Mesure d'inclinaison sur deux axes: quel composant?

[cl ment]

Bonjour.

Je dois, dans le cadre d'un TPE, mesurer l'inclinaison d'un avion, sur les deux axes horizontaux (voire sur l'axe de lacet, mais ce n'est plus une inclinaison), dans le but de le maintenir à l'horizontale (pilote automatique).

Pour cela, je compte utiliser un PICBASIC (le lycée ne nous laisse pas trop de choix, budget oblige, mais il est quand même assez rapide, et surtout très facile à coder), qui actionnera les servos de l'avion en fonction des données qu'il recevra des différents capteurs. Et c'est justement à ce niveau que nous avons quelques problèmes.

Nous avions d'abord pensé à des gyroscopes, mais comme ils donnent des vitesses angulaires, il faudrait "chronométrer" chaque mouvement, pour en déduire approximativement le nouvel angle de l'avion, avec tout ce que ça implique en terme d'imprécisions.

Ensuite, nous avons pensé aux accéléromètres,utilisés pour mesurer la pesanteur. Ce système est théoriquement assez simple, et assez précis pour notre usage, donc c'est sûrement celui que nous retiendrons. Par contre, il faut je suppose un accéléromètre très précis pour mesurer ça. D'où ma question: Quel accéléromètre utiliser?

Un accéléromètre précis à 1.5g près (assez courant), à 5g? A sortie numérique? A sortie PWM?

J'avoue être dans le flou total...

Merci d'avance pour votre aide,

Sincèrement,
Clément Ferrec
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[vincent66]

Bonsoir Clément
L'utilisation d'accéléros peut en effet être envisagée, avec quelques inconvénients :
- qu'il penche d'un côté ou de l'autre il sortira la même mesure pour un même angle...
- en déplacement, donc dans un avion, il y aura un signal d'erreur non négligeable à savoir traiter numériquement, avec un dsPIC plutôt qu'un picbasic question rapidité (calculs trigo)..!

En fait le couplage d'accéléros avec des gyros est quasi indispensable, avec sortie SPI si possible...
Plusieurs fabricants proposent des accéléros 2 ou 3 axes avec sortie SPI, dont ST pour ne pas être cocardier...
Sinon, oh coincidence, depuis quelques temps une boîte autrichienne propose le composant idéal pour une centrale inertielle statique intégrant 3 accéléros et 3 gyros (www.sensordynamics.cc).
J'ai essayé d'en faire quelquechose, mais vu mon grand âge et suite à une attaque cérébrale les maths c'est plus vraiment ça et mon algorithme donnait des erreurs monstrueuses..!
Mais je ne doute pas que ça soit faisable.

Cordiaux encouragements !
Vincent

[cl ment]

Bonsoir.

Effectivement, la puissance demandée pour les calculs trigo mettraient rapidement notre picbasic K.O, donc nous allons tenter... de ne pas en faire.

En effet, les picbasic n'ont pas la fonction arccosinus nécessaire pour sortir l'angle du système, donc nous allons sûrement travailler directement sur la valeur envoyée par le capteur, donc le cosinus (en plaçant l'accéléromètre dans l'axe de l'avion, pour pouvoir utiliser les deux axes en roulis et en tangage). Cosinus négatif: penche à gauche; cosinus positif: penche à droite.

J'ai bon?

Pour l'erreur due aux accélérations de l'avion, c'est effectivement l'un de nos principaux problèmes. Y-a-t-il une solution pas trop chère ni trop compliquée pour éviter ça?

Enfin, pour les sorties SPI, je ne suis pas sûr que les picbasic (nous sommes presque obligés par le lycée, question µC... ) le gèrent. Il resterait le PWM ou l'analogique... Quel est le mieux?


Encore merci,
Clément

[vincent66]

Bonsoir
Pas vraiment, que le drone penche à gauche ou à droite, qu'il pique du nez ou se redresse , pour un même angle la valeur fournie par l'accéléro sera la même et aucun algorithme ne saura faire la différence, d'oû l'utilité de gyromètres...
A ma connaissance aucun accéléro n'a de sortie pwm, mais analogique ça existe.
Une solution existe certainement, le sujet a déjà été abordé sur ce site sans grand succès, mais à mon avis les grands bienfaiteurs de l'humanité que sont les militaires ne nous initieront jamais au sujet de ce qu'il y a dans la tête chercheuse de leurs gros missiles..!
Encore courage !
Vincent

[A voir en vidéo sur Futura]

[jiherve]

Bonsoir,

il existe une solution élégante qui est le pilote automatique électrostatique:
http://books.google.fr/books?id=MNQD...opilot&f=false

Cela exploite le champ électrostatique terrestre environ 200V/m.
A la base il faut un électromètre, à l'époque (70's) il y a eu des articles en français malheureusement je ne les ai plus.

