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Montage et configuration d’un quadcopter MultiWii (lite)

Il y a quelques semaines, je me suis mis en tête d'acheter un Quadcopter en kit, histoire de changer un peu de tous ces avions 😉

J'ai mis plusieurs jours à le monter et je me suis pas mal embêté à le régler. J'écris cet article pour mémoire et pour aider éventuellement ceux qui voudraient se lancer dans l'aventure. On trouve énormément d'informations sur les forums et sur certains sites spécialisés mais il faut faire le tri, ce qui n'est pas forcément évident quand on est un novice (comme moi).

Le matériel
Pour éviter d'acheter tous les éléments séparément (avec la complexité de trouver des composants adaptés et compatibles entre eux), j'ai acheté le kit "Black/Red Quadrotor RM450V2 2212&30A Combined" disponible chez RCtimer (A noter que ma commande a été traitée impeccablement en une dizaine de jours.). Le kit est composé d'un chassis (copie du Naza F450), lui même composé de 4 bras en nylon, de 2 platines (haut et bas) et de toute la visserie nécessaire. L'autre partie du kit comprend tous les accessoires nécessaires au vol, c'est à dire 4 moteurs (RCTimer 2212 930kv brushless), 4 hélices (10x4.5) et 4 contrôleurs ESC (RCTimer ESC 30A). Le kit est complet mais il n'est pas irréprochable (pas de prises "banane" femelle au bout des ESC par exemple...). J'ai également noté quelques incohérences entre le contenu du kit (diamètre des vis par exemple) et la notice (qui est très succinte).

Le contrôleur de vol, c'est le coeur (ou plutôt le cerveau) du Quadcopter. Il s'agit d'une carte électronique (circuit imprimé) embarquant des capteurs et qui permet de faire le lien entre le récepteur et les contrôleurs brushless. C'est le contrôleur de vol qui permet de réguler la vitesse de rotation des différents moteurs et ainsi de donner le comportement attendu au Quadcopter.
Il y a différentes cartes disponibles, j'en ai choisi une basée sur la techno populaire MWC (MultiWiiCopter) : la CRIUS Multiwii Lite. Totalement pré-assemblée et prête à l'emploi, elle embarque :
· un micro-contrôleur ATMEGA328P
· un gyroscope 3 axes ITG3205
· un accéléromètre 3 axes ADXL345

· Dimensions 50 mm X 50 mm
· Perçage 45mm X 45mm
· Poids 13.5g

Par rapport à la version "complète" (la "SE") il manque un baromètre BMP085 et un magnétomètre HMC5883L.
Mon contrôleur de vol était livré avec le firmware 1.9 pré-configuré.

Enfin il ne me restait plus qu'à acheter une nouvelle télécommande, 4 voies n'étant plus suffisantes pour faire voler ce genre d'engin. Mon choix s'est porté sur la télécommande 9 voies Turnigy 9x, très performante et incroyablement bon marché.

Pour alimenter le Quad, j'ai récupéré une de mes batteries d'avion : 3S 2200mAh 45C.

Le montage
Avant de monter le chassis, il est important de souder les ESC aux quatre bornes + et - de la platine du bas. Tant qu'on y est, autant en profiter pour souder les prises "banane" femelle au bout des ESC et 2 câbles d'alimentation sur les bornes + et - qui se trouvent au centre. Ces câbles serviront à alimenter la platine (et donc les ESC) et pourront être sertis d'un connecteur XT60 femelle (pour la batterie).
(Un peu plus tard dans la procédure, il sera nécessaire de régler la course des gaz sur chaque ESC. L'opération est plus simple à réaliser si l'ESC n'est pas encore soudé à la platine mais il nécessite l'installation temporaire de connecteurs XT60. A voir ce qui est le plus pratique...).

