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Questions sur l'asservissement théorique d'un quadricoptère



  1. #1
    lobodol

    Question Questions sur l'asservissement théorique d'un quadricoptère


    ------

    Bonjour,

    Depuis peu, je me suis pris d'affection pour ces drones que l'on nomme quadricoptères. Fort des cours d'automatique que j'ai pu avoir durant mes années d'étude, j'aimerais aujourd'hui les mettre en pratique pour réaliser (théoriquement) la partie asservissement d'un quadricoptère.

    Je souhaiterais faire une approche théorique simplifiée d'un quadricoptère de type X.


    1. Introduction

    Voici le schéma représentant le drone et ces moteurs :
    drone.png

    Le système dispose de 3 types de capteurs :
    Capteur gyroscopique sur les 3 axes X, Y et Z mesurant l'inclinaison du drone
    Capteur accéléromètrique sur les 3 axes X, Y et Z mesurant l'accélération du drone
    Capteur altimétrique mesurant la hauteur du drone par rapport à un référentiel fixe, le sol par exemple.

    Pour cette étude théorique, aucun aspect matériel n'est pris en compte, poids du drone, type de moteur, provenance des capteurs...etc Nous résonnerons dans un monde idéal.
    Une fois l'approche théorique validée, alors les contraintes physiques, environnementales, électroniques pourront être ajoutées.

    2. Objectif
    L'objectif de l'étude est de mettre en place un asservissement permettant de maintenir le drone en vol stationnaire à une altitude fixe. Le drone doit donc ne pas tourner sur lui-même, ne pas dériver, ne pas avoir de roulis et rester à altitude fixe.

    3. Postula de départ
    Afin de simplifier l'étude, on considère les points suivants :
    -le drone est stable sur ces axes de lacet (Z) et de tangage (Y) : seul le roulis (X) est à asservir
    -le drone ne subit pas d'accélération sur les axes Z et X : seul l'accélération en Y est à asservir -> dérive droite/gauche donc.

    4. Asservissements
    4.1. Asservissement en hauteur
    La partie la plus "simple" consiste à asservir la hauteur. La hauteur du drone se règle en variant la vitesse de rotation des 4 moteurs de la même manière. Ainsi, pour augmenter la hauteur, on augmente les gaz des 4 moteurs de la même manière, pour diminuer la hauteur du drone, on diminue les gaz des 4 moteurs de la même manière.
    Le schéma suivant peut être utilisé :
    pid-h.png

    On obtient la commande moteur cmd_h_all qui s'applique aux 4 moteurs.

    4.2. Asservissement en inclinaison
    Pour régler l'inclinaison du drone, il faut agir par paire de moteur. Par exemple, si le drone penche de 5° sur la gauche, il faut augmenter les gaz des 2 moteurs de droite et diminuer les gaz des 2 moteurs de droite. Bien entendu, on augmente les gaz des moteurs d'une paire de la même manière.
    Le schéma suivant peut être utilisé :
    pid-angle.png

    On obtient deux commande : cmd_angle_G et cmd_angle_D qui agissent respectivement sur les moteurs (1) (2) et (3) (4)

    4.3. Asservissement en accélération
    En cas de rafale de vent latérale, le drone va glisser dans le sens du vent et subir une accélération en conséquence. Par exemple, si une bourrasque arrive sur la droite du drone, celui-ci va dériver sur la gauche. Pour compenser cette accélération, il faut agir, encore une fois, par paire de moteur. Si le drone dérive vers la gauche, il faut augmenter les gaz de la paire gauche et diminuer les gaz de la paire droite.
    Le schéma suivant peut être utilisé :
    pid-acc.png

    On obtient deux commande : cmd_acc_G et cmd_acc_D qui agissent respectivement sur les moteurs (1) (2) et (3) (4).
    A noter que les commandes d'accélération et d'angle sont dépendantes. En effet, pour corriger un glissement latéral, il faut incliner le drone dans l'autre sens afin qu'il reprenne sa position initiale.

    Nous avons maintenant toutes nos commandes moteur pour cette étude simplifiée.

    Pour le moteur (1) par exemple, les commandes suivantes s'appliquent :
    -cmd_h_all
    -cmd_angle_G
    -cmd_acc_G

    5. Mes questions
    Mes questions sont les suivantes :
    Mon approche théorique simplifiée est-elle correcte ou suis-je complètement à côté de la plaque ?
    Comment faire pour obtenir une seule commande pour chaque moteur à partir de 3 commandes ? Somme ? Multiplexage ? Logique combinatoire... ?