JR

[cl ment]

Bonsoir
Pas vraiment, que le drone penche à gauche ou à droite, qu'il pique du nez ou se redresse , pour un même angle la valeur fournie par l'accéléro sera la même et aucun algorithme ne saura faire la différence, d'oû l'utilité de gyromètres...
A ma connaissance aucun accéléro n'a de sortie pwm, mais analogique ça existe.
Une solution existe certainement, le sujet a déjà été abordé sur ce site sans grand succès, mais à mon avis les grands bienfaiteurs de l'humanité que sont les militaires ne nous initieront jamais au sujet de ce qu'il y a dans la tête chercheuse de leurs gros missiles..!
Encore courage !
Vincent

Ah, effectivement, c'est problématique.

Je pensais que l'accéléromètre fournissait une valeur comme dans un cercle trigo, à savoir:
- Nombre négatif pour une inclinaison à gauche
- Nombre positif pour une inclinaison à droite.

Ce n'est pas ça?

Pour les sorties PWM, il y a entre autres le ADXL202...

Merci d'avance.

[vincent66]

Non, l'accéléro fournit une valeur proportionnelle de g qui sera toujours positive.
Dans un système statique on peut utiliser un contact au mercure pour savoir de quel côté ça penche, mais hélas pas dans un avion...
Tu m'apprends qu'il y a des accéléros à sortie pwm mais si ton picbasic intègre un can mieux vaut utiliser des sorties analogiques.
Dis moi, là la barre est nettement trop haute... est-ce toi qui as proposé ce sujet ou est-ce un prof ?
Amitiés !
Vincent

[cl ment]

Pourtant, ça semble bel et bien possible!

Sur ce lien, on voit clairement (sur les photos de l'oscilloscope) que le signal varie aussi en négatif... Ou alors ce n'est pas le signal "brut" de l'accéléromètre... Le lien vers Lextronic est mort... Dommage.

Sinon, effectivement, le projet est ambitieux, mais je n'ai pas dit que nous réaliserons tout. Dans un premier temps, nous alons nous contenter de décoder/re-coder les voies du récepteur, puis nous ferons un "niveau à bulle électronique", avant de combiner le tout.

Évidemment, ce n'est pas en cours que nous aurons le temps de faire tout ça. Il faudra travailler chez nous...

Clément

[vincent66]

En effet d'après les oscillogrammes c'est possible. Je me suis fait piéger car me basant sur un accéléro assez poussif que j'avais utilisé il y a quelques annés qui ne mesurait que des accélérations positives et pas les déccélérations, ce qui était assez emm... pour un système censé mesurer des déplacements. Mes excuses pour cette bourde..!
Utiliseras-tu aussi ce picbasic2000, qui m'a l'air pas mal ?
Je suis beaucoup moins pessimiste et inquiet pour toi...
Et te réitères mes encouragements.
Amitiés !
Vincent

[cl ment]

Hélas, non, il est beaucoup trop gros et trop cher.

Le lycée possède plusieurs Picbasic 3B et 3H, les plus rapides (plus que les 2000), donc, malgeé le nombre d'entrées sorties un peu faibles, il faudra nous en contenter. De toute façon, vu la taille des broches pour le picbasic2000 sur notre platine de test, il ne rentrerais pas dans mes avion... Ou vraiment dificilement...

Donc pour le moment, nous partirions sur un accéléromètre deux ou trois axes (pour détecter si l'avion est sur le dos) à sorties PWM, d'une par parce qu'il semblerait qu'ils soient plus fiables (cf. lien du Nautile), et surtout parce que le picbasic 3B, le moins encombrant, n'a que 5 entrée analogique/dfigital. Cela nous permetrait d'installer un gyro 3 axes pour stabiliser (en gros) la dérive, et surtout pour vérifier que les accéléromètres fonctionnent correctement:
Vitesse angulaire = 0 mais modification de l'angle pour les accéléromètre: C'est juste une accélération de l'avion et inversement.

