Projet de 2012



Le CQFD (Compact Quadcopter for FPV Delight) est un petit quadricoptère radiocommandé, spécialement conçu pour le vol en immersion, et pensé pour être simple à fabriquer et à régler. La conception est très inspirée des réalisations de David Windestål, créateur du site rcexplorer.se. Ici vous trouverez toutes les informations nécessaires pour construire et faire voler votre propre CQFD. N'hésitez pas à me contacter si vous avez des questions, ou à laisser un commentaire (en bas de page).

Caractéristiques


Pour me joindre par email:

But du projet



Après découverte des multirotors grâce à un tricopter très inspiré par David de rcexplorer.se, l'envie me vient d'un quad compact qui serait pensé pour le FPV (First Person View, le vol en immersion avec des lunettes vidéo) autour d'une caméra GoPro. Je fais une liste de principes qui doivent gouverner sa réalisation :






Outillage




Achats matériaux et matériels

Les achats nécessaires ont été principalement fait en grande surface de bricolage et surtout sur Internet, chez HobbyKing.com (publicité gratuite car je suis content de leurs prestations). Seules la carte contrôleur multiWii et la radiocommande ont été achetées ailleurs, en l’occurrence sur eBay et Le Bon Coin

Achats en magasin de bricolage:

Achats chez HobbyKing:

Autres fournitures :



Pour le matériel FPV :





La structure

Vous pouvez télécharger un plan sommaire

Quelques essais de positionnement d'hélices à côté de la caméra conduisent à adopter le principe d'une nacelle orientée avant-arrière, qui permet à la GoPro d'être placée très en avant.  L'amorti des vibrations sera tenté en suspendant cette nacelle au moyen d'arceaux en corde à piano, en plaçant l'accu sous la nacelle pour faire masse (architecture prônée par rcexplorer.se)

On commence par débiter la baguette hêtre. Cela consiste à couper quatre bras de 271 mm de longueur, ainsi que quatre pièces centrales en trapèze, avec des coupes à 45 degrés, le grand côté mesurant 82 mm et le petit côté 56 mm. Tout cela constitue un carré central de 10cm de côté qui enserre les bras aux quatre coins. Les cotes sont indiquées sur le plan. La précision des découpes à 45 degrés est à ne pas négliger, pour un assemblage solide.



Les diverses pièces sont simplement collées à l'époxy lente, sur un bout de film plastique qui évite de coller l'établi aussi ! Pendant le séchage les pièces sont maintenues en contact au moyen d'épingle de couturière plantées dans le plan de travail



Après séchage, la perceuse est mise en action pour ajourer la structure, au moyen de trous de diamètre 6 mm espacés de 16 millimètres. Bilan 20g de gagnés, la croix sort à 125 grammes, c'est très léger.




La nacelle est une simple planche de balsa de dimensions 50 mm par 320 mm, et d'épaisseur 8 mm. La disposition des éléments est étudiée pour un bon équilibre du total.



Pour la fixation de la nacelle à la croix, on réalise deux arceaux en corde à piano, qui passent à travers les trous précédemment réalisés, et reçoivent une rondelle soudée servant de butée. Ces rondelles sont ajoutées à titre de précaution, car je prévois de fixer les tiges au moyen de la pâte Sugru





L'espace dans les trous est donc ensuite comblé par la pâte "Sugru" (sorte de pâte à modeler au silicone), qui durcit en 24h et qui normalement isole pas mal des vibrations.



Côté nacelle, on évide la planche balsa pour pratiquer d'une part un passage pour les cordes à piano (profondeur 3mm) et d'autre part un aplat en retrait de 2mm, qui reçoit deux planchettes contreplaqué, collées à l'époxy. Cette opération est menée au cutter et papier de verre. Vérifier que tout cela est à peu près droit et d'équerre...







Un coup de peinture bombe fluo sur les deux bras arrière ainsi que l'arrière de la nacelle permettra d'améliorer la visualisation en vol.





La masse GoPro



Un morceau de bois est découpé aux cotes de la caméra, puis percé de trous qui reçoivent ensuite des plombs de pêche, jusqu'à atteindre une masse de 100g. Pour éviter que les plombs ne ressortent j'ai ensuite recouvert tous les trous de "patafix"





Installation des moteurs



Des colliers plastiques petit modèle passent par les trous de fixation. Réaliser des encoches avec une petite lime pour éviter tout déplacement latéral, et serrer fort.







Les ESCs sont munis côté moteur de trois fils assez court. Vu les dimensions du quad, il manque seulement 4 centimètres pour raccorder l'un à l'autre ! J'ai soudé des petits morceaux de fil, mais les plus courageux pourront remplacer les fils au départ de chaque ESC. Réaliser de bonnes soudures, on va tourner à 3 ou 4 ampères par moteur ! Et protéger avec la gaine thermorétractable. Des colliers plastique fixent l'ESC et les fils.

Je conseille les étapes de travail suivantes, pour chaque bras :

Note : attention lorsqu'une hélice tourne ! L'énergie restituée est suffisante pour vous blesser sérieusement !

