The TriWiiCopter is a tricopter that uses Nintendo Wii console gyroscopes and/or accelerometers. We find these sensors in the extensions of the Nintendo WiiMote . This tricopter was an opportunity to develop my own software on an Arduino platform. The achieved stability is excellent for FPV and allows any kind of acrobatics.
The software can also be used to control a quadricopter.

The tricopter mentioned in this article is mainly a project of electronics and programming. The structure of my first tricopter was reused and reinforced with carbon/kevlar fiber. Some LEDs were also added for a better flying visibility.

Wii Motion Plus

A Wii game controller is composed of three accelerometers to determine an angular position, and measure lateral accelerations.

It is enough for most games, but an accelerometer is not very accurate for measuring small variations. For the most demanding games, Nintendo developed the Wii Motion Plus (WMP) extension which uses three gyroscopes and plugs at the extremity of the game controller. These three gyroscopes coupled with three accelerometers can determine more precisely the attitude of the controller.
There is extensive information on all the extensions here:
http://wiibrew.org/wiki/Wiimote/Extension_Controllers

On a multicopter, the use of accelerometers is a plus but not necessary if you do not want to keep strictly to its angular position in space.
The measurement of angular velocity is sufficient to ensure good stability.

The extension Wii Motion Plus has numerous advantages compared to other gyroscope sensors:

1) its cost

Invensense is a manufacturer of electronic components, particularly gyroscopes.
Usually, these components are distributed independently and are relatively expensive.
Example from Sparkfun:
http://www.sparkfun.com/commerce/categories.php?c=85
Invensense manufactures (at least 1 of 2) gyroscopes of the Wii Motion Plus: IDG600 or IDG650. They seem to have been designed specifically with a probably very low wholesale price.
We benefit directly from this situation in the cost of the extension, especially since there are many Chinese copies that can be found for $10 or $15

2) its dimensions

The Wii Motion Plus extension is made up of two pairs of 2-axis gyroscopes, (only one axis being used on one gysroscope). Finally, once the PCB is extracted from the WMP case, there is a set of 3-axis gyroscopes in a small space. More importantly, they are all mounted on a plane surface without additional PCB. Copies are not all identical, but the dimensions remain the same.

3) its integrated ADC

When we want to interpret the value of sensors, we use an analog input and then convert it into a digital format usable by a program. Wii Motion Plus extension includes a 14-bit analog-digital converter.

4) its communication protocol

This extension communicates with the controller on a I2C bus in fast mode at 400kbit/s. It’s interesting because this bus coupled to the integrated ADC allows for performing conversion that will not be addressed later by the micro controller.
Moreover this bus uses only 2 data wires.

4) its performance

At that price, performances are not the best among the existing modern gyroscope. Noise (spurious signals in the absence of movement) is important, but we can find 3 MEMS sensors that outperform the piezo gyros still found in many RC gyroscopes.
Properly filtered, the signal is pretty accurate.

FYI, the must have gyro seems to be the ADXRS610, and at that price it has only one axis :
http://www.sparkfun.com/commerce/product_info.php?products_id=9058

Nunchuk

The Nunchuk (NK) is an extension of a WiiMote which is is composed of three accelerometers to determine an angular position, and measure lateral accelerations.

On a multicopter, the use of accelerometers allows to know precisely the angular position of the model.
With some mathematic used to associate gyroscopic sensors (DCM or Kalman like), it is possible to determine very quickly a PITCH and a ROLL angle.
This feature is used to have an auto stable mode which keeps the model in a horizontal attitude.

Like the Wii Motion Plus, the Nunchuk has also numerous advantages:

1) its cost

It is even cheaper than a Wii Motion Plus extension. We can find the NK extension for around $10 on ebay.

2) its dimensions

The PCB size of a Nunchuk is a little bit more important than a Wii Motion Plus one. But the component are still mounted is a flat position.
On some versions, it is also possible to cut the button circuit (unused for this project)

4) its I2C bypass mode

When a Wii Motion Plus is already connected to a WiiMote, the Nunchuk can be directly connected to the Wii Motion Plus in a « half bypass mode ».
It also communicates with WMP via a I2C bus.
In this mode, the Wii Motion Plus handles the communication and supply sensor values (from gyroscopes and from accelerometers) in an interleaving alternate way.
One benefit: the arduino has to handle only one extension, the Wii Motion Plus.

Arduino Pro Mini

Arduino Pro Mini card is a very small version of the well known classic Duemilanove Arduino. However, all possibilities remain the same. It now integrates an Atmel 328p and exists in several versions 3.3V/5V and 8MHz/16MHz. I chose the most convenient and powerful version : 5V / 16MHz
http://www.sparkfun.com/commerce/product_info.php?products_id=9218

There is no more the USB connection for injecting a program, but it’s always possible to program it with a small USB-Serial adapter sold separately.
http://www.sparkfun.com/commerce/product_info.php?products_id=9115

This board is the heart of the multicopter. It runs the software and interacts with everything: RC, ESCs, sensors.

Note that is is also possible to use other Arduino cards if they include an Atmel 328p running at 16MHz: Arduino nano , Arduino pro, Arduino Duemilanove.
Most Arduino clones should also work.

Arduino Pro Mini + Wii Motion Plus

Dimensions of the Wii Motion Plus are quite similar to Arduino Pro Mini card’s one.
This is useful for designing a small and homogeneous card.
The 2 PCBs are simply connected by four wires.

Wii Motion Plus extension is powered by the regulated 5V of the Arduino Pro Mini.
Digital PIN 12 of the Arduino is connected to VCC Wii Motion Plus.
This PIN is commuted just after the Arduino boot sequence in order to fiabilize the WMP initialization and in order to fast reboot the WMP in case of a blocking state.
(This power option is  mandatory for some WMP which enter sometimes in a blocking state. It is still unexplained for the moment.)
The analog inputs A4 and A5 are connected via the I2C pins SDA and SCL.

(the photo describes the old way to power WMP via VCC ans not PIN 12)

Arduino Pro Mini + Wii Motion Plus+ Nunchuk

Note that it is not mandatory to use a Nunchuk to operate the Multicopter described in this article.
It is mandatory only if you want to have an autolevel feature.

The software recognizes automatically the presence of a nunchuk connected.

Only 4 wires need to be connected between the WMP and the NK.
The relative orientation of the 2 PCB must be respected.
The WMP is connected to the Arduino exactly as described above.

Connecting elements

After the Triwii V3.3 version (not yet released), the software is  able to handle also quad+ and quadX.
The configuration has just to be define by changing a line in the Arduino sketch (see source&code part)

Tricopter configuration

Quadricopter+  configuration

QuadricopterX configuration

Orientation of the card must be respected (blue arrow)

To build a powerful multicopter, it’s best to feed the controllers in a star delivery configuration from the battery with wires of the same section and same length. Otherwise, they might not be fed uniformly, especially in case of high amperage.

A simple 4-channel receiver can be used for a gyro-only multicopter. The code is robust enough to support all brands.

Connection diagram

WiiCopter connection diagram

(thanks to Berkely)

Configurable flight parameters

Once downloaded in the Arduino board, the software set the default settings during the initial start.
These settings are appropriate for a configuration similar to mine (motors / ESCs / propellers / weight)

However, another configuration will probably require other parameters to be optimal.
For instance, if you want to use a larger tricopter for FPV.

The multicopter uses a closed controlled loop to ensure its stability and manoeuvrability.
Like most multirotors, it is a Proportional-Integral-Derivative (PID) regulator.

This controller is translated into software code lines in the Arduino and tries to correct the error calculated between a measurement at the controller output (measured by the gyros) and an input set point (position of the stick), using appropriate action to adjust the output of the process (command to motors).

PID controller involves three separate parameters: the term Proportional, the term Integral and the term Derivative. The variation of each of these parameters alters the effectiveness of the stabilization.

Applied to a multirotor, the coefficients of these parameters can be translated by their behaviour:

• Proportional coefficient: alone, it may achieve stabilization. This coefficient determines the importance of action on the engines in relation with the values measured by the gyroscopes. The higher the coefficient, the higher the tricopter seems more « rigid » versus angular deviation. If it is too low, the multicopter will appear soft and will be harder to keep steady. One can « feel » this setting by handling the tricopter and trying to change its orientation: the higher the parameter, the higher the opposition is important. In practice, this parameter must be set alone and increased up to be the limit for obtaining small oscillations. If too high, the system becomes unstable by amplifying the oscillations.

