Quadrotor UAV

Thème : 

Étudiant en Troisième année doctorat (Option : Optronique des Systèmes)
Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene – Faculté d’Electronique Et Informatique – Département Instrumentation et Automatique
Mémoire de projet de fin d’études Master en électronique – Option : Ingénierie de L’Electronique et Photonique Appliquée – Juin 2027
Les Articles
Image du quadrotor réalisé

Données angulaires du Gyroscope et vol du quadrotor

  1. Le drone quadrotor UAV et ses applications commerciales
  2. ZITOUNI Abdelhak Amine
  3. Les drones : l’histoire et les 5 catégories des drones UAV
  4. 5 Mouvements du quadrotor: domaines d’application, 4 rotors
  5. Modèle dynamique du quadrotor et dynamique des 4 rotors
  6. Les quadrotors : description des 2 moteurs et des composants
  7. Le transmetteur RF et le 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 le contrôle des 4 ESCs
  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.

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

L’algorithme du PID conduit le quadrotor de revenir À l’état voulu en agissant sur les ESCs

Le contrôleur PID du quadrotor et le contrôle des 4 ESCs

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  3. Les drones : l’histoire et les 5 catégories des drones UAV
  4. 5 Mouvements du quadrotor: domaines d’application, 4 rotors
  5. Modèle dynamique du quadrotor et dynamique des 4 rotors
  6. Les quadrotors : description des 2 moteurs et des composants
  7. Le transmetteur RF et le 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
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Le contrôleur PID du quadrotor

Le contrôleur PID

Le contrôle par PID est la méthode la plus simple à programmer sur un processeur et elle est souvent employée pour les asservissements [16].

Cette méthode est basée sur une structure qui délivre un signal de commande à partir de l’erreur existante entre la référence et la mesure de son intégrale et de sa dérivée Figure 3.28.

Schéma de la boucle de contrôleur PID
Figure 3.28 : Schéma de la boucle de contrôleur PID.

Le contrôle par PID est souvent utiliser dans l’industrie car il est très simple à mettre en place et s’avère efficace à réduire les erreurs pour la plupart des systèmes réels non linéaires.

Dans notre cas le principe de base du contrôleur PID est simple, lorsque le drone se trouve déséquilibré à cause du vent ou de la turbulence.

L’algorithme envoie une commande vers les ESC qui provoque une réaction dont le sens est

Signal de sortie du Gyro dans l’état stationnaire pour l'axe de mouvement Yaw afficher sur le moniteur série de l'Arduino IDE.

Unité de mesure de l’inertie gyroscopique MPU-6050

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  5. Modèle dynamique du quadrotor et dynamique des 4 rotors
  6. Les quadrotors : description des 2 moteurs et des composants
  7. Le transmetteur RF et le 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
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Unité de mesure de l’inertie gyroscopique MPU-6050

Unité de mesure de l’inertie gyroscopique MPU-6050 :

Dans cette partie, je montre comment lire et traiter les données venant du Gyroscope.

Plus précisément, nous allons extraire les données du Gyro afin que le contrôleur de vol puisse calculer les angles parcourus par le quadrotor pour les axes de mouvements (Pitch, Roll et Yaw) en utilisant des opérations mathématiques simples, puis les transformer en instructions algorithmiques adaptées à Arduino.

Le Gyro est un capteur de taux d’angle à trois axes (x, y et z), il mesure la vitesse angulaire en degrés par seconde de ces axes en même temps.

Les données d’entrées du Gyro sont couplées linéairement avec sa sortie, signifie que la longueur de l’impulsion de sortie change proportionnellement lorsque le Gyro est tourné autour de ces axes.

Pour connaître la valeur de sortie exacte de l’MPU-6050, nous devons jeter un

Schéma électronique du contrôleur de vol du quadrotor.

Contrôleur de vol du quadrotor et signaux du récepteur RF

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  7. Le transmetteur RF et le 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
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Contrôleur de vol du quadrotor

Contrôleur de vol du quadrotor :

Dans le schéma de la Figure 3.21, j’ai mis la diode D1 pour protéger le port USB de l’ordinateur lorsque l’Arduino est connecté à l’ordinateur lors de la programmation.

