Construction du drone

L’intitulé du mémoire faisant allusion à un contrôle de drones à distance; nous avons commencé par bâtir une première flotte de drones avec un maximum de technologies présentent sur le marché afin de réduire le plus possible le temps de mise au point. Mais les technologies habituelles en modélisme sont encore très rudimentaires en termes de moyens de communications drone/station de contrôle. Nous verrons au cours de ce chapitre comment nous avons pu construire un premier prototype de drone et comment la portée de ces équipements commerciaux a pu être augmentée en utilisant une station locale au sol, permettant ainsi un premier pilotage à très longue distance.

Construction du drone 

Il existe sur le marché une multitude de vendeurs de drones préconstruits mais aucun de ces fabricants ne proposaient de produit intéressant technologiquement et/ou financièrement pour nous. Nous avons donc fait le choix de construire nos propres drones avec des éléments achetés séparément auprès de différents fournisseurs afin de répondre au mieux à nos attentes lors des missions, et notamment en termes de versatilité du drone.

La structure : Walkera 

L’aéronautique est un perpétuel compromis entre les performances et l’autonomie, ainsi, un bon nombre de fabricants proposent des modèles de drones avec des charges utiles (« payload ») importantes et des portées de guidage sur plusieurs kilomètres. Mais ces aéronefs consomment énormément d’énergie et leur autonomie s’en voit rapidement amputée. Aussi, la majorité des drones à voilure tournante sur le marché possèdent une autonomie d’une quinzaine de minutes seulement, ce qui est bien trop peu pour envisager sérieusement de faire du service sur site (« On-Site Servicing »). Notre choix de structure a donc principalement été guidé par l’autonomie annoncée par les constructeurs et ensuite sur les capacités de la charge utile du drone. Considérant une charge utile d’environ 1Kg pour garder une bonne flexibilité sur le type d’équipement à bord que nous pourrions emporter, l’envergure approximative de notre drone devait être d’environ 1 à 1.5 m et le poids d’environ 4 à 5 Kg à pleine charge. Après de multiples recherches sur internet, nous nous sommes arrêtés sur le modèle QR X800 de Walkera. Son autonomie donnée est de 60 minutes à vide ce qui représentait la meilleure performance offerte sur le marché. Le QR X800  est un drone quadrimoteur avec une structure en fibre de carbone à la fois solide et légère. Il mesure 1.2 m d’envergure et est donné pour un poids total volant de 3,9 Kg.

Le drone choisi possédait donc toutes les qualités requises pour mener à bien des missions de durées relativement acceptables, de plus, il était vendu avec un support de suspension (« gimbal », système de stabilisation des équipements de prises de vues). Nous avons donc acheté 2 GoPro afin d’enregistrer nos vols et d’envoyer la vidéo au sol en temps réel ou différé.

Le seul inconvenant de ce drone est qu’il était vendu avec un régulateur de vol (calculateur entre les commandes de vol et les commandes moteur) très peu performant et réfractaire à la moindre modification. Les seules fonctions offertes sont le maintien d’altitude et la stabilisation assistée grâce au GPS intégré. L’intégration d’un nouveau régulateur de vol fut donc nécessaire.

DJI Wookong

La société DJI propose toute une gamme de régulateurs de vol et de structure pour tous types de drones, les performances et la fiabilité de leurs produits ne sont plus à démontrer. DJI est l’un des leaders du marché des drones à voilure mobile. Parmi les produits de la gamme, nous avons choisi d’acheter le Wookong  : un régulateur de vol pour les drones de taille moyenne comme le nôtre. Le Wookong est un système composé d’un calculateur, une centrale inertielle (IMU) et un capteur GPS avec magnétomètre.