• Integral coefficient : this coefficient can increase the precision of the angular position. In practice, when the tricopter is disturbed and its angle changes, the term Integral remembers the disruption and apply a correction to the engines to get the right angle. We can see this term as an heading hold factor. Typically if you take handfuls the multicopter and try to force it into a position, the engines will continue for some time to counteract the action. Without this term, the opposition does not last as long. This way, the angular position can be steady and accurate even with irregular wind, or during ground effect. However, the increase of this ratio often involves a reaction speed decrease and a decrease of the Proportional coefficient as a consequence. Compared to the conventional PID algorithm, I decided to cancel this term in the presence of strong angular variations. This strategy allows a safer behaviour in case of looping or hard manoeuvre.

• Derivative coefficient: this coefficient allows the tricopter to reach more quickly the requested attitude. In practice it will amplify the reaction speed of the system, and in certain cases an increase of the Proportional term. By cons, this parameters induces more noise.

By default, at the first startup, the tricopter is initialized with coefficient values that should be quite ok:

P:  4
I:  0.035
D:  -15

The multicopter uses 3 PID loop with their own P I D coeeficients.
There are 2 ways to modify the values:

• The use of a specific combination of stick movements allows a sequential reconfiguration of these parameters with the help of a small LCD display. With this method, it is possible to quickly reconfigure the settings on the field, without even having to turn off the tricopter.
  To see the modified values, a small LCD screen can be connected.
  http://www.sparkfun.com/commerce/product_info.php?products_id=9394
  The LCD is not necessary when you know (and memorize) exactly what you are doing (advanced users only)
  

• With a GUI running on a computer and a conventional USB connection between the multicopter and the computer.

operating the multicopter

Starting the multicopter
The engine launch is done by tilting the yaw stick right while having the throttle stick in minimum position.
For security reasons, the throttle stick must be set to minimum.
Now motors turn at an idle rate and the tricopter is ready for flight.
It is not necessary for the multicopter to be positioned flat, the angle does not matter.

Motor shutdown
Motor shutdown is done by tilting the yaw stick left while having the throttle stick in minimum position.

Gyroscopes calibration
To calibrate the neutral of gyroscopes, you must tilt the yaw stick left, tilt the pitch stick down while having the throttle stick in minimal position.
The multicopter should not move during this stage, however its inclination has no influence (you can even do this operation multicopter returned)

Start the LCD configuration mode
Tilt the yaw stick right + tilt the pitch stick up.
This initializes the LCD if present, the LED flashes and the parameter P is then ready to be configured.

Parameter selection
In setup mode, tilt the pitch stick down.
The selected parameter then changed sequentially and the number of blinking LED indicates which parameter is pointed.
1 blink = parameter P
2 blinks = parameter I
3 blinks = parameter D
The choice of parameter is indicated on the LCD by a highlighted character.

Change the value of one parameter:
In setup mode, tilt the roll stick right (increment) or left (decrement).
For the P parameter: the variation is in steps of 0.1, with a minimum value set to 0.
For the I parameter: the variation is in steps of 0.005, with a minimum value set to 0.
For the D parameter: the variation is in steps of 1, with a maximum value set to 0.
At each change the LED blinks

If we « count » operations, we can know the value of the parameter settings without LCD connected..
But we can quickly be lost if we made too many changes.

End of configuration mode
Tilt the yaw stick left + tilt the pitch stick up.

The LED blinks again and tricopter returns in a state ready to fly.

GUI

It is now possible to configure and visualize main parameters with a GUI.

1) You must connect the arduino board to your PC via the USB connection (the same used to inject the software via Arduino IDE)

2) Once it’s done, you can launch the GUI, and then select the good PORT COM (the same used by arduino IDE).

3) Once it’s done, you have to wait some seconds to let the arduino boot and run the soft.

4) once the status led is OK (it should blink), you can press the STARTbutton to see the evolution of values.

5) you must READ the current parameters in the arduino before configuring it. Default values are set at the beginning.

TriWii with Wii Motion Plus only configuration:

TriWii with Wii Motion Plus + Nunchuk configuration:

Some pictures of the first TriWiiCopter

RC equipment

We can of course take a different configuration for a larger tricopter.
Internet is full of examples.

Here is a consumption/thrust  measurement realized by Joël on the current setup:

Video

Source Code & GUI

MultiWiiCopter Arduino code and GUI (source + exe): MultiWii1_0

One directory contains the Arduino sketch, and the other contains the GUI.

This code won’t compile, you have to uncomment first one of this two lines depending of your ESC type:

//#define MINTHROTTLE 1310 // for Turnigy Plush ESCs 10A
//#define MINTHROTTLE 1120 // for Super Simple ESCs 10A

The servo correction can also be reverted by editing this line:

#define SERVO_DIRECTION 1 // if you want to reverse the gyro yaw servo direction
//#define SERVO_DIRECTION -1

Important note on this version v1.0:
It works very well with a WMP only configuration (no NK).
The WMP+NK configuration doesn’t work very well for everyone.
I’m working on it.

Thanks to numerous examples found on the Internet, I developed this app.
To my knowledge, there are some new and reusable parts (radio interface, LCD interface, the servo control).
I would like to share this code and spread it under the GPL licence so that it serves other, directly or indirectly in a tricopter or for other projects.
It’s thank to this approach that the open source community Arduino has developed so fast.

The limits of memory and power the Arduino used here are not reached, and the number of I/O remains large enough to integrate a lot of other sensors, magnetometer, accelerometers, GPS, altimeter, ultrasonic sensor, …
My goal here was to make a minimalist tricopter, acrobatic oriented.

I also hope that one day someone will publish an algorithm that is able to adjust the optimal settings automatically. I know it already exists, but it’s not in public domain.

Where to find the components

The arduino pro mini, USB interface card and the LCD are available at sparkfun.
Wii Motion Plus extensions are widely available on ebay.
The RC elements are all available at hobbycity.

FAQ/related problems

1) Some times, the gyros seem to be inefficient or erratic

There are a lot of copies of WMP in circulation on ebay. (at least 4 different types) They are working pretty well, however the electronic used to handle Invensense gyros differs.
There are several things that can be done to decrease bad inits:

• add pull up resistances on the I2C wires. There are already pull up resistances in the atmel 328p, but in some case (long distance, noisy environment) they are not low enough.
• decrease the voltage. WMP are normally powered under 3.3V. 5V is ok because there is an internal regulator, but at 3.3V, it seems to work better
• WMP uses fast I2C mode at 400kHz. In some cases, especially for original WMP, this increase the rate of bad inits. A corrective way is to leave I2C rate in normal mode: comment/uncomment  the line in the sketch dealing with I2C speed.

Hopefully, in many cases, there is no problem at all regarding the WMP initialization.

2) Why it is important to define the minimum running value for the ESCs

The motors should always run whatever the situation in flight:

• ESCs and motors are not perfect and does not synchronize every time at the beginning. If this happens in the air, I let you imagine the situation
• Gyro-induced corrections can put a ESC in a situation where it is under its running limit (motor stop). It should not be important because it lasts a fraction of second and propellers have some inertia. But I observed a very annoying behavior with  Turnigy Plush ESCs: once it is set under the running limit, but the ESC reaction time to return into the running range is very high, causing crashing oscillations.

If you choose another ESC, you have to tune this “minimum spinning value”. Once armed, if tricopter motors are not running, this value must be changed.
This parameter is very important and has to be edited to compile arduino code.

3) I can’t arm the motors

Each channel on the TX should be configured to have a full range (for a PPM signal, that is to say [1000;2000] miccro seconds). For Graupner/JR radio, it implies an ATV of 125% for all channels. If this value is too low, the arming level value can’t be reached on the yaw channel, and it’s not possible to arm the tricopter.

4) Be sure your ESC can support PPM with 490Hz refresh rate.

It is the case for low cost SuperSimple and Turnigy Plus ESCs. Note the refresh rate is not tied to the cost of ESCs

5) Choosing another ESC/motor/propeller

• the propeller should be are light as it can be. GWS SF is a good choice in every dimension
• for a given consumption, the proportion pitch/diameter should be the lowest (10×3.8 is better than 10×4.7. And 10×4.7 is better than 8×6)
• motors KV should be low. It’s better for the efficiency and for the spinning resolution.

6) Arduino seems to operate well (LED blinking), but impossible to connect the GUI

If you are using windows, the port COM needs something to be reconfigure to run at 115200Hz.

7) Nothing happen at all

It is maybe because you are using an Arduino clone which does not have exactly the same characteristics as the pro mini.

Le tricopter de cet article est avant tout un projet d’électronique et de programmation, la structure fibre étant reprise du premier tricopter construit à base de gyroscopes Telebee.
Cette structure a juste été consolidée à la fibre carbone/kevlar, et des LEDs ont été rajoutées pour mieux la visualiser en vol.

Wii Motion Plus

Une manette de jeu Wii est constituée de 3 accéléromètres permettant de déterminer une position angulaire, et de mesurer des accélérations latérales.

