Prototypage rapide de commande

bloc récepteur & télémétrie : S.BUS, Smart Port, F.Port

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

Trois blocs ajoutent la prise en charge de trois protocoles présents sur les récepteurs. Un récepteur traditionnel à sortie PWM se traite directement avec le périphérique Input Capture ou Change Notification : il n’exige pas de bloc spécifique.

S.BUS, Smart Port et F.Port

S.BUS, Smart Port (également appelé S.Port) et F.Port sont trois protocoles disponibles sur les récepteurs RC FrSky et compatibles. Les trois protocoles reposent sur le périphérique UART avec des réglages différents. Chacun remplit un rôle propre :

S.BUS est un protocole unidirectionnel du récepteur vers un équipement externe, qui fournit les valeurs des canaux et le RSSI¹ (c.-à-d. la qualité de la liaison radio).
Smart Port (S.Port) est un protocole bidirectionnel. Le récepteur interroge (ping) les différents capteurs connectés et acquiert les mesures à envoyer par télémétrie à la radiocommande.
F.Port est un protocole bidirectionnel dans lequel le récepteur communique les valeurs des canaux et le RSSI, et obtient les valeurs des capteurs connectés pour les envoyer par télémétrie à la radiocommande.

Les deux protocoles bidirectionnels Smart Port et F.Port utilisent un seul fil pour Tx et Rx. La communication s’effectue en mode half duplex (semi-duplex).

Les récepteurs FrSky existent en deux variantes (modèles livrés avec le Smart Port : x4r, rx4r, x6r, s6r, rx6r, x8r, s8r, xsr, xsr-m, r-xsr …) :

S.Bus & Smart Port (d’origine), disponibles sur deux ports à trois broches distincts
F.Port disponible sur un unique port à trois broches, qui remplace le Smart Port

Un récepteur d’origine possède deux ports : S.BUS et Smart Port. Le passage à un F.Port unique s’effectue en installant un micrologiciel alternatif fourni par FrSky. Ce micrologiciel supprime le port S.BUS et convertit le Smart Port en F.Port.

Réglages UART et mise en œuvre

S.BUS, S.Port et F.Port ont des réglages UART différents, définis dans le tableau :

	Débit (baud)	Duplex	Logique	Parité	Bits de stop	Contrôle de flux
S.BUS	100000	Rx seul	3,3V inversée	paire	2	non
Smart Port	57600	Half	3,3V inversée	aucune	1	non
F.Port	115200	Half	3,3V inversée	aucune	1	non

La mise en œuvre sur dsPIC avec le bloc MPLAB pour Simulink a donné des résultats satisfaisants avec les réglages ci-dessous, définis dans le bloc UART Configuration :

	Mise en œuvre	Taille du tampon	Priorité d’interruption
S.BUS Rx	Circular Buffer	64	5
S.BUS Tx	None	-	-
Smart Port Rx	Circular Buffer	32	5
Smart Port Tx	Circular Buffer	32	6
F.Port Rx	Circular Buffer	32	5
F.Port Tx	Circular Buffer	64	5

Connexion des blocs Simulink S.BUS, Smart Port et F.Port à l’UART Rx & Tx

Les blocs S.Bus, F.Port et Smart Port xxx prennent le flux de sortie du récepteur pour en extraire les valeurs de commande envoyées par la radiocommande. Le flux d’entrée est un vecteur dont la longueur est définie par l’utilisateur. Toutes les valeurs du vecteur n’ont pas à être renseignées. Le bloc utilise le scalaire N, longueur d’entrée, pour savoir combien d’octets du vecteur d’entrée sont des valeurs reçues et doivent être traités. Le vecteur d’entrée du bloc peut recevoir des paquets de données partiels. Le paquet complet du récepteur peut être découpé dans le temps et envoyé au fur et à mesure que le MCU reçoit les valeurs ; ces blocs reconstituent le paquet avant de le traiter.

Protocole S.BUS

Configuration de l’UART :

Seul le canal Rx est utilisé, avec les paramètres suivants :

100 000 bauds/s
Logique Rx inversée (l’état de repos est le niveau bas), 3,3V
Parité paire
2 bits de stop
Pas de contrôle de flux

Rx utilise un Circular Buffer de 64 octets, avec une priorité d’interruption de 5.

Le bloc UART Rx est échantillonné à 1kHz (1ms). La taille du vecteur de sortie, réglée sur « inherited via internal rule », prend la valeur 10 (pas plus de 10 octets ne peuvent être reçus en 1 ms à 100000 bauds/s avec deux bits de stop).

Dans l’interface graphique du bloc S.BUS, on sélectionne les sorties à décoder et la mise à l’échelle de chaque canal décodé.

Interface utilisateur du bloc Simulink S.BUS

Ce bloc Simulink décode le flux d’entrée S.BUS. On choisit la mise à l’échelle de chaque canal RC de sortie.

Schéma du bloc UART Rx connecté au bloc S.BUS.

Schéma de décodage du S.BUS pour un dsPIC

Schéma de centrage et de mise à l’échelle des canaux S.BUS en sortie dans [-1000 1000]

Les valeurs brutes du S.BUS ne sont ni centrées ni mises à l’échelle par une puissance de 2.

Protocole Smart Port

Le Smart Port (S.Port) utilise un UART dont les broches Rx et Tx sont affectées à la même broche, en logique inversée (1 est le niveau haut). Un seul fil est utilisé, en communication half duplex.

Configuration de l’UART :

57600 bauds/s
Half duplex
Logique Rx et Tx inversée (l’état de repos est le niveau bas), 3,3V
Pas de parité
1 bit de stop
Pas de contrôle de flux

Mise en œuvre :

Rx utilise un Circular Buffer de 32 octets, avec une priorité d’interruption de 5.
Tx utilise un Circular Buffer de 32 octets, avec une priorité d’interruption de 6.

Le bloc Smart Port décode les entrées provenant du récepteur et des autres capteurs connectés au bus à un seul fil.

Si une trame de capteur est reçue, elle est décodée et les valeurs sont disponibles en sortie du bloc.

Lorsqu’une requête du récepteur pour un identifiant de capteur est reçue et que cet identifiant est défini dans l’un des blocs Sensor du modèle, le bloc Smart Port génère la trame du capteur avec les dernières valeurs définies dans le bloc Sensor. Le message est envoyé par un bloc UART Tx.

