Le minimum absolu pour un véhicule généralisé qui a besoin de connaître sa position et son attitude (orientation) dans l'espace est un par degré de liberté. Ceci peut être réduit si nous avons des informations sur les modes naturels du système et leur stabilité.

Par souci de simplicité, supposons un véhicule se déplaçant en 3 dimensions, ce qui signifie un total de 6 DoF:

• 3 coordonnées dans l'espace pour connaître la position
• 3 angles (ou similaire) pour connaître l'attitude

Le Le moyen le plus simple de répondre à ces exigences est les accéléromètres pour les coordonnées XYZ et les gyroscopes pour les angles, et ceux-ci sont souvent regroupés dans une IMU. Techniquement, vous n'avez même pas besoin d'un GPS réel tant que vous connaissez les coordonnées du lieu de départ, car vous pouvez simplement l'intégrer pour connaître votre position. Ceci est connu comme l'estime à l'estime via la navigation inertielle et cela fonctionne de cette façon (utilisons les coordonnées $ x $ comme exemple):

• Vous devez connaître la valeur initiale $ x $ et son taux de changement: $ x_0, \ dot {x} _0 $
• Écoutez les valeurs de l'accéléromètre $ \ ddot {x} $ .
• Intégrez l'accélération pour obtenir la vitesse: $ \ dot {x} = \ int {\ ddot {x} \, dx} + \ dot {x} _0 $
• Intégrez la vitesse pour obtenir la position: $ x = \ int {\ dot {x} \, dx} + x_0 $

Bien sûr, cela présente de multiples lacunes. Les accéléromètres du monde réel ont du bruit, les gyroscopes ont une dérive, votre emplacement de départ est probablement inexact, votre véhicule a probablement besoin de plus de données que cela pour fonctionner et tous les systèmes que je viens de décrire n'avaient aucun moyen de se retrouver s'il se réinitialise en mission.

Pour un projet barebones réaliste comme vous l'avez décrit, vous aurez besoin de:

• 3 accéléromètres (dans une IMU)
• 3 gyroscopes (dans une IMU)
• 3 magnétomètres (généralement fournis avec l'IMU et permettent de garder les 2 précédents en ligne)
• GPS (peut être fourni avec l'IMU et vous le vouliez spécifiquement)

D'autres sources de données sont souhaitables mais compliquent considérablement l'architecture FCS, car vous devez pondérer correctement les données, après tout, vous ne voulez pas que l'avion fasse plus confiance au magnétomètre qu'aux gyroscopes et vous montre un petit truc il a appris en passant près d'une anomalie magnétique.

En particulier, une sonde Pitot est bien d'avoir connaissance de votre vitesse par opposition à votre vitesse sol. Une palette alpha est un peu un luxe et n'est pas nécessaire sauf si vous repoussez les limites du vol.

Tout capteur d'observation au sol avec un taux de mise à jour, une portée et une précision suffisants (IR, laser, LiDAR, acoustique, etc. ) vous permettra de lisser vos atterrissages, et celui que vous choisirez dépendra de votre conception et de votre budget; ils ont tous des avantages et des inconvénients.

Du point de vue du codage, si vous voulez vraiment le faire vous-même à partir de zéro, vous devriez vous pencher sur les systèmes en temps réel, les filtres Kalman et le vaste domaine des capteurs la fusion. Apprenez également un peu d'aérodynamisme pendant que vous y êtes, de sorte que la cellule elle-même ne soit pas une boîte noire pour vous. Vous pouvez exécuter un FCS sur un Arduino, même pour des quadricoptères, si vous vous contentez d'un simple SAS de base.

Il existe une grande communauté de constructeurs de drones amateurs en ligne qui peuvent fournir vous avec une solution presque prête à l'emploi pour votre FCS ( Ardupilot), si vous préférez cette approche. Personnellement, je trouve souvent leur documentation manquante, donc je vous suggère au moins d'apprendre les bases de ce que vous faites, pour vous aider à naviguer dans les inévitables lacunes du manuel. De plus, puisqu'il s'agit d'un projet open source, vous pouvez ensuite combler ces lacunes.