Ceux-ci serraient branchés sur les convertisseurs A/N, ce qui nous laisse deux convertisseurs libres pour d'autres (éventuels) capteurs.,


Qu'en pensez-vous?

Encore merci,
Clément

[vincent66]

Effectivement mieux vaut une plus grande rapidité et un encombrement réduit.
Le pwm impliquerait la fonction capture sur trois pins, ce dont je doute...
L'analogique sera peut-être assez trappu à mettre en oeuvre car il y aura des tensions aussi bien positives que négatives en sortie de l'accéléro et un pic ne peut convertir que des tensions positives... il existe des ruses de sioux pour y remédier mais qui nécessitent plus de pins ou font perdre de la précision... je te laisse éxaminer la question, connais-tu assez bien l'aop ?
Encore à ton service, et à te relire !
Vincent

[cl ment]

Effectivement mieux vaut une plus grande rapidité et un encombrement réduit.
Le pwm impliquerait la fonction capture sur trois pins, ce dont je doute...
L'analogique sera peut-être assez trappu à mettre en oeuvre car il y aura des tensions aussi bien positives que négatives en sortie de l'accéléro et un pic ne peut convertir que des tensions positives... il existe des ruses de sioux pour y remédier mais qui nécessitent plus de pins ou font perdre de la précision... je te laisse éxaminer la question, connais-tu assez bien l'aop ?
Encore à ton service, et à te relire !
Vincent

Bonsoir.

En quoi l'utilisation de trois fonction capture serrait-il un problème? Le système est rapide, je ne pense pas que cela fasse perde tant que ça de temps au stabilisateur...

Le problème de la conversion analogique n'est pas vraiment celui des tensions, vu que la plupart des accéléromètres fournissent du 1.65V au neutre, avec des variations de 700mV/g, donc il y a de la marge avant d'arriver à 0V. Je pense même que c'est impossible, le capteur ne peut pas mesurer plus de quelques g, si l'on prend un modèle suffisamment précis pour notre usage. C'est surtout au niveau de la précision que j'ai des doutes.

700mV/g, c'est faible, donc je ne suis pas sûr que le picbasic soit capable de mesurer correctement, et avec peu de bruit, un signal du genre... Il semblerait que ce soit le problème qu'ai eu le propriétaire du "Nautile" sur son correcteur d'assiette.

Nous avons pu tester la fonction capture du picbasic, pour mesurer l'impulsion envoyée par le récepteur vers les servos (il faudra bien garder le contrôle en vol), et il faut bien avouer que la précision est là... La variation (due au récepteur ou au picbasic, je ne sais pas) est de l'ordre de 4µs... Donc il ne devrait pas y avoir de problème pour les accéléromètres.

Quant aux accélérations indésirables, la piste du gyro est-elle viable?

Merci,

Clément

[vincent66]

Bonjour Clément
En fait je doutais que la capture soit au niveau hardware possible sur plus d'une pin, mais si c'est possible sur chaque pin alors tant-mieux, d'autant que la précision de mesure me semble excellente..!
Quand j'avais étudié une centrale inertielle pour drone, le gyromètre m'avait semblé un excellent complément à l'accéléro, mais j'étais tombé sur un os :une rotation crée une erreur sur l'accéléro et une accélération crée une erreur sur le gyro..!
D'après ce que j'ai vu dans des docs, l'erreur sur des gyros semble moindre que sur des accéléros mais n'est pas à négliger.
Pour ton application deux gyros auraient pu suffire, un angle peut être mesuré en intégrant la vitesse de rotation mesurée.
A ce stade de ce développement je dirais que seules des mesures en conditions réelles permettront de qualifier la meilleure solution technique.
Bonne continuation !
Vincent

[cl ment]

Effectivement, nous arrivons aux limites de la partie théorique...

Nous allons faire des tests pour vérifier que le picbasic puisse enregistrer un signal PWM sur chaque broche, c'est sûrement le plus important à savoir maintenant.

Quant à utiliser uniquement des gyros, il semblerait, d'après plusieurs liens (et d'après mes essais personnels en hélico), qu'ils se mettent très vite à dériver, vu que la mesure de vitesse n'est pas extrêmement précise, et celle tu temps non plus. En quelques secondes, il semblerait qu'ils "perdent le nord"...

