Projet drone aéro sous-marin

UV 2.4 – Projet de découverte et
d’analyse de systèmes
Projet drone aéro sous-marin :
Rapport
Nicolas VEYLON
Sophie TUTON
Pascal NGUYEN
Fabien LEMOIGNE
Promotion 2018
21 mars 2016
Table des matières
1. Préambule .............................................................................................................................................................................. 2
2. Etude mécanique ................................................................................................................................................................... 2
2.1. Etude d’un drone aérien type avion............................................................................................................................... 2
2.1.1 Présentation du drone ............................................................................................................................................ 2
2.1.2 Diagramme pieuvre ................................................................................................................................................. 3
2.1.3 Diagramme FAST ..................................................................................................................................................... 4
2.1.4 Etude de la propulsion ............................................................................................................................................ 5
2.2 Etude d’un drone sous-marin.......................................................................................................................................... 6
2.2.1 Présentation du drone ............................................................................................................................................ 6
2.2.2 Diagramme pieuvre ................................................................................................................................................. 7
2.2.3 Diagramme FAST ..................................................................................................................................................... 8
2.2.4 Schéma minimal ...................................................................................................................................................... 9
2.2.5 Etude de la propulsion ............................................................................................................................................ 9
2.3 Etude du drone aéro sous-marin .................................................................................................................................... 9
2.3.1. Diagramme pieuvre ................................................................................................................................................ 9
2.3.2. Diagramme FAST .................................................................................................................................................. 11
2.3.3 Schéma minimal .................................................................................................................................................... 12
2.3.4. Choix de la propulsion .......................................................................................................................................... 12
2.3.5. Cahier des charges ............................................................................................................................................... 15
2.3.6 Recherche sur l’autonomie ................................................................................................................................... 16
2.3.7 Démarche sur les problèmes d’étanchéité ............................................................................................................ 16
2.3.8 Structure et estimations ........................................................................................................................................ 17
2.3.9 Maquette simplifiée sur le logiciel CATIA .............................................................................................................. 18
3. Partie STIC ............................................................................................................................................................................ 20
3.1 Architecture électronique ............................................................................................................................................. 20
3.1.1 Choix des différents composants .......................................................................................................................... 20
3.1.2 Carte des emplacements ....................................................................................................................................... 22
3.2 Simulation simplifiée ..................................................................................................................................................... 22
3.2.1 Simulation aérienne .............................................................................................................................................. 22
3.2.2 Simulation sous-marine......................................................................................................................................... 25
3.3 Franchissement de l’interface air-eau........................................................................................................................... 25
3.3.1 Plongée.................................................................................................................................................................. 25
3.3.2 Remontée à la surface ........................................................................................................................................... 26
3.3.3 Décollage ............................................................................................................................................................... 26
4. Conclusion............................................................................................................................................................................ 27
Bibliographie ............................................................................................................................................................................ 28
Annexe ..................................................................................................................................................................................... 29
1
1. Préambule
L’objectif de ce projet est de développer un drone aéro sous-marin type avion ayant pour but
d’atteindre un point à la surface de l’eau, prendre des mesures en milieu sous-marin à une faible
profondeur et finalement revenir à l’opérateur. Pour cela, il doit pouvoir être lancé par un ou deux
opérateurs et être capable de suivre une trajectoire prédéfinie. Pour ce type de drone, il est
nécessaire de s’intéresser aux problèmes posés par le franchissement de l’interface air/eau, et aux
problèmes d’étanchéité. Afin de développer correctement un tel appareil, une analyse de deux types
de drones a été réalisée en amont, le premier étant un hydravion, le second un sous-marin. Le défi
réalisé durant ce projet était donc de marier ces deux milieux en un seul appareil autonome. Le
développement du drone s’est fait à la fois au niveau mécanique (dont modélisation CATIA) et
électronique/informatique (dont l’architecture et une simulation Matlab)
2. Etude mécanique
2.1. Etude d’un drone aérien type avion
2.1.1 Présentation du drone
Nous avons choisi d’étudier le drone Warrior Aero Gull24 pouvant rester en mer même dans
des conditions très difficiles.
Le Warrior Aero Gull24
Ses caractéristiques techniques sont répertoriées dans le tableau ci-dessous :
Puissance
Envergure des ailes
Poids maximum *
Charge utile *
Portée maximale, 66% de la charge utile de carburant
Vitesse maximale de vol
Hauteur de vague maximale avant casse
Capacité de ressac en vague irrégulière
* dans des conditions de mer défavorables
2
GULL 24
4 SHP / 2970 W
2.7 m
18 kg
6 kg
507 nm / 939 km
74 nœuds / 137 km.h-1
Toutes
0.3 m
2.1.2 Diagramme pieuvre
Ce drone doit pouvoir voler pour atteindre un point à la surface de l’eau, amerrir, naviguer sur
la mer en supportant les vagues et décoller. Pour cela il doit vérifier certaines fonctions détaillées dans
le diagramme pieuvre suivant.
