Do it Yourself : construire son drone - Partie 1

Bien que le législateur ait commencé à se pencher sur l’utilisation des drones de loisirs (ou UAV pour Unmanned Aerial Vehicle), il est parfois difficile pour les profanes comme pour les amateurs de se faire une idée sur ce qui se cache exactement derrière le mot “drone”. Il existe une communauté grandissante en France autour du drone et beaucoup de passionnés de modélisme se tournent également vers cet engin. Parmi les disciplines qui se pratiquent avec un drone, la course de drone (FPV Racing) connaît un fort essor : elle consiste à mettre au défi des pilotes de petits drones légers munis d’une caméra. Le pilote dirige son drone à l’aide de lunettes qui retransmettent l’image de la caméra (First Person View). La prise de vue est l’autre discipline majeure chez les pilotes de loisirs. Dans ce cas, la stabilité du drone prime sur sa vitesse et l’on a souvent à faire à des drones de tailles beaucoup plus importantes.

Il existe de nombreuses autres applications à l’utilisation des drones dans le monde professionnel mais je ne m’attarderai pas sur ce point ici.   Mon objectif aujourd’hui est de vous faire partager les différentes étapes dans la fabrication d’un drone et vous aider, grâce à mon expérience, à vous éviter quelques écueils auxquels j’ai été confronté. Étant développeur de métier, passionné par tout ce qui vole et un peu débrouillard en électronique, il ma semblé naturel de me lancer dans la fabrication d’un drone! On voit un peut partout les mentions Do It Yourself alors pourquoi ne pas le faire ?

Quel usage pour ce drone?

Avant de se lancer dans la fabrication d’un de ces engins volants, il faut bien identifier l’usage que l’on va en faire car cette finalité va conditionner toute la suite du processus. Pour ma part, j’ai eu envie de réaliser un drone sur lequel j’allais pouvoir installer une caméra de type GoPro afin de pouvoir réaliser des prises de vue aériennes. Dans un premier temps, je me contenterai de le diriger par le biais d’une radio-commande, ou via un logiciel dans lequel je peux lui donner des points GPS à suivre et le laisser en autonomie. Mais mon objectif final est de pouvoir le rendre plus autonome en lui permettant de faire des prises de vue en me suivant grâce à une balise GPS que je porterai sur moi.  

Avec ces objectifs en tête, je sais maintenant que je vais devoir réaliser un drone capable de soulever un certain poids et qui soit relativement stable. Après avoir parcouru les différents forums et sites spécialisés, j’ai relevé qu’il existe un grand nombre de drone différents : avion, quadcopter, hexacopter, octocopter,... Après avoir comparé ces différents modèles, j’en suis venu à la conclusion qu’un quadcopter remplira les critères que je me suis fixé. En effet, un quadcopter (engin à quatre hélices) permet de faire du vol relativement stationnaire, d’avoir une stabilité correcte et surtout -ce paramètre n’est pas négligeable- il devrait rentrer dans mon budget. J’insiste sur ce point car faire moi-même un drone me permet d’étaler les dépenses et de pouvoir gérer un budget serré.
 

Le matériel :

Je résume pour vous le matériel qui m’est nécessaire pour réaliser un drone de type quadcopter :

• 1 Châssis (Frame)
• 4 Moteurs brushless
• 4 Hélices (2 sens horaire + 2 sens anti-horaire)
• 4 Contrôleurs de vitesse (ESC)
• 1 Contrôleur de vol
• 1 Module GPS
• 1 Récepteur RC
• 1 Batterie Lipo
• 1 Radio-commande  

Budget minimum estimé : entre 600 et 800 euros, auquel s’ajoute le matériel nécessaire pour la programmation :

• 1 Module de télémétrie ( environ 80 euros)
• 1 Raspberry Pi (facultatif)  

Et enfin, le matériel pour la prise de vue : 1 Nacelle (Gimbal) (environ 80 euros) 1 Caméra type GoPro
 

Un chassis : et si on jouait au “Tarot”?