C’est suffisant pour la plupart des jeux, mais un accéléromètre est peu précis pour mesurer de petites variations. Pour les jeux plus exigeants, Nintendo a développé l’extension Wii Motion Plus qui utilise 3 gyroscopes et se branche dans le prolongement d’une manette. Ces 3 gyroscopes couplés aux 3 accéléromètres permettent de déterminer bien plus précisément l’attitude de la manette.
On retrouve beaucoup d’informations sur toutes les extensions ici:
http://wiibrew.org/wiki/Wiimote/Extension_Controllers

Sur un multicopter, l’utilisation des accéléromètres est un plus mais n’est pas indispensable si on ne souhaite pas conserver rigoureusement sa position dans l’espace.
La mesure des accélérations angulaire est suffisante pour assurer une bonne stabilité.

L’extension Wii Motion Plus a de nombreux intérêts par rapport à d’autres capteurs:

1) son coût

Invensense est un fabriquant de composants électronique, et en particulier de gyroscopes. Habituellement, ces composants distribués indépendamment sont relativement chers.
exemple chez Sparkfun:
http://www.sparkfun.com/commerce/categories.php?c=85
Invensense fabrique (au moins 1 sur 2) les gyroscopes présents dans le Wii Motion Plus: IDG600 ou IDG650. Ils semblent avoir été conçus spécifiquement, avec un prix de gros probablement très bas.
On en profite directement dans le coût de l’extension, d’autant plus qu’il existe de nombreuses copies chinoises qu’on peut trouver pour $15 ou $20

2) son format

L’extension Wii Motion Plus est constituée de 2 paires de gyroscopes 2 axes, un seul axe étant utilisé sur un des deux. Au final, une fois le circuit imprimé extrait, on a un ensemble de gyroscopes 3 axes dans un espace réduit. Mais surtout, ils sont montés à plat sans PCB additionnels et c’est très pratique. En fonction des copies le circuit diffère légèrement, par contre le format reste identique.

3) son convertisseur analogique numérique intégré

Lorsqu’on veut exploiter la valeur d’un capteur brute, on utilise sa sortie analogique pour ensuite la convertir dans un format numérique exploitable par un programme. L’extension Wii Motion Plus intègre un convertisseur analogique numérique 14 bits.

4) son protocole de communication

Cette extension communique avec la manette sur un bus I2C en mode rapide à 400kbit/s. C’est intéressant car ce bus couplé au convertisseur analogique numérique intégré permet de réaliser les opérations de conversion qui ne seront pas à gérer par la suite par le microcontrôleur. Ce bus ne mobilise que 2 fils de données.

4) ses performances

A ce prix là, on n’a pas les meilleures performances existantes d’un gyroscope moderne. Le bruit (signaux parasites en l’absence de mouvement) est assez important, mais il s’agit quand même de capteurs MEMS qui surpassent les gyroscopes  piezo qu’on trouve encore dans beaucoup de gyroscopes RC. Correctement filtré, le signal exploitable est plutôt précis.

Pour info, la « Rolls » des gyro du moment semble être l’ADXRS610 , et à ce prix on n’a qu’un seul axe   :
http://www.sparkfun.com/commerce/product_info.php?products_id=9058

Arduino Pro Mini

Les cartes Arduino Pro Mini ont un format sympa, une des plus petites déclinaisons existantes proche du timbre poste, et toutes les possibilités d’une carte Arduino classique plus grosse. Elles sont conçues sur la base d’un Atmel 328p et existent en plusieurs version 3.3V/5V et 8MHz/16MHz. J’ai choisi la version la plus pratique et la plus puissante: 5V / 16MHz
http://www.sparkfun.com/commerce/product_info.php?products_id=9218

On ne dispose plus de la connectique USB permettant d’injecter un programme, mais on peut toujours passer par un petit adaptateur USB-série vendu séparément. Elle se programme comme tous les Arduino, sur un PC ou MAC en C avec son IDE gratuit.
http://www.sparkfun.com/commerce/product_info.php?products_id=9115

Arduino Pro Mini + Wii Motion Plus

Le format du Wii Motion Plus est assez similaire au format de la carte Arduino Pro Mini.
C’est très pratique pour concevoir une petite carte homogène.
L’ensemble est simplement relié par 4 fils.

L’extension Wii Motion Plus est alimentée par l’alimentation 5V régulée de la carte Arduino Pro Mini.
VCC Wii Motion Plus est connecté à la broche 12 de l’Arduino, et les masses GND sont reliées entre elles.
La broche 12 servira commuter l’alimentation du Wii Motion Plus lors de l’initialisation de la communication entre les cartes.
J’avais initialement relié VCC Wii Motion Plus directement à VCC Arduino (comme indiqué sur la photo), mais cela aboutissait parfois à de mauvaises initialisations des gyroscopes.
Les entrées analogiques A4 et A5 sont raccordées au bus I2C via les broches SDA et SCL.
(je sais que mes soudures ne sont pas des exemples du genre )

Connexion des éléments

L’orientation de la carte doit absolument être respectée (flèche bleue)

Pour la construction d’un tricopter puissant, il est préférable d’alimenter les contrôleurs en étoile à partir de la batterie avec des câbles de même section et de même longueur.
Sinon, ils risqueraient de ne pas être alimentés uniformément, surtout lors de forts appels de courant.

Pour le reste, un simple récepteur 4 voies peut être utilisé.

Paramètres de vol configurables

Une fois le soft téléchargé dans la carte Arduino, des paramètres par défaut sont configurés lors de la première mise en route.
Ces paramètres conviennent pour une configuration identique à la mienne (moteur/contrôleur/hélice/poids)

En revanche, une autre configuration demandera probablement d’autres paramètres pour être optimum.
Par exemple, si on veut utiliser un tricopter plus important pour faire du FPV.

Le TriWiiCopter utilise une contrôleur de système en boucle fermé pour assurer sa stabilité et sa manoeuvrabilité.
Comme la majorité des multirotors, c’est un régulateur Proportionnel-Intégral-Dérivé (PID) qui est utilisé.

Ce régulateur est traduit en lignes de code dans l’Arduino et essaye de corriger l’erreur calculée entre une variable mesurée à la sortie du contrôleur (valeur mesurée par les gyroscopes) et une consigne donnée en entrée (position des sticks) , en calculant une action adaptée sensée ajuster la sortie du procédé (ordre donné aux moteurs).

Le régulateur PID implique 3 paramètres distincts : le terme Proportionnel, le terme Intégral et le terme Dérivé. La variation de chacun de ces paramètres modifie l’efficacité de l’asservissement.
Un peu de littérature générale sur le sujet: http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9gulateur_PID

Appliqué à un multirotor, les coefficients de ces paramètres peuvent être traduits par leur comportement:

• le coefficient Proportionnel: à lui seul, il peut permettre d’obtenir une stabilisation. Ce coefficient détermine l’importance de l’action sur les moteurs en fonction des valeurs mesurées par les gyroscopes. Plus ce coefficient est élevé, plus le tricopter semblera plus « rigide » face à une déviation angulaire. S’il est trop faible, le tricopter paraitra mou et sera plus dur à maintenir en stationnaire (impression de savonnette). On peut « sentir » ce paramètre en maintenant à pleine main le tricopter et en asseyant de le bouger, plus le paramètre est élevé, plus l’opposition est importante. En pratique, il faut régler ce paramètre seul jusqu’à être à la limite d’obtention de petites oscillations de l’ensemble. S’il est trop élevé, le système devient instable en amplifiant les oscillations.

• le coefficient Intégral: ce coefficient permet d’augmenter la précision de la position angulaire. En pratique, lorsque le tricopter est perturbé et que son angle change, le terme Intégral « garde en mémoire » cette perturbation et applique une correction sur les moteurs jusqu’à obtenir le bon angle. On peut voir ce terme comme un conservateur de cap. Typiquement si on tient à pleine main de tricopter et qu’on le force dans une position, les moteurs vont continuer un certain temps à contrer l’action. Sans ce terme, l’opposition ne dure pas aussi longtemps. On peut ainsi avoir un maintien précis de l’assiette même en présence de bourrasques, ou pendant l’effet de sol. Par contre l’augmentation de ce coefficient implique souvent une diminition de la vitesse de réaction et du coefficient Proportionnel, on ne peut pas tout avoir.
  Par rapport à l’algorithme classique du PID, j’ai choisi d’annuler ce terme en présence de fortes variations angulaires, ce qui permet entre autre d’avoir un comportement plus sain lors de loopings ou de virages serrés.

• le coefficient Dérivé: ce coefficient permet au tricopter d’arriver plus rapidement à l’attitude souhaitée. En pratique il va amplifier la vitesse de réaction du système, et permet dans certains cas de rehausser le terme Proportionnel. Par contre, plus ce terme sera élevé en valeur absolue (il est tout le temps négatif), plus on observera de parasites dans la stabilisation.