Warrior Aero Gull 24 : Diagramme en pieuvre.
3
2.1.3 Diagramme FAST
Le détail de ces fonctions et de leurs réalisations se trouvent sur le diagramme FAST suivant :
Diagramme FAST du Warrior Aero Gull 24
4
2.1.4 Etude de la propulsion
La propulsion du Warrior Aero Gull 24 repose sur l’hélice se trouvant à l’avant du drone. On
peut la voir sur la modélisation suivante.
Modélisation d'un Warrior Aero Gull
Peu de documentation est disponible à propos du drone choisi : ni le type de propulsion, ni le
moyen de direction n’a été trouvé. C’est pourquoi nous avons décidé de détailler un autre système de
direction utilisé pour de nombreux drones ou les petits avions car il est simple et très peu encombrant.
Il s’agit du système mécanique illustré sur le schéma ci-dessous.
La direction du drone repose sur l’ensemble poulies/câbles/fluides et permet la rotation des
ailerons et du gouvernail.
Principe du système de direction mécanique
5
2.2 Etude d’un drone sous-marin
2.2.1 Présentation du drone
Le drone Aster X est un AUV (Autonomous Underwater Vehicle) de reconnaissance
scientifique. Sa mission est d’étudier les fonds marins grâce aux différents types de sondeurs qu’il peut
emporter en charge utile.
L'Aster X, utilisé par l'Ifremer
Ses caractéristiques techniques sont les suivantes :
Longueur
Poids
Profondeur
Vitesse
Energie
Positionnement surface
Transport
Equipe opérationnelle
Aster X
4,5 m
800 kg
3000 m (en opération 2850 m)
2 à 5 nds, optimal 3 nds
14KWh (Williamson Saft)
GAPS ou USBL-box (iXSEA)
1 container 20’’
3 personnes
6
2.2.2 Diagramme pieuvre
Diagramme pieuvre
FP1 : Se déplacer sous l’eau en suivant les données renseignées par l’opérateur
FC1 : S’adapter au milieu marin
FC2 : Disposer d’énergie et la maitriser
FC3 : Transformer l’énergie pour se déplacer
FC4 : Suivre des données GPS renseignées par l’opérateur
FC5 : Communiquer avec l’opérateur
7
2.2.3 Diagramme FAST
Diagramme Fast
8
2.2.4 Schéma minimal
Diagramme minimal
2.2.5 Etude de la propulsion
Le drone AsterX possède un système de propulsion classique avec une hélice à 5 pâles et un
moteur électrique brushless. Malheureusement, DCNS ne fournit pas énormément de données
concernant la propulsion de ses drones sous-marins.
2.3 Etude du drone aéro sous-marin
2.3.1. Diagramme pieuvre
Pour vérifier les attentes décrites précédemment (cf. Préambule), il est nécessaire que le
drone suive les fonctions données sur le diagramme pieuvre suivant :
9
Diagramme pieuvre
FP1: Se déplacer sous l'eau et dans l'air en suivant les données renseignées par
l'opérateur
PC1: S'adapter au milieu marin
FC2: S'adapter au milieu aérien
FC3: Utiliser et maîtriser l'énergie électrique disponible
FC4: Stocker l'énergie
FC5: Acquérir et traiter les données GPS
FC6: Communiquer avec l'opérateur
FC7: S'arrêter sous l'ordre de l'opérateur
Ces fonctions ont été créées en s’aidant de l’analyse des deux drones Warrior Aero Gull 24 et AsterX.
10
2.3.2. Diagramme FAST
Elles sont détaillées dans le diagramme FAST suivant :
Diagramme Fast
11
Ainsi, nous avons choisi de faire un hydravion se servant de trois vessies (deux à l’avant et une
à l’arrière) dotées de pompes pour amerrir, plonger et remonter à la surface, d’une hélice avant pour
la propulsion aérienne, d’une hélice arrière pour la propulsion sous-marine.
2.3.3 Schéma minimal
Schéma minimal
2.3.4. Choix de la propulsion
2.3.4.1 Les Hélices
Nous avons fait le choix d’une propulsion via hélices. Ainsi, l’énergie mécanique du moteur est
transmise à l’hélice qui la transforme en force propulsive. Cela a pour avantage un bon rendement,
compris entre 0.75 et 0.87. Cependant ce rendement diminue avec l’altitude. On peut jouer sur le
nombre de pales, le pas et le diamètre des hélices.