    Je n'ai pas l'habitude de rédiger de cahier des charges, si vous pensez qu'il manque des informations, n'hésitez pas à me le signaler et j'étoferai.

    Merci de m'avoir lu et bonne journée

    -----
    Fire-DIY : Faites-le vous-même, mais pas tout seul

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  3. #2
    lobodol

    Re : Questions sur l'asservissement théorique d'un quadricoptère

    Edit 4.2 :
    il faut augmenter les gaz des 2 moteurs de droite et diminuer les gaz des 2 moteurs de droite
    il faut augmenter les gaz des 2 moteurs de gauche et diminuer les gaz des 2 moteurs de droite
    Fire-DIY : Faites-le vous-même, mais pas tout seul

  4. #3
    lobodol

    Re : Questions sur l'asservissement théorique d'un quadricoptère

    Ne me dites pas que personne ne peut m'aider quand même...
    Fire-DIY : Faites-le vous-même, mais pas tout seul

  5. #4
    calculair

    Re : Questions sur l'asservissement théorique d'un quadricoptère

    Bonjour,

    Je n'ai jamais réalisé un système de pilotage pour ce type de machine

    1) supposer que la machine est naturellement stable sur ces axes est une utopie. Il faut asservir tous les axes

    2) Si j'avais à réaliser un tel système de pilotage, je commencerai à établir les équations de vol et les conditions de maintient en vol stationnaire.

    3 ) En effet si la machine penche d'un coté, il faudra jouer sur les moteurs pour rétablir la position souhaitée, mais la force de sustentation variera si tout cela n'est pas pris en compte. D'ou la nécessite d'avoir les équations de vol.

    4) Le réglage du PID n'est pas évident, cependant les équations différentielles du mouvement devrait aider ( peut être) a définir les constantes du PID pour un asservissement optimal

    5) Je trouve votre projet très intéressant, mais il y a lieu de bien analyser mathématiquement, la configuration de vol, si non la gravité ne vous pardonnera rien.....

    6) Il faudra écrire ensuite les lignes de programme qui correspondent à l'étude mathématique. Je conseille aussi d'analyser les effets des erreurs des capteurs, pour voir les effets et si possibles et peut être trouer le moyen des les compenser en partie ( Données GPS par exemple )

    7) Ce qui me parait fondamental est la maitrise de l'aspect des équations de vol, si non acheter un système de pilotage tout fait....
    En science " Toute proposition est approximativement vraie " ( Pascal Engel)

  6. A voir en vidéo sur Futura
  7. Comparatifs

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  8. #5
    calculair

    Re : Questions sur l'asservissement théorique d'un quadricoptère

    Bonjour

    Une toute première approche

    http://tictacserver.gel.usherbrooke....ion/DARIUS.pdf

    et
    http://hal.archives-ouvertes.fr/docs...0010_KOEHL.pdf

    le dernier document montre davantage les aspects mathématiques
    Dernière modification par calculair ; 25/07/2014 à 13h30.
    En science " Toute proposition est approximativement vraie " ( Pascal Engel)

  9. #6
    calculair

    Re : Questions sur l'asservissement théorique d'un quadricoptère

    Re bonjour,

    Voila qui répond à 90 % de vos préoccupations

    http://gnexkopter.gnexlab.com/dokuma...uadrirotor.pdf


    Il faut sans doute un peu réfléchir pour compléter quelques points de détails non explicités.


    J'espère que vous avez les notions nécessaires pour comprendre cette étude.

    J'avoue que je ne me suis pas penché dessus, mais j'ai gardé cette étude. Cela évitera de tout retrouver tout seul. Pour ce qui vous concerne et pour réussir votre projet intéressant
    , il faut passer par cette phase
    En science " Toute proposition est approximativement vraie " ( Pascal Engel)

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  11. #7
    lobodol

    Re : Questions sur l'asservissement théorique d'un quadricoptère

    Merci pour ces réponses, je vais potasser tout ça et je reviendrai compléter mon topic avec ce que j'aurais appris/compris.
    Bonne journée
    Fire-DIY : Faites-le vous-même, mais pas tout seul

  12. #8
    lobodol

    Re : Questions sur l'asservissement théorique d'un quadricoptère

    Salut la compagnie !

    Pour info je suis parvenu à mes fins
    J'ai d'ailleurs rédigé une série d'articles sur le sujet :

    Bonne journée !

    PS : désolé pour le déterrage de sujet
    Fire-DIY : Faites-le vous-même, mais pas tout seul

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