J'avais trouvé un site où quelqu'un avait tenté d'utiliser uniquement des gyros pour stabiliser un avion, et ça n'avait pas marché. Il avait par la suite utilisé des accéléromètres, et c'était beaucoup mieux, même si la précision était un peu juste par moment (il a donc ajouté des gyros à son système, et des formules d'aérodynamique pour optimiser la réaction des gouvernes).

Je teste les entrées PWM et je te dis ce qu'il en est!

Merci.

[maclag]

clément:

Je ne sais pas combien coûte un picbasic, mais pour les accéléromètres, les bons marchés (genre ceux qu'on trouve dans les téls portables) ne sont vraiment pas les plus précis, et les prix peuvent grimper rapidement pour les autres.
Tous les accéléromètres actuels sont capables de donner la direction (positif/négatif), et je doute que tu aies des problèmes d'ajustement du signal. Si l'accéléro est alimenté en 0-3.3V, 0g correspondra à 1.65V, s'il est en 0-5V, 0g <-->2.5V etc.
On trouve beaucoup d'accéléro à sortie PWM de nos jours (ainsi qu'analogique, IIC, SPI, etc.).
Comme l'a dit vincent66, utiliser des gyros pour différencier accélération et inclinaison est une bonne idée, mais il va falloir faire attention au "cross-talking". La plupart du temps, quand celui-ci est spécifié, c'est plutôt pour un accéléromètre si une accélération suivant X/Y/Z va affecter la sortie Y/Z/X et toutes les combinaisons possibles. Pour les rotations, il faudra tester toi-même (et ça ne va pas être simple pour les rotations ; pour le "cross-talking" sur les gyroscopes, -1g/+1g suffira peut-être: mesurer la sortie dans toutes les directions, certains gyros capacitifs sont prévus pour gérer ça... et d'autres pas!).

Les gyros bons marchés ont effectivement tendance à pas mal dériver, mais on trouve des gyros de haute précision si on peut y mettre le prix (je viens de voir que Sensonor propose des gyros MEMS quasiment aussi bons que les gyros à fibres optiques, mais pour quel prix?).

Dans tous les cas, composants précis ou pas, tout dépend aussi des requis pour ton système à l'arrivée. Si c'était un projet industriel, on te demanderait: quelle tolérance pour l'attitude de l'avion? (2°, 1°, 0.01°, ça change tout!) et plein d'autres choses. Donc pour un TPE, je pense que tu peux faire avec les moyens du bord, pourvu que tu expliques pourquoi les perfs sont moyennes et comment les améliorer.

Le gyro peut dériver, mais normalement pas si vite, et tu peux lui fixer un seuil. Je suppose aussi que l'avion/le drône a un altimètre, tu peux injecter l'information dans le système (le gyro dérive un peu, tu calcules à quelle vitesse l'altitude aurait dû varier et tu compares, encore une fois, tout dépend de la précision à atteindre et à quelle vitesse il faut compenser tout ça).

Bon courage à toi!

[maclag]

Je me réponds à moi-même pour indiquer une réalisation similaire trouvée sur internet:
http://lubink.free.fr/projelectro/Au...e_2005_fr.html

[vincent66]

En effet j'ai vu une foi un système de stabilisation d'hélico basé sur un gyro qui dérivait très rapidement. Mais ce n'était pas le gyro lui-même qui dérivait, c'était un système basé sur une intégration par micro, et une minime erreur de mesure réitérée cent fois par seconde peut mener à une erreur monstrueuse très rapidement...
Comme le dit maclag, courage !
Vincent

[cl ment]

Bonjour.

Merci pour tous ces conseils.

Notre principal problème serra effectivement de faire la différence entre une accélération ou une rotation, et surtout, d'empêcher les gyros de dériver.

Nous avons commandé un ADXL213 (accéléromètre +- 1.2g PWM) pour mesurer l'inclinaison, il semble très correct pour son prix, et les picbasics n'ont aucun problème pour gérer les signaux PWM (testé sur tous les ports, ça marche).

Nous avons aussi suggéré l'achat d'un petit gyro IDG300 (2 axes pas cher), mais le lycée risque de rechigner... Donc au pire, nous devrons nous contenter d'une démo au sol.

Pour le lien du stabilisateur d'avion, c'est entre autres de ça que nous nous sommes inspirés. Il utilise aussi un ADXL213, donc même si il commence à dater, il doit être pas mal, pour être resté sur le marché depuis plus de 4 ans.