Il ne reste plus qu'à visser chaque bras sur la platine du bas puis sur la platine du haut (penser à grouper les bras de la même couleur). La platine du bas présente deux petits plateaux qui dépassent de la structure et qui pourront servir à installer une caméra. Penser à positionner la platine de façon à ce que les plateaux soient à l'avant et à l'arrière du Quad (en deux mots, éviter de faire la même bêtise que moi...). Lors du vissage, il peut y avoir des problèmes l'alignement entre les trous de la platine et les pas de vis des bras. Il vaut mieux commencer à visser chaque trou sur les deux platines, sans visser à fond (entre 25% et 50%). Une fois que toutes les vis sont mises, il ne reste plus qu'à serrer petit à petit.

Une fois le chassis monté, il faut installer les moteurs à l'extrémité de chaque bras en utilisant les vis les plus longues. Inutile d'utiliser la "croix" en métal fournie avec les moteurs, on peut visser directement contre le plastique. Il faut évidemment penser à fixer les moteurs de façon à ce que les câbles pointent vers le bras et non pas à l'extérieur.

L'installation du contrôleur de vol
Même si cette étape peut être effectuée à la fin, on peut déjà fixer la carte à ce stade.
Mon Quadcopter sera configuré pour un modèle en X (et non pas en +), il faut donc faire pointer la petite flèche présente sur la carte vers l'avant, c'est à dire entre 2 bras de la même couleur.
Mon contrôleur est centré sur la platine du haut et collé avec du double face sur une petite plaque de dépron (vous pouvez aussi utiliser de la mousse anti vibration). Attention, une fois en place il est difficile de la retirer sans abimer la plaque de dépron...

Après avoir essayé d'installer la carte sur la platine du dessus puis sur celle du dessous, je suis en mesure de dire qu'il vaut mieux l'installer au dessus pour mieux y accéder. L'inconvénient c'est qu'il faut arriver à loger (et fixer !) la batterie en dessous mais c'est un moindre mal. Le fait d'avoir le contrôleur à portée de main vous facilitera grandement la vie pour les opérations de débranchement / rebranchement / tests... Veiller à conserver le support en dépron (ou en mousse) pour absorber le plus possible les vibrations avant qu'elles atteignent la carte.

Premiers branchements
A ce stade, aucun des composants n'est branché. Ni les ESC avec les moteurs, ni les ESC avec le contrôleur, ni le contrôleur avec le récepteur (seuls les ESC sont soudés à la platine du bas pour être alimentés).

Logique de fonctionnement
Même si cela semble trivial, je rappelle comment doivent être branchés les éléments entre eux.
Le signal part de la radio et arrive au récepteur. Le récepteur est branché au contrôleur de vol (à chaque voie correspond un emplacement sur la carte) et les 4 ESC viennent aussi se brancher sur la carte du contrôleur de vol.

Branchement du récepteur
Avant tout, il vous faudra 9 câbles courts JR mâle mâle pour connecter le contrôleur de vol aux autres éléments. Sur chaque connecteur, il faut bien veiller à placer le câble noir (-) vers le bord extérieur de la carte.

Connecter la voie 3 du récepteur au 1er emplacement de la carte marquée "THR" (commande des gaz)
Connecter la voie 1 du récepteur au 2eme emplacement de la carte marquée "ROLL" (commande d'ailerons)
Connecter la voie 2 du récepteur au 3eme emplacement de la carte marquée "PITCH" (commande de profondeur)
Connecter la voie 4 du récepteur au 4eme emplacement de la carte marquée "YAW" (commande de lacet)
Connecter la voie 5 du récepteur au 5eme emplacement de la carte marquée "MODE" (prise auxiliaire)

Vous pouvez vous inspirer de cette vidéo pour réaliser votre branchement
http://www.youtube.com/watch?v=zy0czs6fhVQ
A ce stade, il est inutile de brancher vos ESC à quoi que ce soit.

Une fois le récepteur correctement branché on peut passer à l'étape suivante : le calibrage de la radio. Le calibrage nécessite de connecter le PC au contrôleur de vol puis l'installation du logiciel MultiWiiConf

Connexion PC <-> MultiWii
On peut raccorder la carte à un PC par l'intermédiaire du port FTDI. Il existe différents modules FTDI <-> USB, tel qu'une interface FT232RL ou CP2102.

