Le quadri-rotor de mikrokopter


Un quadrirotor est un modèle volant qui assure sa mobilité et sa stabilité grâce à 4 hélices disposées sur un même plan et positionnées aux quatre coins d’un carré.
Avec ses quatre hélices asservies individuellement, le modèle est capable de se mouvoir sur tous les axes.
La partie mécanique d’un quadricoptère est réduite à son minimum (aucun servo moteur et aucune tringlerie).

En revanche, cette simplicité doit être accompagnée par une électronique d’asservissement relativement complexe.
Bien que similaire au pilotage d’un hélicoptère à pas fixe, on n’agit pas directement sur la rotation des 4 moteurs, mais on donne plutôt ses ordres de pilotage à une centrale qui se charge de gérer la bonne vitesse de rotation des 4 moteurs.  Comme tout hélicoptère, un quadrirotor n’est pas naturellement stable, mais l’électronique d’asservissement peut palier à cette instabilité de manière remarquable.

Le choix du modèle

Il existe pas mal d’alternative en fonction de ses attentes et de son budget, du simple jouet au drone industriel à plusieurs milliers d’euros.
Le quadrirotor est une machine volante qui peut s’avérer être extraordinairement stable au regard de sa taille grâce à une bonne électronique de contrôle. D’autre part, sa structure en croix se prête très bien au transport d’une charge utile en partie centrale. Ces qualités permettent notamment d’envisager la réalisation de prises de vue aérienne.
La démocratisation de l’électronique et la souplesse de conception apportées ces dernières années rendent maintenant accessible la réalisation d’applications réservées aux professionnels  il y a encore une dizaine d’années.
Mon choix s’est donc porté sur une solution qui semble en plein développement et la plus avancée du moment pour le grand public:  une électronique mikrokopter qui intègre de base toute une panoplie de capteurs. Avec cette solution, on peut également développer son propre logiciel de contrôle pour rajouter des fonctionnalités selon ses goûts.
Même s’il faut un investissement assez conséquent en euros et en temps, je pense que c’est le modèle le plus évolutif et le plus abouti qu’on puisse trouver pour un budget inférieur à 1000e.

La composition de mon quadrirotor

De manière à réduire le coût de l’ensemble, et également à réduire le poids, je suis parti lorsque c’était possible sur des adaptations personnelles du kit de base vendu par mikrokopter (Les kits Basisset).

La structure mécanique

La première structure a été réalisée à partir de balsa de 2mm et de tube carbone de 11m de diamètre extérieur. Cette structure comprend une zone centrale pour y installer l’électronique ainsi que 4 supports moteurs. Un premier tube part d’un moteur et va d’un seul tenant jusqu’au moteur opposé. de manière à garde l’ensemble dans le même plan, le deuxième tube est coupé à son milieu et sa rigidité est consolidée par deux petits tubes de carbone de part et d’autre de la section centrale. Les parties en balsa sont constituées de plusieurs couches de blasa 2mm à fibre croisée, ils assurent un angle droit précis entre chaque tube adjacent. Les supports moteurs sont également composés de 4 couches de balsa 2mm à fibre croisée. Les parties sont collée à l’époxy 15min, et un peu de cyano répartie au doigt rigidifie la surface du blasa.
Ainsi réalisée, la structure pèse 60g et est très solide.



Malheureusement, j’ai fini par la casser et j’ai opté pour une structure plus simple et modulaire à base de tubes  aluminium 15x15mm maintenus via 2 plaques de carbone 2mm.  En cas de crash, il suffira de changer un tube dans le meilleur des cas.

Motorisation

Mon souhait était de partir sur des hélices de moyenne taille: 10×45. Avec ces hélices, l’idéal est de trouver des brushless assez légers et d’un kv inférieur à 1000. J’ai opté pour 4 moteurs copies de hacker 2022L de 940kv et pesant chacun environ 60g tous accessoires compris.

Du moment que la batterie le supporte, cette motorisation doit permettre de tracter un peu plus de 2kg, soit plus du double de la masse finale estimée ! Une batterie LiPO 3S entre 2000 et 2500mAh est bien indiquée avec cette motorisation.