Pour ce drone nous avons choisi une hélice avant pour le vol, et une hélice arrière pour la
navigation sous-marine (cf. 2.3.5 Maquette CATIA). Nos recherches ont abouti au choix d’une hélice
en fibre de carbone car la taille de l’hélice impose un matériau solide (cf tableau ci-dessous) et une
hélice arrière en plastique.
12
Matière
plastique (moulé par
injection)
Avantages
inconvénients
-
Faible coût
polymère renforcé de
fibres (fibre de
carbone)
-
Plus robuste : plus
difficile à plier et à
casser
Plus rigide : moins de
flexion : moins de
perte de rendement
Plus légère
Robuste et ne se plie
pas
Crash = casse
Moins rigide : plus de flexion :
plus de perte de
rendement
Plus lourd
Cher
Plus dangereuse
Matériaux naturel : bois
-
-
-
Plus cher que le
plastique
Ne résiste pas à la
pluvio-érosion
2.3.4.2 La propulsion électrique
Le choix de la propulsion électrique est lié à plusieurs avantages et inconvénients tels que le
fait que ce soit moins polluant, plus sécurisé, que cela engendre moins de bruits, de vibration et moins
d’émission. De plus cela nécessite peu d’entretien. Cependant le drone a alors une autonomie limitée
et doit supporter le poids des batteries.
2.3.4.3 Les moteurs CC sans balais
Nous avons choisis des moteur CC sans balais car ils ont une longévité quatre fois supérieure
à celle des moteurs avec balais (i.e. d’environ 20 000h), qu’ils sont plus compacts, un meilleur
rendement, et qu’ils engendrent des vibrations plus faibles. Mais ce choix engendre la nécessité de se
doter de contrôleurs plus complexes. Ce choix s’est fait malgré les avantages suivants des moteurs CC
avec balais : ils sont moins coûteux et permettent d’avoir un couple plus élevé et une meilleure
stabilité.
13
Moteur
CC
avec
balais
Moteur
CC
sans
balais
Explication
Avantages
Inconvénients
Il fait tourner des
bobines
se
trouvant à
l’intérieur
d’un
boitier
doté
d’aimants
fixes.
Les bobines sont
fixées à
l’intérieur
ou à
l’extérieur
d’un
boitier
doté
d’aimants
tournants.
- Prix plus bas
- Contrôleur plus simple
- Plus plats
- Permettent souvent un
couple plus élevé
- KV plus faible (donc
meilleure stabilité)
- diamètre plus
grand
- usure dû aux
frottements
- vibrations
- KV plus faible
(donc
moins bon
rendement)
- Longévité (environ
20 000h) 4 fois sup
à celle des CC avec
balais
- plus compacte
- KV plus élevé (rendement
supérieur)
- vibrations engendrées
plus faible
- contrôleur
complexe
-KV plus élevé
(moins
stable)
2.3.4.4 Les batteries au lithium de polymère
Des batteries au lithium de polymère ont été choisies pour alimenter les moteurs. Les
avantages et les inconvénients de ces batteries et des batteries NiMh sont listés dans le tableau
suivant :
Nom
Li-Po
Avantage
Inconvénients
-
-
-
NiMh
-
Légère
Charge rapide / à
plus de 1C
Puissance
constante
Tient plus
longtemps
Pas d’effet
mémoire
Moins
dangereuse lors
de la charge,
Plus résistante
aux chocs
-
-
-
14
Risque de prendre feu lors de la charge
Ne doit pas être déchargé au-delà d’un certain
voltage (7,4V)
Attention au choc
Il vaut mieux la charger à 1/3 de sa capacité
maximale.
Se décharge en passant de 9V à 6V mais en
passant en dessous de 7,4V plus rapidement.
=> tient moins longtemps.
Conseillé de lui faire faire un cycle
décharge/charge complet de temps en temps
pour prévenir l’effet mémoire.
2.3.5. Cahier des charges
Le drone doit vérifier le cahier des charges suivant, sans oublier qu’il doit être assez léger et
pas trop encombrant pour pouvoir être lancé par un ou deux opérateurs.