Mon module "home made" (merci Goebish!)

Si le module FTDI <-> USB n'est pas reconnu automatiquement, il faut en installer le pilote (lien vers le pilote CP2102). On sait que le module est reconnu en allant dans le gestionnaire de périphérique et il faut noter le numéro du port série (COM) qui a été détecté.

Si on veut éviter d'avoir un fil à la patte, on peut aussi opter pour l’installation d'un module Bluetooth (sans fil donc) qui facilite grandement les manipulations puisqu'il évite de débrancher / rebrancher les ESC avant et après la modification des paramètres ; tous les réglages peuvent s'effectuer sur place avec le Quadcopter sous tension. C'est un gain de temps très conséquent !

On peut se connecter au module Bluetooth avec un téléphone Android (multiples applis disponibles sur Android Market) ou avec un PC. Sur le PC, la modification des paramètres se fera avec le logiciel MultiWiiConf.

Il est également possible de brancher sur la carte un module LCD mais il ne permet que de vérifier certaines valeurs de configuration.

Ensuite il faut télécharger le logiciel MultiWiiConf qui permet de visualiser tous les réglages de la carte. Le logiciel est disponible pour les versions 1.7, 1.9, 2.0 et 2.1 et il est accompagné du firmware correspondant (contenu dans l'archive). Il faut télécharger la version correspondant à son firmware :
https://code.google.com/p/multiwii/

La carte CRIUS Multiwii est livrée avec le firmware 1.9 déjà chargé. Il n'est pas nécessaire de le mettre à jour même si c'est vivement recommandé. (Voir la procédure de mise à jour du firmware).

Une fois les dossiers "MultiWiiConf_1_9" et "MultiWii_1_9" décompressés, il faut aller dans le dossier "\application.windows32" (pour Windows) et lancer "MultiWiiConf_1_9.exe". Les premières étapes consistent à se connecter au port COM qui a été détecté pour la carte et à cliquer sur "start".
Pour commencer, je recommande de regarder cette vidéo qui présente l'interface du logiciel (en anglais) : http://www.youtube.com/watch?v=qT3MlyRvy9w

Vérifier en bougeant le Quadcopter (ou le contrôleur s'il n'est pas attaché) que le "pitch" et le "roll" sont dans le bon sens. Pour cela il faut s'aider de la flèche dessinée sur la carte qui indique l'avant de l'appareil.

J'ai eu un problème avec le firmware 1.9 qui me détectait l'avant de la carte sur le côté droit... La mise à jour vers la v2.1 a réglé ce problème (Voir la procédure de mise à jour du firmware).

Calibrage de la radio
Ensuite, il faut allumer sa radiocommande (mode "Avion") et suivre les explications suivantes pour les réglages de base (valeurs au neutre, valeurs minimales et maximales, réglage de la course des différentes voies...). Le tutoriel est très didactique et bien clair : http://www.youtube.com/watch?v=J_-D6Ocjbo4

En résumé, il faut utiliser la télécommande pour ajuster les neutres de chaque voie à 1500, le minimum à 1100 (ou un gramme moins) et le maximum à 1900 (ou un gramme plus). L'interface MultiwiiConf permet de vérifier le bon réglage des commandes dans la partie supérieure droite.

A ce stade, toutes les valeurs neutres, maximum et minimum sont ajustées, l'accéléro est calibré et les valeurs PID par défaut sont chargées. Contrairement à ce que dit le tuto ci-dessus, pour le moment il n'est pas nécessaire de configurer les ports AUX (tous les petits carrés doivent être gris et non pas blancs). Cela doit avoir pour effet de désactiver l'accéléromètre, ce qui est exactement ce qu'on recherche pour les réglages du premier vol (sans accéléromètre, on parle de mode "Gyro" ou mode "Acro").

