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Université d’Antananarivo
Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo
Mention Electronique
Domaine : Science de l’ingénieur
Mention : Electronique
Parcours à visée de recherche : Systèmes et Dispositifs Electroniques
Soutenu le : 25 juin 2016
Année universitaire : 2013-2014
Mémoire en vue de l’obtention du diplôme de
Master à Visée de Recherche
Présenté par : SITRAKINIAVO Modeste Jedidja
Domaine : Science de l’ingénieur
Mention : Electronique
Parcours à visée de recherche : Systèmes et Dispositifs Electroniques
Devant le jury composé de :
Monsieur RASTEFANO Elisée, Président
Madame RABEHERIMANANA Lyliane Irène, Examinateur
Monsieur RATSIMBA Mamy Nirina, Examinateur
Monsieur RANDRIAMAROSON Rivo Mahandrisoa, Examinateur
Rapporteur : Monsieur HERINANTENAINA Edmond Fils
Mémoire en vue de l’obtention du diplôme de
Master à Visée de Recherche
Présenté par : SITRAKINIAVO Modeste Jedidja
Soutenu le : 25 juin 2016
Année universitaire : 2013-2014
i
REMERCIEMENTS
D’après les Saintes paroles de la Bible, selon Thessaloniciens : « En toutes
choses rendez grâce, car telle est la volonté de Dieu dans le Christ Jésus à votre égard
». C’est avec cette belle expression que je débute avec noblesse mes sincères remerciements
envers notre Seigneur Jésus-Christ pour toutes ses compassions de m’avoir donné
l’opportunité d’aboutir jusqu’au bout mes travaux de mémoire.
J’adresse également mes plus vifs remerciements à tous les membres du jury :
- Monsieur RASTEFANO Elisée, pour l’honneur qu’il m’a fait en présidant le
jury,
- Madame RABEHERIMANANA Lyliane Irène, Responsable du parcours à
visée de recherche SDE,
- Monsieur RATSIMBA Mamy Nirina, Enseignant dans le parcours SDE,
- et Monsieur RANDRIAMAROSON Rivo Mahandrisoa, Enseignant dans le
parcours SDE, pour l’intérêt qu’ils ont porté à mes recherches, en acceptant
d’examiner ce travail.
J’exprime également ma reconnaissance envers mon encadreur, Monsieur
HERINANTENAINA Edmond Fils pour tous ses précieux conseils et qualité
d’encadrement.
J’exprime mes gratitudes envers tous les enseignants de la mention électronique,
plus particulièrement ceux du parcours SDE, d’avoir partagé leurs connaissances et
leurs savoir-faire durant notre formation.
Je tiens aussi à remercier chaleureusement ma famille qui m’a soutenu durant tous
mes travaux, pour leurs appuis financiers, matériels et surtout moraux.
Et sans oublier tous mes amis et connaissances qui m’ont aussi apporté, de près
ou de loin, leurs soutiens et aides ; je vous remercie.
Jedidja
ii
RESUME
A Madagascar, l’utilisation d’un système drone dans le processus de
développement économique est plus que nécessaire. Toutefois, la mise en œuvre
d’un tel système est toujours difficile à cause des contraintes liées au poids, à la
performance et à l’énergie à embarquer.
Dans ce mémoire, on a étudié le principe de fonctionnement d’un système qui
sert à gérer l’énergie embarquée dans un minidrone quadri rotor. Le logiciel SysML a
été utilisé pour modéliser le fonctionnement du système. Pour les aspects matériels,
on a conçu des modèles constituants le système de gestion d’énergie avec
MATLAB/SIMULINK. On a pu mettre au point un modèle de « calculateur » qui gère
l’énergie à bord. Des simulations ont été faites, et il a été constaté qu’avec ce
calculateur, l’exploitation de l’énergie embarquée est gérée d’une façon optimale.
iii
LISTE DES ABREVIATIONS
AQL : Assurance Qualité Logiciel
CPLD : Complex Programmable Logic Device
FPGA : Field Programmable Arrays
GAL : Generic Array Logic
HALE : Haute Altitude Longue Endurance
IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers
JTAG : Joint Test Action Group
MALE : Moyenne Altitude Longue Endurance
MPPT : Maximum Power Point Tracker
PIA : Programmable Interconnect Array
PC : Personal Computer
SysML : Systems Modeling Language
UML : Unified Modeling Language
VHDL : VHSIC Hardware Description Language
VHSIC : Very High Speed Integrated Circuit
iv
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS ............................................................................................................................. i
RESUME ............................................................................................................................................ii
LISTE DES ABREVIATIONS ................................................................................................................ iii
TABLES DES MATIERES .................................................................................................................... iv
LISTE DES FIGURES .......................................................................................................................... vi
INTRODUCTION ............................................................................................................................... 1
Chapitre 1. Processus de développement d’un produit .................................................................. 2
1.1. Les différents types de cycle de développement .................................................................. 2
1.1.1. Modèle en CASCADE ...................................................................................................... 2
1.1.2. Modèle en V ................................................................................................................... 3
1.1.3. Autres modèles .............................................................................................................. 4
1.2. Test et Validation d’un logiciel ............................................................................................. 5
1.2.1. Définition et terminologie .............................................................................................. 5
1.2.2. Validation d’un logiciel .................................................................................................. 6
1.3. Les principaux outils utilisés dans la conception d’un système embarqué .......................... 6
1.3.1. Le Complex Programmable Logic Device ou CPLD ......................................................... 6
1.3.2. Le Field Programmable Gates Arrays ou FPGA .............................................................. 8
1.3.3. Outil de développement du CPLD-FPGA : le langage Very high speed integrated
circuits Hardware Description Langage ou VHDL .................................................................. 10
1.3.4. L’interface Joint Test Action Group ou JTAG ................................................................ 10
v
Chapitre 2. Principe de fonctionnement de la carte de contrôle .................................................. 13
2.1. Principe de base du système de gestion d’énergie ............................................................. 13
2.1.1. Prototype de l’architecture du minidrone ................................................................... 14
2.1.2. Synoptique de la carte de contrôle pour la gestion d’énergie ..................................... 15
2.2. Analyse du système sous Systems Modeling Language ou SysML ..................................... 16
2.2.1. Modélisation des exigences ......................................................................................... 17
2.2.2. Diagramme des cas d’utilisation ................................................................................. 18
2.2.3. Diagramme de définition de bloc ................................................................................ 19
2.2.4. Diagramme d’activité .................................................................................................. 22
Chapitre 3. Modélisations et simulations ..................................................................................... 27
3.1. Modélisations du système .................................................................................................. 27
3.1.1. Modélisation du panneau solaire ................................................................................ 27
3.1.2. Modélisation de la batterie ......................................................................................... 34
3.2. Simulation du système de gestion de l’énergie embarquée............................................... 36
3.2.1. Simulation du panneau solaire .................................................................................... 36
3.2.2. Simulation du système de gestion de l’énergie embarquée ........................................ 41
CONCLUSION ................................................................................................................................. 48
Annexe 1. Cycle de vie des logiciels ............................................................................................... 49
Annexe 2. Présentation générale du langage SysML .................................................................... 53
Annexe 3. Extrait du programme du calculateur embarquer pour gérer l’énergie ...................... 56
REFERENCES .................................................................................................................................. 58
vi
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1. Cycle en CASCADE ............................................................................................ 2
Figure 1.2. Cycle en V ......................................................................................................... 3
Figure 1.3. Circuit d'un CPLD.............................................................................................. 7
Figure 1.4. Structure interne des XC9500XL ...................................................................... 8
Figure 1.5. Structure d'un circuit FPGA .............................................................................. 9
Figure 1.6. Synoptique d'un interface JTAG d'un composant .......................................... 11
Figure 1.7. Schéma du montage de l'interface JTAG ....................................................... 12
Figure 2.1. Principe de base du système .......................................................................... 13
Figure 2.2. Architecture global du minidrone étudié ...................................................... 14
Figure 2.3. Synoptique des relais de commande ............................................................ 15
Figure 2.4. Synoptique de la carte de gestion de l’énergie embarquée .......................... 16
Figure 2.5. Diagramme d’exigence du système de Gestion de l’énergie embarquée ..... 17
Figure 2.6. Les acteurs du système .................................................................................. 19
Figure 2.7. Les cas d'utilisation du système ..................................................................... 19
Figure 2.8. Diagramme de cas d'utilisation du système .................................................. 20
Figure 2.9. Diagramme de définition de blocs du système ............................................. 22
Figure 2.10. Diagramme d'activité général du système .................................................. 23
Figure 2.11. Diagramme d'activité de la surveillance de l'énergie du panneau ............. 24
Figure 2.12. Diagramme d'activité de la surveillance de la batterie ............................... 25
Figure 2.13. Diagramme d'activité du calcul d'autonomie ............................................. 26
Figure 3.1. Schéma d’application de l’effet photovoltaïque ........................................... 27
Figure 3.2. Circuit équivalent d'une Cellule PV - modèle idéal ........................................ 28
Figure 3.3. Circuit équivalent d'une cellule PV - Modèle 1-D........................................... 29
Figure 3.4. Caractéristiques I-V et P-V d’une cellule solaire MSX60 ................................ 30
Figure 3.5. Influence de l'éclairement sur la caractéristique d'une cellule solaire .......... 31
Figure 3.6. Influence de la température sur la caractéristique d’une cellule solaire ...... 31
Figure 3.7. Structure d'un panneau solaire .................................................................... 32
Figure 3.8. Caractéristiques résultantes d’un groupement de ns cellules en série ......... 33
Figure 3.9. Caractéristiques résultant d’un groupement de np cellules en parallèle ...... 33
vii
Figure 3.10. Principe de fonctionnement d’une batterie ................................................. 34
Figure 3.11. Variation de la capacité en fonction du courant de décharge .................... 35
Figure 3.12. Variation de la capacité en fonction de la température ............................. 35
Figure 3.13. Schéma de base des cellules du panneau solaire ........................................ 36
Figure 3.14. Les paramètres de base d’une cellule du panneau solaire .......................... 37
Figure 3.15. Simulation du module du panneau solaire .................................................. 37
Figure 3.16. Caractéristique du panneau solaire en fonction de l’éclairage ................... 38
Figure 3.17. Synoptique de la batterie et le circuit de charge ......................................... 38
Figure 3.18. Synoptique du chargeur de la batterie ........................................................ 39
Figure 3.19. Allure de l’éclairement de la simulation ...................................................... 39
Figure 3.20. Résultat de la simulation ............................................................................. 40
Figure 3.21. Synoptique du montage global du système de gestion d’énergie embarquée ......................................................................................................................................... 42
Figure 3.22. Les constituants du CALCULATEUR .............................................................. 43
Figure 3.23. Simulation avec une batterie 100% chargée et une demande en puissance de 150W ........................................................................................................................... 46
Figure 3.24. Simulation avec une batterie en cours de charge et une demande en puissance de 450W .......................................................................................................... 47
Figure A.1. Etape de développement d’un logiciel .......................................................... 51
Figure A.2. Nano-drone ................................................................................................... 53
Figure A.3. Micro-drone ................................................................................................... 54
Figure A.4. Mini-drone ..................................................................................................... 54
Figure A.5. Drone MALE ................................................................................................... 55
Figure A.6. Drone HALE .................................................................................................... 55
Figure A.7. Les diagrammes SysML ................................................................................. 56
1
INTRODUCTION
Depuis la nuit des temps, l’Homme s’est préoccupé à la recherche de la source
d’énergie pour répondre à ses besoins. Suite à cette soif de découverte, plusieurs inventions
ont été faites si nous ne citons que l’électricité qui est le pilier de toutes les évolutions
modernes. Mais souvent, le problème pour les chercheurs c’est de voir comment concevoir
un objet de conservation d’énergie avec une grande capacité de stockage mais d’une taille
réduite.