Électronique de contrôle des moteurs

Un contrôleur par moteur brushless est nécessaire pour les commander indépendamment les uns des autres. Le taux de rafraichissement des contrôleurs bruhless habituellement utilisés sur avion ou hélicoptère est limité par le format du signal PPM venant du récepteur: 50 fois par seconde. Ce taux étant trop faible pour assurer une bonne stabilisation, Mikrokopter a opté pour un protocole de commande plus efficace, le bus I2C, mais non compatible avec la grande majorité des contrôleurs du commerce.
Mikrokopter commercialise donc des contrôleurs spécifiques (MK-BL) de 10A. J’ai  choisi pour ma part de modifier des contrôleurs du marché afin de leur permettre de comprendre le format de commande I2C. Le résultat permet de réduire substantiellement le coût global, mais également de pouvoir disposer de plus de puissance.
J’ai donc modifié 4 contrôleurs TowerPro 25A, qui acceptent maintenant un signal I2C comme entrée.
Un article sur le site détaille cette modification.

Récepteur et radio

Comme tout modèle RC, pour fonctionner le mikrokopter a besoin d’une radio-commande et d’un récepteur RC sur le quadrirotor.
Il existe toutefois une différence de taille: les récepteurs fourniront en sortie plusieurs voies sur chacune desquelles on va retrouver un signal de contrôle à destination d’un servo ou d’un contrôleur brushless.
Le mikrokopter a besoin d’un signal qui regroupe l’ensemble de ces signaux sur une seule trame PPM.
Cette trame n’étant pas disponible en standard sur les récepteurs du marché, il est nécessaire de modifier ces récepteurs lorsque cela est possible.
J’ai choisi le récepteur Graupner R700 en 41MHz car il permet aisément cette modification.
Côté radio-commande, une simple 4 voies peut suffire, mais l’idéal est de disposer d’au moins 7 voies pour exploiter au maximum les possibilités du mikrokopter. Ma Graupner MX16S ira donc parfaitement avec cet usage.
J’ai par la suite opté pour un récepteur ASSAN avec un adaptateur TT-Rec-Enc

Quelques photos de ma première version équipée en FPV





Électronique mikrokopter

J’ai choisi l’électronique la plus complète du moment:
  • Une carte FlightCtrl (FC)
    Cette carte est l’élément de base d’un mikrokopter. C’est un petit circuit imprimé de 5 cm x 5 cm qui comporte de base 3 gyroscopes et 3 accéléromètres. Cette carte est « le coeur » du système. Elle réalise divers calculs pour envoyer les signaux ad-hoc aux 4 contrôleurs brushless. Elle fait également le lien avec le signal de réception de la radio.
  • Son capteur de pression optionnel
    Ce capteur de pression est à souder sur la FlightCtrl. Il permet de disposer de fonctionnalités intéressantes comme une stabilisation de l’altitude, ou une altitude de vol maximale (pour ne pas partir trop haut).
  • Une carte MK3MAG
    Cette carte intègre 3 capteurs à effet hall. Ces capteurs sont des compas magnétiques qui permettent de fixer un cap sans aucune dérive. Ils apportent un plus à la stabilisation du mikrokopter et sont indispensables pour la gestion de la position GPS.  Cette carte peut se connecter à la carte FlightCtrl ou a la carte NaviCtrl si elle est présente.
  • Une carte MKGPS
    Cette carte intègre un GPS u-blox Anteria, elle peut se connecter à la carte FlightCtrl ou a la carte NaviCtrl si elle est présente.
  • Une carte NaviCtrl (NC)
    Cette carte n’est pas indispensable actuellement, mais elle permet de faire le lien entre toutes autres cartes. Elle dispose d’un port debug qui permet de centraliser toutes les mises à jour nécessaires. Sans elle, on ne peut pas profiter des derniers développements officiels des versions FlightCtrl. Elle dispose d’un port MicroSD, d’un port USB et d’un port extension non utilisé pour le moment.
  • Un module MK-USB
    Ce module permet de connecter un PC au mikrokopter pour bénéficier du logiciel MKTOOL. Avec une carte NC (NaviCtrl), ce module se connecte au port debug et permet également de controler les 3 cartes FC, MK3MAG et NC à partir de ce port. Ce module peut également se raccorder à chacune des cartes pour les mettre à jour individuellement, mais cette utilisation est moins pratique.
  • Un module Bluetooth
    Avec la carte NC, ce module permet les mêmes fonctionnalités que le module MK-USB, mais sans fil. Ce module est particulièrement intéressant avec le logiciel Dubwise, puisqu’il permet de paramétrer et même de contrôler le mikrokopter à partir d’un pocket-pc ou smartphone. appréciable sur le terrain