Par défaut, lors de la première mise en route, le tricopter est initialisé avec des valeurs de coefficient qui devraient permettre de voler plus ou moins bien:

P: par défaut 3.5
I: par défaut: 0.04
D: par défaut -15

Pour la configuration du tricopter, j’ai imaginé une méthode qui permette de reconfigurer rapidement sur le terrain ces paramètres, sans même avoir à mettre hors tension le tricopter.
L’utilisation d’un enchainement de commande sur les manches de la radiocommande permet de reconfigurer séquentiellement ces paramètres.

Afin de voir les valeurs modifiées, un petit écran LCD série peut être connecté le temps de la configuration.
http://www.sparkfun.com/commerce/product_info.php?products_id=9394
Le LCD n’est pas indispensable lorsqu’on sait compter les changements effectués (utilisateurs avertis)

réglage des paramètres

Démarrage du tricopter
La mise en route des moteurs s’effectue en basculant le manche de dérive à fond à droite tout en ayant le stick des gaz en position minimale.
Par sécurité, le stick des gaz doit être en position minimale pour pouvoir armer les moteurs.
A présent les moteurs tournent au ralenti et l’appareil est prêt pour le vol.
Il n’est pas nécessaire que le tricopter soit positionné à plat, l’angle n’a pas d’importance.

Arrêt des moteurs
L’arrêt des moteurs s’effectue en basculant le manche de dérive à fond à gauche tout en ayant le stick des gaz en position minimale.

Étalonnage des gyroscopes
Pour régler le neutre des gyroscopes, tricopter à l’arrêt, il faut mettre le manche de la dérive à fond à gauche + le manche du piqué à fond à bas + le manche du gaz en bas.
Le tricopter ne doit pas bouger durant cette étape, en revanche son inclinaison n’a pas d’influence (on peut même faire cette opération tricopter retourné)

Début du mode configuration
Mettre mettre le manche de la dérive à fond à droite et en même temps le manche du piqué à fond en haut. Ceci initialise le LCD, fait clignoter la led et le paramètre P est alors prêt à être configuré.

Sélection du paramètre à configurer
Dans le mode configuration, mettre le manche du piqué à fond en bas. Le paramètre sélectionné change alors de façon séquentielle et le nombre de clignotement de la LED indique quel paramètre est pointé.
1 clignotement = paramètre P
2 clignotement = paramètre I
3 clignotements = paramètre D
Le choix du paramètre est indiqué sur l’écran LCD par un caractère surligné.

Modification de la valeur du paramètre:
Dans le mode configuration, mettre le manche du roulis à fond à droite (incrémentation) ou à fond à gauche (décrémentation).
Pour le paramètre P: la variation se fait par pas de 0.1, avec une valeur minimale fixée à 0.
Pour le paramètre I: la variation se fait par pas de 0.005, avec une valeur minimale fixée à 0.
Pour le paramètre D: la variation se fait par pas de 1, avec une valeur maximale fixée à 0.
A chaque modification la LED clignote

Si on « compte » les opérations réalisées, on peut savoir sans LCD la valeur des paramètres.
Mais on peut vite être perdu si on fait trop de modifications.

Fin du mode configuration
Mettre mettre le manche de la dérive à fond à gauche et en même temps le manche du piqué à fond en haut.
La LED clignote à nouveau et le tricopter repasse dans un état prêt à voler.

Interface graphique

Il est désormais possible de configurer et de visualiser les paramètres via un PC (ou Mac) grâce à une interface graphique.
Cette interface est assez intuitive et utilise le même port COM de l’IDE Arduino.

Quelques photos du premier TriWiiCopter

Matériel RC utilisé

On peut bien sûr prendre une autre configuration pour un tricopter plus imposant.
Les exemples ne manquent pas sur internet.

Pour avoir un ordre d’idée sur la puissance de la configuration proposée, mesures réalisées par Joël:

Vidéo

Code source et interface graphique

(l’interface graphique est codée avec processing et nécessite que Java soit installé, c’est souvent le cas par défaut. Si ce n’est pas le cas, on peut télécharger Java JRE sur le site de sun.com ou réutiliser celui fournit avec l’IDE Arduino)

Le code TriWii à insérer dans l’Arduino doit être édité avant d’être compilé pour sélectionner le type d’ESC utilisé.
Il faut dé-commenter une de ces 2 lignes:

//#define MINTHROTTLE 1310 // for Turnigy Plush ESCs 10A
//#define MINTHROTTLE 1120 // for Super Simple ESCs 10A

C’est grâce à de nombreux exemples trouvés sur internet et longuement remaniés que j’ai pu développer ce soft.
A ma connaissance, il y a certaines parties inédites et réutilisables indépendamment (interface radio, interface LCD, commande du servo).
Je souhaite rendre disponible à mon tour ce code sous licence GPL pour qu’il serve à d’autres, directement dans un tricopter ou indirectement sur d’autres projets.
C’est grâce à cette approche open source que la communauté Arduino a pu si vite se développer.

Les limites en mémoire et en puissance de l’Arduino utilisé ici ne sont pas atteintes, et le nombre d’entrés I/O restantes est suffisamment important pour qu’on puisse intégrer pas mal d’autres capteurs: magnétomètre, accéléromètres, GPS, altimètre, capteur  ultra son, …
Mon but ici était de faire un tricopter minimaliste, typé acrobatie, plutôt destiné au pilotage.

J’ai aussi espoir que quelqu’un publiera un jour un algorithme qui soit capable d’ajuster les meilleurs paramètres automatiquement.

Où trouver les composants

Les arduino pro mini, la carte d’interface USB et le LCD sont disponibles chez sparkfun.
Les extensions Wii Motion Plus sont largement disponibles sur ebay.
Les éléments RC sont tous disponibles chez hobbycity.

Vidéo du TriWii de Joël

Quelques noms de multi rotor:

Projets commerciaux multi rotor:
drones professionnels (Microdrone, Draganflyer, BrainyBee,..), Mikrokopter, XUfo, QuadPowered, Conrad Reely 450, TTCopter, Iphone Parrot, Walkera UFO , X-Wing, XAIRCRAFT

Projets open source :
Arducopter, Mikroquad (devenu AeroQuad), UAVP/UAXP, Shrediquette.

J’en oublie certainement, mais du jouet au modèle professionnel, chacun utilise ces principes communs :
- lire les ordres d’une radio commande
- lire les signaux de capteurs (au minimum 3 gyroscopes)
- interpréter ces données
- générer des ordres de commande de moteurs (et servo pour le tricopter)

Parmi ces différentes électroniques, on retrouve beaucoup de micro contrôleurs Atmel plus ou mois puissants.
Et en open source, on arrive très vite aux cartes Arduino basées sur ces mêmes contrôleurs.

Arduino

C’est un projet qui a permis de démocratiser la programmation de micro contrôleurs grâce au développement d’une plate forme hardware et d’un environnement de développement open source.
Le choix de micro-contrôleurs Atmel permet d’obtenir un excellent rapport performance/prix, puisqu’on trouve des cartes pour une 30aine d’euro.
L’environnement de développement est en outre particulièrement bien documenté avec de nombreux exemples directement applicables.
La mise en œuvre est très simple: la carte Arduino la plus répandue intègre d’office un port USB, et un simple câble permet de mettre à jour le code créé.
Arduino est accessoirement le nom d’un bar d’une ville Italienne, là où le concept est né.

Signal PPM somme ou signal PWM individuel ?

Le signal PPM somme est celui qui circule directement sur les ondes RC entre un émetteur et un récepteur de radio modélisme (en 41MHz, 72MHz ou 2.4GHz, c’est toujours vrai en mode PPM).
Il « sérialise » les signaux de chacune des voies RC destinées à chaque sortie d’un récepteur RC.
Le rôle du récepteur est en partie de « segmenter » ce signal pour reconstituer les ordres individuels en signaux PWM qu’un servo peut par exemple accepter.
Parmi les différents modèles de multi rotor, on retrouve deux cas: ceux qui attendent un signal somme PPM, et ceux qui acceptent directement les sorties d’un récepteurs.
Pour le premier cas, et lorsqu’on ne dispose pas d’un récepteur capable de sortir le signal somme PPM (ASSAN par exemple), il faut passer par un module sommateur de voie comme Quadro PPM,TT-RecEnc ou Paparazzi.
Pour le deuxième cas, on est sûr que chaque récepteur pourra convenir à partir du moment où la carte électronique possède un nombre suffisant d’entrée.

ESC I2C ou ESC PPM ?

