Données angulaires du Gyroscope et vol du quadrotor

  1. Conception et réalisation d’un quadrotor UAV
  2. ZITOUNI Abdelhak Amine
  3. Les drones: l’historique et les différentes catégories
  4. Domaines d’application et mouvements du quadrotor
  5. Modélisation dynamique d’un quadrotor
  6. Les quadrotors, conception de système du drone
  7. Réalisation du transmetteur RF et Récepteur RF 2.4 GHz
  8. Contrôleur de vol du quadrotor et signaux du récepteur RF
  9. Unité de mesure de l’inertie gyroscopique MPU-6050
  10. Le contrôleur PID du quadrotor et contrôle des ESC
  11. Données angulaires du Gyroscope et vol du quadrotor

Test des données angulaires du Gyroscope

Chapitre IV : Tests et résultats

Introduction :

Dans ce chapitre, le but est de donner une description des différents tests effectués sur le système tels que le test des angles du Gyro et les signaux de sortie du récepteur RF.

Je présenterai également les techniques utilisées pour définir les gaines PID adapté à ce quadrotor puis les résultats obtenus seront utilisés dans le sous-programme de contrôleur PID, afin d’avoir la stabilité désirée.

Image du quadrotor réalisé
Figure 4.1 : Image du quadrotor réalisé.

Test des signaux du récepteur RF :

Afin d’éviter tous problèmes de disfonctionnement et pour s’assurer qu’on a une bonne communication radio, il est donc nécessaire de tester les impulsions reçus par le récepteur RF du quadrotor.

On commence par alimenter le récepteur RF avec 5v séparément au circuit du contrôleur de vol, puis on connecte le canal de sortie Throttle du récepteur au canal CH1 de l’oscilloscope digital pour visualiser le signal reçue Figure 4.2.

Connexion du récepteur RF à l’oscilloscope digital
Figure 4.2 : Connexion du récepteur RF à l’oscilloscope digital.

Le signal PWM qui correspond à la commande Throttle apparaisse sur l’écran de l’oscilloscope avec une période de 50Hz, Figure 4.3.

Calibre de l’oscilloscope : Tension : 1 Div → 2 voltBase de temps : 1 Div → 2.5 ms.

Signal PWM 50Hz de la commande Throttle.
Figure 4.3 : Signal PWM 50Hz de la commande Throttle.

En agissant sur la position du joystick de la commande Throttle du transmetteur, on voie bien que la largeur de l’impulsion PWM varie de 1ms à 2ms, Figure 4.4 et Figure 4.5.

La même procédure de test est effectuée pour les signaux de commande Roll, Pitch et Yaw.

Largeur d’impulsion 1ms
Figure 4.4 : Largeur d’impulsion 1ms.
Largeur d’impulsion 2ms
Figure 4.5 : Largeur d’impulsion 2ms.

Test des données angulaires du Gyroscope :

Nous vérifions les angles de l’IMU pour éviter les problèmes de commande et les mouvements non désirés, pour ce faire j’ai introduit l’instruction Serial.print ( ); dans le sous-programme de lecture des données Gyro MPU6050. Cette instruction permet d’afficher les angles d’inclinaison du quadrotor en degré pour les axes Pitch, Roll et Yaw sur le moniteur série de L’Arduino IDE, le processus est illustré dans la Figure 4.6.

vérification des angles de Gyro sur l’Arduino IDE
Figure 4.6 : vérification des angles de Gyro sur l’Arduino IDE.

Le quadrotor est incliné suivent les 3 axes de mouvement citées en haut. On vérifie si les angles correspondent au mouvement du quadrotor sont compatible avec la norme mentionné au Chapitre III page (48) que j’ai utilisée pour ce contrôleur de vol.

Identification des gains PID :

Comme déjà dit dans le chapitre précédant, les gains , 𝐾𝐾𝑖𝑖 et 𝐾𝐾𝑑𝑑 du contrôleur PID seront déterminées expérimentalement en agissant sur ces gains d’une manière à stabiliser le quadrotor pendant le vol et donc une convergence rapide de l’erreur 𝜀𝜀 vers zéro.

Pour éviter les dégâts et le comportement indésirable du quadrotor, il est nécessaire de varier les gains PID avec un ordre correct [19].

C’était une pratique courante de commencer le réglage avec des valeurs de gain 𝐾𝐾𝑑𝑑 très faible ou nulle. Mais en revanche, il est préférable de définir le gain 𝐾𝐾𝑝𝑝 pour les axes Pitch, Roll et Yaw à « 1 » et les autres à zéro, afin de voir comment le quadrotor réagit au début. Pour ajuster les gains du PID, on maintient le quadrotor fermement dans la main, puis on augmente le Throttle jusqu’au moment où le quadrotor commence à osciller, Figure 4.7.

Réglage des paramètres PID
Figure 4.7 : Réglage des paramètres PID.

Au début, on fixe le gain 𝐾𝐾𝑝𝑝 de 4 et le gain 𝐾𝐾𝑖𝑖 de 0.02 pour l’axe de mouvement lacet (Yaw), car cette configuration de base empêchera le quadrotor de flotter quand nous essayons de le faire voler, le réglage du gain 𝐾𝐾𝑑𝑑 pour l’axe de lacet n’est pas nécessaire parce que le lacet a une traînée des hélices donc il reste à zéro 𝐾𝐾𝑑𝑑 = 0.

Pour les deux axes de mouvement Pitch et Roll les gains PID seront les mêmes.

