Stabilisation du drone gyroscope, IMU et contrôleurs de vol expliqués

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Pour qu’un drone vole parfaitement, la technologie IMU, la stabilisation gyroscopique et le contrôleur de vol sont essentielles. Les drones utilisent aujourd’hui la technologie de stabilisation gyroscopique à trois et six axes pour fournir des informations de navigation au contrôleur de vol, ce qui rend les drones plus faciles et plus sûrs à piloter.

La technologie de stabilisation gyroscopique est l’un des composants les plus importants, permettant au drone de voler très en douceur même par vent fort et par rafales. Ces capacités de vol en douceur nous permettent de filmer des vues aériennes fantastiques de notre belle planète.

Avec une stabilisation de vol exceptionnelle, ainsi qu’une navigation par points de cheminement, les drones peuvent produire des cartes de photogrammétrie 3D et des images lidar de qualité supérieure. Les derniers drones utilisent des cardans intégrés, qui incluent également une technologie de stabilisation gyroscopique intégrée donnant à la caméra ou au capteur embarqué un mouvement pratiquement sans vibrations. Cela nous permet de capturer des photos et des films aériens parfaits.

Dans cet article, nous examinons ce qu’est la stabilisation gyroscopique, la fonction des gyroscopes dans les drones, y compris les différences entre la stabilisation gyroscopique à trois et six axes. Nous listons les derniers drones les plus récents avec les meilleurs modes et systèmes de vol autonomes stabilisés par gyroscope. Il y a aussi un certain nombre de vidéos très informatives tout au long de cet article.

Stabilisation du gyroscope du drone

La fonction principale de la technologie des gyroscopes est d’améliorer les capacités de vol des drones. Le matériel, les logiciels et les algorithmes du drone fonctionnent ensemble pour améliorer tous les aspects du vol, y compris le vol stationnaire parfaitement immobile ou les virages à angle raide. Un drone avec un cardan à six axes transmet des informations à l’IMU et au contrôleur de vol pour améliorer considérablement les capacités de vol.

Le gyroscope doit fonctionner presque instantanément aux forces se déplaçant contre le drone (gravité, vent, etc.) pour le maintenir stabilisé. Le gyroscope fournit des informations de navigation essentielles aux systèmes de commandes de vol centrales.

La technologie des gyroscopes au sein de l’IMU

Dans la grande majorité des drones, le gyroscope est intégré ou intégré au sein de l’IMU (Inertial Measurement Unit). Le drone IMU, ainsi que le positionnement par satellite (GPS et GLONASS) sont également des composants du système de contrôleur de vol.

L’IMU Essential Drone

Une unité de mesure inertielle fonctionne en détectant le taux d’accélération actuel à l’aide d’un ou plusieurs accéléromètres. L’IMU détecte les changements d’attributs de rotation comme le tangage, le roulis et le lacet à l’aide d’un ou plusieurs gyroscopes. Certains IMU sur drones incluent un magnétomètre, principalement pour aider à l’étalonnage contre la dérive d’orientation.

Les processeurs embarqués calculent en permanence la position actuelle des drones. Premièrement, il intègre l’accélération détectée, ainsi qu’une estimation de la gravité, pour calculer la vitesse actuelle. Il intègre ensuite la vitesse pour calculer la position actuelle.

Pour voler dans n’importe quelle direction, le contrôleur de vol rassemble les données IMU sur le positionnement actuel, puis envoie de nouvelles données aux contrôleurs électroniques de vitesse du moteur (ESC). Ces contrôleurs de vitesse électroniques signalent aux moteurs le niveau de poussée et de vitesse requis pour que le quadcopter puisse voler ou planer.

Comment un décolle et vole est une technologie fascinante. Dans un autre article intitulé «Comment un quadricoptère vole», nous expliquons comment un drone peut décoller, planer, voler dans n’importe quelle direction et atterrir en ajustant les directions de son moteur et de son hélice. L’article comprend des vidéos très informatives.

Le drone a beaucoup de pièces et vous pouvez tout lire sur les différentes pièces de drone ici. Cela couvre tous les composants physiques de la plupart des quadcoptères.

