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Tout, vous saurez tout sur les cartes de vol


Une carte de vol, on sait tous à peu près comment ça fonctionne. Suffisamment en tout cas pour nous en servir et les régler. Mais en savez-vous autant que vous l’imaginez ?
Ses composants sont autrement plus complexes qu’on ne le pense. Et on trouve ce genre de matériel dans bien d’autres dispositifs industriels.

Aussi, vous imaginez certainement que cette technologie est répandue dans beaucoup d’applications civiles, militaires ou spatiales. Saviez-vous pourtant qu’une carte comme la naze sous une forme dérivée sert dans :

  • Les BTP pour mesurer l’inclinaison des murs
  • En sismologie pour détecter les tremblements de terre
  • Dans les systèmes inertiels comme ceux des sous marins ( afin de s’orienter en trois dimensions sans GPS )

Tout ceci grâce à des accéléromètres et des gyroscopes. Ainsi qu’à des microcontrôleurs. Rien de sorcier jusque là. Encore faut-il savoir comment fonctionne

L’accéléromètre

L’exemple vaut mieux que la leçon. Remontons dans le temps et découvrons l’arrière arrière grand-père de l’accéléromètre électronique. Monsieur ressort et sa copine la masse :

accelerometre ancetre 3 axes

A chaque mouvement de ce dispositif, les ressorts vont se comprimer ou s’étirer sur leur axe . Alors pourquoi appelle t-on ça un accéléromètre et pas un axomètre ? Parce que plus la force avec laquelle on fait bouger ce système est importante, plus les mouvements seront amples. On pourra donc en déduire l’accélération linéaire.

Évidemment dans votre quad point de ressorts. Mais une puce de quelques micromètres qui vérifie à une fréquence très rapide l’orientation de la carte. Les ressorts sont remplacés par des éléments très fins et longilignes sensibles à la déformation. Cette déformation est mesurée et convertie en signaux électriques. Puis interprétée par un autre composant.

accelerometer

Une structure en peigne, déformable

 

Le gyroscope

Vous connaissez tous l’ancêtre du gyroscope électronique. Mais savez-vous qu’il sert encore de nos jours. Sur les porte avions, il stabilise le miroir d’appontage. Ce dernier indique le plan horizontal pour que les pilotes effectuent une approche même par temps fort.

miroir d'appontage

miroir d’appontage

Aujourd’hui, les gyroscopes ont évolué bien au delà de ceux présents dans une naze. Le gyromètre à fibre optique représente le summum de la précision et équipe les Airbus. Un laser est envoyé dans la fibre. Si elle se tord, l’un des faisceaux devra parcourir un chemin plus long que l’autre. Un interféromètre positionné au milieu mesure l’écart. L’avantage ? Il est plus précis et ne comporte aucune pièce mobile.

Leur point commun

Ces deux systèmes ont été miniaturisés mais leur principe mécanique a été conservé. Ils sont devenus des MEMS. ( Microsystèmes Electro Mécanique ). Ils sont basés sur des structures vibrantes tous les deux. En revanche, la structure déformable du gyro capte les mouvements des 3 axes comme l’accelero mais aussi les mouvements de torsion. Le premier détecte l’inclinaison du multi et le second la rotation.  Ils sont tous deux très petits et c’est ainsi que les MEMS intègrent une naze.

Détection de la rotation via la torsion

Détection de la rotation via la torsion

Le structure déformable de l'accelero x 1600

Le structure déformable de l’accelero x 1600

Ces deux composants ont toutefois besoin d’un chef. Mais un tout petit chef. Un microcontrôleur fait très bien l’affaire.

Le microcontrôleur

C’est un composant très répandu. Notamment dans les systèmes embarqués. On en trouve dans les téléphones, les automobiles ( injection de carburant ), les télécommandes, les appareils de bureau, l’électroménager, les jouets…Et les FC.

Le plus souvent,  ils ont un rôle unique car ils disposent de peu de RAM et de ROM ( mémoire vivante et décédée ). Ils communiquent avec plusieurs sortes de dispositifs comme des moteurs ou des leds et les contrôlent. Et bien sûr, ils contrôlent les MEMS de la naze. En revanche, les cartes de vol ne sont pas uniquement gérées par des microcontrôleurs simples. Car ceux ci sont juste assez intelligents pour gérer les gyros et acceleros. Il faut un chef qui encadre les petits chefs. Stabiliser un multi est un exercice en temps réel. C’est à dire pour vulgariser un calcul en continu. Seul un processeur sait faire ce genre de calcul. Et c’est ici qu’intervient l’

ARM®32-bit Cortex®-M3 CPU Core

C’est un processeur avec des fonctions de microcontrôleur. Spécialement destiné à la famille des systèmes embarqués. Eux-mêmes présents dans les appareils nomades comme nos smartphones. Mais aussi dans les avions ( avec des instruments plus précis comme les sondes de Pitot. Qui existent également sur certains planeurs RC et sont des capteurs de vitesse ). L‘ARM cortex M3 est un matériel libre de droit.

