Pour toute question relative à ces sujets, s'adresser à Thomas Gillet ou Yuxin Fu

Schéma électrique

Un schéma électrique a été réalisé à l’aide du logiciel Fritzing (payant maintenant. Dernière version gratuite ici. On peut trouver aussi la version la plus récente piratée sur Internet, c’est ce que j’avais fait). Le schéma est disponible sur 3DExperience en fichier source .fzz et en PDF

Ce qu’il faut retenir :

• Il y a deux lignes de puissance :
  • Une 12V qui relie chargeur DC, batterie, contrôleur de la pile, et ESCs pour les moteurs.
  • Une 5V, qui alimente les servos, le récepteur RF et l’Arduino.
• Pour le 5V, au début, il avait été fait le choix d’un convertisseur 12V-5V 5A indépendant, (1A par servo environ + de la marge). Finalement, à cause du confinement, la commande a été changée. Configuration actuelle : Chaque ESC a un convertisseur 12V-5V 3A intégré. Il est donc absolument nécessaire de paralléliser les alimentations comme indiqué sur le schéma (deux servos sur chaque ESC). Un des servos est plus petit, donc prend moins de courant. C’est avec celui-là qu’on met aussi l’Arduino et le récepteur RF

Moteurs

Le choix des moteurs s’est porté sur des moteurs synchrones à aimants permanents de drone. La référence est Multistar V-Spec 1808.

Ils se commandent à l’aide d’ESC 20A (un par moteur). Comme tous moteurs synchrones ou asynchrones, il suffit d’inverser deux fils sur les trois pour changer le sens de rotation du moteur.

La fixation du moteur se fait avec des vis M2. Dans la boite ne sont inclus ni plaque de montage ni vis. Pour les tests effectués pendant confinement, une plaque de montage a été usinée avec les moyens du bord, et les vis d’un PC ont été utilisées. Les photos du bricolage sont sur 3DExperience.

Il est important de vérifier si le labo d’elec a des vis M2, et si ce n’est pas le cas, de les commander rapidement. Pour la plaque de montage, une petite pièce en alu ou en PLA fabriquée dans l’atelier sera parfaite.

Arduino

Le choix s’est porté sur une Arduino Nano 33 BLE. Le choix de la Nano s’est fait pour son faible encombrement. La BLE a été choisie pour sa puissance et ses appareils de mesures (accéléromètre, gyroscope) intégrés.

• L’Arduino fonctionne en 3.3V, mais accepte sans problème du 5V (voire même du 12V) en entrée, elle convertit. Et 3.3V suffisent amplement pour la PWM.
• Tous les servos et les ESC sont commandés en PWM. Il y a donc 3 pins de connexion : le +5V, le GND, et le pin PWM. Le pin PWM doit être relié à une sortie sur Arduino.
• Sur la Nano 33 BLE choisie, tous les pins digitaux (D_) sont PWM.
• Il faut éviter d’utiliser les pins A4 et A5 en lecture du récepteur RF, ils sont prévus pour le protocole I2C (source)

Servos

Les trois gros font 10kg.cm pour 5V, ce sont pour les gouvernes à l’arrière. Le petit fait 2kg.cm, il est pour faire tourner l’arbre sur lesquels sont montés les moteurs.

ESC

Les ESC se contrôlent en PWM par l’Arduino, à l’aide de la librairie Servo.

Ci-contre (et sur 3DExperience) un exemple de code pour commander un moteur en utilisant un potentiomètre comme « accélérateur ».

La sortie de tension variable du potentiomètre est branchée sur le pin 0 (A0). L’Arduino lit une valeur de tension entre 0 et 1024. A l’aide de la commande map on fait une petite règle de 3 pour la ramener à une valeur entre 0 et 180 (pour un servo c’est entre 0° et 180°, pour un ESC il faut comprendre 0 = 0% de la vitesse max, 180 = 100% vitesse max). L’ESC est attaché sur le pin 9.

Commande par potentiomètre virtuel avec Python

Pour les tests en confinement, nous n’avions pas de potentiomètre, il nous a fallu en simuler un. Les deux fichiers nécessaires (code Arduino Commande_moteur_Python.ino et script Python Commande_moteur_Python.pyw) sont sur 3DExperience.

Le code Arduino utilise la fonction writeMicroseconds() de la librairie Servo, qui prend la largeur d’impulsion (entre 0 et 2000) pour la PWM. Il est à l’écoute de valeur entrante par Serial (connexion USB avec l’ordinateur), et envoie ensuite la valeur à l’ESC.

Il est possible d’utiliser le code Arduino sans Python en utilisant le Serial Monitor intégré à l’IDE Arduino. Le code Python intègre un slider qui sert de potentiomètre virtuel (valeur entre 700 et 2000), et qui envoie ensuite cette information quand elle est modifiée au port Serial (donc à l’Arduino).