Système de propulsion de drone

Le système de propulsion du drone, qui comprend le moteur, l’ESC et les hélices, est également essentiel au vol réactif et à la sécurité du drone. Le système de propulsion de drone complet comprend les composants suivants;

  • Stator moteur
  • Cloche de moteur (rotor)
  • Enroulements
  • Roulements
  • Système de refroidissement
  • Contrôleurs électroniques de vitesse
  • ESC Updater
  • Hélices
  • Câblage
  • Bras

IMU dans le contrôleur de vol

Contrôleur de vol DJI Naza avec IMU et stabilisation gyroscopique

Le contrôleur de vol est composé de nombreux composants. C’est le cerveau central du drone. Ainsi, nous pouvons maintenant voir que le gyroscope est un composant de l’IMU et que l’IMU est un composant essentiel d’un système de contrôle de vol de drones.

Les contrôleurs de vol ne sont pas seulement du matériel. Il comprend et est contrôlé par des logiciels sophistiqués et des algorithmes mathématiques. Tous les composants du contrôleur de vol doivent fonctionner ensemble de manière transparente pour que le drone puisse naviguer et voler avec la plus grande stabilité.

Voici quelques-unes des fonctions du contrôleur de vol DJI A2 avec le gyroscope et l’IMU fournissant des fonctions essentielles;

  • Contrôle d’orientation intelligent (IOC).
  • Mode de vol Points d’intérêt (POI).
  • Signal aux ESC du moteur sur la poussée et la direction.
  • Fonction de train d’atterrissage intelligente.
  • Retour automatique à la maison.
  • Protection contre les défaillances multi-rotor.
  • Module IMU amortisseur intégré très sensible.
  • Récepteur satellite de haute précision.
  • Mode de virage incliné et fonction de régulateur de vitesse.
  • Module Bluetooth intégré et prise en charge des réglages de paramètres mobiles.

Gyroscopes anciens

Le premier gyroscope a été inventé par John Serson en 1743 avec diverses machines gyroscopiques à venir dans les années suivantes. Certains des premiers gyroscopes mécaniques utilisaient deux disques en laiton lourds tournant à grande vitesse pour détecter les changements de lacet. La technologie antérieure lourde et consommatrice d’énergie a depuis été remplacée par des alternatives non mécaniques modernes qui peuvent faire bien plus que la correction du lacet.

La petite taille et la faible consommation d’énergie des gyroscopes modernes ont rendu la technologie indispensable à l’avion, aux appareils mobiles et bien sûr à l’industrie des drones. Cette première vidéo de 5 minutes explique précisément ce qu’est un gyroscope.

Stabilisation du gyroscope dans les drones

Pour comprendre le rôle de la stabilisation gyroscopique, il est important de réaliser que chaque drone est constamment soumis à un certain nombre de forces venant de différentes directions. Ces forces, telles que le vent, affectent le lacet, le tangage et le roulis du drone, ce qui rend le drone très difficile à contrôler.

Les gyroscopes intégrés peuvent détecter presque instantanément les changements de position d’un drone et le compenser de telle manière qu’il ne semble fondamentalement pas affecté, car il réajuste sa position des centaines de fois par seconde ou peut planer calmement en place. Les gyroscopes modernes sont fabriqués avec des composants de 1 à 100 micromètres et comprennent souvent des capteurs pour plusieurs axes dans un seul boîtier.

Stabilisation du gyroscope à trois axes et à six axes

Les gyroscopes à trois axes mesurent le taux de rotation autour, vous l’avez deviné, 3 axes: roulis, tangage et lacet.

  • Rouleau: rotation autour de l’axe avant-arrière.
  • Pas: rotation autour de l’axe latéral.
  • Lacet: rotation autour de l’axe vertical.

Les gyroscopes continuent de donner des lectures non nulles tant que la rotation continue. Cependant, lorsque la rotation s’arrête, le gyroscope devient silencieux, car, en ce qui le concerne, tout est comme il se doit.

Alors, quels sont les 3 axes supplémentaires mesurés par un gyroscope à six axes? Aucun. Il n’y a que 3 axes possibles qu’un gyroscope peut mesurer. Au lieu de cela, le terme «gyroscope à six axes» se réfère en fait à un système intégré qui se compose d’un gyroscope 3D (3 axes) et d’un accéléromètre 3D. Très rarement, l’accéléromètre peut être remplacé par une boussole 3D.