Pour les problèmes de gyroscope, c'est aussi (plus ou moins) ce qui m'arrive sur mes hélicos radiocommandés. Le gyro dérive, et l'anticouple, parfaitement maintenu au départ, finir par tourner en permanence, obligeant à utiliser les trims. Pour l'erreur d'intégration, c'est malheureusement du programme de terminale, et non de première. Il faudra voir avec le prof de math si on peut "tricher" un peu pour le TPE...

Clément

[cl ment]

Bonjour.

Nous avons donc commandé ce composant il y a plus d'un mois, mais nous ne l'avons toujours pas reçu.
Mais en attendant, il faut bien que nous avancions. Nous avons continué à coder tout ce qui est périphérique, à savoir la commande des servos, les mixages dus aux caractéristiques physiques de l'avion.

Maintenant, en attendant de recevoir le composant, nous allons reproduire son fonctionnement avec un GBF. Il nous faut par contre installer un système de gestion du gain de l'accéléromètre. Il semblerait que ce composant n'ai pas de gestion interne du gain (sur certains modèles, on applique une tension sur une des bornes, et c'est fini, le gain est défini. Mais pas celui-là (à moins que nous ayons raté un passage de la notice). Il va donc falloir que nous gérions le gain via le programme. Avez-vous une solution simple et efficace pour ça? Nous avons actuellement une gestion du gain par la radio, avec une valeur de 0 à 100.

Comment convertir cela en gain pour le gyro? Si on garde les valeurs "brutes", il va osciller, avec les parasites...

Merci d'avance!

[maclag]

Je ne sais pas exactement ce que tu entends par le "gain" de l'accéléro, mais je peux te garantir qu'il est réglé à l'usine pour avoir une sensibilité comprise entre deux valeurs limites, et qu'il a déjà un "gain" interne.

Si la sortie est en PWM et que les niveaux de tension sont compatibles avec l'ADC (je veux dire l'entrée du PIC), tu n'as pas besoin d'amplification supplémentaire.

Si tu veux un truc précis, alors tu vas devoir mesurer l'offset et la sensibilité de l'accéléro que tu recevras en particulier. Tu rentres ça dans le programme et c'est réglé.

Pour le "convertir en gain pour le gyro", je ne comprends pas très bien ce que tu veux dire non plus. Si tu parles de la perturbation sur le gyro due à l'accélération, j'ai bien peur qu'il faille... la mesurer! Et ça ne va pas être simple!
Un truc possible, ce serait d'avoir un plateau tournant, avec une vitesse angulaire constante (et connue!). Tu mesures la sortie du gyro en différents points (en fait, une fois au centre, une fois plus éloigné du centre, pour mesurer la sortie d'une vitesse angulaire et force centripète).

Si ça te semble trop compliqué, fais juste des essais sans compensation, tu verras bien si ça suffit ou pas.
Après tout, on te demande un TPE de niveau première, par la conception du drône militaire de prochaine génération!

[cl ment]

Bonjour.

Effectivement, c'est un peu compliqué. En gros, ce qu'il nous faut, c'est pouvoir déterminer l'amplitude des correction en vol.

Je pense que le plus simple serra une simple proportionnalité: l'accéléromètre nous indique un certain angle, donc une certaine compensation, et en fonction du gain, on prends un certain pourcentage qu'on envoie aux gouvernes.

A 100%, les conpensations sont envoyées directement, à 50%, on diminue les débattements de moitié, etc...

Je pense que c'est faisable, non?

Merci.

P.S: Je me suis trompé, c'est bien un accéléromètre que nous avons.

[cl ment]

Bonsoir.

Un petit message rapide pour vous donner des nouvelles de ce projet, et surtout pour vous remercier pour votre aide.

Contrairement à ce que certains pouvaient penser, le projet a très bien réussi, à force de persévérance, et avec beaucoup de temps passé, le système marche parfaitement! Les corrections sont opérationnelles, les mixages pour adapter le système à différents avions aussi, nous avons même eu le temps de développer un mode spécifique pour maintenir à l'horizontale un plateau monté sur servos!

Bref, un grand merci à tous, et un message pour les suivants: Quand il y a de la motivation, même les projets les plus fous sont réalisables!

Clément

P.S: J'ai eu 20/20