C'est probablement possible avec uniquement le récepteur GPS, mais ce ne serait pas facile et vous devrez peut-être faire des compromis sur la conception de la cellule pour obtenir la stabilité passive nécessaire.

L'ensemble traditionnel de capteurs pour ce type d'application est, à peu près par ordre de priorité:

1. GPS
2. gyroscope à 3 axes
3. Accéléromètre 3 axes
4. Magnétomètre 3 axes
5. pitot
6. palette alpha ou pitot multiport
7. palette bêta
8. altimètre baro
9. altimètre laser, radar ou ultrasonique si vous souhaitez effectuer des atterrissages autonomes

Puisqu'il s'agit de votre premier drone, je vous recommande fortement d'avoir le premier 4 capteurs et probablement # 5 et / ou # 6 (mais peut-être les utiliser pour le diagnostic et l'analyse plutôt que pour le contrôle, car ils peuvent être un peu délicats avec les non-linéarités et la fiabilité).

Si vous voulez juste que votre UAV vole vers un waypoint, vous pouvez le faire avec un capteur GPS seul, s'il était basé sur un avion très stable comme un "Gentle Lady" ou "Radian" r.c. planeur, tant que vous ne le pilotiez pas dans un vent très fort où il y avait la possibilité que l'avion recule au-dessus du sol lorsqu'il pointe dans le vent et vole à la vitesse de compensation. Je suppose que vous voudriez probablement également un capteur d'altitude, à moins que vous ne souhaitiez simplement appliquer suffisamment de puissance pour que l'avion monte lentement tout au long de la partie autonome du vol. Bien sûr, vous pouvez simplement obtenir les informations d'altitude du capteur GPS.

Si vous décidez d'ajouter un gyroscope à taux de lacet à 1 axe, cela permettrait un contrôle plus fluide. Mais dans le contexte d'un avion très stable comme plate-forme de base, vous n'avez vraiment pas besoin de plus que cela, si votre objectif de base est de garder les choses simples.

Parlant du point de vue de celui qui a a réussi à contrôler un avion ultraléger dans les nuages ​​en utilisant uniquement un indicateur de vitesse de virage électronique à 1 axe, un GPS et une boussole humide - et la boussole tournait en arrière la moitié du temps. Le contrôle dans des circonstances limitées spécifiques (c.-à-d. Air doux, ne pas tenter de faire des cercles constants dans le courant ascendant thermique, ne faire que des virages à très faible vitesse) était possible sans l'indicateur de vitesse de virage, et un robot ferait sûrement un meilleur travail qu'un humain.

Faites juste des tests suffisants pour vous assurer que l'avion n'est pas sujet à des oscillations "phugoïdes" de hauteur sévère au CG que vous utilisez.

• GPS
• Capteur barométrique parfois recalibré à partir du GPS
• Tach pour maintenir un régime moteur à piston constant
• Gyro pour la stabilité du roulis

Ces entrées suffisaient pour une chaîne de points de cheminement autonome vol transatlantique il y a seize ans.

Peut-être qu'une introduction sommaire à la théorie du contrôle pourrait vous aider. Du point de vue du contrôle, votre avion est un système dynamique, qui peut être décrit par un état et un modèle dynamique.

L ' état est simplement une collection de variables indiquant où se trouve l'avion à chaque instant. Pour une description complète, vous auriez la position et l'attitude dans l'espace, ainsi que leurs premiers dérivés. Toute autre inertie peut également avoir sa propre variable d'état; par exemple, la vitesse de l'hélice.

Les équations d'état décrivent comment l'état évolue dans le temps. A partir de ces équations (en particulier sous forme linéarisée), nous pouvons distiller un certain nombre de modes (propres) . Ces modes décrivent un certain comportement du système et se présentent sous deux formes: les modes stable et instable . Un mode stable est une dynamique système qui, pour une entrée finie (perturbation), ne conduit à aucune variable d'état allant à l'infini. Notez que cela ne signifie pas que les variables d'état retournent à une certaine valeur constante: une oscillation bornée peut toujours être considérée comme stable! Un mode instable est une dynamique qui, pour une entrée finie, conduit à une croissance illimitée d'une variable d'état.