Dans les domaines de la nouvelle technologie et plus particulièrement dans les
systèmes embarqués, le problème est de taille. En effet, pour un système embarqué comme
le drone, trouver une solution optimale aux contraintes imposées par le poids, la performance
et la quantité d’énergie à embarquer est toujours un défi.
A Madagascar, l’utilisation des drones pour appuyer le développement économique
est plus que nécessaire. Conscient que l’utilisation des drones est d’une importance capitale
malgré la complexité de mise en œuvre, dans ce mémoire, nous essayons d’apporter notre
contribution pour rendre possible l’usage des drones plus performants dans notre pays.
Le présent mémoire intitulé « Système de gestion d’énergie embarquée dans un
minidrone » est divisé en trois chapitres. Dans le premier chapitre, nous allons présenter le
processus de développement d’un produit. On y traitera les différents types de cycle de
développement d’un produit, le test et la validation d’un logiciel ainsi que les principaux outils
utilisés dans la conception d’un système embarqué. Le deuxième chapitre sera axé sur le
principe de fonctionnement de la carte de contrôle qui sert à contrôler l’énergie embarquée
dans un minidrone quadrirotor. Enfin, dans le troisième chapitre, on montrera les résultats
obtenus via les simulations des modèles conçus en se basant sur le chapitre 2.
2
Chapitre 1. Processus de développement d’un produit
Pour obtenir un système opérationnel, il faut suivre certain nombre de processus. Dans
ce chapitre, nous allons essayer d’expliciter les marches à suivre en étudiant les différents
types de cycle de développement, le test et la validation d’un logiciel ainsi que les outils utilisés
dans la conception d’un système embarqué.
1.1. Les différents types de cycle de développement
Un modèle est une représentation abstraite et simplifiée de la réalisation en vue de la
décrire et il exclut certains détails de la réalité qui n’influent pas de manière significative sur
le phénomène étudié. Les modèles doivent avoir un comportement très proche du phénomène
réel. Les différents modèles présentés dans ce paragraphe sont basés sur l’étude du cycle de
vie des logiciels (Annexe1).
1.1.1. Modèle en CASCADE
Le modèle de cycle de vie en cascade est un modèle linéaire qui a été mise au point dès
1966, puis formalisé aux alentours de 1970 (Fig.1.1) [1].
Figure 1.1. Cycle en CASCADE [1]
Etude préliminaire
Analyse des besoins
Conception générale
Conception détaillée
Intégration
Déploiement
Exploitation et
Maintenance
Programmation
Validation
Validation
Vérification
Vérification
Test unitaire
Test
d’intégration
Validation
3
a. Principe
Dans ce modèle, le principe est très simple. Chaque phase se termine à une date
précise par la production de certains documents ou logiciels. Les résultats sont définis sur
la base des interactions entre étapes. Ils sont soumis à une revue approfondie et on ne
passe pas à la phase suivante que s’ils sont jugés satisfaisants.
b. Avantages et Inconvénients
i. Avantages
C’est un modèle facile à utiliser, à comprendre et fonctionne bien quand la qualité
est beaucoup plus importante que les couts. Il est bien adapté pour des petits
systèmes et avec une facilité de planification des étapes et des délais.
ii. Inconvénients
Une phase ne peut démarrer que si l’étape précédente est finie et la vérification
du bon fonctionnement du système s’effectue très tardivement. Il n’est pas flexible,
car il ne traite pas les évolutions et les exigences du logiciel.
c. Environnements d’utilisations
Il est recommandé d’utiliser le modèle en CASCADE si la phase de spécification a été
très bien faite, la définition du produit est stable et que la technologie utilisée est bien
maîtrisée
1.1.2. Modèle en V
Le modèle en V demeure actuellement le cycle de vie le plus connu et le plus utilisé. Ce
diagramme est parcouru de gauche à droite en suivant la forme de la lettre (Fig.1.2). Les
activités de construction précèdent les activités de validation et vérification.
Orientation
Analyse des besoins
Conception de l’architecture
Conception détaillée
Tests d’intégration
Tests d’acceptation
Maintenance
Test unitaire
Codage
Figure 1.2. Cycle en V [1]
4
a. Principe
Le principe de ce modèle est que les procédures de vérification de la conformité du
logiciel aux spécifications doivent être élaborées dès les phases de conception. Comme
illustré dans la figure.1.3, le système à développer serait décomposé en module. Chaque
module serait conçu, développé et testé séparément. Les différents modules pourraient
alors être intégrés dans le système global au fur et à mesure.
b. Avantages et Inconvénients
i. Avantages
Les tests sont effectués à chaque étape et le planning est établi à l’avance. En
plus, les phases de validation sont prises en main très tôt dans le processus de
développement.
ii. Inconvénients
C’est un modèle plus complexe que le modèle en cascade, difficile à mettre en
œuvre et la phase de conception et de réalisation sont difficiles à séparer.
c. Environnements d’utilisations
Il est recommandé d’utiliser le modèle en V, si :
- les spécifications de besoins sont bien faites,
- la solution à développer et la technologie à utiliser sont parfaitement connues,
- les changements sont faits avant l’analyse.
1.1.3. Autres modèles
a. Modèle de cycle de vie en spirale
Proposé par Boehm en 1988, ce modèle est beaucoup plus général que le modèle en
V. Il met l’accent sur l’activité d’analyse des risques.
Chaque cycle de la spirale se déroule en quatre phases :
- la détermination des objectifs, des alternatives et des contraintes ;
- l’analyse des risques, évaluation des alternatives ;
- le développement et vérification de la solution retenue ;
- la revue des résultats et vérification du cycle suivant.
Le modèle utilise des maquettes exploratoires pour guider la phase de conception du
cycle suivant.
5
b. Modèle par incrément
Dans le modèle par incrément, un seul ensemble de composant est développé à la
fois. Des incréments viennent s’intégrer à un noyau de logiciel développé au préalable.
Les avantages de ce type de modèle sont :
- chaque développement est moins complexe ,
- les intégrations sont progressives ,
- et il est possible de livrer et de mettre en service chaque incrément.
Les risques de ce type de modèle sont :
- la remise en cause les incréments précédents ,
- et l’impossibilité d’intégrer de nouveaux incréments.
1.2. Test et Validation d’un logiciel
1.2.1. Définition et terminologie
a. Le test du logiciel
Le test du logiciel est une approche dynamique de la vérification destinée à s’assurer
que ce logiciel possède effectivement les caractéristiques requises pour son contexte
d’utilisation.
La première action à entreprendre est donc de décrire avec précision ce contexte, en
particulier les fonctionnalités attendues, les contraintes d’environnement, ou encore les
situations dangereuses à considérer.
Ainsi, les tests permettent de valider une application ou un module tout au long de son
développement.
b. Les différents types de test du logiciel
Les tests doivent être menés à différents niveaux du développement d’un logiciel. En
suivant le « cycle en V » de développement du logiciel, ils se décomposent en trois types :
i. Test unitaire
On effectue ce test pour démontrer que chaque module effectue toute la fonction
prévue et seulement cette fonction. On peut distinguer dans ces tests unitaires : les
tests de logique (recherche d’erreur) et les tests de calcul (vérification des résultats
des calculs, des performances, de l’exactitude des algorithmes).
6
ii. Test d’intégration
Le test d’intégration est fait pour démontrer le bon fonctionnement d’unités
fonctionnelles constituées d’un assemblage de module. Ils portent principalement sur
la vérification des enchaînements entre modules, la circulation des données, les
aspects dynamiques, les séquences d’évènements prévus et les reprises en cas
d’interruption.
iii. Test de validation
Le test de validation est utilisé pour s’assurer que le logiciel implanté dans le
matériel répond aux spécifications fonctionnelles. On vérifie plus particulièrement les
fonctions générales, les interfaces matériel/logiciel, le fonctionnement temps réel, les
performances, l’utilisation et l’allocation des ressources.
1.2.2. Validation d’un logiciel
La phase de validation est le fait de vérifier que le logiciel répond bien aux exigences
définies dans le document de spécification des exigences du logiciel (cahier de charge). Ces
tests sont accompagnés de document de :
- plan de test, qui définit l’organisation et l’environnement de mise en œuvre des tests,
ainsi que la prévision et la planification des tests.
- description des tests de validation du logiciel, qui sert de support à l’exécution des tests.
Il décrit les procédures et les outils à mettre en œuvre.
- rapport de tests de validation du logiciel, qui enregistre les résultats du déroulement des
test.
