaire et a décidé de tout faire lui même, y compris la radio.  

Aux ordinateurs de bord

 » Le cœur de l’Aube, c’est le soleil « , nous dit un poète manqué ( moi ). Mais ici, il faut plutôt parler de cerveaux. Une grosse tête et deux exécutants. Disons plus précisément un maître et deux esclaves, soit un Raspberry et deux Arduinos. Une petite explication s’impose. Lorsque vous montez une aile volante ou un avion, il est possible d’utiliser uniquement un récepteur radio et des servomoteurs. Ailerons, dérives ou elevons sont contrôlés via une tringlerie et des servod. Le moteur est lui aussi branché au récepteur via un contrôleur ( ESC ) et il n’en faut pas plus pour faire voler un modèle.

Ethernet, USB, sorties vidéo… Un mini PC quoi !

Lorsqu’on souhaite ajouter des fonctions autonomes basiques comme le suivi de cap, il faut non seulement ajouter des instruments de navigation mais aussi des MEM comme des gyros et accéléromètres qui stabiliseront la machine. Ainsi qu’un GPS ou un système inertiel ( les sous marins n’ont pas de GPS permanent et utilisent de tels systèmes me semble t’il ). Connecter le tout ensemble serait un peu comme doter un androïde de jambes et du sens de l’équilibre mais sans lui donner la capacité de se repérer dans l’espace.

Pour ce faire, il faut de la puissance de calcul en temps réel, assurée par le Raspberry qui est ni plus ni moins qu’un PC au format nano. Mais il faut également soutenir l’ordinateur avec des composants capables de traduire ces calculs en actions physiques. C’est le rôle des Arduinos qui agissent sur les servos et contrôlent les servos qui eux gèrent les suspentes. On peut dire que le Raspberry pense et que les Arduinos exécutent, tout comme le font un général et les hommes de terrain. 

Les servos sont gérés par le duo Arduino / Raspberry  selon une hiérarchie précise. La carte de vol Alexmos est uniquement dédiée à la stabilisation de la camera. 

 

Un Raspberry maître et un Arduino esclave

Il existe des autopilotes tout faits que l’on branche sur l’ordinateur de bord comme le PXFmini qui se connecte à un Raspberry Pi en UART ou via un port 12C. Il suffit de brancher ESC ou contrôleurs sur les sorties PWM et le tour est joué. Les capteurs GPS ou autres composants s’ajoutent à ce duo et on obtient alors plus de versatilité. 

Seulement, dans le cas d’un drone qui pilote une voile, des difficultés supplémentaires se posent : 

Des problèmes particuliers

Un simple gyro peut corriger un cap s’il détecte un gros coup de vent. Sur un avion, un hélico ou un multirotor, c’est simple. Mais une nacelle ( le dispositif sous la voile ) est en mouvement constant. Il faut donc que l’électronique embarquée distingue les balancements naturels de ceux provoqués par des vents de travers. Et ce n’est pas une mince affaire. 

 Julien a pourtant réussi à implémenter des modes de vols basiques comme la conservation du cap mais aussi : 

  • Le mode suivi, il stabilise la camera afin qu’elle reste dans l’axe du vol 
  • Le mode stabilisation totale de la camera, choix ou suivi du sujet.  Ou l’inverse : l’autopilote suit le sujet et une seule personne suffit à la fois à piloter et à cadrer.

Ces modes ont une influence sur le vol en lui même puisque lorsqu’on pilote en FPV, on préfère ne pas stabiliser la caméra. Mais lorsqu’on filme, on ne veut pas subir l’influence des mouvements de la caméra sur le cadrage.

Maintenant que nous avons vu comment l’électronique gère le pilotage, il est temps de découvrir comment on contrôle une trajectoire avec une voile et des servos. Encore faut-il justement une voile qui correspond aux besoins de son vol, à fortiori quand il est radiocommandé : 

Voile et finesse

La finesse, c’est la capacité d’un aéronef à planer sans aucune propulsion sur une longueur donnée par rapport à l’altitude perdue depuis le point de départ jusqu’au point d’arrivée. Or, il existe principalement deux types de voiles dont les caractéristiques agissent justement sur la finesse et la rapidité de décollage : 

  • La voile simple peau, elle décolle facilement mais sa finesse est moins bonne. Et sa résistance au vent est inférieure. 
  • La voile double peau, la finesse est meilleure mais il faut une vitesse alaire plus importante pour décoller. 
  • La voile hybride. Conçue par Opale, un des leaders dans le monde des ailes pour paramoteurs RC, elle est faite de 5 caissons double peau sur les 23 qui la composent. Les 18 caissons restants sont en simple peau. Le tout fait 1.8 m². 