Pour voir le nombre de capteurs dont vous avez besoin, vous aurez besoin de quelques éléments. Tout d'abord, vous voulez que votre système soit stable. Évidemment, cela signifie que vous souhaitez disposer d'un ensemble de capteurs capables de mesurer n'importe quel mode instable ( détectabilité ), et d'un ensemble d'actionneurs capables de contrôler les modes instables ( stabilisabilité ) . Il existe un certain nombre de modes (éventuellement) instables, dont le plus important est la divergence en spirale . De nombreux avions à voilure fixe n'ont pas de stabilité en roulis inhérente, vous voudrez donc être en mesure de détecter votre angle de roulis (un capteur de vitesse de lacet ou de cap peut également fonctionner en raison du couplage roulis / lacet). De plus, il y a simplement votre mouvement linéaire, qui est également instable (cela peut sembler contre-intuitif, mais tout cela signifie que vous pouvez vous éloigner infiniment de votre point initial en voyageant en ligne droite). Pour cela, vous aurez besoin d'une sorte de capteur de position (très probablement, un GPS).

Tous les autres modes dynamiques ne sont pas intrinsèquement instables dans un avion à voilure fixe, bien que votre une conception particulière peut avoir des instabilités supplémentaires, comme un mouvement phugoïde instable, pour lequel vous voulez pouvoir mesurer et contrôler le mouvement de hauteur.

Donc, le minimum absolu est de deux à trois capteurs (latitude et longitude et probablement rouler ou lacet), et utilisez l'avance pour toutes les autres variables (réglez l'assiette et la puissance en fonction de l'altitude et de la vitesse souhaitées, et allez-y). En pratique, personne ne construirait un drone avec seulement trois capteurs. Il y a deux raisons à cela,

• Imprécision du capteur. Il est difficile de mesurer l'attitude. Un gyroscope dérivera inévitablement au fil du temps, et en tant que tel, vous aurez besoin d'autres capteurs pour corriger cela.
• Performances. Vous voulez idéalement voyager en ligne droite vers la cible, ne pas vous balancer à gauche et à droite en demi-cercles paresseux tout en montant et descendant un phugoïde, priant une divinité appropriée pour que les réglages de réglage et de puissance laissent suffisamment de marge pour traverser cette montagne. une journée chaude.

Pour un drone amateur, il s'avère généralement que les capteurs sont relativement bon marché, grâce aux MEMS. Vous utiliseriez généralement un accéléromètre à 3 axes, un gyroscope à 3 axes (taux de roulis) et un magnétomètre à 3 axes (boussole), et pourquoi ne pas avoir un baromètre et un thermomètre également? Et puisque vous utilisez un GPS, vous pouvez aussi bien utiliser ses données d'altitude. Si vous utilisez un moteur à courant continu sans balais, il ne devrait y avoir aucun effort pour mesurer la vitesse de l'hélice. Je pense que vous trouverez beaucoup plus facile de créer un UAV fonctionnel avec ces composants du commerce (et un logiciel open-source généralement écrit pour ces capteurs) que de trouver un capteur gyroscopique à un axe et d'écrire votre propre logiciel.

De plus, l'utilisation de plus de capteurs simplifie considérablement votre observabilité . C'est la notion de pouvoir déduire l'état du système à partir des sorties. En théorie, si votre modèle est suffisamment complexe, vous avez besoin de très peu de capteurs pour estimer l'état actuel (à l'estime). Cependant, si vous pouvez réellement mesurer vos états, votre modèle n’est plus aussi important, et votre drone sera en mesure de mieux réagir et sera moins sensible aux changements de l’environnement ou du drone lui-même.

Le projet ArduPilot a probablement déjà fait beaucoup de travail pour vous, si vous êtes plus intéressé par le résultat final que par le processus de création pour vous-même. Même si vous choisissez de ne pas utiliser leur logiciel, il y a probablement de bonnes informations sur les capteurs et combien sont nécessaires.

• Le sous-projet APM: Avion
• Matériel de contrôleur pris en charge
• Un chapeau pour le Raspberry Pi qui a un baromètre numérique et IMU