Accéléromètre 3D

L’accéléromètre 3D a pour fonction de mesurer l’orientation d’un drone par rapport à la surface de la Terre. Il fonctionne en détectant l’accélération de la gravité en utilisant la même technologie, qui est également derrière les gyroscopes, MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems). Ces minuscules structures électromécaniques peuvent s’interfacer avec l’électronique, permettant aux ingénieurs de créer des trucs assez incroyables sur un espace extrêmement petit.

Maintenant, voici une excellente vidéo qui vous montre exactement comment fonctionne un accéléromètre. Celui-ci utilise un téléphone portable mais le principe est le même pour les drones.

Avantages de la stabilisation gyroscopique à six axes

La combinaison du gyroscope 3D et de l’accéléromètre 3D permet à un gyroscope à six axes de mesurer la quantité d’accélération statique due à la gravité ainsi que la quantité d’accélération dynamique. Ces deux mesures nous aident à déterminer l’angle d’inclinaison de l’appareil et à déterminer la façon dont l’appareil se déplace.

En conséquence, les drones avec ce type de gyroscope sont beaucoup plus stables et indulgents, ce qui est génial surtout pour les débutants qui apprennent juste à voler. Ils répondent également plus rapidement à toutes les forces inattendues affectant le mouvement du drone telles que les rafales de vent, empêchant ainsi potentiellement le drone de s’écraser.

Un gyroscope à trois axes régulier n’aide pas beaucoup pendant les virages serrés, par rapport à un gyroscope à six axes, ce qui rend ces manœuvres avancées sans effort.

Dans l’ensemble, la stabilisation gyroscopique à six axes est très utile pour à peu près n’importe qui, des débutants complets aux pros chevronnés qui souhaitent pousser leur drone à la limite maximale. À l’aide d’un drone pour des applications avancées telles que l’imagerie 3D, la stabilisation du gyroscope à 6 axes est essentielle.

Accéléromètre et exemple de gyroscope

Ci-dessous, une excellente vidéo qui vous montre comment un drone utilise l’accéléromètre 3 axes, le gyroscope, le capteur de distance ToF (Teraranger One) et une caméra pour se stabiliser après avoir été projeté en l’air.

L’accéléromètre détecte qu’il a été projeté en l’air et retombe au sol. Le gyroscope stabilisera alors son orientation en une fraction de seconde. Ensuite, le capteur de distance stabilise le drone à une hauteur particulière préprogrammée du sol. Ensuite, le drone se verrouille dans sa position actuelle. C’est une vidéo formidable et bien expliquée.

Meilleures pratiques de stabilité de vol

Maintenant, vous pouvez avoir la meilleure technologie de gyroscope à 6 axes, mais si le matériel de votre drone (hélices, moteurs, roulements, arbres, etc.) n’est pas droit, propre ou ne fonctionne pas correctement, alors le drone volera toujours de manière irrégulière et peut-être même même s’écraser.

C’est toujours une bonne idée d’examiner les pièces du drone avant et après chaque vol. Avoir des pièces de rechange au cas où quelque chose serait fissuré ou plié est une excellente idée. Garder le drone propre est une autre bonne pratique. Pour vérifier si les hélices sont droites, il est bon d’avoir un équilibreur d’hélices. Si tous les composants semblent bien et que le drone vole de façon irrégulière, ramenez-le tout de suite.

Si le drone vole de façon irrégulière, recalibrez l’IMU sur une surface plane. Parfois, l’IMU doit être recalibré plus d’une fois. Le site Web des fabricants de drones doit également être vérifié pour une mise à jour du firmware afin de résoudre tout problème au sein du contrôleur de vol. Si un autre problème existe, le drone aurait plus que probablement une défaillance matérielle dans l’IMU ou le contrôleur de vol.