Dans le cas de l’Aube, il fallait effectivement une voile permettant à la fois de lancer l’aéronef pour qu’il prenne son envol très rapidement mais aussi conserver une finesse acceptable. 

Reproduire les mouvements humains

Actionneur

Que l’on veuille contrôler une voiture ou un avion, on n’utilise pas les servomoteurs de la même façon. Dans le cas des cascadeurs qui veulent piloter une voiture grandeur à distance, il est plus pertinent d’utiliser des servos ( actionneurs ) sur l’accélérateur et le volant. Pour un avion, on ne reproduit pas complètement le pilotage humain via un manche ou des palonniers. Dans le cas d’une aile RC, il est bien plus simple de reproduire l’action des bras sur les suspentes. Une aile de paramoteur ou de parachute se pilote d’ailleurs ainsi : 

Pour  » tourner  » avec une voile, il faut agir sur les bords d’attaque et de fuite. L’aile est composée de deux demi ailes, elles mêmes décomposées en trois zones de freinage. Je ne vais pas détailler le pilotage car il suffit de savoir ici comment on vire à droite et à gauche, via les freins.

J’espère ne pas dire de bêtises en comparant le contrôle d’une aile à celui d’une barque en mouvement. En plongeant la rame droite dans l’eau lorsque la barque avance, on tourne à droite. Avec une aile, il suffit de tirer la suspente droite pour virer à droite. En effet, en agissant sur les bords d’attaque et de fuite indépendamment ou simultanément, on tourne ou on freine. En réduisant le profil de la voile, on accélère mais on agit aussi sur la finesse. Les actions sur la face avant ou la face arrière donnent aussi des résultats différents. 

Les servos

Le contrôle du bord de fuite avec les freins gauche et droit se fait via les servos, comme indiqué à l’image. Les virages à plat sont possibles et servent aux corrections de cap.


La radio

Celle que vous allez voir dans la vidéo n’est pas celle dont Julien se sert. Il a effectivement fabriquer sa radio lui même. Aussi, ce n’est pas un RX standard que l’on retrouve sur l’Aube mais une carte radio Xbee .  

Ce choix découle de plusieurs facteurs. Tout d’abord, ce drone se lance à la main. Il fallait donc pouvoir tenir la radio dans une main et lancer la machine de l’autre. En ce qui concerne les différences entre une carte radio et un récepteur standard, elles sont essentiellement dans la liberté de choix procurée par la carte : 

  • Choix des fréquences
  • choix de la puissance d’émission
  • Cryptage des données
  • Adaptabilité selon les lois des pays en matière de fréquences libres. 

C’est un capteur à effet de Hall qui a été utilisé, tout comme celui qu’on peut trouver en option sur la Taranis 9XD. Il s’use moins, est plus précis, engendre moins de parasites et sa durée de vie est meilleure. Contrairement aux potentiomètres habituels qui s’usent à cause du frottement mécanique.  

On trouve dans la radio de Julien des éléments des industries militaires et agricoles. La coque est imprimée en 3D et est ergonomique, on peut gérer les gaz à une main tout en lançant l’aéronef. 

La motorisation, l’autonomie

Selon les conditions météo, la façon dont vous piloter et la charge utile de 2.4 kg maximum, vous pourrez observer la nature ou effectuer une mission d’une heure au moins. La lipo 4S de 8000 mAh et le moteur ProTronik 780 kv, 700 Watts et son hélice de 13 pouces donnent un rendement optimisé par la voilure et sa surface portante. 

La machine est de type pusher ( propulsion ) puisque le camescope est situé à l’avant. 

Il est d’ailleurs temps de découvrir les fonctions de cette dernier.

La caméra et la carte Alexmos

Les gyroscopes et les accéléromètres sont uniquement dédiés à maintenir la caméra à l’horizontale​. Sur demande du pilote, il est possible de focaliser sur un sujet ou vers une direction. Ou de séparer le cap de la direction vers laquelle est pointé l’objectif. 