 

La notion de matériel libre et d ‘Open source

Vous savez tous ce qu’est un logiciel open source. Son code est rendu public et appartient à tous. Si vous avez des talents de programmeur, vous pourrez légalement modifier un tel programme. C’est d’ailleurs le but recherché parfois par les constructeurs ou les créateurs. Si une personne de talent améliore un programme commercialisé, ce sera tout bénef pour le produit. Ce dernier aura d’autant plus de succès qu’il aura de déclinaisons.

Car en réalité, “ il y a deux à trois plus d’innovations de la part des consommateurs que des industriels ” affirme Eric von Hippel, professeur au MIT.

L’exemple de betaflight vient à point nommé. Le firmware de la carte est open source et c’est ainsi qu’il a pu être modifié et amélioré. Cleanflight lui aussi est Open source.

C’est un peu pareil pour le matériel libre. Les plans de machines, dispositifs et autres systèmes ont été rendus publics. Tout un chacun peut les fabriquer, modifier, distribuer et utiliser. Ainsi, la naze est en grande partie constituée de hardware et software libres de droit. A l’exception des microcontrôleurs et du processeur ARM ( La coentreprise ARM, crée par  Acorn ComputersApple Inc.) et VLSI Technology ).  Le circuit imprimé Arduino, lui aussi est en matériel libre. Arduino, ça vous parle ?

D’autres exemples de matériel libre devraient vous étonner :

  • Six Voitures libres et écologiques
  • Open Moto X : une moto de course électrique, en matériel libre
  • projet de catamaran pour créer une ville durable sur l’océan : Xmaran

Nous avons bien avancé sur les éléments constitutifs d’une carte de vol ou hardware. Il faut maintenant comprendre la notion de boucle de régulation. Et nous pencher sur le software. ( Attention à pas tomber !! Quand vous vous penchez sur le software… Pardon… ).

Des PID partout

Les PID vous connaissez bien. Ils servent à définir un comportement sain de la machine. Afin qu’elle ne tremble pas ou ne dérive pas par exemple. Mais figurez- vous que les PIDs servent à réguler bien d’autres choses dans bien d’autres dispositifs.

L’exemple du thermostat

Afin de comprendre ce qui suit, l’exemple du chauffage est le plus simple à appréhender. Il illustre bien la notion de boucle de régulation sans laquelle on ne peut comprendre les PIDs. Cet exemple est extrêmement simpliste mais reste valable sur le principe.

Un dispositif de chauffage fonctionne en tout ou rien ( à fond ou éteint, comme moi ). C’est le cas de la plupart des convecteurs électriques. La consigne que l’on donne au chauffage est ” si la température de la maison descend sous 18 degrés, tu t’allumes “. Donc :

  • la température est inférieure à 18 °C, le chauffage fonctionne, et la température augmente progressivement
  • quand elle atteint 18,5 °C, le thermostat arrête le chauffage ;
  • la température redescend progressivement, quand elle atteint 18 °C le chauffage recommence à fonctionner et le cycle recommence.

Seulement si le thermostat est hyper sensible et qu’il mesure la température au centième de degré, c’est la catastrophe. Le chauffage passera son temps à s’allumer et à s’éteindre.

Prenons le même exemple avec un chauffage à puissance variable.

  • si la température est supérieure à la consigne ( 18 degrés ), le chauffage est éteint ;
  • si elle est inférieure, la différence est multipliée par une constante, et détermine la puissance du chauffage (dans les limites possibles). Le chauffage s’allumera mais à une puissance modulée. La température de la pièce sera plus constante.

En résumé, le chauffage modifie la température, qui est mesurée par un thermostat, qui commande en retour le chauffage. On parle de boucle de rétroaction.

On peut remplacer les éléments par ceci :

  • Chauffage = moteurs
  • température = angle
  • thermostat = gyro plus accelero ( on peut ajouter d’autres MEMS comme un alti, un magnétomètre… )

Si on ajoute l‘ARM à cette équation et toujours en simplifiant à l’extrême cela donne :
En mode stabilisé : Le vent ( ou  l’utilisateur ) modifie l’angle du quad, qui est mesuré par le gyro et l’accelero, qui communiquent avec le processeur, qui ordonnera aux moteurs ( via les ESC ) de remettre l’angle à zéro en jouant sur les gaz.

Le tout est effectué en permanence et plusieurs fois par seconde.