En vue du premier vol on peut déjà régler les PID avec les valeurs suivantes.
A la fois pour le ROLL et le PITCH : P=2.0 I=0.020 D=10
Les autres valeurs peuvent rester celles par défaut (ex : YAW : P=8.5 I=0.045 D=0) pour le moment.

Réglage de la course des gaz sur les ESC
Les ESC ne sont pas forcément tous réglés de façon identique en sortie d'usine. Lors d'une nouvelle installation sur un appareil, il est nécessaire de leur indiquer la position maximale et la position minimale du manche des gaz sur la radio. Dans le montage de mon Quad, j'ai oublié cette étape importante, ce qui a eu pour effet de garder l'un des moteurs à l'arrêt lors de la mise en route de l'appareil...

Il existe dans la v2.1 du firmware MultiWii une procédure automatique de calibrage des ESC qui ne nécessite pas l'utilisation de la radio. En revanche cela nécessite de mettre à jour le firmware de la carte avec le paramètre "ESC_CALIB_CANNOT_FLY" activé (à modifier dans le fichier "config.h"). Voir la procédure de mise à jour du firmware et à la page suivante pour plus d'information : http://www.multiwii.com/wiki/index.php?title=Extra_features#ESCsCalibration

Sinon, la procédure de réglage manuel est généralement la suivante (sinon se référer au manuel des ESC) :
- connecter directement l'un des 4 ESC à la voie 3 du récepteur.
- connecter l'ESC à son moteur (peu importe l'ordre de connexion des fils) sans hélice
- monter le manche des gaz au maximum
- mettre la radio sous tension
- mettre l'ESC sous tension (dans mon cas, cela passe par le branchement de la batterie à la platine du bas, ce qui a pour effet de mettre tous les ESC sous tension. Il faut s'approcher un peu du moteur pour distinguer ses "BIP" des autres...). Une ou deux secondes après, l'ESC va émettre 2 courts BIP pour signaler qu'il a enregistré la position haute.
- baisser le manche de gaz au maximum. L'ESC va émettre un BIP de confirmation pour l'enregistrement de la position basse.

Répéter la procédure pour chaque ESC. Il n'est pas nécessaire de débrancher les moteurs une fois chaque ESC calibré.

Autres réglages des ESC
Par défaut la plupart des ESC ont un "timing" réglé sur "low". Commencez par les régler sur "medium" (puis éventuellement "high" plus tard) en suivant le manuel de vos ESC.
Il est également recommandé de régler le "Cut-Off Threshold" sur "low" ou même de le désactiver pour éviter qu'un moteur ne coupe en plein vol (ce qui nécessite parfois de changer le réglage "type de batterie" pour NiMh / NiCd).

Branchement des ESC sur le contôleur de vol
Mon Quadcopter est configuré en mode X. Il faut donc suivre le modèle suivant :

Sur cette image on voit le sens de rotation des hélices ainsi que le numéro des emplacements sur le contrôleur de vol.

Il faut connecter l'ESC du moteur :
- avant gauche à l'emplacement D03
- arrière droit à l'emplacement D09
- avant droit à l'emplacement D10
- arrière gauche à l'emplacement D11

Penser à marquer chaque connecteur JR avec sa position (ex : D03-> 1, D09->2, etc...) à l'aide d'un feutre ou d'une étiquette, cela se révélera très utile pour les nombreux branchements / débranchements qu'il faudra réaliser...

Première mise en route
Enfin l'heure tant attendue de la première mise en route (toujours sans les hélices) !
Une fois la batterie branchée, il faut armer les moteurs (normalement en tirant le manche des gaz vers la droite). Une fois les moteurs armés, il tournent au ralenti. C'est le moment de vérifier le sens de rotation des moteurs comme indiqué sur l'image ci-dessus. Si l'un des moteurs tourne à l'envers, une fois la batterie débranchée il suffira d'intervertir 2 fils pour qu'il se remette à tourner dans le bon sens.
Avant de tout débrancher, il faut désarmer les moteurs (normalement en tirant le manche des gaz vers la gauche).

Si tout s'est bien passé, on peut installer les hélices.