Lorsque les ordres moteurs doivent être rafraichis très vite, on utilise souvent des contrôleurs I2C où les vitesse de rafraichissement peuvent atteindre 500Hz (500 changement de vitesse par seconde).
Les ESC I2C ne peuvent pas être branchés directement sur un récepteur, et ne sont pas utilisés en modélisme « standard ». C’est pour ça qu’ils sont relativement peu répandus et chers.
Ils présentent aussi un avantage : pour contrôler plusieurs ESC I2C, seuls 2 fils sont nécessaires, chaque ESC I2C est identifié indépendamment. Mikrokopter fonctionne avec ce genre de contrôleurs.
Les ESC standards qu’on raccorde habituellement sur un récepteur sont prévus pour supporter un rythme de 50Hz, sans aucune garantie au-delà. Le signal de chaque voie RC sortant d’un récepteur n’a pas de toute façon une cadence plus élevée.
Hors en pratique, on constate que certains ESC peuvent supporter des rythmes de rafraichissement bien plus élevés, et ce ne sont pas les plus chers les mieux lotis !
Les ESC SuperSimple d’HobbyCity supportent en effet des fréquences au-delà de 400Hz.
William T. (concepteur du Shrediquette) a testé qu’en pratique, au-delà de 300Hz, la différence de comportement d’un multirotor n’est plus perceptible (http://shrediquette.blogspot.com/2010/01/finished-ic-to-pwm-converter-and.html).
Comme il s’agit d’utiliser ici une carte de contrôle dont on peut maitriser le code et le taux de rafraichissement des signaux envoyés, on peut tout a fait utiliser des ESC standards en mode 300Hz. Utiliser des ESC I2C représente selon moi un surcoût non justifié pour une configuration tricopter de 3 ESC.

Quels capteurs ?

On trouve au minimum 3 gyroscopes, et souvent 3 accéléromètres sur les cartes électronique multi rotor.
En option, on peut voir un peu de tout: baromètre (gestion de l’altitude), GPS (position), voltmètre (tension batterie), ultrason (distance sol), …
Les premiers gyroscopes et accéléromètres étaient de type piezo et on trouve maintenant des capteurs à technologie MEMS plus performants et résistants mieux aux vibrations.
Sparkfun ( http://www.sparkfun.com/ ) est le magasin référence pour ce genre de composants.

Fort de toutes ces considérations, mon choix s’est porté sur le projet Aeroquad qui cumule beaucoup d’avantages:
- utilise des ESC standards et peu chers
- accepte directement des voies RC de n’importe quel récepteur
- utilise une carte Arduino dont la programmation est facile à mettre en œuvre
- possède une interface graphique de configuration très sympa (paramétrage de beaucoup de paramètres, visualisation des courbes, horizon artificiel, télémétrie)
- je trouve le code source clair et bien fait
- les capteurs utilisés (3 gyroscopes et 3 accéléromètres) sont d’un coût raisonnable.
- le projet est très actif et on devrait rapidement voir d’autre fonctionnalités comme le GPS.

C’est sûr qu’à la base il s’agit d’un quadri rotor et que je souhaite en définitive réaliser un tricopter.
Il y forcément un travail d’adaptation du code source pas forcément évident, mais c’est le challenge
J’aurais pu partir sur un Shrediquette qui fonctionne très bien, en open source également, mais le budget est bien différent du fait des choix techniques.

Après pas mal de temps passé à me documenter sur ce projet et sur la programmation Arduino, je me suis mis à l’ouvrage et un premier prototype est né:

La carte Arduino de base avec son port USB pour communiquer avec le PC

La carte « proto shield » avec ses capteurs soudés et le récepteur ASSAN 6 voies

Le châssis aluminium que j’ai récupéré de mon mikrokopter, où j’ai supprimé le bras avant et orienté deux des bras vers l’avant.
Il est provisoire, le temps que je m’en fabrique un en fibre sur le même principe que celui décrit dans un autre article.

Le mécanisme d’orientation du moteur arrière

Pour cette configuration un peu plus lourde, j’ai pris 3 moteurs HobbyKing (TURNIGY 2204-14T 19g Outrunner) avec 3 hélices GWS 7×4 et 3 contrôleurs Super Simple 10A.

Petite vidéo de l’outil de configuration (AeroQuad Configurator)

Tricopter – modified AeroQuad firmware

Vidéo en vol intérieur

Tricopter – modified AeroQuad firmware 2

Et voici une première vidéo en extérieur: La stabilité et la maniabilité sont vraiment excellentes

Tricopter Arduino

Already accustomed to the structure aluminum tube / carbon of Mikrokopter, here I wanted to create a frame with a fiberglass structure.
I see at least 2 interest:

• weight: it can be quite significantly reduced compared to an aluminum structure. The strength can remain interesting if the structure is strengthened by a few carbon fiber. By cons, in case of breakage, maintenance is more difficult since it would imply a little resin job. Finally, nothing insurmountable either

• the look: the benefit of the mold, it can be done with more or less any form as long as the edges are not too pronounced. It can thus be arranged to accommodate the entire electronics with no visible wire

I also wanted to make a model small enough to easily take it everywhere. Its radius (from center to the end of an arm) is 23cm.

Components:

For around 150 euros total cost, frame excluded.

The propellers I chose initially  are slightly larger: Hobbycity TP Slow Fly propeller 8 × 3.8.
But experience has shown that engines are running too fast for this size of propeller.
Hobbycity SF propellers 7 × 4 are a little heavier, but are nevertheless very strong.
Coupled with a prop saver, they should withstand many crashes.

I firstly took 4 Ebay esky gyros EK2-0704B Head Lock Gyro Esky for their low price.
Unfortunately, these gyroscopes are not suitable at all for the Tricopter.
I could have kept one for management of the yaw, but its footprint was too large for my frame.
So I took her little brother that I had in stock, and who does the job very welll.
Believe me, the elements of the above table are tested and approved, and it is risky to try others, especially the gyros

Construction

I started by assembling a few pieces of styro with a glue that does not eat moss.
After careful sanding, here’s what you can get:

Reinforcements are prepared by tape and fuse carbon.

After fibering by 3 layers of fiberglass 160g.

I cut one end that is then articulated by a servo motor for yaw control.
I put from that end some acetone in order to dissolve the styro.
A hood will then be cut to accommodate power electronics.

The small 4-channel receiver will only be used for initial tests, we will need at least 6 channels for control and the gain gyros management.

With propellers (not the final ones):

detail of yaw mecanism:

gyro implementation



View of Tricopter completely finished.
Weight without battery is 260g
The 1200mAh battery used weigh 120g.

Settings (for a Graupner MX16S)

We must select the radio model helicopter with 120deg CCPM management (most common now for heli).
The pitch curve will define the average speed of 3 engines and therefore the model’s ability to climb or dive.
Given kv motors and propellers chosen, I limited the max value of the curve to 19 for a minimum value of -100.

The mixing swashplate is left default: pitch 100%, Nick + 61% Roll + 61%

I greatly reduced the rate of dual swashplate because the model is very sensitive:
Nick: +41%, expo +30%
Roll: +41%, expo +30%

For the management of yaw, the control will depend on the assembly and the resultant amplitude.
I had to reduce the amplitude of the channel to -70%, +70%
The gyroscope is positioned head lock to a value of -80%

The 3-channel gain gyros Telebee are connected together and the value is set to -30%
(a stronger gain makes the Tricopter oscillating and a lower gain doesn’t correct enough)
The switch DS is set to ON, the Super Simple ESCs seem to support this mode.

The 3 ESC must be calibrated and programmed without gyro connexion.

Video

• le poids: il peut être assez sensiblement réduit par rapport à une structure en aluminium. La solidité peut rester intéressante si on renforce la structure par un peu de fibre de carbone. On fait l’économie de la visserie qui sert habituellement à lier les bras à la plaque centrale. Par contre, en cas de casse , la maintenance sera plus difficile puisqu’il faudrait refaire un peu de résine. Enfin, rien d’insurmontable non plus.

• le look: l’avantage du moule perdu, c’est qu’on peut faire plus ou moins n’importe quelle forme du moment que les arrêtes ne soient pas trop prononcées. On peut ainsi s’arranger pour loger l’intégralité de l’électronique sans qu’aucun fil ne soit apparent.

J’ai voulu également faire un modèle assez petit pour pouvoir l’emmener facilement partout. Son rayon (du centre à l’extrémité d’un bras) est de 23cm.

Le matériel:

J’ai opté volontairement pour du matériel bon marché, pour montrer qu’on peut réaliser un tricopter très abordable.
Le pré-requis est tout de même de posséder une radio programmable avec un mixage hélicoptère CCPM 120 deg, et de savoir bricoler un minimum pour fabriquer un châssis.

