Développement de commandes moteur de drone

La population mondiale pourrait approcher 10 milliards d'ici à 2050. Pour assurer la sécurité alimentaire, la production agricole devra augmenter de 50 % selon le rapport 2017 sur le futur de l'alimentation et de l'agriculture de l'Organisation des Nations Unies (ONU) pour l'alimentation et l'agriculture (FAO).

La FAO fait observer qu'un certain nombre de défis doivent être relevés pour nourrir la population mondiale. Cela comprend l'accroissement de la prospérité dans les zones rurales, l'amélioration des systèmes alimentaires et l'augmentation de la productivité agricole. Les technologies avancées ont un rôle à jouer dans la réalisation de ces défis. L'agriculture intelligente émerge en tant que moyen pour améliorer les rendements des récoltes et la gestion des animaux. Il faut citer, à titre d'exemple, l'utilisation des technologies Internet des objets (IoT) pour améliorer le rendement des cultures et la santé des animaux.

La collecte de données, comme la hauteur des plants, la densité de plantation, l'état des feuilles ou les températures du bétail, permet aux fermiers d'optimiser les soins phytosanitaires et animaliers, et d'estimer et maximiser les récoltes. Après l'analyse des données, les fermiers ont besoin de mesures concrètes pour mettre en œuvre les décisions prises en fonction des informations collectées. Le principal problème est l'étendue des exploitations qui peuvent atteindre des milliers d'hectares. La surveillance des cultures ou des animaux peut donc prendre beaucoup de temps. L'évaluation générale de la santé des cultures ou des animaux, et l'identification de problèmes comme une sous-plantation localisée, une sécheresse ou une infestation de parasites dans des zones spécifiques peuvent également s'avérer difficiles.

Les drones sont prêts à venir à la rescousse. Les entreprises technologiques ont déjà trouvé des méthodes permettant aux fermiers d'utiliser des drones pour survoler de larges zones rapidement et collecter des informations détaillées à des longueurs d'onde visibles et invisibles (Figure 1). L'émergence de l'agriculture de précision assistée par des véhicules aériens sans pilote (UAV) a également donné la possibilité aux spécialistes de développer des outils d'analyse basés sur des nuages de points pour interpréter les données collectées pendant les vols des UAV afin de déterminer les réponses adéquates. Ces dernières peuvent aider les fermiers à accroître les rendements en optimisant l'irrigation, la fertilisation ou le contrôle des parasites et à limiter les coûts en utilisant les produits chimiques agricoles de manière plus efficace.

Figure 1 : Les analyses de nuages de points d'images aériennes permettent de surveiller la condition des cultures et des sols. (Source de l'image : PrecisionHawk).

Les UAV agricoles ne se limitent pas à des rôles de collecte de données. Les UAV multirotors peuvent transporter des charges de 10 à 20 kg ou plus et offrent plusieurs avantages par rapport à la pulvérisation conventionnelle des récoltes à l'aide de tracteurs ou de petits avions. La formation d'un pilote UAV est beaucoup plus rapide et moins coûteuse que la formation d'un pilote d'avion, et le coût d'achat et d'exploitation du véhicule proprement dit est moins onéreux. Par rapport à un tracteur, un UAV de pulvérisation de récoltes peut être plus rapide et n'endommage pas les récoltes. De plus, il est possible de le piloter, même si le sol est saturé d'eau de pluie.

Technologie UAV pour l'agriculture de précision

Le marché des UAV dans l'agriculture de précision est émergent et en évolution. De plus, les réglementations sont loin d'être finalisées. Actuellement, le pilotage des UAV commerciaux est interdit, même si la FAA (Autorité fédérale américaine de l'aviation) peut octroyer une permission sur une base individuelle.

En ce qui concerne la technologie UAV, un aéronef adapté requiert des commandes moteur et de pilotage de base, des capteurs, la télémétrie et un système de pulvérisation des récoltes, ainsi que des systèmes comme des actionneurs de soupape et la détection de niveau de liquide. Un système anticollision basé sur radar a également été proposé.