Fonction
Critère
Propulsion
Puissance moteur
FP1
Vitesse aérienne
de
croisière
Vitesse de
décrochage
Flexion de l'aile
Hélice aérienne
Vitesse sous-marin
FC1
FC2
FC3
FC4
Hélice sous-marine
Déplacement
vertical
sous-marin
Déplacement
horizontal
sous-marin
Etanchéité
Résistant à la
corrosion
Température
Type de batterie
Autonomie
Gain du signal
requis
Portée de la radio
15
Niveau
Deux moteurs
(mode
aérien et
CC sans
balai)
3500 W ± 500 W,
200KV ±
50KV
Flexibilité
110 km/h ± 20 km/h
F1
50 km/h ± 10 km/h
F1
10mm ± 1mm
Une hélice centrée,
surplombant
la carlingue
> 3 km/h (~1.6
nœud)
3 pâles
F1
Vessie et ailerons
F0
Ailerons
F0
Jusqu'à 10m
F0
Oui
F0
-10°C - 45°C
Li-Po
> 15 km de vol
> 100 m
sous l’eau
F1
F0
30 dB ± 2 dB
F1
> 7 km
F1
F0
F1
F0
F2
F0
F1
2.3.6 Recherche sur l’autonomie
Le moteur utilisé pour l’hélice de l’avion est très puissant (moyenne de consommation :
3500W). Il faut donc une grande batterie pour pouvoir l’alimenter. Grâce à l’étude précédente, nous
avons opté pour des batteries LiPo de grande capacité. La documentation du constructeur impose des
batteries 10S minimum, ce qui limite grandement le choix des batteries. La plus puissante qui a été
trouvée est une LiPo 10S 16000mAh. Une simulation avec une telle batterie, l’autonomie est de plus
de 13 minutes pour une vitesse moyenne de 120 km/h, ce qui offre plus de 26 km de portée (Mueller,
s. d.)
Pour ce qui est de l’autonomie en mode sous-marin, la propulsion n’impose pas de telle
performance. La documentation du moteur recommande l’utilisation d’une LiPo 4S, soit 14.8 V. Une
LiPo de 8000mAh sera largement suffisant pour effectuer les 100 mètres de navigation imposés par le
cahier des charges, mais nous préférons offrir la possibilité d’effectuer des missions sous-marines de
plus longues durées.
2.3.7 Démarche sur les problèmes d’étanchéité
Les différentes parties du drone comprendront des ouvertures (types clapet, porte, etc) mais
aussi des ouvertures au niveau des arbres de transmission des deux hélices. Il est donc nécessaire
d'assurer une bonne étanchéité bien que la profondeur à laquelle le drone doit aller soit assez
raisonnable.
Occupons-nous dans un premier temps des parties statiques à étancher. Pour cela, plusieurs
solutions existent :

Les joints permanents servant en général pour la plomberie, on les trouve sous la
forme de pâte, de manchon, de silicone ou encore de mastic.

Les joints plats que l'on retrouve par exemple entre deux parties d'un carter.
16

Les joints toriques définis par leur dureté Shore, ils sont très utilisés dans le domaine
de l'hydromécanique. Ils peuvent être en caoutchouc "nitrile", en silicone ou bien en
polyuréthane. On les retrouve par exemple sur des pistons dans des vérins.
Pour les joints dynamiques, il y a moins de possibilités :

On retrouve les joints toriques mais cette fois munis de bagues pour éviter un éventuel
coincement et donc une détérioration. Cependant, ceux-ci sont mal adaptés aux
grandes vitesses de rotation.

Les joints à lèvres SPI (entreprise allemande fabriquant pour la première fois ce type
d'étanchéité) assurant l'étanchéité entre les arbres de transmissions liés aux hélices
et le reste du drone. Ils sont constitués d'une cage externe en métal appelée armature
pour assurer une certaine rigidité au joint, d'une garniture en général en caoutchouc,
d'une lèvre d'étanchéité et enfin d'un ressort pour plaquer la lèvre contre l'arbre de
transmission.
2.3.8 Structure et estimations
Le drone ayant de grandes dimensions et les composants restant relativement bon-marchés
(voir partie STIC), le choix de la fibre de carbone pour minimiser le poids était évident. Une fibre de 1
mm d’épaisseur suffit pour supporter la structure. Cette dernière est estimée à 3 m² de superficie, ce
qui donne une masse de 5,7 kg. La masse totale du drone avec tous les composants s’élève à 13,7 kg.
17
2.3.9 Maquette simplifiée sur le logiciel CATIA
18
Différentes vues de la modélisation CATIA du drone
19
3. Partie STIC
3.1 Architecture électronique
3.1.1 Choix des différents composants
Les différents composants électroniques ont été choisis afin de respecter le cahier des
charges défini précédemment (cf. 2.3.1) (notamment au niveau de l’autonomie), sans dépasser le
plafond financier estimé.
L’architecture électronique est centrée sur une carte Arduino Mega. Une carte Raspberry aurait pu
être une solution mais elle est moins efficace pour traiter beaucoup de capteurs. L’architecture
électronique complète du drone est détaillée ci-dessous.