La procédure de validation consiste donc à exécuter les tests du document de
description des tests de validation du logiciel et à enregistrer les résultats des tests dans le
rapport des tests de validation du logiciel.
7
1.3. Les principaux outils utilisés dans la conception d’un système
embarqué
On utilise des circuits programmables pour concevoir un système embarqué.
1.3.1. Le Complex Programmable Logic Device ou CPLD
a. Définition
Le CPLD est un circuit programmable hiérarchique regroupant un ensemble de circuit
programmable élémentaire et un réseau d’interconnexion programmable.
Chacun des blocs logiques élémentaires est équivalent à un circuit GAL (Generic Array
Logic) et l’ensemble de ceux-ci est relié au bloc d’interconnexion PIA (Programmable
Interconnect Array) (Fig.1.3) [2].
b. Structure interne des CPLDs.
Considérons la famille XC9500XL de Xilinx, on a [3] :
- une tension d’alimentation de 3.3V,
- une fréquence maximale de fonctionnement jusqu’à 208 MHz ;
Figure 1.3. Circuit d'un CPLD [2]
8
La structure interne des CPLDs XC9500XL correspond au schéma de la Fig.1.4.
c. Les limitations
Les CPLDs disposent quelques limites :
- ils sont impossibles d’implémenter des fonctions multi-niveaux et de partager des
produits entre fonctions,
- ils n’ont qu’un seul chemin entre deux points,
- ils ne sont pas flexibles.
1.3.2. Le Field Programmable Gates Arrays ou FPGA
a. Définition
Les FPGA sont des composants entièrement reconfigurables. Ce qui permet de les
reprogrammer à volonté afin d’accélérer certaines phases de calcul.
Cette technologie permet d’implanter un grand nombre d’applications et offre une solution
d’implantation matérielle à faible coût.
Figure 1.4. Structure interne des XC9500XL [2]
9
Les FPGAs sont utilisés dans de nombreuses applications, dont :
- le prototypage de nouveaux circuits ;
- le fabrication de composants spéciaux en petite série ;
- l’adaptation aux besoins rencontrés lors de l’utilisation ;
- les systèmes de commande à temps réel ;
- et les systèmes embarqués.
b. Architecture
Les circuits FPGA sont constitués d’une matrice des blocs logiques programmables
entourés de bloc d’entrée/sortie programmable. L’ensemble est relié par un réseau
d’interconnexion programmable comme présenté dans la Fig.1.5.
La structure du FPGA présentée dans la Fig.1.6 est composée de :
- cellules d’entrées/sorties modifiables, qui servent d’interfaces entre les broches du
circuit et le cœur du FPGA pour adapter les signaux d’alimentation, les signaux
d’horloge, les signaux de configuration du FPGA et les signaux de test,
- blocs logiques ou éléments logiques, contenant les fonctions logiques combinatoires
et séquentielles,
- des réseaux d’interconnexions, qui relient entre eux les blocs logiques et les blocs
d’entrées/sorties,
- un microprocesseur, pour ordonnancer les commandes reçues par le FPGA.
Figure 1.5. Structure d'un circuit FPGA [2]
10
Les avantages du FPGA
Les FPGAs présentent plusieurs avantages :
- ce sont des circuits reprogrammables, ce qui les permettent d’être modulable et
donne la possibilité de modifier le programme générique de base afin de rendre
spécifique au circuit utilisé.
- ils sont réutilisables à d’autres projets ;
- leurs reprogrammations sont quasi-instantanées, ce qui les rendent plus rapide
à implémenter.
1.3.3. Outil de développement du CPLD-FPGA : le langage Very high speed
integrated circuits Hardware Description Langage ou VHDL
a. Généralité
Le but d’un langage de description matériel tel que le VHDL est de faciliter le
développement d’un circuit numérique en fournissant une méthode rigoureuse de
description du fonctionnement et de l’architecture du circuit désiré. Cet outil va permettre
au concepteur de programmer le circuit à partir de la description de la fonction à réaliser.
La compilation va permettre dans un premier temps de vérifier la cohérence de la
description et la syntaxe du langage utilisé, puis d’effectuer une simulation fonctionnelle.
b. Principe
Etant donné qu’un circuit logique programmable, est un ensemble de portes et de
bascules élémentaires, intégrées dans un même puce, mais déconnectées les unes des
autres, le développeur, via un langage de description (Verilog, VHDL), relie les portes ou
les bascules nécessaires, en vue d’obtenir la structure logique souhaitée.
1.3.4. L’interface Joint Test Action Group ou JTAG
a. Généralité
Le JTAG est le nom de la norme IEEE 1149.1 intitulée “Standard Test Access Port
and Boundary-Scan Architecture" [4]. Cette interface permet de tester chaque composant
d’un ensemble de systèmes électroniques de manière isolée, et d’observer les états de
toutes les lignes internes et périphériques des composants. Il est alors possible de
déterminer les circuits défectueux, et les pistes en court-circuit ou altérées.
JTAG est une norme désignant un protocole de communication conçue pour le test de
carte électronique.
11
b. Les intérêts de l’interface
Le principal intérêt de ce procédé est de rendre possible la programmation d’un
circuit par la même interface, sans pour autant perturber ou altérer la fonctionnalité des
circuits en plein activité.
De plus, les tests sont réalisables quels que soient les composants utilisés et on
décède de manière sure et précise les défauts de conception. Il devient donc possible de
tester des infrastructures électroniques complexes, tout en évitant de démonter les
équipements pour tester et mesurer physiquement les points critiques.
Enfin, la rapidité est un autre de ses intérêts. Il est possible d’effectuer les tests
rapidement pour réagir dans un délai très court.
c. Synoptique de l’interface physique
Un composant compatible JTAG est constitué d’un circuit joint à une interface JTAG.
Cette interface a une structure proche d’une unité de traitement informatique. Elle
fonctionne avec des données et des instructions. Elle possède des registres
caractéristiques et un contrôleur pilote les informations. Pour un composant, elle est
définie par le schéma synoptique de la Fig.1.6.
Figure 1.6. Synoptique d'un interface JTAG d'un composant [5]
12
d. Mode opératoire
Une interface JTAG est connectée entre la carte cible et un ordinateur pour
l’opération de programmation in-situ, comme le montre la Fig.1.7.
.
Dans ce chapitre, nous avons pu voir les étapes de conception d’un logiciel et les
outils spécifiques pour une carte de contrôle embarqué. Ces éléments donnent la facilité
de conception ainsi que la possibilité de modification du système embarqué.
L’exploitation de ces avantages sera présentée dans le chapitre suivant lors de la
modélisation d’une carte de contrôle qui sert à gérer l’énergie embarquée dans un
minidrone quadrirotor (Annexe 2).
Figure 1.7. Schéma du montage de l'interface JTAG [6]
13
Chapitre 2. Principe de fonctionnement de la carte de
contrôle
Modéliser un système avant sa réalisation permet de mieux comprendre le
fonctionnement du système. C’est également un moyen de maîtriser sa complexité et
d’assurer sa cohérence. Un modèle est un langage commun, précis, qui est connu par tous
les membres de l’équipe. Il est donc, à ce titre, un vecteur privilégié pour communiquer. Dans
le domaine de l’ingénierie du logiciel, le modèle permet de mieux répartir les tâches et
d’automatiser certaines d’entre elles.
2.1. Principe de base du système de gestion d’énergie
Plusieurs études ont été déjà menées sur la conception d’un modèle d’un minidrone
pour plusieurs usages différents.
Mais le problème qui se pose jusqu’aujourd’hui est comment optimiser la source d’énergie
embarquée utilisée durant le vol du minidrone ?
Le principe de base amené par cette carte de contrôle de la gestion d’énergie embarquée est
de gérer les deux types de source d’énergie : panneau solaire et batterie (Fig.2.1).
L’objectif est d’utiliser plus l’énergie fournie par le panneau solaire, afin de diminuer le nombre
de batterie utilisée pour minimiser l’encombrement et le poids.
Figure 2.1. Principe de base du système
14
Notons que le modèle en V est utilisé pour le processus de conception de ce système,
pour ses divers avantages comme mentionnés dans le Chapitre1.
Prototype de l’architecture du minidrone
Dans nos études, nous allons utiliser le modèle présenté dans la référence [7].
L’architecture du minidrone est représenté à la Fig.2.2.
Figure 2.2. Architecture global du minidrone étudié [7]
Le système à concevoir
15
Synoptique de la carte de contrôle pour la gestion d’énergie :
Comme l’illustre la figure.2.3, quelques modifications ont été apportées pour pouvoir
améliorer la gestion de l’énergie en intégrale.
a. Implantation du module de surveillance
Trois modules de surveillance ont été installés pour surveiller respectivement en temps
réel :
- la puissance fournie par le panneau solaire,
- l’état de charge de la batterie,
- la puissance d’énergie fournie par les sources d’énergie,
- et la puissance d’énergie demandée par le minidrone.
b. Utilisation d’un capteur de température
Un capteur de température est utilisé pour que le régulateur puisse calculer
l’autonomie du panneau solaire en fonction de ce dernier.
c. Utilisation de relais
Deux relais commandés par le « CALCULATEUR » sont ensuite utilisés pour choisir
le type de source d’énergie sollicité (Fig.2.3).
Figure 2.3. Synoptique des relais de commande
16
Ainsi, on peut utiliser directement, soit l’énergie fournie par les panneaux solaires, soit
l’énergie stockée dans les batteries. Dans la pire des cas, on exploite les deux.
2.2. Analyse du système sous Systems Modeling Language ou
SysML
SysML est un profil d’UML 2.0 fournissant aux ingénieurs un langage de modélisation
allant bien au-delà des problématiques de l’informatique [8].
SysML est un langage graphique, composé de diagramme qui permet d’aborder plus
facilement les systèmes pluri techniques (Annexe2).
Les diagrammes SysML permettent de représenter :
- les exigences du système,
- les composants du système,
- les flux de toute nature (matière, énergie et information),
- et le fonctionnement du système.