On commence par incrémenter le gain 𝐾𝐾𝑑𝑑 avec un pas de 3, jusqu’à ce que le quadrotor semble agité. Dans ce cas j’ai trouvé 𝐾𝐾𝑑𝑑 = 18. On fixe 𝐾𝐾𝑑𝑑 à 18 puis on augmente le gain 𝐾𝐾𝑝𝑝 avec un pas de 0.2 et on continue l’incrémentation jusqu’à ce que le quadrotor cesse d’osciller. Après, on diminue le gain 𝐾𝐾𝑝𝑝 de 50% et le résultat devrait être le gain 𝐾𝐾𝑝𝑝 de base, j’ai trouvé 𝐾𝐾𝑝𝑝 = 1.3.

Enfin, nous commençons à incrémenter le gain 𝐾𝐾𝑖𝑖 avec un pas de 0,01 et on continue à augmenter et tester (chaque fois en introduit le nouveau gain en compilant le code du contrôleur de vol) jusqu’à ce que le quadrotor commence à osciller lentement.

Quand cela arrive, on diminue le gain 𝐾𝐾𝑖𝑖 de 50% et le résultat devrait être le gain 𝐾𝐾𝑖𝑖 de base, j’ai trouvé 𝐾𝐾𝑖𝑖 = 0.04.

Suivent ces procédure, j’ai réussi à obtenir une bonne stabilité du quadrotor pendent le vol. Les valeurs des gains PID du quadrotor pour les 3 axes de mouvement sont représentées comme suit :

Tangage (Pitch) : 𝐾𝐾𝑝𝑝 = 1.3 𝐾𝐾𝑖𝑖 = 0.04 𝐾𝐾𝑑𝑑 = 18
Roulis (Roll) : 𝐾𝐾𝑝𝑝 = 1.3 𝐾𝐾𝑖𝑖 = 0.04 𝐾𝐾𝑑𝑑 = 18
Lacet (Yaw) : 𝐾𝐾𝑝𝑝 = 4 𝐾𝐾𝑖𝑖 = 0.02 𝐾𝐾𝑑𝑑 = 0

Enfin, ces gains sont introduits dans le programme principal du contrôleur de vol du quadrotor.

Test de vol en zone ouverte:

Une fois que le drone semble assez stable pour voler en toute sécurité, nous serons capables d’effectué un premier vol prudent dans un espace ouvert, voici quelque photos du premier vol effectué dans l’USTHB Figure4.8.

Test de vol dans un espace ouvert
Figure 4.8 : Test de vol dans un espace ouvert.
Test de vol dans un espace ouvert
Figure 4.8 : Test de vol dans un espace ouvert.

Conclusion :

Dans ce chapitre, les tests effectués sur le système ont été décrits à l’étape. Les gains PID ont été déterminés expérimentalement et la stabilité a été atteinte.

Les tests de communication radio et d’orientation du quadrotor ont été menés. Les résultats obtenus sont bonnes.

Conclusion générale

Le développement des véhicules aériens sans pilote a connu une croissance rapide ces dernières années grâce aux progrès de la technologie des capteurs et actionneurs miniatures. Ces progrès ont également entraîné la production de composants et de systèmes embarqués qui représentent les outils de base pour les robots volants et la mise en œuvre de l’intelligence artificielle, d’où l’avantage d’effectuer et de couvrir un large éventail de missions.

Dans ce contexte, le travail effectué dans le cadre de ce projet consiste à réaliser un drone de type quadrotor avec une radiocommande à six canaux de transmission.

Durant cette étude, j’ai mentionné tous les étapes pour la mise en œuvre de ce système, après une bref introduction sur les drones, avec la citation des différents normes et travaux de recherche effectués dans ce domaine, j’ai entamé à la modélisation dynamique du quadrotor.

Ensuite, j’ai présenté le principe de fonctionnement des différentes parties du système à travers l’instrumentation qu’il contient le quadrotor et l’unité de la radiocommande avec l’illustration des diagrammes et des figures nécessaires.

En ce qui concerne la partie software, j’ai d’abord expliqué les algorithmes utilisés dans l’émetteur et le récepteur RF afin d’avoir une réaction adéquate du quadrotor aux commandes envoyées par le pilote.

Après ça, j’ai donné une explication détaillée sur les diverses étapes qui contient le programme principale du contrôleur de vol tels que:

  • La lecture des signaux PWM venants du récepteur.
  • La lecture des données angulaire venant du Gyroscope.
  • Le calcul des corrections PID.
  • Le calcul des impulsions pour chaque ESC.
  • L’envoie des impulsions calculées aux ESC.

Enfin, les résultats des essais effectués sur les différentes parties du système ont montré une grande efficacité vis-à-vis des défauts, notamment en ce qui concerne le contrôleur PID qui préserve les performances du quadrotor ainsi que sa stabilité pendant la perturbation.

Le seul problème que j’ai remarqué est que le quadrotor glisse un peu en vol stationnaire, ça arrive sur le quadrotor car le moteur tourne, les vibrations qui sont encore présentes sont de petites accélérations qui vont rendre l’accélération du drone un peu fiable.

Donc, ce problème sera résolu avec l’utilisation des données de l’accéléromètre de l’MPU6050. Mais malheureusement, le temps ne me suffit pas pour apporter de telles améliorations à l’algorithme du contrôleur de vol.

Enfin, ce projet ma permet de découvrir l’environnement des robots volant aériennes et il me permet d’amélioré mes capacités en programmation.

Références Bibliographiques
Références Bibliographiques

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