Aéromodélisme RC

Techniques et conception

La radiocommande

Philippe Kauffmann, club des 5A Pardines (Auvergne)

Version initiale : 16 août 2008

Dernière révision : 30 octobre 2010

Photos : constructeur ou auteur, sauf mention contraire

Page internet : http://techniquemodelisme.free.fr/

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

Sommaire

La chaîne de radiocommande

Le manche et ses potentiomètres

Le servomoteur et son potentiomètre

Le signal de commande du manche au palonnier

Modulation d’impulsions basse fréquence

Modulation haute fréquence

Démodulation

Emetteurs informatisés

Aspect commercial des radiocommandes

Etagement de la gamme proposée

Les bandes de fréquence

Les constructeurs

L’émetteur

Le pupitre de contrôle

Organisation des voies

Codage de la position des manches

La programmation

Les récepteurs

Démodulation

Décodage

Association à l’émetteur

La connectique

Architecture d’un récepteur

Les constructeurs

Les servomoteurs

Les constituants d’un servomoteur

Le palonnier

           Les paliers

           Le potentiomètre

           Le moteur

           Le réducteur

           L’électronique de commande

           Le boîtier

Caractéristiques techniques et choix

Le couple et choix de la taille

Vitesse

Précision

Caractéristiques électriques

Forme et montage

Résistance aux chocs et déformation

Les servos particuliers et spéciaux

Base de données de choix

Le contrôleur du moteur de propulsion

L’alimentation de la radiocommande

Émetteur

Récepteur

Aspects techniques des radiocommandes

La modulation BF

La modulation PPM

Le système PCM

Les codages numériques modernes

La modulation HF

Modulation d’amplitude, de fréquence et de phase

L’accès multiple au médium radio

Le saut de fréquence FHSS

L’étalement direct DSSS

Comparaison des types de modulation

Délai de suivi et global

La propagation radio

Les perturbations

L’adaptation des antennes

Les risques des micro-ondes

Perturbation des signaux des servos et correction

Gyroscopes et autres systèmes inertiels

La télémétrie et les systèmes de télémesure à enrégistrement

Règlementation, bandes de fréquence

Fiabilité et entretien

Responsabilité, sécurité des personnes

Références

Pour piloter un avion de tourisme, le pilote agit sur les gouvernes de son avion via le manche de pilotage ; les deux étant reliés par un système mécanique de tringlerie. Pour piloter un aéromodèle, le pilote agit aussi sur les gouvernes, mais à travers un système beaucoup plus complexe baptisé radiocommande (anciennement télécommande). A une extrémité se trouve l’émetteur avec ses manches − versions miniatures de celui des avions grandeur − et à l’autre des servomoteurs − plus couramment appelés « servos » − reliés aux gouvernes. Entre les deux, la tringlerie mécanique a été remplacée par de l’électronique, de l’informatique et une onde électromagnétique.

La radiocommande est apparue dans le monde modéliste aux environs de la seconde guerre mondiale, mais n’a été significativement diffusée qu’au début des années 1960, bien après les débuts de l’aéromodélisme. Ces premières radiocommandes commerciales utilisaient parfois des tubes à vide et étaient toujours de type « tout ou rien », c'est-à-dire qu’il n’était pas possible de braquer partiellement les gouvernes. Cette période que l’on peut qualifier de préhistoire est décrite au chapitre « Historique ». Elle s’arrête vers 1966 lorsque les radiocommandes proportionnelles proches de celles d’aujourd’hui sont apparues.

Après près de 40 ans de stagnation technologique, on assiste depuis environ 2005 à un nouveau bond en avant avec l’utilisation des micro-ondes (2,4 GHz) aussi appelées ondes centimétriques et de la télémétrie.

Tous les tenants et aboutissants de cette radiocommande sont approfondis dans ce chapitre.

La chaîne de radiocommande

La photo 1 montre une chaîne de radiocommande de base à 4 voies avec 4 servomoteurs (gaz, ailerons, profondeur et direction). On observe  :

· l’émetteur qui reçoit les ordres des deux manches, les transforme en un signal électrique qui module une onde radio,

· l’accumulateur de réception qui fournit l’énergie à la partie embarquée,

· le récepteur qui transforme l’onde radio de l’émetteur en autant de signaux de commande individuels qu’il y a de voies,

· les quatre servomoteurs (traditionnellement appelés servos) qui reçoivent un ordre de position du récepteur et le traduisent en angle sur leur palonnier.

Lorsqu’aucun réglage particulier n’est effectué au niveau de l’émetteur (course, offset, exponentiel…), l’angle du palonnier correspond à peu près à l’angle du manche de commande. Le palonnier suit donc le manche et on est en présence de ce qu’on appelle en automatisme un arbre électrique, car tout se passe comme si le manche et le palonnier étaient reliés par un axe mécanique invisible.

Photo 1 : chaîne de radiocommande 4 voies pour aéromodèle à moteur à explosion

La photo 2 montre une chaîne de radiocommande à 4 voies avec un émetteur programmable et un moteur de propulsion électrique avec trois servos (ailerons, profondeur et direction). On notera que l’émetteur comme le récepteur disposent de sept voies dans ce cas (les trois dernières voies étant inutilisées). Le système est très proche du système précédant et on observe :

· l’émetteur qui reçoit les ordres des deux manches, les transforme en un signal électrique qui module une onde radio,

· l’accumulateur de propulsion qui fournit l’énergie au contrôleur du moteur,

· le récepteur qui transforme l’onde radio de l’émetteur en autant de signaux individuels qu’il y a de voies,

· le contrôleur (ou variateur) qui contrôle la vitesse du moteur et fonction de l’ordre reçu,

· les trois servos qui reçoivent un ordre de position du récepteur et le traduisent en angle sur leur palonnier.

On remarque que dans cette variante il n’y a pas d’accumulateur de réception car le contrôleur possède sauf exception un BEC (Battery Eliminator Circuit) qui génère la tension électrique nécessaire au fonctionnement du récepteur et des servos.

Photo 2 : chaîne de radiocommande avec propulsion électrique

Le manche et ses potentiomètres

Chaque manche est relié mécaniquement (photo 3) à deux potentiomètres (un par direction). Lorsqu’on déplace le manche on fait donc tourner l’axe de l’un ou des deux potentiomètres. Les manches sont ramenés automatiquement au centre par des ressorts de rappel, sauf pour la commande de gaz. Dans le cas de la commande de gaz le ressort de rappel est remplacé par un crantage ou un système à friction qui tend à préserver la position du manche.

Photo 3 : manche de commande 2 axes (partie arrière)

Un potentiomètre (photo 4) est un circuit électrique destiné à transformer l’angle mécanique de son axe de commande en un signal électrique, en l’occurrence une résistance électrique. Le potentiomètre est constitué de :

· une piste résistive fixe (typiquement en carbone) en arc de cercle avec des connexions électriques à chaque extrémité,

· un curseur relié mécaniquement à l’axe du potentiomètre et électriquement aux balais du curseur.

La résistance entre l’extrémité gauche de la piste résistive et le curseur est proportionnelle à la longueur de l’arc sous-tendu, donc fonction de la position angulaire de l’axe du potentiomètre. Le potentiomètre fournit donc la mesure électrique de la position angulaire du manche.

Photo 4 : potentiomètre (vue éclatée)

Le servomoteur et son potentiomètre

Un servomoteur (voir photo 5) est constitué de :

· un potentiomètre semblable à celui des manches,

· un palonnier relié à l’axe du potentiomètre,

· un moteur électrique qui entraîne l’axe du potentiomètre via un réducteur,

· une électronique de commande qui reçoit les ordres du récepteur et actionne le moteur,

· un boîtier qui maintient ensemble toutes les pièces et permet la fixation à l’aéromodèle.

Le fonctionnement est le suivant : l’électronique mesure la résistance du potentiomètre témoin de la position du palonnier. Si la résistance est différente de celle correspondant au signal de commande reçu, l’électronique active le moto-réducteur dans un sens ou l’autre jusqu’à ce que la valeur de la résistance corresponde à celle demandée par le signal de commande. Le potentiomètre du servo recopie donc la valeur de résistance du potentiomètre de l’émetteur.

Il est essentiel de bien comprendre les tenants et aboutissants de ce principe. Les potentiomètres sont le cœur de la radiocommande, quelle que soit son type : PPM, PCM, 41 MHz ou 2,4 GHz. L’ensemble ne pourra pas être meilleur que ces éléments et leurs liaisons mécaniques aux manches et aux palonniers. S’il y a un jeu mécanique entre manche et potentiomètre ou entre palonnier et potentiomètre, ce jeu dégradera le fonctionnement de l’ensemble.

De plus, la précision ne pourra jamais être meilleure que celle des potentiomètres. Or les potentiomètres sont loin d’être parfaits. Indépendamment de la tolérance sur la résistance globale (environ 10 %) sans effet important, les potentiomètres souffrent de non linéarité (typiquement 1 %). De plus, la valeur de la résistance change légèrement avec la température, ce qui fait que les neutres bougent quand la température change. Enfin, les potentiomètres s’usent puisqu’il y a un frottement entre les balais du curseur et la piste résistive. Un bon servo et un bon émetteur devront donc nécessairement disposer de potentiomètres de qualité.

Photo 5 : servomoteur sans son boîtier

Le signal de commande du manche au palonnier

Modulation d’impulsion ou basse fréquence (BF)

Les premières radiocommandes transformaient la résistance de chaque voie en impulsion de durée variable (en fonction de la valeur de la résistance), générée de façon périodique environ cinquante fois par seconde (voir figure 1). La position du neutre correspondait à 1,5 ms, tandis que les valeurs extrèmes correspondant aux butées de manches étaient de 1 et 2 ms avec l’intégration du débattement des trims.

N. B. : au départ chaque fabricant utilisait des valeurs spécifiques légèrement différentes de celles des autres fabricants. L’harmonisation s’est faite au fur et à mesure des décennies.

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Figure 1 : impulsion liée au potentiomètre de manche

Les impulsions de chaque manche étaient ensuite combinées les unes à la suite des autres pour former un signal multiplexé (multiplexage temporel) portant les informations de position de l’ensemble des manches de la radiocommande (figure 2). L’impulsion de durée variable de chaque manche était transformée en une impulsion de durée fixe (environ 0,4 ms) suivie d’un repos de durée telle que le temps d’impulsion ajouté au temps de repos corresponde à la durée d’impulsion initiale (1 à 2 ms). Ce train d’impulsions appelé PPM est toujours utilisé aujourd’hui dans de nombreuses radiocommandes à ondes métriques (41 et 72 MHz) et même centimétriques (2,4 GHz).

Figure 2 : impulsions multiplexées des manches

On remarquera que si on bouge un manche juste après la génération de l’impulsion correspondante, le mouvement ne sera répercuté qu’à la période suivante, c'est-à-dire avec 20 à 25 ms de retard.

N. B. : La période normale de répétition des signaux multiplexés n’a jamais été bien fixe, car elle n’a pas d’effet direct sur les servos, sinon qu’ils doivent attendre plus ou moins longtemps chaque ordre nouveau. Les radiocommandes les plus modernes utilisent en principe une période variant entre 18 et 22 ms, mais FUTABA s’est fixé depuis longemps aux environs de 15 ms ce qui pose des problèmes avec certains servos et certaines radios dites rapides (SANWA SD-10G et SPEKTRUM DX7 SE notamment) utilisent une période inférieure ou égale à 10 ms, ce qui impose des servos numériques capables de suivre ce rythme.

La transformation des signaux électriques indépendants des manches en un train d’impulsions unique appelé basse fréquence sert à moduler une onde électromagnétique (radio) à haute fréquence comprise entre 27 MHz et 2,4 GHz selon la norme utilisée. On parle donc d’un signal modulé BF (pour basse fréquence) qui module un autre signal dit HF (pour haute fréquence). Le signal HF est une sinusoïde dont une des caractéristiques : amplitude, fréquence ou phase, évolue au gré du signal BF modulant. Ce signal HF ainsi modulé est amplifié et appliqué à l’antenne qui le rayonne sous forme d’onde électromagnétique.

Modulation haute fréquence

Tout émetteur possède une tête haute fréquence, parfois interchangeable et appelée alors en général module HF. Cet élément possède un oscillateur électronique dont la fréquence d’oscillation nominale est définie par la vibration mécanique d’une lame de quartz. La fréquence d’oscillation électrique n’est pas nécessairement la même que la fréquence de vibration du quartz car on peut multiplier et diviser la fréquence du quartz par un entier. Dans les émetteurs dits à synthèse de fréquence et onde centimétrique (2,4 GHz), on modifie par programme les coefficients de division et de multiplication pour obtenir exactement la fréquence désirée. La tête HF dispose d’une entrée de modulation pour appliquer le signal BF, ce signal BF fait soit varier l’amplitude (émetteurs pour jouets de très bas de gamme), soit la fréquence d’oscillation autour de la valeur nominale, soit la phase de la sinusoïde dans le cas de certains émetteurs à 2,4 GHz.

Démodulation

L’onde modulée est appliquée sur l’antenne de l’émetteur d’où elle rayonne dans tout l’espace et arrive très atténuée sur l’antenne de réception. Le récepteur amplifie ce signal ténu et le démodule pour retrouver le signal multiplexé de la figure 2. Après démultiplexage, chaque prise de servo reçoit un signal démultiplexé identique à celui de l’émetteur avant multiplexage comme celui de la figure 1. Chaque servo n’a plus alors qu’à transformer la durée de chaque impulsion en position angulaire.

Emetteurs informatisés

Les étapes de codage et décodage qui viennent d’être décrites sont celles des premières radiocommandes proportionnelles. Avec l’informatisation (toutes les radios programmables fonctionnent grâce à un microcontrôleur, ordinateur sur une puce et sont donc strictement un système informatique) certaines étapes ont parfois été masquées ou modifiées, mais pas toujours. Souvent c’est la phase de transformation de la position du manche de l’émetteur en impulsion qui a disparu. Parfois le train d’impulsions PPM a été remplacé par un code plus sophistiqué, parfois sur une durée plus courte, mais sans changer le fait qu’on transforme les positions de manche en suite d’impulsions. De toute façon, en bout de chaîne, les servos ont toujours besoin de l’impulsion périodique au format de la figure 1.

Aspect commercial des radiocommandes

Etagement de la gamme proposée

Les radios pour aéromodèles ont au moins quatre voies comme sur la figure 1 car il faut pouvoir contrôler le moteur, les ailerons, la profondeur et la dérive. Par contre, contrairement à la radio de la figure 1 qui date des années 1980, elles sont toutes programmables, sauf quelques radios de très bas de gamme. On règle dans ce dernier cas tous les paramètres mécaniquement dans le modèle comme dans les temps anciens Le fait qu’une radio soit programmable signifie qu’on peut définir des modèles et pour chaque modèle choisir des réglages spécifiques : sens de débattement des servos, course des servos, neutre, exponentiel, mixages entre les voies, etc.. Les ensembles programmables à quatre voies se vendent typiquement entre 100 € et 200 € en 2010, avec batterie d’émission, quartz (le cas échéant) et récepteur, mais sans servo. Acheter une radio non programmable moins cher n’est en général pas une affaire rentable car il manque dans ce cas la batterie d’émission et le passage d’un modèle à un autre est laborieux (changement du sens de débattement des servos) et sujet à erreurs.

Si on veut plus de voies pour ajouter des volets, un train rentrant ou un système de largage (pour remorqueur de planeur), il faut choisir une radio de plus haut de gamme. En effet, il n’existe pas de radio 4 voies haut de gamme ou 10 voies bas de gamme car les constructeurs ont décidé que le nombre de voies définirait la position dans la gamme. Aussi lorsqu’on achète une radio très haut de gamme, on dispose de 14 voies, même si personne n’a jamais eu l’usage de 14 voies en aéromodélisme (je n’ai pas vu en cinquante ans un aéromodèle en utilisant plus de 8…).

Les radios de milieu de gamme ont entre 6 et 8 voies. Elles se distinguent surtout des quatre voies par le nombre de voies qui dans ce cas précis sont en général utiles. Il existait jusqu’il y a peu des radios auxquelles ont pouvait ajouter soi-même les voies dont on avait besoin (Graupner de la photo 2). Mais cette époque est désormais révolue, car l’ajout de voie a été considéré par les fabricants comme une opération trop complexe pour le modéliste du XXI^ème siècle, étant donné que cela impliquait la maîtrise de l’usage de la pince et du tournevis.

Au-delà de 8 voies on est dans le haut de gamme. Les radios ont alors presque toujours un module HF interchangeable, ce qui permet de changer de bande de fréquence et de modulation à volonté, alors que les voies supplémentaires ne sont plus qu’un critère de choix secondaire. Il ne faut pas sous-estimer l’importance de la possibilité de pouvoir changer de module HF, car cela signifie qu’une radio centimétrique (2,4 GHz) pourra à volonté devenir métrique (41 MHz en France) et ainsi permettre de conserver ses anciens récepteurs. Il sera aussi possible, par exemple, avec une radio FUTABA en changeant de module HF de profiter de la technologie DSSS SPEKTRUM utilisée sur de nombreux RTF indoor, ou d’utiliser des récepteurs ASSAN beaucoup plus économiques que les récepteurs FUTABA.

Dans le très haut de gamme on peut parfois bénéficier d’un afficheur tactile (AURORA 9 de HITEC et T14MZ de FUTABA) qui rend la programmation plus rapide et agréable. La radiocommande la plus chère, la T14MZ de FUTABA dont le prix avoisine 2000 €, bénéficie en outre d’un afficheur en couleur venant directement des tablettes informatiques.

Dans tous les cas, plus on monte en gamme, plus on peut mémoriser de modèles et plus les possibilités de programmation augmentent.

Les bandes de fréquence

Les bandes de fréquences allouées au modélisme ont évolué au fil du temps pour devenir quelque chose d’assez complexe aujourd’hui, tout en étant en train de se simplifier de façon drastique. De plus, la réglementation est différente dans chaque pays. Par exemple, l’essentiel de l’Europe utilise les bandes 27 MHz, 35 MHz, 40 MHz et 2,4 GHz alors qu’aux US vous devez impérativement rester dans les bandes 27 MHz, 49 MHz, 72 MHz, 75 MHz ou 2,4 GHz ; tandis qu’en France on était cantonné jusqu’à peu aux bandes 27 MHz, 41 MHz, 72 MHz ou 2,4 GHz. Les commerçants ont simplifié les choses en ne vendant que du matériel sur 35 MHz, 40 MHz et 2,4 GHz en Europe hors France, 72 MHz, 75 MHz et 2,4 GHz aux US et 41 MHz et 2,4 GHz en France. Récemment les choses se sont un peu compliquées en France car on nous a donné un peu de 35 MHz et 40 MHz en nous enlevant du 41 MHz… Le site de la FFAM donne tout cela en détail [1].

Il est toutefois inutile de se prendre la tête avec ces détails, car les nouvelles fréquences qui nous ont été allouées sont surtout là pour autoriser les étrangers à venir chez nous avec leur matériel lors de compétitions internationales. Les commerçants eux, soldent en 2010 leurs systèmes dans toutes les bandes de 27 MHz à 75 MHz (anciens systèmes) au profit des systèmes à 2,4 GHz.

Il est bon de noter quelques éléments de vocabulaire et quelques éléments techniques à ce propos. Toutes les bandes basses de 27 MHz à 75 MHz sont appelées bandes métriques parce que la longueur d’onde émise par ses radios est de l’ordre quelques mètres ; alors que le 2,4 GHz est dans le domaine centimétrique aussi qualifié de micro-ondes. Quelle que soit la bande, on ne nous garantit aucune exclusivité. En particulier la nouvelle bande de 2,4 GHz appelée aussi ISM (pour Industrial Scientific & Medical) est une bande fourre tout ou un peu n’importe qui a le droit de faire presque n’importe quoi… En fait il s’agit de la nouvelle CB (Citizen Band), c'est-à-dire bande libre dans laquelle le modélisme s’est introduit tout simplement parce qu’elle était à peu près libre. On doit donc toujours s’attendre à être brouillé comme par le passé…

Dans la pratique, en 2010, on peut acheter des systèmes de radiocommande en bande métrique ou centimétrique, mais il faut savoir que si beaucoup de constructeurs ont encore une gamme double (mêmes modèles dans chacune des bandes), certains ne font plus que du centimétrique (donc 2,4 GHz) et que les autres ne vont pas tarder à suivre.

Les constructeurs

Les fabricants de radiocommandes sont essentiellement asiatiques (au moins partiellement, car même la société Multiplex [2] allemande a associé son activité « radiocommande » avec HITEC [3] d’origine sud coréenne, et SPEKTRUM, dernier arrivé sur le marché, qui ne fabrique que du matériel centimétrique, collabore avec JR).

JR PROPO [4] (JR pour Japan Radio)

Ce fabricant japonais majeur a remplacé la société Gründig vers le milieu des années 80 comme fournisseur du distributeur géant allemand Graupner. Sa politique commerciale a connu un grand tournant récemment avec le refus d’investir dans la technologie radio centimétrique. Elle n’a pas du tout cessé de produire, mais a modifié sa stratégie commerciale :

· Hors d’Europe :

o Maintien uniquement du haut de gamme (photo 6) et très haut de gamme (9 à 12 voies avec afficheurs graphiques évolués), abandon total de la technologie métrique, adoption de la technologie centimétrique SPEKTRUM.

· En Europe :

o Fourniture d’une gamme complète de radiocommandes à Graupner selon leur cahier des charges, mais avec la technologie HF imposée par le distributeur allemand (IFS et WEATRONIC).

Photo 6 : émetteur de radiocommande 11 voies de JR

Point fort : produits performants

Point faible : gamme limitée

Graupner [5] avec IFS et WEATRONIC

Graupner est le premier (chronologiquement) distributeur mondial de matériel de modélisme. Il ne fabrique que peu de choses de lui-même, mais impose beaucoup de choses du fait de son poids commercial. JR, son fournisseur d’équipements de radiocommandes a choisi la technologie centimétrique SPEKTRUM, mais Graupner, pour des raisons non divulguées, s’est brouillé avec SPEKTRUM et a alors imposé à JR la technologie IFS de type DSSS (origine américaine XPS [6]) pour son bas et milieu de gamme et WEATRONIC de type FHSS pour son haut et très haut de gamme.