Panneau solaire
BATTERIE Système de
protection
batterie
Système de
surveillance
batterie
Système de
surveillance énergie
du panneau solaire
Système de
surveillance des
charges demandées
CARTE MERE
Les
appareils
Système de
régulation
Système de surveillance
des énergie fournis
CALCULATEUR
Capteur de
température
Figure 2.4. Synoptique de la carte de gestion de l’énergie embarquée
: signal de consigne
: signal de commande
: energies fournies
17
2.2.1. Modélisation des exigences
Une exigence spécifie une capacité ou une condition qui doit être satisfaite. Dans le cas
d’une modélisation d’un système, une exigence définie un niveau de performance qu’une
fonctionnalité de ce système doit atteindre.
Un diagramme des exigences permet de hiérarchiser et de décrire les exigences d’un système
sous la forme de graphique, de tableau ou d’arborescence.
a. Diagramme d’exigence global du système gestion d’alimentation
La figure.2.5 montre le diagramme d’exigence de notre système de gestion
d’alimentation
b. Spécifications des exigences
Comme le montre la figure.2.5, il existe plusieurs exigences que doit fournir le
système de gestion de l’énergie embarquée pour bien gérer les sources d’énergie.
i. Surveiller l’énergie fournie par le panneau solaire
Le système doit mesurer la tension et le courant fournis par le panneau solaire.
Ensuite, il calcule la proportionnalité de ces derniers par rapport à la température
fournie par le soleil pour pouvoir calculer la charge que peut supporter le panneau
solaire.
Figure 2.5. Diagramme d’exigence du système de Gestion de l’énergie embarquée
18
ii. Surveiller le niveau de charge de la batterie :
Le système doit mesurer la tension et le courant fournis par la batterie en
calculant la puissance fournie par cette dernière. Il calcule ensuite l’autonomie de la
batterie en fonction de la charge demandée.
iii. Surveiller la charge demandée :
Le système doit collecter des informations vers la carte mère à temps réel sur le
niveau de la charge demandée, en fonction des besoins du minidrone.
iv. Surveiller l’énergie fournie par le système :
Pour pouvoir prendre la bonne décision et pour vérifier le bon fonctionnement
des sources d’énergie de la minidrone (panneau solaire et batterie), le système doit
mesurer à temps réel l’énergie fournie par le système.
v. Protéger la batterie :
Pour conserver le bon fonctionnement de la batterie, le système doit procéder à
la coupure de la charge de la batterie une fois cette dernière est chargée et rechargée
dans le cas contraire.
vi. Choisir le type de source d’énergie :
Après avoir collecter toutes les informations des sources d’énergie et la charge
demandée par le minidrone, le système doit prendre une décision sur le choix du type
de source d’énergie (panneau solaire et/ou batterie).
vii. Envoyer un signal d’alarme :
Une fois l’énergie fournie par les sources d’énergie est insuffisante par rapport à
la demande, le système doit envoyer un signal d’alarme à la carte mère pour signaler
la situation critique, et force le minidrone à atterrir.
2.2.2. Diagramme des cas d’utilisation
Un cas d’utilisation est la description d’un ensemble de séquences d’actions qu’un
système effectue pour produire un résultat observable à un acteur.
Les diagrammes de cas d’utilisation décrivent ce qu’un système fait du point d’un observateur
externe. Il exprime les services offerts par le système aux utilisateurs.
19
a. Les acteurs du système
i. Définition
Un acteur représente un élément externe qui interagit avec le système. Cet
élément peut être un utilisateur ou un système tiers.
Tous les éléments extérieurs qui stimulent le système et tous les éléments
extérieurs qui sont utilisés par le système sont représentés par des acteurs.
ii. Représentation des acteurs du système
Le système présente trois types d’acteur différent (Fig.2.6), dont :
- le calculateur, l’acteur primaire qui effectue tous les actions au niveau du
système ;
- le panneau solaire et la batterie, deux acteurs secondaires qui interagissent
avec le système sur le choix de la source d’énergie.
b. Le cas d’utilisation
i. Définition
Le cas d’utilisation modélise un dialogue entre un acteur et le système. Il permet
de mettre en évidence les relations fonctionnelles entre les acteurs et le système
étudié.
ii. Représentation des cas d’utilisation du système
Le système présente trois types de cas d’utilisation pour pouvoir gérer la source
d’énergie (Fig.2.7)
Figure 2.6. Les acteurs du système
Contrôler la charge
de la batterie Choisir la source
d’énergie
Envoyer une
alarme
Figure 2.7. Les cas d'utilisation du système
CALCULATEUR
20
c. Diagramme de cas d’utilisation du système
Le diagramme de la figure.2.8 donne un aperçu détaillé des cas d’utilisation du
système de gestion d’alimentation embarqué du minidrone, ainsi que les interactions avec
les acteurs primaires et secondaires.
Le diagramme montre que dans le cas d’utilisation « choisir la source d’énergie », les
deux acteurs secondaires : panneau solaire et batterie s’interagissent dans le système.
Nous pouvons remarquer que pour contrôler la charge de la batterie, le système n’a
que deux options :
- Charger la batterie : dans le cas où cette dernière est déchargée ;
- Couper la charge de la batterie : dans le cas contraire.
Cette coupure de charge, quand la batterie est chargée, est exécutée pour conserver
le bon état de la batterie.
Figure 2.8. Diagramme de cas d'utilisation du système
CALCULATEUR
21
2.2.3. Diagramme de définition de bloc
Le bloc SysML constitue la brique de base pour la modélisation de la structure d’un
système. Ce bloc peut représenter un système complet, un sous-système ou un composant
élémentaire.
On a différentes zones :
- la définition du bloc qui présente son nom et son type,
- les attributs qui représentent des propriétés qui caractérisent ce bloc,
- et les opérations qui représentent ce que l’on peut demander au bloc.
a. Diagramme de définition de bloc du système
Le diagramme de définition de bloc du système de gestion d’alimentation (Fig.2.9) est
composé de plusieurs sous-systèmes dont chacun joue un rôle bien précis :
i. le calculateur
C’est le sous-système qui gère la source de l’énergie en fonction des
circonstances existantes.
ii. le capteur de température
C’est le sous-système qui fournit la valeur de la température à temps réel.
iii. le système de surveillance de la charge demandée
C’est le sous-système qui collecte l’information concernant le niveau de la charge
demandée par le minidrone donnée par la carte mère.
iv. le système de surveillance de l’énergie fournie par les sources d’énergie
C’est le sous-système qui mesure la puissance des énergies fournies par les
sources d’énergie embarquée.
v. le système de surveillance du niveau de charge de la batterie
C’est le sous-système qui mesure le niveau de charge de la batterie ainsi que son
autonomie en fonction de la charge demandée.
vi. le système de surveillance de l’énergie fournie par le panneau solaire
C’est le sous-système qui mesure la puissance fournie par le panneau solaire.
22
2.2.4. Diagramme d’activité
Le diagramme d’activité est utilisé pour représenter les étapes d’un traitement.
Il permet de représenter le déroulement d’un processus sous la forme d’une activité
correspondant à une décomposition séquentielle d’action appelée tâches.
Dans sa forme la plus restreinte, ce diagramme représente un logigramme, c’est-à-dire un
flux de contrôle.
a. Diagramme d’activité générale du système de gestion d’alimentation
Le diagramme d’activité de la figure.2.10, représente l’activité générale du système de
gestion d’alimentation.
Pendant toutes les processus, le système effectue deux tests consécutifs :
- test si la batterie est chargée ;
- test si la puissance fournie par le panneau solaire est suffisante pour satisfaire la
charge demandée.
Les décisions prises seront en fonction des résultats et des informations obtenues.
Figure 2.9. Diagramme de définition de blocs du système
CALCULATEUR + Calculateur
23
Figure 2.10. Diagramme d'activité général du système
24
b. Diagramme d’activité “système de surveillance"
Le système utilise trois systèmes de surveillance.
i. Système de surveillance de l’énergie du panneau solaire
Afin de bien gérer l’énergie fournie par le panneau solaire, un programme de
surveillance doit collecter plus d’information sur le panneau solaire. Ces informations
aident le système au choix des deux sources d’énergie (Fig.2.11).
Figure 2.11. Diagramme d'activité de la surveillance de l'énergie du panneau
25
ii. Système de surveillance de la charge de la batterie
Le système de surveillance de la charge de la batterie aide le système à gérer le
temps de charge de la batterie en calculant le niveau de la charge ainsi que la puissance
fournie par celle-ci (Fig.2.12).
Figure 2.12. Diagramme d'activité de la surveillance de la batterie
26
iii. Calcul de l’autonomie de la source d’énergie embarquée
Il est primordial de calculer l’autonomie de la source d’énergie embarquée afin
d’assurer la sécurité du minidrone (Fig.2.13). C’est-à-dire, avant d’envoyer un signal
d’alarme, le système doit envoyer à la carte mère l’autonomie supportée par la source
d’énergie pour qu’il puisse prendre la bonne décision du secours.
Figure 2.13. Diagramme d'activité du calcul d'autonomie
27
Chapitre 3. Modélisations et simulations
L’organisation fonctionnelle présentée dans le précèdent chapitre sert à modéliser le
système de gestion de l’énergie que nous souhaitons mettre en œuvre.
3.1. Modélisations du système
3.1.1. Modélisation du panneau solaire
L’énergie solaire photovoltaïque convertit directement le rayonnement lumineux en
électricité. Elle utilise pour cela des modules photovoltaïques de cellules solaires ou des
photopiles qui réalisent cette transformation d’énergie.
a. Modèle équivalent des cellules photovoltaïques ou PV [10]
Pour développer un circuit équivalent précis pour une cellule photovoltaïque, il est
nécessaire de comprendre la configuration physique des éléments de la cellule ainsi que
les caractéristiques électriques de chaque élément.
On rencontre dans la littérature plusieurs modèles représentatifs pour la cellule PV qui
diffèrent entre eux par la procédure et le nombre de paramètre intervenant dans le calcul
de la tension et du courant final du générateur photovoltaïque.
i. Modèle de base
Le principe de l’effet photovoltaïque n’est autre que celui d’une diode. Ainsi,
lorsqu’on éclaire la jonction PN, la cellule est chargée par une résistance. On observe
alors l’apparition d’un courant « I » traversant une charge Rch, et une tension « V » au
borne de cette charge (Fig.3.1).
