Le drone quadrotor UAV : conception du contrôleur de vol
Université des Sciences et de la Technologie
Houari Boumediene
Faculté d’Electronique Et Informatique
Département Instrumentation et Automatique
Option : Ingénierie de L’Electronique et Photonique Appliquée
Mémoire de projet de fin d’études Master en électronique
Thème
Conception et Réalisation d’un quadrotor UAV
Présenté par :
ZITOUNI Abdelhak Amine.
Proposé par :
Mr. BOUDJIT KAMEL.
Président de jury:
Dr. T.BERABAR.
Examinateurs:
Mr. M.Derras.
Dr. B.LEHOUIDJ.
Promotion : JUIN 2018
Abstract
This work was carried out as part of the master’s thesis, which the objective was the design and production of a quadrotor UAV drone with the six-channel radio controller.
Using only inexpensive electronic components such as the Arduino, a 3-axis gyroscope MPU6050 and a radio module (NRF24L01) at 2.4 GHz for the realization of the appropriate transmitter and RF receiver.
The Both of quadrotor and transmitter frames were built with ultra polyamide nylon using a 3D printer.
In this thesis, I mentioned all the stages of the implementation of this system, after a brief introduction on drones, with the citation of the different standards and research work carried out in this area.
I started to model the different parts of the system through the instrumentation it contains the quadrotor and the radio control unit with the illustration of the diagrams and figures required.
Regarding the programming part, I first explained the algorithms used in the RF transmitter and receiver in order to have an adequate reaction from the quadrotor to the commands sent by the pilot.
After that, I gave a detailed explanation on the different stages which contains the main program of the flight controller such as:
- Reading the PWM signals coming from the receiver,
- Reading the angular data coming from the Gyroscope,
- Calculating the PID corrections,
- Calculates pulses for each ESC and
- sends calculated pulses to the ESCs.
Résumé
Ce travail a été réalisé dans le cadre de la thèse de maîtrise, dont l’objectif était la conception et la production d’un drone quadrotor UAV avec le contrôleur radio à six canaux.
En utilisant uniquement des composants électroniques bon marché tels que l’Arduino, un gyroscope 3 axes MPU6050 et un module radio (NRF24L01) à 2,4 GHz pour la réalisation de l’émetteur et du récepteur RF appropriés.
Les deux cadres du quadrotor et de l’émetteur ont été construits en nylon ultra polyamide à l’aide d’une imprimante 3D.
Dans cette thèse, j’ai évoqué toutes les étapes de la mise en œuvre de ce système, après une brève introduction sur les drones, avec la citation des différentes normes et travaux de recherche menés dans ce domaine.
J’ai commencé à modéliser les différentes parties du système à travers l’instrumentation contient le quadrirotor et la radiocommande avec l’illustration des schémas et figures nécessaires.
Concernant la partie programmation, j’ai d’abord expliqué les algorithmes utilisés dans l’émetteur et le récepteur RF afin d’avoir une réaction adéquate du drone quadrotor aux commandes envoyées par le pilote.
Après cela, j’ai donné une explication détaillée sur les différentes étapes qui contiennent le programme principal du contrôleur de vol telles que:
- lecture des signaux PWM provenant du récepteur,
- lecture des données angulaires provenant du gyroscope,
- calcul des corrections PID,
- calcul des impulsions pour chaque ESC et
- envoie des impulsions calculées aux ESC.
Zusammenfassung
Diese Arbeit wurde im Rahmen der Masterarbeit durchgeführt, deren Ziel das Design und die Produktion einer Quadrotor-UAV-Drohne mit dem Sechs-Kanal-Funkcontroller war.
Wobei nur kostengünstige elektronische Komponenten wie das Arduino, ein 3-Achsen-Gyroskop MPU6050 und verwendet wurden ein Funkmodul (NRF24L01) mit 2,4 GHz zur Realisierung des entsprechenden Senders und HF-Empfängers.
Die Quadrotor- und Senderrahmen wurden unter Verwendung eines 3D-Druckers aus Ultra-Polyamid-Nylon hergestellt.
In dieser Arbeit erwähnte ich alle Phasen der Implementierung dieses Systems.
Nach einer kurzen Einführung in Drohnen und unter Berufung auf die verschiedenen Standards und Forschungsarbeiten in diesem Bereich begann ich.
Die verschiedenen Teile des Systems zu modellieren Die Instrumentierung enthält den Quadrotor und die Funksteuereinheit mit der Abbildung der erforderlichen Diagramme und Abbildungen.
In Bezug auf den Programmierteil habe ich zunächst die im HF-Sender und-Empfänger verwendeten Algorithmen erläutert, um eine angemessene Reaktion des Quadrotors auf die vom Piloten gesendeten Befehle zu erzielen.