Note : équilibrage des hélices. J'ai testé un équilibreur acheté chez HK mais je suis déçu du résultat et propose plutôt la procédure suivante :



Lorsque toutes ces étapes sont réalisées, on recommence avec le bras suivant.

Lorsque les quatre bras sont montés, réaliser l'alimentation de puissance à l'aide de trois dominos d'électricien : deux latéraux qui agrègent les fils + et - de deux ESCs, et un central qui alimente les latéraux et qui reçoit un cordon de raccordement muni d'une fiche XT60, et un autre muni d'une fiche JST pour alimenter le matériel vidéo. Pour plus de sûreté je recommande d'étamer copieusement les fils avant serrage dans les dominos.






Patins d'atterrissage



Les tamis à scellement chimique font de superbes patins, très légers. Leur fixation nécessite un trou de part en part près du sommet, pour permettre le passage d'un collier plastique. Celui-ci passe sous les fils du moteur (éviter de les enserrer) et est serré à bloc. A l'usage, lors d'un atterrissage un peu "remuant", il arrive que les patins tournent un peu sur leurs bras, et il suffit de les remettre en place à la main.







Installation du contrôleur de vol



J'ai utilisé un petit bout de mousse d'emballage plutôt compacte pour constituer une assise. La mousse est collée à la cyano sur le balsa de la nacelle, et le carte multiWii est collée sur la mousse au scotch double face. Attention à soigner l'orientation de la carte, il y a un sens ! Une flèche dessinée sur le circuit imprimé figure l'avant du modèle.





Le récepteur RC et raccordement au contrôleur



La même technique est utilisée pour placer le récepteur. La carte CRIUS SE est fournie avec quatre câbles patches qu'il suffit de raccorder en respectant les voies. Un cinquième câble est nécessaire si vous voulez bénéficier d'une voie auxiliaire pour changer de mode de vol. Voici un schéma de raccordement (c) RCHobbyPart.com



Les connexions qui nous intéressent sont en bas de la carte, de gauche à droite :

Les connexions suivantes (notées M1-M6) se raccordent aux ESCs :

 

Certains commentaires sur le web préconisent de débrancher les fils positifs de tous les ESCs sauf un, chargé d'alimenter le carte multiWii ainsi que le récepteur radiocommande, pour éviter des problèmes de surcharge et de reset en plein vol. Je n'ai pas creusé dans ce sens, et mes ESCs sont tous les quatre pleinement raccordés à la carte contrôleur. En pratique, un seul des ESCs devient chaud dès raccordement de la batterie, ce qui tend à montrer qu'un seul ESC fournit le jus pour l'installation.

Utilisant une radio 41 MHz j'ai dû m'occuper d'une antenne de réception particulièrement longue... La solution a été de faire le tour du quad en fixant le fil d'antenne aux patins avec de petites masses de "patafix". C'est évidemment moins bon qu'une antenne rectiligne, les tests de portées sont cependant corrects.

Programmation de la radiocommande

Côté radio, il faut créer un modèle de type "avion" sans aucun mixage particulier. La course des voies 1 à 4 sera fixée à -125% / +125%, ceci permettant à la carte multiWii de disposer d'une meilleure résolution dans les déplacements des manches. Si votre émetteur dispose d'un chronomètre, il est très utile de programmer un décompte fixé par exemple à 8 minutes, et déclenché par le manche des gaz. Ainsi, une fois ce temps écoulé, votre émetteur vous préviendra qu'il faut penser à se poser pour préserver les accus. Doublez la précaution en utilisant le témoin de décharge, dont les LEDs se voient et indiquent dès qu'elles passent au rouge qu'un élément du pack d'accu est déchargé.



Installation de l'écran LCD



L'écran LCD n'est utile que pendant la phase de réglage du contrôleur. Cependant, son poids étant sensiblement égal à celui de l'émetteur vidéo, j'ai choisi de le fixer à l'emplacement prévu pour ce dernier. Ainsi pendant les réglages l'écran fait office de lest. La fixation provisoire est faite à la "patafix".




Si comme moi vous avez besoin après coup de revoir les paramètres PID, l'écran peut également être installé en place centrale sur la croix, l'ajout de poids n'a quasiment aucune influence sur le vol.



Côté carte multiWii le raccordement de l'écran se fait comme préconisé par RCHobby_Part.com :

Le phare arrière



Le phare est composé de 3 LEDs rouges focalisées, visibles même en plein jour. Il se raccorde simplement à une voie inutilisée du récepteur. Fixation à la "patafix" sur la tranche de la nacelle balsa.

Fixation batterie



La batterie est simplement suspendue sous la nacelle au moyen de sangles velcro. Sa position peut varier de quelques centimètres, pour peaufiner le centrage.




Firmware



Le raccordement du contrôleur est sans souci de fait de l'espace disponible entre la croix et la nacelle. Côté PC, il faut installer la suite Arduino v1 (site officiel) et ouvrir le projet du firmware v2 (Site officiel). Il est nécessaire d'éditer le fichier config.h et uniquement celui-ci.
Tout d'abord, déclarer la configuration du modèle, qui est un quad en "X".