Figure 3.1. Schéma d’application de l’effet photovoltaïque
28
ii. Modèle idéal
La réflexion présentée dans la figure.3.1 nous permet d’aboutir au modèle
électrique équivalent de la cellule photovoltaïque représentée dans la figure.3.2, appelé
le modèle idéal. C’est le modèle le plus simple pour représenter la cellule solaire, car il
ne tient compte que du phénomène de diffusion. Le circuit équivalent simplifié d’une
cellule solaire se compose d’une diode et d’une source de courant montés en parallèle.
La source du courant produit le photon courant Iph qui est directement proportionnel
à l’éclairement solaire G.
L’équation courant tension « I – V » du circuit équivalent est donné comme suit :
𝐼 = 𝐼𝑃𝑉 − 𝐼𝐷
avec :
𝐼: 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 𝑓𝑜𝑢𝑟𝑛𝑖 𝑝𝑎𝑟 𝑙𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑢𝑙𝑒
𝐼𝑃𝑉: 𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜𝑛 − 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑢𝑙𝑒 proportionnel à l’éclairement (G)
𝐼𝐷 = 𝐼0 [𝑒𝑥𝑝 (𝑉
𝑎𝑉𝑇) − 1] 𝑎𝑣𝑒𝑐: 𝑉𝑇 =
𝑘. 𝑇
𝑞
Donc l’équation du courant délivré par une cellule photovoltaïque est décrite par :
𝐼 = 𝐼𝑃𝑉 − 𝐼0 [𝑒𝑥𝑝 (𝑉
𝛼𝑉𝑇) − 1]
avec :
𝐼0: 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑒
𝑉𝑇: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑡𝑖𝑒𝑙𝑙𝑒 𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑜𝑑𝑦𝑛𝑎𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒
𝑘: 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐵𝑜𝑙𝑡𝑧𝑚𝑎𝑛 (1,38. 10−23𝐽 °𝐾−1)
𝑞: 𝑙𝑎 𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 𝑑′𝑢𝑛 é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛
𝛼: 𝑙𝑒 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟 𝑑′𝑖𝑑é𝑎𝑙𝑖𝑡é 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑗𝑜𝑛𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛
𝑉: 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑢𝑥 𝑏𝑜𝑟𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑢𝑙𝑒
Figure 3.2. Circuit équivalent d'une Cellule PV - modèle idéal
29
iii. Modèle a une diode « Modèle 1-D »
Ce modèle tient compte non seulement des pertes en tension exprimée par la
résistance série Rs (Fig.3.3) mais aussi des fuites de courants exprimées par une
résistance parallèle Rp.
C’est le modèle sur lequel s’appuient les constructeurs en donnant les
caractéristiques techniques de leurs cellules solaires. Il est aussi considéré satisfaisant
et même une référence pour les constructeurs pour cataloguer typiquement les modules
solaires.
L’équation du courant délivré par la cellule photovoltaïque est décrite par :
𝐼 = 𝐼𝑃𝑉 − 𝐼0 [𝑒𝑥𝑝 (𝑉
𝛼𝑉𝑇) − 1] − (
𝑉 + 𝐼𝑅𝑆
𝑅𝑝)
𝑅𝑝: 𝐿𝑎 𝑟é𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑚𝑜𝑑é𝑙𝑖𝑠𝑎𝑛𝑡 𝑙𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡𝑠 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑖𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑗𝑜𝑛𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛
De nombreux auteurs ont proposé des modèles plus sophistiqués qui représentent avec
plus de précision le phénomène photovoltaïque. On recense ainsi le modèle à deux diodes, à
trois diodes incluant dans le schéma équivalent les effets non pris en compte dans les autres
modèles.
L’inconvénient dans cette représentation est que le nombre de paramètre inconnu
augmente en augmentant le nombre de diodes dans le schéma électrique.
Figure 3.3. Circuit équivalent d'une cellule PV - Modèle 1-D
30
iv. Caractéristiques I-V et P-V d’une cellule solaire
En présence de soleil, chacune des cellules photovoltaïques produit un courant I et
une tension U. Le produit de ces grandeurs donne une puissance P.
La figure.3.4 montre les caractéristiques I-V et P-V d’une cellule solaire de type
MSX60.
Figue 3.4. Caractéristique I-V et P-V d’une cellule solaire MSX60 [9]
Maximum Power Point
Vmp & Imp
Maximum
Power Point
31
v. Influence de l’éclairement et de la température sur le panneau solaire
- Effet de l’éclairement sur le panneau solaire
Une baisse de l’éclairement du soleil provoque une baisse du courant solaire Icc
proportionnelle à la variation de l’éclairement du soleil accompagnée d’une légère diminution
de la tension Vco et donc un décalage du point Pmax du panneau solaire vers les puissances
inférieures (Fig.3.5) [10].
L’intensité lumineuse captée par le module photovoltaïque se mesure en W/m2 et varie
entre 0 et 1 000 W/m2.
- Effet de la température sur le panneau photovoltaïque
Les paramètres du panneau solaire changent en fonction de la température (Fig.3.6). Une
élévation de la température des cellules solaires provoque un important accroissement de leur
courant l’obscurité. Il y a une légère augmentation du courant Icc accompagnée d’une forte
diminution de la tension Vco et donc un décalage du point Pmax vers les puissances inférieures
(Fig.3.6).
Figure 3.6. Influence de la température sur la caractéristique d’une cellule solaire [11]
Figure 3.5. Influence de l'éclairement sur la caractéristique d'une cellule solaire [11]
32
b. Architecture d’un générateur photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque élémentaire constitue donc un générateur électrique de
faible puissance insuffisante en tant que source d’énergie pour la plupart des applications
domestiques ou industrielles. De ce fait, les générateurs photovoltaïques sont réalisés
par association, en série et/ou parallèle, d’un grand nombre de cellule élémentaire
(Fig.3.7).
i. Association en série
Une association de ns cellules en série permet d’augmenter la tension du
générateur photovoltaïque. Les cellules sont alors traversées par le même courant et
la caractéristique résultant du groupement série est obtenue par addition des tensions
élémentaires de chaque cellule (Fig.3.8).
L’équation ci-dessous résume les caractéristiques électriques d’une association
série de nS cellules.
𝑉𝐶𝑂𝑛𝑠= 𝑛𝑠 + 𝑉𝑐𝑜 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝐼𝐶𝐶 = 𝐼𝐶𝐶𝑛𝑠
Figure 3.7. Structure d'un panneau solaire [11]
33
L’association série permet ainsi d’augmenter la tension de l’ensemble et donc d’accroître
la puissance de l’ensemble.
ii. Association en parallèle
Une association parallèle de ns cellules est possible et permet d’accroître le
courant de sortie du générateur ainsi créé. Dans un groupement de cellules identiques
connectées en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension, et la
caractéristique résultant du groupement est obtenue par addition des courants
(Fig.3.9).
L’équation ci-dessous résume les caractéristiques électriques d’une association
parallèle de np cellules.
𝐼𝑆𝐶𝑛𝑝= 𝑛𝑝. 𝐼𝑆𝐶 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝑉𝑂𝐶𝑛𝑝
= 𝑉𝑐𝑜
Figure 3.8. Caractéristiques résultantes d’un groupement de ns cellules en série [7]
Figure 3.9. Caractéristiques résultant d’un groupement de np cellules en parallèle [7]
34
3.1.2. Modélisation de la batterie
a. Principe de fonctionnement
Un accumulateur électrique est basé sur une technique de conversion réversible
d’énergie, destiné à stocker l’énergie électrique dans une énergie différente afin de
pouvoir la réutiliser ultérieurement. Cette opération est aussi appelée stockage
d’énergie [12].
Une batterie est un ensemble d’accumulateur électrique relié entre eux de façon à
créer un générateur électrique de tension et de capacité désirées (Fig.3.10).
b. Caractéristiques électriques d’une batterie
Une batterie se caractérise par : la tension, la capacité, le débit maximum.
i. La tension
Représente la différence de potentiel électrique entre les deux bornes de la
batterie. En général, les batteries offrent entre 1,5volts à 24 volts.
ii. La capacité
C’est la quantité d’énergie que la batterie pourra restituer. Par exemple, une
batterie de 100Ah pourra débiter 40 Ampères pendant 1 heure.
𝐶 = 𝐼. 𝑡
𝐶: 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡é [𝐴ℎ]
𝐼: 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 𝑑𝑒 𝑑é𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 [𝐴]
𝑡: 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠 𝑑𝑒 𝑑é𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 [ℎ]
Figure 3.10. Principe de fonctionnement d’une batterie
35
La capacité d’une batterie dépend de plusieurs facteurs :
- Variation de la capacité en fonction du courant de décharge
Si la capacité d’une batterie varie en fonction du courant de décharge, c’est
essentiellement dû à la résistance interne de la batterie. Plus l’intensité de la décharge
est forte, plus la résistance augmente. Donc la tension de la batterie chute rapidement
(Fig.3.11).
- Variation de la capacité en fonction de la température
La température a beaucoup d’effet sur une batterie, par exemple, des températures
élevées peuvent provoquer des surcharges, des emballements thermiques ou une forte
autodécharge.
Au-delà de 20°C, la capacité de la batterie augmente légèrement, alors qu’en dessous
de 20°C elle diminue rapidement (Fig.3.12).
Figure 3.11. Variation de la capacité en fonction du courant de décharge [13]
Figure 3.12. Variation de la capacité en fonction de la température [13]
36
iii. Le débit maximum
C’est le courant maximum que la batterie peut délivrer pendant un temps très court.
C’est une caractéristique pour les systèmes électriques qui demandent beaucoup d’énergie
au démarrage, par exemple, le démarreur d’un véhicule.
3.2. Simulation du système de gestion de l’énergie embarquée
3.2.1. Présentation des modèles
a. Panneau solaire
Le panneau solaire sera composé de six modules dont chacun est composé par la
suite de six cellules (Fig.3.13).