Soit un coût total hors châssis de moins de 150 euros.

J’étais initialement parti sur des hélices un peu plus grandes: Hobbycity TP Slow Fly propeller 8×3.8 .
Mais l’expérience a montré que les moteurs tournent un peu trop vite pour cette taille d’hélice.
Les hélices Hobbycity en 7×4 sont un peu plus lourdes, mais sont en revanche très solides.
Associées à un prop saver, elles devraient résister à de nombreux crashs.

J’étais également parti sur 4 gyroscopes esky Ebay EK2-0704B Lock Head Gyro Esky pour leur petit prix.
Malheureusement, ces gyroscopes ne conviennent pas du tout pour le tricopter.
J’aurais pu en garder un pour la gestion du lacet, mais son encombrement était trop important pour mon châssis. J’ai donc pris son petit frère que j’avais en stock, et qui rempli fort bien son rôle.
Croyez moi, les éléments du tableau ci dessus sont testés et approuvés, et il est hasardeux d’en essayer d’autres, surtout pour les gyroscopes

La construction

J’ai donc commencé par assembler quelques morceaux de styro avec une colle qui ne ronge pas les mousses.
Après un ponçage soigné, voici ce qu’on peut obtenir :

On prépare les renforts par du ruban et de la mèche carbone.

Après fibrage par 3 couches de fibre de verre 160g.

J’ai coupé une extrémité qui sera ensuite articulée par un servo pour orienter le moteur arrière.
Puis j’ai versé par cette extrémité de l’acétone à l’intérieur du moule pour dissoudre le styro.
Un capot sera ensuite découpé pour pouvoir loger l’électronique.

Avec l’électronique à côté, on s’imagine mieux à quoi ressemblera le tricopter.

Le petit récepteur 4 voies ASSAN ne sera utilisé que pour les premiers tests, il faudra au minium 5 voies pour l’électronique retenue, 6 dans l’idéal pour la gestion des gains gyros.

Le mécanisme d’articulation de l’axe arrière est réalisé grâce à du contre plaqué 1mm, un jonc carbone 3mm et un tube alu.
Le servo n’est pas encore en place à ce stade.

On prépare la fixation des moteurs:

Après un peu de peinture en bombe:

Avec les hélices (ce ne sont pas ici les hélices finales):

Nouvelle vue du mécanisme d’articulation de l’axe arrière.
J’ai enduit un peu de cyano sur le jonc carbone de manière à diminuer au maximum le jeu entre ce jonc et le tube aluminium.
Le servo est simplement collé à la colle epoxy, et ses pattes de fixation ont été limées.

Vue de l’intérieur avec les gyroscopes Telebee disposés à 120 degrés.
Ils sont maintenus avec du scotch épais double face.
Le gyroscope Esky du lacet est scotché latéralement.

Le récepteur ASSAN X8R7 vient se positionner par dessus.

Les pieds seront réalisés simplement avec 3 chutes d’EPP scotchées au scotch armé.

Vue du tricopter entièrement fini.
Son poids hors batterie est de 260g
Les batteries 1200mAh utilisées pèsent 120g.

Réglage (pour une MX16S)

Il faut sélectionner dans la radio un modèle hélicoptère avec gestion CCPM à 120deg (le plus courant maintenant sur un hélicoptère).
La courbe du pas définira la vitesse de rotation moyenne des 3 moteurs et donc l’aptitude du modèle à monter ou descendre.
Compte tenu du kv des moteurs et des hélices choisies, j’ai bridé la courbe à +19 pour une valeur minimale de -100.

Le mixage du plateau cyclique est laissé par défaut: pas +100%, Roul + 61%, Piqu + 61%

J’ai réduit fortement le dual rate du plateau cyclique car le modèle y est très sensible:
Roul: +41%, expo +30%
Piqu: +41%, expo +30%

Pour la gestion du lacet, le réglage dépendra du montage et de l’amplitude résultante.
J’ai du réduire l’amplitude de la voie 4 à -70%;+70%
Le gyroscope est positionné en head lock à une valeur de -80%

Les 3 voies du gain des gyroscopes Telebee sont reliées ensemble et la valeur est fixée à -33%
(un gain plus fort fait osciller le tricopter et un gain plus faible corrige moins les écarts)
Le switch DS est positionné sur ON, les contrôleurs Super Simple semblent en effet supporter ce mode.

Les 3 contrôleurs doivent être étalonnés sans gyroscope et programmés sans frein.

Câblage

En vol

Les premiers essais dans mon salon étaient moyennement encourageants du fait de la difficulté à tenir un stationnaire.
Je pense que cette instabilité était principalement due à l’effet de sol et ses remous.
En revanche, les premiers tests outdoor ont vraiment été concluants.
Le tricopter offre une résistance honorable au vent (bien plus tolérant qu’un hélicoptère à pas fixe).
Le taux de lacet est assez sympatique et sa précision est plutôt bonne, sans dérive prononcée.
Je n’ai pas osé tenter de flips, mais la confiance vient vite après 3 lipos.
Il accélère fort, monte très vite et peut s’arrêter rapidement jusqu’au stationnaire. C’est rassurant car il y a peu d’inertie.
L’autonomie constatée avec des 1200mAh est d’un peu plus de 10min.

Vu la réserve de puissance alors même que les gaz sont bridés, on peut sans problème embarquer des batteries bien plus conséquentes
J’ai testé une batterie de 2200mAh, le tricopter le supporte bien et gagne en stabilité, les moteurs restent froids.
Pourquoi pas pour une configuration FPV.
En revanche, l’inertie est plus prononcée et je le trouve « moins fun » à piloter.

Pour ceux qui seraient tentés par un tricopter nettement plus stable et plus « pro », je vous conseille la lecture du blog consacré au Shrediquette:
http://shrediquette.blogspot.com/
Il s’agit d’un tricopter basé sur une mécanique comparable mais avec une électronique spécialement développée. La qualité de son design est remarquable.

Encore une autre option d’électronique spécifiquement adaptée: le TriWiiCopter !

Vidéo

• celle du pilote : l’attente est pouvoir piloter son modèle comme s’il était à bord, avec un maximum de réalisme visuel. L’absence de danger permet toutes les fantaisies qu’on peut imaginer : combat, vol de patrouille, précision, défis en tout genre comme passer à 10 cm du sol entre deux arbres, 3D débridée, … L’enregistrement du vol est un plus, mais ce n’est pas le but premier. Les vidéos sont souvent intéressantes, mais beaucoup moins que lorsqu’elles sont vécues en direct.

• celle du photographe : le photographe souhaite avoir un modèle très stable pour admirer le paysage sans avoir à trop gérer les paramètres de vol. Le modèle pourrait souvent être piloté par un débutant. Le but n’est pas ici de rechercher les montées d’adrénaline. Le photographe n’hésitera pas à faire 10 fois le tour d’une scène pour obtenir le meilleur cliché ou le meilleur angle pour cadrer une vidéo. Le but est bien de ramener au sol un maximum d’images ou de vidéos intéressantes.

On peut bien sûr combiner un peu des deux, mais l’approche est quand même conditionnée par le choix de l’équipement.

Quelques critères

Le poids du système FPV

Le poids est un critère très important pour le pilote afin de ne pas trop grever les performances d’un modèle de taille raisonnable. Le photographe pourra facilement faire un compromis sur 50 ou 100g au risque de perdre un peu d’autonomie.

L’OSD

L’OSD est surtout utile pour connaitre la tension de ses batteries et sa distance au point de départ (grâce à un GPS). C’est à mon avis moins utile pour le pilote qui vole probablement plus près de lui et peut mieux « sentir » son modèle.

La portée

Le photographe sera tenté d’aller plus loin et plus haut alors que le pilote pourra se contenter d’un espace de vol plus réduit comme un stade ou un champ.

La stabilité

Ce n’est pas ce que recherche le pilote, au contraire même. Le must pour le photographe sera un modèle qui tient tout seul en l’air voire qui tient une position fixe.

L’enregistrement

Le photographe devra obligatoirement enregistrer ses photos ou vidéos en vol pour avoir une qualité d’image maximale. Le pilote ne s’encombrera pas d’un tel système et préférera plutôt un système d’enregistrement au sol quitte à avoir quelques parasites.

Lunette ou écran ?

Le photographe pourra se contenter d’un simple écran pour cadrer ses clichés. Le pilote retrouvera plus de réalisme avec des lunettes LCD.

APN ou caméra FPV ?

Le pilote pourra se contenter d’une résolution VGA avec de petites caméras légères adaptées à toutes luminosités (plein soleil ou pénombre). Le photographe prendra au minimum un APN avec carte mémoire et sortie vidéo, pas forcément très performant en taux de rafraichissement, en retard de transmission vidéo ou en faible luminosité. La coupure d’image momentanée lors d’une prise de vue est tout à fait gérable sur des modèles à comportement prévisible.