Le châssis de mon futur quadcopter devait répondre à deux exigences : avoir des pieds suffisamment long pour pouvoir installer une nacelle sur laquelle je fixerai une caméra et être léger pour ne pas handicaper le drone en terme d’autonomie, car il est évident que plus un drone est lourd, moins il est autonome. Il s’agit donc de trouver le juste milieu en espérant faire le bon choix. Dans mon cas, j’ai décidé d’acheter un châssis de la marque Tarot : le modèle FY650 IRON MAN 650 Quad-Copter. C’est un châssis en carbone équipé d’un rail sur lequel on peut monter facilement une nacelle. Il peut accueillir quatre moteurs et a la forme d’un X. Cette forme est très commune pour les drones à quatre hélices. L'inconvénient de ce châssis est que le manuel de montage est très succinct et donc pas évident au premier abord. Heureusement, il existe sur Internet de nombreuses vidéos de tutoriels qui expliquent les différentes étapes de montage de ce châssis. Prévoyez d’investir dans des clés « allen » avec des diamètres très petits si vous n’en avez pas déjà.

Pour ce modèle Tarot, il m’a fallu des clés de 1,5 mm et 2 mm et quelques acrobaties pour pouvoir atteindre certaine vis, et bien sur l’indispensable smartphone en mode “niveau” pour que tout ce montage soit d’aplomb !

Quatre moteurs pour un décollage

Le choix des moteurs ne peut être dissocié du choix des hélices car c’est l’association de ces deux éléments qui va faire que votre drone va décoller ou pas ! Pour faire simple, si votre hélice est trop grande et que votre moteur n’a pas assez de couple alors vous risquez de griller votre moteur car l’effort à fournir par celui-ci sera trop important. A l’inverse un moteur avec beaucoup de couple et une petite hélice sera inefficace et dans ce cas votre drone restera sur le plancher des vaches, faute de générer suffisamment de portance. Partant de ce principe, quel choix doit-on faire ? Là encore, le choix dépend de l’utilisation que vous voulez faire de votre drone : si vous avez besoin qu’il soit rapide et très réactif, voire si vous souhaitez faire de l’acrobatie, alors dans ce cas il faudra choisir des moteurs ayant une vitesse de rotation très importante et de petites hélices. Dans le cas où la stabilité est primordiale, alors on s’orientera vers des moteurs à fort couple mais avec une faible vitesse de rotation sur lesquels on montera des hélices de grande taille. Pour ma part c’est vers cette deuxième solution que je me suis tourné.

 

Le moteur est défini par plusieurs caractéristiques :

• le KV, le voltage qu’il peut supporter et le nombre d’ampères qu’il va consommer au maximum de sa charge. Le KV est ce qui nous intéresse dans un premier temps : c’est le nombre de tour par minute par Volt. Un moteur avec un KV très élevé va entrer dans la catégorie des moteurs à très grande vitesse mais à faible couple, alors qu’un moteur avec KV faible entrera dans la catégorie inverse. Si je prends l’exemple du moteur que j’ai choisi : un T-Motor avec un KV de 380 alimenté par une batterie qui fournira environ 14,8 V, mon moteur tournera ainsi à 14,8 * 380 = 5 624 tours/min. Ce nombre peut paraître élevé, mais sachez que pour les drones utilisés pour les courses de FPV par exemple, les moteurs ont des vitesses de rotations supérieures à 13 000 tours/min.
• Un autre élément à prendre en compte est le nombre d’ampère que le moteur va consommer à pleine charge, car cette valeur va nous servir à choisir l’ESC (Electronic Speed Control). Cet élément qui, lié au moteur devra pouvoir supporter la charge maximale demandée par le moteur (nous reviendrons sur ce point en détail dans une autre partie).
• Enfin, le Voltage que le moteur peut supporter est en général une fourchette exprimée en nombre de S, 1 S étant équivalent à 3,7V. Dans le cas du moteur que j’ai choisi, son fonctionnement doit se faire avec des batteries de type 4S ou 6S (nous détaillerons ce point dans la partie consacrée à la batterie). Les moteurs sont en général livrés avec la visserie nécessaire pour le fixé au châssis, mais il m’a fallu adapter la longueur des câbles pour que le montage moteur/ESC soit propre et correspond aux caractéristiques de mon châssis.