MS5803-14BA
Architecture électronique
20
Composant
Avantages
Tarifs
Lien d’achat possible
Arduino Mega
-plus de pins, analogiques
notamment
23,57 €
Accéléromètre/
gyroscope :
MPU-6050
-Très bon avis client
-Pas cher
-Compact
-double emploi
-Bus I2C (bus standard :
excellente / compatibilité /
beaucoup de documentation)
-Compatible Arduino
-Multifonctions
-Conçu pour de la
communication longue portée
-L’un des seuls produits offrant
la portée demandée dans le
cahier des charges
6,99 €
TTC
http://www.amazon.fr/Funduino-Mega2560%C2%A0R3%C2%A0Conseil-dud%C3%A9veloppement/dp/B0161L1NHU/ref=sr_
1_3?ie=UTF8&qid=1457944769&sr=83&keywords=funduino+mega
http://www.amazon.fr/Neuftech%C2%AE-MPU6050-Gyroscopedacc%C3%A9l%C3%A9rom%C3%A8trebricolage/dp/B00PIMRJX6/ref=sr_1_1?ie=UTF8&q
id=1458393938&sr=8-1&keywords=mpu-6050
GPS : DSGPMS
EmetteurRécepteur
Radio :
RX1272 +
Multiprotocol
Radio Shield +
Antenne
Capteur
d'immersion x4
Magnétomètre
(boussole)
-Pas cher
-Efficace
-Simple à mettre en œuvre
-Pas cher
-Bonne qualité
-Compatible Arduino
118,80 €
TTC
45 €
+
33 €
+
8€
1,29€
-Pas cher
-Compatible Arduino
-Précis
-Pas chère
-Compatible Arduino
-Qualité suffisante
59,95€
Pompe :
Smarstar
DC40D-2480
-Pas chère
-Suffisamment puissante pour
remplir les vessies
-Peu encombrante
-Brushless
-Utilisable avec des batteries
LiPo
-Compatible avec la masse de
l'avion (entre 9kg et 17kg)
-Conseillé par le constructeur du
moteur
26,72€ x 3
-Conseillé par le constructeur
du moteur
350€
-Brushless
-Puissant
-Compatible avec LiPo 4s
-Adapté à la masse du drone
-hélice intégrée
249€
Variateur pour
le moteur de
l'hélice avant
Batterie pour
hélice avant :
LiPo 10S
16000mAh
Moteur pour
l’hélice arrière
https://www.cooking-hacks.com/sx1272-loramodule-for-arduino-raspberry-pi-intel-galileo868-mhz
https://www.cooking-hacks.com/multiprotocolradio-shield-board-for-arduino-rpi-intel-galileo
https://www.cooking-hacks.com/4-5-dbi-868900-smam-rp-antenna
--> Electrodes fabriquées
Capteur de
pression :
MS5803-14BA
Caméra
Moteur pour
l'hélice avant
http://www.lextronic.fr/P19654-module-gps-i2cpour-arduino.html
8,79€
259,90€
215,53€
21
http://www.ebay.fr/itm/HMC5883L-3-AxisBoussole-magnetometre-Capteur-Module-3V-5VPour-Arduino-Durable/231496973951?hash=item35e64b7e7f:g:vNUAA
MXQtRxSJXpS
https://www.sparkfun.com/products/12909
http://www.amazon.fr/Waveshare-OV7670Camera-BoardB/dp/B01C1CTKA0/ref=sr_1_18?s=electronics&i
e=UTF8&qid=1457947542&sr=118&keywords=arduino+cam%C3%A9ra
http://www.amazon.fr/Smarstar-DC40D-2480magn%C3%A9tique-CentrifugeSubmersible/dp/B00E0HBS8W/ref=sr_1_1?ie=UT
F8&qid=1458484175&sr=81&keywords=pompe+24v
http://www.flashrc.com/dualsky/18354moteur_dualsky_ga60008_1190g_6800w.html
http://www.dualsky.com/Xcontroller_ESC/Xcontr
oller_BA.shtml
http://www.robotshop.com/en/t200-thruster-w-preinstalled-blueesc.html
Variateur pour
le moteur de
l'hélice arrière
Batterie pour
hélice arrière :
LiPo 4S
8000mAh
Servomoteur
(quantité : 6)
-Compatible avec le moteur
choisi pour l'hélice arrière
30€
-Conseillé par le constructeur
du moteur
135€
-Puissant pour tenir le couple
exercé par l'air et l'eau
110€ x6
https://www.bluerobotics.com/store/electronics/be
sc-30-r1/
http://www.robotshop.com/en/hs-8335sh-highspeed-high-torque-servo.html
3.1.2 Carte des emplacements
La carte Arduino et les capteurs de positionnements
(1) sont regroupés au centre de l’avion. C’est ici qu’il y a le
plus de place, et les moteurs (2) sont suffisamment éloignés
(à l’arrière et en surplomb) pour ne pas affecter le
magnétomètre (1b). On prendra seulement soin d’éloigner
au maximum le magnétomètre du reste des cartes
électroniques. Les batteries et variateurs (3) seront
également au centre pour équilibrer l’engin. La radio (4) est
sensible aux champs magnétiques et peut perturber le
magnétomètre et le GPS. Il convient donc de l’isoler à l’avant
de l’appareil, à côté de la caméra (5).