Photo 7 : radiocommande 8 voies et modules IFS GRAUPNER

Photo 8 : radiocommande 12 voies avec module HF double WEATRONIC

Graupner maintient encore des produits en 41 MHz en l’an 2010 et ses derniers produits de la gamme centimétrique incorporent la télémétrie, au moins pour une partie d’entre eux.

Points forts : gamme très développée, système à redondance intégrée pour les grands modèles

Point faible : produits très difficiles voire impossible à trouver aux US et au JAPON

SPEKTRUM [7]

La société SPEKTRUM est le plus récent fabricant de radiocommandes. C’est cette société qui a imposé vers 2006 la mutation technologique vers les ondes centimétriques. Elle a commencé en proposant des modules HF pour JR et FUTABA, puis en louant les moules des boîtiers et en se faisant aider par JR pour créer sa propre gamme. En 2010 plusieurs radios empruntent encore les boîtiers JR, mais les radiocommandes les plus récentes sont entièrement propres à SPEKTRUM. La photo 9 montre une radio SPEKTRUM comparée à une JR/Graupner qui sortent du même moule (au sens stricte du terme). On a juste peint en gris le boîtier SPEKTRUM pour différentier les deux radios.

N. B. : Le prix de l’ensemble des moules d’injection « grande série » pour une radiocommande dépasse la centaine de milliers d’euros, ce qui explique ce genre de transaction commerciale.

Photo 9 : radiocommandes SPEKTRUM DX7 et Graupner MX16 partageant le même boîtier

La gamme SPEKTRUM va du bas au très haut de gamme. A partir de la radio huit voies on dispose de la télémétrie. De plus, le système DSM2 de SPEKTRUM offre le système de transmission le plus sécurisé de l’ensemble des fabricants. Il offre en particulier :

· une transmission protégée par étalement de spectre direct DSSS (voir le paragraphe « Aspects techniques des radiocommandes »),

· une transmission simultanée sur deux canaux HF,

· une quadruple réception avec deux récepteurs séparés (photo 10),

· un dispositif d’évaluation de la qualité de réception sur une cession de vol (photo 10).

Photo 10 : récepteur SPEKTRUM à 2 récepteurs,

4 antennes et indicateur de la qualité du signal

Point fort : système en bande centimétrique très sécurisé avec dispositif de vérification de la qualité de la transmission

Point faible : gamme un peu limité vers le haut tant que les DX8 et DX10 ne seront pas disponibles

FUTABA [8] et Robbe

La société FUTABA est depuis longtemps le fournisseur de Robbe, concurrent et challenger de Graupner. La société offre une gamme très complète propre (photo 10), et une variante avec des boîtiers de forme pupitre chers aux allemands exigée par Robbe. Elle propose aussi des modules HF utilisant sa technologie FASST de type FHSS pour les autres marques de radios haut de gamme.

Cette marque est très présente grâce à une politique publicitaire très agressive et intensive, ce qui a malheureusement comme corollaire que ses radios sont un peu plus chères à performances égales que la concurrence. La société met en avant son expérience de plus de 15 ans dans les radiocommandes industrielles en micro-ondes pour affirmer qu’elle a les moyens d’offrir la technologie la plus performante et en avance. Malheureusement elle n’explique pas pourquoi elle est rentrée après SPEKTRUM et JR/Graupner dans le marché du 2,4 GHz en modélisme, ni pourquoi elle est une des dernières à ne pas proposer de télémétrie en 2010.

Photo 10 : système 6EX 2.4 GHz de FUTABA

Points forts : gamme très développée, système S-BUS simplifiant le câblage des grands modèles

Points faibles : prix supérieurs à la concurrence pour une classe de radiocommande donnée, pas de télémétrie, nombre de modèles mémorisables limité en entrée de gamme.

SANWA [9] (Aitronics aux USA)

La société japonaise SANWA propose aussi des radiocommandes de longue date (la photo 1 présente une radio SANWA de 1984). On trouve moins cette marque que JR et FUTABA en France car elle y est essentiellement distribuée dans les magasins de modélisme locaux. Elle ne propose plus aujourd’hui que du milieu et haut de gamme sans télémétrie. La photo 11 présente le modèle phare à 10 voies fonctionnant en FHSS comme FUTABA.

Photo 11 : radiocommande 10 voies SANWA SG-10G

Point fort : afficheur à plusieurs niveaux de gris très lisible pour la SG-10G, possibilités de programmation très étendue de la SG-10G

Point faible : gamme limitée, pas de télémétrie.

MULTPLEX

MULTIPLEX est avant tout un distributeur et fabricant de matériel de modélisme allemand. Dans le domaine des radiocommandes cette marque a toujours privilégié l’innovation et proposé des produits particulièrement ergonomiques et agréables à programmer. Aujourd’hui la société se concentre comme SANWA sur le milieu et haut de gamme. Mais contrairement à SANWA elle continue à diffuser ses produits aussi bien en ondes métriques qu’en ondes centimétriques en FHSS, avec un système de télémétrie dans le second cas. La photo 12 montre la radio « phare » de la gamme : la ROYAL EVO16. On remarquera sur la photo l’effort d’ergonomie en plaçant l’écran en haut plutôt qu’en bas, les nombreux boutons du bas pour rendre la programmation plus rapide, les trims dégagés pour être plus accessibles, etc...

Photo 12 ; Royal EVO 16 de Multiplex

MULTIPLEX a choisi de s’associer avec HITEC pour la radiocommande. Néanmoins les modèles des deux marques sont restés bien distincts, et même la technologie pour la télémétrie et restée spécifique à chaque marque.

Points forts : produits très ergonomiques, tarifs attractifs, gamme de capteurs de télémétrie très étendue

Point faible : pas de produit de très haut de gamme

HITEC

HITEC est un fabricant coréen très connu pour ses servos. Il offre aujourd’hui une gamme de radiocommandes de qualité à des prix très compétitifs. La dernière, l’AURORA 9 (photo 13) s’est particulièrement distingué par son système de télémétrie sophistiqué et son afficheur tactile de très grande surface. HITEC est la seule société offrant en 2010 une mesure de niveau de réservoir de carburant par l’extérieur.

Photo 13 : Aurora 9 de HITEC à écran tactile

Points forts : afficheur de l’AURORA 9 tactile, tarifs attractifs, gamme de capteurs de télémétrie étendue

Point faible : pas de produit de très haut de gamme

WFLY [10] et Jamara

Jamara, distributeur de matériel de modélisme allemand a choisi le fabricant chinois WFLY pour ses radios haut de gamme. La radio la plus mise en avant est la WFT09 dont la particularité est de pouvoir supporter simultanément un module HF dans le domaine métrique et une autre dans le domaine centimétrique. La technologie centimétrique de WFLY est de type FHSS et inclut des modules HF pour JR et FUTABA. Elle ne propose pas la télémétrie.

Photo 14 : radio WFLY WFT09

Point fort : tarifs raisonnables

Points faibles : gamme limitée, pas de télémétrie

ACT [11]

la société ACT, bien connue des adeptes de grands modèles qui ont besoin de sécurité extrême, propose des modules et récepteurs qui s'adaptent aux principaux émetteurs du marché. Comme l'univers d'ACT est la fiabilisation par redondance et le très haut de gamme, la société propose un système de double émission et réception à 35 MHz (ou 41 MHz) et 2,4 GHz (voir photo 15). Pour le 2,4 GHz, ACT a aussi choisi le principe FHSS. Mais cette fois-ci pour régler les problèmes de polarisation d'onde, c'est l'émetteur 2,4 GHz qui est double (notez les deux antennes à 2,4 GHz sur l'émetteur de la photo 15) au lieu du récepteur, ce qui revient strictement au même, mais permet d’alléger le récepteur. ACT propose la télémétrie avec ses systèmes.

Photo 15 : système redondant ACT

TURNIGY

Turnigy est une marque chinoise distribuée sur internet via « Hobby King » [12] de Hong-Kong. La seule radio programmable proposée est une radio 9 voies (photo 16) aux environs de 40 € HT (hors frais de transport et de douane qui peuvent éventuellement doubler le prix). C’est un prix évidemment tout à fait étonnant qui a conduit à un achat personnel afin de faire des tests.

Il s’agit en fait d’une radio fabriquée par FlySky qu’on trouve aussi sous les marques Turborix, Eurgle et surtout Air Jump chez Jamara [10] ; Jamara la distribuant à 250 € avec un autre module HF. La conception électronique est semblable à celle de la MX16 de Graupner et la qualité des interrupteurs et circuits imprimés est comparable. Le microcontrôleur utilisé est un ATMega64A de chez Atmel qui assure l’ensemble des fonctions électroniques. Il est flashable, dispose d’une EEPROM (mémoire des modèles) qui permet de mémoriser huit modèles. En la prenant en main, on se trouve face à un mélange hétérogène de radio haut de gamme, milieu de gamme, avec quelques détails de radio bas de gamme.

Les caractéristiques principales sont :

· émetteur 9 voies,

· module HF 2,4 GHz interchangeable au standard JR (mais câble d’antenne à travers le boîtier),

· récepteur 8 voies 2,4 GHz à antenne unique (masse 17 g),

· mémoire 8 modèles,

· programmes pour planeur, avion et hélicoptères,

· dual rate, expo, courbes de gaz et pas en 5 points,

· 7 mixages avion/planeur, 3 mixages hélico,

· mode moniteur/élève programmable.

Photo 16 : radiocommande 9 voies Turnigy à prix « hard discount »

Quelques caractéristiques de détail supplémentaires :

· Le boîtier moulé dans un plastique de bonne qualité est une copie des boîtiers de la famille MX12 et MX16 de Graupner, mais est moins bien fini (absence de peinture et de chromage).

· Les manches, potentiomètre et interrupteurs sont dans la norme de qualité des radios de milieu de gamme, avec une commande de gaz à friction sans crans.

· L’afficheur graphique 128x64 pixels comme le graphisme sont comparables à ceux des MX12 et MX16.

· La seule documentation disponible est celle faite par les utilisateurs et mise en ligne sur le site « Hobby King ». Elle est en anglais et concerne la version 1.3 du soft assez différente de la version 2 fournie. La programmation relève donc un peu du jeu de devinette, tout en restant parfaitement possible.

· On ne sait rien de la partie haute fréquence fournie, sinon qu’elle fonctionne en 2,4 GHz et qu’elle vient de Turnigy.

· L’interrupteur M/A à glissière a un frottement assez dur.

· La radio est fournie avec un support de piles pour 8 éléments AA vide qu’il faut remplacer par un pack de batteries.

· La prise de charge ne fonctionne pas, il faut donc bricoler ou y renoncer.

CORONA et ASSAN

CORONA et ASSAN sont des fabricants chinois de modules émetteurs et récepteurs pour radios JR, FUTABA, SANWA et KO PROPO. Ils sont distribués via le même distributeur que la marque Turnigy [12] et les prix sont également très attractifs. CORONA utilise le DSSS sur trois canaux simultanés et ASSAN sur deux canaux simultanés. Il n’y a pas de télémétrie proposée.

JETI [13]

La société tchèque JETI ne fabrique pas plus d’émetteurs de radiocommandes que CORONA ou ASSAN, et comme eux se spécialise dans les modules 2,4 GHz émetteurs et récepteurs qui sont proposés pour les principales marques de radiocommandes. La particularité est ici le fait qu’il existe des modules HF sans boîtier (photo 17), installables dans les radios non pourvues de modules HF interchangeables. Autre point intéressant : la télémétrie est disponible avec tous les modèles.

Photo 17 : module 2,4 GHz JETI pour radio sans module HF interchangeable

L’émetteur

Le pupitre de contrôle

Le pupitre de contrôle respecte toujours à peu près la même ergonomie visible à la photo 18. On y retrouve :

· Les deux manches pour les quatre commandes principales : gaz, ailerons, profondeur et direction.

· Les trims, indispensables pour corriger les défauts des zéros des manches et de certaines voies secondaires.

· L’afficheur, qui fournit les informations sur

o le modèle sélectionné,

o la tension de batterie,

o la position des trims,

o éventuellement les mesures télémétriques.

Il affiche aussi ponctuellement les paramètres de programmation durant la phase de programmation d’un modèle.

· Les boutons de programmation qui servent à

o choisir le modèle,

o régler les paramètres de chaque modèle,

o affecter les interrupteurs, potentiomètres et boutons,

o contrôler les temporisateurs.

· Les interrupteurs, boutons poussoirs et potentiomètres. Ils sont en partie affectés aux voies secondaires (ici volets d’atterrissage, train rentrant et mode/gain gyroscope) et à diverses commandes (ici le double débattement, les phases de vol et le basculement moniteur/élève). Certains de ces interrupteurs, boutons poussoirs et potentiomètres peuvent dans certains cas rester non affectés et donc sans effet. Les affectations les plus courantes sont :

o phases de vol,

o double débattement (dual rate en anglais),

o activation manuelle de mixage,

o basculement moniteur/élève.

Photo 18 : organes de contrôle et d’information

Organisation des voies

Sur un avion ou un planeur grandeur, les commandes sont toujours organisées de la même façon, ce qui permet à un pilote de passer d’un type à un autre sans problème. Cette standardisation a mis plusieurs décennies à être entérinée et s’est achevée à la fin des années 40. Au début de la seconde guerre mondiale, les pilotes français tiraient encore la poignée de gaz à eux pour accélérer. Les survivants de la bataille de France ont dû apprendre à la pousser pour accélérer lorsqu’on leur a confié des avions britanniques. Malheureusement en modélisme, on n’est pas encore parvenu à cette standardisation en 2010. Il est vrai que les enjeux ne sont pas les mêmes.

Il y a principalement deux écoles : celle qui adopte le mode 1, c'est-à-dire gaz et ailerons à droite (disposition des premières radios proportionnelles), et celle qui adopte le mode 2, c'est-à-dire profondeur et ailerons à droite, disposition plus proche de celle des avions grandeur (du moins à la place du copilote).

Dans la majorité des clubs, la moitié des membres est en mode 1 et l’autre en mode 2. On peut aussi trouver quelques réfractaires qui préfèrent les ailerons à gauche des modes 3 ou 4 (voir figure 3). Bien sûr, il y a parfois quelque nostalgique des gaz en tirant, ce qui fait finalement huit variantes en tout…

Figure 3 : les quatre modes principaux de répartition de commandes

sur les deux manches d’une radiocommande (notice MX16)

Cette tour de Babel n’est pas simplement anecdotique, car sur de nombreux émetteurs on ne peut pas passer les gaz de gauche à droite ou inversement. De plus, même si on y arrivait en bricolant, ça ne servirait à rien car le soft de la radio doit absolument savoir quel manche agit sur quelle gouverne pour pouvoir effectuer correctement les mixages. Lorsqu’on achète une radio il faut donc impérativement savoir si elle est en mode 1 (gaz à droite) ou mode 2 (gaz à gauche), ou si elle supporte les deux modes.

Si on est débutant, il faut choisir le mode du moniteur à cause de la double commande. S’il n’y a pas de moniteur, il faut choisir le mode 1 car ça fera disparaître petit à petit les radios en mode 2 qui nous compliquent la vie.

Codage de la position des manches

La position des manches est soit convertie en un signal PPM (figure 2), soit directement en nombres binaire plus ou moins précis appelée trame ou multiplex numérique. Les premières radios PCM utilisaient un codage sur 9 bits (position du manche définie sur 512 points) ce qui est largement suffisant si on considère la non linéarité typique de 1 % des potentiomètres et le fait qu’un crantage de gaz ne comporte qu’environ 40 points. Mais avec le temps on a augmenté la définition numérique de la position avec 1024 puis 2048 points, pour arriver aujourd’hui à la résolution ridiculement élevée de 32758 points sur certaines radios en 2,4 GHz. Il faut comprendre que si augmenter la résolution de la position au-delà d’une certaine limite n’apporte rien d’un point de vue précision du fonctionnement, ça n’a pas non plus de coût d’un point de vue fabrication. Par contre, ça permet de mettre en avant un argument commercial efficace au niveau des ventes bien que douteux du point de vue de l’honnêteté.

Contrairement à ce que l’on pourrait supposer, le signal PPM n’est pas l’apanage des anciennes radios et la trame numérique celui des radios récentes. De nombreux modules HF attendent un signal PPM en entrée, on le retrouve donc dans certaines radios très récentes avec une conséquence négative : un temps de latence qui peut atteindre 22 ms lié au fait que l’information n’est souvent rayonnée que lorsque l’ensemble de la trame PPM est reçue par le module HF.

La programmation

La programmation permet au minimum des sauvegarder les caractéristiques principales de plusieurs modèles ; le nombre de modèles qu’il est possible de sauvegarder augmentant avec le prix de la radiocommande (de 6 pour les modèles les plus économiques à plusieurs dizaines pour les plus chères). Ce minimum se compose de :

· réglage du sens de débattement de chaque servo,

· réglage de l’amplitude du débattement de chaque servo,

· mémorisation de la position des trims,

· réglage de l’exponentiel sur les voies Ailerons et Profondeur.

En général on aura, même sur les radiocommandes de base, quelques fonctions supplémentaires,

· mixages pour ailes delta, hélicoptères, empennages en V, plus quelques mixages libres,

· double débattement,

· un chronomètre.

Les radiocommandes du milieu de gamme offrent bien souvent en plus :

· plusieurs phases de vols, permettant de sauvegarder les trims principaux de chaque phase,

· des courbes de gaz et de pas sur 5 points, spécifiques de chaque phase de vol pour les hélicoptères,

· des mixages plus évolués (asymétriques, actionnables automatiquement, etc.),

· plusieurs chronomètres (radio, modèle, moteur, etc.),

· la permutation des voies.

La dernière fonctionnalité, parfois absente en milieu de gamme, mérite quelques commentaires. Chaque marque de radiocommande organise différemment ses quatre voies principales, ce qui rend difficile le pilotage d’un aéromodèle par une radiocommande de marque autre que celle prévue au départ, à moins qu’elle dispose de la fonction de permutation des voies. L’organisation des voies − indépendante du mode choisi − pour les principales marques est donnée par le tableau 1 ci-après :

	Graupner/JR Spektrum	FUTABA HITEC	Multiplex Robbe	Sanwa (Airtronic)
Voie 1	Gaz	Ailerons	Ailerons	Profondeur
Voie 2	Ailerons	Profondeur	Profondeur	Ailerons
Voie 3	Profondeur	Gaz	Direction	Gaz
Voie 4	Direction	Direction	Gaz	Direction

Tableau 1 : organisation des quatre voies principales selon les marques de radiocommande

Avec les radiocommandes haut de gamme, on disposera en général d’une programmation encore plus complète :

· plus de fonctionnalités dans les phases de vol,

· plus de points de réglages des courbes gaz/pas en mode hélicoptère,

· plus de fonctionnalités secondaires,

· et surtout une programmation plus ergonomique.

Un bon choix de radiocommande doit se faire en fonction des trois critères principaux suivants (en ignorant le critère financier) :

· le besoin ou non de module HF interchangeable (fonction des récepteurs en stock que l’on souhaite pouvoir utiliser avec la nouvelle radiocommande),

· le nombre de modèles que l’on veut mémoriser (fonction du nombre de modèles prévus en stock…),

· les fonctions de programmation souhaitées en fonction des modèles à piloter.

Les récepteurs

Démodulation

Le récepteur assure deux fonctions :

· démodulation du signal radio pour récupérer le signal PPM ou numérique de l’émetteur,

· décodage du signal multiplexé PPM ou numérique pour régénérer les impulsions individuelles en modulation de largeur d’impulsion pour les servos.

La première fonction est toujours assurée de façon analogique et introduit un faible retard de l’ordre de 0,2 ms.

Attention néanmoins : dans l’émetteur la modulation peut être positive ou négative selon la marque. Les récepteurs conçus pour une modulation positive ne fonctionnent pas avec les émetteurs à modulation négative et réciproquement. Heureusement, les récepteurs génériques : Webra, Simprop, Schulze, JETI, ACT, Berg, MZK, Hyperion, Xpower, Feeltronic, Modell-Expert, etc., contrairement à de nombreux récepteurs de marque, sont conçus pour supporter indifféremment les deux types de modulation.

N. B. : le type de modulation ne concerne pas les récepteurs en 2,4 GHz car chaque marque utilise son propre standard, toujours incompatible avec tous les autres. Par ailleurs, on ne trouve pas encore en 2010 de récepteur générique, sauf quelques rares récepteurs au standard SPEKTRUM DSM2 et FUTABA FASST.

Décodage

Le décodage du signal PPM multiplexé peut être réalisé de façon instantanée avec des portes logiques (registres à décalage), mais au prix de l’absence de protection contre les parasites qui se traduisent par des tops radios parfois violents. La raison est simple, si un parasite apparaît, il coupe une impulsion en deux et elle est vue alors comme deux impulsions courtes, ce qui envoie deux servos en butée. Ce problème a, durant de nombreuses années, poussé des modélistes à adopter des radios haut de gamme utilisant un codage numérique des données appelé PCM (pour Pulse Code Modulation) protégé contre ce problème. Mais le décodage du signal PPM est aujourd’hui le plus souvent « filtré » par un microcontrôleur qui élimine les parasites au prix d’un délai de 2 ms à 25 ms selon le programme utilisé. Ces récepteurs modernes font perdre son intérêt au PCM qui nécessite un délai plus important de traitement compris environ entre 10 ms et 32 ms selon de type de codage.

Avec la technologie centimétrique, le codage et donc le décodage sont toujours numériques avec filtrage des parasites. La trame PPM est souvent remplacée par une trame numérique plus complète que la trame numérique PCM.

Le PCM, décodage « intelligent » ou numérique moderne ont induit deux modes dégradés de fonctionnement des récepteurs :

· le mode « hold » qui maintient les ordres antérieurs en cas d’apparition de signaux non corrigibles durant un temps bref,

· le mode « fail safe » qui met toutes les commandes au neutre excepté les gaz placés à une valeur au choix en cas d’absence prolongée de signal valide.

Tous les récepteurs ne disposent pas des deux modes, et le réglage des gaz du mode « fail safe » n’est pas toujours programmable.

Association à l’émetteur

Voler à plusieurs impose un système d’association entre chaque émetteur et récepteur. Ceci a conduit en bande métrique à subdiviser chaque bande en canaux (de 10 kHz jusqu’à 41 MHz inclus et 20 kHz au delà). La solution initiale pour sélectionner un canal consistait alors à enficher un quartz d’émission sur le canal choisi dans l’émetteur, et le quartz correspondant dans le récepteur. Mais attention, le quartz d’émission n’est pas sur la même fréquence que le quartz de réception. Le quartz de réception est décalé de 455 kHz sur un récepteur à simple changement de fréquence et de 10,7 MHz pour un récepteur à double changement de fréquence.