Une plate forme idéale:  le quadrirotor

Avec le quadrirotor de Mikrokopter, j’ai choisi d’emblée l’approche du photographe.
En toute objectivité, un quadrirotor est pour ma part peu intéressant à piloter comparé à d’autres avions/planeurs ou hélicoptères.
En revanche, pour du vol photographique c’est une (peut être la) plate forme idéale :

• avec son option GPS, on peut le fixer à un point précis dans l’espace

• le verrouillage de cap est parfait avec l’option compas magnétique

• on peut bloquer son altitude

• on peut translater dans toutes les directions, c’est très intéressant pour pouvoir ajuster un angle

• moins dangereux et moins couteux en maintenance qu’un hélicoptère à pas variable

• il est très stable même avec un peu de vent

On pourrait faire de la photo sans faire de vol en immersion, mais c’est le seul moyen d’avoir un cadrage convenable. C’est la raison pour laquelle il est aussi plus pratique d’avoir le retour vidéo provenant directement de l’appareil photo, et pas d’une caméra jumelle à côté de l’appareil.

En pratique

Avec mon Panasonic FX35 équipé d’un module de déclenchement à distance, j’ai enfin pu faire mes premiers clichés complètement contrôlés.
Premières constatations :
Une partie des photos sont floues (environ 1/4), soit à cause d’une mauvaise mise au point, soit à cause des vibrations du mikrokopter. Les phases de descentes sont par exemple plus perturbées que les phases d’ascension.
Une grande partie des photos est inclinée à gauche ou à droite. On ne peut pas vraiment éliminer ce problème sans passer par une retouche numérique. Dès qu’il y a un peu de vent, le mikrokopter penche d’un côté ou de l’autre pour compenser. Un prochain investissement sera probablement une nouvelle carte permettant l’asservissement en roulis et en tangage avec un OSD indiquant l’horizon. A moins qu’un simple asservissement mécanique pendulaire comme sur le drone MD-400 puisse convenir.

Exemple d’une photo floue

Une photo inclinée

La même, remise à l’horizontal et recadrée par l’excellent logiciel Gimp

Quelques clichés

Pour supporter une telle guirlande, j’ai choisi de gagner du poids en supprimant la commande de dérive par rapport à la précédente version motorisée, et en évidant le fuselage.
Ce gain est dans la pratique compensé par le sur-poids des LEDs. Le poids avec batterie atteint finalement 143g.
De manière à ne pas être ébloui par la lumière, chaque LED sera disposée pour diffuser sa luminosité à travers la mousse du mini discus.

J’ai utilisé les rubans à LED qu’on peut trouver sur HobbyCity en 5 couleurs.

Ces rubans peuvent être découpés par lot de 3 LEDs et être alimentés en 3S.
Certaines couleurs comme le rouge ou l’orange acceptent une alimentation en lipo 2S sans perdre trop de luminosité.
En revanche, pour le vert, le bleu et le blanc, j’ai du neutraliser 1 LED sur 3 pour pouvoir les alimenter en 2S.

La suite en photo:

On part d’un mini discus neuf sans décoration.
Le fuselage est d’abord coupé en deux dans sa longueur grâce à une lame de cutter neuve.
Il sera évidé de la queue, dérive comprise jusqu’au niveau du bord d’attaque.
On laissera une épaisseur comprise entre 5 et 10mm pour que la rigidité soit encore présente.
On collera ensuite des rubans de LED à l’intérieur selon ses goûts.

La partie supérieure de l’empennage subira le même sort.

Au niveau des ailes, après les avoir équipées de servo et d’un renfort carbone comme sur le mini discus racer, on fraisera des orifices à chaque emplacement de LED sans traverser l’aile.
Plus le fraisage sera important, plus la lumière sera intense et diffusée de manière uniforme.

La partie avant du fuselage ne sera pas intégralement évidée pour conserver la solidité du modèle.
Comme sur le mini discus racer, on se contentera d’un usinage de la bulle et d’une saignée pour accueillir la lipo et le contrôleur brushless.
Un petit récepteur 2.4gHz ASSAN 4 voies n’aura aucun mal à se glisser à l’intérieur du fuselage.

Une fois refermé et alimenté, on retrouve modèle très coloré qui tranche avec son look « blanc de mousse » lorsqu’il n’est pas allumé.
Le fuselage a maintenant des airs de néon.

En vol nocturne, on arrive très bien à distinguer le modèle et son orientation.
Il reste petit et rapide comme le racer, mais il se pilote vraiment comme en plein jour, sans appréhension particulière.

Les détails sont relativement soignés pour la taille du véhicule. 
La forme de l’habitacle est bien reproduite, d’un seul ton. Le volant est apparent.
Les roues sont en matière caoutchouteuse molle et les jantes sont chromées.
La calandre métallisée est bien visible. Les phares avant et arrière s’allument selon le sens de la conduite.
Bref, on a là un petite voiture bien détaillée, du format d’un majorette et en plastique.
   
   

Le dessous laisse apercevoir un trim de direction, ainsi qu’un mini interrupteur.
On utilise le pot d’échappementen guise de prise de charge.
 

L’intérieur livre ses secrets. On y retrouve:
  – un petit électro aimant à l’avant pour diriger les roues en mode tout ou rien
  – une mini batterie NiMh
  – un ensemble de 4 LED reliées aux phares avant et arrière
  – un tout petit moteur électrique de la taille d’un moteur de micro servo
  – une platine électronique qui relie le tout
   
   
   
   

La première étape de la modification consiste à remplacer le bloc électro aimant par un micro servo de 4.3g.
Une fois la platine électronique retirée, le plancher de la voiture est suffisamment grand pour y plaquer un servo.
   

La commande est assurée grâce à une épingle pliée et plantée dans le bloc en plastique support des aimants (qu’on pourra enlever)
Le jeu de fonctionnement est très important, mais à l’usage on arrive à trimer et à doser la direction sans trop de difficulté.
 

La batterie NiMh est remplacée par un élément lipo de même poids.
 

La commande du moteur est réalisée grâce à l’électronique de commande d’un vieux servo.
Il suffit de relier cette électronique au moteur de la voiture.
Le potentiomètre sert dans ce cas à régler le point neutre où le moteur ne tourne pas.
Cette petite astuce permet de profiter pleinement de la marche avant et arrière en utilisant simplement l’électronique d’un servo !
   

Il reste ensuite à mettre tout en ordre pour pouvoir refermer la voiture.
La prise de charge pourra être réutilisée avec un chargeur lipo 1S, ainsi que l’interrupteur d’origine.
  

Avant de réaliser cette aile, j’en avais réalisé une précédente en styro découpée au fil chaud.

Celle-ci a vécue sa vie, et repose maintenant en paix. Après de multiples crashs, elle a été sauvagement entaillée au cutter à plusieurs endroits par son propriétaire de manière à lui extraire la géométrie du profil en de multiples sections.

La suite de la construction en photo :

A partir de la géométrie de l’aile, il faut d’abord réaliser le coffrage intrados d’un seul tenant grâce à plusieurs pans rapportés. On prendra soin à laisser une marge d’environ 1cm sur la bord d’attaque pour préparer la jointure avec l’extrados.

Une fois cet intrados réalisé, un longeron carbone de 3mm vient prendre place pour assurer la rigidité de l’aile, les profils seront creusés en conséquence autour de ce longeron.

L’intégralité du bord d’attaque est renforcé par un jonc carbone de 1.8mm :

Une fois ce bord d’attaque collé à l’intrados, on pourra éliminer le surplus de balsa au cutter puis au papier de verre.

On prépare ensuite le support moteur. Le couple sera triangulaire de manière à pouvoir fixer les 3 points d’encrage du petit C1818 vendu par Hobbycity.

Après avoir positionné sommairement l’équipement RC, on prépare les 2 panneaux extrados avec les fentes des deux servos.

Deux autres joncs carbone 1.8mm vienne renforcer le support moteur sur l’intrados.

Une fois les éléments RC définitivement positionnés et les deux demi extrados collés, le support moteur peut être terminé sur la partie supérieure.

On découpe ensuite l’emplacement nécessaire à la mise en place d’un accu lipo de 2S500 d’environ 30g.

Il re reste plus qu’à entoiler l’aile puis à positionner les ailerons et les winglets.

Les winglets seront réalisés avec 2 couches croisées de balsa 1mm, à la manière du contre plaqué.
On peut aussi récupérer le plastique très fin d’une barquette alimentaire, les winglets sont suffisamment petits pour que ça reste rigide.