Les résistances R2 = 1kΩ et R1 = 1,5kΩ divisent la tension de la batterie de vol par 2,5. De cette façon, il est possible de mesurer la tension de la batterie pendant le vol en utilisant AnalogRead à partir de la broche A0 de Arduino Uno.

La LED est mise pour l’indication d’état de la batterie, elle s’allumera lorsque la tension de la batterie devienne basse.

Lecture des signaux du récepteur RF :

Dans cette partie, je montre comment lire et calculer les largeurs des impulsions PWM venant du récepteur RF afin qu’ils puissent être utilisés pour contrôler le mouvement du quadrotor, et pour mieux comprendre le

Le programme Principal du transmetteur RF

Le transmetteur RF et le récepteur RF 2.4 GHz

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  5. Modèle dynamique du quadrotor et dynamique des 4 rotors
  6. Les quadrotors : description des 2 moteurs et des composants
  7. Le transmetteur RF et le 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 le contrôle des 4 ESCs
  11. Données angulaires du Gyroscope et vol du quadrotor

Réalisation du transmetteur RF et Récepteur RF 2.4 GHz

Réalisation du transmetteur RF

Schéma électronique

Le circuit électronique de l’émetteur radio 2,4 GHz Figure 3.14, est basé d’un microcontrôleur Atemega328, NRF24l01 et deux joysticks.

Il avait 6 canaux de transmission qui corresponds aux commandes (Pitch, Roll, Yaw, Throttle et les deux commutateurs SW1 et SW2).

Schéma électronique du transmetteur RF 2.4 GHz.
Figure 3.14 : Schéma électronique du transmetteur RF 2.4 GHz.

Au niveau de l’alimentation nous devons fournir les 12 volts de la batterie à l’entrée de l’Arduino Nano et au régulateur de tension 3.3V.

Ce dernier est nécessaire pour faire chuter la tension de 12V à 3.3V, parce que le module NRF24 fonctionne à cette tension et en plus il absorbe trop de courant ainsi que l’Arduino ne pourra pas fournir autant de courant.

La sortie négative de la batterie est connecté à l’une des broches GND de l’Arduino et la sortie positive à

Les quadrotors : description des 2 moteurs et des composants

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  5. Modèle dynamique du quadrotor et dynamique des 4 rotors
  6. Les quadrotors : description des 2 moteurs et des composants
  7. Le transmetteur RF et le 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 le contrôle des 4 ESCs
  11. Données angulaires du Gyroscope et vol du quadrotor

Le hardware utilisé dans la réalisation du quadrotor (contrôleur de vol du drone)

Chapitre III : Conception et mise en œuvre du fonctionnement

Introduction

Le but de ce chapitre est de donner une description globale du principe de fonctionnement des différentes parties de notre système.

En expliquant le hardware que j’ai utilisé pour ce projet (la réalisation du quadrotor) et comment je me suis installé avec des outils et des instruments électroniques de base pour réaliser le contrôleur de vol du drone, le transmetteur RF et le récepteur.

Je vais également donner une explication détaillée sur la partie software utilisé pour ce projet, passant au processus de construction étape par étape.

Description du hardware utilisé

Les quadrotors sont des systèmes complexes, qui exigent des composants et une instrumentation varié qui doit être à la fois de haute performance et de poids allégés.

Ici on va introduire les

Modèle dynamique du quadrotor et dynamique des rotors

Modèle dynamique du quadrotor et dynamique des 4 rotors

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  5. Modèle dynamique du quadrotor et dynamique des 4 rotors
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  7. Le transmetteur RF et le 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
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Modélisation dynamique d’un quadrotor

Chapitre II : Modélisation dynamique d’un quadrotor

Introduction

Afin de concevoir un contrôleur de vol, on doit d’abord comprendre profondément la dynamique de l’avion, par conséquent son modèle dynamique.

Cette compréhension est nécessaire non simplement pour la conception du contrôleur, mais aussi pour s’assurer que le comportement de véhicule est plus proche que possible de la réalité lorsque la commande est appliquée.

Le quadrotor est classé dans la catégorie des systèmes volants les plus complexes vu le nombre d’effets physiques qui affectent sa dynamique à savoir les effets aérodynamiques, la gravité, les effets gyroscopiques, les frottements et le moment d’inertie.

Cette complexité résulte essentiellement du fait que l’expression de ces effets diffère pour chaque mode de vol.