Mise en place des hélices
On a donc 2 moteurs qui tournent dans le sens horaire (avant gauche et arrière droit) et 2 moteurs qui tournent en sens anti horaire (avant droit et arrière gauche). Il faut faire attention au sens de montage des hélices. Pour commencer, les dimensions gravées sur l'hélice (10x45 dans mon cas) doivent toujours pointer vers le haut. Ensuite il faut mettre les hélices normales sur les moteurs tournant en sens anti horaire (avant droit et arrière gauche) et les hélices inversées (souvent marquées d'un petit "R" (pour "Reverse") ou d'un "P" à côté de la dimension) sur les moteurs tournant en sens horaire (avant gauche et arrière droit).
Pour mieux comprendre la forme des hélices normales et inversées, cette page est très bien faite.

Les hélices livrées avec mon kit sont trop souples à mon goût. Une fois les premiers essais passés et les premières hélices cassées, on peut envisager de les changer pour des hélices plus rigides et de meilleure qualité (Par exemple des GemFan 10x45 ou des Graupner E-Prop 9x5). De bonnes hélices font vraiment la différence !

Premier vol
L'idée du premier vol c'est tout simplement de décoller (ce qui n'est pas évident avec de mauvais réglages...) et de sentir la maniabilité de l'engin pour mieux régler les valeurs PID des axes ROLL et PITCH.
Il vaut mieux effectuer le premier vol en extérieur, sans vent et dans un endroit dégagé (ex : champ ou terrain de sport). Si le Quadcopter décolle, essayer de le maintenir à 1 bon mètre du sol pour éviter les perturbations dues à l'effet de sol. Il faut ensuite jouer avec les axes ROLL et PITCH pour se faire une idée du comportement et de la stabilité de l'engin.

Réglage des PID
"PID" signifie "Proportional-Integral-Derivative" et désigne les paramètres à régler pour assurer la stabilité du Quadcopter.

Pour ceux qui lisent l'anglais, ces deux pages expliquent les PID en détail :
http://www.multiwii.com/wiki/index.php?title=PID
http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1375728

Les PID se règlent par l'intermédiaire du logiciel MultiWiiConf (ou Android). Pour cela il faut que le contrôleur de vol soit connecté au PC par l'intermédiaire d'un module FTDI <-> USB ou d'une liaison Bluetooth (recommandé).

Après chaque vol (au début en tous cas...), il faudra ajuster la valeur des PID pour les axes ROLL et PITCH pour obtenir un vol de plus en plus stable. L'idée c'est d'augmenter la valeur de P par incréments de 0.1 (ou 0.2 pour aller plus vite) jusqu'à ce que le Quad se mette à osciller en vol stationnaire. Quand le Quad se met à osciller, il faut redescendre à la dernière valeur stable connue puis augmenter I par incréments de 0.002 jusqu'à constater des mouvements opposés excessifs (correction excessive) après de actions légères et rapides sur le manche (ROLL et PITCH). Revenir à la dernière valeur stable de I avant d'augmenter D par incréments de 1 jusqu'à ce que le Quad devienne instable. Une fois ce cycle effectué, on peut de remettre à régler P plus finement encore.

Sur ma configuration j'ai commencé avec les valeurs :
P=2.0 I=0.020 D=10
avant de trouver le meilleur compromis (pour le moment) avec :
P=2.8 I=0.020 D=35

Une fois le mode gyro (ou acro) configuré correctement, on peut activer l'accéléromètre (avec MultiWiiConf ou en configurant le bouton 3 positions de la radio) pour voler en mode stable. Dans ce mode, le pilotage est simplifié car le Quadcopter revient à une position stable une fois les manches des axes PITCH/ROLL/YAW remis au neutre (en mode gyro, le Quad conserve son inclinaison même avec les manches remis au neutre. Dans cemode, pour revenir à plat, il faudra contrer le mouvement en poussant le manche dans le sens inverse...).