Par exemple, si on choisit 41,050 MHz (fréquence autorisée jusqu’au 31/12/2010) on prendra un quartz TX du canal C405 pour une radio JR et un quartz RX C405 pour le récepteur en ayant pris soin de vérifier que quartz et récepteur sont compatibles (simple ou double changement de fréquence). La taille des quartz est standard, la même en émission et réception, sauf pour quelques récepteurs qui utilisent des quartz miniatures pour gagner du poids. Lorsqu’on achète un quartz de réception il faut donc faire attention à deux paramètres : taille miniature ou standard, simple ou double changement de fréquence.

Cette première méthode d’association un peu laborieuse est devenue de moins et moins populaire avec le temps, d’autant plus que les changements de quartz à répétition finissent par induire des faux contacts électriques. Les émetteurs sont donc devenus de plus en plus souvent à synthèse de fréquence, ce qui permet de choisir le canal d’émission par programme à la mise sous tension. Les récepteurs ont suivi la même voie en incorporant bien souvent un scanner qui parcoure les canaux lorsqu’on presse sur le bouton « scan » et allume une led lorsque le récepteur a trouvé l’émetteur et s’est définitivement calé sur lui (voir photo 19). On peut évidemment associer un émetteur sans quartz interchangeable avec un récepteur qui en utilise et inversement.

Photo 19 : bouton et led d’association d’un récepteur métrique

Les récepteurs à micro-ondes n’utilisent pas de canal prédéterminé, mais un identificateur (ID en anglais) qui est un nombre binaire unique qui joue le même rôle. L’association consiste donc dans ce cas à échanger ce nombre entre l’émetteur et le récepteur lorsqu’on active la fonction « binding » entre les deux ; en général en pressant sur un bouton spécifique sur l’émetteur et en branchant une petite prise ou en appuyant sur un bouton sur le récepteur. La différence par rapport à la bande métrique est qu’il faut en général déclencher la procédure aussi bien sur l’émetteur que sur le récepteur, car sinon l’émetteur refuse d’accepter un récepteur avec un identificateur différent de celui avec lequel il était lié précédemment, tout comme le récepteur refuse de changer d’identificateur.

La connectique

Photo 20 : connecteurs de batterie et servos d’un récepteur (standard UNI)

Aujourd’hui les récepteurs utilisent une connectique presque standardisée, et les anciens connecteurs ROBBE, MULTIPLEX et SANWA ont pratiquement disparu. Les connecteurs pour les servos sont identiques au connecteur d’alimentation. Ils utilisent dans les deux cas trois broches alignées au pas de 2,54 mm dans l’ordre suivant :

· masse

· +

· impulsion

Dans le cas du connecteur d’alimentation, la broche d’impulsion est inutilisée ou fournit le signal PPM multiplexé.

Il subsiste toutefois un problème. Tous les fabricants ont fini par adopter un corps de connecteur en plastique conforme aux connecteurs JR souvent appelé connecteur UNI (photo 21) avec deux chanfreins de détrompage, sauf FUTABA qui a maintenu son connecteur avec un ergot supplémentaire (photo 22). JR, Graupner (photo 20) et FUTABA proposent évidemment des récepteurs compatibles avec leurs prises de servo. Quelques fabricants comme Multiplex ont choisi un détrompage double compatible avec les deux standards, mais malheureusement, la plupart des autres fabricants ont résolu le problème en supprimant tout détrompage… Gare aux branchements à l’envers qui ne sont pas toujours sans conséquence !

En raison de l’universalité des prises JR, tous les fabricants de servos, hormis FUTABA, les ont adoptées. On peut brancher une prise JR dans un récepteur FUTABA, mais sans profiter du détrompage. Par contre, si on veut utiliser des servos FUTABA sur un récepteur pour prise JR, il faut un coup de pince coupante bien placé suivi de quelques passages d’une lime fine pour transformer la prise FUTABA en une prise UNI.

Photo 21 : connecteurs JR et UNI Photo 22 : connecteurs FUTABA

N. B. : Il existe une exception à la connectique présentée. En effet, FUTABA et Robbe ont décidé de proposer des récepteurs dans leur gamme centimétrique FASST avec un connecteur à trois broches spécifique destiné à leur trame multiplexée numérique S-BUS. La charge du démultiplexage revient alors à des modules d’extension ou aux servos eux-mêmes. Ceci complique un peu le système mais permet de diminuer le nombre de fils sur les modèles complexes. La contrepartie est la diminution de la fiabilité car un mauvais contact sur le bus affecte tous les servos en aval.

Architecture d’un récepteur

Il n’est pas question d’expliquer ici l’architecture détaillée des récepteurs, car elle est complètement décrite sur le site internet de Francis Thobois [14] ; mais simplement de survoler quelques caractéristiques principales pour pouvoir distinguer les récepteurs entre eux. Les photos 23 à 27 ci-après présentent deux récepteurs métriques à synthèse de fréquence : un récepteur compact 6 voies SIMPRPOP sur un circuit imprimé unique, un récepteur MULTIPLEX à 8 voies de taille standard sur deux circuits imprimés superposés et un récepteur centimétrique TURNIGY à 8 voies (photo 28) posé sur une seule face de circuit imprimé.

Dans tous les cas la partie HF est séparée de la partie BF. Elle est sur la moitié gauche du récepteur SIMPROP et sur le circuit imprimé de la photo 26 pour le récepteur MULTIPLEX. Dans le cas du récepteur SIMPROP, la partie HF est constituée du circuit intégré spécialisé MC3372 (en haut à gauche de la photo 23) et de filtres céramique (les deux rectangles gris en haut et à gauche de la photo 24). Dans le cas du récepteur Multiplex, la partie HF est constituée de composants discrets (transistors individuels) est de filtres à noyau plongeant (les trois cubes avec noyau central fileté réglable par rotation). Comme les filtres à noyau doivent être réglés, ils disposent d’une entaille pour l’insertion d’un tournevis, mais il ne faut en aucun cas y toucher car le réglage n’est possible qu’avec des outils spécialisés. Un réglage « au pif » fonctionnera peut-être sur une fréquence, mais pas sur l’ensemble de la bande.

Les deux premiers récepteurs utilisent pour le choix du canal de réception un circuit PLL et un diviseur programmable (les deux petits circuits intégrés rectangulaires de la photo 23, non visibles dans le cas du récepteur MULTIPLEX) pilotés par un quartz (rectangle métallique brillant marqué 8.000 sur la photo 23 et non lisible sur la photo 26). Contrairement donc à ce que pensent certains, même un récepteur de synthèse à besoin d’un quartz, mais il n’est pas interchangeable.

La partie BF se résume à un microcontrôleur pour le décodage « intelligent », nommé IPD pour Intelligent Pulse Decoding dans le cas du récepteur MULTIPLEX (photo 25). Ce composant est le gros circuit intégré à droite de la photo 23 et le gros circuit intégré à 28 broches de la photo 27 cadencé par l’oscillateur situé à sa gauche (rectangle métallique). Dans les deux cas, le microcontrôleur est relié aux connecteurs des servos via des résistances de protection contre les inversions (petits rectangles noirs). Si le décodage avait été fait par un circuit logique, on aurait vu à la place du microcontrôleur un circuit intégré marqué MC4015 (ou CD4015 ou HEF4015…) d’aspect semblable au circuit intégré marqué MC3372 de la photo 23.

Pour se protéger des perturbations d’alimentation venant des pointes de courant dans les servos, le récepteur SIMPROP utilise un condensateur (rectangle jaune à bande rouge marqué « 22µ 10V » à droite de la photo 24), qui est un réservoir tampon d’électricité ; tandis que le récepteur MULTIPLEX dispose d’un circuit plus évolué : un régulateur 3,3V (petit circuit intégré entre les deux condensateurs noirs à bande blanche en haut de la photo 27). La disposition MULTPLEX permet une meilleure immunité aux perturbations d’alimentation, mais rend les servos plus sensibles aux parasites, car ils ne reçoivent plus que des impulsions de 3,3 V au lieu de 4,8 V.

Photo 23 : récepteur à synthèse SIMPROP, face CI Photo 24 : récepteur à synthèse SIMPROP, face passifs

Photo 25 : récepteur IPD Multiplex, boîtier Photo 26 : récepteur IPD Multiplex, face HF Photo 27 : récepteur IPD Multiplex, face BF

Les récepteurs centimétriques reprennent les mêmes principes que les récepteurs métriques (photo 28), mais les filtres céramiques ou à noyau plongeant ne sont plus nécessaires, pas plus que la PLL ou le diviseur de fréquence, tout étant intégré dans le circuit intégré haute fréquence. Ils sont donc plus compacts et légers, et surtout beaucoup moins chers à produire. Les prix élevés en 2010 des récepteurs centimétriques ne sont que la conséquence d’une politique commerciale. Leur prix de vente normal devrait se situer aux environs de 20 €.

Photo 28 : récepteur 2,4 GHz à 8 voies Turnigy

Le quartz en boîtier métallique est toujours bien visible dans le récepteur centimétrique. Le microcontrôleur toujours présent est le composant rectangulaire à gauche relié aux broches du connecteur via des résistances de protection. La partie HF se résume au circuit carré à droite du microcontrôleur. Le régulateur de tension 3,3 V semblable à celui du récepteur MULTPLEX est visible en bas à droite entre les deux condensateurs.

N.B. : la majorité des fabricants ont opté pour un circuit intégré haute fréquence standard comportant un microcontrôleur capable de traiter le signal multiplexé, mais incapable de le démultiplexer, faute d’un nombre de broches suffisant, ce qui impose un second microcontrôleur pour le démultiplexage. Toutefois, certains fabricants sont allés plus loin en faisant fondre des circuits intégrés avec un nombre de broches plus grands, ce qui a permis d’éliminer le microcontrôleur externe.

De plus, pour pallier à la faiblesse du signal reçu en bande centimétrique, les récepteurs utilisent souvent deux antennes, voire un récepteur satellite pour avoir une redondance à quatre antennes (solution SPEKTRUM notamment) ; le module BF choisissant le signal de l’antenne qui donnant le meilleur signal. Cette technologie s’appelle en anglais « smart antenna » ou « antenna diversity ». Il existe un faux débat sur internet concernant la différence entre avoir deux antennes et un récepteur et deux récepteurs complets. Le débat est un faux débat car il y a toujours autant de parties HF que d’antennes et une seule partie BF qui choisit le meilleur signal. Il est impossible de commuter plusieurs antennes sur une seule partie HF à tour de rôle, car on ne pourrait pas savoir laquelle fournit le meilleur signal dans la mesure ou n’a aucune information sur la qualité du signal d’une antenne déconnectée. Les différences se situent uniquement au niveau des circuits intégrés qui incorporent ou non plusieurs modules de réception HF dans un même boîtier, ce qui change le nombre de composants sans influer sur les caractéristiques de fonctionnement.

Les constructeurs

Dans le domaine métrique, une concurrence entre fabricants de radios et fabricants d’accessoires s’est établie, conduisant à l’apparition sur le marché de récepteurs s’adaptant à toutes les marques et à rapport qualité prix en général meilleur que celui des grandes marques. Les principales marques sont : Webra, Simprop, Schulze, JETI, ACT, Berg, MZK, Hyperion, Xpower, Feeltronic, Modell-Expert. Ceci étant, il est bon de savoir que de nombreux produits sont d’origine chinoise et sont exportés sous plusieurs marques à la fois. Il ne faut donc pas s’étonner de trouver le même récepteur sous deux voire trois marques différentes…

Les critères de choix sont :

· nombre de voies,

· simple ou double changement de fréquence (meilleure immunité aux signaux des autres émetteurs dans le second cas),

· utilisation de quartz de taille standard ou mini,

· utilisation de la synthèse de fréquence (de plus en plus courante) ou non,

· sensibilité et sélectivité (certains récepteurs indoor ont une très faible masse, mais aussi une sensibilité et sélectivité dégradée),

· décodage intelligent (bien meilleure protection contre les parasites) ou non.

Dans le domaine centimétrique on est essentiellement lié au fabricant de l’émetteur car tous les systèmes sont incompatibles entre eux et les fabricants de récepteurs compatibles pour grandes marques commencent à peine à apparaître pour les systèmes SPEKTRUM et FUTABA. Les fabricants ont donc tendance à exagérer les prix. Mais certains exagèrent plus que d’autres.

Le servomoteur

Le servomoteur, plus communément appelé servo, élément du bout de la chaîne de radiocommande, est aussi l’élément le plus déterminant en ce qui concerne la qualité de fonctionnement de l’ensemble. Il doit être parfaitement adapté au modèle et à sa fonction, ce qui explique le choix considérable, couvert par les fabricants de radiocommande, mais aussi par de nombreux fabricants indépendants proposant bien souvent, comme dans le cas des récepteurs, un meilleur rapport qualité/prix. Les caractéristiques comme les critères de choix sont présentés dans ce paragraphe.

Les constituants d’un servomoteur

Le palonnier

C’est la pièce qui transmet le mouvement de rotation du servo (et donc du manche) à la gouverne. La présentation de la liaison entre le palonnier et la gouverne appelée tringlerie sort du cadre de ce chapitre, mais sa qualité est essentielle pour un bon fonctionnement de l’ensemble. Les défauts potentiels de la tringlerie qui doivent être impérativement absents sont les suivants :

· jeu entre palonniers et axes de chape,

· friction excessive et points durs,

· rigidité insuffisante des tringles (flexion significative en présence d’efforts).

Les divers types de palonniers sont présentés sur les photos 29 à 32.

Photo 29 : Palonniers en Nylon, trous Ǿ 1 et 1,5 mm Photo 30 : Palonniers polyéthylène, trous Ǿ 1 mm

Photo 31 : Palonniers en carbonite, trous Ǿ 1,5 mm Photo 32 : Palonniers aluminium, trous Ǿ 1,5 mm (photo Futaba)

Quelque soit le type de palonnier, il y a toujours une ou plusieurs séries de trous à distance croissante de l’axe du palonnier de façon à permettre le réglage du débattement de la gouverne. Dans la mesure du possible, il faut toujours choisir les trous les plus externes afin de limiter les efforts sur les tringles, donc les flexions et les effets des jeux fonctionnels résiduels. Les trous sont de 1 mm de diamètre sur les plus petits palonniers et 1,5 mm sur la grosse majorité d’entre eux.

Les palonniers sont le plus souvent moulés en Nylon (polyamide, voir photo 29) de couleur laiteuse car c’est un matériau robuste et économique avec un faible coefficient de friction. Les plus petits servos utilisent souvent le polyéthylène (couleur variable, voir photo 30). Ce matériau est plus flexible et a un plus fort coefficient de friction, ce qui limite son usage aux petits servos. Certains servos à fort couple utilisent le carbonite (voir photo 31), plastique fortement chargé en fibre de carbone (couleur noire) qui rend le matériau beaucoup plus rigide et résistant, ce qui limite les flexions. Pour les très gros servos on utilise parfois des palonniers en alliage d’aluminium (voir photo 32), alliage de titane ou composite fibre de verre.

Les paliers

L’axe de sortie du servo qui porte le palonnier doit être parfaitement guidé pour garantir une bonne précision de fonctionnement. Il est guidé par deux paliers : le premier juste sous le palonnier et le second entre le pignon de sortie et potentiomètre. C’est le premier palier qui reprend la plus grosse part de l’effort appliqué au palonnier, il doit donc être particulièrement soigné. On distingue deux types de paliers :

Le palier lisse : c’est une bague qui frotte directement sur l’axe qu’elle guide. Cette bague est le plus souvent en Nylon ou mieux en Téflon pour des questions frottement comme pour le palonnier. Le jeu fonctionnel est de l’ordre du dixième de millimètre, et ne permet donc pas une grande précision de guidage. Dans le cas des servos bas de gamme on utilise parfois directement l’axe de sortie moulé et le boîtier du servo comme palier (voir photo 37 à gauche). Cette solution n’est pas très bonne, car l’axe et le trou de forme conique pour permettre le démoulage du boîtier à la fabrication s’agrandit et s’ovalise rapidement ; de plus, le coefficient de friction élevé diminue les performances du servo.

Le roulement à billes : ce dispositif en acier composé de deux bagues entre lesquelles roulent des billes est connu de tout le monde (voir photos 36, 38 et 42). Il présente deux avantages essentiels : absence presque totale de friction et très faible jeu fonctionnel limité à quelques microns (millièmes de millimètres). Il est donc toujours utilisé pour les servos de qualité supérieure. Parfois on utilise un roulement pour le palier supérieur associé à un palier lisse coté potentiomètre car ce second palier est moins critique. Les roulements garantissent une bien meilleure précision au servo.

Le potentiomètre

Le potentiomètre, référence de position angulaire, est monté directement ou indirectement sur l’axe de sortie du servomoteur à l’opposé du palonnier. Le montage direct est le plus courant. Le montage indirect implique qu’on interpose entre l’axe et le potentiomètre une partie élastique ou avec un léger jeu fonctionnel destiné à absorber les éventuelles vibrations de l’axe. En effet, le servo entre parfois en légère vibration au neutre. Ceci n’a que peu d’effet sur les gouvernes, mais risque de provoquer une usure prématurée de la piste du potentiomètre au neutre et conduire à une instabilité de celui-ci qui s’accentue avec le temps.

La piste résistive des potentiomètres ordinaires est en graphite sur un support bakélite (couleur marron). Les potentiomètres haut de gamme utilisent une piste résistive constituée de métal déposé sous vide sur support céramique (couleur blanche) beaucoup plus robuste. Le curseur en laiton, est en général double, plus rarement triple, afin de diminuer les crachements (mauvais contacts électriques) durant le mouvement et améliorer la linéarité. Parfois, les curseurs sont dorés pour empêcher l’oxydation du contact électrique et les « crachements » induits.

Une remarque vaut la peine d’être faite ici. La majorité des curseurs de potentiomètres sont donc en laiton, métal qui s’oxyde avec le temps, ce qui finit par provoquer un fonctionnement aléatoire.

Le moteur

Le moteur est bien sûr à l’origine du mouvement du palonnier. Dans la grande majorité des servos on trouve des moteurs bipolaires à balais à aimant ferrite (voir photo 33). Le défaut de ces moteurs (assez bien contrôlé aujourd’hui) est que les balais s’usent petit à petit et font parfois de mauvais contacts (problème accentué par les vibrations, donc lorsqu’on utilise des moteurs à explosion).

Toutefois plusieurs marques proposent maintenant une gamme de servos à moteur « brushless » et aimants somarium/cobalt (voir photo 34). L’absence de balais augmente significativement la durée de vie (quintuple selon FUTABA) tout en supprimant la susceptibilité aux vibrations. Par ailleurs, l’utilisation d’aimants au somarium/cobalt rend ces servos plus vifs.

Dans quelques servos haut de gamme on trouve encore des moteurs à rotor (induit) « en cloche », creux et cylindriques (voir dessin 1 et photo 35). Ces moteurs ont la particularité d’avoir un rotor dont seul le bobinage en cuivre tourne ; le circuit magnétique restant fixe. Les anglo-saxons appellent cette technologie « coreless ». L’inertie du rotor de ces moteurs est beaucoup plus faible que celui des moteurs traditionnels, le servo peut donc réagir beaucoup plus rapidement, ce qui le rend plus précis en dynamique car le décalage entre ordre et position réelle reste plus faible. Malheureusement, cette caractéristique n’est pas portée dans les fiches techniques données par les constructeurs.

N. B. : le temps mis pour parcourir 60° n’est pas un bon indicateur de la capacité d’accélération d’un moteur, car durant ce test le moteur est la plus grande partie du temps à vitesse maximale et n’accélère ni ne freine.

Il y a un paradoxe étonnant concernant les moteurs à rotor en cloche. Les servomoteurs Graupner tout ou rien en utilisaient tous alors qu’il n’y avait pas de critère de précision du fait de la nature tout ou rien, alors qu’avec l’apparition de cette contrainte on les a quasiment abandonnés dans le domaine du modélisme. Naturellement, l’industrie, quant à elle, continue à les utiliser largement pour les servomécanismes.

Photo 33 : moteur classique (les renflements contiennent les aimants)

Photo 34 : servo de taille standard à moteur brushless (photo FUTABA)

Dessin 1 : moteur « coreless » avec rotor en cloche en cuivre

au milieu et aimant fixe à droite (Dessin Micromo)

Photo 35 : rotors (induits) en cloche de moteurs « coreless » (Photo Portescap)

Le réducteur

La vitesse maximale de rotation du palonnier est de l’ordre de 100 tr/mn (0,1 s pour 60°), alors que le moteur d’entraînement tourne lui typiquement à 50000 tr/mn. Il faut donc réduire sa vitesse de rotation à l’aide d’un réducteur. Le réducteur est presque toujours constitué d’un train d’engrenages en cascade, beaucoup plus rarement de systèmes roue et vis sans fin (disposition trouvée dans quelques micro servos).

Le servo de la photo 5, servo typique de 13 g, comprend cinq étages de réduction en cascade. Les rapports de réduction des étages successifs (du moteur au palonnier) sont de 29/8, 38/10, 38/10, 28/10, 28/12, ce qui donne une réduction totale de 464. On peut faire plusieurs observations sur ce réducteur :

· Le plus petit pignon possède huit dents, ce qui est le minimum acceptable.

· les nombre de dents des pignons et des roues de chaque étage ne sont pas premiers entre eux, ce qui est dommage car cette disposition permet une usure plus régulière des dents.

· Le module des dents (distance entre de 2 dents au diamètre primitif, soit taille des dents) est plus important sur le dernier étage que sur les autres pour tenir compte de l’augmentation du couple lorsque la vitesse diminue (passage de 0,25 mm à 0,3 mm).

· L’épaisseur des deux derniers étages de réduction est augmentée pour tenir compte de l’augmentation du couple avec la diminution de la vitesse de rotation.

· Les étages de réduction sont en Nylon pour réduire la friction, hormis le premier.

· Les engrenages sont graissés pour limiter les vibrations.

· Il n’y a pas de limiteur de couple juste après le moteur. Ce dispositif, destiné à limiter, en cas de blocage, le courant maximal dans le moteur et l’effort sur les dents d’engrenage, présent sur les premiers servomoteurs, est maintenant systématiquement négligé.