C’est pour cette raison que le régime moteur est de 90% maximum en mode stab. Car si vous êtes à fond et que le quad veut stabiliser, il faut bien une petite réserve de puissance pour le faire. Ce paramètre est modifiable malgré tout, dans une mesure limitée. Genre 10% gaz mini et 90% maxi ou 12% et 88 %.

En mode acro, c’est différent, on entend souvent que le multi a plus de gouache dans ce mode. Je pense plutôt que les limites de pilotage imposées par la stabilisation sautent et que la sensation de puissance vient de là. Il est pourtant logique de penser qu’une certaine puissance de calcul est libérée. Se transforme t’elle en puissance supplémentaire pour le moteurs ? Peut-être que les 10% conservés par le mode stabilisé sont récupérés… Je l’ignore. D’autres répondront mieux que moi.
Les MEMS et l’ARM continuent bien sûr de faire leur travail en acro. Sinon il suffirait de quatre moteurs et quatre ESC pour voler dans ce mode.

Pour finir sur les PIDS, ils servent à établir les limites et écarts maximum dans lesquelles on laisse agir ou on interdit au dispositif de réguler. C’est délicat à régler car chaque paramètre agit sur l’autre. Voila pourquoi il faut les régler dans un ordre précis et parfois revenir sur le premier réglage après avoir géré les autres.
Je vulgarise encore une fois à outrance car c’est un peu plus compliqué qu’une histoire de thermostat. ( il m’a tout de même fallu très longtemps pour comprendre mon chauffage ).

Lorsqu’un multirotor à la tremblotte, il a froid. Il faut monter le chauffage. Heu ..! je m’embrouille.

Si votre Quad tremble, c’est comme lorsque le thermostat mesure 18,00001 degrés. La température descend très vite à 18 degrés pile et le chauffage s’allume. Ça repasse à 18.00001 etc… mais le cycle est trop rapide. Ça s’allume et ça s’éteint en permanence. Ici, les 18.0001 degrés représentent zéro degré d’inclinaison. Donc le multi corrige trop. Il faut lui laisser plus de latitude, en quelque sorte.

En des termes plus techniques et plus justes, voici les PIDS et leur définition :

A chaque instant on mesure l’erreur, qui est la différence entre la consigne et la valeur observée et son intégrale sur un certain intervalle de temps. On utilise trois coefficients associés aux lettres P, I et D :

 

 

« TableauPID » par Huebereric — Travail personnel. Sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:TableauPID.jpg#/media/File:TableauPID.jpg

« TableauPID » par Huebereric — Travail personnel. Sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons – https://commons.wikimedia.org/wiki/File:TableauPID.jpg#/media/File:TableauPID.jpg

  • n°1 : le P = Proportionnel = on corrige l’entrée avec une fraction de la différence entre la sortie mesurée et l’entrée désirée (le delta, l’erreur ou la différence ). La valeur de réglage du P = la fraction, donc oui = la vitesse d’un changement de consigne. Plus ton P est fort et plus les corrections seront rapide. C’est le paramètre de base, les autres servent à peaufiner.
  • n°2 : le I = Intégrale = on corrige en calculant l’Intégrale (math) de la courbe d’évolution du delta. En pratique, cela permet de détecter et corriger les déviations lentes, donc de conserver la consigne voulue. C’est pondéré par le I.
  • n°3 : le D = Dérivée = on corrige en calculant la dérivée (math) de la courbe d’évolution du delta. Si l’erreur grandi vite (accélère ou décélère), la correction sera d’autant plus forte. C’est pondéré par ton paramètre D. Typiquement, ça permet de faire face aux changement rapides, trop de D et ça va osciller.

Voila. J’espère que vous comprenez mieux comment fonctionne une FC. Et ne pas avoir fait d’erreur. Si c’est le cas je rectifierai grâce à vous, comme d’habitude.

A bientôt, pour un prochain ” Tout, vous saurez tout sur le …” ZIZI ?


27 comments on “Tout, vous saurez tout sur les cartes de vol

  1. Olivier

    Bonjour et merci pour ce travail d’explication. Je me demande s’il serait possible de réaliser un outil graphique qui permettrait de visualiser les effets des modifications apportées aux PID sur un modèle de quad donné. Cela existe peut être déjà. En plus on pourrait afficher pour les puristes les calculs d’intégrale et de dérivées, si ça apporte quelque chose..

    • Pour un quad donné avec une configuration identique et des helices identiques et la même batterie, on pourrait utiliser une black box et illustrer les vibrations. Mais cela traduirait davantage la façon dont voyagent les vibrations que l’effet des PID.

  2. Trigun

    Il y a une erreur dans l’article. Les cartes de vol ne sont équipées de gyroscopes, qui mesurent une inclinaison, mais de gyromètres, qui mesurent une vitesse de rotation.

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