Hélice cherche moteur pour s’envoyer en l’air

L’hélice a, quant à elle, deux valeurs qui vont la définir : la longueur et le pas. Ces valeurs  sont exprimées en pouces (“). Le moteur que j’ai choisi ayant un fort couple, mon choix d’hélice se portera vers des hélices de 13” ou 14” de longueurs avec un pas de 4,5” ou 5”. Une grande longueur associée à un pas important permettent d’avoir une grande portance même à faible vitesse, ce qui devrait, en associant cette configuration à mes moteurs, produire l’effet escompté : décoller ! Il ne faudra pas oublier de vérifier lors de l’achat de ces éléments, si ils sont compatible entre eux. J'entends par là que pour qu’une hélice puisse se monter sur un moteur, il faut vérifier que l’adaptateur existe. Et vous devrez prendre en compte que pour un multicopter, vous allez avoir besoin d’hélices conçues pour tourner dans le sens des aiguilles d’une montre et d’autres dans le sens inverse. En effet si toutes vos hélices tournent dans le même sens, votre drone a de grandes chances de tourner sur lui-même et de devenir incontrôlable !

Electronic Speed Control, le compagnon du moteur brushless

Contrairement à un moteur classique, un moteur brushless à besoin d’un contrôleur pour le faire fonctionner, ce contrôleur permet de gérer la vitesse de rotation du moteur. Il est alimenté par la batterie (par les câbles rouge et noir sur la photo) et alimente lui même le moteur via trois câbles d’alimentation (3 câbles noir dans mon cas). Il est aussi muni d’un câble qui le relie vers le contrôleur de vol. C’est via celui-ci qu’il reçoit les ordres en termes de vitesse de rotation du moteur.

L’ESC contient un micro-contrôleur et peut être pré-chargé avec un firmware. Il existe plusieurs types de firmware dont le plus connu est SimonK. C’est ce firmware qui nous intéresse car il particulièrement bien adapté pour les multicopters et permet d’avoir des moteurs très réactifs. Je suis donc parti à la recherche d’ESC ayant le firmware SimonK déjà pré-chargé, et pouvant encaisser les 20A que chaque moteur peut utiliser à pleine charge. J’ai fait le choix d’utiliser des ESC T-Motor 35A avec le bon firmware chargé. J’ai une sécurité de 15A supplémentaire, ce qui devrait éviter les problèmes de surchauffe et les éventuelles surcharges. En parcourant les différents sites de vente de matériel pour drone, vous noterez parfois que certains ESC ont une mention BEC. Cette mention signifie que l’ESC est capable de fournir un courant supplémentaire, de 5V en général, vers le contrôleur de vol, et donc permet d’alimenter ce dernier.

Le contrôleur de vol que j’ai choisi dispose d’un système d’alimentation qui passe par la batterie directement, donc je n’ai pas besoin de ce dispositif sur mes ESC. J’ai décidé de les installer au plus près des moteurs car mon châssis s’y prêtait, et j’ai utilisé du scotch d’électricien de couleur bleu et rouge pour les fixés. Cela me permettra aussi en vol de différencier plus facilement l’avant et l’arrière de mon drone.

Je me trouve maintenant avec un châssis, sur lequel j’ai monté quatre moteurs brushless auxquels j’ai relié quatre ESC. Il m’a fallu user de pinces, d’un fer à souder ainsi que de gaines thermo-rétractables pour pouvoir adapter et relier les différends éléments entre eux.