This article is now hosted on its own site:
http://www.multiwii.com

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 or a hexacopter.

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 and 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

The software is now 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

Y6 configuration

HEX6 configuration

Pure stabilized gimbal system

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 (no mixing) can be used for a gyro-only multicopter. The code is robust enough to support all brands.

Connection diagram

(thanks to Berkely)

more information on Berkely blog here: http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1340771

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 shaking.

• 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=9394The 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

The following explanations  are agnostic to the mode used. So it is relevant for both mode 1 and mode 2, the most commons.

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 and accelerometers calibration

To calibrate the neutral of sensors, you must tilt the yaw stick left, tilt the pitch stick back while having the throttle stick in minimal position.

The multicopter should not move during this stage. However its inclination has no influence if you have only a WMP (no ACC)

If you have a Nunchuk (ACC), the multicopter inclination should be as horizontal as possible during this step. This step must be realized at least once, the acc calibration is then stored in the EEPROM.

Start the LCD configuration mode

Tilt the yaw stick right + tilt the pitch stick forward.

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 back.

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 forward.

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.

PID variation:

For a very stable multicopter with a solid attitude, the PID settings must be set high. But if you want to do some acrobatics with these settings, the multi starts to wobble in fast translation or when you decide to shake it to much. One solution is to decrease the PID, but it is to the detriment of static stability.

So instead of implementing a switch between 2 PID settings, there are now 2 options in the GUI to define the way we should decrease PID, depending on ROLL/PITCH/YAW stick deviation

• The first boxes defines the rate of cancellation of the nominal PID (the one which is used on neutral ROLL/PITCH/YAW stick position) in relation with ROLL/STICK/YAW deviation. In fact only P and D parameters are impacted in the transformation. The purpose of this curve is not really to gain more stability, but to gain more maneuverability. 0 = soft rate (for FPV or beginners); 0.4 = soft acro ; 0.7 = fast acro ; 1 = insane rate

• The second curve is defined by 3 segment: [1400;1600] [1600-1800] and [1800;2000] and defines the rate of cancellation of the nominal PID (the one which is used on neutral ROLL/PITCH stick position) in relation with Throttle stick. The purpose of this curve is to gain more stability when you are in a situation to use more throttle than needed to just maintain a lift. This is typically the case in fast translation.

If you are not familiar with this, just keep the default values.

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.
One example of several working setup: http://warthox.bplaced.net/?page_id=76

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

Video

Source Code & GUI

MultiWiiCopter Arduino code and GUI (source + exe):MultiWiiV1_5

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 for tricopters by editing this line:

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

Compatibility between options/setups:

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, one motor won’t be able to spin and 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 below the running limit, 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.

One motor stops suddenly in a flight

It may occur if your are using Turnigy Plush ESCs in soft mode. These ESCs must be set in MEDIUM or HIGH mode.

9) I’m not a programmer nor an electronics. Is it difficult to build and setup ?

My job is not related to this too.

If you have a PC, you can do it and understand the main things in few hours.
Arduino is very documented, especially for people who are not specialists at all.
You can first read this page to begin in this environment and learn how to upload a code in a board.
http://arduino.cc/en/Guide/Windows

I advice every beginner to read the excellent blob of kinderkram here:
http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1332876
It’s a « step by step » construction approach

10) There is a post on rcgroups forum here:

http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1261382
Don’t be shy, your MultiWii video are welcome

You can also read the MultiWii addtional FAQ’s wrote by berkely:
http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1340771#post16587954 ]]> http://radio-commande.com/international/triwiicopter-design/feed/ 79 http://radio-commande.com/experimental_projects/triwiicopter/?utm_source=rss&utm_medium=rss&utm_campaign=triwiicopter http://radio-commande.com/experimental_projects/triwiicopter/#comments Thu, 27 May 2010 00:45:22 +0000 Alex http://radio-commande.com/?p=546 Le TriWiiCopter est un tricopter qui utilise des gyroscopes et accéléromètres de console vidéo Nintendo Wii. On trouve ces capteurs dans les extensions de manette WiiMote. Ce tricopter a été l’occasion de développer mon propre soft de contrôle sur une plate forme Arduino. La stabilité obtenue est excellente et permet d’envisager sereinement toute sorte d’acrobatie. Le soft permet également de commander d’autres types de multirotor comme les quadrirotors.