L’architecture et les options techniques du servo de la photo 5 sont les plus courantes, en particulier l’utilisation du Nylon pour les engrenages (photo 57 à gauche), mais elles ne sont pas systématiques. HITEC, Graupner et quelques autres marques utilisent le carbonite (KARBONITE chez HITEC) dans certains de leurs servos (voir photo 36) car cette matière plastique noire fortement chargée en fibre de carbone est quatre plus robuste que le Nylon (selon HITEC). Dans les servos bas de gamme on utilise parfois le polyéthylène (photo 37 à droite) comme plastique car il revient moins cher (mais il est moins robuste et son coefficient de frottement est plus élevé).

Photo 36 : réducteur en carbonite (Photo HITEC)

Photo 37 : réducteur Nylon (à gauche) et polyéthylène (à droite)

Photo 38 : réducteur laiton/acier (à gauche) et multi matériaux avec axe de sortie en alliage d’aluminium (à droite)

Certains servos utilisent moins de 8 dents pour leurs pignons, ce qui est une très mauvaise idée. Le servo de la photo 39 utilise un pignon à 6 dents en sortie d’arbre moteur. Il en résulte qu’en cas de charge un peu forte deux dents de roue peuvent se coincer entre deux dents de pignon (voir photo 39) et bloquer tout le mécanisme…

Photo 39 : blocage de la pignonnerie en raison d’une mauvaise conception (pignon moteur à l’extrême droite)

Certains servos sont pourvus d’engrenages métalliques (photo 38). C’est très utile dans le cas où le palonnier risque de subir des chocs. On devrait toujours utiliser ce type d’engrenage pour les servos qui commandent directionnellement des trains d’atterrissage ou lorsque la gouverne contrôlée risque de subir des chocs (pilote débutant, faible protection par rapport au sol, etc.) car les engrenages en plastique ont tendance à casser (voir photos 40 et 41). Le métal utilisé est en général du laiton, mais certains gros servos utilisent un alliage de titane plus robuste.

Photo 40 : une dent cassée en place en biais Photo 41 : deux dents cassées parties (pas très loin…)

Il est important de noter qu’il n’est pas toujours facile de déceler un réducteur qui a une dent cassée car dans certains cas le moteur tournera plus pour passer la dent manquante mais fonctionnera quand même. L’effet perceptible est alors une instabilité à chaque fois que l’on passe la dent manquante, effet ressemblant beaucoup à une turbulence. Dans certains cas la dent cassée reste en place, mais étant en biais, bloque le réducteur et donc le servo (voir photo 40). On notera que les engrenages sont presque toujours vendus en pièces de rechange tellement le bris est fréquent. On notera aussi qu’on ne trouve pas d’engrenage de rechange pour les montres car les horlogers utilisent des engrenages métalliques.

N. B. : l’utilisation d’engrenages métalliques ne résout pas tous les problèmes car certains pilotes d’hélicoptère RC arrivent à tordre les dents d’engrenages métalliques et créer ainsi des points durs…

Dans une même dimension on peut trouver des servos dits rapides et d’autres dits à fort couple. Tout dépend du degré de réduction. Si on a un grand rapport de réduction le servo aura un fort couple mais sera un peu lent, alors que si on a un petit rapport de réduction, le servo sera plus rapide mais aura moins de couple. Le choix dépend bien sûr de l’utilisation envisagée. Un servo de train rentrant, par exemple, n’a pas besoin d’être rapide mais doit avoir du couple.

On notera aussi que les engrenages doivent être graissés, (à ne pas oublier après avoir changé un engrenage cassé). Mais attention, toutes les graisses ne sont pas adaptées. Certaines graisses contiennent des composés volatiles non conducteurs qui se déposent sur les balais du moteur qui s’arrête alors de fonctionner…

Ceux qui veulent plus de précisions sur le fonctionnement des réducteurs à engrenage trouveront un très bon article sur la Wikipedia [15].

L’électronique de commande

L’électronique de commande actionne le moteur dans un sens ou l’autre, de telle sorte que le palonnier adopte la position angulaire désirée. On distingue aujourd’hui deux types d’électronique de commande radicalement différents : l’électronique analogique et l’électronique numérique. Quelque soit le type, l’électronique peut être placée sur un circuit hybride en céramique et résistances sérigraphiées (photos 42 et 43) ou placée sur un circuit imprimé en fibre de verre/époxy et résistances rapportées (photos 44 et 45).

Photo 42 : électronique sur céramique Photo 43 : résistances sérigraphiées sur la céramique

Photo 44 : circuit imprimé en composite fibre de verre / résine époxy

(remarquer les quatre transistors de puissance en pont pilotant le moteur)

Photo 45 : circuit imprimé en composite fibre de verre / résine époxy

(remarquer le condensateur d’antiparasitage soudé sur le moteur)

Electronique analogique

L’électronique analogique utilise un circuit intégré spécialisé comportant :

· un oscillateur monostable contrôlé par le potentiomètre,

· un comparateur,

· un amplificateur,

· un pont de transistors de puissance.

L’impulsion périodique du récepteur déclenche le monostable qui génère une impulsion d’autant plus longue que la résistance du potentiomètre est importante. Le comparateur compare la longueur de l’impulsion du monostable à celle du reçue du récepteur et fournit une tension positive ou négative d’autant plus grande que la différence de longueur entre les impulsions est grande. Cette tension est amplifiée et finalement transmise aux transistors de puissance qui commandent le moteur du servo dans un sens ou dans l’autre.

Lorsque la différence de durée entre l’impulsion venant du monostable et celle venant du récepteur, appelée erreur, est inférieure à un certain seuil, le moteur n’est pas activé. On est dans la zone morte. La précision statique d’un servo dépend beaucoup de la largeur de cette zone morte. Trop grande, le servo est peu précis, trop faible, le servo à tendance à vibrer au neutre et consomme beaucoup.

Lorsque l’erreur dépasse un certain seuil, le moteur est alimenté à pleine tension et tourne à vitesse maximale pour tenter de supprimer l’erreur. On dit que l’asservissement est dans la zone de saturation.

Lorsque l’erreur est modérée, le moteur est alimenté sous tension réduite, d’autant plus faible que l’erreur est faible. Cette zone de commande à tension réduite est nécessaire pour que le fonctionnement soit stable. Si elle est trop petite, le servo aura tendance à dépasser les ordres donnés au manche. Au contraire, si elle est trop grande, le servo sera mou et l’erreur résiduelle importante. Cette zone s’appelle zone linéaire. En vol normal, le servo est le plus souvent dans la zone linéaire et traîne un peu des pieds par rapport aux ordres reçus (erreur dynamique).

Electronique numérique

L’électronique analogique bien qu’utilisée depuis de nombreuses décennies et donc bien au point, peut être améliorée par l’électronique numérique que l’on trouve depuis quelques années dans les servos dits numériques. L’électronique numérique est constituée d’un microcontrôleur associé à un pont de transistors de puissance dans une seconde puce. Un microcontrôleur est un ordinateur sur une puce ; il est donc programmé et on peut lui demander de réfléchir pour optimiser le fonctionnement du servo. Un servo numérique est donc a priori plus précis car on peut diminuer la zone morte. Il est aussi a priori plus rapide car il peut anticiper lorsqu’il observe une demande de variation rapide.

Malheureusement, ce tableau idyllique doit être tempéré. En effet, tout dépend de la qualité du programme de pilotage du servo. L’expérience a montré que tous les servos ne disposaient pas d’un programme idéal, et dans bien des cas des servos analogiques se sont montrés supérieurs à leurs homologues numériques… De plus, les servos numériques ont tendance à consommer plus que les servos analogiques et comme ils ont presque toujours une zone morte très faible, ils ont tendance à vibrer autour du neutre.

Les servos numériques sont souvent programmables, ce qui est très utile lorsqu’on a une radio qui ne l’est pas. Ça l’est aussi quand on trouve que la vie est trop simple et qu’on cherche à la compliquer !

La majorité des servos numériques peuvent supporter une fréquence de répétition du signal de commande bien supérieure à la valeur de 50 Hz standard (parfois jusqu’à 560 Hz), ce qui est utile lorsqu’ils sont branchés sur des gyroscopes et leurs variantes trois axes capables d’augmenter la fréquence de commande. Malheureusement, l’augmentation de la fréquence de commande augmente significativement la consommation des servos. Le problème vient du fait que nos servos sont commandés en position. Donc lors d’un déplacement, à l’arrivée d’une impulsion de commande, le servo accélère pour partir rejoindre sa nouvelle cible de position et ralentit lorsqu’il s’en approche. Ces variations de vitesse constantes induisent naturellement des pointes de courant et donc de l’échauffement. Les servos industriels, eux, sont en général commandés en vitesse, ce qui signifie qu’à chaque impulsion de commande, le microcontrôleur de pilotage évalue par extrapolation la vitesse optimale à choisir à l’arrivée sur la cible suivante, ce qui limite les pointes de courant et améliore la précision du fonctionnement en permettant une anticipation.

N. B. : les dernières radios en 2,4 GHz permettent parfois aussi d’augmenter la cadence du signal PWM des servos, mais si ça donne l’impression d’un système plus rapide, ça présente aussi des inconvénients, voire des dangers. Sur une radio classique la batterie voit une charge raisonnable car les impulsions se suivent à un rythme limité, et chaque servo consomme à son tour. Lorsqu’on utilise des servos numériques commandés à forte cadence et parfois simultanément au lieu de séquentiellement, la batterie subit des fortes pointes de courant qui font chuter sa tension. Ces chutes de tension peuvent finalement provoquer un décrochage du récepteur. Il faut donc prévoir dans ces cas là des batteries de réception à faible résistance interne ou un circuit d’alimentation à découpage (SBEC). Il existe même des radios centimétriques dites « rapides » qui ne fonctionnent qu’avec une fréquence de répétition des impulsions accélérée (supérieure ou égale à 100 Hz). Le modéliste qui fait ce choix sans en connaître les conséquences risque de se retrouver avec des modèles anciens qui ne fonctionnent plus car la majorité des servos ne supportent pas un cadencement aussi rapide.

Le boîtier

Le boîtier relie tous les éléments du servo ensembles, permet la liaison mécanique au modèle, transmet par réaction l’effort au palonnier et dissipe la chaleur produite par le moteur du servo. Un boîtier doit donc être suffisamment rigide s’il doit transmettre un couple significatif, et même être métallique pour mieux diffuser la chaleur si le servo est très sollicité (servo d’anticouple d’hélicoptère).

La très grosse majorité des boîtiers sont en polyéthylène injecté, mais certains servos prévus pour être très fortement sollicités utilisent un boîtier en aluminium, ou en partie en aluminium et en partie en carbonite (servos ALIGN notamment).

Caractéristiques techniques et choix

Le couple et le choix de la taille

La principale indication donnée par les constructeurs est le couple de blocage du palonnier, directement lié à la taille du servo. Il est donné le plus souvent sous 6 V (sans que ce soit toujours précisé). Un servo supporte en principe ce couple, mais ce n’est pas une bonne idée d’en utiliser plus d’un tiers car sinon le servo se déforme trop et a tendance à chauffer excessivement. Le couple sous 4,8 V (tension nominale de fonctionnement des servos) n’est que de 80 % de cette valeur car c’est la résistance du bobinage du moteur qui détermine le courant maximal et donc le couple d’arrêt du moteur. Les plus petits servos fournissent un couple de blocage de 0,5kg.cm tandis que les plus gros dépassent 20 kg.cm (le maximum se situe aux alentours de 50 kg.cm, mais certains servos de 68 g sont capables de 35 kg.cm, ce qui est énorme par rapport à leur masse).

Le tableau 2 donne la relation typique entre couple de blocage, masse et taille d’un servo. Bien sûr, ce ne sont que des valeurs approximatives car les servos rapides tendent à être plus lourds pour un couple de blocage donné.

Taille	Masse G	Couple de blocage kg.cm
sub-micro	4	0,7
micro	10	1,5
mini	25	3
standard	50	6
grand	100	10 à 20

Tableau 2 : taille et masse approximative des servos

en fonction de leur couple de blocage

Le choix du couple de blocage dépend de la fonction du servo, de la taille de l’aéromodèle et de son type.

Une méthode de dimensionnement qui marche assez bien, consiste à retenir dans un premier temps des servos d’empennage ayant un couple d’arrêt en kg.cm correspondant à 1,5 fois le poids en kg du modèle. On modifie ensuite cette valeur en fonction du type de modèle et du contexte. On multipliera le couple par 1,5 pour un modèle ayant des gouvernes à très fort débattement (avions 3D) ou pour un avion très rapide (racer). On pourra diminuer le couple de 25 % pour des avions peu chargés, des avions de début et des maquettes non destinées à la voltige.

Pour les servos d’aileron choisira un couple d’arrêt 25 % plus important que les servos d’empennage s’il y en a un seul pour les deux ailes, ou au contraire on choisira un couple 25 % moins important s’il y a un dans chaque aile.

Les servos de direction entraînant des roues (train avant ou roulette de queue), devront être pris systématiquement de taille supérieure et avec des engrenages métalliques.

Pour que cette méthode ne sous-dimensionne pas les servos, il est impératif que les gouvernes soient parfaitement libres (pas de point dur dans les axes) et que la tringlerie elle-même ne force pas (axe de chape parfaitement dans l’axe du trou du palonnier, pas d’articulation élastique trop épaisse, pas de mauvais alignement d’une gaine, etc.).

Vitesse

La seconde caractéristiques des servos donnée par les fabricants est le temps mis pour parcourir une course de 60°. La aussi, cette indication est le plus souvent donnée sous 6 V sans que ce soit toujours précisé. Ce temps dépend de la tension d’alimentation du servo car la vitesse maximale du moteur est proportionnelle à sa tension ; il faut donc compter sur un temps 25 % plus élevé sous 4,8 V.

Attention, quelques fabricants donnent le temps pour une course de 40° ou 45° sans toujours le préciser.

Malgré le fait qu’un servo soit plus rapide et ait plus de couple sous 6 V, ce n’est pas forcément une bonne idée d’augmenter la tension de 4,8 V à 6 V. La justification est donnée au paragraphe « Caractéristiques électriques ».

On estime en général qu’un temps égal à 0,15 s pour parcourir 60° est correct et qu’il n’y a pas grand-chose à gagner avec un servo plus rapide car un pilote normal prend environ 0,3 s pour déplacer brutalement le manche d’une butée à l’autre. Par contre, un servo plus lent sur une gouverne critique (profondeur ou ailerons) se sentira et n’est donc pas souhaitable. On pourra être moins exigeant avec un planeur lent ou une maquette non destinée à l’acrobatie, mais plus exigeant avec un avion de voltige 3D, un racer ou un hélicoptère 3D. On se méfiera surtout des servos d’entrée de gamme qui peuvent présenter des temps de 0,4 s tout à fait inacceptables.

Dans le cas de l’utilisation d’un servo dans une boucle d’asservissement (anticouple d’hélicoptère ou servos de plateau cyclique en « flybarless »), un servo très rapide sera largement préférable (temps inférieur ou égal à 0,1 s pour 60°). Pour un hélicoptère 3D on est même parfois amené à choisir un servo d’anti-couple aussi rapide que 50 ms pour 60°. Le servo d’asservissement le plus rapide arrive à 20 ms pour 60°, mais doit être commandé à fréquence très rapide (de l‘ordre de 500 Hz) pour que cela soit possible, ce qui impose en corollaire une impulsion de neutre raccourcie.

Précision

Les constructeurs se gardent bien de chiffrer la précision des servos, que ce soit la précision statique (à l’arrêt) ou dynamique (lorsqu’on bouge les manches). L’erreur statique peut être assimilée à la largeur de la zone morte ajoutée à la non linéarité du potentiomètre de recopie. La largeur de la zone morte est difficile à mesurer sans équipement spécialisé. Elle est de l’ordre 1° pour un servo analogique, mais souvent inférieure à 0,2° avec un servo numérique. La non linéarité est, elle, typiquement de l’ordre de 1%, donc environ 1°.

La précision dynamique est encore plus difficile à connaître car elle dépend du temps de réaction du servo. Une chose est sûre, les servos numériques sont en principe meilleurs sur ce point que les servos analogiques. Les servos ayant un moteur dit « coreless » (voir au paragraphe des moteurs) ont aussi une bien meilleure précision dynamique car ils accélèrent beaucoup plus franchement (que l’électronique soit numérique ou analogique). On notera que la précision dynamique peut être influencée par la vitesse du servo, mais ce n’est en tout cas qu’un paramètre secondaire, car sur une course de 60° le moteur est à pleine vitesse la plus grande partie du temps, ce qui n’est pas le cas en fonctionnement normal.

Caractéristiques électriques

La principale caractéristique électrique d’un servo est sa tension d’alimentation nominale, toujours de 4,8 V (hormis quelques servos spéciaux (essentiellement HITEC/MULTPLEX) prévus pour fonctionner sous 7,4 V). Néanmoins de nombreux servos supportent 6 V, ce qui permet aux fabricants de flatter leurs caractéristiques mécaniques. Mais tous les servos ne supportent pas 6 V ! Si vous optez pour cette tension, gardez à l’esprit qu’un pack de cinq éléments NiMh à pleine charge donne près de 7 V et que de nombreux servos et récepteurs ne supportent pas une tension aussi élevée…

Le choix de 6 V est surtout intéressant en compétition et impose l’utilisation d’un régulateur de tension entre la batterie et l’électronique de réception. Les variateurs de vitesse pour moteur de propulsion électrique fournissent l’alimentation du système de réception (circuit BEC pour Battery Eliminator Circuit). Parfois cette tension est réglable à 5 V, 5,5 V et 6 V. Le meilleur choix reste 5 V si on veut privilégier la fiabilité et la durée de vie de son matériel.

La seconde caractéristique électrique d’un servo est le courant consommé. Celui-ci est directement lié à l’activité du servo et au couple qu’on lui demande de fournir. A l’arrêt un servo consomme très peu, de l’ordre de 10 mA. En activité (gouverne en mouvement) la consommation dépend de la dureté des gouvernes et de la tringlerie, mais s’établit typiquement aux environs de 100 mA pour un servo de 10 g.

Au blocage, le courant peut devenir très élevé, typiquement 1 A pour un servo de 10 g, mais 3 A pour un servo de 40 g. Attention dans ce cas à la surchauffe des fils, à la limitation du circuit BEC, etc. Ceci montre que des gouvernes et une tringlerie qui ne sont pas parfaitement libres produisent des effets négatifs secondaires que l’on ne mesure pas toujours :

· surchauffe des fils d’alimentation des servos,

· décharge accélérée de la batterie de réception,

· destruction à terme des moteurs des servos impliqués.

Si le courant et la tension sont les caractéristiques électriques statiques. La largeur des impulsions (voir figure 1) et la période de répétition acceptées sont les caractéristiques électriques dynamiques.

La largeur des impulsions au neutre est pour tous les servos, sauf exception, de 1,5 ms (1,52 ms selon certaines sources). Mais elle a été de 1,3 ms pour d’anciennes radios ROBBE et 1,6 ms pour la précédente série de radios MULTIPLEX. Pour l’anticouple des hélicoptères, FUTABA a créé plusieurs servos spéciaux avec des impulsions au neutre de 760 µs ; LOGITEC et HITEC ont fait de même, mais ont choisi 960 µs comme largeur d’impulsion de neutre. Ces servos sont inutilisables ailleurs que derrière un gyroscope ou un système flybarless spécialement adapté.

La période de répétition des impulsions s’est à peu près stabilisée entre 18 et 22 ms, mais FUTABA utilise une période autour de 15 ms, bien que certains servos ne supportent pas un temps aussi faible (C261 de Graupner entre autres). De nombreux servos numériques supportent des périodes de répétition des impulsions beaucoup plus faibles (en dessous de 3 ms dans certains cas). Ca n’apporte rien derrière un récepteur ordinaire, mais prend son sens avec un gyroscope ou un système flybarless qui sait en tirer profit, car un asservissement est beaucoup plus rapide qu’un opérateur humain.

Cette période de répétition des impulsions est malheureusement remise en cause dans certaines des radios les plus récentes (voir au début du paragraphe), qui permettent soit d’augmenter à volonté la fréquence de répétition du signal, soit imposent sans choix possible un cadencement deux fois plus rapide que de nombreux servos ne supportent pas.

Robbe/FUTABA propose aussi quelques servos numériques prévus pour être branchés directement sur leur multiplex numérique S-BUS. C’est une reprise de l’idée ancienne utilisée par quelques planeuristes qui consistait à sortir sur deux prises du récepteur le multiplex PPM et placer dans chaque aile un décodeur à base de CD4015 esclave. Ceci permettait de limiter à trois le nombre de fils à câbler vers chaque aile qui pouvait compter jusqu’à quatre servos. La solution Robbe/FUTABA bride considérablement le choix des servos à moins d’utiliser un décodeur de multiplex esclave, dans quel cas on se retrouve dans la situation de la distribution du multiplex PPM. Toutefois, Robbe/FUTABA ont poussé plus loin ce système, ce qui le rend très utile dans les grands modèles. Ils ont en effet développé une boîte de redondance et d’amplification (type WEATRONIC, ACT, EMCOTEC…) capable de recevoir deux alimentations, deux récepteurs S-BUS et de sortir des signaux multiplexés et standards pour s’adapter au mieux au besoin du modèle.

Forme et montage

La majorité des servos ont la forme caractéristique de la photo 46 et sont prévus pour être fixés du dessus par deux ou quatre vis. Mais certains servos nommés « slim » plus plats sont prévus pour être fixés à plat dans les ailes (photo 47).

Photo 46 : divers servos de 5 g à 50 g

Photo 47 : servo spécial mince pour montages dans les ailes

Dans les modèles classiques, les servos sont en principe vissés à l’aide de deux ou quatre vis. Dans le cas de l’utilisation d’une propulsion thermique il est indispensable de visser en utilisant les amortisseurs en caoutchouc fournis pour limiter l’effet très nuisible des vibrations du moteur. Il ne faut en aucun cas oublier l’œillet métallique destiné à être mis dans le trou de la pièce en caoutchouc car il empêche son écrasement lors du vissage (voir photo 48). Ce n’est guère qu’en l’absence de toute propulsion (planeur pur) qu’on pourra négliger l’utilisation d’un dispositif d’amortissement des vibrations et chocs, car les balais des moteurs de servos souffrent des vibrations.