En effet les modèles dynamiques du quadrotor proposés changent en fonction des taches planifiées et en fonction des milieux de navigation définis à priori par l’opérateur.

Les mouvements de bases du quadrotor.

5 Mouvements du quadrotor: domaines d’application, 4 rotors

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Domaines d’application et mouvements du quadrotor

Domaines d’application des quadrotors

L’utilisation des quadrotors n’a cessé de progresser ces dernières années, notamment dans les applications de loisir. Mais dans les domaines professionnels cette progression est encore plus flagrante [12].

Avec ses 4 moteurs, le drone quadrotor apporte des possibilités d’embarquement de caméras, appareils photos et autres capteurs pour réaliser des missions aériennes d’acquisition de données, là où des moyens conventionnels sont trop onéreux ou trop compliqués voire impossibles à mettre en œuvre.

Par ses capacités à rester en vol stationnaire ou à évoluer selon des trajectoires complexes, le drone quadrotor devient un outil privilégié utilisé dans plusieurs domaines tel que:

Domaine de sécurité

Les quadrotors sont utilisés par les services de secours (police, sapeurs-pompiers et gendarmerie) pour l’évaluation des dégâts en cas de catastrophe naturelle afin de prendre des informations stratégiques sur des interventions en hauteur et délicates.

(exemples: victimes d’avalanches,

Le drone solaire Facebook « Aquila »

Les drones : l’histoire et les 5 catégories des drones UAV

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  5. Modèle dynamique du quadrotor et dynamique des 4 rotors
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  8. Contrôleur de vol du quadrotor et signaux du récepteur RF
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Les drones: l’historique et les différentes catégories

Chapitre I : Généralité sur les drones

Introduction aux drones (U.A.V.)

Plusieurs termes sont utilisés pour les véhicules aériens sans pilote, qui se réfèrent généralement au même concept.

Un véhicule aérien sans pilote U.A.V. (UNMANNED AIRCRAFT VEHICLE) ou R.P.A.S. (Remotely Piloted Air System), communément connu sous le nom de drone, C’est un avion qui ne porte pas d’opérateur humain à bord.

Les UAV sont des composantes d’un système d’aéronef sans pilote U.A.S. (Unmanned Aircraft System); Qui comprennent un UAV, un contrôleur terrestre et un système de communication entre les deux.

Les drones utilisent des forces aérodynamiques pour fournir un ascenseur de véhicule, ils peuvent voler de façon autonome et être piloté à distance.

Ils peuvent être récupérables grâce à un système de navigation programmable et effectuer des vols dans des différents environnements, ils sont capables aussi de porter un

ZITOUNI Abdelhak Amine

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  4. 5 Mouvements du quadrotor: domaines d’application, 4 rotors
  5. Modèle dynamique du quadrotor et dynamique des 4 rotors
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  8. Contrôleur de vol du quadrotor et signaux du récepteur RF
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ZITOUNI Abdelhak Amine

ZITOUNI Abdelhak Amine

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CURRICULUM VITAE

Téléphone : +213 671 62 02 26

E-mail : amineolivier1992at @gmail.com

LinkedIn : https://linkedin.com/in/abdulhak-a-zitouni-388969176

Date de naissance : le 04 juillet 1992

Nationalité : Algérienne

Situation familiale : Célibataire

Fonction : Étudiant en Troisième année doctorat (Option : Optronique des Systèmes)

Grade : Doctorant-Ingénieur

Diplômes

2018 : Master 2 en Génie électrique (option : Electronique et Photonique Appliquée)- Université des Sciences et de la Technologie (USTHB)

2015 : Licence en Génie électrique (option : Electronique et Télécommunication)- Université des Sciences et de la Technologie (USTHB)

2010 : Baccalauréat en sciences naturelles

Expérience professionnelle

*  Domaine Professionnel :

Depuis octobre 2019 (en cours) : Responsable du maintien de la disponibilité de la solution NGBSS de Huawei, l’évaluation des performances du système et la résolution des problèmes énergétiques en effectuant des opérations de maintenance quotidiennes; entretien de la distribution de tension électrique, y compris le groupe électrogène,

Le drone quadrotor UAV : conception du contrôleur de vol

Le drone quadrotor UAV et ses applications commerciales

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Le drone quadrotor UAV : conception du contrôleur de vol

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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
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

Remerciements

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

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