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Stabilisation nacelle 2-axes


Projet réalisé en binôme avec Alain Krok

Le but de ce projet était de réaliser ce que la Nature sait faire depuis des années : stabiliser la vue.



Bref Historique de l'existant.

La nacelle à servomoteurs

Le premier modèle disponible au grand public à un prix abordable est la nacelle à servomoteurs.
Ce système est composé d'une nacelle actionnée par deux servomoteurs permettant une stabilisation selon les axes avant-arrière et gauche-droite.

Ces deux servomoteurs sont connectés et alimentés directement par la carte principale du drone.
Ainsi, la nacelle utilise le couple gyroscope-accéléromètre de la carte principale pour effectuer les calculs nécessaires au positionnement de la nacelle à plat.

Les ordres sont ensuite transmis aux servomoteurs qui mettent en mouvement le plateau de la nacelle. La figure suivante montre un exemple de nacelle à servomoteurs :

,nacelle à servomoteurs

Malgré son coût relativement faible, ce système présente deux défauts majeurs :

* temps de réaction et précision des servomoteurs : lors de mouvements violents, la nacelle met du temps à revenir à sa position initiale.

* dépendance à la carte principale : les calculs sont distribués, et la batterie principale est solicitée

La nacelle à moteurs brushless

Les nacelles à moteurs brushless sont constituées de 2 éléments majeurs :

* un support sur lequel sont fixés deux moteurs brushless

* une carte dédiée afin d'effectuer les calculs, ainsi qu'un capteur permettant de donner les informations de position-orientation à la carte

nacelle à moteurs brushless


Cette nouvelle version permet donc de corriger les problèmes liés à la nacelle à servomoteurs, moyennant un coût légèrement plus élevé (environ 200euros pour la structure métallique + moteurs, et entre 40 et 100 euros pour la carte principale + capteur).

Ce système est ainsi entièrement indépendant, et compatible avec tout types de drones.

Pour stabiliser une nacelle, il a fallut l'asservir.
Pour cela, nous avons utilisé une méthode très connu dans le monde : la méthode du PID


Asservissement par la méthode du PID


Comme nous l'avons dit précédemment, afin de résoudre le problème d'asservissement, nous utilisons une méthode de régulation. La plus utilisée de ces méthodes est le PID.
Le principe de la régulation par PID est de modifier intentionnelement la valeur de l'écart mesuré entre la consigne et la position courante.

L'image suivante montre ce principe :

image du schéma du régulateur


P - Proportionnel


Le principe d'une régulation proportionnelle est d'augmenter virtuellement la valeur de l'erreur, ainsi le système réagira plus rapidement aux changements de position. En revanche, si cette valeur est trop amplifiée, le système deviendra instable. On peut exprimer de manière mathématique cette régulation:
La figure suivante montre la modélisation mathématique de l'asservissement proportionnel :

I - Intégré


Il est possible d'ajouter à la régulation proportionnelle l'intégration de l'erreur. On obtient donc une régulation PI. L'erreur entre la consigne et la position courante est intégrée par rapport au temps, puis multipliée par une constante qu'il faudra déterminer selon le système. On peut exprimer de manière mathématique cette régulation :
formule de la compensation intégré
Cette fonctionnalité est ajoutée car lorsque le système s'approche de la consigne, l'erreur n'est plus assez grande pour être corrigée. On compense ainsi l'erreur statique, et on obtient un système plus stable en régime permanent.

Compensation intégré

D - Dérivé


Enfin, on peut ajouter un dernier terme. Il s'agit de la dérivée de l'erreur entre la consigne et la position courante par rapport au temps, et de la multiplier par une constante. On peut exprimer de manière mathématique cette régulation :
Compensation par dérivé
On ajoute cette dernière fonctionnalitée car la régulation PI peut amener à un dépassement de la consigne. On limite ainsi cela grâce au D. Lorsque le système s'approche de la consigne, on freine la consigne en ajoutant une force dans le sens opposé. La stabilisation est ainsi plus rapide.

Compensation dérivé

Conclusion


Comme vous pouvez le voir sur cette vidéo, la caméra est parfaitement stable, qu'importe les mouvements effectués par le drone.
Cela vient du fait qu'à chaque force appliqué sur la caméra, une force contraire est envoyé dans les moteurs par la carte Arduino pour l'annuler.
Ainsi pour tout mouvement, une force contraire est appliquée, et donc la caméra reste à la consigne.

Ce projet nous a beaucoup apporté. En effet, nous avons put mettre en pratique les cours de robotique, mais aussi réutiliser les connaissances acquises l'an passé dans les domaines des microcontrôleurs ainsi que de la programmation.

Nous avons ainsi put travailler sur différents domaines, et les lier (mécanique, électronique, informatique). Nous avons put aussi découvrir en quoi consistait un asservissement, et le résoudre au moyen d'une régulation par PID.

De plus, nous avons put suivre la démarche d'un ingénieur, en effectuant le projet selon différentes étapes, et en respectant le principe du cycle en V.

En effet, nous avons réussi à tenir à jour notre planification des tâches, malgré les différents problèmes rencontrés.

En outre, ce projet peut être sujet à amélioration. En effet, il serait intéressant d'ajouter un système de réglage automatique de PID, afin que l'utilisateur n'ai quasiment plus à toucher au système. Il serait aussi intéressant d'ajouter un système de régulation de tension, afin que l'utilisateur puisse effectuer ses réglages sur PC, tout en ayant la batterie branchée sur la nacelle (comme sur le système d'alexmos).

Enfin, ce projet peut être utile dans de nombreux domaines. Tour d'abord, le milieu de l'audiovisuel peut utiliser ce système afin de stabiliser ses images, tout comme dans le domaine de la sécurité (police, pompiers, . . .). On peut aussi modifier le système pour l'adapter sur des branquards. En effet, si une victime doit être transportée de toute urgence, le lit pourrait être stabilisé afin que la victime ne soit pas assujettie aux différentes perturbations.

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