Gestion de l’altitude

Il existe 2 modes incompatibles entre eux:
  1. définit virtuellement un plafond qui ne pourra jamais être dépassé (ou très peu). Par défaut, il est fixé à une 15aine de mètres. Typiquement, en mettant plein gaz, le mikrokopter monte rapidement puis ralenti progressivement jusqu’à l’altitude limite. Si on continue à mettre plus de gaz, il montera encore de quelques décimètres mais n’ira pas plus haut, comme si la batterie peinait. L’altitude limite est déterminée par 2 paramètres: la valeur «  »" »" qui peut être fixe ou associée à une voie proportionnelle, et la valeur «  »" » qui n’est qu’un multiplicateur de la première valeur.
  2. se base sur un switch 2 positions. Lorsque le switch est sur la valeur basse, le mikrokopter peut évoluer librement sans contrainte jusqu’à une altitude illimitée (attention donc à ne pas le perdre). Lorsque le switch sur la valaur haute, le mikrokoptere conserve l’altitude qu’il avait au moment de l’activation du switch.

Gestion du GPS

Il faut impérativement attendre que le mikrokopter ait fixé suffisamment de satellites pour commencer à utiliser les fonctions de GPS. C’est le cas lorsque la LED verte du GPS clignote et qu’un BIP s’est fait entendre.
L’idéal est de disposer sur sa radio d’un switch 3 positions permettant d’affecter 3 valeurs sur la même voie. La MX16S permet ceci très facilement sur le sélecteur de phase de vol supérieur droit.
A partir de la version v0.73 de la FC:
  • Lorsque le switch est en valeur basse, la gestion du GPS n’est pas active.
  • Lorsque le switch est en valeur haute, le mikrokopter va revenir à la position qu’il avait lorsqu’il a été mis sous tension (GO HOME).
  • Lorsque le switch est en valeur neutre, le mikrokopter va rester sur sa position à condition de l’y obliger d’abord quelques secondes (STAY HERE).
Attention car le contrôle de l’altitude est géré indépendamment, et fixer une position GPS ne signifie pas fixer également l’altitude.
Il est donc conseillé de fixer l’altitude via un switch lorsque la gestion du GPS est active.
Ceci peut d’ailleurs être réalisé sur le même switch 3 positions:
  • switch en bas: altitude stabilisée et GPS GO HOME
  • switch au milieu: altitude libre et GPS inactif
  • switch en haut:altitude stabilisée et GPS STAY HERE
Il existe également un paramètre qui empêche le mikrokopter d’aller au délà d’une certaine distance de son point de départ. C’est une bonne sécurité pour s’assurer que le mikrokopter restera en permanence à portée de vue. Un cercle circulaire virtuel défini par un rayon empêchera le mikrokopter de franchir la limite en ramenant le mikrokopter sur le bord du cercle.

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  1. #1 by MousKitos on 1 octobre 2009 - 14:51

    Vous pourrez en savoir plus sur le site http://www.mk-fr.info :-)

  2. #2 by rotier on 15 mars 2010 - 08:13

    Bonjour,
    Les moteurs type Hacker 2022L sont -ils bien adaptés ?

  3. #3 by Alex on 15 mars 2010 - 10:10

    Je n’ai jamais testé les Roxxy ou les Esky préconisés par Mikrokopter, mais je trouve que les Hacker sont très bien. Beaucoup de quadrirotor volent avec sans soucis.

  4. #4 by jacquemin on 2 janvier 2011 - 11:46

    Bonjour Alex… merci pour ces explications très techniques et claires ( ce qui n’est pas toujours compatible…!) Je démarre la construction d’un drone quadro (évolutif vers octo) à chassis en U de grande taille (1m) démontable pour mesures industrielles frontales et prises de vues verticales. Pour le contrôle des Bl Ctrl, cela s’apparente à un montage en X comment fait-on la différence sur la FC avec un montage en + ? Pourrai-je vous solliciter encore pour certains détails? Merci

  5. #5 by Alex on 4 janvier 2011 - 19:03

    Bonjour,
    La différence sur la configuration ne se fait pas au niveau de la FC (les Ctrl Bl sont connecté de la même façon qqsoit la configuarion).
    Le choix de la configuration se règle uniquement avec l’interface graphique via la table de mixage.

  6. #6 by Ynojal on 16 juin 2011 - 09:32

    Bonjour Alex,

    je commence un QuadX,
    Radio Turnigy 9 CH avec un firmware ER9X

    Je cherche les réglages à mettre dans la radio …

    Merci

(ne sera pas publié)