Derniers drones avec la meilleure stabilisation de vol

Phantom 4 avec stabilisation de drone à six axes

Voici quelques-uns des derniers drones avec le meilleur GPS intégré, la stabilisation gyroscopique, la technologie IMU et les systèmes de vol autonomes. Ceux-ci ont également des cardans stabilisés et des caméras vidéo 4k. Ces drones ont des caractéristiques de sécurité telles que le verrouillage de la maison et le retour à la maison. Ce sont tous des drones fantastiques.

DJI Mavic 2 Pro et Mavic 2 Zoom – Les 2 nouveaux quadcoptères sortis en août 2018 ont les dernières nouveautés en matière de navigation, de contrôle de vol, de stabilisation et de caméras haut de gamme. Ce sont des améliorations massives du Mavic Pro précédent par rapport à l’année dernière.

Le Mavic 2 Pro et le Mavic 2 Zoom sont équipés de systèmes de vision avant, arrière, vers le bas et latéral, y compris des systèmes de détection infrarouge vers le haut et vers le bas.

Les principaux composants des systèmes de vision avant, arrière et descendante sont six capteurs de caméra situés sur le nez, l’arrière et le dessous du quadcopter Mavic 2. Le système de vision latérale est composé de 2 caméras avec une caméra de chaque côté du quadcopter Mavic 2.

Les principaux composants des systèmes de détection infrarouge vers le haut et vers le bas sont 2 modules infrarouges 3D situés sur le dessus et le dessous du quadcopter Mavic 2.

Les contrôleurs de vol, l’IMU ainsi que le système de vision et le système de détection infrarouge aident le Mavic 2 à voler en douceur et avec précision. En planant, ces systèmes aident le Mavic 2 à maintenir sa position actuelle et à rester en place très précisément. Le système de vision et de détection infrarouge permet également au Mavic 2 de voler à l’intérieur ou dans d’autres zones où aucun signal GPS n’est disponible.

DJI Mavic Air – Ce mini drone sorti en janvier 2018, utilise la toute dernière technologie Gyro IMU. Le Mavic Air se lance depuis le sol ou depuis votre main, il utilise donc la technologie de la vidéo ci-dessus, mais est beaucoup plus avancé et stable. Dans les zones où il y a de l’herbe longue ou dans la neige, l’option de décoller de votre main est excellente.

Lors du lancement de votre main, le Mavic Air se lèvera en douceur et restera parfaitement stable en une fraction de seconde. Vous pouvez également piloter le Mavic Air à l’aide de gestes de la main ou à l’aide de votre téléphone portable.

Le Mavic Air a également une reconnaissance faciale. Il utilise des capteurs de vision et des algorithmes pour détecter et se concentrer sur les personnes ou les objets en face.

Le Mavic Air utilise également des capteurs de vision et des algorithmes d’apprentissage automatique très sophistiqués pour la détection d’obstacles et la prévention des collisions. Le Mavic Air peut contourner des obstacles et si l’obstacle est trop grand, il planera devant l’obstacle. C’est une technologie avancée incroyable et voici un article formidable sur la détection d’obstacles et l’évitement de collision dans les drones pour plus de connaissances.

Maintenant, le Mavic Air dispose de nombreux modes de vol intelligents tels que Rocket, Dronie, Circle, Helix et Asteroid. Ces modes de vol intelligents rendent le vol et le tournage très faciles. Si vous souhaitez en savoir plus sur ce drone haut de gamme, alors lisez notre critique complète de DJI Mavic Air. Il comprend toutes les fonctionnalités, les spécifications, les questions fréquemment posées, y compris de superbes vidéos.

De nombreuses offres sont disponibles et vous pouvez les consulter sur notre page de packs DJI Mavic Air.

DJI Mavic Pro – Ce drone repliable vole et plane parfaitement. La technologie est appelée « FlightAutonomy » et se compose de 7 composants dont 5 caméras (capteurs de vision double avant et vers le bas et la caméra principale), positionnement satellite bi-bande (GPS et GLONASS), 2 télémètres à ultrasons, capteurs redondants et un groupe de 24 cœurs informatiques spécialisés et puissants.

Les caméras à gauche et à droite à l’avant du Mavic sont fixées en place à l’aide d’un support en aluminium pour assurer l’alignement optimal des lentilles du capteur de vision.