3.2 Simulation simplifiée
Carte des emplacements :
- 1 : Carte Arduino, GPS, accéléromètre-gyroscope
- 1b : Magnétomètre
- 2 : Moteur
- 3 : Batteries
- 4 : Radio
- 5 : Caméra
- 6 : Servomoteurs
- 7 : Capteur de pression
3.2.1 Simulation aérienne
Sous Matlab, nous avons simulé un drone suivant une trajectoire définie par une liste de
points. Pour cela nous nous sommes fortement inspirés des équations trouvées par Luc Jaulin (exo 3.5
plane : https://www.youtube.com/watch?v=oorUGBVtd4s), puis nous avons modifié le script pour que le drone
suive automatiquement des waypoints.
Nous allons détailler le code bloc par bloc :
function draw(x,u) %Permet de tracer l'avion
uleft=-u(2)+u(3); uright=-u(2)-u(3);
plane0=[0 0 6 0
0 0 0
1 6 0 ;
0 -1 0 1 -1 0 0
0 0 0;
0 0 0 0
0 0 1 0.2 0 0;
1 1 1 1
1 1 1
1 1 1] ;
e=0.5;
aileron=[-e
0 0 -e -e; -e -e e e -e;
0
0 0 0 0; 1
1 1 1 1];
R=[eulermat(-x(4),-x(5),x(6)),[x(1);x(2);-x(3)];0 0 0 1];
ailLeft=R*[eulermat(0,uleft(1),0),[0;1-e;0];0 0 0 1]*aileron;
ailRight=R*[eulermat(0,uright(1),0),[0;e-1;0];0 0 0 1]*aileron;
plane=R*plane0;
plot3(plane(1,:),plane(2,:),plane(3,:),'blue');
plot3(ailLeft(1,:),ailLeft(2,:),ailLeft(3,:),'red');
plot3(ailRight(1,:),ailRight(2,:),ailRight(3,:),'red');
plot3(plane(1,:),plane(2,:),0*plane(3,:),'black'); % shadow
drawnow();
end
22
La fonction draw
permet de tracer
la figure 3D de
l’avion. Elle est
sollicitée tous les
30 appels au
schéma
d’Euler
afin de pouvoir
visualiser l’avion
tout le long de son
parcours.
function xdot=f(x,u) %Permet de réaliser le schéma d'Euler x = x+dt*f(x,u) suivant les
équations de comportement d'un avion.
% Définition des scalaires,vecteurs et matrices permettant le calcul de xdot
v=x(7:9); w=x(10:12); V=norm(v);
alpha = atan(x(9)/x(7));
beta=asin(x(8)/V); phi=x(4); theta=x(5); psi=x(6);
cf=cos(phi);sf=sin(phi); ct=cos(theta);st=sin(theta); tt=tan(theta);
sa=sin(alpha); ca=cos(alpha); cb=cos(beta);sb=sin(beta);
Fa=0.002*V^2*...
[ -ca*cb, ca*sb, sa; sb, cb, 0; -sa*cb, sa*sb, -ca]...
*[4+(-0.3+10*alpha+10*w(2)/V+2*u(3)+0.3*u(2))^2+abs(u(2))+3*abs(u(3));
-50*beta+10*(w(3)-0.3*w(1))/V;
10+500*alpha+400*w(2)/V+50*u(3)+10*u(2)];
% Définition de xdot (cf image )
xdot=[eulermat(phi,theta,psi)*v;
% dérivée de x, y et z
[1,tt*sf, tt*cf; 0,cf,-sf; 0,sf/ct ,cf/ct]*w; % dérivée des angles d'Euler
9.81*[-st;ct*sf;ct*cf]+Fa+[u(1);0;0]-cross(w,v); % dérivée de la vitesse
[-w(3)*w(2)+0.1*V^2*(-beta -2*u(3)+(-5*w(1)+w(3))/V); % dérivée du vecteur
rotation (coordonnées x)
w(3)*w(1)+0.1*V^2*(-0.1-2*alpha+0.2*u(3)-3*u(2)-30*w(2)/V); %dérivée du
vecteur rotation(coordonnées y)
0.1*w(1)*w(2)+0.1*V^2*(beta+0.5*u(3)+0.5*(w(1)-2*w(3))/V)] % dérivée du
vecteur rotation(coordonnées z)
];
end
La fonction xdot permet de réaliser le schéma d’Euler. Elle utilise les équations d’état de
l’avion (voir annexe). eulermat est une matrice de changement de base qui permet de calculer les
coordonnées cartésienne du drone malgré le vecteur vitesse v exprimé dans le repère propre au
drone.