Quelques notes d’usages sur l’ESC et le programme Python :

• Ça bugge assez souvent, dans ce cas-là il faut reset l’Arduino manuellement avec le bouton qui est dessus et fermer la fenêtre Python avec le slider. Si à ce moment là le moteur ne s’est pas arrêté, il faut relancer le script Python, une commande d’arrêt étant envoyée automatiquement.
• La position 0 du throttle (pédale d’accélérateur en quelque sorte) est à 712 (microsecondes donc) sur le slider. C’est la position dans laquelle le slider doit être quand on connecte la batterie. Le moteur démarre environ à 850.
• Autour de 1550, le moteur entre dans un mode bizarre, où il tourne et s’arrête de façon intermittente. Bref, ça tourne pas rond. Normalement, le throttle ne devrait être qu’à 2/3 de parcours à ce niveau-là. Je n’ai pas le temps d’enquêter, mais c’est utile que vous le fassiez pour comprendre ce qu’il se passe. Quelques pistes :
  • Vitesse maximale atteinte ? Regarder avec un tachymètre si possible
  • Limité par la batterie ? Regarder tension et courant.
  • Code Arduino qui foire ? Essayer avec le récepteur RF et la télécommande directement branché sur l’ESC sans passer par l’Arduino.
  • ESC mal paramétré (par exemple fréquence PWM devrait peut-être être 16kHz au lieu de 8kHz) ? Consulter le manuel sur 3DExperience et faire la programmation (je n’ai pas fait).

Batterie

La batterie est un tampon nécessaire, y compris en présence de la pile pour deux raisons :

• La tension de sortie de la pile est comprise entre 12 et 20V selon le courant qui est tiré. La présence de la batterie permet de stabiliser la tension du réseau de puissance à 12V.
• Les moteurs ont une capacité nominale de 175W chacun. Soit au total 350W, ce qui est supérieure à la puissance de sortie de la pile. Pour pouvoir les utiliser à leur capacité maximum, il faut donc être capable de délivrer plus de 350W de puissance instantanée, ce que permet la batterie.

La batterie choisie est une Turnigy NanoTech 2200 mAh 3S 25C.

Le dimensionnement a été établi selon les 3 critères suivants :

• Tension de sortie de 12V à 3S
• Possibilité de fournir 400W sans recharge pendant 3 minutes ou avec recharge de la pile pendant 6 minutes à 2000 mAh
• Pour une batterie 3S 2000 mAh, l’énergie embarquée est de 22,2Wh. Pour une sortie de 400W, il faut donc une capacité de décharge >= 400/22.2=18C.

Chargeur

La batterie ne peut pas être directement connecté à la pile car il faut qu’elle soit équilibrée et pour les questions de tension déjà évoquées. Il est donc nécessaire d’avoir un chargeur qui puisse alimenter la pile.

Le chargeur doit être un chargeur DC d’une capacité minimale de 200W.

Nous avons choisi le Turnigy M8, mais nous ne l’avons pas acheté à cause du confinement, parce que nous n’avons pas pu avoir la pile. Il n’est a priori pas disponible sur HobbyKing, mais on trouve une version générique, appelée ToolkitRC M8, sur de nombreux sites (ici par exemple, sinon chercher M8 charger sur Google). Attention, comme il vient probablement de Chine, il faut le commander très rapidement.

Un petit chargeur AC de 15W a été acheté également pour charger la batterie pendant le confinement sans pile à combustible.

Hélices

D’après le site HobbyKing, pour ces moteurs il faut des hélices entre 4 et 6 pouces.

La dénomination des hélices c'est en général DxP ou DdPp (D pour Diamètre, P pour pas). Une 5050 aura donc un diamètre de 5 pouces et un pas de 5 pouces également.

Nous avons commandé pour tester sur HobbyKing des hélices : 5050 bipale, 6050 bipale, 5040 6 pales, 6040 tripale.

Les résultats de traction des différentes hélices en fonction de la vitesse de rotation du moteur sont disponibles sur le 3Dexperience. L’abscisse des courbes est le nombre de microsecondes pour la commande PWM (voir section ESC)

Un test plus complet avec plus d’hélices a été réalisée par quelqu’un qui a mis ses résultats sur Internet : http://dozer260.blogspot.com/2016/03/multistar-v-spec-1808-2400kv-thrust-test.html. Mais je pense que cela a été fait avec une ancienne version du moteur.

D’après mes recherches, la marque HQProp est particulièrement reconnue, et peut être acheter en France sur drone-fpv-racer.com

Commande Arduino

Un code a été réalisé par Valère et Alice afin d'assurer la transmission de la télécommande à la carte Arduino. Il est disponible sur 3Dexpérience : Ce code permettent d'abord recevoir les signaux fournis par la radiocommande. Ensuite, ces signaux sont transformés en une valeur comme la vitesse, l'angle ou bien mode "0 ou 1" selon les différents chaînes. Enfin, ces valeurs sont envoyées aux escs et aux servomoteurs. Alice a aussi fait un code permettant de créer une entrée qui peut changer au hasard chaque seconde à la fois être contrôler par le clavier, puis tracer une courbe en temps réel