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.
http://radio-commande.com/experimental_projects/construction-tricopter/
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 présente de nombreux avantages 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

Nunchuk

Un Nunchuk Nintendo est une extension d’une WiiMote qui est composé de 3 accéléromètres. Il permet de déterminer une inclinaison et peut mesurer des accélérations latérales.

Sur un multirotor, c’est la connaissance de l’inclinaison qui est recherchée.

Avec quelques calculs mathématiques associant les données de gyroscopes (filtres complémentaires ou filtres assimilés Kalman), il est possible de déterminer très rapidement une inclinaison en piqué ou en roulis.

Cette fonctionnalité est utilisée pour obtenir pour le mode auto stable, qui permet de remettre à plat tout seul le multirotor lorsqu’on lache les manches.

Le Nunchuk présente aussi de nombreux avantages:

1) con coût

Il est encore moins cher qu’un WMP. On peut trouver un Nunchuk sur ebay pour environ $10.

2) ses dimensions

Le PCB d’un Nunchuk est à peine plus grand que celui d’un WMP. Mais les composants sont toujours montés à plat.
Sur quelques versions, il est même possible de couper le circuit imprimé en deux, de manière à ne garder que la partie utile et de supprimer le joystick.

4) Son protocole I2C, relayé en mode « bypass » par le WMP

Lorsqu’un module Wii Motion Plus est déjà connecté à la WiiMote, le Nunchulk peut être directement connecté au WMP en mode bypass.

Il communique également avec le Wii Motion Plus via un bus I2C.

Dans ce mode, le WMP gère la communication et fournit l’ensemble des valeurs à l’Arduino dans un mode entrelacé (une lecture pour obtenir les valeurs des gyroscopes, puis un lecture pour obtenir les valeurs des accéléromètres)

Un intérêt: vu de l’Arduino, la connectivité est la même.

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 )

Arduino Pro Mini + Wii Motion Plus+ Nunchuk

Il n’est pas nécessaire de disposer d’un Nunchuk pour pouvoir faire voler un multiwii copter.

Ce n’esgt nécessaire que pour avoir un mode stable qui permet d’avoir un retour automatique à l’horizontal.

Le soft détecte automatiquement si un Nunchuk est relié au WMP.

Seuls 4 fils doivent être raccordés entre le WMP et le NK.

Il est important aussi de respecter l’orientation des cartes.

Connexion des éléments

Le soft est maintenant capable de gérer des configuration de multirotor en quadritotor+ ou en quadrirotorX.
La configuration doit être définie dans le code source sketch en modifiant une seule ligne. (voir source&code pour les explications)

configuration Tricopter

configuration Quadricopter+

configuration QuadricopterX

configuration Y6

configuration HEX6

configuration en plate forme gyro stabilisée sans gestion des moteurs

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.

Diagramme général

(merci à Berkely)

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

en configuration WMP uniquement:
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)

en configuration WMP+NK:
Lorqu’un Nunchuk est relié au WMP, la phase de calibration doit être réalisée au moins une fois manuellement (même procédure que ci dessus). Par contre, lors de cette étape, il est impératif que le multirotor soit le plus horizontal possible. Si les accéléromètres indiquent des valeurs de +/- 400, c’est qu’ils n’ont pas été calibrés. Une fois calibrés, les valeurs des neutres sont enregistrées dans l’EEPROM, et il n’est pas nécessaire de le refaire à chaque vol.

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.

1) La carte Arduino doit d’abord être connectée au PC en USB

2) Il faut ensuite lancer l’interface graphique (GUI) et sélectionner le bon port COM (le même que celui utilisé par l’IDE)

3) Il faut attendre quelques secondes le temps que le sketch MultiWii s’initialise dans l’Arduino.

4) Une fois cette initialisation faite (LED clignotante), on peut presser le bouton START.

5) Les paramètres de configuation peuvent être enfin lu et modifiés via READ/WRITE.

Si le nunchuk n’est pas utilisé, il ne sera simplement pas détecté et le mode stable sera inactif.
Le modèle sera toutefois opérationnel pour un vol sans accéléromètre.

La représentation graphique de l’inclinaison sur la droite n’est opérationnelle qu’avec un nunchuk.