Mise à jour du firmware
Pour mettre à jour le firmware de la carte CRIUS Multiwii, il faut télécharger l'éditeur Arduino disponible ici :
http://arduino.cc/en/Main/Software
La version la plus récente est la 1.0.1. Une fois l'archive téléchargée et décompressée, le soft se lance avec l'exécutable "arduino.exe". Cliquer sur "ouvrir" (ou "open") et allez chercher le fichier "MultiWii_2_1.ino" ou à défaut "config.h" dans le dossier correspondant à la version que vous voulez charger (dans mon cas "MultiWii_2_1"). L'éditeur présente alors plusieurs onglets correspondant à tous les fichiers présents dans le dossier. L'onglet le plus intéressant à regarder s'appelle "config.h". Différentes sections sont présentes dans le fichier, chacune est relativement bien décrite grace aux commentaires. En gros, sur la version 2.1 il faut spécifier :
- le type de multicopter ("#define QUADX" dans mon cas)
- la valeur minimale des gaz une fois les moteurs armés ("#define MINTHROTTLE 1180")
- la vitesse I2C ("#define I2C_SPEED 400000L"). Ne pas oublier de commenter "#define I2C_SPEED 100000L".
- internal pullups (J'ai décommenté "#define INTERNAL_I2C_PULLUPS" pour les activer)
- le type de carte utilisée ("#define CRIUS_LITE" dans mon cas)
- le paramètre de "Low Pass Frequency" si nécessaire ("#define ITG3200_LPF_10HZ" dans mon cas) qui permet au contrôleur d'ignorer les vibrations perturbatrices provenant de certains chassis (comme le mien...). Ce réglage semble cependant assez extrême, j'essaierai bientôt d'augmenter cette valeur pour me rapprocher de la fréquence par défaut : 256HZ.

Le wiki MultiWii est une excellente source d'information pour effectuer les modifications dans ce fichier "config.h".

Ensuite il faut :
- sauvegarder les modifications
- sélectionner le type de carte dans le menu "Outils / Type de carte" ou "Tools / Board" en anglais ("Arduino Duemilanove w/ ATmega328" dans mon cas)
- brancher la carte au PC (connecteur FTDI <-> USB)
- sélectionner le port série de la carte dans le menu "Outils / Port série" ou "Tools / Serial port" en anglais ("COM5" dans mon cas)

Avant de mettre à jour le firmware il est impératif d'effacer l'ancien pour faire le ménage. Pour cela il faut aller dans le menu "Fichier / Exemple / EEPROM / eeprom_clear" ("File / Example / EEPROM / eeprom_clear" en anglais).

Ensuite il suffit de charger la nouvelle version :
- cliquer sur l’icône "Téléverser" (ça doit être du québécois...) ou "Upload" en anglais pour charger le firmware sur la carte.

Une fois le firmware mis à jour il est nécessaire de repasser par MultiWiiConf pour s'assurer des réglages enregistrés et du calibrage des composants (accéléro...).

Voici ce que donne ma config pour ceux que ça intéresse : MultiWii_2_1

Documentation CRIUS MultiWii
Voilà un guide de configuration de la CRIUS MultiWii mais il n'est pas complet et survole les notions sans les détailler. Même si mon article reprend beaucoup des concepts qui y sont abordés, je recommande fortement sa lecture aux débutants avant l'installation et la configuration d'une carte CRIUS MultiWii sur un multicopter.
Newbies Guide to Setting Up CRIUS MultiWii SE board v4-22-12

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Références
Tout d'abord merci à Goebish qui s'est lancé le premier et qui a pu me donner beaucoup de conseils avisés. Merci aussi à Chris Ables qui m'a donné un bon coup de main pour la config de ma carte !

En plus des liens que je cite dans cet article, voici les sites sur lesquels j'ai trouvé beaucoup d'informations très utiles.

Wiki MultiWii
Forum MultiWii
Présentation des composants de la carte et guide pour les débutants
Une review de la CRIUS lite
Un article sur le rôle des ESC sur un quadcopter (anglais)

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Bientôt d'autres articles et d'autres vidéos bien sur...