function u=control(x) %Permet de calculer la nouvelle
consigne intermédiaire
%u(1) : permet d'asservir l'avion en vitesse
(consigne = vbar) ==> u(1) = 0 : arret hélice ; u(1) =
10 : w hélice max
%u(2) : permet d'asservir l'assiette
(différence des angles des ailerons)
%u(3) : permet d'asservir le gîte (inclinaison
transversale) ???????????????
phi = x(4); theta = x(5); psi = x(6); v =
norm(x(7:9)); % définition des angles d'Eurler et de
la vitesse
% définition de la consigne du lacet dû à
l'ensemble de définition de arctan)
if(ybar == x(2) & mod(psi, 2*pi) == 0),
psibar = (xbar < x(1))*pi;
elseif(xbar > x(1))
psibar = atan((ybar-x(2))/(xbar-x(1)));
else
psibar = atan((ybar-x(2))/(xbar-x(1))) +
pi;
end
% définition de la consigne du roulis et
tangage
thetabar = -0.2*atan(0.1*(zbar-x(3)));
phibar = 0.5*atan(5*atan(tan(0.5*(psibarpsi))));
% définition de la consigne intermédiare u
u=[5*(1+2/pi*atan(vbar-v));
-0.3*(2/pi*atan(5*(thetabar theta))+abs(sin(phi)));
-0.3*(2/pi)*atan(phibar-phi)]
end
23
La fonction control permet
de calculer la consigne u. Cette
consigne est à calculer car elle
dépend de x (le vecteur position). En
effet, les consignes en lacet, roulis et
tangage
doivent
permettre
d’orienter l’avion dans la bonne
direction. Par exemple, l’angle de
lacet vaut l’arc-tangente des
distances en x et en y de l’objectif.
%---------------- Main -----------------------%init;
x=[-50;-50;-5;0;0;0;30;0;0;0;0;0]; %[x;y;z;phi;theta;psi;v;w] avec phi,theta,psi les
angles d'Euler de l'avion et w= derivée des angles d'Euler
e=200; clf;axis([-e,e,-e,e,-e,e]); axis square;hold on; % paramètre d'affichage du
graph ( échelle, axe, superposition...)
dt = 0.02; vbar = 15; zbar = -100; xbar = -150; ybar = -150; % Point à atteindre, et
vitesse
% Tracer des points à atteindre (en 3D et en projection dans le plan(x,y))
scatter3(xbar,ybar,-zbar,'square','MarkerEdgeColor','black','MarkerFaceColor','red');
scatter3(xbar,ybar,0,'.','black','MarkerFaceColor','black');
k=0;
for t=0:dt:300,
%u : consigne
==> u(1) : vitesse
u(2) : somme de deux angles des ailerons
u(3) : différence entre les deux angles des ailerons
u=control(x);
x=x+dt*f(x,u); % Schéma d'Euler
if (mod(k,30)==0), draw(x,u); end; % On affiche seulement tous les 30*dt
k=k+1;
% Si on arrive à proximité du point, on redéfinit aléatoirement le but
if ((xbar-10 < x(1))&(x(1) < xbar+10)&(ybar-10 < x(2))&(x(2) < ybar+10)&(zbar-10 <
x(3))&(x(3) < zbar+10)),
e=200
xbar = e*(2*rand()-1)
ybar = e*(2*rand()-1)
zbar = -(100+10*(2*rand()-1))
% Tracer des points à atteindre (en 3D et en projection dans le plan(x,y))
scatter3(xbar,ybar,zbar,'square','MarkerEdgeColor','black','MarkerFaceColor','red');
scatter3(xbar,ybar,0,'.','black','MarkerFaceColor','black');
end
end
Le dernier bloc est la réalisation du schéma d’Euler. On a choisi de définir une vitesse de consigne
constante.
Exemple de simulation :
Capture d'écran de la simulation.
Les points rouges sont les waypoints
Trajectoire de l'avion lors d'un changement de waypoint
24
3.2.2 Simulation sous-marine
La simulation sous-marine n’a pas été traitée car le comportement de notre drone en mode
sous-marin est similaire à un avion (et donc à la simulation aérienne). En effet, les deux utilisent une
seule hélice pour se propulser et des volets pour se diriger. De plus, il y a une symétrie horizontale
entre les deux problèmes par rapport au niveau d’eau : l’avion survole l’eau et la gravité tend à le faire
chuter, tandis que le sous-marin est sous l’eau et la poussée d’Archimède tend à le ramener à la
surface.
3.3 Franchissement de l’interface air-eau
Le franchissement de l'interface air-eau utilise
principalement :
- quatre capteurs d’immersions (a, b, c, et d): deux
sur le dessus, et deux en dessous du drone (cf.
schéma)
- les trois vessies,
- les deux hélices.