Pour la collecte des données, des capteurs hyperspectraux légers et basse consommation peuvent mieux informer les fermiers sur la condition de leurs récoltes que les caméras conventionnelles fonctionnant dans le spectre visible. Les capteurs hyperspectraux proviennent de la technologie spectroscopique initialement éprouvée dans les applications satellites. Ils peuvent recueillir des données pour des longueurs d'onde au-delà du spectre visible à l'aide d'un ensemble de détecteurs réglés pour fonctionner dans une plage étroite comme le très proche infrarouge (VNIR, de 380 - 1000 nm), le proche infrarouge (PIR, 900 - 1700 nm) ou l'infrarouge à courte longueur d'onde (SWIR, 950 - 2500 nm). Les signatures chimiques des maladies des cultures ou des autres parasites peuvent être observées plus clairement dans ces longueurs d'onde que par le seul spectre visible. Des capteurs hyperspectraux économiques, désormais disponibles sur le marché, offrent une faible distorsion, un large champ de vision et un traitement embarqué pour supprimer le bruit et garantir la précision de l'image capturée.

Pilotage des UAV

Les UAV pour l'agriculture de précision s'étendent des petits aéronefs à ailes fixes aux plateformes de drones quadrirotors ou multirotors. Les UAV pour la pulvérisation des cultures peuvent avoir six rotors ou plus pour fournir une force de levage suffisante, selon la charge prévue.

Les moteurs CC pour l'entraînement des rotors sustentateurs dans les UAV de type drone sont généralement des moteurs à balais ou sans balais (BLDC). Les petits véhicules peuvent utiliser des moteurs à balais pour plus de légèreté et de simplicité, tandis que les moteurs BLDC constituent la solution privilégiée pour une fiabilité supérieure et un bruit électromagnétique inférieur, particulièrement dans les véhicules aériens sans pilote plus grands.

Un contrôleur de vol est nécessaire au cœur du véhicule pour gérer la navigation, commander les moteurs pour assurer le décollage, et maintenir la hauteur ainsi que la trajectoire en cours de vol. Des capteurs MEMS miniatures et légers, à navigation basée sur GPS, comme un accéléromètre à 3 axes, un gyroscope à 3 axes et un capteur de pression atmosphérique, permettent une localisation précise, un contrôle des mouvements et une reconnaissance d'altitude. En ce qui concerne la garantie de la stabilité en cours de vol, les contrôleurs de vol des UAV multirotors actuels partagent certaines des caractéristiques des contrôleurs d'hélicoptères qui prennent en charge un rotor anticouple pour éviter la rotation de la cellule sur son axe. Dans un contrôleur UAV, la mesure inertielle basée sur la fusion de capteurs MEMS coordonne l'ajustement de la vitesse respective des moteurs pour maintenir la trajectoire voulue du véhicule.

En tant qu'outil de support à l'agriculture de précision, la vraie puissance du contrôleur de vol se manifeste dans l'interface utilisateur et les fonctions fournies pour permettre de définir la trajectoire de vol de l'UAV. Un fermier doit prédéfinir, de manière précise, la zone que l'UAV doit survoler pour capturer un ensemble complet d'images sur un champ donné ou pour garantir une couverture de pulvérisation totale avec une survaporisation minimum, et des durées et des efforts minimum.

Accélérer le développement de commandes moteur

Pour simplifier le développement de commandes moteur, une variété de kits d'évaluation sont disponibles auprès de plusieurs fabricants. Des algorithmes de commande, comme le contrôle à champ orienté (FOC) utilisant des capteurs à effet Hall ou une mesure de la force contre-électromotrice pour la détection de la position du rotor, sont habituellement accessibles gratuitement. Ces outils aident les ingénieurs à avoir plusieurs types de moteurs rapidement opérationnels en fournissant des logiciels d'exemple pouvant faciliter le lancement du développement d'applications.