Protocole F.Port

Title

caption

title

caption

Configuration de l’UART : Les canaux Rx et Tx sont utilisés. Ils sont affectés à la même broche. L’UART est configuré en half duplex.

115200 bauds/s
Half duplex
Logique Rx et Tx inversée (l’état de repos est le niveau bas), 3,3V
Pas de parité
1 bit de stop
Pas de contrôle de flux

Rx utilise un Circular Buffer de 32 octets, avec une priorité d’interruption de 5.

Tx utilise un Circular Buffer de 64 octets, avec une priorité d’interruption de 5.

Ressources

Les protocoles FrSky ne sont pas toujours documentés. Les sites web suivants ont contribué à la compréhension des différents protocoles :

Received Signal Strength Indicator (indicateur de puissance du signal reçu) ↩︎

bloc Sensor

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

Le bloc ajoute un « paquet » capteur à transmettre à un récepteur par le Smart Port ou le F.Port. Le récepteur envoie le paquet de télémétrie à la radiocommande (RC). Le modèle Simulink doit par conséquent comporter soit un bloc Smart Port, soit un bloc F.Port.

Chaque bloc Sensor déclare la référence du capteur, composée des deux paramètres PhysId et {Address+Offset}. La valeur du capteur est fournie par l’entrée du bloc sous la forme d’un tableau de 4 octets. Plusieurs instances du bloc Sensor peuvent être ajoutées dans un modèle. Deux instances peuvent avoir la même référence de capteur, ce qui convient à un capteur qui envoie plusieurs paquets de valeurs différentes (voir le capteur FrSky FVLSS ou GPS).

Chaque instance du bloc ajoute un tampon de 4 octets qui stocke la valeur du capteur, mise à jour à l’exécution du bloc. Le temps d’échantillonnage du bloc définit la cadence de mise à jour du tampon interne.

Le comportement diffère entre les protocoles Smart Port et F.Port :

Comportement avec le Smart Port

Le récepteur interroge (ping) l’électronique connectée au Smart Port pour une référence de capteur donnée. Lorsqu’un capteur donné est interrogé, il doit répondre en fournissant ses 4 octets de valeur dans un délai de 3 ms.

Si plusieurs instances du bloc Sensor utilisent la même référence de capteur (PhysId, Address+Offset), les paquets de données de chaque bloc sont envoyés les uns après les autres.

Si un identifiant de capteur donné est interrogé deux fois sans que son bloc (aucun de ses blocs, s’il y en a plusieurs) n’ait été mis à jour entre-temps, le même contenu est renvoyé.
Si un bloc Sensor est mis à jour alors que son contenu précédent n’a pas encore été envoyé, la mise à jour est sans effet et la nouvelle valeur est perdue.

Comportement avec le F.Port

Le contrôleur unique connecté au F.Port envoie une valeur de capteur à chaque paquet de canaux RC reçu. Le capteur à envoyer dépend uniquement du contrôleur, qui peut envoyer un capteur quelconque.

Chaque mise à jour d’un bloc Sensor ajoute le capteur dans une file FIFO de demandes d’envoi de capteurs. Une seule demande par instance de bloc Sensor peut être présente dans cette FIFO.

Si un bloc Sensor est mis à jour alors que sa valeur précédente n’a pas encore été envoyée, c’est-à-dire que sa demande d’envoi est toujours dans la FIFO, la mise à jour est sans effet et la nouvelle valeur est perdue.

Contrairement au Smart Port, un capteur ne peut pas être envoyé deux fois sans avoir été mis à jour entre-temps, car le capteur est placé dans la FIFO des demandes d’envoi au moment de sa mise à jour.

pour le capteur correspondant La cadence de mise à jour du bloc est choisie par l’utilisateur final. dont la valeur sera envoyée au récepteur. Le récepteur envoie ensuite l’identifiant du capteur et les valeurs correspondantes à la radiocommande par télémétrie.

La communication avec le récepteur peut utiliser soit le Smart Port, soit le F.Port.

Le PhyId du capteur, l’APPID et la variante d’offset d’APPID sont définis dans le bloc. Le champ PRIM doit être positionné à 0X10 pour un capteur. L’unité de la valeur du capteur est définie dans le bloc. L’entrée du bloc est le codage sur 4 octets de la valeur du capteur.

Développer des applications de commande moteur avec MATLAB/Simulink

Sat, 01 Aug 2026 00:00:00 +0000

Conception basée modèle : du laboratoire au déploiement embarqué

Thu, 04 Dec 2025 00:00:00 +0000

Tutoriel sur la conception basée modèle

Wed, 01 Oct 2025 00:00:00 +0000

Offline Real-Time High Frequency Data Logging Based Methodology for PMSM Observer Design

Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 +0000

Tutoriel sur la conception basée modèle

Mon, 25 Nov 2024 00:00:00 +0000

Tutoriel sur la commande moteur : FOC, défluxage et observateurs sans capteur

Sun, 01 Sep 2024 00:00:00 +0000

Méthodologie pour la conception d'observateurs basée sur l'enregistrement de données à hautes fréquences en temps réel

Wed, 01 May 2024 00:00:00 +0000

On Chip Rapid Control Prototyping for DC motor

Fri, 01 Jan 2021 00:00:00 +0000

Moteur de remplacement pour l'aile volante FPV Parrot Disco

Sun, 11 Oct 2020 00:00:00 +0000

Le moteur d’origine de mon aile volante Parrot Disco est tombé en panne après quelques vols. Il n’est pas électriquement défectueux. Le contrôleur CHUCK reste fonctionnel, y compris l’étage de puissance du moteur. La défaillance provient de fils rompus à la jonction entre le moteur et le câble d’alimentation. La réparation est difficile, car la rupture se situe à quelques millimètres seulement des bobinages du moteur.

L’origine de ces ruptures de fils semble résider dans les vibrations : sur le moteur DISCO d’origine PF070253, le câble d’alimentation n’est pas fixé au moteur mais relié directement au fin câblage du moteur. Les vibrations du câble d’alimentation du moteur risquent de rompre le fin câblage du moteur à la jonction entre le câble et le moteur.