Photo 48 : système de fixation élastique standard à deux points

Sur les modèles en matériau expansé (Dépron, EPP et variantes) les servos sont nécessairement collés. Les servos noyés dans les ailes sont en général également collés, à moins de disposer de servos spéciaux avec des tenons de fixation à plat. Afin de faciliter le démontage des servos collés, il peut être astucieux de les entourer d’une gaine thermorétractable et de coller la gaine plutôt que le servo (voir photo 49).

Photo 49 : servo entouré de gaine thermorétractable pour le collage

Résistance aux chocs et déformation

Certains servos sont susceptibles de supporter des chocs, ceux dont la gouverne risque de toucher des inégalités du sol (empennage ou ailerons de planeur), ceux qui guident des roues de train d’atterrissage et ceux dont le modèle est entre les mains d’un débutant. Dans ces cas là, il sera pertinent de choisir des servos avec un réducteur à engrenages métalliques et un boîtier solide.

Il est toujours difficile de dire si un boîtier est solide, mais ce qu’il faut savoir c’est que les matières plastiques partent d’un matériau de base, par exemple le polyéthylène, et qu’on y ajoute de nombreux additifs et charges. Les additifs servent par exemple à ralentir le vieillissement, augmenter la résistance aux UV ou à colorer la matière. Les charges sont des additifs ajoutés en grande proportion, par exemple des phtalates pour augmenter la plasticité ou du graphite pour augmenter la rigidité. Par conséquent, les additifs et les charges étant le plus souvent opaques, les boîtiers en plastique transparent utilisent un plastique peu « travaillé », souvent moins robuste. A contrario, le plastique de couleur noire est bien souvent (mais pas forcément) le meilleur. D’une façon générale, on doit considérer que deux polyéthylènes peuvent avoir des caractéristiques très différentes.

Les servos particuliers et spéciaux

Si on considère les servos des trois axes principaux de commande (roulis, tangage et dans une moindre mesure lacet) comme « normaux », on peut qualifier les autres de plus ou moins spéciaux. La liste ci-après en propose un inventaire qui commence par les moins spéciaux qu’on peut qualifier de particuliers :

· servos de gaz pour moteur à explosion : servos lents, mais qui doivent être protégés au mieux des vibrations comme résistant à ces dernières,

· servos de volets et aérofreins : servos lents qui privilégient le couple plutôt que la vitesse,

· servos de train d’atterrissage : servos très lents à fort couple et engrenages métalliques,

· servos brushless : servos (parfois très rapides) réservés à ceux qui n’ont de cesse de voler, et pour les modèles à moteur thermique qui vibrent plus que de raison,

· servos coreless : servos très rapides surtout utiles aux asservissements (pour gyroscope ou système flybarless haut de gamme),

· servos à impulsion de neutre courte (960 µs et 760 µs) : servos hautes performances pour gyroscopes d’hélicoptères,

· servos 7,4 V : servos (HITEC/Multiplex notamment) pour grands modèles jusqu’à 15 kg destinés à être branchés directement sur deux éléments LiPo sans régulateur.

· servos S-BUS : gamme de cinq servos Robbe/FUTABA prévus pour être branchés directement sur le signal multipléxé numérique S-BUS. Les tailles vont de 20 g à 63 g, tous à roulements à billes, tous sauf un à engrenages métalliques et deux très rapides avec moteur à induit en cloche (coreless).

Base de donnée de choix

Etant donné la pléthore de marques (environ une centaine) et de servos existants (plus d’un millier), une base de donnée assez complète a été constituée sur internet [16]. Cette base de données peut s’avérer très utile pour trouver le servo le mieux adapté, comme pour trouver les caractéristiques d’un servo en stock.

On pourra notamment y découvrir que :

· les plus petits servos commercialisés pèsent moins d’1 g alors que le plus gros atteint 250 g

· il existe un servo à moteur polymère et il reste un servo à moteur 5 pôles

· seuls ACE-RC et Airtronics produisent des servos à moteur coreless (en fait FUTABA et PEGASUS au moins en produisent aussi)

· il y a quatre fabricants de servos à moteur brushless : Graupner, FUTABA, MKS et Airtronics (PEGASUS-RC a été oublié)

· le servo de qualité reconnue le moins cher est à 2 $

On pourra aussi y remarquer que le même servo se retrouve sous plusieurs marques (même phénomène qu’avec les récepteurs), et que même Robbe achète des servos chinois en y apposant sa marque (ce qui n’enlève rien à la qualité des dits servos, mais augmente leur prix).

On pourra aussi y vérifier que le même servo de 9,5 g (marque MKS et PEGASUS-RC) existe avec quatre rapports de réduction différents :

· DS450 : 3,1 kg et 120 ms,

· DS460 : 2,7 kg et 100 ms,

· DS470 : 2,4 kg et 90 ms,

· DS480 : 1,85 kg et 70 ms,

ce qui met bien en évidence le compromis entre vitesse et couple.

Le contrôleur de propulsion

Le contrôleur de propulsion, appelé aussi parfois variateur, est utilisé dès qu’on utilise un moteur électrique à la place d’un moteur à explosion. Pour la radiocommande c’est une sorte de servo virtuel qui contrôle la tension, donc la vitesse du moteur de propulsion. Il y a toutefois plusieurs différences fondamentales par rapport à un servo classique :

· Le contrôleur a souvent un temps de réaction délibérément important, parfois réglable, afin d’empêcher les variations trop brutales du régime moteur (toujours associées à des pointes de courant néfastes qui peuvent mêmes dans certains cas être destructrices).

· Le contrôleur détecte automatiquement la course du manche de gaz pour s’y adapter au mieux, ce qui rend inopérant les réglages de course sur l’émetteur.

En plus de fournir l’énergie au moteur, le contrôleur de propulsion fournit en général aussi l’énergie pour le récepteur et les servos (circuit BEC pour Battery Eliminator Circuit). Cette fonction très pratique a été bien longtemps réservée aux contrôleurs acceptant au maximum 12 V en entrée. Lorsqu’un contrôleur n’avait pas de circuit BEC on parlait de contrôleur à optocoupleur.

Les contrôleurs à optocoupleur sont rares aujourd’hui mais existent toujours. Comme ils ne fournissent pas l’énergie pour le récepteur et les servos, un accumulateur de réception comme dans le cas d’une propulsion à moteur à explosion est nécessaire.

Au début, on utilisait des régulateurs de tension série pour la réception qui chauffaient trop lorsque la tension d’entrée dépassait 12 V, d’où les contrôleurs à optocoupleur. Les contrôleurs utilisent maintenant de plus en plus souvent des régulateurs de tension à découpage (appelés parfois SBEC pour Switched BEC) qui chauffent beaucoup moins, ont un meilleur rendement et supportent jusqu’à 30 V en entrée. L’inconvénient de ces régulateurs à découpage est qu’ils ont tendance à générer du bruit électronique diminuant la sensibilité du récepteur. De toutes façons, le contrôleur est un perturbateur, il faut donc soigner son câblage (voir au paragraphe « perturbations »), l’éloigner du récepteur et ajouter un tore de ferrite sur le cordon servo.

Le circuit BEC apporte plusieurs avantages par rapport à un accumulateur :

· le courant de sortie est limité, ce qui protège un peu les servos en aval en cas de blocage et limite les risques d’incendie,

· la tension de sortie ne varie pas contrairement à celle d’un accumulateur, ce qui protège le récepteur et les servos,

· la tension est parfois réglable à 5 V, 5,5 V et 6 V, ce qui permet de pousser les servos en cas de besoin (à éviter si on ne sent pas une amélioration sensible et si récepteur et servos ne sont pas donnés pour supporter 6 V).

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 trois cas les plus courants :

· alimentation par piles AA (nommées aussi R6),

· alimentation par six éléments NiMh,

· alimentation par huit éléments NiMh.

L’alimentation par piles est réservée aux émetteurs très bas de gamme. Il est indispensable de les remplacer par des accumulateurs de taille équivalente, ce qui ramène le plus souvent aux deux cas suivants d’alimentation par accumulateurs NiMh.

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 on aura besoin d’une charge rapide, on pourra alors aller jusqu’à tripler le courant de charge sans trop fatiguer l’accumulateur si ça reste exceptionnel.

Avec le temps l’accumulateur tend à perdre de sa capacité (l’effet était très important avec les accumulateurs NiCd) ; il sera alors utile de faire deux ou trois cycles de charge/décharge si le chargeur le permet. 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 les 6 ou 8 éléments NiMh.

La dernière solution est tentante du fait de la capacité et de l’absence d’autodécharge significative des LiPo. Ca 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).

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.

Aspects techniques des radiocommandes

La modulation BF

Le circuit HF reçoit un signal unique, multiplexage des signaux de chaque voie. Ce multiplexage est soit analogique et standard (signal PPM), soit numérique et propriétaire appelé PCM sur les radios métriques et non nommé le plus souvent en bande centimétrique (les seuls multiplex définis par « reverse engineering » en 2,4 GHz sont le multiplex DSM2 de SPEKTRUM et le multiplex S-BUS de Robbe/ FUTABA).

La modulation PPM (Pulse Position Modulation)

Ce codage, le premier codage proportionnel, date du milieu des années 60, un peu avant que Phil Kraft (modéliste et fabricant américain d'ensembles RC) qui nous a quitté en avril 2006 ne devienne champion du monde d’acrobatie aérienne à Ajaccio en 1967 avec son fameux Kwick Fli III (que Graupner vient de remettre à son catalogue 40 ans après). Ce codage, le seul standard ouvert est décrit au paragraphe « Le signal de commande du manche au palonnier » et présenté sur la figure 4 ci-après.

Figure 4 : PPM multiplexé et démultiplexé

Ce système a mis de nombreuses années avant que les valeurs de temps se soient standardisées et que les matériels (émetteur, récepteur et servos) deviennent interchangeables. C’est aujourd’hui chose faite, même s’il reste encore quelques matériels hors norme.

Décodage et conséquences

Pour décoder ce multiplex, on a longtemps utilisé (et on utilise parfois encore) des bascules logiques en cascade, une affectée à chaque voie (registres à décalage). La figure 4 montre par exemple la voie 1 décodée par une bascule ; c’est le signal envoyé au servo correspondant.

Une bascule d’une voie passe à 1 lorsque la précédente repasse à zéro et revient à zéro au premier front montant suivant du signal multiplexé. Un parasite radio est une impulsion supplémentaire ajoutée au flot d’impulsions qui coupe le signal d’une voie en deux. Le signal de la voie coupée est alors vu par les bascules comme ceux fortement raccourcis de deux voies successives et les signaux des voies suivantes sont décalés d’un cran. La conséquence matérielle est deux servos de voies successives envoyés en butée ; c’est le top radio violent que nombre de modélistes ont subi un jour ou l’autre.

Un parasite sur un cordon de servo produit le même effet, car il peut enclencher prématurément le passage à 1 de la bascule de la voie suivante. Ce système est donc très sensible aux parasites, mêmes minimes. On peut même dire trop, ce qui a conduit il y a bien longtemps à l’invention du codage numérique PCM. Toutefois le passage récent du décodage « bête » par des bascules au décodage « intelligent » par microcontrôleur a tardivement résolu le problème des parasites et réhabilité le codage PPM.

Le codage PCM (Pulse Code Modulation)

Le codage PCM adopté dès la diffusion des microcontrôleurs bon marché a maintenant une trentaine d’années. Contrairement au PPM, en PCM il n’y a pas de standard, et certains fabricants ont même plusieurs formats en fonction du modèle d’émetteur... Impossible donc de choisir son récepteur en fonction de l’aéromodèle avec ce principe, ce qui est un handicap, surtout lorsqu’on a besoin d’un récepteur très compact et léger. De toutes façons, il est en voie de disparition en 2010, supplanté par le PPM décodé de façon intelligente et par les codages numériques plus évolués possibles en 2,4 GHz.

Principe général

Le PCM s’appuie sur les principes des communications dans les réseaux de données des années 1970. Les principes généraux sont les suivants :

· Les informations (ici la position des manches de commande de chaque voie) sont traduites en nombres binaires transmis bit à bit sous forme de succession de 1 (niveau haut) et 0 (niveau bas). En ce qui nous concerne, les quatre voies principales sont transmises en général sous forme de nombres de 10 bits (1024 valeurs distinctes, soit une résolution de 0,1%) ; le codage des voies auxiliaires restant lui très variable.

· Ces informations sont ensuite codées de façon qu’il ne puisse pas y avoir de longues successions de 1 ou de 0, car le récepteur ne saurait plus à quel instant exact commence ou finit un bit (synchronisation bit). Il existe de nombreuses méthodes pour garantir cette synchronisation bit. La méthode la plus souvent retenue est le codage 4 vers 5 qui consiste à remplacer chaque séquence de 4 bits (16 valeurs) en une séquence de 5 bits (32 valeurs possibles). Ainsi, il est possible de n’utiliser que des séquences avec des changements d’état adéquats, et même d’utiliser les séquences inutilisées pour le codage de nombres à d’autres fins comme la synchronisation trame.

· Comme il faut savoir ou est le début d’une trame dans le flot continu de bits, on ajoute un entête identifiable de façon certaine (SY dans les figures). Dans le codage 4 vers 5, il suffit d’utiliser une suite de 10 bits qui ne correspond à aucun des codes de traduction du binaire utilisé. C’est la synchronisation trame : séquence unique de 10 bits dans l’exemple qui suit.

· Comme il y a toujours risque de parasitage, il faut vérifier que chaque trame est juste en ajoutant un code redondant de vérification (CS dans les figures). La séquence est calculée à l’émission et ajoutée en fin de trame. Elle est recalculée à la réception et comparée à celle transmise. En cas de concordance on accepte les données, dans le cas contraire on les rejette. En RC, le rejet d’une trame signifie que l’on conserve et envoie aux servos la valeur précédente (mode "hold"). Il y a de nombreuses méthodes de construction d’un code de redondance. Celle retenue le plus souvent dans nos systèmes est très simple, c’est la somme de contrôle (Check Sum en anglais). Le principe consiste à ajouter tous les nombres de la trame et de retenir les derniers bits de cette somme comme valeur de contrôle.

On remarquera que les codages PCM sont propriétaires et que seules des bribes d’informations sur les codes utilisés par les constructeurs ont été divulguées. Les informations glanées ça et là ont permis de reconstituer approximativement un codage JR et un codage FUTABA ci-après :

Les règles que respectent tous les fabricants sont les suivantes :

· durée d’un bit = 300 µs, ce qui permet de transmettre 60 bits en 20 ms, valeur trop faible pour transmettre les 4 à 9 voies d’une radio classique. Il faut donc trouver des astuces pour diminuer le nombre de bits à transmettre, c’est ce qu’on appelle la compression des données.

· Ajout du CS sur des fragments de trame. Traditionnellement, la séquence de test se trouve en fin de trame, ce qui induit un temps de latence, car on ne peut vérifier et donc prendre en compte les valeurs qu’après le test du CS et donc qu’après avoir reçu le dernier bit de la trame. Pour nous, il y aurait donc un retard de 20 ms ou plus. Pour diminuer ce retard qui n’existe pas dans le cas de la transmission PPM, on ajoute plusieurs sommes de contrôle dans la trame, ce qui permet d’accepter des trames partielles et donc diminuer ce temps de latence qui handicape le PCM.

Approximation du format SPCM JR

A priori, JR transmet les voies 2 à 4 toutes les 21 ms, mais la voie 1 de gaz une fois sur deux seulement. L’autre fois sur deux, la voie 1 est remplacée par une des voies auxiliaires (voir figure 5). La somme de contrôle est ajoutée toutes des deux voies et est codée sur 4 bits ; le temps de latence minimum est donc de 10,5 ms.

Figure 5 : trame JR SPCM

Avec ce principe il suffit de transmettre : 10 (sync) + 50 (4 voies) + 10 (CS) = 70 bits par trame. Le temps de latence introduit est de 10,5 ms dans le meilleur cas, mais peut atteindre 31,5 ms lorsque le module HF fonctionne avec une trame PPM qu’il doit être vérifiée avant de commencer l’émission.

Approximation du format PCM-1024 FUTABA

La société FUTABA utilise a priori un principe plus compliqué, car elle transmet une séquence de 5 voies avec un seul CS toutes les 16 ms environ. Le temps de latence est donc ici d'environ 16 ms. La trame, elle, dure 33 ms car elle comprend deux séquences de voies (voir figure 6).

Pour transmettre 5 voies en si peu de temps, FUTABA comprime les 4 voies principales en ne transmettant que la valeur complète d’une voie à chaque fois (à tour de rôle). Pour les autres voies, seuls 6 bits représentant la variation depuis la trame précédente sont transmis. Ainsi, en transmettant les voies auxiliaires à tour de rôle sur 8 bits, 10 + 6 + 6 + 6 + 8 = 36 bits (avant encodage) suffisent pour transmettre toutes les voies.

Figure 6 : trame FUTABA PCM-1024

Avec ce principe il faut transmettre : 10 (sync) + 45*2 (5 voies) + 5*2 (CS) = 110 bits par trame.

Coté réception, ce principe fournit des impulsions pour les servos toutes les 16,5 ms, période qu’acceptent la majorité des servos, mais pas tous. Le temps de latence introduit est de 16,5 ms dans le meilleur cas, mais peut atteindre 33 ms lorsque le module HF fonctionne avec une trame PPM à période de 16,5 ms qu’il doit être vérifiée avant de commencer l’émission. De plus, dans le cas d’une trame parasitée, il faut attendre quatre trames avant de récupérer les informations de toutes les voies.

Décodage et conséquences

Le codage PCM présente un avantage majeur par rapport au PPM : les valeurs parasitées sont détectées, ignorées et remplacées par la dernière valeur fiable connue (mode "hold"), ce qui rend le système beaucoup plus résistant aux perturbations. L’effet des perturbations ne sera visible que si elles durent plusieurs dixièmes de secondes au moins, et même dans ce cas la, le mode « fail safe » (utilisation de valeurs prédéfinies pour les voies) permettra de limiter considérablement l’effet des perturbations.

Le codage PCM a toutefois aussi quelques inconvénients :

• les récepteurs sont propriétaires et chers,
• un temps de latence de 10 à 33 ms appelé « délai de transmission » affecte la transmission,
• en cas de désynchronisation par de gros parasites, la resynchronisation prend nettement plus de temps qu’en PPM.

Les codages numériques modernes

Le codage PCM comprime les données car on ne peut pas transmettre dans la bande passante allouée d’un canal métrique de 10 kHz que 60 bits toutes les 20 ms. La bande passante d’un canal centimétrique étant de 2 MHz le plus souvent, on peut transmettre maintenant beaucoup plus d’informations. Si avant on était à l’étroit, maintenant on peut transmettre sans compression tout ce que l’on veut, et dans les deux sens, car tous les systèmes centimétriques sont le plus souvent bidirectionnels. Cet état de fait a conduit à quelques excès, comme convertir sur 10 bits (1024 niveaux) le signal du manche de précision 7 bits (128 niveaux) et le transmettre sur 15 bits (32768 niveaux) afin d’éblouir le chaland naïf.

Les formats actuels de codage numérique ne sont pas plus divulgués que ne l’étaient les diverses variantes de PCM. Cela n’a que peu d’importance, sauf pour ceux qui veulent fabriquer du matériel compatible, mais ceux la ont déjà percé les « secrets » de SPEKTRUM et FUTABA.

La modulation HF

La modulation d’amplitude (AM), de fréquence (FM) et de phase (PM)

Les premières radios proportionnelles de la fin des années 60 modulaient en amplitude une sinusoïde dont la fréquence était dans la bande libre de 27 MHz (CB pour Citizen Band, soit bande du citoyen) avec le multiplex PPM. Mais cette modulation n’était pas idéale, car un mobile en bougeant fait lui-même varier l’amplitude du signal reçu.

On est donc passé à la modulation de fréquence qui fait varier très légèrement autour de sa valeur moyenne la fréquence de la sinusoïde haute fréquence au gré du multiplex BF. Ceci a permis au passage d’utiliser des récepteurs insensibles aux variations du niveau du signal reçu et de considérablement améliorer le système. En passant, les modélistes ont été libérés du carcan 27 MHz et obtenu à la même époque des fréquences propres, variables d’un pays à l’autre.

Une parenthèse mérite d’être ouverte ici à propos de la FM. Nous devons à l’américain Edwin Howard Armstrong [17] à l’origine de la radio FM, le système superhétérodyne sans lequel aucun de nos récepteurs ne pourrait fonctionner et d’autres inventions importantes dans le domaine de la radio. Malheureusement pour lui, le lobbying de RCA qui possédait des stations de radiodiffusion AM et ne voulait pas de concurrence en FM, a pu empêcher son développement initial en obtenant de la FCC (Federal Communications Commision) le déplacement la bande FM entre 88 MHz et 108 MHz, fréquence peu accessible à l’époque. C’est pour cette raison qu’aujourd’hui encore notre bande radio FM se situe de façon totalement incongrue en plein dans les bandes télévision. Quant à Armstrong à qui la radio doit tant, il a fini par se suicider de dépit en 1954.

La modulation de phase est une variante de la modulation de fréquence. On agit cette fois sur la phase de la sinusoïde, ce qui donne un résultat très proche de la modulation de fréquence, mais apporte quelques avantages. C’est la modulation utilisée pour de nombreux signaux numériques dans la bande centimétrique. ZIGBEE notamment utilise la variante OQPSK qui permet un débit deux fois plus élevé que la modulation FM. Mais FUTABA a choisi de rester en FM avec son système FASST. L’article scientifique personnel « High efficiency modulation scheme for mobile radio and satellite systems: the case of 3PSK » [18] donne un bref aperçu des variantes de la modulation de phase et des avantages de ce type de modulation.

L’accès multiple au médium radio

La transmission radio serait très simple s’il ne fallait pas partager les ondes radio à plusieurs. Le problème n’est pas tant de recevoir (on reçoit sans problème d’autres galaxies), que de filtrer le cumul d’informations pour extraire la sienne. Le système superhétérodyne d’E. H. Armstrong a permis ce partage par sa capacité à séparer des signaux de fréquence légèrement différente, mais il y a d’autres méthodes de séparation que la séparation par la fréquence. La téléphonie mobile de seconde génération en Europe basée sur GSM par exemple utilise un multiplexage temporel, ce qui signifie que chaque téléphone obtient périodiquement une petite tranche de temps alors que la même fréquence est partagée par tous les téléphones mobiles.