Le calculateur est basé sur un filtre de Kalman et permet une stabilisation et une précision à toute épreuve quel que soit le drone qu’il régule. L’un des inconvenants du prototypage est la modification permanente des prototypes qui cause de nombreux changement de poids et de configuration, modifiant ainsi la géométrie du drone et donc son enveloppe de vol. Le principal avantage du Wookong est qu’il permet une énorme flexibilité à ce point de vu, ainsi pendant tous nos essais, nous n’avions pas à nous soucier de l’équilibrage des prototypes et du changement de masse due à un nouveau type de charge utile. De plus, un éventuel changement de structure (drone plus petit ou plus lourd) ne nécessite pas de nouveaux réglages logiciels et l’adaptation est quasi-instantanée. Le Wookong possède également un mode de sécurité appelé FailSafe qui permet de ramener le drone à l’endroit où il a décollé, lors de nos différents essais en vol ce mode constituait notre dernière sécurité pour essayer d’épargner le matériel en cas de perte de contrôle. Le FailSafe peut être déclenché volontairement ou automatiquement si le Wookong détecte que le drone n’est plus à portée de la télécommande. Lorsque il est actif, le système de sécurité positionne le drone à 20m d’altitude et le ramène en ligne droite jusqu’au lieu du décollage grâce à son GPS intégré. L’un des autres avantages du Wookong est qu’il possède des accessoires vendus séparément très intéressants pour votre projet. Nous avons donc ajouté un IOSD (Integrated On-Screen Display) : un système capable de simuler un affichage tête haute (HUD : Head Up Display) sur les vidéos transmises depuis le drone via la GoPro. Également, nous avons ajouté un Data Link permettant de transmettre des trajectoires de vol depuis le sol et de recevoir les informations de vol sur un logiciel spécifique pour permettre un pilotage automatique par points de cheminement.

Bras articulé 

La structure du drone et le régulateur ne suffisant pas à faire du « On-Site Servicing», nous avons donc entamé la construction d’un bras robotique muni d’un électroaimant afin de pouvoir mener des actions à distance. Le cahier des charges de ce bras imposait deux contraintes principales :
– La possibilité d’accéder à tout le domaine de vision de la caméra;
– Être le plus léger possible, tout en étant robuste et précis.

Table des matières

INTRODUCTION 
CHAPITRE 1 ÉTAT DE L’ART 
1.1 Définition du terme « Drone »
1.2 Historique
1.3 Applications
1.4 Marché actuel
1.4.1 Principaux acteurs
1.4.2 Régulation
1.4.3 Technologies utilisées
1.5 Quelles technologies et utilisations restent à explorer?
CHAPITRE 2 LE PROJET AMOOS 
2.1 Description du projet
2.2 Simulations virtuelles
2.2.1 Trajectoire STK
2.2.2 Utilisation d’Xplane
2.3 Simulations terrestres : Quadricoptères
2.4 Retombées dans le domaine civil : AMOSS
CHAPITRE 3 CONSTRUIRE AVEC LES TECHNOLOGIES COMMERCIALES 
3.1 Construction du drone
3.1.1 La structure : Walkera
3.1.2 DJI Wookong
3.1.3 Bras articulé
3.2 Architecture matérielle
3.2.1 À bord du drone
3.2.2 Station locale au sol
3.2.3 Poste de pilotage à distance
3.2.4 Simulateur de vol HeliMod
3.3 Essais en vol
CHAPITRE 4 SUPPRESSION DE LA STATION LOCALE AU SOL
4.1 Nouvelles contraintes
4.2 Nouvelle architecture
4.2.1 La Raspberry Pi
4.2.2 Les transmissions de données
4.2.3 Les systèmes de sécurité
4.2.4 Les capteurs
4.2.5 CAN-Bus Wookong
4.2.6 Prototype F450
4.2.7 Poste de control
4.2.8 Réseau de communication entre drones
4.3 Créer un système autonome
4.3.1 Algorithme de navigation
4.3.2 Asservissement des commandes
4.3.3 Détections de collision
4.3.4 Architecture logicielle du drone
CHAPITRE 5 UTILISATION D’AVIONIQUES G1000 
5.1 Introduction au système Garmin 1000
5.2 Installation du G1000
5.3 Débridage
5.4 Interfaçage avec Xplane
5.4.1 Câble d’adaptation et HSDB
5.4.2 Plug-in et modèle 3D
5.5 Couplage avec le Drone
CHAPITRE 6 TESTS EN VOL 
6.1 Tests en extérieur
6.2 Tests en deux dimensions
6.3 Tests en cage de vol
CHAPITRE 7 DISCUSSION RELATIVE AUX AMÉLIORATIONS FUTURES
7.1 FOTAFMS
7.2 Amélioration des Avioniques
7.3 TCAS et trajectoires d’évitement
7.4 Réalité augmentée et support de suspension « gimbal »
7.5 Détection optique d’obstacles
7.6 Parachute de sécurité
7.7 Nouveau calculateur de bord
7.8 Nouvelle charge utile
CONCLUSION

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