Aéromodélisme RC

Techniques et conception

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Les accessoires de la radiocommande

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Sommaire général

Auteur : Philippe Kauffmann

Version initiale : 16 août 2008

Dernière révision : 7 janvier 2011

 

Photos : constructeur ou auteur, sauf mention contraire

 

 

N. B. : double-cliquer sur les images permet souvent d’obtenir une version agrandie.

 

 

Sommaire

 

L’alimentation de la radiocommande

            Émetteur

            Récepteur

Amplificateur de signal de servo

            Principe du système

Schéma électronique de l'amplificateur

            Liste des composants

            Variantes du montage

Montage pratique

            Approvisionnement des composants

Limites et risques du dispositif

Gyroscopes et autres systèmes inertiels

La télémétrie et les systèmes de télémesure à enregistrement

Références

 

 

Ce chapitre présente quelques dispositifs qui entourent toujours (les accumulateurs), parfois (gyroscopes) ou rarement (systèmes de télémesure) les systèmes de radiocommandes. La plupart des ces dispositifs annexes sont disponibles dans le commerce, mais on peut être amené à en réaliser parfois soi-même (ampli de servo).

 

 

L’alimentation de la radiocommande

 

Emetteur

 

L’alimentation de l’émetteur varie d’une marque et d’un modèle à l’autre. Mais on peut dégager les quatre cas les plus courants :

·         alimentation par piles AA (nommées aussi R6),

·         alimentation par six éléments NiMh,

·         alimentation par huit éléments NiMh,

·         alimentation par accumulateur LiPo.

 

 

L’alimentation par piles est réservée aux émetteurs très bas de gamme. Si on est en présence de ce type d’émetteur, il est indispensable de remplacer le support de piles par un pack accumulateur compatible achetés ou confectionné soi-même, car les piles qu’il faut changer très souvent reviennent très cher et aussi parce que la fiabilité des supports de piles est mauvaise.

 

Parfois la radiocommande est fournie avec son chargeur, ce qui simplifie les choses, mais ce n’est pas le cas le plus courant. Si on utilise un chargeur non dédié, la charge de l’émetteur se fera en 12 h avec un courant égal au dixième de la capacité de l’accumulateur. C'est-à-dire que si l’accumulateur à une capacité de 2000 mAh, on charge à 200 mA. De temps à autre, si on est pressé, on pourra utiliser une charge rapide au triple du courant de charge habituel sans trop fatiguer l’accumulateur, à condition que ça reste exceptionnel.

 

Avec le temps l’accumulateur tend à perdre de sa capacité (l’effet était très important avec les accumulateurs NiCd) ; il est alors utile de faire deux ou trois cycles de charge/décharge pour rafraîchir l’accumulateur. Mais il y a une complication, de nombreux émetteurs mettent une diode en série avec l’accumulateur comme protection contre les branchements à l’envers, ce qui empêche sa décharge via la prise de charge. Sur certains émetteurs, un cavalier permet de court-circuiter la diode, mais sur d’autres il faut cycler l’accumulateur en le sortant de l’émetteur.

 

Les prises de charge sont en général des prises dites « Jack-alim » : cylindriques et creuses de 5 mm de diamètre. Malheureusement certains fabricants mettent le pôle positif au centre et d’autres y mettent le pôle négatif (Graupner, JR et SPEKTRUM notamment). Il faut donc faire attention à la polarité de la prise. Si on installe soi-même une prise de charge pour un émetteur, il ne faut en aucun cas utiliser une prise Jack classique pleine car au moment du branchement on court-circuite les broches un bref instant.

 

 

Lors du remplacement d’accumulateurs usagés on a trois options :

·         acheter un pack neuf prévu pour l’émetteur,

·         mettre un pack à adapter soi-même avec des éléments NiMh à faible autodécharge (type Eneloop de SANYO) qui évitent d’avoir à recharger l’émetteur la veille de chaque cession de vol,

·         adapter un pack à deux ou trois éléments LiPo pour remplacer 6 ou 8 éléments NiMh.

 

La dernière solution est tentante du fait de la capacité et de l’absence d’autodécharge significative des LiPo. Ça ne pose pas de problème majeur lorsqu’on remplace 6 NiMh par 2 LiPo, car les tensions sont compatibles. Par contre, remplacer 8 NiMh par 3 LiPo marche pour certains émetteurs préparés à ça, mais pose des problèmes à d’autres qui ne sont pas prévus pour supporter plus de 11,5 V alors que les LiPo génèrent jusqu’à 12,6 V. La solution la plus courante consiste dans ce cas à ajouter une diode en série avec le pack d’accumulateurs pour faire chuter la tension sous 12 V. Le problème mineur résiduel est que l’indication du niveau de charge cesse d’être exact. De plus, dans tous les cas il faudra prendre soin de ne pas laisser deux éléments LiPo se décharger en dessous de 6 V ou trois éléments LiPo en dessous de 9 V (ou 8,4 V s’il y a une diode en série).