Dans les années 70, d’autres méthodes de partage ont été développées, dont le FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) et le DSSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) utilisés aujourd’hui dans nos radiocommandes en bande centimétrique. En raison de son efficacité, le DSSS a connu un essor considérable. Il est notamment utilisé par WiFi, ZIGBEE (transmission sans fil industrielle), le GPS et son équivalent européen Galiléo, ainsi que les téléphones sans fil et la téléphonie mobile de 3^ème génération. Le FHSS a, quant à lui, connu un succès beaucoup plus mitigé, excepté dans le domaine modéliste.

Le saut de fréquence FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

Le principe du saut de fréquence est très simple. On envoie les données par paquet en changeant de fréquence à période fixe. Chaque fois que ça passe, on est content, et si ça ne passe pas à cause d’un autre émetteur qui nous perturbe et qu’on perturbe, on renvoie le paquet perdu sur la fréquence suivante.

Dans le cadre du modélisme on procède un tout petit peu différemment. Imaginons une bande 2,4 GHz française avec 28 canaux de 2 MHz. Il nous faut 2 ms pour transmettre une trame PPM ou numérique de 20 ms. On a donc besoin de transmettre 2 ms toutes les 20 ms, mais on va transmettre 80 % du temps, donc huit fois le même paquet durant chaque période de 20 ms ; les 20 % du temps restant étant réservés aux transmissions en sens inverse.

Si un paquet transmis passe tout de suite, c’est tant mieux, sinon on a de bonnes chances qu’il passe à une des tentatives suivantes. Au-delà de la huitième tentative on a recours au mode « hold », et si le mode « hold » se maintient trop longtemps on passe au mode « fail safe ».

N. B. : le mode hold est perçu par un pilote comme une turbulence passagère au cours d’une manoeuvre, mais passe inaperçu lors d’un vol en ligne droite. Le mode « fail safe » est quant à lui clairement perçu comme une perte de contrôle passagère.

Imaginons maintenant un club où tout le monde utilise ce FHSS. Il y a quatre modèles en vol et quatre radios allumées au sol (il n’y a plus de raison de se priver ce cette action). Statistiquement parlant, il y a 65 % de chances que le premier paquet d’un modéliste passe et une chance sur 4500 que même le huitième ne passe pas. Donc on passe en mode hold en moyenne une fois toutes les 1,5 minutes s’il n’y a pas d’autre source de perturbation. Cette valeur est tout à fait acceptable a priori, mais se dégrade très rapidement si le nombre d’utilisateurs qui laissent leur radio allumée augmente.

Un autre problème plus sérieux est que du fait de la loi des séries on se retrouve forcément de temps en temps sans transmission réussie pendant un temps assez long pour passer en mode « fail safe », ce qui a un effet beaucoup plus désagréable que le passage en mode hold. C’est le point faible du FHSS en plus d’une bien moins bonne exploitation du spectre de fréquences qui explique sa désaffection en dehors du domaine modéliste. Les multiples variantes de FHSS (comme l’AFHSS et autres) compliquent le protocole pour limiter l’effet de la loi des séries, mais ne peuvent pas l’empêcher.

Du fait de l’exploitation médiocre du spectre de fréquence en FHSS, le concepteur de radiocommande ayant choisi ce mode de partage est pris entre deux choix délicats (choix Cornélien comme disent les littéraires) :

· ou il réduit la bande passante du canal descendant et donc les possibilités de télémétrie (voire supprime tout retour),

· ou il augmente la fréquence de passage en mode hold, et donc limite le nombre de radiocommandes pouvant émettre simultanément sans se gêner de façon excessive.

L’étalement direct DSSS

L’étalement de spectre direct (Direct Sequence Spread Spectrum) est plus difficile à comprendre. Il est donc explicité ci-après en détail avec l'aide de chronogrammes issus d'une simulation conforme à la réalité pour faciliter la compréhension du fonctionnement.

Sa force est de garantir la réussite de la transmission, même si plusieurs entités sont sur la même fréquence, et donc de garantir un délai de transmission.

Le point faible est que si un dispositif spécial est mis en place pour détecter le canal utilisé et qu’on place ensuite un émetteur de très forte puissance sur ce canal, on peut bloquer le système. Toutefois on n’imagine guère un modéliste expert en radio et très bien équipé pratiquer ce genre de manipulation sur un terrain juste pour le plaisir de voir tomber le modèle d’un de ses camarades. C’est pourtant une démonstration biaisée de ce type sur internet − à l’origine d’une campagne de calomnies − qui a convaincu nombre de modélistes de la supériorité du FHSS, du danger de l’IFS de Graupner, et par association du DSSS en général.

La photo 50 montre 12 modules industriels à la norme ZIGBEE (utilisés par Graupner dans l’IFS, Francis Thobois [14] et d’autres amateurs) qui ont communiqué sur le même canal simultanément sans se perturber.

Photo 50 : 12 modules professionnels ZIGBEE capables de partager simultanément

la même fréquence sans se perturber mutuellement (modèle XBEE-PRO)

Schéma fonctionnel du système

Le schéma fonctionnel du système présenté en figure 7 peut paraître relativement compliqué. En fait il reste assez simple si on considère qu'il se compose de trois parties indépendantes : l'émetteur en bas à gauche, les perturbateurs en haut à gauche qui sont là uniquement pour démontrer la résistance aux perturbations et le récepteur décomposable en décodeur proprement dit suivi d'un filtre destiné à améliorer la qualité du signal reçu.

Figure 7 : schéma fonctionnel du système à étalement de spectre direct DSSS

L'émetteur

L'étalement de spectre direct (ou codage) consiste simplement à mélanger dans une porte logique "Ou exclusif" (XOR sur le schéma) les données à transmettre et le code d'étalement. Les données sont des successions de 1 et de 0 représentant des nombres qui eux-mêmes représentent la position de chaque manche de la radiocommande. Le code d'étalement est une succession de 1 et de 0 propre à chaque émetteur. La longueur du code peut être variable, elle est de 64 bits dans notre exemple. La fonction logique XOR fonctionne de la façon suivante : si une entrée unique est à 1 sa sortie produit 1, sinon elle produit 0. Le tableau 1 résume le fonctionnement.

Entrée A	Entrée B	Sortie X
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	0

Tableau 3 : fonction OU exclusif

Les niveaux logiques sont représentés physiquement par des tensions électriques. Tension nulle pour 0 et tension de 5 V pour 1.

Le rectangle « constante » du schéma fonctionnel représente une tension de 2,5V. Les cercles du schéma fonctionnel représentent des fonctions d'addition. Ainsi, une tension de 2,5V est soustraite (signe ─ à côté du cercle) au signal codé avant émission. Ceci a pour conséquence décaler le signal logique allant de 0 V à 5 V en un signal variant de -2,5 V à +2,5 V, c'est-à-dire sans composante continue. Cette dernière fonction n'existe pas physiquement dans un émetteur, elle n'est la que pour des raisons de simulation car elle matérialise le fait que les composantes continues ne sont pas transmises par un lien radio.

Les perturbations

Les perturbations ne font évidemment pas partie intégrante de l'émetteur ! Ici deux perturbations ont été ajoutées pour démontrer la résistance du système aux perturbations. La première perturbation appelée brouilleur est un autre émetteur émettant sur la même fréquence selon le même mode, avec la même amplitude, mais avec un code différent. La seconde perturbation est tout simplement un bruit blanc (bruit appelé bruit quantique ou bruit thermique en électronique) toujours présent sur l'antenne de réception. Son amplitude moyenne est elle aussi comparable ici au signal émis (condition extrêmement défavorable mettant hors service tout autre système). Le circuit de décalage de 2,5 V et aussi virtuel ici, pour tenir compte de la nature des ondes radio.

Le récepteur

Pour décoder le signal, il suffit de multiplier arithmétiquement (fonction Mult) la tension reçue par le même code qu'à l'émission. Là encore il faut supprimer la composante continue du code. Il faut aussi que le code utilisé en réception soit parfaitement en phase avec le code utilisé à l'émission, ce qui est la contrainte la plus difficile à satisfaire du dispositif.

Une fois le décodage effectué par le multiplicateur, on obtient un signal décodé, mais fortement entaché de bruit. Les deux filtres passe-bas PT2 l'éliminent, mais comme ils déforment le signal, un circuit de remise en forme "Saturation" parachève le travail en même temps que l'amplificateur P.

Observation des données

Un flot de données arbitraire (voir figure 8) a été utilisé pour montrer l'aspect des signaux. Il s'agit ici de la succession binaire 100110, avec une période de 1,6 ms par bit. On notera que cette période a été choisie arbitrairement et ne correspond pas à la période des bits des systèmes utilisés en modélisme, ce qui ne change strictement rien au principe.

Figure 8 : les données à transmettre (1,6 ms par bit)

Observation du code d'étalement

Un code d'étalement avec 64 bits (figure 9) a été choisi (on remarquera qu'il est représenté ici sans composante continue). Le débit est de 64 fois le débit des données, afin que chaque bit de données soit mélangé avec les 64 bits de code. La période d'un bit de code est en conséquence de 0,025 ms.

Figure 9 : le code d'étalement sur 64 bits (0,025 ms par bit)

Observation des perturbations

Le signal du brouilleur n'est pas représenté car il est parfaitement semblable à celui de la figure 9. Le bruit thermique est quant à lui visible à la figure 10. On remarquera que son amplitude maximale dépasse significativement celle du signal de l'émetteur.

Figure 10 : le bruit thermique

Observation du signal reçu

Le signal reçu est présenté figure 12, c'est la superposition du signal émis, du brouilleur et du bruit thermique. Il est parfaitement impossible de discerner les données initiales, ni même un quelconque signal. C'était le but de la manœuvre lorsque les militaires ont mis au point cette technique dans les années 70 !

Même sans bruit thermique significatif (voir figure 11), cas que l'on peut rencontrer en s'approchant à proximité immédiate de l'émetteur il est parfaitement impossible de retrouver les données, même si dans ce cas on distingue parfaitement une émission cohérente.

Figure 11 : signal reçu sans bruit thermique

Figure 12 : signal reçu réel

Observation du signal décodé

Dans le récepteur, après passage à travers le multiplicateur, les données réapparaissent comme par magie (figure 13). Malheureusement, elles sont fortement perturbées par le bruit, ce qui impose un traitement supplémentaire.

On notera toutefois que dans l'exemple présent les niveaux logiques ont été inversés par rapport l'émetteur. Ceci est sans importance car le filtre passe-bas qui suit (les deux fonctions PT2 en cascade) peut remettre le signal dans le bon sens (coefficient K = -1 dans le premier filtre).

Figure 13 : signal décodé

Le filtre passe-bas du quatrième ordre (deux fonctions PT2 en cascade) vient à bout du bruit (voir figure 14), mais rend le signal très "mou". Il faut donc encore un traitement supplémentaire.

Figure 14 : signal décodé et filtré

L'amplification finale et la suppression des valeurs crêtes donnent (figure 15 en bleu) le signal finalement exploitable par le microcontrôleur du récepteur. Il n'est pas parfait, mais en tout cas suffisant puisqu'on retrouve sans difficulté la suite 100110, CQFD. On remarquera accessoirement qu'il est retardé par rapport aux données initiales en rouge sur la même figure, ce qui provient du filtre passe bas. Toutefois, ce délai est négligeable à l'échelle de temps qui nous concerne en modélisme.

Figure 15 : signal restitué après remise en forme (en bleu)

Comparaison des types de modulation

La radio dans le domaine métrique présentait quelques faiblesses, la plus grave étant une forte sensibilité aux parasites. Le problème de la sensibilité aux parasites a été résolu il y a fort longtemps par l’utilisation de la FM et le codage PCM, puis plus récemment par le décodage « intelligent » par microcontrôleur des trames PPM. Il restait malgré tout un problème majeur : les conséquences catastrophiques en cas d’utilisation simultanée du même canal par deux utilisateurs.

Lors du passage aux ondes centimétriques, ce problème a été résolu par la société pionnière SPEKTRUM en utilisant une variante de DSSS baptisée DSM puis modifiée en DSM2 suite à l’utilisation de deux canaux simultanés et la société Graupner qui a opté pour le même principe via l’IFS, produit par la société XPS basé sur la norme industrielle ZIGBEE. Aucune des deux solutions n’utilise le DSSS pur. DSM2 utilise deux canaux libres de 2 MHz à la mise sous tension alors que IFS change régulièrement de canal de 5 MHz. Ce saut de fréquence périodique a été ajouté après le début de la commercialisation du produit pour répondre à la campagne de calomnies diffusée sur internet évoquée dans l’introduction du paragraphe sur le DSSS.

Juste après l’apparition de ces deux standards, FUTABA a sorti sa technologie FASST en FHSS. La campagne de calomnies visant le DSSS a été déclenchée peu après l’introduction de FASST et a rapidement pris de l’ampleur au niveau international. En conséquence, presque tous les fabricants de radiocommandes suivants ont opté pour le FHSS moins performant car le DSSS devenait un choix trop risqué commercialement du fait de l’image ternie. On paiera le prix de cette campagne de calomnies pendant des décennies, car si DSM2 et IFS permettaient le partage de la bande 2,4 GHz sans ajouter de délai de transmission entre plus d’une cinquantaine de modélistes, ce n’est plus le cas avec les variantes de FHSS qui limitent le nombre d’émetteurs actifs simultanément à moins de dix si on veut limiter la fréquence des passages en mode « hold » à une valeur raisonnable ; contrainte forte lors de tout rassemblement d’une certaine importance.

Quoi qu’il en soit, les deux principes fonctionnent en général suffisamment bien pour nos modestes besoins usuels. Il est donc peu probable qu’un modéliste ordinaire puisse réellement faire la différence entre FHSS et DSSS. En revanche, des points qui n’ont rien à voir avec ces principes font eux une réelle différence :

• qualité du montage des cartes électroniques (pas de soudure qui lâche, etc.),
• qualité du silicium (pas de composant qui grille, etc.),
• qualité du logiciel de codage et décodage (pas de délai excessif de resynchronisation après un décrochage, etc.).

Le dernier point évoqué est un point clef car la difficulté principale des systèmes à étalement de spectre (direct ou à saut de fréquence) est la synchronisation entre émetteur et récepteur. Un système mal codé, quel que soit son type, peut mettre plusieurs dixièmes de secondes avant de se resynchroniser après un décrochage, délai qui ne passe pas inaperçu en aéromodélisme. Notamment les premiers systèmes SPEKTRUM et FUTABA avaient un temps de resynchronisation de plus d’une seconde. SPEKTRUM a résolu le problème en 2008 avec l’algorithme « Quick connect » et une mise à jour des softs des récepteurs anciens. FUTABA a résolu le problème nettement plus récemment et sans mise à jour. Il faut donc faire attention en achetant du matériel FUTABA d’occasion. D’après les échos reçus d’internet, plus aucun système ne serait affecté en 2010 d’un délai de resynchronisation excessif. N. B. : un test est facile à faire en éteignant brièvement le récepteur.

Les faiblesses du FHSS ne se feront réellement ressentir qu’au cours des compétitions durant lesquelles le maintien d’une régie radio restera indispensable pour limiter le nombre d’émetteurs actifs simultanément, puisque la fréquence des décrochages en FHSS est directement liée au nombre d’utilisateurs dans ce cas.

Temps de transmission

L’émetteur utilise le signal multiplexé (figure 2) pour moduler une onde radio démodulée ensuite dans le récepteur. L’ensemble de ces deux opérations ne modifie pas le signal, mais génère un retard appelé temps de transmission. Dans un récepteur ordinaire sans microcontrôleur ce retard est de l’ordre de 0,2 ms. Mais dans un récepteur plus sophistiqué (utilisant un microcontrôleur pour décoder le signal de façon intelligente afin d’éliminer les parasites) le retard varie de 2 ms à 25 ms selon la marque et le modèle du récepteur.

Les radios dites PCM n’utilisent bien souvent pas de signal PPM dans l’émetteur, mais le récepteur doit reconstruire les impulsions PPM démultiplexées de la figure 1 pour les servos. Le processus de conversion numérique/analogique prend du temps, aussi les systèmes PCM souffrent d’un temps de transmission important. Il faut d’abord construire la trame numérique à l’émission (10 à 22 ms suivant la variante de PCM), il faut ensuite l’analyser et la vérifier (10 à 16 ms) à la réception et reconstruire les impulsions de servos. Certaines radios partent de trames PPM dans l’émetteur, ce qui ajoute un délai supplémentaire de 16 à 22 ms. Le temps de transmission dans le cas d’un système PCM situé typiquement entre 30 et 60 ms n’est plus tout à fait négligeable.

Les radios en 2,4 GHz souffrent du même problème que les radios en PCM, mais il y a beaucoup plus de latitude pour trouver des solutions limitant les délais. On se retrouve donc avec des temps de transmission fonction du modèle de radio qui s’étale de 10 ms à environ 30 ms selon la qualité du programme de codage et décodage utilisé. Dans le cas de l’utilisation du FHSS il faut ajouter un temps aléatoire supplémentaire d’autant plus important que le nombre de radios allumées simultanément est grand.

Délai de suivi et global

Un servo fonctionne toujours avec des impulsions PPM démultiplexées conformes à celles de la figure 1. Il compare à chaque nouvelle impulsion la résistance courante de son potentiomètre avec celle demandée et agit sur le moteur en cas de différence. En cas de mouvement rapide du manche il faudra deux à trois périodes pour rattraper le décalage, soit 20 à 70 ms. Ce délai, appelé délai de suivi, dépend énormément de la qualité du servo. Les servos d’entrée de gamme peuvent avoir des temps de réaction prohibitifs. Les servos dits numériques (fonctionnant avec un microcontrôleur) devraient logiquement être plus rapides car « intelligents », mais ce n’est pas toujours le cas.

Le retard induit par chaque élément du système de radiocommande reste modéré, mais la somme des retards (radio + servo) peut devenir importante. On sent alors que la radio n’est pas instantanée, ou plus généralement, on sent qu’en changeant de radio et/ou de servo le modèle devient plus facile à piloter…

Malheureusement, les retards induits, que ce soit au niveau des radios ou des servos, ne sont jamais indiqués par les fabricants qui se limitent en général à la diffusion des meilleures valeurs en oubliant les autres. Ce ne sont pas nos magazines qui vont prendre le relais car ils ont bien trop peur de se faire taper sur les doigts par les annonceurs qui les font vivre. Il reste au modéliste à se fier aux informations glanées ça et là et à son instinct pas forcément infaillible.

La propagation radio

Figure 16 : propagation de l’onde radio

La figure 16 montre de façon simplifiée le lien entre un émetteur et un récepteur RC. Comme on peut le remarquer, même simplifiée, la relation est plus complexe qu’on pourrait le croire de prime abord.

D’abord, l’émetteur n’envoie pas une onde unique en direction du récepteur, mais deux :

• l’onde directe,
• l’onde réfléchie par le sol.

Ces deux ondes se combinent en formant des interférences. En particulier, lorsque le récepteur est proche du sol, l’onde réfléchie ─ en opposition de phase avec l’onde directe ─ affaiblit considérablement l’onde résultante ; si bien que la portée s’en trouve fortement diminuée. Les indications de portée des appareils données pour un récepteur à 1,5 m du sol ne sont donc pas comparables à ce qu’on obtient en l’air.

Ensuite, l’onde radio étant une onde électromagnétique, elle est polarisée. Dans le cas d’antennes filaires ont doit considérer deux composantes :

• la composante horizontale,
• la composante verticale.

L’antenne d’émission, selon son orientation, génère une composante horizontale qui peut être d’amplitude très différente de la composante verticale. De la même façon, selon son orientation, l’antenne de réception peut présenter une sensibilité très différente à la composante horizontale et verticale.

Le signal reçu peut par conséquent à l’extrême être nul ─ même à faible distance ─ si l’antenne d’émission est strictement verticale (pas de composante horizontale émise) et l’antenne de réception strictement horizontale (sensibilité nulle à l’onde verticale).

Enfin, le récepteur ne reçoit pas seulement l’onde radio qu’on lui destine, mais aussi des perturbations et du bruit « thermique ». Les perturbations sont négligeables quand tout va bien, mais peuvent devenir limitantes dans les zones industrielles, certaines zones urbaines ou sur des terrains encombrés de modélistes ou si on utilise du matériel mal antiparasité (voir plus loin). Le bruit thermique, aussi appelé bruit quantique, provient de l’agitation des atomes et est impossible à éliminer. Sa puissance Pb répond à l’équation 1 :

Pb = 4.k.T.Δf (1)

où k = 1.38 10^-23 unités SI est la constante de Bolzman (grandeur physique fondamentale), T la température absolue et Δf la bande passante du récepteur. En pratique, on ne peut guère agir que sur T en refroidissant fortement le récepteur, ce qu’on fait dans les satellites et les sondes spatiales, mais qu’on ne peut guère envisager en modélisme.

Il ne sert donc à rien d’augmenter la sensibilité du récepteur en amplifiant le signal reçu car on augmenterait d’autant le bruit. La seule solution est donc d’avoir dès l’antenne de réception un signal utile suffisamment grand devant le bruit ; c’est ce qu’on appelle le rapport signal sur bruit S/B. Ceci limite donc intrinsèquement la portée du système à la puissance d’émission et la performance des antennes. Il est par conséquent inutile d'augmenter outre mesure la sensibilité d'un récepteur car le bruit thermique rendrait cette augmentation de sensibilité inopérante.

Les grandeurs et leurs unités

L’objectif n’est pas ici de faire des mathématiques. On se contentera de préciser les unités utilisées traditionnellement dans les documentations des matériels radio. La grandeur la plus utilisée est la puissance transmise à l’émission, comme celle reçue à la réception. Elle s’exprime en W, mW, µW, nW ou pW. Comme les écarts peuvent être très grands on exprime bien souvent cette puissance sous forme logarithmique en utilisant les décibels (dB) dont la formule est donnée par l’équation 2 :

(2)

Les dB sont soit relatifs, soit absolus en prenant une puissance de référence fixe Pr. Les dBm sont des dB absolus relatifs à 1 mW.

Exemples : un émetteur qui rayonne 500 mW a une puissance d’émission de 10xlog(500/1) = 27 dBm.

Un récepteur qui a une sensibilité de -100 dBm peut se contenter d’une puissance P = 1mWx10^-100/10 = 0.1 pW (soit 2,2 µV sur 50 Ω) à l’antenne.