Cependant, même avec l'aide de ces kits, les ingénieurs ont besoin d'une expertise en conception de moteurs pour atteindre un contrôle précis de la vitesse et du couple. Les défis reposent dans la configuration du logiciel pour le moteur choisi et, par conséquent, dans les ajustements des paramètres pour optimiser les réponses des commandes de vitesse et de couple. L'ingénieur doit trouver la constante de tension (Ke) du moteur, le coefficient de friction et le moment d'inertie. Si le contrôleur doit se fier aux mesures de force contre-électromotrice, l'observation d'état sans capteur et la régulation de vitesse doivent être configurées. Récemment, des fournisseurs comme TI et STMicroelectronics ont réussi à simplifier la caractérisation et le réglage des moteurs pour permettre aux développeurs de commander le moteur sans devoir se familiariser au préalable avec les propriétés afférentes. Les deux fabricants ont adopté des approches légèrement différentes.

ST a conçu une fonctionnalité d'identification et de réglage dans son environnement de développement de commande moteur MC Workbench (Figure 2). Ce profileur moteur détecte automatiquement les paramètres du moteur à l'aide de tests en boucles ouvertes et fermées statiques qui durent respectivement quelques secondes. Les autres paramètres décrivant l'étage de puissance, l'étage de commande et le circuit d'attaque sont saisis par le biais de l'interface graphique de MC Workbench. Le projet est ensuite généré et compilé pour permettre le réglage et la commande du moteur. La fonction de réglage en un clic de MC Workbench permet de fournir une méthode directe pour ajuster les paramètres afin de simplifier le contrôle de vitesse et de couple.

Figure 2 : L'environnement MC Workbench de ST simplifie la configuration. Un profileur moteur capture les paramètres inconnus.

La mise en œuvre de cette fonctionnalité dans MC Workbench permet aux développeurs de choisir entre différents microcontrôleurs, comme la sélection étendue de microcontrôleurs STM32, et d'utiliser l'écosystème STM32 pour créer une plateforme de développement économique. Avec une approche différente, ST a récemment introduit le STSPIN32F0. Ce dispositif intègre, dans un même boîtier, un microcontrôleur STM32F0 complet avec un circuit d'attaque de grille en demi-pont à trois phases, et il comprend une protection contre la surintensité/la surtension/la surchauffe ainsi qu'un ensemble d'amplificateurs opérationnels pour le décodage des capteurs Hall. La carte d'évaluation STEVAL-SPIN3201, utilisée avec la bibliothèque de commandes moteur STSW-STM32100, combine le circuit intégré STSPIN32F0 avec des fonctionnalités de gestion de l'alimentation. Par exemple, le micrologiciel STSW-SPIN3201 peut être téléchargé et utilisé en conjonction avec MC Workbench pour rapidement commander le moteur et lancer le développement.

L'approche de TI est basée sur l'intégration de leur solution logicielle InstaSPIN™-MOTION dans la mémoire morte des microcontrôleurs tels que les dispositifs série C2000 Piccolo™, comme le TMS320F28069M. InstaSPIN-MOTION inclut le capteur de flux rotor basé sur le logiciel FAST™ (flux, angle, vitesse et couple). Il intègre également des composants pour le profilage moteur, le réglage de paramètre unique et la réjection de perturbations pour identifier le type de moteur (Figure 3).

Figure 3 : L'InstaSPIN-MOTION de TI utilise le micrologiciel embarqué dans le microcontrôleur pour caractériser le moteur.

Les développeurs peuvent tester les fonctionnalités d'InstaSPIN-MOTION par le biais de l'environnement logiciel MotorWare™ de TI. Le DRV8312-69M-KIT combine une carte de commande incluant un microcontrôleur TMS320F28069M et une carte de base de module d'alimentation contenant un circuit intégré DRV8312, qui est un onduleur triphasé intégré contenant les circuits nécessaires à la commande d'un moteur CC sans balais. Un moteur 55 W est également fourni.

Conclusion

L'agriculture de précision représente une excellente opportunité pour les technologies de drones. La nécessité d'optimiser la production de manière rentable permettra l'essor de ce secteur. La clé de la réussite repose sur des logiciels permettant de simplifier la programmation de vol et l'interprétation des données capturées, ainsi que sur l'exploitation de l'expertise facilement accessible en matière de commande moteur pour rapidement concevoir une cellule stable et contrôlable.