Moteur d’origine Parrot DISCO PF070253 (1280KV) avec connecteurs ajoutés - face avant

Tentative de réparation du moteur PF070253 du DISCO FPV

Moteur d’origine Parrot DISCO PF070253 - face arrière

Le moteur DISCO d’origine (PF070253, 1280KV) est difficile à se procurer et excessivement coûteux. Le SURPASS Hobby C2826 (taille 2208) - 1350KV présente une forme et des caractéristiques électriques similaires. Il est compatible avec l’hélice pliante d’origine de Parrot et avec le support moteur de l’aile DISCO. La référence du moteur est ambiguë : la taille correspond à un « 2208 », mais le moteur est estampillé (et vendu) sous la référence C2826. La boîte du moteur SURPASS Hobby indique « C2826 (2208) - 1350KV ».

Avec ce nouveau moteur, l’aile volante DISCO présente en vol le même comportement qu’avec le moteur d’origine. Le contrôleur Parrot CHUCK commande la vitesse du moteur comme s’il s’agissait du moteur d’origine. La consommation semble similaire à celle du moteur d’origine. Le montage a été évalué avec l’hélice DISCO d’origine.

Une hélice de rechange a été identifiée au cas où l’originale ne conviendrait pas à ce moteur : la GEMFAN 8040, qui s’y adapte et a la même taille que l’hélice d’origine (non évaluée).

Parrot DISCO avec le moteur de remplacement SURPASS Hobby C2826 (2208) - 1350KV - vue intérieure

Parrot DISCO avec le moteur de remplacement SURPASS Hobby C2826 (2208) - 1350KV - détail

On Chip Rapid Control Prototyping for Education

Wed, 01 Jul 2020 00:00:00 +0000

Vélo Kombi électrique

Thu, 16 Jan 2020 00:00:00 +0000

Un vélo KOMBI motorisé par le moteur à entraînement central TSDZ2. Le firmware du moteur est remplacé par le firmware open source flexible TSDZ2 initié par Casainho.

En utilisation typique, le vélo roule à vide ou chargé de deux enfants (trois en de rares occasions). Il a parcouru 2300 km à ce jour avec la chaîne d’origine du vélo, ainsi que le pignon bleu et l’embrayage d’origine du moteur.

Le premier vélo, bleu (photos ci-dessous), utilise un moteur 36 V avec une batterie 36 V (la tension de la batterie varie de 33 V à 42,4 V). Un second vélo a été réalisé avec le moteur TSDZ2 48 V et une batterie 48 V (variation de 40 V à 52 V). La version 48 V est plus confortable que la version 36 V. Avec la version 36 V, la variation de tension de la batterie ne permet pas d’exploiter pleinement le potentiel du moteur une fois la batterie à moitié déchargée. Ce phénomène n’est pas observé avec le moteur 48 V.

Difficultés rencontrées :

2300 km : bruit provenant du roulement du pédalier. Le pédalier semble insuffisamment serré. Le bruit apparaît par temps chaud (>15°C). Défaut non encore corrigé ; toutefois, le vélo fonctionne correctement (c’est l’hiver).

Installation du moteur (1/3)

Pédales d’origine

Installation du moteur (2/3)

Accès au boîtier de pédalier BSA 68

Installation du moteur (3/3)

Boîtier de pédalier BSA 68

Moteur TSDZ2 installé

Le TSDZ2 appuyé contre le tube avant, protégé par une chambre à air

Vélo Yuba KOMBI équipé du moteur TSDZ2 et de la batterie

Batterie installée verticalement derrière la selle

Vélo Yuba KOMBI tractant un vélo

Dispositif permettant de tracter un vélo BMX de course mini (personne sur le BMX). Le vélo tracté est libre de pivoter autour de l’axe de direction et verticalement (haut-bas), et suit sans à-coups le vélo tracteur.

Système de fixation pour tracter un autre vélo

La roue avant du vélo tracté est engagée dans une barrière du repose-pieds. Une sangle fixe rigidement la roue avant au vélo tracteur, ce qui laisse deux degrés de liberté au cadre du vélo tracté. Une seconde sangle aide à maintenir le vélo dans le même plan vertical. On observe le faible angle de la barrière du repose-pieds, qui ménage l’espace nécessaire aux pieds des enfants sur le vélo tracteur.

Vélo KOMBI sur un porte-vélos de voiture

Vélo Yuba KOMBI fixé avec deux autres vélos sur le porte-vélos de la voiture.

Divers

https://em3ev.com/

Batterie 36 V : 3,385 kg
Batterie 42 V : 3,965 kg

Capteur de vitesse air miniature pour avion RC et drones.

Tue, 28 May 2019 00:00:00 +0000

Table des matières

Principe du tube de Pitot

Une sonde de Pitot-Darcy est un capteur de vitesse air couramment utilisé en aviation. Elle se compose d’un tube orienté vers l’avant. Lorsque le capteur avance, une pression d’arrêt $P_t$ s’ajoute à son extrémité. La pression différentielle $P_{diff}$ est mesurée entre l’extrémité du tube $P_t$ et la pression statique $P_s$. Une variante, le tube de Prandtl (du nom de son inventeur), possède des prises de pression statique directement sur le côté du tube.

La pression ajoutée à l’extrémité du tube est proportionnelle au carré de la vitesse air : $P_t = P_s + \frac{1}{2}\rho v^2$ où $ P_t $ et $P_s$ sont mesurées en pascals (Pa). $\rho$ est la masse volumique de l’air, généralement comprise dans l’intervalle $[1.14 \ 1.34]$ selon la température et l’altitude. $v$ est la vitesse air en $m.s^{-1}$. La pression différentielle mesurée est $P_{diff} = P_t - P_s = \frac{1}{2}\rho v^2$

Tube de Pitot-Prandtl

Le tube de Prandtl est une version de la sonde de Pitot dans laquelle un tube interne est placé au centre d’un tube externe. L’espace entre les deux tubes est comblé, sur quelques mm près de l’extrémité, avec une colle époxy (Araldite ou équivalent). Le côté du tube externe est percé pour capter la pression statique. En bas, le tube interne, plus long, sert de raccord pour le capteur de pression dynamique, et un troisième tube court est ajouté pour créer un raccord vers la zone de pression statique, qui se situe dans l’espace vide entre les deux tubes.

Les trous de pression statique doivent être percés à une distance minimale de l’extrémité du tube, où les perturbations de l’écoulement d’air sont réduites. Une distance égale à 4 fois le diamètre (d=4mm) du tube externe (16mm) est retenue ici. Quatre trous de 1mm ont été percés avec un outil rotatif Dremel. Les trois tubes sont présentés sur la figure ci-dessous.