 

La durée de vie des accumulateurs étant limitée et aléatoire, il arrive que l’on se retrouve sur le terrain avec un émetteur non fonctionnel. Pour éviter cette frustration, il ne faut pas hésiter à changer systématiquement les packs NiMh tous les 5 ans et LiPo tous les deux ans. De plus, si un élément d’un pack donne des signes de faiblesse, il ne faut pas hésiter à changer tout le pack.

 

 

Récepteur

 

Lorsque le récepteur n’est pas alimenté directement par le contrôleur via le BEC (moteur à explosion, planeur pur, ou contrôleur optocouplé), il faut l’alimenter via des accumulateurs. Il y a plusieurs solutions :

·         alimentation via 4 éléments NiMh. C’est la solution classique. Quatre éléments de taille AAA (masse 50 g) vont bien pour les modèles de moins de 2 kg. Entre 2 kg et 4 kg, des éléments AA (masse 100 g) sont indispensables pour tenir compte de la consommation supérieure des servos. Au-delà de 4 kg il faudra prendre des éléments sub C (masse 300 g) ou même plus gros selon la taille du modèle.

·         Alimentation via 5 éléments NiMh ou 2 éléments LiPo. La capacité devra être choisie comme dans le cas précédant en fonction de la taille du modèle. De plus, il faudra ajouter un régulateur de tension réglé entre 5 V et 6 V entre l’accumulateur et le récepteur.

·         Alimentation par 2 éléments LiPo sans régulateur. Cette solution est réservée aux modèles de plus de 8 kg, et implique l’utilisation des servos 7,4 V HITEC/Multiplex ou équivalent avec un récepteur qui supporte aussi les tensions jusqu’à 8,4 V.

 

Dans tous les cas, on choisira des accumulateurs à faible résistance interne (prévus pour la propulsion), car les servos provoquent parfois de fortes pointes de courant qui induisent des chutes de tension qui peuvent en fin de compte perturber le récepteur si la chute dépasse un certain seuil.

 

Il y a une solution supplémentaire, valable surtout pour les gros modèles, qui consiste à utiliser un régulateur à découpage (sorte de SBEC autonome vendu dans le commerce) alimenté par un accumulateur LiPo (tension selon SBEC). Les avantages de cette solution sont que le rendement électrique est excellent et que la tension de sortie est bien stable, réglable à la valeur optimale pour son système de radicommande.

 

 

Amplificateur de signal de servo

 

Les signaux d’un servo peuvent être perturbés par une tension d’alimentation instable (chute de tension provoquée par la consommation des servos), surtout si le récepteur génère des impulsions de 3,3 V au lieu de 4,8 V. Il faut alors un amplificateur d’impulsion pour corriger ce problème. Ce dispositif est présenté ici.

 

Principe du système

           

La résistance de sortie du signal émanant d'un récepteur classique est de l'ordre de 200 Ω (en général moins sur les récepteurs PCM, intelligents et 2,4 GHz), ce qui les rend très sensibles aux champs électromagnétiques parasites qui traînent un peu partout dans notre environnement. Pour diminuer cette sensibilité il suffit d'ajouter juste à la sortie du récepteur un circuit électronique amplificateur de courant (appelé "driver" en anglais) dont la résistance de sortie est beaucoup plus faible.

           

C'est ce type d'amplificateur qu'on trouve dans les boîtiers de commande pour "grand modèle" (voir photo 4) qui contrôlent l'ensemble des voies d'un ou deux récepteurs. Pour les modèles de taille moyenne ou petite il existe aussi des adaptateurs très compacts et légers pour une seule ou deux voies. On trouve ce type de matériel assez facilement en Allemagne, mais malheureusement pas en France (sauf dans quelques rares magasins), ce qui justifie d'en réaliser soi-même pour quelques euros (photo 1).

 

ferme

Photo 1 : amplificateur de construction amateur pour deux servos (masse 4,4 g)

 

 

Schéma électronique de l'amplificateur

 

Le schéma électronique (figure 1) est extrêmement simple puisqu'il ne comporte en dehors de la connectique qu'un composant actif (l'amplificateur) et un composant passif (le condensateur de découplage).