Figure 3.13. Schéma de base des cellules du panneau solaire
37
En total, le panneau solaire est composé de 60 cellules dont la caractéristique
technique de chaque cellule est représentée par la Fig.3.14, avec un paramètre sous
MATLAB-SIMULINK :
Pour la simulation du panneau solaire, un modèle a été conçu avec l’outil SIMULINK
de MATLAB pour pouvoir visualiser le comportement du panneau solaire en fonction de
l’éclairement (Fig.3.15).
Figure 3.14. Les paramètres de base d’une cellule du panneau solaire
Figure 3.15. Modèle du module du panneau solaire
38
Les résultats des simulations obtenus sont similaires à la caractéristique idéale du
panneau solaire en fonction de l’éclairement du soleil (Fig.3.16).
b. Batterie et circuit de charge
i. Présentation du modèle
Un module de système de mesure sera également placé sur la batterie et sur le
circuit de charge, afin de récolter les informations nécessaires pour gérer la protection de
la batterie et la gestion des alimentations (Fig.3.17).
Figure 3.17. Synoptique de la batterie et le circuit de charge
Figure 3.16. Caractéristique du panneau solaire en fonction de l’éclairage
39
Avant de procéder à la simulation de tout l’ensemble du système, une simulation a été
réalisée pour pouvoir visualiser l’état de la batterie en fonction de la charge du panneau
solaire.
La batterie de 9V et de 12Ah qui est chargée de 70%, alimente une charge de 450W.
Le panneau solaire est ensuite utilisé pour charger la batterie durant son activité (Fig.3.18).
ii. Test du chargeur de la batterie
Supposons que l’éclairement varie selon la courbe représentée dans la Fig.3.19.
Figure 3.19. Allure de l'éclairement pour le test
Figure 3.18. Synoptique du chargeur de la batterie
Ecla
irem
ent (
W/m
2 )
Temps (s)
Eclairement du soleil (W/m2)
40
Après la simulation, on a obtenu les courbes de la Fig.3.20.
D’après ces courbes, on constate que le niveau de charge de la batterie varie en
fonction de l’éclairement du soleil.
iii. Interprétations de la simulation
- Zone A
D’après la courbe, la capacité de la batterie augmente progressivement grâce à l’énergie
fournie par le panneau solaire. De même, la puissance fournie par la batterie est plus ou moins
stable.
Pui
ssan
ce (
W)
Cha
rge
(%)
Figure 3.20. Allure de la charge de la batterie en fonction de l'éclairement
Temps (s)
Ecla
irem
ent (
W/m
2 ) A B C D
A B C D
A B C D
Puissance de la batterie (W)
Niveau de charge de la batterie chargée à 70% (%)
Eclairement du soleil (W/m2)
41
- Zone B
L’éclairement chute brusquement pour atteindre la valeur de 500 W/m2. On remarque
directement que la puissance de la batterie chute. La capacité de la batterie diminue en même
temps.
- Zone C
Après avoir atteint la valeur de 500 W/m2, l’éclairement augmente exponentiellement pour
atteindre une valeur proche de 700 W/m2. La puissance de la batterie effectue la même
augmentation et la capacité de la batterie commence à se stabiliser.
- Zone D
L’éclairement se stagne, ainsi que la puissance de la batterie. Par contre la capacité de
la batterie augmente d’une manière progressive.
Nous pouvons en conclure dans un premier temps, que la puissance de la batterie varie
presque de la même allure que l’éclairement du soleil sur le panneau solaire, contrairement à
sa capacité. Pendant la diminution de l’éclairement, sa capacité diminue progressivement,
mais il faut que l’éclairement atteigne une valeur plus élevée et stable pour pouvoir amorcer
le chargement de la batterie.
3.2.2. Simulation du système de gestion de l’énergie embarquée
Dans la simulation du système, l’éclairement est donné par un signal prédéfini et la
puissance demandée par une source constante (Fig.3.21).
42
a. Les constituants du calculateur
La carte de gestion de l’alimentation que nous nommons par la suite le « calculateur »
collecte toutes les informations produites par les quatre systèmes de surveillances (S1,
S2, S3) à l’aide des ports d’entrés, dont :
Tp : la tension du panneau solaire,
Cp : le courant fourni par le panneau solaire,
Pp : la puissance totale du panneau solaire,
CHb : le niveau de charge de la batterie,
Tf : la tension des sources d’énergie,
Cf : le courant fourni par les sources d’énergie,
Pf : la tension fournie par les sources d’énergie,
Pd : la puissance demandée,
Ecl : niveau d’éclairage.
Figure 3.21. Synoptique du montage global du système de gestion de l’énergie embarquée
RELAIS
BATTERIE
CHARGE
CALCULATEUR
PANNEAU SYSTEMES DE SURVEILLANCE
43
Quelques formules sont utilisées pour obtenir de l’information pour la protection de la
batterie.
i. Energie disponible dans la batterie
L’Energie réelle fournie par une batterie est le produit de son voltage par le nombre
d’ampère heure stocké :
𝐸𝑟é𝑒𝑙𝑙𝑒 = 𝑈. 𝐶
Avec:
𝑬𝒓é𝒆𝒍𝒍𝒆 : capacité réelle fournie par la batterie, en Wh.
𝑼 : Tension réelle de la batterie, en V.
𝑪 : Capacité réelle de la batterie, en Ah. (C=i.t)
L’énergie nette de la batterie : 𝐸𝑛𝑒𝑡𝑡𝑒 = 𝑈𝑛𝑒𝑡𝑡𝑒 . 𝐶𝑛𝑒𝑡𝑡𝑒
Figure 3.22. Les constituants du CALCULATEUR
S1
S3
S2
44
Donc, l’énergie disponible dans la batterie est obtenue par : 𝐸𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 𝐸𝑟𝑒𝑒𝑙𝑙𝑒 − 𝐸𝑛𝑒𝑡𝑡𝑒
ii. Temps de charge de la batterie
Une batterie se caractérise par sa tension et sa capacité. Dans ce cas, le temps de
charge d’une batterie se calcule suivant la formule :
𝑇 = 𝑘 (𝐶
𝐼)
Avec :
k : le constant de charge de la batterie (k = 1,2 à 2),
C : capacité de la batterie, en mAh,
I : Intensité du chargeur (courant fourni par le panneau solaire), en mA.
iii. Temps de décharge de la batterie
Une batterie ne doit pas être déchargé sous peine de destruction. En général, le
taux de décharge d’une batterie ne doit pas aller au-delà de 60% à 80% de la capacité
d’une batterie. Exemple, pour une batterie de 10Ah, à un taux de décharge de 70%,
la capacité utile est donc de 10Ahx0,7=7Ah. D’où le temps théorique de décharge de
la batterie est obtenu par :
𝑇 =𝐶
𝐼
Avec :
C : la capacité utile de la batterie (60% à 80% de sa capacité),
I : l’intensité délivrée par la batterie.
L’autonomie des sources d’énergie embarquée est obtenue par une fonction dont
l’algorithme est comme suit :
DEBUT
LIRE : Le courant fournie
LIRE : La tension fournie
t = CAPACITE REELLE de la batterie / Le courant fournie
RETURN t
FIN
45
La gestion d’énergie est principalement effectuée par le programme principal
présenté dans la Fig.3.22. Il va prendre une décision suivant l’algorithme ci-après :
DEBUT
LIRE : Niveau de charge de la batterie
LIRE : La puissance demandée
LIRE : Puissance fournie par le panneau solaire
SI la batterie est chargée
Connecter la source vers la batterie
Déconnecter la source vers le panneau solaire
Charger la batterie
SINON
Couper la charge de la batterie
SI Puissance du panneau < Puissance demandée
Connecter la source vers la batterie
Connecter la source vers le panneau solaire
SINON
Connecter la source vers la batterie
Déconnecte la source vers le panneau solaire
FIN SI
FIN SI
FIN
Pour les simulations, nous allons prendre en considération les paramètres présentés
dans la référence [7], à savoir :
- vitesse de rotation du moteur (max) : 600 𝑟𝑎𝑑. 𝑠−1 𝑜𝑢 5 714,285 𝑟𝑚𝑝,
- puissance nominale du moteur : 450W soit 0,61 ch,
- vitesse de croisière du minidrone : 10 𝑚. 𝑠−1 ,
- altitude maximale : 1 500m.
46
b. Résultats des simulations
i. Simulation n°1
Dans cette première simulation, on considère les paramètres suivants :
- batterie : 100% chargée,
- puissance demandée : 150W.
La figure.3.23 représente les résultats obtenus :
D’après la figure, le système répond bien aux exigences demandées. Comme la
batterie est chargée et la puissance du panneau solaire est supérieure à la puissance
demandée, l’énergie du panneau solaire est alors la seule source d’énergie utilisée.
Une fois que la puissance du panneau solaire est inférieure à celle demandée, alors
le « calculateur » active le « relais » vers la batterie. La batterie et le panneau solaire
travaillent ensemble pour satisfaire la demande. Une fois que la puissance du panneau
est suffisante pour alimenter la charge, le programme principal désactive le « relais » vers
la batterie. Ces deux points critiques sont représentés par les points A et B de la Fig.3.23.
Figure 3.23. Simulation avec une batterie 100% chargée et une demande en puissance de 150W
A B Puissance du panneau suffisante Puissance du panneau insuffisante
Batterie non utilisée comme source d’énergie Batterie utilisée comme source d’énergie
Temps (s)
Etat
Pui
ssan
ce (
%)
Ecla
irem
ent (
W/m
2 )
Puissance demandée Puissance du panneau solaire
Eclairement du soleil (W/m2)
Puissance demandée et du panneau solaire (W)
Relais vers la batterie
47
ii. Simulation n°2
Dans la deuxième simulation, les paramètres considérés sont :
- batterie : 99% en cours de charge,
- puissance demandée : 450W.
La figure.3.24 représente les résultats obtenus :
La batterie est chargée par le panneau solaire. Toutefois, la source d’énergie
principale utilisée est la batterie, car le panneau solaire ne peut pas fournir l’énergie
suffisante.
Pendant que la batterie est en charge, il est la seule source d’énergie utilisée. Une fois
que cette dernière atteint sa charge maximale, le système désactive le processus de
chargement de la batterie et utilise le panneau solaire comme seule source d’énergie car
sa puissance est suffisante pour supporter la charge demandée (point C).
