Le système Drone HexaCopter HX10 est constitué dans sa version de base

de:

Un drone HexaCopter assemblé avec le logiciel d’exploitation et mesures

Une radiocommande 7 canaux 2.4GHz

Une enceinte de test intérieur sécurisé avec coffret électrique de

mesure de tension et courant batterie.

Un simulateur de vol avec câble pour pilotage depuis la radiocommande.

Un logiciel d’exploitation et mesures (courant, tension, altitude, valeurs

des accéléromètres et gyroscopes…)

Un chargeur de batterie avec cordon de charge déporté

Une clé Bluetooth pour communication avec le drone depuis un PC

Un dynamomètre pour mesure de l’effort de poussée

12 poids de 100g pour essais avec variation de la masse

Trois évolutions possibles du drone sont proposées pour des études et projets:

Option HX11: Navigateur de vol avec compas et GPS

Option HX12: Nacelle asservie sur 2 axes

Option HX13: Vidéo temps réel OSD avec caméra (On Screen Display:

Video avec données de télémétrie incrustées)

Afin de multiplier les postes de travail, des sous-systèmes sont également

disponibles pour des activités pédagogiques:

Réf HX15: Modèle comportemental du Drone Hexacopter, développé

sous Scilab Xcos et Matlab.

Réf PR00+PR20: Pack Ermaboard GPS, système d’étude de la

géolocalisation par GPS et de ses applications

Réf NC10: Nacelle de prise de vue aérienne

Drone HexaCopterEtudes et projets autour d’un drone 6 hélices

Contenu du produit didactique « Drone HexaCopter » réf : HX10

Plus d’informations sur www.erm-automatismes.com

Bac STI2D: Etude des systèmes, SIN, ITEC, EEBac SSI, CPGE, BTS SN

Enseignement supérieur

Transport & ImagesMathématique & simulation

Electronique & ElectrotechniqueMécanique

Thématiques abordées

Le drone Hexacopter est un appareil volant utilisé par les amateurs de

modélisme et les sociétés de surveillance et de prises de vue aériennes.

Aéronef à décollage vertical et à moteurs électriques, il intègre des

technologies mécatroniques permettant de réaliser des vols programmés.

Son utilisation pour les activités de surveillance et de prises de vue aériennes

est possible de par sa capacité à embarquer une charge importante.

Le drone HexaCopter embarque les technologies suivantes:

6 hélices entraînées par moteurs brushless

Contrôleur de vol avec gyroscope, accéléromètre et capteur de

pression d’air

Communications USB, Bluetooth (Pour commande par PC) et RF 2.4GHz

(Pour commande par télécommande)

Navigateur de vol avec compas et GPS

Nacelle asservie sur 2 axes pour caméra

Flux vidéo OSD (On Screen Display: Vidéo avec données de télémétrie

incrustées)

1 batterie Lithium Polymère

Logiciel de suivi de vol et acquisition de mesures

Le produit permet de réaliser des activités pédagogiques liées à la conception

mécanique, électrique, électronique et logicielle du drone Hexacopter. C’est

aussi une plate-forme de projets didactiques remarquable dans ces domaines.

Descriptif du support technologique

Les « points forts » du Drone HexaCopter d’ERM :

Il s’agit d’un drone industriel utilisé par des professionnels.

Le drone peut être utilisé dans une enceinte de test intérieure

totalement sécurisée, ou en extérieur.

Le châssis du drone est rallongé pour protéger les hélices

Le logiciel d’acquisition et commande fourni est 100% open

source

Possibilité de mesurer la tension et le courant batterie

Dans le cas d’une utilisation intérieure, la batterie est

déportée et équipé d’un sac de charge sécurisé

Ce produit est accompagné d’un dossier technique et pédagogique

sous format numérique comprenant:

Site HTML avec les activités, projets, corrigés et ressources

Modèle SysML du drone

Sources de programmation, Schémas fonctionnels

Fiches techniques des composants

Proposition d’organisation pédagogique

Les « Points Forts » du drone ERM

Vol d’un HexaCopter au dessus-de Notre

Dame de la Garde à Marseille: Incrustation du

parcours sur Google Earth

Drone en plein air

Drone dans son enceinte

sécurisée pour vol vertical

guidé

Ce sous-système est constitué principalement de:

Une carte microcontrôleur 8 bits Atmel Arduino (ATMEGA 328)

Un support GPS pour Arduino et Datalogger

Un programmateur Atmel ATAVRISP2

Bloc secteur + Cordon secteur + Câble USB

Une carte de prototypage avec bornier à vis

Une plaque de câblage sans soudures + platine de fixation + carter

Un translateur de tension 3,3V/5V

Un module de réception GPS + Un support GPS pour Arduino et

datalogger sur carte SD (non incluse)

Deux jeux de connecteurs supplémentaires

Deux valisettes de rangement avec liste du contenu

Il permet de comprendre le fonctionnement du GPS (Trames…) et

d’étudier la communication avec les autres composants de l’Hexacopter

Cette option est constituée principalement de:

Un récepteur GPS avec antenne passive

Un contrôleur de navigation avec microcontrôleur ARM9, compas et

raccordement au récepteur GPS

Une carte micro SD 2Go avec adaptateur SD

Elle permet de réaliser des vols extérieurs avec guidage GPS.

Option HX11: Navigateur de vol avec compas et GPS

Cette option est constituée principalement de:

Une nacelle asservie sur deux axes avec deux servomoteurs

La nacelle est utilisée pour réaliser des prises de vue. L’asservissement

permet de maintenir une caméra sur un objectif quels que soient les

mouvement de l’HexaCopter.

Option HX12: Nacelle asservie sur 2 axes

Cette option, à utiliser avec l’option HX12, est constituée principalement

de:

Une caméra

Une carte électronique OSD reliée à la caméra, au GPS, au

contrôleur de vol et au transmetteur/récepteur vidéo

Un émetteur/récepteur 5.8GHz pour communication du flux vidéo

avec le PC

Elle permet de récupérer un flux vidéo temps réel avec les données de

télémétrie incrustées (OSD: On Screen Display).

Option HX13: Vidéo temps réel OSD avec caméraLes fonctions de prise de vue du drone sont assurées par une caméra

fixée à une nacelle motorisée et asservie sur deux axes.

Le sous ensemble « Nacelle de prise de vue aérienne » (réf: NC10)

embarque les technologies suivantes:

Carte électronique embarquée pour drone

Motorisations Brushless

Accéléromètre et gyromètre

Caméra USB 2.0

Bus CAN (avec NC00 + NC01 + NC09)

Il permet de réaliser des activités pédagogiques liées à la conception

mécanique, électrique, électronique et logicielle, mais aussi de travailler

sur l’analyse et la commande de systèmes asservis. C’est également

une plate-forme de projets didactiques remarquable et motivante.

Le système Nacelle de prise de vue Aérienne NC10 est constitué

dans sa version de base de:

Un support mécanique permettant de fixer la nacelle dans

différentes positions

Une nacelle embarquée 2 axes pour prises de vue aériennes

2 moteurs Brushless pour la motricité des axes de la nacelle

Une carte de pilotage embarquée, pour la commande des moteurs

et l’acquisition des données de la centrale inertielle

Une centrale inertielle pour le retour d’informations

Une interface de paramétrage et mesures de la

nacelle depuis un PC

Un jeu de masse pour faire varier l’inertie de la nacelle

Des évolutions de la nacelle sont proposées pour des études et projets:

Option NC11: Nacelle avec moteurs plus puissants

Option NC15: Caméra vidéo pour suivi d’objet

Option NC00 + NC09: Plate-forme de prototypage électronique

temps réel (Boitier NI myRIO et carte de contrôle de 2 moteurs

brushless).

Option NC01: Carte de communication CAN pour myRIO

Option NC16: Kit de motorisation 3ième Axe avec carte de pilotage

pour moteurs Brushless/CC/Pas-à-pas (Seulement avec solution

de commande NC00+NC09

Sous-système NC10: Nacelle de prise de vue aérienne

Etude RDM du train d’aterrisssage

Sous-système PR00+PR20: Pack ERMaboard GPS

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Nacelle dans son support

de test et sa carte de

pilotage embarquée

réf: NC10

Capot de blindage GPS et réception des signaux

Ecran de vidéo OSD

Nacelle asservie

pour caméra

réf : HX12

Logiciel d’exploitations et mesures

Les théorèmes de mécanique utilisés pour aboutir à un modèle mathématique du drone sont l’axe du programme des CPGE.