 

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Figure 1 : schéma électronique de l'amplificateur

 

 

On remarquera que le système est prévu a priori pour deux voies. La raison tient au fait que les amplificateurs sont par deux dans le boîtier électronique, donc autant en profiter.

 

 

Liste des composants

 

J1, J2               prises femelles type JR ou FUTABA sur câble court

J3, J4               broches mâles au pas de 2,54 mm

C1                   condensateur de découplage de 100 nF

U1                   driver CMOS non inverseur ELAN ou INTERSIL EL7202CN en boîtier DIP

 

 

Variantes du montage

 

Si on a besoin de protéger une voie unique on pourra supprimer J2 et J4, ce qui fera un circuit plus petit et léger. A l'inverse, si une sortie récepteur doit piloter plusieurs servos, on pourra dédoubler J3, voire J3 et J4. On peut évidemment aller plus loin, et imaginer autant de variantes que l'on souhaite en fonction du besoin.

 

 

Montage pratique

 

Les montages électroniques se font en général sur un circuit imprimé et utilisent des composants dits CMS (Composant Monté en Surface). Mais pour un besoin ponctuel la réalisation d'un circuit imprimé est laborieuse. Pour cette raison, les amplificateurs on été réalisés ici avec des composants dits traversants (à l'ancienne) soudés sur une plaque prépercée au pas de 2,54 mm. La photo 2 montre le montage vu de dessus, tandis que la photo 3 montre l'autre face.

 

La masse de l'amplificateur, tel que montré est de 4,4 g. Si on souhaite réaliser quelque chose de plus léger pour l'indoor, il faudra faire appel à des composants CMS et du circuit imprimé mince (0,4 mm) ; la masse descendra alors en dessous du gramme.

 

dessus

Photo 2 : amplificateur vu de dessus

 

dessous

Photo 3 : amplificateur vu de dessous

 

 

Approvisionnement des composants

 

Les fiches femelles J1 et J2 peuvent être acquises dans n'importe quel magasin de modélisme. Les connecteurs mâles J3 et J4 (à couper soi-même à la longueur de deux fois trois contacts), la carte prépercée comme de condensateur de découplage C1 peuvent être trouvés dans n'importe quel magasin d'électronique.

 

L'amplificateur EL7202CN de marque ELAN ou INTERSIL, bien que courant est plus difficile à trouver. Vous risquez probablement d'être obligé de le commander chez votre détaillant électronique par dix pièces. Ce composant est aussi disponible en vente par correspondante chez Radiospares et Farnell [1], mais ces distributeurs professionnels rechignent de plus en plus à vendre aux particuliers, sauf au comptoir, mais il y en a peu en France.

 

 

Limites et risques du dispositif

 

Ce dispositif, beaucoup plus efficace que les traditionnels tores de ferrite, est bien commode si on a un problème ponctuel de perturbation. Le système est particulièrement adapté aux servos montés au bout de câbles longs ou montés en parallèle. Par contre, il n'est guère adapté aux grands modèles pour lesquels un circuit interface gérant toutes les voies, le doublement de l’alimentation et du récepteur sera mieux adapté (photo 4). Les principaux fournisseurs de ces matériels sont ACT, Graupner avec WEATRONIC, EMCOTEC et Robbe/FUTABA.

 

emcotec

Photo 4 : système de double alimentation et d'amplification de servo

 

 

Ce système présente aussi un risque si l'on se trompe de sens de branchement. En effet, avec une sortie de récepteur classique, une inversion du sens de branchement n'est le plus souvent pas destructrice alors qu’elle l’est presque toujours avec l'utilisation d'un de ces amplificateurs capable de délivrer plusieurs ampères. Une inversion peut dans ce cas en plus des dommages au servo créer un début d'incendie ou au moins provoquer la fonte des gaines des fils électriques concernés. Une protection classique contre ce risque consiste à ajouter une résistance de 10 Ω en série avec chaque sortie d'amplificateur. Ca diminue légèrement l'efficacité du dispositif mais limite le courant à 0,5 A en cas d'erreur de branchement. A vous de voir si vous pensez avoir besoin ou non de cette sécurité.