Danach gab ich eine detaillierte Erklärung zu den verschiedenen Stufen, die das Hauptprogramm des Flugreglers enthalten, wie zum Beispiel:
- Lesen der vom Empfänger kommenden PWM-Signale,
- Lesen der vom Gyroskop kommenden Winkeldaten,
- Berechnen der PID-Korrekturen,
- Berechnen von Impulsen für jeder ESC und
- sendet berechnete Impulse an die ESCs.
Özet
Bu çalışma, sadece Arduino, 3 eksenli bir jiroskop MPU6050 gibi ucuz elektronik bileşenler kullanılarak, altı kanallı radyo kontrolörü ile bir quadrotor İHA uçağının tasarımı ve üretimi olan yüksek lisans tezinin bir parçası olarak gerçekleştirildi.
Uygun verici ve RF alıcısının gerçekleştirilmesi için 2,4 GHz’de bir radyo modülü (NRF24L01).
Dörtlü ve verici çerçevelerinin her ikisi de bir 3D yazıcı kullanılarak ultra poliamid naylon ile yapılmıştır.
Bu tezde, bu sistemin uygulanmasının tüm aşamalarından bahsetmiştim, dronlar üzerine kısa bir girişten sonra, bu alanda yapılan farklı standartların ve araştırma çalışmalarının gösterilmesi ile sistemin farklı bölümlerini modellemeye başladım.
Enstrümantasyonda gerekli diyagramları ve şekilleri gösteren dörtlü ve radyo kontrol ünitesini içerir.
Programlama kısmı ile ilgili olarak, önce kuadrotordan pilot tarafından gönderilen komutlara yeterli bir tepki vermek için RF vericisi ve alıcısında kullanılan algoritmaları açıkladım.
Bundan sonra, uçuş kontrolörünün ana programını içeren farklı aşamalarda ayrıntılı bir açıklama yaptım:
- Alıcıdan gelen PWM sinyallerinin okunması,
- Jiroskoptan gelen açısal verilerin okunması,
- PID düzeltmelerinin hesaplanması,
- her ESC ve hesaplanan darbeleri ESC
- ‘lere gönderir.
Sommaire
Introduction générale 1
Chapitre I : Généralité sur les drones 3
I.1. Introduction aux drones (U.A.V.) 3
I.2. L’historique des drones 3
I.3. Les différentes catégories des drones 4
I.3.1. Les drones militaires de longue endurance 4
• Les drones MALE « le General Atomics MQ-9 » 4
• Les drones HALE « RQ-170 Sentinel »… 5
I.3.2. Les drones tactiques (Tactical Unmanned Air Vehicle) 6
I.3.3. Le drone solaire « Aquila» 7
I.3.4. Les drones miniatures… 7
I.3.1. Le robot animal volant « BAT BOT B2 » 8
I.4. Domaines d’application des quadrotors 9
I.4.1. Domaine de sécurité 9
I.4.2. Domaine civil 10
I.5. Description général du quadrotor 10
I.6. Les mouvements du quadrotor 11
I.7. Conclusion 15
Chapitre II : Modélisation dynamique d’un quadrotor 16
II.1. Introduction 16
II.2. Modèle dynamique du quadrotor 16
II.2.1. Angle d’Euler 17
II.2.2. Vitesses angulaires 18
II.2.3. Vitesses linéaires 18
II.2.4. Effets physiques agissants sur le quadrotor 18
II.2.4.1. Les forces 18
II.2.4.2. Les moments 19
II.2.4.3. Effet gyroscopique 20
II.2.5. Développement du Modèle mathématique selon Newton-Euler 20
II.2.5.1. Equations de mouvement de translation 22
II.2.5.2. Equation de mouvement de rotation 22
II.2.6. La représentation d’état du système 24
II.7. La dynamique des rotors 25
II.3. Conclusion 27
Chapitre III : Conception et mise en œuvre du fonctionnement 28
III.1. Introduction 28
III.2. Description du hardware utilisé 28
III.2.1. Arduino Uno 28
III.2.2. Gyroscope MPU-6050 29
III.2.3. Les moteurs sans balais « Brushless » 29
III.2.4. Electronique Speed Controller « ESC » 30
III.2.5. Batterie LIPO 31
III.2.6. Les hélices 32
III.2.7. Arduino Nano 32
III.2.8. Module radio NRF24l01 2.4GHz 33
III.2.9. Les joysticks 34
III.2.10. La carcasse du quadrotor et du transmetteur RF 34
III.3. Réalisation du transmetteur RF 36
III.3.1. Schéma électronique 36
III.3.2. Algorithme du transmetteur RF 38
III.4. Récepteur RF 2.4 GHz 40
III.4.1. Circuit et schéma électronique 40
III.4.2. Algorithme du récepteur RF 2.4GHz 41
III.4.3. Test des signaux de sortie du récepteur RF 43
III.5. Contrôleur de vol du quadrirotor 43
III.5.1. Lecture des signaux du récepteur RF 45
III.5.2. Unité de mesure de l’inertie gyroscopique MPU-6050 48
III.5.3. Le contrôleur PID 53
III.5.4. Contrôle des ESC 58
III.6. Conclusion 63
Chapitre IV : Tests et résultats 64
IV.1. Introduction 64
IV.2. Test des signaux du récepteur RF 64
IV.3. Test des données angulaires du Gyroscope 67
IV.4. Identification des gains PID 67
IV.5. Test de vol en zone ouverte 69
IV.6. Conclusion 70
Conclusion générale
Introduction générale
Ces dix dernières années, les avancées technologiques et les nombreuses applications potentielles ont suscité un intérêt croissant pour la robotique aérienne.