Pour le premier essai, des tubes en laiton ont été utilisés. Le tube interne mesure 2/1mm (extérieur/intérieur) et le tube externe 4/3mm.

Tubes interne et externe en laiton du tube de Pitot.

Tube Alfer acheté chez Leroy Merlin. Le tube interne mesure 2mm/1mm. Le tube externe mesure 4mm/3mm. La longueur du tube externe est m=86mm. Quatre trous de 1mm sont percés à l=16mm de l’extrémité.

Références :

rapport WIND-TUNNEL INVESTIGATION OF ‘A NUMBER OF TOTAL-PRESSURE TUBES AT HIGH ANGLES OF ATTACK SUBSONIC, TRANSONIC, AND SUPERSONIC SPEEDS’ de W. Gracey sur l’influence de la forme sur la mesure.
rapport (en français) de l’ANSTJ avec des informations générales sur le capteur de Pitot.
site web (en français) de Rémi Bourgin présentant un tube de Pitot expérimental pour avion RC

Électronique

Exigences de sensibilité et capteur de pression

La pression différentielle mesurée varie avec le carré de la vitesse. La vitesse d’un avion RC peut être relativement faible. L’enjeu est de conserver une sensibilité suffisante pour mesurer correctement les basses vitesses, de quelques mètres par seconde.

Le MP3V5004dp de NXP est un capteur de pression différentielle sensible. Sa plage de mesure différentielle va de 0 à 3,92 kPa. La sortie analogique est ratiométrique et varie de 0,6V à 3V ($\Delta V =2.4V$). À titre de repère, 1 kPa correspond approximativement à la pression de 10cm d’eau.

L’étude porte sur une plage de vitesses allant de $0$ à $25 m.s^{-1}$ ($90km/h$), ce qui correspond à une pression différentielle maximale de 3,75 cm d’eau, soit 0,375 kPa. Le capteur MP3V5004DP est par conséquent utilisé à 10 % de sa plage nominale.

Le tableau ci-dessous donne la pression différentielle théorique attendue pour diverses vitesses, avec $P_{diff} = \frac{1}{2}\rho v^2$ et $\rho=1.15$.

v (m/s)	v (Km/h)	$P_{diff}$ (Pa)	~ $H_2O$ (cm)	MP3V5004dp & MCP3428 (0.2041Pa / LSB¹)
1	3.6	0.6	0.006	3
2	7.2	2.4	0.024	12
4	14.4	9.6	0.096	47
7	25.2	29.4	0.294	144
10	36	60	0.6	294
15	54	135	1.3	661
20	72	240	2.4	1176
25	90	375	3.75	1837
30	108	540	5.4	2646
40	144	960	9.6	4704 (4095 sat)

Conditionnement du signal et conversion

L’électronique du capteur de pression est placée dans l’aile, à proximité (~10cm) du tube de Pitot. La conversion analogique-numérique est intégrée à la carte du capteur. Le MCP3428 de Microchip est un convertisseur sigma-delta haute résolution avec un gain programmable de 1 à 8. Il communique par bus I2C et son adresse I2C est sélectionnable. D’autres convertisseurs similaires sont envisageables : les MCP342x, la famille plus récente MCP346x ou la MCP356x offrent une précision accrue et une cadence d’échantillonnage plus élevée ; en revanche, leur boîtier, plus petit, est plus difficile à manipuler pour un prototype artisanal.

Le signal analogique de sortie du MP3V5004dp est relié au CAN sigma-delta MCP3428 par un filtre passe-bas RC du premier ordre de fréquence de coupure $28Hz$ ($R=5.6 kOhm$,$C=1\mu F$). La 2ᵉ entrée différentielle est reliée à un pont diviseur de tension pour obtenir 1V à partir de la référence 3,3V (480 & 1kOhms). Des condensateurs de découplage de $10\mu F$ sont placés sur l’alimentation. Les lignes du bus I2C sont rappelées à l’alimentation par des résistances de 10kOhm et reliées à un condensateur de 10pf qui les protège des parasites.

Le CAN sigma-delta MCP3428 est configuré ainsi :

12 bits
gain x8
240 échantillons par seconde (SPS)

La résolution obtenue est donnée par :

(1) La sensibilité de la sortie analogique du MP3V5004dp est de 1633 Pa/V
(2) MCP3428 12 bits avec un gain de 8 : 0,125mV/LSB¹

Avec (1) et (2), on obtient une résolution de $1633 * 0.125e^{-3} $ = 0,2041 Pa / LSB¹

Capteur de pression et électronique montés sur une carte adaptatrice DIP.

Capteur de pression différentielle (MP3V5004dp) avec convertisseur analogique-numérique intégrant un amplificateur différentiel (MCP3428). Le MCP3428 communique avec le microcontrôleur par un bus I2C. Un régulateur de tension 3,3V MCP1700 adapte et filtre la tension d’entrée de 5V.

Essais statiques du capteur

Une mesure de 90 minutes en intérieur, sans mouvement, a été effectuée, la sortie du capteur étant enregistrée à 100Hz. La figure ci-dessous met en évidence une dérive lente (corrélée à la température ou à la décharge de la batterie ? À DÉTERMINER). L’écart-type mesuré sur l’ensemble de l’enregistrement est de 0,54 Pa (dérive incluse).

Caractéristique statique expérimentale du tube de Pitot avec le capteur de pression différentielle MP3V5004dp

Une mesure statique de 90 minutes en intérieur met en évidence une dérive lente et un écart-type de 0,54 Pa. La résolution est de 0,2041 Pa / LSB

Sources possibles de bruit et de décalage (offset)

Le capteur est sensible à sa propre orientation. Retourner le capteur introduit un décalage négatif de 12,5mV (100 LSB¹ avec la configuration du circuit de conversion analogique-numérique).

Le MCP3428 et le MP3V5004dp sont tous deux alimentés en 3,3V. Un régulateur linéaire de tension (MCP 1700) filtre l’entrée 5V de la carte capteur pour la ramener à 3,3V. Le signal analogique reste néanmoins sensible aux fluctuations de l’entrée 5v. Il convient de surveiller la télémétrie, qui perturbe l’alimentation lorsqu’elle ne dispose pas de son propre régulateur. Par ailleurs, les salves électromagnétiques du module de télémétrie peuvent perturber l’ensemble de l’électronique, y compris la masse ; j’ai observé sur la sortie du Pitot une salve périodique corrélée aux paquets MAVLink émis (20 à 300 LSB, aucune perturbation sur les capteurs de l’IMU). Elle était due à un module de télémétrie 3DR dont l’antenne était placée trop près d’éléments électroniques non protégés. J’ai corrigé ce défaut en éloignant l’antenne et en réduisant la puissance d’émission.