 

 

Gyroscopes et autres systèmes inertiels

 

L’axe de lacet des hélicoptères RC est difficile à maîtriser à cause de sa vivacité (manque d’inertie), aussi Graupner a développé dans les années 70 un système gyroscopique pour stabiliser cet axe des hélicoptères. Ce dispositif analogique, lourd et encombrant incorporait un véritable gyroscope avec une masse tournant à grande vitesse. Ce dispositif a été remplacé plusieurs décennies plus tard par un dispositif numérique utilisant un capteur gyrométrique à lame vibrante. On continue pourtant de parler de gyroscope, bien que le terme ne soit plus parfaitement adapté. Mais les premiers gyroscopes ont été installés bien avant sur les avions grandeur ; le premier gyroscope de marque SPERRY ayant été installé sur un hydravion Curtiss en 1914 pour assurer le pilotage automatique. Ce n’est donc pas une invention d’hier.

 

Pour l’aéromodéliste, le gyroscope est donc un dispositif qui mesure la vitesse de rotation selon l’axe de lacet et règle cette vitesse sur celle demandée par le manche de direction. C’est un asservissement au même titre que celui des servomoteurs. La commande de lacet du récepteur va donc sur l’entrée de données du gyroscope, et la sortie du gyroscope va sur le servo d’anticouple.

 

Comme dans le cas des autres asservissements, on n’obtient un bon fonctionnement que si plusieurs conditions sont remplies :

·         gain de l’asservissement correctement réglé,

·         correcteur adapté,

·         servo suffisamment rapide.

 

Sur un asservissement évolué, le gain se règle automatiquement, mais sur nos « gyros » primitifs en terme de conception, il faut régler le gain soi-même. Le critère de réglage est très simple : gain trop faible, le cap dérive rapidement, gain trop fort, la queue à tendance à osciller. Le bon réglage est donc à la limite de l’oscillation.

 

Pour compliquer un peu les choses, les gyroscopes ont en général deux modes de fonctionnement :

·         mode normal où le gyroscope se contente de limiter la vitesse de dérive angulaire,

·         mode « heading hold » (pour maintien de cap) où le gyroscope cherche à limiter la variation de cap.

 

En général, on passe d’un mode à l’autre via une voie auxiliaire de la radiocommande reliée à l’entrée de commande du gyro, voie connectée à un interrupteur de l’émetteur et qui sert aussi au réglage du gain dans chaque mode, car le gain optimum n’est pas le même dans chacun des deux modes.

 

Pour optimiser le fonctionnement d’un asservissement on utilise en général des correcteurs analogiques simples comme le PID (pour Proportionnel, Intégrale et Dérivée) ou des correcteurs numériques plus sophistiqués. Les correcteurs PID sont connus depuis plus de 70 ans et ont été utilisés de façon généralisée dans tous les asservissements industriels, y compris les thermostats de chauffage domestique. Malheureusement, nombres de nos gyroscopes n’ont pas encore droit à cette fonction qui peut pourtant être implémentée en moins de dix lignes de programme. Seul FUTABA en fait mention depuis peu, mais de nombreux gyroscopes de qualité doivent utiliser ce type de correcteur.

 

Le troisième critère d’optimisation est l’utilisation de servos rapides. Un asservissement est beaucoup plus rapide qu’un pilote ; il fonctionne donc mieux avec un servo plus rapide. On a donc développé spécifiquement des servos pour gyroscopes avec des temps de rotation de 60° de l’ordre de 50 ms. Néanmoins, pour en tirer pleinement profit, la période de l’impulsion PPM, classiquement de 22 ms doit être raccourcie, ce qu’acceptent quasiment tous les servos numériques rapides. Encore faut il avoir configuré le gyroscope comme il faut et qu’on ait vérifié que ça ne provoque pas de surchauffe du moteur des servos concernés, car ils deviennent très sollicités.

 

 

A coté du gyroscope classique qui stabilise un axe, typiquement l’axe de lacet d’un hélicoptère mais pas forcément, on a développé ces dernières années des dispositifs capables de stabiliser les trois axes de rotation. Ils sont le plus souvent baptisés système « flybarless » car leur utilisation permet de supprimer la barre de Bell des hélicoptères.

 

La société ALIGN propose deux systèmes 3 axes baptisés V-STABI, un pour petits hélicoptères (moins de 500 g) et un pour les hélicoptères plus gros. GYRO BOT et Robbe/FUTABA avec le modèle HC-3X proposent également ce type de produit performant mais coûteux (aux environs de 500 €). Depuis peu les sociétés FEX ELEKTRONIC et BEASTX [2] proposent des produits à peine moins performants, mais à moins de 140 €, c'est-à-dire moins cher que certains gyros un axe. Cette évolution provient de l’apparition récente de gyromètres MEMS 3 axes qui simplifient considérablement la fabrication.