Il existe deux grandes méthodes pour développer des modèles mathématiques de drones :

Newton-Euler établie d’après le théorème fondamental de la dynamique et le théorème du moment

Lagrange-Euler établie selon les énergies cinétiques et potentielles

Nous proposons dans ce cas, un modèle Lagrange-Euler.

Les hypothèses du modèle :

La masse du drone est d’un kilogramme pour une envergure d’un mètre

La structure du système est supposée rigide

La structure est supposée parfaitement symétrique, la matrice d’inertie sera donc diagonale

La portance et la trainée de chaque moteur sont proportionnelles au carré de la vitesse ( hypothèse très proche du comportement aérodynamique du

système réel)

A partir du moment où le drone est en vol, seule la vitesse relative à la vitesse de rotation des moteurs en vol stationnaire sera utilisée

La régulation PID :

Comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous le système est non linéaire avec quatre entrées et trois sorties :

Entrées :

La commande de puissance

La commande de roulis

La commande de tangage

La commande de lacet

Sorties :

Angle de rotation autour de l’axe X

Angle de rotation autour de l’axe Y

Anglz de rotation autour de l’axe Z

Le tangage agit sur deux moteurs, le roulis sur quatre moteurs et le lacet agit sur les six moteurs.

A partir de ce modèles, les élèves pourront simuler le fonctionnement du drone et déterminer son comportement théorique.

HX15: Modèle comportemental du Drone, sous Scilab Xcos et Matlab

Commande de LacetCommande de Roulis

Commande de Tangage

Les quatre entrées (puissance, lacet, tangage et roulis) sont recombinées pour donner les commandes en tension des moteurs

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Schéma Xcos du régulateur PID du drone

561 allée Bellecour - 84200 Carpentras - France - Tél. + 33 (0) 4 90 60 05 68 - Fax + 33 (0) 4 90 60 66 26

www.erm-automatismes.com - contact@erm-automatismes.com

Activités:

• Analyse de la chaine d’énergie (Mesurer la consommation des moteurs, optimiser le couple moteur hélice en fonction de la charge)

• Découverte du système (Identifier les composants, comprendre le rôle de chacun des composants du système et comprendre le

fonctionnement du système)

• Asservissement (Asservir la position du drone en fonction du paramètre P, asservir la position du drone en fonction du paramètre D et

comprendre l'influence des paramètres sur le système)

• Analyse de la chaine d’énergie (Mesurer la consommation des moteurs, optimiser le couple moteur/hélice en fonction de la charge)

• Influence de l’équilibrage des masses tournantes, de la génération de vibrations et de leurs conséquences sur le vol

• Suite à un vol, exploitation des données de positions enregistrées par le GPS

• Étude comparative du comportement sous charge de plusieurs trains d’atterrissages (RDM)

• Analyse de la chaîne d’information et communications

Projets:

• Conception et réalisation d'un châssis pliable ou démontable pour faciliter le rangement

• Equiper l'Hexacopter d'un parachute de secours

• Réalisation d'un blindage pour isoler l'antenne GPS des autres composants électroniques

• Augmentation de la puissance du drone

• Améliorer les performances du drone (équilibrage des masses et hélices et protection de l'altimètre pour améliorer la mesure

Activités et projets pédagogiques

STI2

D /

SSI

CP

GE

/ Su

pér

ieu

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Activités:

• Etude dynamique du basculement

• Etude et comparaison des solutions de motorisation de drones

• Etude des solutions de mesures d’inclinaison

• Etude comportementale sur modèle de simulation (Scilab ou Matlab)

• Influence de l’équilibrage des masses tournantes, de la génération de vibrations et de

leurs conséquences sur le vol

• Etude de l’asservissement de la nacelle sur deux axes

Projets:

• Conception et réalisation de sous-ensembles mécatroniques pour le drone (ex:

Parachute de secours…)

• Conception de nouvelles hélices

Exploitations pédagogiques envisageables

Diagramme SysML de définition des blocs. Ce diagramme

est utilisé pour décrire l’architecture matérielle du système.