Montage en vol

Le capteur est monté sur l’aile d’un avion RC FirStar 1600.

Avion RC FirStar 1600 Volantex

Avion utilisé pour les vols d’essai

Un tube flexible de 2mm, à l’origine destiné à protéger les lignes de pêche, relie le capteur au tube de Pitot.

Flashmer – tube flexible 2mm. Image Decathlon (France).

Tube de pêche utilisé pour relier le capteur de pression différentielle MP3V5004dp au tube de Pitot.

Un aimant est collé sur le tube de Pitot. Un 2ᵉ aimant intégré à l’aile permet de fixer le tube de Pitot. Les deux aimants sont en contact. Le tube reste fermement en place pendant les vols et se détache en cas d’atterrissage brutal, ce qui limite les dégâts. Cette solution modulable permet d’évaluer d’autres conceptions de tube de Pitot ; elle est également pratique pour le rangement et le transport.

Tube de Pitot en laiton avec sa carte électronique, embarqué sur l’avion Firstar 1600.

Capteur à tube de Pitot léger en carbone et laiton, fixé à l’aile par un aimant.

Le tube externe est un tube en carbone de 5/3mm. Le tube interne est un tube en laiton de 2mm/1mm.

Résultats expérimentaux

Le MCP3428 échantillonne $P_{diff}$ à 250Hz pendant les vols. $V_{Pitot}=\sqrt{\frac{2}{\rho}*P_{diff}}$ avec $\rho = 1.15$.

Aucun étalonnage n’a été nécessaire. L’échelle théorique de sortie du capteur et la formule permettant de déterminer la vitesse à partir de la pression ont été utilisées. La valeur de $\rho$ a été ajustée de la valeur par défaut 1,2 à 1,15, ce qui minimisait l’erreur moyenne ; l’amélioration n’était cependant pas significative. La seule valeur à ajuster est le décalage (zéro) de la mesure brute de pression. La valeur du zéro pour le capteur utilisé est -1800.

Script MATLAB convertissant les données brutes du MCP3428 à 250Hz en pression (Pa) et en vitesse (m/s) :

% Pitot Calibration. P_pitot is a vector with raw MCP3428 output read from I2C bus.
P_pitot_cal = 0.2041* (double(P_pitot) + 1800); % to Pa unit

% Compute Speed (m/s) from diff pressure (in Pa).
V_pitot = sqrt(max(0,(2/1.15) * P_pitot_cal));

Comparaison avec la vitesse sol GPS

Par temps calme, la vitesse sol $V_{GPS}$ et la vitesse air $V_{Pitot}$ sont égales.

En présence de vent, on estime la direction et la force moyennes du vent en combinant $V_{GPS}$, $V_{Pitot}$ et la direction de lacet de l’avion $\Theta_{heading}$ (obtenue avec le COG² du GPS). Cette estimation du vent est décrite plus loin.

La vitesse sol de l’avion (GPS) est estimée par la différence entre la vitesse air (Pitot) et le vent projeté sur la direction d’avancement de l’avion :

$V_{GPS} \approx V_{Pitot} - V_{wind}*cos(\Theta_{heading} + \Theta_{wind}) $

La figure ci-dessous présente la vitesse air en bleu. La vitesse sol reconstruite (noir) concorde précisément avec la vitesse GPS (rouge), ce qui confirme la justesse de la mesure de vitesse air ainsi que de la force et de la direction du vent. Le vent de mer est laminaire, avec de faibles turbulences. La mesure de vitesse air présente une sensibilité élevée, même à basse vitesse.

Mesure expérimentale comparant la vitesse sol GPS à la vitesse air du tube de Pitot sur 200s d’un vol d’avion RC Firstar 1600. Concordance entre la vitesse sol GPS et la vitesse du tube de Pitot corrigée du vent estimé.

Vitesse sol GPS (rouge). Vitesse air Pitot (bleu) calculée avec $\rho=1.15$. Vent de face reconstruit (vert). Vitesse air Pitot moins vent estimé (noir), où $V_pitot$ est moyennée et sous-échantillonnée d’un facteur 5, ce qui ramène sa fréquence d’échantillonnage de 250Hz à 50Hz. Le vent de face est estimé à partir de l’angle COG du GPS ($\approx \theta_{heading}$), de la force du vent estimée ($V_{wind}= 2.5 m/s$) et de sa direction ($\theta_{wind} = 101°$).

Des figures complémentaires figurent dans la présentation en ligne.

La fréquence de mise à jour du GPS est de 10Hz, mais elle est échantillonnée à 50Hz afin de minimiser le retard. Celle du capteur à tube de Pitot est de 240 SPS, mais elle est échantillonnée à 250Hz.

L’erreur est définie par $error = V_{gps} - \left( V_{Pitot} - V_{wind}*cos(\Theta_{heading} + \Theta_{wind}) \right) $. Sur les 200s du vol présenté sur la figure, l’erreur mesurée est :

erreur	m/s	km/h
moyenne	0.017	0.06
écart-type	0.74	2.6

L’erreur RMS est relativement faible au regard de la valeur de vitesse mesurée. Une partie de l’erreur est également due aux rafales de vent et à la précision limitée du GPS, en particulier pour estimer les variations rapides de vitesse verticale.

Estimation du vent

Le modèle de vent considéré est constant, caractérisé par :

sa direction constante $\Theta_{wind}$
sa force constante $V_{wind}$

Vent => $V_{Pitot} - V_{gps}$

La courbe ci-dessous montre la différence entre la vitesse sol (GPS) et la vitesse air (Pitot) en fonction de la direction de vol de l’avion. Cette erreur (points bleus en pointillés) est ajustée par une sinusoïde. Cette sinusoïde est le décalage de vitesse ajouté, pour chaque direction de l’avion dans $[0 \ 2\pi]$, par un vent de force et de direction constantes. L’amplitude et la phase de la sinusoïde permettent de déterminer la force et la direction du vent.