Julien prévoit d’adjoindre des fonctions de mise au point, de zoom et peut être davantage au fil du temps. Pourquoi pas un bracketing ? La vitesse et la stabilité de l’Aube permettent d’envisager plus de possibilités qu’avec un multirotor. C’est un caméscope Sony qui a été retenu pour le projet. Une gimbal le pilote sur une large gamme de mouvements amis sur 2 axes seulement. Le troisième n’est pas nécessaire sur l’Aube

Un Connex HD qui envoie les images en 1080p à 60 FPS est tout à fait adapté au vol en immersion. Une latence de 50 ms par exemple n’est pas nécessaire avec un vol lent et je doute fortement des chiffres annoncés par Animon, le constructeur du Connex, qui nous promet une latence de 1 mS ( plus vite, c’est carrément voir dans l’avenir ). Pourtant, il semble qu’on soit proche d’une latence idéale.

Possédant moi même un Prosight et bien que seul du 720p à 30 FPS soit transmis vers le récepteur, une latence est perceptible. Il est vrai que les émetteurs de ces deux modèles sont très différents et que leurs poids varient presque du simple au triple. Est-il possible que le Connex HD soit capable de transmettre du 1080p à 60 FPS en moins d’une 1 mS ? Si oui, tant mieux. 

À noter que seul l’émetteur vidéo est présent. C’est la caméra du Sony qui est employée pour le FPV. Une très bonne solution puisqu’on profite ainsi de la mise au point, du zoom et de la qualité de l’optique. 

La nature du vol et les missions envisageables

Vous l’aurez compris, piloter l’Aube s’apparente davantage à planer qu’à voltiger avec un avion 3D ou un multirotor. La contemplation est le maître mot, le calme et le silence son au rendez-vous. Il est donc possible de survoler la faune sans la déranger car l’unique hélice est repliable et silencieuse. 

De plus,

  1. Les fonctions d’enregistrement redondant ( sur écran + DVR ) 
  2. le retour HD avec une faible latence,
  3. l’autopilote
  4. et la vitesse faible du vol alliés à l’autonomie permettent à cet aéronef de se distinguer du reste de la production aéromodéliste. 

Je dirai même que nous sommes en présence d’une vraie bonne idée. Pas seulement innovante mais surtout qui répond à un besoin dont le marché de la prise de vue aérienne n’a pas encore conscience. Technologiquement classique mais efficace, l’Aube est assez polyvalent pour envisager de multiples missions comme : 

  • L’eco tourisme ( safari aérien avec l’aide d’un ranger formé au télépilotage, l’environnement est ainsi préservé et les animaux conservent un comportement naturel )
  • La recherche d’ animaux dotés de puces ( électroniques, hein ! Pas les puces qui grattent… ) en déplacement dans les réserves ( c’est plus pertinent qu’un multi bruyant qui fait fuir les populations animales )
  • L’antibraconnage ( la protection des animaux ,
  • Le suivi de la faune et de la flore, la localisation des points d eau, le suivi écologique en général. En ajoutant des caméras spécifiques et des fonctions, on pourrait permettre à des touristes de visiter leur environnement sans quitter l’abri de leur véhicule. Ou pourquoi pas depuis leur chambre d’hôtel ? en poussant ce concept plus loin, on voyagerait depuis son appartement en Europe en contrôlant l’Aube via internet, sous la surveillance d’un opérateur. 

L’agriculture pourrait être une autre application, tout comme le cinéma. Dans les milieux marins aussi, on pourrait utiliser l’Aube. En photographie aérienne également. 

Julien a d’ailleurs testé sa machine en conditions réelles, en Afrique. Il nous a gentiment fourni des photos exclusives de son voyage : 

Une simulation d’opération anti braconnage

 

Ce n’est pas tout. de l’armée aux missions de surveillance, de la prise de vue en milieu naturel à la reproduction à la première personne du vol animal à bien d’autres champs d’application, cet aéronef porte bien son nom. 

Il se peut effectivement que nous soyons à l‘Aube d’une nouvelle façon d’envisager le vol en immersion. 

demo 

histoire courte


5 comments on “Une voile, une hélice et un autopilot

  1. maxime

    l’autre gros avantage du Xbee c’est de pouvoir créer des réseaux et donc de pouvoir installer des « point relais » pour les communications. cela assure une bonne portée tout en respectant les normes locales…

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