 

L’avantage principal de ces systèmes par rapport à l’utilisation d’une barre de Bell est une forte diminution de la sensibilité au vent. On peut noter aussi une petite amélioration des performances due à un allègement et une diminution des pertes aérodynamiques.

 

Le dispositif le plus évolué dans ce domaine est le système « Helicommand » de Robbe qui sait maintenir un stationnaire grâce à une caméra qui observe le sol. Il se distingue des autres produits cités, car si les gyromètres trois axes remplacent la barre de Bell par de l’électronique, ils ne changent que le comportement fondamental de l’hélicoptère. Tandis que le système Helicommand modifie fondamentalement le comportement du modèle. On peut par exemple passer du contrôle complètement manuel (sans asservissement) au contrôle complètement automatique par le simple basculement d’un interrupteur d’urgence afin de récupérer un hélicoptère en perdition. L’Helicommand a donc une vocation, à la fois de sécurisation de maquettes coûteuses et d’aide à l’apprentissage du pilotage. La société « Hobby King » [3] commercialise un variante chinoise de ce dispositif nommée FLY MENTOR 3D pour un prix d’environ 50 € hors taxe (c'est-à-dire incomparablement moins cher que l’Helicommand de Robbe) présenté sur la photo 5.

 

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Photo 5 : stabilisateur d’hélicoptère FLY MENTOR 3D avec caméra visant le sol

 

 

La télémétrie et les systèmes de télémesure à enregistrement

 

On vend depuis de nombreuses années des équipements de télémesure embarqués autonomes, capables de mesurer un certain nombre de paramètres de vol, les mémoriser, puis de les restituer une fois au sol sous forme graphique sur l’écran d’un PC (voir chapitre introduction). Les grandeurs mesurées classiquement sont :

 

·         tension de la batterie de réception,

·         courant de la batterie de réception,

·         tension de la batterie de propulsion,

·         courant de la batterie de propulsion,

·         régime moteur,

·         température du moteur et de la batterie de propulsion,

·         altitude, vitesse sur trajectoire et vitesse de montée,

·         position GPS.

 

 

Comme ces grandeurs ne sont accessibles qu’après chaque séance de vol, elles sont surtout utiles pour la mise au point et comprendre les divers phénomènes survenus en vol. Les deux principaux fabricants des ces appareils baptisés en anglais « data loggers » (mineurs de données) sont l’allemand UNILOG [4] distribué par les magasins de modélisme allemands et autrichiens, et l’américain EAGLE TREE [5].

 

 

En même temps on a diffusé des dispositifs pour planeur qui fournissent en temps réel au sol les informations d’altitude, vitesse sur trajectoire et vitesse de montée sous forme visuelle et sonore grâce à un lien radio autonome. Le système le plus diffusé et performant est le Picolario [6] qui permet au modèliste de disposer sous forme auditive des mêmes informations que le pilote de planeur grandeur. Il fournit notamment une information de montée compensée, dite à énergie totale, qui permet de connaître la vitesse ascensionnelle réelle de l’air environnant, indépendamment de la vitesse de montée du planeur. La société allemande ELV a aussi fabriqué un produit, mais il semble devenu introuvable

 

 

Avec l’avènement de la radio centimétrique (en 2,4 GHz) ces dispositifs sont maintenant intégrés aux radios elles-mêmes. Mais la forme est différente, car il n’y a le plus souvent ni mémorisation, ni diffusion auditive des informations, sauf avec le système HOTT de Graupner. L’information est principalement visuelle en temps réel sur l’afficheur de la radiocommande avec en général la possibilité de déclencher une alarme sonore en cas de valeur trop basse ou trop forte sur une mesure. Il n’est donc pas possible d’exploiter les résultats a posteriori sous forme graphique sur un PC, ni d’être informé d’une ascendance tout en gardant les yeux sur son planeur. Cette télémétrie est donc surtout utile pour vérifier le système avant décollage et être averti d’une batterie de réception faible, d’un réservoir presque vide, etc.. Ceci étant écrit, il ne faut pas perdre de vue que c’est une technique encore très jeune et donc immature, susceptible d’évoluer très rapidement.

 

 

 

Références

 

1.      Distributeurs Internet de composants électroniques par correspondance Radiospares et Farnell

2.      Stabilisateur trois axes pour hélicoptère MicroBeast

3.      Hobby King marchand de matériel d’aéromodélisme

4.      Fabricant allemand de système de télémesure autonome UNILOG (distributeur SM Modellbau)

5.      Fabricant américain de système de télémesure autonome EAGLE TREE

6.      Système de télémesure allemand temps-réel Picolario