La problématique sur la programmation et le contrôl de vol des véhicules aériens sans pilote ou les drones est d’actualité.
Les applications du drone quadrotor UAV
Les drones ont des applications commerciales évidentes dans :
- l’inspection d’ouvrages d’art comme les ponts, les barrages ou les lignes hautes tensions,
- l’exploration d’environnements dangereux comme des forêts en feu ou des zones radioactives,
- les missions militaires de reconnaissance et
- d’autres divers applications.
La recherche dans le domaine des drones est essentiellement pluridisciplinaire.
En effet elle fait intervenir des domaines très variés tels que l’aérodynamique, le traitement du signal et de l’image, la commande automatique, la télécomunication, les matériaux composites, l’informatique temps réel… etc.
Techniquement les drones n’ont pas les mêmes capacités.
Tout d’abord, ils peuvent avoir toute sorte de taille qui peut aller de celle d’un avion de ligne à celle d’une mouche.
Il y a celle qui pèsent quelques grammes volent des centènes de mèttres à des altitudes basses et avec des durés de vole de quelque minutes et d’autres qui peuvent atteindres des tonnes, volent des centaines de kilomètres à des altitudes très élevés.
Dans ce mémoire, nous nous intéressons en particulier aux robot volant de type véhicules aériens miniatures et plus particulièrement à un quadrotor (micro hélicoptère à quatre hélices).
Les quadrotors ont la capacité d’effectuer un vol stationnaire, ils sont parmi les plus complexes des objets volants.
La difficulté dans le pilotage de ces types des véhicules est d’assurer une bonne performance de suivi de la trajectoire voulue tout en garantissant une résistance aux perturbations aérodynamiques.
Parce que leur dynamique de vol est intrinsèquement non linéaire.
L’objectif de ce projet traite alors la réalisation d’un drone de type quadrotor piloté via une radiocommande.
La conception du contrôleur de vol du drone se fait en utilisant des composants électroniques peu coûteux comme l’Arduino Uno et un module 3-axes gyroscope MPU6050.
Le bon fonctionnement de ce système nécessite la réalisation d’une unité de commande émetteur / récepteur radio fréquence, basé d’un Arduino Nano et un module radio (NRF24L01) à 2.4 GHz pour servir à transmettre les différentes commandes au contrôleur de vol.
Nous voulons donc construire le Transmetteur Radio Fréquence et aussi bien le contrôleur de vol du quadrotor en se basant beaucoup plus sur la programmation des Arduino.
Dans ce projet, le contrôleur de vol du quadrotor utilise le gyroscope pour extraire les données de mouvements du drone dans l’espace, puis les traités par l’Arduino Uno afin de contrôler les angles d’inclinaison du quadrirotor.
Le programme sur lequel j’ai travaillé utilise trois contrôleurs PID pour les trois axes de mouvements essentiels (PITCH), (ROLL) et (YAW).
Les consignes pour le contrôleur PID sont les signaux de l’émetteur / récepteur et les variables de sortie du gyroscope.
La sortie du contrôleur PID est utilisée pour contrôler la vitesse des moteurs brushless du quadrotor et pour assurer l’équilibre.
Après avoir étudié des sous-programmes sur le Gyro MPU6050 et essayer de comprendre comment lire ces données angulaires à partir des registres de sortie, j’ai trouvé qu’il devait y avoir un moyen très simple de créer une IMU pour un quadrotor.
L’astuce est juste d’examiner les données du gyroscope et puis j’ai essayé plusieurs façons d’obtenir le bon algorithme en se référant à l’open source.
Mon mémoire est structuré comme suit :
- Chapitre 1 : généralité sur les drones.
- Chapitre 2 : modélisation d’un drone quadrotor.
- Chapitre 3 : conception et mise en œuvre du fonctionnement.
- Chapitre 4 : teste et résultats.