Ce qui fait qu’une fois que la batterie est chargée, il ne sera plus utilisé sauf si la
puissance du panneau solaire est insuffisante pour les besoins requis par le minidrone.
Figure 3.24. Simulation avec une batterie en cours de charge et une demande en puissance de 450W
C
Batterie en cours de charge Batterie chargée
500
450
400
Cha
rge
(%)
Etat
Et
at
Pui
ssan
ce (
W)
Etat
Temps (s)
Niveau de charge de la batterie (%)
Relais vers la chargeur de la batterie
Relais vers la batterie
Puissance du panneau solaire (W)
Relais vers le panneau solaire
48
CONCLUSION
La gestion de l’énergie embarquée améliore la performance des systèmes embarqués
en matière d’autonomie. La conception d’un système capable de gérer cette énergie d’une
façon optimale, en considérant les contraintes imposées par le poids s’avère complexe.
Dans le premier chapitre, nous avons étudié les différents processus d’un logiciel avec
les types de cycle de vie existants ainsi que les étapes de test et de la validation d’un logiciel.
Ce qui nous a aidé à comprendre les différentes étapes à suivre pour aboutir à terme la
conception de notre système.
Dans le deuxième chapitre, la modélisation du système a été abordée avec l’utilisation
du langage SysML. Le système est modélisé en fonction des besoins attendues pour la
gestion de l’énergie embarquée dans un minidrone.
Dans le troisième chapitre, des simulations ont été réalisées afin de vérifier les
résultats. Nous avons simulé la charge de la batterie puis utilisé quelques modèles pour mettre
en œuvre le système qui sert à gérer l’énergie embarquée. On a pu conclure que le système
conçu est capable de gérer la consommation de l’énergie embarquée.
Plusieurs améliorations sont envisageables pour ce système, notamment sur les types
de sources d’alimentation. L’utilisation d’un super-condensateur comme système de stockage
d’énergie et l’utilisation des panneaux solaires orientés automatiquement par rapport au soleil
nous semble une meilleure option.
49
ANNEXES
Annexe 1. Cycle de vie des logiciels
1. Définition
Un logiciel est un ensemble de programme qui permet d’automatiser les différentes
activités liées à ces objectifs.
Dans le domaine de l’informatique et notamment dans le domaine du développement
des logiciels, on entend par cycle de vie d’un logiciel, une procédure en vue du
développement dudit logiciel de sa conception à sa disparition.
a. Cycle de vie de développement
L’ensemble des étapes ou des phases qui interviennent dans le développement d’un
logiciel de sa conception à sa disparition constitue le cycle de vie.
Ainsi, le cycle de vie d’un logiciel est la description d’un processus couvrant les phases de :
- création du logiciel,
- distribution du logiciel sur un marché,
- disparition du logiciel.
L’objectif du cycle de vie d’un logiciel est de définir des jalons intermédiaires
permettant la validation du développement logiciel, c’est-à-dire :
- la vérification : nécessite qu’on se pose la question pour savoir si l’on construit le
logiciel correctement. Cette vérification sera effectuée par les développeurs.
- la validation : dans ce cas, la question se pose aux utilisateurs. Les développeurs
doivent s’assurer alors que le logiciel réponde aux besoins des utilisateurs.
a. Assurance qualité d’un logiciel
L’assurance qualité logiciel ou AQL est un ensemble d’activités planifiées et
systématiques de toutes les actions nécessaires pour fournir une assurance suffisante
qu’un logiciel produit ou modifié est conforme aux exigences et aux attentes établies.
La mise en œuvre d’une politique d’assurance qualité passe par la rédaction d’un Manuel
Qualité présentant toutes les procédures qui pourront être utilisées dans le cadre de
l’activité demandée.
50
Les principaux facteurs de qualité d’un logiciel sont :
- la conformité aux besoins ;
- la fiabilité ;
- l’ergonomie ;
- la flexibilité ;
- la maintenabilité ;
- l’intégrité
- et la disponibilité.
2. Les principales activités de développement d’un logiciel
Le processus de développement logiciel contient un certain nombre d’étapes comme le
montre la Fig.A.1.
Ces étapes ne sont pas forcément utilisées de façon linéaire. On parle souvent de
cycles de vie pour organiser ces étapes de différentes manières en fonction d’un certain
nombre de critères relatifs au projet de développement.
a. Phase d’analyse
i. Définition des objectifs
C’est dans cette étape que l’on définit la finalité du projet. C’est donc la définition
du cahier de charge proprement dite.
Figure A.1. Etape de développement d'un logiciel
51
ii. Analyse des besoins et de faisabilité
Elle définit les services du système, ses contraintes et ses buts, en consultant les
utilisateurs du système. Une étude est menée pour savoir si le système est réalisable
et de donner une approximation de rentabilité du système.
iii. Conception du système
C’est une proposition de solution au problème spécifié dans l’analyse. Elle définit
la solution retenue par la prise en compte des caractéristiques logiques d’usage du
système d’information et des moyens de réalisations techniques et organisationnels.
b. Phase de réalisation
i. Codage (implémentation ou programmation)
C’est la traduction dans un langage de programmation des fonctionnalités définies
lors de la phase de conception. Les techniques de codage dépendent
intrinsèquement du langage de programmation utilisé et du paradigme.
ii. Tests
Les tests permettent de vérifier individuellement que chaque sous-ensemble du
logiciel est implémenté conformément aux spécifications.
Les tests déterminent si le logiciel fait ce qu’on attend de lui par rapport aux
spécifications.
Il existe plusieurs types de test dont les deux principaux sont :
- les tests unitaires qui sont effectués durant l’activité de codage et se revérifient
pendant la phase de test,
- et les tests d’acceptation qui vérifient les attentes d’un produit logiciel.
c. Phase de livraison
i. Déploiement
Le déploiement appelé aussi “phase de livraison” ou "phase de mise en
exploitation" regroupe toutes les activités qui mènent à l’installation et mise en
marche de l’application développée.
ii. Maintenance
La maintenance correspond à la période qui suit l’installation et pendant laquelle
les anomalies et problèmes doivent être corrigés.
52
La maintenance peut avoir un but :
- correctif : rectifier les anomalies et corriger les erreurs du système.
- évolutif : modifier le système pour rajouter des fonctionnalités ou prendre en
compte les demandes d’évolution des utilisateurs.
La séquence et la présence de chacune de ces activités dans le cycle de vie
dépendent du choix d’un modèle de cycle de vie entre le client (utilisateur) et l’équipe de
développement. Le cycle de vie permet de prendre en compte, en plus des aspects
techniques, l’organisation et les aspects humains.
53
Annexe 2. Les types de drones
L’univers des drones est complexe, leurs classifications également. Le drone est un
aéronef télé-piloté, c’est-à-dire sans pilote à bord. Il embarque une charge utile qui lui permet
de réaliser des missions diverses et variées : transport, prise d’images, renseignement…
1. Historique
A l’origine, le mot drone désigne un bourdon en anglais, référence faite à leur vol
bruyant, lent et paresseux, ressemblant plus à celui de cet insecte à la vie éphémère, qu’à
celui d’une reine abeille. Cette dénomination a perduré et s’est institutionnalisée.
Ce sont les lourdes pertes subies pendant la seconde guerre mondiale par les aviations
d’observation de chacun des antagonistes qui vont relancer l’idée d’un engin d’observation
militaire sans équipage (ni pilote, ni observateur).
Expression « système de drone » tend à prédominer car le drone fait partie d’un système qui
est composé :
- d’un ou plusieurs vecteurs aériens équipés de capteurs de détection ;
- d’une ou plusieurs stations au sol de commande et de recueil des détections ;
- de liaisons radioélectriques de données entre le vecteur aérien et la partie au sol ;
2. Classifications des drones
Il n’y a pas de règles générales pour classifier les drones. Toutefois, on peut les classer selon
leurs tailles :
a) Les nano-drones
Ce sont des drones qui ne mesurent que quelques millimètres d’envergure et sont
extrêmement légers.
.
Figure A.2. Nano-drone
54
b) Les mirco-drones
Ce sont des drones qui mesurent moins de 15 cm.
c) Les mini-drones
Sont appelés aussi drones portables de petite taille et plutôt destinés à l’observation,
s’apparentent à des modèles réduits.
d) Les drones de longue endurance
Avec des durées de vol comprises entre 12 et 48 heures, on entre ici dans la catégorie
des « grands » drones, dont la taille est essentiellement dictée par une charge utile lourde et
une quantité élevée de carburant, nécessaire à la mission.
On distingue deux types :
- Les drones MALE (Moyenne Altitude Longue Endurance)
L’altitude de vol est, pour cette catégorie, comprise entre 5000 et 12000 mètre, ce qui
permet de parcourir jusqu’à 1000km, à des vitesses relativement faibles, de 220 à 360 km/h.
la masse peut atteindre 3.5 tonnes et l’envergure est généralement comprise entre 10 et 20
mètres.
Figure A.3. Micro-drone
Figure A.4. Mini-drone
55
- Les drones HALE (Haute Altitude Longue Endurance)
On atteint dans cette catégorie les dimensions d’un avion civil pour des autonomie de
plusieurs milliers de kilomètres (10 000km et plus) parcourues en volant largement au-dessus
des trafics aériens courants. Les moteurs sont cette fois des turboréacteurs.
La masse au décollage des drones HALE peut largement dépasser les 10 tonnes.
3. Exemples des types de drones selon leurs classifications
Figure A.5. Drone MALE
Figure A.6. Drone HALE
56
Annexe 3. Présentation générale du langage SysML
1. Le langage SysML
Le langage SysML est un langage de modélisation spécifique au domaine de
l’ingénierie système. Il permet la spécification, l’analyse, la conception, la vérification et la
validation de nombreux systèmes.
Il s’articule autour de neuf types de diagramme. Chacun d’eux étant dédié à la
représentation des concepts particuliers d’un système.
Les diagrammes SysML permettent de représenter :
- les exigences du système,
- les composants du système,
- les flux de toute nature (matière, énergie et information),
- le fonctionnement du système.