Positionnement des capteurs d'immersion
3.3.1 Plongée
0) Avant de plonger, le drone est posé sur l’eau.
Donc les capteurs b et d se trouvant sur le
dessous du drone signalent qu’il y a immersion à
cet endroit, et les capteurs a et c se trouvant sur
le dessus du drone signalent qu’il n’y a pas
immersion.
1) On remplit d’abord les deux vessies avant
dans le but que l’avant du drone rentre en
premier dans l’eau. Ainsi, le capteur a est
immergé.
2) Ensuite on remplit la vessie arrière pour que
le drone rentre entièrement dans l’eau. Le
capteur d est alors également immergé.
3) A ce stade tout le drone est immergé. Il ne
reste plus qu’à démarrer l’hélice arrière
4) Puis au bout d’un certain temps on peut
lancer la Mission pour faire des mesures.
25
3.3.2 Remontée à la surface
0) Avant la remontée à la surface, le drone est
totalement immergé.
1) Il faut alors vider les vessies avant et les remplir
d’air pour que l’avant du drone remonte en premier.
2) On attend pendant un certain temps, puis on
démarre l’hélice arrière.
3) Une fois que le capteur a signale que l’avant est
émergé, il faut vider la vessie arrière et la remplir
d’air.
4) Une fois que le capteur c signale que l’arrière est
émergé, c’est que le drone est alors posé sur la
surface de l’eau. On peut donc lancer la procédure
de décollage.
3.3.3 Décollage
0) Avant le décollage, le drone est posé à la
surface de l’eau. Les capteurs b et d sont donc les
seuls à être immergés.
1) On allume alors l’hélice avant.
2) Dès que la vitesse du drone (obtenue grâce au
GPS) est supérieure à un certain palier, on oriente
les volets qui vont permettre au drone de
prendre de l’altitude.
3) Après un certain temps, on lance la procédure
de vol.
26
4. Conclusion
Le drone développé respecte le cahier des charges, notamment sur le coût qui s’élève à
environ 3900 €.
La réalisation des parties mécanique et électronique ont pris un temps similaire. Il ressort de
ce développement que la partie mécanique impose des conditions sur la partie électronique,
notamment sur les solutions technologiques à mettre en place. Il est donc très important que le
groupe ait une bonne communication pour que les recherches sur l’électronique et les simulations
concordent avec les besoins qui ressortent du développement mécanique.
27
Bibliographie
Benson, C. (2016, février 16). Arduino versus Raspberry Pi. Consulté 20 mars 2016, à l’adresse
http://www.robotshop.com/blog/fr/arduino-versus-raspberry-pi-5189
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System. Consulté 18 février 2016, à l’adresse http://www.draganfly.com/uavairplane/tango/specifications/
Flotte Ifremer. (s. d.). AUV Aster x. Consulté 21 mars 2016, à l’adresse
http://flotte.ifremer.fr/Presentation-de-la-flotte/Systemes-sous-marins/AUV-Aster-x
Ifremer. (s. d.). AUVs - Unité Systèmes sous-Marins. Consulté 21 mars 2016, à l’adresse
http://wwz.ifremer.fr/cmsm/Les-Systemes/AUVs
IMA IUP. (s. d.). Consulté à l’adresse
http://a.moirier.free.fr/Conception/Bouquins/IMA%20~%20Rapport%20Mod%E8le%20R%E
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Jobard, R. (2014). Les drones: La nouvelle révolution. Editions Eyrolles.
Luc Jaulin. (s. d.). Commande automatique d’un drone volant. Consulté à l’adresse
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lycée Maximilien Perret. (s. d.). Ressource étanchéité. Consulté à l’adresse
http://consmecapro.free.fr/Ressources/1ere/CCF/FiltreGasoil/Fichiers/Ressource%20%C3%A
9tanch%C3%A9it%C3%A9.pps
Mueller, M. (s. d.). eCalc - propCalc - the most reliable RC Calculator on the Web. Consulté à
l’adresse http://www.ecalc.ch/motorcalc.php?ecalc&lang=fr
Warrior (Aero-Marine) Ltd. (s. d.). Gull - Specifications. Consulté 20 mars 2016, à l’adresse
http://www.warrioraero.com/GULL/specifications.htm
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Annexe
Equations d'état de l'avion utilisée pour la simulation Matlab
p = (x,y,z) position cartésienne du drone
Reuler est une matrice de changement de base
(ψ,ϑ,ϕ) sont les angles d’Euler
v est le vecteur vitesse exprimée dans le repère du drone
ω est le vecteur vitesse de rotation du drone
α est l’angle d’attaque
β est l’angle de glissade
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