Dans cette version la carte CRIUS SE est prédéfinie. Il suffit donc de la déclarer.



Dans le reste du fichier, il peut être nécessaire d'activer le support de l'écran LCD :



Ainsi que de spécifier qu'on souhaite conserver les moteurs à l'arrêt lorsque la carte est armée. Dans le cas contraire, les moteurs partent au ralenti dès l'armement, ça surprend (surtout si comme moi on a eu une carte KK auparavant).



On peut ensuite compiler et télécharger le firmware dans la carte.

La phase suivante consiste à  démarrer le logiciel de monitoring. Sélectionner le port COM qui va bien. Cliquer sur start pour lancer l'affaire.

Premiers essais





Le bilan de masse en ordre de vol s'établit à 920 grammes. Etant donné que chaque moteur développe une poussée maximale de 580g, avec les hélices utilisées et un accu 3S, la réserve de puissance est confortable...

Avec ou sans monitoring, le premier essai consiste à vérifier expérimentalement que le firmware stabilise bien l'engin. Pour cela le meilleur moyen est de tenir le quad et de mettre les gaz au ralenti. Attention aux doigts et aux cheveux ! En inclinant le quad on ressent très simplement la résistance due à la carte contrôleur qui change le régime de certains moteurs dans son souci de maintenir l'assiette. Si tout est dans le bon sens, on continue. Les commandes peuvent être essayées de la même manière, en y allant doucement car même au ralenti les forces en jeu sont surprenantes, attention à bien maintenir la bête... Ça va toujours ? Alors direction le terrain pour un essai de stationnaire, histoire de sentir l'engin au bout des manches...

Réglage des PID



Le web fourmille de descriptions et de conseils pour déterminer ces fichues valeurs... Personnellement j'apprécie le tuto vidéo de duguy0



Je me contenterai donc d'en reprendre les principes majeurs :

- commencer par chercher une valeur P qui cause des oscillations, puis baisser jusqu'à ce qu'elles cessent. Pendant cette phase on met une valeur de I faible (0,010) et D à zéro
- ensuite jouer sur le I selon son goût ou en appliquant la technique du poids désaxé
- puis essayer de changer le D, comme expliqué dans la vidéo c'est surtout affaire de goût. En ce qui me concerne je n'aime pas du tout l'effet produit et j'ai donc conservé une valeur zéro.

Mes valeurs finales pour le mode de vol standard (dénommé "accro" en terminologie multiWii) sont les suivantes :

P=4,5
I=0,022
D=0

Si vous réalisez la même config vous pouvez tester ces valeurs et les affiner par la suite.

Le présence de l'écran LCD à bord est un bonheur pour ces réglages, puisqu'il suffit de se poser, désarmer la carte, entrer en mode LCD, et d'ajuster la valeur souhaitée. Ensuite sauvegarde, armement, hop on décolle pour tester le résultat.

Mode stable

Premières impressions



Le CQFD est plus maniable que le tricopter réalisé précédemment, il est aussi plus léger donc la puissance disponible est largement suffisante. Manche des gaz au tableau il part comme une fusée. La tenue du stationnaire ne pose pas de difficulté, et le phare arrière se révèle efficace pour discriminer la position de l'oiseau. Aux réglages qui me plaisent l'oiseau est nerveux en roulis et tangage, l'axe de lacet me convainc moins car aux grands débattements la montée en régime de deux moteurs sur quatre aboutit à un changement d'altitude... En usage normal cependant le défaut ne se ressent pas.



Et le FPV ?

Une fois les réglages de la carte multiWii finalisés, on peut déposer l'écran LCD et embarquer à la place l'émetteur vidéo avec son antenne "cloverleaf". A l'avant la masse est remplacée par la véritable caméra GoPro.



J'ai prévu d'exploiter la sortie A/V de la caméra GoPro pour éviter d'embarquer une caméra complémentaire... A condition de surveiller la charge de la batterie GoPro, cette approche procure une image de bien meilleure qualité et un petit gain côté poids et conso électrique. Toujours pour des soucis de poids j'alimente tout à partir d'un seul accu. Des ferrites bien placées évitent les parasites possibles quand on branche la partie vidéo sur la même alim que la propulsion.

Les premières prises de vue ont fait apparaître les hélices! Malgré les mesures faites au démarrage du projet, la focale très large de la GoPro aboutit à voir les extrémités des hélices dans le champ... tant pis. Essayez d'adapter la nacelle si vous le souhaitez... Autre déception, une quantité de vibrations résiduelles, qui ont nécessité de repenser la fixation de la caméra. Après plusieurs essais, j'ai opté pour un coussin constitué de petits morceaux de tube silicone, la caméra étant complètement désolidarisée de la nacelle. Pour ce faire, les tubes sont fixés à la planche balsa par des colliers, et une platine en balsa 80/10ème, de la taille de la caméra, est également fixée aux tubes, sur le dessus. Ensuite, la caméra est fixée par un grand collier sur cette platine. Le montage est très souple mais à l'usage les prises de vue sont améliorées, et la qualité me convient pour le moment.

Vidéo à venir prochainement...