Les diagrammes SysML :
- sont utilisés tout au long du cycle de vie du système (conception, analyse…),
- ont leur description propre et sont le plus souvent liés entre eux,
- remplaçant la plupart des autres outils de description auparavant utilisés.
Les neuf diagrammes SysML (Fig.A.7), sont :
Figure A.7. Les diagrammes SysML [14]
57
2. Diagramme des exigences
Il décrit les exigences du cahier des charges fonctionnelles. Une exigence exprime
une capacité ou une contrainte à satisfaire par un système.
Elle peut exprimer une fonction que devra réaliser le système ou une condition de
performance technique, physique, de sécurité, de fiabilité, d’ergonomie…
Les exigences servent à établir un contrat entre le client et les réalisateurs du futur
système.
Règles :
- on indique l’exigence du système dans le premier rectangle,
- on décompose cette exigence en exigences unitaires,
- on peut ajouter des données quantitatives et des précisions.
3. Diagramme des cas d’utilisation
Il montre les interactions fonctionnelles des acteurs et du système d’étude. Il délimite
précisément le système et décrit ce que fera le système sans spécifier comment.
Il exprime les services offerts par le système aux utilisateurs.
Règles :
- On trace un cadre délimitant le système et contenant un ensemble de séquences
d’actions, et elles peuvent être liées entre elles,
- On décrit les actions réalisables par le système, les services rendus par le système
aux acteurs,
- Les acteurs peuvent être reliés entre eux soit par une flèche bidirectionnelle soit par
une flèche unidirectionnelle.
4. Diagramme de définition de block
Montre le système du point de vue composant et répond la question « qui contient
quoi ?».
Ce block peut représenter un système complet, un sous-système ou un composant
élémentaire.
On a différentes zones :
- la définition du bloc qui présente son nom et son type,
- les attributs qui représentent des propriétés qui caractérisent ce bloc,
- les opérations qui représentent ce que l’on peut demander au bloc.
5. Diagramme de block interne
Le diagramme de bloc interne décrit la vue interne d’un block. Il représente la
connexion entre les éléments d’un bloc.
58
Il décrit la logique de connexion, de service et de flot entre les blocs grâce au concept
de « port ».
Les ports définissent les points d’interaction offerts et requis entre les blocs. Ils peuvent
être de deux natures :
- Flux : ce type de port autorise la circulation de flux physiques entre les blocs,
- Standard : ce type de port autorise la description de service logique entre les blocs,
au moyen d’interfaces regroupant des opérations.
6. Diagramme paramétrique
Il est utilisé pour exprimer les contraintes physiques entre les blocs avec des équations
et des paramètres qui permettent de simuler le fonctionnement du système.
Le diagramme paramétrique peut ensuite être utilisé pour faire des simulations qui
vérifieront si le système répond ou non aux spécifications.
7. Diagramme de package
En SysML, tout élément du modèle est contenu que dans un seul conteneur. Si ce
conteneur est détruit ou dupliqué, les éléments qu’il contient sont également détruits ou
dupliqués. Le diagramme de package permet de regrouper les éléments d’un modèle par
type, fonction et bien d’autre. Chaque package est représenté sous la forme d’un dossier.
8. Diagramme d’états
Les états sont encadrés, les évènements sont représentés avec des flèches et un texte
les décrit. Les transitions sont liées aux évènements et sont réalisées lorsque les
évènements associés ont lieu. Le point de départ est un point noir extérieur aux états, le
point de fin est un point noir entouré d’un cercle noir.
Un état représente une période de vie du système, pendant laquelle il accomplit une
ou plusieurs actions ou attend un évènement.
9. Diagramme de séquence
Le diagramme de séquence permet de représenter les informations échangées entre
les acteurs et le système tout en tenant compte du temps.
59
Annexe 4. Extrait du programme du calculateur embarqué pour
gérer l’énergie
%la fonction principale utilisée par le système
Function [rp,rb,Rch,sa] = fcn(Ecl,Tp,Cp,Pp,CHb,Pb,Tf,Cf,Pf,Pd)
%rp: relais vers panneau
%rb: relais vers batterie
%Rch: relais du chargeur de la batterie
%sa: signal d'alarme
%le relais vers le panneau est désactivé initialement
rp=0;
%le relais vers la batterie est activé initialement
rb=1;
%la batterie est chargée initialement
Rch=1;
%signal est initialement nul
sa=0;
%tests réalisés pour pouvoir gérer l’énergie embarquée
if (CHb<=20)%Si la charge de la batterie est inférieure à
(20%)
rb=1;%connecter source vers la batterie
rp=0;%déconnecter source vers le panneau solaire
Rch=1;%charger la batterie
else
Rch=0;%couper la charge de la batterie
rp=1;%connecter source vers le panneau solaire
if (Pp<Pd)%Si la puissance du panneau solaire est
inférieure à celle demandée
rb=1;%connecter source vers la batterie
else
rb=0;%déconnecter source vers la batterie
end
end
60
%la fonction utilisée pour le calcul de la puissance du
panneau solaire
function [Pp]=calcul_pann(Ip,Up)
%la fonction utilisée pour le calcul de la puissance de la
batterie et son autonomie
function [Pb]=calcul_batt(Ib,Ub)
%la fonction utilisée pour le calcul de l’autonomie des
sources d’énergie utilisées
function [Au]=calcul_autonomie(CHb,Pp,Pb,Pd)
%Pp: la puissance du panneau solaire
%Pb: la puissance de la batterie
%Pd: la puissance demandée
%Au: Autonomie de la source
%Ab: Autonomie de la batterie
if (CHb<=20)
%calcul de la durée de charge restante
%Utiliser la batterie comme source d'énergie
else
if (Pp<=Pd)
%Utiliser la batterie et le panneau solaire comme
source d'énergie
else
%Utiliser le panneau comme seul source d'énergie
end
%Calculer l'autonomie de la source d'énergie
%Calculer l'autonomie de la batterie
end
61
REFERENCES
[1]. A. M. HUGUES, "Différents modèles de cycle de vie », Article, Avril 2016.
[2]. S. BROWN and R. JONATHAN, "Architecture of FPGAs and CPLDs: A Tutorial”,
www.eecg.toronto.edu/~jayar/pubs/brown/survey.pdf, Avril 2016.
[3]. FlastFLASH XC9500XL High-Performance CPLD Family,
http://pdf.datasheetcatalog.net/datasheet/Xilinx/mXyttyt.pdf, June 7, 1999
(Version 1.5).
[4]. http://www.corelis.com/education/JTAG_Tutorial.htm, Article, Mai 2016.
[5]. http://www.positron-libre.com/electronique/montages-electroniques/jtag, Article,
Mai 2016.
[6]. B. LAVAZAIS, "Développement logiciel pour utiliser l’interface JTAG dans un
système embarqué", Maîtrise IUP GEII, Université Joseph Fourier, 2003.
[7]. E. F. HERINANTENAINA, "Contribution à la conception d’un système drone
utilisant un minidrone quadrirotor a énergie solaire-application dans la protection
de l’environnement", Thèse de doctorat, Université d’Antananarivo, 2014.
[8]. O. SIGAUD, "Introduction à la modélisation orientée objets avec UML", Edition
2005-2006.
[9]. S. BENSALEM, " Effets de la température sur les paramètres caractéristiques des
cellules solaires", Mémoire, Université Ferhat ABBAS-SETIF, 2011.
[10]. http://www.photovoltaique.guidenr.fr/III_2_effet-eclairement-module-
photovoltaique.php, Mai 2016.
[11]. www.cime.inpg.fr/images/caracterisation/TP_carac_elec_PV.pdf, Mai 2016.
[12]. http://sitelec.org/cours/abati/accu/accu.htm, Article, Mai 2016.
[13]. http://www.arebor-energie.fr/encyclopedie/index.php?title=La_capacit%C3%
A9_d%27une_batterie_(not%C3%A9e_Cn,_unit%C3%A9_Amp%C3%A8re-
heure_(Ah)), Juin 2016.
62
[14]. B. NICOLAS, "Domain specific langauges", Université de PAU et des pays de
l’ADOUR, 2006.
[15]. N. ACHOTTE, "Conception, optimisation et dimensionnement de moteurs
planaires à aimants permanents pour drones miniatures en vol stationnaire",
Université Joseph Fourier-Grenoble I, 2005.
[16]. H. KAMELIA, "Modélisation d’une cellule photovoltaïque : Etude comparative",
Mémoire de MAGISTER en Electrotechnique, Faculté de génie électrique et
d’informatique, 2012.
[17]. B. FRANCOIS, "Modélisation, Simulation et Commande des système
électrique", Article.
[18]. C. Y. LAPORTE " L’assurance qualité logicielle 1", Concept de base, Article.
[19]. J. AUBE, "Utilisation d’une sonde JTAG pour le développement embarqué",
Article, avril 2011.
[20]. A. GUELLAL, "Les circuits FPGA : description et applications", Energie solaire
Photovoltaïque, Article, 2012.
[21]. “Instrumentation embarquée”, cours ESP-A mention Electronique,
parcours Master à Visée Recherche, 2015.
Titre : Gestion de l’énergie embarquée dans un minidrone
Auteur : SITRAKINIAVO Modeste Jedidja
Nombre de pages : 59
Nombre de figures :46
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Résumé
Dans ce mémoire, on a étudié le principe de fonctionnement d’un système qui sert
à gérer l’énergie embarquée dans un minidrone quadri rotor. Le logiciel SysML a été
utilisé pour modéliser le fonctionnement du système. Pour les aspects matériels, on a
conçu des modèles constituants le système de gestion d’énergie avec
MATLAB/SIMULINK. On a pu mettre au point un modèle de « calculateur » qui gère
l’énergie à bord. Des simulations ont été faites et il a été constaté qu’avec ce calculateur,
l’exploitation de l’énergie embarquée est gérée d’une façon optimale.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Mots clés : énergie embarquée, gestion d’énergie, minidrone quadrirotor, carte de
contrôle, panneau solaire, calculateur, SysML.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Encadreur : Monsieur HERINANTENAINA Edmond Fils
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Contact Auteur : [email protected]