N. B. : ces valeurs sont typiques de nos systèmes de radiocommande en bande métrique.

Une valeur de puissance de 0 dB (relatif) correspond à la valeur nominale (de référence). Une valeur de -30 dB correspond à un millième de la valeur nominale.

La deuxième grandeur la plus utilisée est la sensibilité définie en microvolts. Cette valeur, souvent donnée pour les récepteurs, est malheureusement biaisée, car elle n’a de sens que si l’on précise le rapport signal sur bruit S/B correspondant ou le taux d’erreur dans le cas d’une transmission numérique. Elle ne permet donc pas de comparer précisément des récepteurs. De l’ordre de 2 µV ou moins le récepteur est « grande distance ». Au-dessus de cette valeur il s’agit en général d’un récepteur à gain limité pour l’indoor.

La réception

Figure 17 : diagramme polaire de sensibilité d’une antenne filaire horizontale

Pour comprendre le comportement d’une antenne de réception, le plus simple est d’établir son diagramme polaire. Celui de la figure 17 correspond à une antenne filaire horizontale de 70 cm de long, à 41,100 MHz, vue à 30° au-dessus du sol. La sensibilité est donnée pour les composantes horizontales et verticales en dB relatif (la sensibilité moyenne est donc ramenée arbitrairement à 0 dB).

On remarque que l’antenne est surtout sensible à la composante horizontale et que cette sensibilité est maximum lorsque l’angle est de 90° ou 270° (antenne vue de coté, donc modèle vu de profil). Pour cette direction, la sensibilité à l’onde verticale est nulle. On remarquera que dans cet exemple la sensibilité à la composante verticale est au mieux 7 dB au-dessous de la composante verticale, ce qui signifie que l’antenne est au moins 5 fois plus sensible à la composante horizontale.

Le plus important est les creux de sensibilité, directions pour lesquelles l’antenne est insensible à une composante ou une autre. Ces angles critiques sont 0°, 90°, 180° et 270°. Pour ces directions il y a danger de non réception car le signal devient trop faible.

L’émission

Figure 18 : diagramme polaire de rayonnement d’une antenne télescopique

inclinée à 45° vers le modèle, 1,15 m au-dessus d’un sol standard

L’analyse faite pour l’antenne de réception doit, bien entendu, aussi être faite pour l’antenne d’émission. Le cas est différent à cause de la réflexion par le sol (qui change selon le degré d’humidité du sol) et la présence du corps du pilote.

Observations obtenue par l’observation de la figure 18 :

· la composante verticale est dominante,

· l’onde est plus forte vers l’arrière que vers l’avant (direction du modèle) car à 41 MHz le corps humain n’agit pas comme réflecteur, étant trop petit devant la longueur d’onde.

Figure 19 : diagramme polaire de rayonnement dans le plan vertical

d’une antenne télescopique inclinée à 45° de la verticale vers le modèle

La figure 19 nous permet d’observer ce qui se passe lorsqu’on s’oriente strictement vers le modèle. On observe cette fois que :

· dans cette direction la composante horizontale privilégiée par l’antenne de réception est inexistante,

· la puissance d’émission est fortement atténuée si le récepteur est à moins de 10° au-dessus du sol,

· à 45° (direction de l’antenne) la puissance d’émission n’est pas du tout nulle contrairement à certaines croyances (à cause l’onde réfléchie par le sol),

· on émet plus vers l’arrière que vers l’avant !

L'atténuation due à la distance

La puissance reçue par l'antenne de réception est d'autant plus faible que le récepteur est éloigné de l'émetteur. L'atténuation résultante A qui est le rapport entre la puissance émise et la puissance reçue répond à l'équation 3 ci-après :

(3)

Dans cette équation c est la vitesse de la lumière (300 000 km/s), f la fréquence de l'émetteur en Hz et d la distance en mètres.

Une forme en dB plus commode est fournie en 4 :

A_db = 42,35 + 20.log(f) + 20.log(d) (4)

Cette fois ci la fréquence est donnée en MHz et la distance en kilomètres.

Par exemple :

Supposons qu'on ait un émetteur qui rayonne 500 mW (27 dBm) et que le gain vertical de l'antenne d'émission dans la direction considérée (20° au-dessus de l'horizon) soit de -5 dB comme dans la figure 4. Dans ce cas la P.I.R.E. (Puissance Isotropique Rayonnée Equivalente) dans la direction considérée sera de 27 – 5 = 22 dBm (voir plus haut "Les grandeurs et leurs unités"), ce qui correspond à une P.I.R.E. de 158 mW.

La P.A.R. (Puissance Apparente Rayonnée (comparativement à un dipôle qui a un gain intrinsèque de 1,76 dB )) qui correspond à la P.I.R.E. diminuée de 1,76 dB est limitée à 100 mW en France. Dans notre exemple la P.A.R. est de 105 mW, mais cette valeur est de toute façon mal connue, car fonction de l'antenne, de son orientation et de la qualité du sol…

Si notre émetteur fonctionne sur 41,1 MHz, l'atténuation en dB à 1 km sera d'après l'équation 4 :

A_dB = 42,35 + 20.Log(41,1) + 20.Log(1) = 74,6 dBm

Si l'antenne de réception à une sensibilité de -14 dB à l'onde verticale (voir figure 2 et une inclinaison de 20°), la puissance reçue au récepteur sera de :

P_dB = 22 – 74,6 – 14 = -66,6 dBm, ce qui est largement suffisant avec un récepteur d'une sensibilité typique de -100 dBm.

En fait, la portée maximale serait dans ce cas de :

20.Log(d) = 100 – 66,6 => d = 42,8 km, soit bien plus que nécessaire…

En fait, cette portée est illusoire, car il faut impérativement prendre en compte les cas les plus défavorables, c'est-à-dire lorsque les antennes ont l'orientation réciproque la plus mauvaise.

La portée réelle résultante

Les diagrammes polaires montrent que le couple "antenne d’émission ─ antenne de réception" est très mal appairé. En fait, ça ne fonctionne que grâce à la très forte puissance d’émission qui fait qu’il en reste toujours assez, même lorsqu’on est dans une zone à –20 dB pour l’antenne de réception comme d’émission. Il n’en reste pas moins vrai que pour des directions très précises il y a des décrochages que tous les modélistes ont connu à un moment ou un autre. Heureusement, ils restent brefs (en principe) car le modèle bouge vite par rapport à l’émetteur.

Ainsi, donner une portée précise n’a aucun sens. Dans une direction favorable, cela se compte en dizaines de km comme on vient de le voir, mais dans une direction particulièrement défavorable on peut descendre au-dessous de 10 m !

En particulier, à proximité du sol, il ne faut pas s’éloigner. L’essai préalable de portée au sol prôné par la FFAM prend tout son sens lorsqu’on regarde la figure 19. J’ai pu vérifier deux fois la pertinence de ce test :

· fil d’antenne de réception cassé à l’entrée du récepteur qui tenait uniquement par la gaine souple (portée limitée à environ 10 m),

· antenne télescopique qui faisait des faux contacts entre les segments et limitait ainsi sporadiquement la portée à quelques mètres. Changez les antennes qui présentent du jeu entre les segments et nettoyez les de temps à autre avec de la bombe à nettoyer les contacts électriques.

Les possibilités pour optimiser le fonctionnement sont limitées. Notons simplement l’antenne fouet verticale de réception qui permet une polarisation émission/réception compatible. On peut obtenir un peu la même chose en laissant traîner verticalement l’extrémité de l’antenne au bout du fuselage. Il ne faut surtout pas raccourcir l’antenne de réception ou la replier sur elle-même, ceci dégraderait significativement la portée.

En cas de perte de portée (forte distance), se mettre de profil ou incliner l’émetteur latéralement pour augmenter la composante horizontale pourra parfois sauver la mise. Se mettre de dos peut aussi être tenté, mais présente au moins un inconvénient évident !

Particularités de la transmission radio en bande ISM à 2,4 GHz

La transmission radio ne change pas selon qu’on est en bande métrique ou centimétrique. Mais certaines valeurs numériques changent de façon significative.

En vertu de l’équation 3, la tension reçue par un récepteur en 2,4 GHz est 60 fois plus faible que celle reçue par un récepteur en 41 MHz dans les mêmes conditions. La portée évolue don dans les mêmes proportions. Ce qui sauve la mise, c’est la généralisation de l’utilisation du mode hold et surtout l’utilisation de deux antennes (ou plus) de réception. En effet, à condition d’utiliser deux antennes placées perpendiculairement, lorsqu’une est mal orientée par rapport à l’émetteur, l’autre est forcément beaucoup mieux orientée (voir diagrammes polaires). Il suffit alors d’utiliser l’antenne qui donne le meilleur signal pour compenser la perte liée à la fréquence.

On pourra remarquer qu’utiliser deux antennes à la réception revient au même qu’utiliser deux antennes à l’émission. On ne comprend alors pas pourquoi dans ces conditions tous les fabricants sauf ACT on préféré alourdir et compliquer le récepteur plutôt que l’émetteur. Au demeurant, en bande centimétrique, il n’y a rarement un émetteur et un récepteur. On est sauf exception en présence de deux transceivers (émetteur + récepteur), car le fonctionnement du DSSS comme du FHSS est bien meilleur dans le cas d’une liaison bidirectionnelle, même si elle n’est pas absolument indispensable. C’est au demeurant la présence intrinsèque de ce lien descendant qui a incité les fabricants à proposer la télémétrie. Puisqu’on communique du mobile vers la station de base, autant y mettre des informations utiles pour le modéliste !

Les perturbations

Nos systèmes de radiocommande sont plus ou moins coûteux selon la sophistication du modèle choisi. Mais la caractéristique de commande, c’est-à-dire la chaîne qui va du manche de l’émetteur au palonnier du servo, est quasiment semblable du système à 100 € jusqu’à celui à 2000 €.

Par contre, tous les systèmes ne sont pas égaux devant le fléau majeur de nos systèmes RC : les perturbations. Qui n’a pas eu de sueur froide ou ramassé les miettes de son aéromodèle suite à des perturbations radio ? Les perturbations ont plusieurs origines et peuvent affecter divers éléments de la chaîne RC. Certaines sont inhérentes au matériel choisi, d’autres sont liées à la façon d’installer l’équipement. Enfin, on peut prévenir certaines de ces perturbations, mais pas d’autres. Tout cela fait l’objet du présent paragraphe.

Les perturbations HF

Les perturbations arrivant avec le signal radio aussi appelé HF peuvent être classées en trois groupes :

• le bruit thermique (voir équation 1),
• les émetteurs voisins,
• les produits d’intermodulation et de transmodulation.

Sensibilité et bruit de réception

Comme il a été montré au paragraphe précédant, il ne sert à rien d’augmenter exagérément la sensibilité d’un récepteur, car en amplifiant le signal on amplifie d’autant le bruit thermique comme les autres perturbations. C’est ce qui explique que les récepteurs « indoor » sont souvent beaucoup moins sensibles que leurs équivalents « outdoor », car si les premiers sont quasiment toujours soumis aux perturbations des émetteurs voisins augmentant le bruit, ce n’est pas forcément le cas en extérieur ; donc une forte sensibilité ne sert à rien en « indoor », surtout si la sélectivité du récepteur est limitée.

La sélectivité

Ce qui est donc essentiel dans un récepteur, c’est la sélectivité, c’est-à-dire la capacité à filtrer (donc éliminer) les signaux indésirables. C’est obtenu en ne laissant passer que la fréquence du signal utile, et en atténuant le plus fortement possible toutes les fréquences supérieures et inférieures. Évidemment, c’est inefficace contre une perturbation strictement à la même fréquence que le signal utile !

La sélectivité est obtenue en bande métrique par des filtres céramique ou à noyau plongeant. Seuls certains récepteurs « indoor » sont très défavorisés par l’absence de certains filtres pour gagner du poids. Malheureusement si un bon récepteur n’amplifie que le signal filtré, un récepteur médiocre amplifie aussi une partie du signal non filtré apporté par une liaison immatérielle (inductive ou capacitive). Des tests comparatifs sur des récepteurs peuvent être trouvés sur Internet, mais leur fiabilité n’est pas garantie.

Il reste toutefois un test simple réalisable au sein d’un club. Il faut pour cela placer deux émetteurs (si possible identiques) antenne verticale à environ 20 m de distance. L’un sera calé sur la fréquence du récepteur à tester avec manche de gaz en position ralenti et l’autre sur la fréquence juste voisine avec manche de gaz en position plein gaz. Il ne restera plus qu’à déplacer le récepteur à tester équipé du servo de gaz de l’émetteur calé sur la bonne fréquence vers l’émetteur parasite. Plus on pourra s’approcher du perturbateur sans frétillement de servo, meilleure sera la sélectivité.

Les émetteurs voisins

Comme le paragraphe précédant le suggère, si un récepteur capte son émetteur, il capte aussi de façon atténuée les autres émetteurs. Si votre modèle passe à 1 m d’un émetteur en étant à 10 m de vous, votre récepteur recevra le perturbateur avec une puissance 100 fois supérieure au signal utile. Il est donc important qu’un récepteur ne puisse jamais être beaucoup plus proche d’un perturbateur que de son propre émetteur, d’où l’intérêt grouper les pilotes pour limiter ce risque et de ne pas trop s’approcher d’une ligne à moyenne tension qui rayonne jusqu’à des fréquences de plusieurs Mégahertz.

Intermodulation et transmodulation

Si un récepteur peut être gêné par les autres émetteurs, il est tout aussi capable de fabriquer des perturbations lui-même par inter et transmodulation. Ce phénomène est décrit dans de nombreux ouvrages sur la radio comme dans la série d’articles de Françis Thobois [14] déjà cité plusieurs fois dans ce chapitre. Pour limiter ce problème il faut des amplificateurs très linéaires. On peut encore améliorer les choses par un double changement de fréquence (voir les articles de Francis Thobois). Les récepteurs métriques haut de gamme utilisent le double changement de fréquence et le décodage « intelligent » par microcontrôleur.

La sensibilité des récepteurs à l’intermodulation et la transmodulation peut être testée avec trois émetteurs sur un canal différent, selon une méthode voisine de celle décrite pour tester la sélectivité.

Les perturbations BF

Si l’antenne de réception récupère de nombreux signaux parasites, la batterie de réception, le cordon d’alimentation et les câbles de servo ne sont pas à l’abri, loin de là.

Perturbations par la batterie

La batterie de réception a une résistance interne non négligeable. La conséquence est une chute de tension de plusieurs dixièmes de volts à chaque fois qu’un servo consommateur de courant s’active. Moins visible, une tension alternative de quelques centièmes Volts apparaît aussi. Tout cela n’a aucun effet sur certains récepteurs, mais peut en perturber significativement d’autres qui ne se comporteront pas normalement avec des servos qui consomment beaucoup alors que la batterie d’alimentation a une résistance interne trop élevé. La encore on trouvera des résultats de tests sur Internet. A défaut d’avoir choisi un récepteur suffisamment résistant aux perturbations d’alimentation il faudra choisir une batterie de capacité suffisante, de faible résistance interne et en bon état.

On notera que le problème n’existe pas avec une motorisation électrique si on utilise le circuit BEC (Battery Eliminator Circuit) comme source de tension, à condition d’utiliser une ferrite placée sur le cordon de commande du contrôleur.

Perturbations par les câbles de servo

Les câbles de servo comme tous les fils (voir paragraphe suivant) se comportent comme des antennes. Dès qu’ils ont plus de quelques centimètres de long il sont susceptibles de perturber le décodeur du récepteur par les champs électriques et magnétiques qu’ils recueillent. La situation est d’autant plus délicate que la résistance de sortie du récepteur est élevée. Or dans les récepteurs ordinaires elle est de l’ordre de 200 Ω, ce qui est très élevé. Dans ce cas un tore de ferrite sur le câble de servo devient une nécessité dès qu’il est rallongé (ailes) ou qu’il y a deux servos sur la même voie. Les récepteurs qui comportent un microcontrôleur présentent en général une résistance de sortie beaucoup plus faible ; les problèmes sont alors moins à craindre.

L’idéal est de diminuer la résistance de sortie à l’aide d’un amplificateur de courant. Les dispositifs amplificateurs pour grands modèles sont monnaie courante, mais pour les petits modèles on n’en trouve qu’à l’étranger. C’est pourquoi un dispositif de ce type à fabriquer soi-même est présenté plus loin dans ce chapitre.

CEM (Compatibilité ElectroMagnétique)

Derrière ce terme abscons se cache l’obligation de tout système électronique de respecter deux règles générales :

• rayonner le moins de perturbations possible,
• être le moins possible sensible aux perturbations externes.

Les principes de base de la CEM sont évoqués ici. L’application des quelques règles simples permet de transformer un système RC récalcitrant avec quelques dizaines de mètres de portée en un système à grande portée ; en tout cas dans le cas de l’utilisation d’une propulsion électrique.

Le rayonnement électromagnétique

Pour bien comprendre les perturbations, il faut comprendre ce qu’est et d’où vient le rayonnement électromagnétique, source du fonctionnement de la radio, mais aussi des perturbations.

Le champ magnétique

Dès qu’on fait passer un courant dans un fil électrique on génère un champ magnétique proportionnel à ce courant qui ce propage à l’infini. Si le courant est alternatif, le champ magnétique l’est aussi, mais si dans ce cas à proximité immédiate du fil (champ proche) on n’observe qu’un champ magnétique seul, à quelque distance (champ lointain) on observe aussi un champ électrique associé. On parle alors de champ électromagnétique. C’est le principe de la radio. Tout fil électrique est donc un émetteur radio et les espions ne se gênent pas pour exploiter ce phénomène, comme les câbles des servos ne se gênent pas pour perturber les récepteurs.

On peut accentuer le champ magnétique B en enroulant en boucle n spires sur un cercle de surface S. Le champ répondra alors à l’équation 5 :

B = I.n.S.4π.10^-7 (5)

Le champ électrique

Dès qu’on applique une tension à un fil électrique on génère un champ électrique proportionnel à cette tension qui ce propage à l’infini. Si la tension est alternative, le champ électrique l’est aussi, mais si dans ce cas à proximité immédiate du fil (champ proche) on n’observe qu’un champ électrique seul, à quelque distance (champ lointain) on observe aussi un champ magnétique associé. On parle alors de champ électromagnétique. C’est le principe de la radio. Tout fil électrique est donc un émetteur radio et les espions ne se gênent pas…

En fait, dès qu’un champ magnétique ou électrique est alternatif, l’un induit l’autre et réciproquement. C’est pour cette raison qu’on parle de champ électromagnétique : l’onde radio. C’est bien quand c’est voulu, beaucoup moins bien dans le cas contraire car le phénomène est en plus réciproque. Donc tout fil électrique parcouru par une tension ou un courant variable génère une onde radio et tout fil électrique fournit une tension et un courant proportionnels à l’amplitude de l’onde radio dans laquelle il est baigné. C’est aussi le principe du transformateur.

La limitation du rayonnement

Pour obtenir la CEM il faut limiter tous les rayonnements électromagnétiques indésirables.

La source principale vient du moteur électrique de propulsion. Elle remplace les vibrations mécaniques destructrices du servo de gaz dans le cas de la propulsion à moteur à explosion.

Le rayonnement du moteur est principalement magnétique et émane beaucoup des fils d’alimentation s’ils sont mal disposés. Les fils d’alimentation peuvent être considérés comme une spire de bobine. Le rayonnement est dans ce cas comme le montre l’équation 5 proportionnel à la surface de la spire et au courant. Il faut donc absolument resserrer sur eux même le plus possible les fils d’alimentation et limiter leur longueur comme le montre la photo 51. Dans le cas d’un moteur brushless, l’idéal est de tresser les fils.

Photo 51 : limitation du rayonnement électromagnétique

La photo 51 montre aussi deux autres dispositions importantes :

• mise en place d’une ferrite sur le cordon de commande du contrôleur,
• partie radio écartée le plus possible de la partie puissance.

D’une façon générale, un nouvel aéromodèle électrique devra être testé en portée (antenne d’émission rentrée et modèle au sol) d’abord sans, puis après avec moteur en route. Une perte de portée significative après le démarrage du moteur sera la preuve que les précautions qui viennent d’être évoquées n’ont pas été respectées de façon adéquate.

La limitation de la susceptibilité au rayonnement électromagnétique

Les perturbations atteignent le récepteur et les servos via leurs cordons. Dès que les cordons sont un peu longs, les troubles (frétillements) sont fréquents et la solution classique consiste à mettre des tores de ferrite (voir photo 51) sur les cordons des servos. Une autre disposition moins souvent utilisée et pourtant très efficace est l’utilisation de cordons torsadés comme sur la photo 51 (sur cette photo le torsadage est toutefois sans intérêt majeur vu la faible longueur des fils). Cette méthode est très efficace, à tel point qu’elle est utilisée sur tous les câbles téléphoniques qui d’ailleurs sont appelés « paire torsadée » dans le jargon des professionnels de la téléphonie. L’efficacité vient du fait qu’en torsadant, un champ perturbateur sur une demi spire voit son effet annulé sur la demi-spire suivante car le champ perturbateur est alors appliqué en sens inverse.

Les servos souffrent aussi du fait que la résistance de sortie des récepteurs (typiquement 200 Ω) est très forte et les rend très sensibles aux perturbations. De plus, lorsque deux servos sont branchés sur la même sortie (typiquement ailerons), si les servos ont une résistance d’entrée trop faible sur leur broche de commande, le dysfonctionnement est assuré.

Une solution souvent bien plus efficace que le tore de ferrite est l’amplificateur d’impulsion (photo 52). Cette solution est toujours utilisée sur les grands modèles qui ne peuvent pas s’en passer. Il existe pour ce cas des boîtiers capables d’amplifier et de contrôler toutes les voies, mais ils sont malheureusement trop encombrants et chers pour les modèles classiques. Il faut alors utiliser des amplificateurs individuels (photo 52). Malheureusement, si on en trouve facilement à l’étranger, ils sont à peu près introuvables en France ; il faut alors les fabriquer soi-même de façon artisanale (voir plus loin dans ce chapitre).

L’adaptation des antennes

Puissance d’émission

L’émetteur de toute radiocommande dispose d’un « transistor de puissance » dans ce qu’on appelle « l’étage de sortie » de l’émetteur afin de fournir la puissance électrique à l’antenne qui va la transformer en onde radio.

