Leçon 8 : le compas et l’IMU

Bienvenue sur ce nouveau cours. 
Cours important s’adressant aussi bien aux débutants, qu’aux experts.

La théorie

1 – Le compas

La terre est soumis à un champ magnétique. Elle se comporte comme une dynamo perpétuelle par ses deux noyaux : externe et interne (appelé la graine). Ce champ a deux pôles, un pôle Nord (émisphère nord) et un pôle sud (emisphère sud). Le pôle nord du champ magnétique appelé Nord magnétique est différent du pôle nord terrestre (appelé le pôle vrai). L’angle entre ces deux Nords est la déclinaison magnétique. Elle est en gros de 11°, mais varie car les Les pôles magnétiques donc se déplacent. Le pôle nord magnétique se ‘déplace de 55 km par an. Ce qui dérègle les instruments de navigation. Pour surveiller tout cela on a créé le le World Magnetic Model (modèle du champ magnétique terrestre que l’on remet à jour tous les 5 ans – sauf que le dernier a été renouvelé au bout de 4 ans, car l’accélération du mouvement du pôle nord magnétique a été plus rapide que prévu). Nous sommes donc probablement dans une phase d’inversement des pôles magnétiques, ce ne sera pas la première fois dans l’histoire de la terre. mais rassurez-vous cette phase si elle était confirmé (ce qui n’est pas du tout le cas) durerait à peu près 1000 ans ! Ne nous inquiétons pas pour nos drones !

Champ magnétique terrestre

Pour connaître la direction du Nord magnétique, nous utilisons une boussole. Mais la boussole n’indique en fait que le champ magnétique le plus dense. Les drones sont donc équipés de compas (Magnétomètres), qui pour simplifier, calculent l’intensité du champ magnétique dans les 3 axes de ce dernier. Le résultat du compas est couplé aux indications du gyroscope, de l’accéléromètre et de la position satellitaire (GNSS). Tout cela afin de ne pas se laisser influencer par le premier champ magnétique perturbateur, comme la boussole.
Malgrès tout cela le compas est sensible aux erreurs par des variations de température, des champs magnétiques trops forts (quand on décolle ou attérit à côté de son véhicule, quand on se rapproche de lignes à hautes tensions…etc ), il est donc parfois demandé par l’application de le calibrer à nouveau.

2 – l’IMU : unité de mesure inertielle (centrale à inertie)

C’est un instrument embarqué qui analyse les mouvements du drone : son accélération, sa vitesse angulaire (roulis, tangage, lacet) pour estimer son orientation, sa vitesse linéaire et sa position. L’estimation de sa position est calculée par tous ces paramètres sans tenir comptre des données externes (positionnement par satellites), même si parallèlement ces données sont comparées avec les données du GNSS.

Ces informations sont données par 4 instruments distincts : 

L’accéléromètre : Il mesure l’accélération du drone (en m/s^2) par un calcul des forces agissants sur le centre de gravité.

Le gyroscope : Il mesure l’évolution de l’orientation du drone dans ses trois axes de vol. Les résultantes sont des vitesses de rotation. Les drones utilisent la technologie MEMS (Micro Electro Mechanical System) où les composants réagissent à l’orientation. Les principales erreurs des gyromètres sont les variations de température qui créent des déformations mécaniques (retractation et dilatation des éléments), des vibrations extérieures (ces capteurs vibrent à une certaine fréquence, mais peuvent être perturbés par la vibration des hélices). C’est pour cela que certains gyroscopes utilisent des filtres passe-bas calculés pour des hélices bien précises. Ce pourquoi, il faut se renseigner avant de changer de types d’hélices.

rotationdrone
Gyroscope drone


Le thermomètre : Il mesure la température au fil du vol. 

Le baromètre : Il mesure la différence de pression atmosphérique et permet donc de calculer l’altitude du drone. Les capteurs barométriques des drones sont souvent des MEMS. Ces baromètres sont extrêmement sensibles à la température et la lumière.


Le concret

Comme vous l’avez compris, L’ IMU et le compas fonctionnent de paire, même s’ils sont indépendants. Ces deux éléments sont très sensibles aux vibrations, aux champs magnétiques (terrestre et environnant), à la pression atmosphérique, à la température…etc. Le champ magnétique terrestre évoluant constamment, ainsi que la pression atmosphérique et la température, il est nécessaire de les recaler régulièrement. De plus, il y a la compensation des dérèglements, même infime de ces instruments.

1 – Pour le compas : 

On le calibre quand : 
– L’application le demande
– On vient de faire une mise à jour du drone
– On voyage loin de chez soi (géographiquement)
– On a volé trop près d’un champ magnétique important

Comment : 
– Suivre les indications de l’application (schémas) qui montrent comment tourner le drone sur ses trois axes.

© DJI

2 – Pour l’IMU :

On calibre ou (étalonne) son IMU quand on vient :
– De recevoir son drone (soit la première fois, soit à un retour d’usine)
– De faire une mise à jour du drone
– De constater que sans vent son drone dérive de la trajectoire qu’on lui a donné
– D’avoir un accident (une chute ou un choc)

Comment : 
– Sur une surface plate (parfaitement horizontale) confirmée par un niveau.
– Avec une batterie pleine (le temps de calibrage peut aller jusqu’à 10 minutes)
– Avec une connexion internet haut débit

Si vous avez un drone avec nacelle (retirer bien la protection)
(sur DJI GO : être en vert et le plus prêt possible de zéro)

Dji conseille de calibrer son IMU à une température de 20 à 25°c.
Mais attention : des informations sur des forums (je n’ai pas réussit à avoir d’informations de DJI) que lorsque l’on allume nos drones, l’IMU se met à la température à laquelle il a été étalonné. C’est à dire que si vous l’avez étalonné à 20°c et que vous voulez décoller par un matin à 5°c, vous devrez attendre quelques temps avant de décoller (le temps que l’IMU soit à 20°c).

Pour mon Mavic 2 Pro, je dois le mettre dans des positions diffèrentes, indiquées par le logiciel (photo 1 : avant le calibrage / Photo 2 : le calibrage / photo 3 : après le calibrage). Il est important que les ‘barres’ soient vertes et les plus petites possibles.

Ce que vous devrez vous rappeler  : 

Je calibre mon IMU après chaque chaque événement important (physique ou software) dans la vie de mon drone, je calibre mon compas quand l’application le demande ou quand je voyage loin du lieu où j’ai l’habitude de voler (ou si problème rencontré avec un champ magnétique puissant). J’attends bien avant de décoller que mon IMU soit à la dernière température de son dernier calibrage (je ne suis pas impatient), je ne décolle pas ou atterrit pas proche d’un objet métallique important (voiture par exemple) et je ne me rapproche pas en vol de sources de champs magnétiques élevés (lignes à hautes tensions par exemple).
Tout cela évitera des comportements dangereux de votre drone (crashs et vols au loin)


© Yann MATHIAS / www.etsionparlaitphoto.com