Résultat expérimental présentant la différence entre la vitesse sol GPS et la vitesse air Pitot en fonction de la direction de l’avion, sur 450s de vol de l’avion RC Firstar 1600.

Les points bleus sont la différence de vitesse entre le GPS et le Pitot. La courbe verte continue est la projection sinusoïdale du vent sur la direction de l’avion $\Theta_{heading}$. La phase de la sinusoïde est la direction du vent ($(\pi-1.37*\frac{180}{\pi})=101°$, d’est en ouest) et son amplitude est la force du vent (2,56m/s). Les valeurs du Pitot sont moyennées et sous-échantillonnées d’un facteur 5.

Cette estimation du vent est utilisée pour compenser la vitesse air lors de la comparaison de la vitesse sol GPS $V_{gps}$ avec la vitesse air Pitot $V_{Pitot}$ ci-dessus.

Script

Script MATLAB pour estimer le vent hors ligne :

% V_gps and V_pitot are two vector with all data measured.
% V_pitot was under-sampled (averaging) by a factor 5 to fit the 50Hz log from the GPS.
% GPS chip update frequency is 10Hz, but it is logged at 50Hz.

V_err = V_pitot - V_gps; % Ground and Airspeed difference (i.e. wind) 

M = [cos(COG); sin(COG) ]'; % COG is the direction (Theta in rad) vector data measured from the GPS
y = V_err';
x = M\y; % Solve wind strength and direction using linear algebra (MMSE)

Theta_Wind = -atan2(x(2),x(1)); % Wind (go to) direction. Azimuth direction is opposite to trigo
V_Wind = sqrt(sum(x(1:2).^2)); % Wind strength (m/s)

plot(COG,V_err','.'); hold on; % plot Error blue dots 
plot([0:.01:(2*pi)],V_Wind*(cos([0:.01:(2*pi)]+ Theta_Wind)),'-k','linewidth',3); % plot wind

Discussion

Le champ COG² du GPS n’est pas exactement la direction de lacet de l’avion $\Theta_{heading}$ mais sa direction de déplacement. Le COG constitue donc une direction de lacet $\Theta_{heading}$ biaisée. Il serait préférable d’utiliser l’orientation de l’avion fournie par le capteur IMU. Cette option n’a pas été retenue, afin de réduire le nombre de capteurs de cette démonstration. Le biais du COG reste suffisamment faible si l’on suppose que la vitesse du vent est faible devant la vitesse air de l’avion. Un script plus élaboré pourrait compenser ce biais.

W. Premerlani propose une estimation du vent à partir des seules données GPS. Sur le jeu de données GPS considéré, les essais n’ont pas été concluants lorsque tous les échantillons GPS ont été utilisés pendant les phases où la direction de l’avion varie (c’est-à-dire lorsque la dérivée du COG dépasse un seuil donné). La dynamique du GPS semble trop lente pour fournir des résultats robustes.

Autres données de vol

L’avion était équipé de deux GPS :

un GPS uBlox M8N et
un MTK3339.

La trace uBlox présentée sur la carte ci-dessous est de meilleure qualité que la trace MTK. Seul le GPS uBlox a été utilisé pour les courbes ci-dessus. La trace MTK peut être affichée sur la carte (icône en haut à gauche). Le fichier KML peut être ouvert avec Google Earth, qui fournit une vue 3D de la trace montrant l’altitude de l’avion.

Least Significant Bit (bit de poids faible) ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Course Over Ground (route sol) ↩︎ ↩︎

Pilote automatique d'avion à voilure fixe basé sur un modèle Simulink

Sun, 19 May 2019 00:00:00 +0000

Un pilote automatique 16 bits conçu avec Simulink et des outils de prototypage rapide de commande

Motivation

Il est désormais aisé de construire une plateforme destinée à évaluer différentes boucles de commande de pilote automatique, grâce aux nombreux composants à faible coût disponibles. En voici quelques-uns :

Centrale inertielle (IMU) 10 DoF : (~$5\ $$),
Carte GPS : (~$10\ $$),
Tube de Pitot (sur mesure) : (~$20\ $$),
Carte microcontrôleur : dépend de la carte ; repose sur un microcontrôleur à $\approx 5\ $$,
Plateforme avion : de $60$ à $120\ $$ servos et moteurs inclus.
Quelques éléments de radiocommande sont également nécessaires :
- récepteur
- télécommande
- batterie
quelques éléments optionnels pour l’enregistrement de données, la télémétrie, la caméra…

Différences avec les pilotes automatiques existants

De nombreux pilotes automatiques prêts à l’emploi existent et donnent de bons résultats. En voici quelques-uns :

Ardupilot
PX4
iNav
LibrePilot
Paparazzi.
D’autres sont listés dans le comparatif de DroneTrest).

De manière générale, leurs paramètres internes peuvent être réglés. Cependant, l’insertion d’une boucle de commande personnalisée dans un tel pilote automatique suppose de comprendre la structure du code sous-jacent. Même bien documenté, celui-ci comporte des centaines de fonctions C à examiner avant de pouvoir entreprendre la moindre modification. Une boucle de commande personnalisée peut ne pas s’intégrer dans la structure existante. Il peut être souhaitable de mettre en œuvre un correcteur plus avancé que les PID existants, utiliser une autre fréquence d’échantillonnage, etc.

Il est parfois plus rapide de démarrer un nouveau projet que de réutiliser un projet avancé préexistant. Le pilote automatique présenté utilise une approche de conception basée sur modèle (Model Based Design, MBD) : le code du pilote automatique est généré à partir d’un unique modèle Simulink. Tout se trouve dans le diagramme, de la gestion bas niveau des capteurs jusqu’à la synthèse du correcteur. Cette approche MBD est également appelée prototypage rapide de commande (Rapid Control Prototyping, RCP).

La boucle de commande du pilote automatique utilise des blocs mathématiques standard. La couche bas niveau est assurée par le blockset Microchip, qui gère les périphériques du microcontrôleur. Le blockset UxV donne un accès simple au GPS, à la radiocommande (S.BUS), aux protocoles F.Port et Smart Port, ainsi qu’à la messagerie MAVLink, y compris les protocoles de points de passage (Way Point) et de paramètres. Un tel modèle Simulink permet d’« entrer » dans le projet de manière graphique. Il permet de simuler des parties du système à partir d’un avion simulé ou à partir de valeurs préalablement enregistrées lors d’un vol réel, ce qui est utile pour concevoir des algorithmes de fusion de capteurs avec anticipation (feed-forward).