À mesure que le Mavic vole, deux capteurs de vision vers l’avant et vers le bas mesurent la distance entre lui-même et les obstacles en prenant des photos des quatre caméras et en utilisant les informations pour créer une carte 3D qui lui indique exactement où se trouvent les obstacles.

Les deux capteurs de vision vers l’avant et vers le bas nécessitent une lumière visible pour fonctionner et, sous une lumière vive, peuvent voir jusqu’à 49 pieds (15 mètres) à l’avant.Ce système d’évitement d’obstacles est activé dans chaque mode de vol intelligent, y compris tous les modes ActiveTrack, TapFly et Terrain Suivez. Il est également disponible pendant le retour automatique à la maison, afin que le Mavic puisse facilement revenir en arrière sans se cogner sur quoi que ce soit sur son chemin.

DJI Phantom 4 Pro – Sorti uniquement en novembre 2016, ce quadcopter dispose de modes de vol autonomes stabilisés par gyroscope, y compris l’évitement des collisions et la détection de la vision. Les modes de vol stabilisés par gyroscope programmable sont Draw Waypoints, TapFly, ActiveTrack Follow Me, Terrain Follow, Gesture Mode, Sports mode et bien d’autres.

Le drone Phantom 4 a un cardan stabilisé intégré et peut capturer de superbes vidéos 4k et prendre des photos de 12 mégapixels. Vous pouvez lire plus loin et regarder quelques vidéos formidables vous montrant autour du Phantom 4 Pro ici. L’article comprend des informations et des vidéos sur ses modes de vol intelligents et sa technologie anti-collision.

Yuneec Typhoon H – Le dernier multirotor de Yuneec présenté au CES 2016 a tout ce que vous pourriez rechercher dans un drone. Il a des modes de vol autonomes intégrés stabilisés par gyroscope tels que Orbit, Points d’intérêt, Journey, Curve Cable Cam, Follow Me / Watch me. Il peut enregistrer des vidéos en 4k et capturer des images fixes de 12 mégapixels avec son cardan stabilisé à 3 axes intégré.

Avantages de la stabilisation gyroscopique à six axes

Il existe des domaines en dehors de la photographie aérienne et du tournage, qui bénéficient des technologies de stabilisation des gyroscopes à six axes des drones.

Acrobaties et courses de drones

Beaucoup de gens aiment les drones juste pour le pur plaisir des acrobaties et des courses. Voler à des angles raides et surtout renverser un drone sans s’écraser est difficile sans stabilisation gyroscopique à six axes.

Les courses de drones sont un sport en pleine croissance et cela repose sur des systèmes de contrôle de vol très rapides car les parcours sont pleins d’obstacles. Ces drones de course sont rapides et la vidéo en direct retournée au pilote doit être transmise avec une latence exceptionnellement faible. Vous pouvez lire plus loin dans cet article sur la vidéo en direct FPV.

Cartographie 3D et photogrammétrie

Cette prochaine vidéo de drone est issue d’un projet où Pix4D, en collaboration avec le fabricant de drones canadien Aeryon Labs Inc et l’Université PUC de Rio de Janeiro, a créé la première carte 3D de la statue du Christ Rédempteur à Rio.

Les conditions météorologiques et les conditions changeantes, avec des rafales de vent pouvant atteindre 50 km / h (30 mi / h), ont rendu ce projet particulièrement difficile. Ce projet n’aurait pas été possible de piloter un drone manuellement. Avec des rafales de vent, le drone dériverait facilement de quelques mètres en une fraction de seconde avant que le pilote puisse réagir.

Pix4D est l’un des leaders du marché pour la création de cartes et de modèles 3D à l’aide d’un logiciel de photogrammétrie. Vous pouvez lire les commentaires sur les autres principales sociétés de logiciels de cartographie 3D ici.

Le système de contrôle de vol du drone avec sa stabilité gyroscopique à 6 axes ainsi que le GPS, la navigation par waypoint, ont rendu ce projet possible. D’autres projets et secteurs bénéficient de cette technologie inventée pour la première fois il y a des centaines d’années.

Dans cette vidéo finale, nous apprenons comment fonctionnent l’accéléromètre, le gyroscope et le magnétomètre MEMS et comment les utiliser avec la carte Arduino.

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