La puissance électrique P fournie par un accumulateur est le produit du courant I débité par la tension U de l’accumulateur, soit P = U.I.

Dans le cas de l’émetteur les choses sont un peu différentes car la tension n’est pas constante (continue), mais sinusoïdale à la fréquence d’émission (41,050 MHz par exemple). Le courant est sinusoïdal lui aussi, mais déphasé d’un angle φ compris entre 0 et 360°. La puissance est exprimée dans ce cas par la formule P = U.I.cos(φ). Lorsque φ = 0, on est dans le cas idéal et on retrouve la formule P = U.I valable en courant continu.

En courant continu, la puissance que peut fournir un générateur (un accumulateur par exemple) est limitée par sa résistance interne Rg (valeur de quelques dizaines de mΩ que l’on mesure fréquemment sur nos accumulateurs de propulsion pour connaître leur état). D’un point de vue théorique, le maximum de puissance est transmis lorsque la résistance interne Rr du récepteur est égale à celle du générateur, c'est-à-dire : Rg = Rr ; on dit alors que le générateur (étage de sortie de l’émetteur) et le récepteur (antenne) sont adaptés. Dans le cas de l’accumulateur de propulsion on ne cherche pas ce maximum qui ne présente pas d’intérêt (le courant serait tel que l’accumulateur serait endommagé…), mais dans le cas de l’étage de sortie de l’émetteur on cherche à se placer dans ce cas. La puissance de sortie est alors donnée par la formule P = U²/4.Rr ; Rr étant la résistance d’entrée équivalente de l’antenne. Si la résistance de l’antenne est trop faible, la tension chute et on perd de la puissance, si la résistance de l’antenne est trop forte le courant chute et on perd aussi de la puissance ; on perd donc dans les deux cas.

Pour que le maximum de puissance soit transmis à une antenne il faut donc deux conditions :

· résistance d’antenne égale à celle de l’étage de sortie de l’émetteur,

· pas de déphasage entre courant et tension.

Évidemment, les fabricants de radiocommandes font en sorte que l’on soit dans le cas optimal, quand l’antenne télescopique est entièrement sortie. Si tel n’est pas le cas, non seulement la résistance d’entrée équivalente de l’antenne change rapidement, mais un déphasage entre tension et courant apparaît simultanément accentuant la perte de puissance. Ainsi, raccourcir une antenne télescopique de 25 % seulement diminue considérablement la puissance d’émission. On devra donc toujours vérifier que l’antenne est entièrement sortie, même en indoor.

D’un point de vue réglementation, les US via la FCC limitent la puissance que l’étage de sortie de l’émetteur a le droit de fournir à 500 mW, tandis que les organismes de régulation européens limitent à 100 mW la P.A.R. (Puissance Apparente Rayonnée par l’antenne). Les deux valeurs sont comparables (voir la méthode de calcul plus haut), mais sont très différentes d’un point de vue conceptuel. En effet de notre côté de l’atlantique on s’intéresse à ce qui sort de l’antenne, alors que de l’autre coté on s’intéresse à ce que fournit potentiellement l’électronique. La vision européenne parait plus logique, mais il faut savoir que la puissance rayonnée est très difficile à mesurer et contrôler (elle dépend entre autre de la conductivité du sol au niveau de l’émetteur) alors qu’il est facile connaître la puissance potentiellement fournie par un amplificateur à transistor en utilisant un oscilloscope.

Puissance rayonnée par une antenne

Si une antenne est parfaitement adaptée, elle prend la puissance fournie et la rayonne. Si elle est mal adaptée, elle en réfléchit une partie vers l’étage de sortie de l’émetteur et n’en rayonne qu’une partie. Mais même si l’antenne est parfaitement adaptée, son efficacité dépend de sa forme et son orientation.

On raisonne en général à partir d’une antenne dite isotrope, c'est-à-dire qui rayonne la même puissance dans toutes les directions. On peut alors facilement savoir quelle est la puissance rayonnée dans une direction donnée. Toutefois, cette antenne est théorique et n’existe pas dans la réalité ; elle ne sert que de base pour les calculs.

Une antenne constituée de deux brins alignés ayant comme longueur totale la moitié de la longueur de l’onde émise (3,61 m de longueur à 41 MHz) s’appelle dipôle, elle sert de référence dans le cas de la norme européenne. Cette antenne ne rayonne rien dans la direction des brins. Comme elle rayonne tout ce quelle reçoit (lorsqu’elle est bien adaptée), elle rayonne donc plus qu’une antenne isotrope dans la direction d’émission maximale (direction perpendiculaire aux brins), précisément 1,5 fois plus. Ce type d’antenne est appelé antenne directive. Elle fonctionne mieux qu’une antenne isotrope si elle est bien orientée, mais moins bien dans le cas contraire.

On utilise des antennes peu directives en modélisme car on ne sait pas les orienter correctement. Dans le cas de la télévision on utilise au contraire des antennes râteau très directives qui bien orientées peuvent être cent fois plus sensibles que des antennes isotropes. Dans le cas des antennes pour satellites ont utilise des paraboles encore plus directives et donc sensibles, mais seulement si elles sont parfaitement orientées !

L’antenne télescopique de nos émetteurs rayonne tout ce qu’elle reçoit (lorsqu’elle est bien adaptée), mais plutôt vers l’arrière…Dans la direction du modèle elle rayonne typiquement trois fois moins que l’antenne isotrope ! Par conséquent une telle antenne aura une P.A.R. égale à la puissance de l’étage de sortie divisée par 3 et 1,5, c'est-à-dire de 100 mW pour une puissance électrique de 450 mW. Quelques modélistes conscients de la situation utilisent un renvoi d’angle pour avoir une antenne orientée vers l’arrière (elle passe alors au-dessus d’une des deux épaules) ; ils gagnent alors beaucoup en puissance pour le récepteur, mais ne sont plus conformes à la réglementation européenne.

Les antennes courtes, contrairement à certaines idées reçues fonctionnent aussi bien que les antennes longues à partir du moment où elles sont adaptées à l’émetteur. Elles ne rayonnent pas moins que les antennes longues (si elles sont adaptées) et rayonnent mieux en position verticale vers l’avant que les antennes télescopiques inclinées à 45° vers l’avant.

Le signal reçu

Les antennes d’émission fonctionnent comme les antennes de réception. Le problème d’adaptation et d’orientation se pose donc coté réception exactement de la même manière que du coté émission. Il ne faudra donc sous aucun prétexte changer la longueur d’une antenne de réception. Il ne faudra pas non plus enrouler une partie sur elle-même, ce qui fait autant de dégâts qu’un raccourcissement.

Le problème principal entre émetteur est récepteur est que l’antenne d’émission est orientée plutôt verticalement alors que celle de réception est orientée essentiellement horizontalement. Il résulte couramment une division par 100 du signal reçu du fait de la mauvaise orientation réciproque. Dans les cas difficiles, l’utilisation d’une antenne fouet (verticale) est donc recommandée.

Cas du 2,4 GHz

Dans le cas du 2,4 GHz c’est la P.I.R.E. (Puissance Isotropique Rayonnée Equivalente) qui est limitée. La limite est de 100 mW dans le monde entier, sauf en France ou la partie haute de la bande (2,454 à 2,480 GHz) est limitée à 10 mW en extérieur ; partie de bande rendue de ce fait inadaptée à l’aéromodélisme.

Du fait des lois physiques de rayonnement, la puissance reçue au récepteur est inversement proportionnelle au carré de la distance, mais aussi de la fréquence (équation 3). A puissance d’émission et distance donnée, la puissance reçue à 2,4 GHz est 3500 fois plus faible que le signal d’un émetteur équivalent à 41 MHz ! C’était déjà il y a quelques décennies l’argument pour bouder le 72 MHz…

Cette situation, très mauvaise, ne peut être compensée que par l’utilisation de deux antennes orthogonales dont on utilise la mieux orientée (voir plus haut).

Les risques des micro-ondes

Les dangers de la radioactivité étaient largement sous-estimés avant les années 1940 et les premiers morts indiscutablement liés à la radioactivité. Les dangers des micro-ondes ont aussi été largement sous-estimés au début de l’utilisation des radars. "Chien échaudé craint l’eau froide", aussi la population est maintenant beaucoup plus méfiante face à la généralisation des dispositifs à micro-ondes (satellites, téléphonie mobile, GPS, WIFI, radiocommandes…). Ceci contribue à développer dans le milieu modéliste une polémique quant aux risques de l’utilisation de radios à 2,4 GHz. Un point très rapide est présenté ici.

Micro-ondes et résonance moléculaire

La matière et donc notre corps sont constitués de molécules, elles mêmes constituées d’atomes. Ces atomes ont chacun une masse spécifique fonction de leur nature et sont liés les uns aux autres par des forces attractives de nature élastique. Tout se passe donc comme si la matière était constituée de petites billes liées par des ressorts. La conséquence immédiate est que la matière a tendance à vibrer. La mécanique quantique nous apprend qu’on peut exciter une liaison atomique en la bombardant avec des photons ayant une énergie correspondant à la fréquence de résonance de la liaison.

L’eau est constituée, comme tout le monde le sait, d’hydrogène et d’oxygène ; donc de liaisons atomiques O-H. Comme un pendule, ces liaisons, puisqu’elles sont élastiques, ont une fréquence de résonance. En l’occurrence cette fréquence est de 2,45 GHz…Ceci signifie qu’en excitant de l’eau avec des photons aux environs de 2,45 GHz on peut mettre les liaisons O-H en résonance et donc faire chauffer les molécules d’eau. C’est strictement le principe du four à micro-ondes qui chauffe les aliments en excitant les liaisons O-H de l’eau contenue grâce à une onde électromagnétique (équivalente à des photons) à 2,45 GHz provenant d’un magnétron [19].

Par conséquent, on peut exciter des molécules en les bombardant avec des rayonnements correspondant aux fréquences de résonance de leurs liaisons.

Donc,

· les téléphones portables,

· les téléphones sans fils,

· les systèmes Wifi et Bluetooth,

· nos radiocommandes en 2,4 GHz,

excitent des liaisons atomiques bien spécifiques en fonction de leur fréquence de fonctionnement.

Mais il est aussi possible d’exciter des liaisons atomiques en utilisant des fréquences autres que leur fréquence de résonance grâce à l’effet Râman [20]. La spectroscopie utilisant cet effet a, entre autre, permis de trouver la structure moléculaire de nombreux corps complexes (mémoire de DEA de l’auteur).

L’effet des rayonnements électromagnétiques

On distingue les rayonnements ionisants des autres. Les rayonnements ionisants sont ceux capables d’arracher des électrons à des atomes neutres, ce qui est une preuve de leur capacité à modifier la matière. Les rayonnements ionisants sont les rayons α (molécules d’hydrogène), les rayons β (électrons à haute énergie) et les rayons X et γ (photons à très haute énergie) en provenance principalement des corps radioactifs. Ils sont capables d’endommager des cellules, qui si elles ne sont pas alors détruites par le système immunitaire, vont à terme en se multipliant induire un cancer.

Les micro-ondes ne sont pas ionisantes car leur énergie est trop faible. On les craint donc a priori beaucoup moins. Quoi qu’il en soit, leur énergie, lorsqu’elle est absorbée se dégrade en chaleur. Les téléphones portables et autres générateurs font donc chauffer ce qui est à leur proximité immédiate (but affirmé des fours à micro-ondes). On reproche en particulier aux téléphones portables de faire chauffer localement le cerveau des utilisateurs à proximité de l’oreille face à l’écouteur. Cet échauffement est bien connu, reconnu et mesurable, mais sans nocivité immédiate observée.

Néanmoins, même si les micro-ondes ne sont pas ionisantes à grande échelle, elles augmentent indiscutablement l’agitation des atomes constituant les molécules. Il n’est donc pas du tout exclu qu’elles puissent casser de temps à autre une liaison atomique fragilisée par ailleurs ; ce qui leur permettrait d’engendrer la réaction en chaîne déjà observée sur les cellules animales avec les rayonnements ionisants.

La controverse scientifique

De nombreuses études ont été menées ou soi-disant été menées (il faut rester prudent en la matière concernant ce qu’on retrouve dans les médias, en particulier internet) depuis de nombreuses années.

L’étude bien connue la plus ancienne date d’environ une décennie et je n’ai malheureusement pas pu en retrouver la trace. Elle concernait la mise en place de téléphones portables allumés placés sur des œufs de poule fécondés placés en couveuse. Les œufs sont morts alors que des œufs témoins placés plus loin dans la même couveuse ont éclos normalement. L’effet ayant généré la mort des œufs est probablement la chaleur (chaque téléphone rayonnait plusieurs Watts) car ils sont très sensibles à la température. Cette étude n’est pas significative car il manque trop d’informations. Si l’effet nuisible est l’effet thermique, ont aurait peut être sauvé les œufs irradiés en baissant un peu la température de la couveuse ; et c’est alors les œufs témoins qui seraient morts de froid…

Des études statistiques beaucoup plus récentes et inquiétantes ont été faites. L’étude de Lennart Hardell [21] de l’Université d’Orebro (Suède) a montré une forte augmentation de la probabilité de souffrir d’un cancer du cerveau chez les utilisateurs intensifs des radiotéléphones dans les années 80 et 90. L’étude a montré une forte corrélation entre l’augmentation du risque cancéreux et le taux d’utilisation des dits téléphones. Bien que ces appareils fonctionnaient à fréquence plus faible et une puissance nettement plus forte (de l’ordre de 10 W), une comparaison avec nos téléphones portables d’aujourd’hui est faisable. Une autre étude du même laboratoire [22] a montré que les enfants étaient encore beaucoup plus exposés que les adultes.

Par ailleurs, il semble que les fours à micro-ondes soient interdits maintenant en Russie à cause de résultats d’études statistiques inquiétantes. Je n’ai malheureusement pas pu trouver de source d’information réellement fiable sur le sujet, ni eu l’occasion de me rendre récemment dans le pays pour constater l’interdiction de visu.

Conduite à tenir

Si risque il y a, il est clairement lié à la puissance du rayonnement, sa proximité et la durée d’exposition. Nos radiocommandes sont ─ dans ce contexte ─ relativement peu dangereuses, car elles utilisent une puissance d’émission limitée de 100 mW et son utilisées loin du cerveau. A contrario, la puissance d’émission d’un téléphone portable, variable, peut atteindre 2 W. Un routeur Wifi peut atteindre 500 mW et les pertes d’un four à micro-ondes peuvent être du même ordre de grandeur (heureusement elles sont réglementées et mesurables [23])

Le premier constat est que le matériel le plus dangereux est le plus puissant, le plus proche et le plus souvent utilisé. Il ne sert donc à rien de renoncer aux radiocommandes 2,4 GHz si on utilise un téléphone portable deux heures par jours contre son oreille.

Le risque du four à micro-ondes peut être minimisé si on ne reste pas à proximité lorsqu’il est en marche et qu’on achète un appareil homologué (dont les pertes sont sous un seuil règlementaire). Le risque du téléphone portable reste le plus aigu, car ces appareils émettent même lorsqu’on ne téléphone pas par ce qu’ils cherchent de nouvelles stations de base dès qu’on se déplace. Comme déjà écrit, il ne sert donc à rien de renoncer au 2,4 GHz en radiocommande si on ne renonce pas simultanément au téléphone portable.

Le Wifi mérite une mention particulière car de nombreuses personnes ignorent que d’innombrables entreprises, administrations et lieux publics en sont inondés sans que ce soit affiché. Les émetteurs Wifi des ordinateurs portables récents peuvent en général être stoppés, mais ce n’est souvent pas le cas sur les microordinateurs plus anciens ; or ces éléments cherchent toujours infatigablement un réseau, même s’il n’y en a aucun à plus de 10 lieues à la ronde.

De plus, la majorité des foyers disposent aujourd’hui d’internet, et donc de l’ADSL. Or la majorité des modems ADSL récents incorporent un routeur Wifi…

Perturbation des signaux des servos et suppression

Il a été montré dans les paragraphes précédents que les signaux d’un servo peuvent être perturbés, et il a été écrit qu’un amplificateur pouvait 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 55) 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 52).

Photo 52 : amplificateur de construction amateur pour deux servos (masse 4,4 g)

Schéma électronique de l'amplificateur

Le schéma électronique (figure 20) 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).

Figure 20 : 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 53 montre le montage vu de dessus, tandis que la photo 54 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.

Photo 53 : amplificateur vu de dessus

Photo 54 : 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 [24], 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 55). Les principaux fournisseurs de ces matériels sont ACT, Graupner avec WEATRONIC, EMCOTEC et Robbe/FUTABA.

Photo 55 : 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. 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. Vivement que nos fabricants découvrent les correcteurs numériques ! Combien de décennies leur faudra t’il ? Oseront ils alors nous affirmer dans leur publicité qu’ils nous font profiter d’une nouvelle invention révolutionnaire ?

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 normale consiste à remplacer 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 [25] 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 (voir au chapitre introduction), 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 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 [26] distribué par les magasins de modélisme allemands et autrichiens, et l’américain EAGLE TREE [27].

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 [28] 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. 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.

Règlementation, bandes de fréquence

Tout le monde sait que la France est un petit pays qui compte moins de 1% de la population mondiale mais ne fait jamais rien comme les autres.

Dans le domaine métrique, la France est le seul pays au monde à utiliser la bande 41 MHz, mais autorise aussi depuis peu quelques canaux en 35 MHz et 40 MHz (bandes utilisées dans le reste de l’Europe). En contrepartie on nous enlève quelques canaux en 41 MHz à partir du 31/12/2020, ce qui oblige à se mettre dans l’illégalité ou de jeter quelques quartz à la poubelle.

Dans le domaine centimétrique, la bande 2,4 GHz va de 2400 MHz à 2483,5 MHz dans le monde entier, sauf en France, sans raison compréhensible. En France (mais seulement en dehors des habitations) la bande est limitée à la plage 2400 MHz à 2453 MHz à la pleine puissance de 100 mW indispensable à notre hobby. Comme il y a une certaine confusion sur les fréquences autorisées, il faut faire très attention. Certains appareils ont un réglage "France/rest of world", d'autres sont strictement pour le marché français, d'autres encore utilisent la bande internationale et ne respectent pas la réglementation française. A vous de prendre vos précautions et responsabilités lors de l'achat et la mise en route de votre radiocommande.

Fiabilité et entretien

Les radios actuelles sont assez fiables. Toutefois, comme tout matériel électronique, elles vieillissent mal à cause des différences de coefficient de dilatation des divers matériaux constituant qui finissent par provoquer la rupture des soudures des composants ; phénomène qui s’est accentué avec l’abandon récent de l’utilisation du plomb dans les alliages de soudure. De plus, l’humidité les fait vieillir prématurément par oxydation des contacts électriques et des résistances des potentiomètres.

Une bonne disposition est de nettoyer tous les contacts électriques accessibles à chaque début de saison et surtout d’éviter de stocker le matériel (émetteur comme modèles) l’hiver dans un endroit non chauffé (cave, garage ou grenier) intrinsèquement humide en hiver.

Les batteries sont un cas à part. Elles vieillissent très vite. Les NiCd peuvent parfois durer dix ans, mais il vaut mieux les changer tous les 5 ans. Les NiMh sont moins durables et un remplacement tous les cinq ans est aussi recommandé. Quant aux LiPo, leur durée de vie ne dépasse le plus souvent guère deux ans (bien qu’une durée de vie de 5 ans ait déjà été observée). Le mieux est de les remplacer tous les deux ans au moins. Si le matériel concerné a une grande valeur (maquette, grand modèle), un remplacement annuel peut être judicieux.

Responsabilité, sécurité des personnes

Les radiocommandes utilisent un moyen de communication intrinsèquement non fiable. Les pilotes, même chevronnés, ne sont pas fiables 100 % du temps non plus. Il en résulte un risque pour les modèles bien connu de tous, ainsi qu’un risque pour les personnes, moins bien appréhendé mais beaucoup plus préoccupant car il y a déjà eu (très rarement il est vrai) des accidents mortels. Etant responsable civilement et ne pouvant s’abstraire de l’impondérable, tout modéliste a donc, en plus de l’obligation d’être prudent, l’obligation d’être assuré pour le cas où la prudence n’aurait pas suffi.

Ce rappel est justifié par le fait que certains modélistes ignorent que la majorité des assurances civiles (et donc probablement la leur) excluent les risques liés au modélisme, ce qui rend indispensable l’adhésion à la FFAM pour être couvert, à moins d’adhérer à une autre assurance spécifique couvrant les risques liés au modélisme.

Références

1. Fréquences autorisées en France pour la radiocommande (FFAM)

2. Fabricant de matériel de modélisme allemand Multiplex (site en allemand)

3. Fabricant de radiocommandes coréen Hitec (section USA)

4. Fabricant japonais de radiocommandes JR PROPO

5. Graupner : distributeur allemand de matériel de modélisme dont les systèmes radio IFS et WEATRONIC

6. XPS : fournisseur d’éléments HF centimétriques pour Graupner

7. Fabricant de radiocommandes 2,4 GHz SPEKTRUM

8. Fabricant d’automatismes industriels et radiocommandes japonais FUTABA ,

9. Fabricant de radiocommandes japonais SANWA (Airtronics aux US)

10. Fabricant de radiocommandes chinois WFLY chinois distribué par JAMARA

11. Fabricant de modules de radiocommandes allemand ACT

12. Hobby King : distributeur de radiocommandes et modules chinois à tarifs « hard discount » dont ASSAN

13. JETI : fabricant tchèque d’accessoires de modélisme dont des modules 2,4 GHz

14. Site internet de Francis Thobois : Faire sa radiocommande soi-même

15. Article Wikipédia sur les engrenages

16. Base de données de servos « Advanced servo search »

17. Biographie de Edwin Howard Armstrong inventeur du récepteur superhétérodyne et de la radio FM

18. Article « High efficiency modulation scheme for mobile radio and satellite systems: the case of 3PSK »

19. Magnétron (Wikipédia)

20. Effet Râman (Wikipédia)

21. Nocivité des radio-téléphones (The Independant)

22. Nocivité des téléphones portables chez les enfants (The Independant)

23. Mesureur de rayonnements micro-ondes

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

25. Stabilisateur trois axes pour hélicoptère MicroBeast

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

27. Fabricant américain de système de télémesure autonome EAGLE TREE

28. Système de télémesure allemand temps-réel Picolario