Ainsi réalisée, cette aile est véritablement indestructible ! Sa pointe reste intacte même après un poireau rapide. En revanche, son poids final s’en ressent et avoisine les 110g.
Je pense toutefois qu’on peut l’alléger en se passant de l’ensemble des renforts carbone.

Matériel nécessaire :
- une planche de balsa de 1mm (acheté chez Topmodel)
- deux servos 5g (achetés chez Hobbycity)
- un contrôleur moteur de 6A (acheté chez Hobbycity)
- un moteur C1818 (acheté chez Hobbycity)
- une batterie 2S500mAh 15C (achetée chez Hobbycity)
- un récepteur d’au moins 3 voies, 2.4gHz fortement recommandé pour pouvoir masquer l’antenne lors de la construction.

Plan:

plan_micro_wood.odp
plan_micro_wood.ppt

à imprimer au format A4:

Hors dans la même gamme de prix, l’achat d’une caméra miniature n’est pas la seule option pour se constituer une bonne configuration. Les appareils photos numériques ou les petits caméscope HD offrent de nos jours une optique et un traitement du signal vidéo de très grande qualité. Ils pèsent certes bien plus qu’une petite caméra dédiée, mais il est possible de les alléger considérablement, tout en maintenant leur capacité à enregistrer une vidéo sur carte SD.

Dans cette optique, l’appareil photo numérique Panasonic DMC FX-35 possède beaucoup d’avantages par rapport à une petite caméra dédiée:
- possibilité d’enregistrer « on board » la vidéo en mode HD 720p 30 images/s, et donc sans aucun parasite lié à la retransmission
- grand angle de 25mm
- stabilisation optique native
- capacité de sortir un signal composite exploitable pour du vol en immersion
- capacité d’être alimenté en 5V sans batterie embarquée

A côté, ses défauts paraissent bien maigres:
- une fois bien allégé et renforcé par une struture en dépron, le poids avoisine les 55g
- un temps de retransmission vidéo décalé et 1/10 ou 2/10 s
- un petit gel de l’image lors de la fin d’un enregistrement, inférieur à la seconde
- un coût d’achat supérieur sur du matériel neuf, mais qui peut se trouver d’occasion sur des appareils défectueux (ebay, leboncoin, …)

A bord d’un mikrokopter, ces défauts paraissent bien maigres à côté de l’intérêt général, et l’essayer c’est l’adopter.

Désossement de l’appareil en photo:

On enlève la partie flash du circuit supérieur.
Il faut bien faire attention lors de la manipulation du gros condensateur.
Ce condensateur sert à alimenter le flash avec une tension d’environ 300V.
Si on met ses doigts sur ses bornes ça peut faire très mal, c’est comparable à une décharge de clôture (j’ai hélas testé).
Il faut donc le décharger avant de le dessouder. Plusieurs options:

• la douce: on s’aide d’une petite résistance de 200kohm 1/4W qu’on met en contact avec les bornes du condensateur et on attend 5min le temps qu’il se décharge.

• la brutale: on fait court circuit aux bornes avec une lame de cutter en tendant bien les bras et en se protégeant un minimum. Le condensateur émet un paf comme un petit pétard et il est déchargé. C’est la méthode que j’ai choisie, mais elle est sans doute plus risquée car l’étincelle générée aurait pu avoir d’autres impacts sur l’électronique de l’appareil.

On déconnecte la nappe de l’écran LCD, l’appareil fonctionne très bien sans:

Une vue de l’intérieur dépouillé:

Le minimum vital:

On se sert de la prise centrale (format propriétaire Panasonic, en apparence proche d’une prise USB) pour obtenir le signal composite. Il faudra au passage court-circuiter 2 broches pour activer en permanence la sortie (pour simuler l’introduction permanente d’une prise). Un câble de servo est définitivement soudé  pour fournir l’alimentation et la sortie composite, comme une caméra FPV traditionnelle.

De manière à lui rendre une forme cubique, on peut retourner le circuit à 180 degrés sur l’arrière de l’objectif.

Après un coffrage dépron ajusté spécifiquement :

Avant chaque vol, il faudra allumer la caméra dont l’objectif se déploiera de la même manière qu’un appreil photo classique. Une pression sur le déclencheur démarrera l’enregistrement de la vidéo, limitée à une dizaine de minute par vidéo.
Selon les versions d’appareil, il faudra parfois appuyer plusieurs secondes sur la touche DEL pour activer en permanence la sortie vidéo. Il semblerait toutefois qu’il existe des versions sur lesquelles cette action n’a pas d’effet, en particulier sur les appareils récents.

Il faudra bien veiller à ne pas couper l’alimentation de l’appareil sans l’avoir éteint proprement par le commutateur ON/OFF.
Les paramètres de l’appareil pourraient être affectés et si une vidéo est en cours d’enregistrement à ce moment là, elle serait perdue.

Concernant le circuit supérieur, il est possible de le raccourcir après une découpe au disque dremel, avant ou après le micro.
Il faudra bien faire attention à ne pas court-circuiter les couches de cuivres internes au circuit.

Voici ce le genre de résultat que l’on peut obtenir, d’un autre FPViste sur easystar:

Ou encore une autre à bord d’un mikrokopter:

Cette modification est bien entendu faisable sur d’autres appareils, à condition de vérifier qu’ils puissent à la fois enregistrer et sortir un signal composite.
En revanche, le FX35 est l’un des meilleurs compromis coût/poids/qualité vidéo.

Ajout d’un module de commande RC

Le FX35 peut être radio-commandé depuis peu grâce à un petit module qui vient se greffer sur la platine supérieure.
On peut maintenant commander quatre fonctions:
- sélectionner le mode photo ou vidéo
- mettre au point l’objectif
- prendre une photo ou démarrer une vidéo.

Une petite vidéo de son fonctionnement vaut mieux qu’un long discours:

Pour les personnes intéressées, Nicolas peut fabriquer ces modules à la demande pour 30e frais de port inclus.
Voir son site pour le contacter: http://nicodemo.forumpro.fr/

Consommation et plage de tension acceptable du FX35:

(mesures relevée par Joël à partir du connecteur USB)
Le FX35 dispose d’un convertisseur CC intégré et accepte une plage de tension assez importante:
- 3,2v -> l’appareil s’allume mais l’indicateur batterie est rouge, le fonctionnement n’est pas fiable.
- 3.5v -> 1 ligne d’accu, intensité: 470mA. Intensité en shoot 600mA
- 3.9v -> 400 mA
- 4.5v -> 350 mA
- 5.0v -> 320 mA
- 5.5v -> 290 mA
- 6.0v -> 260 mA
- 6.5v -> 240 mA
Soit 1.6W, largement à la portée d’un petit uBEC et mutualisable avec l’alimentation du récepteur RC.

Utilisation des vidéos produites par le FX35

Le format vidéo du FX35 est assez basique: c’est une succession d’images JPEG encapsulées dans une enveloppe .MOV.
Pour convertir cette vidéo en un format plus exploitable, j’utilise l’excellent outil MediaCoder (http://www.mediacoderhq.com/) qui a l’avantage d’être gratuit.
Je transforme ainsi les vidéos su FX35 en AVI avec une compression xVid, mode Quality-based 85.
La vidéo résultante est environ 2 fois plus petite et de qualité comparable à l’originale.
Cette vidéo peut directement être montée par un soft comme MovieMaker, ou être préalablement traitée par VirtualDub et son plugin Deshaker.
C’est ce que j’ai fait sur toutes mes vidéos de FX35 visibles sur ce site. L’effet du Deshaker est un vrai plus sur le rendu final.

Aller encore plus loin dans la modification: contribution  de Joël

Détail du brochage du circuit supérieur

Les commandes de mise au point, de déclenchement, de mise sous tension (Power On), de sélection du mode de capture sont activées par une mise à la masse du signal.

C’est également le cas pour les connections des boutons poussoirs du panneau de commande de la face arrière de l’appareil et le switch pour activer le mode « lecture ».
Il est finalement possible de déporter l’ensemble des commandes de l’appareil.

Retrait du connecteur de batterie

Déport du bouton ON/OFF

Le commutateur ON/OFF peut être déporté pour des facilités d’intégration.
Il s’agit simplement d’une mise à la masse d’une borne, précisément celle qui est du côté ou l’interrupteur est sur ON.
L’interrupteur est ici rapproché du centre de l’appareil, il aurait aussi pu être séparé.

Déport du micro et du haut parleur

Prototype amovible de commande déportée

Cette modification permet de garder l’accès aux commandes de l’appareil un fois qu’il est replié.

Le fil de cuivre émaillé utilisé est disponible sur www.farnell.com
On peut en récupérer éventuellement d’un vieux bobinage moteur.
Joël est toutefois disposé à en envoyer gracieusement par la poste contre remboursement des frais postaux.