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Photo aérienne et vol en immersion

Alex — Wed, 18 Nov 2009 10:59:12 +0000

Le vol en immersion est un activité à part entière en aéromodélisme. On trouve maintenant beaucoup de solutions prêtes à l’emploi, mais l’accès à cette discipline nécessite toujours un investissement personnel important pour pouvoir comprendre ce qu’on peut en espérer. Je fais part ici de ma maigre expérience en vol en immersion avec photo aérienne.

Pour moi, il y a deux approches principales :

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

Conversion I2C d’un contrôleur brushless TowerPro 25A

Alex — Mon, 20 Apr 2009 14:58:54 +0000

La plupart des ESC commerciaux ne sont pas capables d’accepter un taux PWM de plus de 150 rafraichissement par seconde sur la base de trame PPM.
Cet article décrit la manière de convertir des contrôleurs TowerPro 25A de génération 3 afin de les rendre compatible avec un bus de commande I2C.
Grâce à cette modification, leur réactivité peut être grandement améliorée.

Introduction

Cet article est largement tiré d’un manuel en Anglais rédigé par Arthur P. fin 2007

http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=766589

Les plateformes multi rotor comme le mikrokopter nécessitent une taux de rafraichissement des ordres donnés aux moteur très élevé. La plupart des ESC commerciaux ne sont pas capables d’accepter un taux PWM de plus de 150 rafraichissement par seconde sur la base de trame PPM.

Les multi rotor deviennent assez stables si ce taux peut atteindre au moins 300/s. Ceci a amené quelques fabricants à concevoir des contrôleurs utilisant une interface 2 fils I2C comme signal de contrôle. Les meilleurs exemples sont les contrôleurs conçu par Holger, un des concepteurs du mikrokopter. Les versions actuelles peuvent supporter 10A en continu et 20A en pointe. Leur prix est raisonnable au regard de leur capacité bien qu’il soit parfois fastidieux d’assembler les composants SMD lorsqu’ils sont achetés en kit.

Jusqu’à présent, seulement YGE propose des ESC commerciaux possédant une interface I2C avec une intensité maximale de 30A (YGE30i). Ils peuvent être intégrés à une plate forme mikrokopter au prix d’une adaptation du software de la carte FlightCtrl (plage de contrôle YGE 0..120 et plage de contrôle du mikrokopter 0..255).

Une autre approche pour développer des contrôleurs à prix raisonnable et acceptant une entrée I2C a été envisagée par Quax (Bernard Konze) et quelques autres pionniers. Cette approche consiste à convertir des ESC du marché bas coût d’un mode de contrôle PWM à un mode de contrôle I2C.

Cet article décrit la manière de convertir des contrôleurs TowerPro 25A de génération 3.
(les premières générations peuvent être converties de la même manière, mais la disposition des composants est légèrement différente)

Matériel nécessaire

un contrôleur brushless TowerPro 25A disponible par exemple sur www.hobbycity.com. Actuellement, on ne trouve que des générations 3.
de petits ciseaux et un cutter
du très petit fil électrique monobrin et isolé (pas plus large qu’une patte de processeur)
de l’étain à souder d’électronicien
un fer à souder à pane très fine, pas plus de 30W
une éponge mouillée
des connecteurs femelles prise tulipe
de la glue
un voltmètre ohmmètre pour vérifier la continuité électrique des connexions
un programmateur de composant Atmel
les .hex correspondant aux code binaire à insérer dans chacun des contrôleurs

Les opérations de soudure

Commencer par enlever la gaine thermorétractable de chaque ESC: la découper soigneusement en prenant appui avec le cutter sur un bord du radiateur pour ne pas endommager de composant.

Le microprocesseur Atmel à 64 broches doit être reprogrammé pour pouvoir communiquer avec un bus I2C matérialisé par 2 fil.