Une autre différence essentielle est l’utilisation d’un microcontrôleur 16 bits, alors que les autres pilotes automatiques utilisent des microcontrôleurs 32 bits. Les dsPIC 16 bits disposent de toutes les ressources nécessaires grâce à leur architecture efficace, qui gère aisément les nombreux périphériques utilisés (UART, I2C, Output Compare, Input Capture…).

Signalons toutefois qu’une démarche de conception basée sur modèle similaire, utilisant un microcontrôleur dsPIC, a été développée à l’UCSC par le Pr G.H. Elkaim dans un projet nommé SLUG. Leur conception est indépendante de celle présentée ici. Le projet original mené par M.I. Lizarraga [SLUG] (https://slugsuav.soe.ucsc.edu/) est disponible en ligne. La version SLUG II s’appuie sur le même outil que celui utilisé ici pour cibler le dsPIC : le blockset pour microcontrôleurs Microchip (gratuit).

Liste du matériel

Plusieurs configurations matérielles ont été évaluées. Voici une sélection de composants ayant donné des résultats satisfaisants.

plateforme du pilote automatique

Volantex Firstar 1600 avec la télécommande Qx7.

Avion radiocommandé : Volantex Firstar 1600 avec moteurs et servos d’origine (Bixler 2 et Ranger 1600 sont des plateformes alternatives)
Télécommande : FrSky QX7
Récepteur : FrSky XSR-M / XSR utilisé soit avec le protocole S.Bus (sortie des voies du récepteur) et Smart Port (télémétrie), soit avec le protocole F.Port qui combine S.Bus et Smart Port et économise un périphérique UART du microcontrôleur. Chaque protocole n’utilise qu’un seul fil, par conséquent une liaison UART en half-duplex. Le module UART du dsPIC permet de regrouper Tx et Rx sur une seule broche.
Microcontrôleur : dsPIC 33EP sur une carte AUAV V3. Un capteur de mouvement externe est utilisé à la place des capteurs intégrés à l’AUAV3. Une petite carte capteur équipée d’un circuit récent se fixe plus facilement et rigidement près du centre de gravité (CG), ce qui réduit les vibrations. Une carte sur mesure basée sur un dsPIC pourrait remplacer la carte AUAV3, devenue difficile à se procurer. L’UDB5 mini est similaire et reste disponible.
Capteur IMU : Gy-91 (10 DoF avec 3 accéléromètres, 3 gyromètres, 3 magnétomètres et un baromètre). Fixé rigidement près du CG de l’avion. Un bus I2C relie les capteurs au microcontrôleur.
Tube de Pitot :
- Un tube intérieur et un tube extérieur sur lequel quatre trous sont percés latéralement.
- Conditionnement du signal : le capteur de pression du tube de Pitot (MP3V 5004 DP) est lu par un convertisseur ADC MCHP qui intègre un amplificateur analogique. La pression convertie est envoyée au microcontrôleur par le bus I2C. Voir la page construction et test.
GPS : basé sur un module $\mu$blox M8N offrant jusqu’à 10 Hz de rafraîchissement, avec des résultats satisfaisants par rapport aux autres modules du marché.
Enregistreur de données : carte OpenLager pour l’enregistrement sur carte SD. Elle permet d’enregistrer en continu le flux de sortie d’une UART à une vitesse allant jusqu’à 2 470 000 bauds (bien supérieure aux 115 200 bauds que l’enregistreur OpenLog ne peut pas suivre).
Liaison radio : module radio de type 3DR Sik pour la télémétrie MAVLink (attitude de l’avion, position, points de passage et réglage des paramètres) avec la station sol qgroundcontrol qui fonctionne sur la plupart des plateformes (PC, Android, Windows, Linux).
Caméra d’action : RunCam2 pour filmer l’avion et ses gouvernes depuis le dessus ; on observe ainsi le comportement du pilote automatique en fonctionnement.

Électronique embarquée. Une des premières configurations destinées à évaluer divers capteurs. Éléments utilisés : récepteur X8R, carte de distribution PDB-XPM, enregistreur de données sur SD OpenLager, microcontrôleur dsPIC 16 bits AUAV3 avec capteurs (MPU6050), carte IMU 1, carte IMU 2, capteur de pression MP3V5004DP pour le tube de Pitot, GPS1, GPS2, batterie LiPo 3S 2200 mAh, émetteur Qx7.

Résultats

Un correcteur par modes glissants a été évalué sur les axes de tangage et de roulis, selon deux modes :

Commande de la vitesse angulaire de l’avion (consigne de vitesse angulaire donnée par la télécommande)
Commande de l’angle d’attitude de l’avion (consigne d’angle donnée par la télécommande)

La charge moyenne du processeur était de 7 à 8 % sur un dsPIC 33EP cadencé à 70 MIPS. Elle inclut l’algorithme d’estimation de l’IMU, la boucle de commande du pilote automatique et toutes les tâches de bas niveau (gestion de divers protocoles (I2C, NMEA pour le GPS, F.Port, MAVLink) et enregistrement des données capteurs à 1 kHz via une UART configurée à 2 470 000)

Le dispositif a été éprouvé par vent fort. Il met en évidence une robustesse satisfaisante malgré le faible nombre de paramètres réglés jusqu’ici (lien vidéo en haut de page).

L’estimation de la vitesse air par le tube de Pitot a été validée en prenant la vitesse GPS comme référence (ici).

L’estimation de la vitesse et de la direction du vent, basée sur la différence entre les mesures de vitesse GPS et du tube de Pitot en tenant compte de l’orientation de l’avion, a été validée.

L’étalonnage automatique du décalage et du gain des axes du magnétomètre a été validé. Une fois en vol, les perturbations magnétiques près du sol sont négligeables. Un algorithme détermine automatiquement si l’étalonnage peut être affiné avec les données courantes (à partir de données de vol standard, sans looping ni tonneau).

Prochaines étapes

Réduire le broutement (chattering) sur les ailerons lorsque la commande par modes glissants est activée.

Valider en vol le réglage des paramètres via le protocole MAVLink.

Mettre en œuvre le guidage automatique de l’avion, à l’aide de points de cheminement (waypoints) MAVLink.

Contenu du site

Faute de temps, il n’est pas possible de rédiger une description complète du projet comme initialement prévu. Les parties les plus pertinentes seront publiées.