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

MultiWiiCopter Arduino code and GUI (source + exe): prendre la dernière version dans ce répertoire

http://code.google.com/p/multiwii/source/browse/#svn%2Ftags

un répertoire contient le sktech Arduino et l’autre contient l’exécutable+code source GUI

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

Foire aux questions

1) Quelques fois, les gyroscopes semblent inefficaces ou donnent un graphique très perturbé dans l’interface graphique

Il existe beaucoup de copies en circulation de Wii Motion Plus sur Ebay (au moins 4 types différents). Elles fonctionnent plutôt bien, mais l’électronique utilisée pour gérée les gyroscopes Invensense varie.
On peut essayer de jouer sur plusieurs facteurs pour améliorer la situation:

• Ajouter des résistances de pull up sur le bus I2C. L’Atmel 328p en possède déjà en interne, mais elle ne sont pas toujours assez basses (longue distance, environnement perturbé)
• Diminuer la tension d’alimentation du Wii Motion Plus. Un Wii Motion Plus est normalement alimenté sous 3.3V. La tension de 5V est possible car il y a un régulateur interne, mais sous 3.3V il arrive que le WMP fonctionne mieux.
• Un Wii Motion Plus communique avec la WiiMote en I2C à une vitesse de 400KHz (fast mode). Il arrive (toujours vrai avec un WMP original) que cette vitesse ne soit pas adaptée avec un Arduino. Le sketch Arduino permet de dessendre cette vitesse à 100kHz (voir les premières lignes du code qui en font mention)

Heureusement, dans la majorité des cas, Il n’y a pas de problème concernant les copies utilisées.

2) Pourquoi est-ce important de définir une valeur minimum de commande pour chaque contrôleur moteur ?

Les moteurs doivent toujours tourner en vol quelque soit la situation:

• Les contrôleurs et les moteurs ne sont pas tous parfaits, et il arrive qu’ils ne se synchronisent pas correctement à chaque démarrage. On ne peut pas prendre ce risque en vol.
• Même en prenant ce risque, on constate un autre phénomène avec certains contrôleurs (notamment les Turgigy Plush): en dessous d’un certain seuil de commande, même si le moteur n’a pas le temps de s’arrêter, le temps de réaction lorqu’il repasse au dessus de ce seuil est très long et incompatible avec une stabilisation acceptable.

Si vous choisissez d’autres contrôleurs que les turnigy ou les super simple, c’est possible à condition d’adapter la valeur correspondante dans le code. Ce paramètre est très important, c’est pourquoi  le sketch ne pourra pas être compilé si ce paramètre n’est pas changé.

3) Les moteurs ne peuvent pas être armés via la radio commande

Chaque canal RC doit être configuré pour avoir une pleine plage d’utilisation (pour un signal PPM, c’est une variation basse/haute entre 1000 et 2000 micro secondes). Ces valeurs peuvent être observées dans l’interface graphique en haut à droite.

Sur les radio Graupner/Futaba, celà revient à configurer sur chaque voie une ATV à 125%.

Si cet intervalle est trop petit, la valeur pour armer le MultiWii ne pourra pas être atteinte, et donnera l’impression d’un MultiWii qui ne répond pas à la radio.

4) Soyez bien sûrs que les contrôleurs moteur peuvent bien supporter un taux de raffraichisseemnt à 490Hz.

C’est le cas pour les Turnigy plush et les Super Simple. Mais tous ne le font pas.
Notez bien que le prix d’un contrôleur est indépendant de cette caractéristique.

5) Choisir d’autres couples de contrôleur/moteur/hélice

C’est tout à fait faisable, les exemples sur internet ne manquent pas.

6) L’Arduino semble bien être initialisé (LED clignotante), mais l’interface graphique n’arrive pas à communiquer avec.

Si vous utilisez Windows, le port COM doit parfois être configuré à 155200bit/s.

7) Rien ne se passe

Vous utilisez peut-être un clone d’un Arduino officiel qui n’a pas les mêmes caractéristiques.
En l’absence de toute connection (RC,ESCs, WMP), l’Arduino doit quand même clignote une fois initialisé.

Parfois un moteur s’arrête en vol

C’est probablement du à l’utilisation un contrôleur Turnigy Plush. Il faut dans ce cas les configurer en timing HIGH.

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

• 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

http://vimeo.com/8652675