Pour reprogrammer l’Atmel, il est nécessaire de câbler les 6 connecteurs ISP nécessaires à une programmation en mode In Circuit: MISO, MOSI, SCK, RST, 5V, GND.
Le détail des pins est décrit sur cette photo:

L’interface I2C est caractérisée par 2 fils SDA et SCL.
D’origine, la broche de l’Atmel qui doit être utilisée par le fil SDA est déjà utilisée et il est nécessaire de la déconnecter et de la reconnecter à la pin ADC1.
C’est l’opération la plus délicate à réaliser.

La pin SDA de l’Atmel est en effet connectée à un réseau de 3 résistances, via une piste sur la face opposée du circuit imprimé, la jonction des 3 résistance en surface étant assurée par un trou rempli d’étain à travers le circuit imprimé.

Dans son article initial, Arthur P utilisait une perceuse pour isoler cette piste en creusant superficiellement le circuit imprimé. Et en reconnectant ensuite le réseau de résistance avec un pont d’étain.

J’ai utilisé une autre méthode consistant à déconnecter directement la pin SDA de l’Atmel à l’aide d’une aiguille et d’un fer à souder, l’aiguille servant à faire levier sur la broche.

Attention à ne pas trop relever la broche en faisant levier, sinon elle risque de casser (ça m’est arrivé sur un des contrôleurs qui devient du coup inutilisable)
L’ohmmètre permettra de s’assurer qu’il n’y a plus contact entre la piste initiale et la broche.

Il faut ensuite reconnecter le réseau de résistance à la pin ACD1 de l’Atmel.
On peut récupérer le contact au milieu des 2 résistances supérieures, ou à l’extremité de celle du bas comme indiqué sur cette photo:

Le reste des fils peut être connecté de manière à pouvoir s’interfacer avec le programmateur par la suite.
Une barette 8 prises tulipe femelle sera d’abord collée à la glue sur côté de l’ESC rassemblant les 3 phases du moteur brushless

De gauche à droite, on retrouvera le brochage suivant: SCK, RESET, MISO, 5V, MOSI, GND, SDA, SCL.
Les 6 premières serviront à reprogrammer l’Atmel, les 2 dernières seront l’interface de contrôle I2C
(ces 2 dernières qu’on reliera directement à la carte FlightCtrl d’un mikrokopter)

Les opérations de reprogrammation

Une fois le câblage de l’ESC correctement effectuer, il ne reste plus qu’à reprogrammer l’Atmel.
J’ai acheté sur ebay un petit programmateur chinois de chipset pour une 10aine d’euros.
http://cgi.ebay.fr/ws/eBayISAPI.dll?ViewItem&item=350143488267
Il est livré avec un petit CD d’installation, un cable usb, un cable de transfert

La notice est mal traduite, mais son utilisation n’est pas compliquée.
On retrouve en particulier le schéma de câblage des différentes broches en fin de manuel.

Il faut d’abord installer le driver usb pour programmateur. (fourni sur CD)
Ensuite, câbler les broches du programmateur vers leur homologues côté ESC.

Ensuite configurer le logiciel fourni avec le programmateur (PROGISP):
- sélectionner USBASP, usb et Atmega8, les autres paramètres peuvent être laissés par défaut.

A chaque moteur, correspond un fichier HEX à injecter, de moteur 1 à moteur 4 pour le mikrokopter.
L’adresse I2C est codée en dur dans chacun des fichiers.
Il faut charger pour chaque ESC le .HEX correspondant avec le bouton load flash, puis appuyer sur le bouton Auto.
La séquence suivante doit se dérouler sans erreur :erase, load, check.
A noter que pour pouvoir être reprogrammés, les ESC doivent être alimentés (une lipo 3S fait très bien l’affaire)
Il arrive parfois qu’une séquence échoue, il suffit de recommencer une ou deux fois.
La notice de l’ESC est assez amusante à ce sujet, en gros on en a pour son argent
Mais la vérification en fin de processus garanti que le code a été transmis sans erreur, c’est le principal.

Les fichier .HEX sont issus de cette page, son auteur ayant la paternité de la modification décrite.
http://freenet-homepage.de/alex_konze/bko/low_cost/18a_regler.htm

mikrotower.zip

Le quadri-rotor de mikrokopter

Alex — Tue, 31 Mar 2009 12:58:09 +0000

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:

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.
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.