Idées à développer :

IMU
Tube de Pitot
Estimation du vent combinant la vitesse sol GPS et la vitesse air du tube de Pitot
Blocs UxV, dont les blocs et fonctionnalités GPS, radiocommande et MAVLink
Étalonnage automatique des magnétomètres

Modification du module double BEC et mesure de courant MATEKSYS PDB-XPW pour augmenter la sensibilité de la mesure de courant

Sat, 18 May 2019 00:00:00 +0000

La carte PDB-XPW de MATEK System est un régulateur de tension équipé d’une mesure de courant adaptée aux courants des quadricoptères, avec une mesure maximale de 140 ampères. Pour un projet d’avion RC, il est possible de réduire la plage de mesure du courant afin d’augmenter la résolution de la mesure.

Le circuit « INA1x9 High-Side Measurement Current Shunt Monitor » de Texas Instrument conditionne et amplifie la chute de tension aux bornes de la résistance de shunt, et fournit une sortie analogique proportionnelle au courant.

Sur la carte PDB-XPW, le circuit INA1x9 est le composant noir à 5 broches marqué E39, situé sous la résistance de shunt de 0,05 ohm, elle-même placée immédiatement sous le connecteur d’entrée d’alimentation.

Le gain d’amplification est fixé par la résistance de 47 kOhm adjacente au composant INA1x9. Cette valeur d’origine de 47 kOhm correspond à un gain de 47. Le gain correspond à la valeur exprimée en kOhm, comme l’indique la documentation du circuit :

Résistance	Gain
1 kOhm	1
5 Kohm	5
10 Kohm	10
50 Kohm	50
100 Kohm	100

La résistance de 47 kOhm est remplacée par une résistance de 270 kOhm, ce qui conduit à un gain de 270 au lieu de 47. La plage de mesure de courant d’origine passe ainsi de 140 A à 20 A (140 * 47/270 = 20).

La sortie de mesure du courant est un signal analogique variant de 0 à 3,3 V, codant linéairement le courant sur la plage [0 - 20] ampères. Cette plage de courant plus faible est adaptée aux avions RC tels que le Bixler 2, le Firstar 1600 ou le Ranger 1600.

Signal de démarrage/arrêt pour la caméra d'action RunCam2

Sat, 18 May 2019 00:00:00 +0000

Il existe des câbles pour relier une caméra d’action RunCam2 à un récepteur RC afin de démarrer et d’arrêter l’enregistrement à distance à partir de la sortie PWM du récepteur (période de 20 ms, rapport cyclique de 1 ms à 2 ms). Le câble contient une logique qui décode le signal PWM RC et génère la séquence d’impulsions qui démarre et arrête l’enregistrement de la RunCam2.

Il est également possible de commander la caméra avec un microcontrôleur, en générant la séquence d’impulsions requise décrite ci-dessous.

Le brochage du câble micro USB est le suivant :

Broche 1 (VCC) : +5 V (une tension plus élevée est possible sur le connecteur de la RunCam2)
Broche 3 (D+) : signal TTL (5 V)
Broche 5 (GND) : GND

Lorsqu’on règle le port USB de la caméra sur « Remote Control » (et non « mass storage ») avec l’application de configuration, il est possible de faire basculer la caméra du mode vidéo au mode photo et inversement, de démarrer ou d’arrêter l’enregistrement, ou de prendre une photo.

La séquence d’impulsions est la suivante :

Une impulsion fait passer la caméra du mode enregistrement vidéo au mode photo.
Deux impulsions séparées de 85 ms démarrent ou arrêtent un enregistrement vidéo (ou prennent une photo en mode photo).

Le niveau des impulsions est de 5 V, mais le dispositif fonctionne également avec 3,3 V. La ligne est à l’état bas au repos. Les impulsions durent 85 ms à l’état haut et sont séparées de 85 ms lorsque plusieurs impulsions sont émises.

Dispositif évalué avec une runCam2 alimentée par une batterie LiPo 3S (10 à 14 V), sans batterie dans la caméra, et avec des impulsions générées par une broche de dsPIC configurée en sortie numérique 3,3 V.

La figure ci-dessous est le diagramme Simulink contenant la logique utilisée pour générer les impulsions souhaitées sur un dsPIC. Le code est généré avec Simulink Coder et le bloc MPLAB de Microchip.

Logique Simulink pour commander une caméra d’action runCam2. Le pas de temps du sous-système est de 1 ms. L’intégrateur est remis à zéro à chaque changement d’état de l’entrée du sous-système, ce qui déclenche la génération d’une séquence de deux impulsions de 85 ms. La remise à zéro de l’intégrateur est verrouillée pendant la génération des impulsions. La logique en sortie de l’intégrateur génère les impulsions. Le code généré a été évalué sur une cible dsPIC

Pendule inversé

Sat, 01 Dec 2018 00:00:00 +0000

Pendule inversé réalisé par prototypage rapide de commande avec Simulink et exécuté sur une carte dsPIC microstick II. L’algorithme de fusion de données de la centrale inertielle (IMU) utilise le capteur ICM-20608 pour estimer l’angle. La boucle de commande LQR pilote les deux moteurs DC du jouet modifié. Aucun codeur n’est utilisé.

TP INSA - Commande temps réel d'un moteur DC / PMSM

Sat, 01 Dec 2018 00:00:00 +0000

Commande d’un moteur 24 V (Pravalux 24 V DC) avec la carte MCLV-V2 équipée d’un dsPIC 33EP256MC506. Ce TP s’adresse aux étudiants de 5e année de l’INSA-Lyon.

Le sujet du TP est disponible à l’adresse : https://rtdc.ctrl-elec.fr/.

Les diapositives présentent les adaptations nécessaires pour passer d’un modèle Simulink de simulation (ou dSPACE) à un modèle Simulink ciblant un microcontrôleur. Deux sujets sont abordés :

Ordonnancement temps réel / analyse de la charge du processeur
Types de données en virgule fixe

2021 : le TP sur dSPACE n’étant pas envisageable en salle à cause de la pandémie de Covid-19, il a été remplacé par un TP à domicile sur des cartes MCLV-2 envoyées aux étudiants. Le sujet du TP est disponible à l’adresse : https://rcp.ctrl-elec.fr/

Ancien site

Sat, 25 Jun 2011 00:00:00 +0000