Equilibrage dynamique et vibrations : épisode 3

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Notre banc de test a subit une grosse mise à jour. Dans les épisodes précédents, je mentionnais que l’iphone 4 ne pouvait pas mesurer correctement des vibrations sur des fréquences inférieures à 60 Hz. Cela rendait difficile l’estimation de l’atténuation des vibrations en amont des capteurs.

Désormais, terminé les mesures avec l’iphone ! J’ai fabriqué un système de mesure utilisant les mêmes capteurs embarqués que ceux de nos contrôleurs de vol, et je peux désormais mesurer des vibrations jusqu’à 250 Hz, grâce à un échantillonnage à plus de 500 Hz. Pour cela j’ai écris le petit code Arduino dédié uniquement à la mesure des oscillations sur les 3 axes du capteurs. En effet, les codes Multiwii et Ardupilot utilisent des filtres logiciels, et activent aussi les filtres hardwares embarqués dans les capteurs, ce qui fausserait les mesures. En outre, utiliser ces codes en l’état pour extraire les valeurs ne me donnait aucun contrôle sur l’échantillonnage, rendant impossible le calcul du spectre en fréquence. En outre, même la plus récente carte Naze32 ne peut fournir que des données « lissées » (moyennées) par ces filtres, et son logiciel fait d’ailleurs une grosse erreur de language en parlant de données « brutes » (l’amalgame se retrouve aussi dans des forums associés).

Ci-dessous, ma petite carte de mesure des vibrations:

IMG_20150224_100421

Elle utilise un shield pour m’éviter 36 cables vers l’arduino Pro Mini, et un capteur BMA180 / ITG3205 (en rouge). Le shield (la carte de support de toute l’électronique) et le capteur sont achetés chez nos confrères français de chez diymulticopter, dont j’apprécie particulièrement la qualité ds produits, qu’ils fabriquent eux-mêmes pour la plupart (comme le shield).

Les conditions du test sont plus rigoureuses que dans les épisodes précédents. Ici, une alimentation ATX stabilisée fournit du 12V, jusqu’à 10A. Des panneaux mesureurs de la tension et de l’intensité me permettent de contraindre chaque mesure sur la même intensité donnée aux moteurs par un servo-tester. C’est plus précis qu’à la radio-commande, dont le signal PWM est souvent difficile à caler sur une valeur précise, ce qui faisait varier l’intensité de quelques dixièmes d’ampère (c’est beaucoup dans ce contexte). Les valeurs du capteur sont récupérées via une liaison série asynchrone gérée par le logiciel Matlab.

Dans la figure qui suit : vibrations causées par un même moteur (RCTimer 930 KV), équilibrée au préalable, et positionnée successivement sur 3 bras: Bois, Carbone et Aluminium. La figure comprend les mesures en amplitudes des oscillations (3 panneaux du haut), et les spectres (3 panneaux du bas) qui vous montre les fréquences qui composent les vibrations.

Comparaison_Vibration_BoisCarbAlu

Résultats bluffants, notamment pour le carbone tant à la mode. J’ai été longtemps sceptique vis à vis du carbone. Comme le bois, la flexion est visible à l’oeil nu quand on le tord un peu, ce n’est pas le cas de l’aluminium. Le résultat est clair, Bois et carbone: bonnet blanc, blanc bonnet. L’aluminium est bien plus performant. Notez surtout la différence sur l’axe Z !!!!! Notez aussi les vibrations à hautes fréquences que le carbone induit un peu en-dessous de 250 Hz, qui n’existe même pas avec le bois. Il y a même des vibrations à basses fréquences, en-dessous de 50 Hz, qui sont rajoutées par le carbone (axe X et Z, vers 20 – 25 Hz). Cette plage de fréquence est cruciale pour la stabilité du vol, qui sera considérablement parasitée par de telles vibrations, car on ne peut pas filtrer ces fréquences via le logiciel. C’est la zone interdite ! Cela confirmait mes doutes. Le carbone, comme matériaux de bras, ça ne vaut vraiment pas mieux que le bois. Vous me direz qu’ici le test utilise un bras aluminium de plus grande section. Je n’ai simplement pas trouvé de bras carbone plus gros que 10 x 10. Par ailleurs, je ferai une mise à jour de cet article avec des bras alu 10 x 10 que je viens de recevoir. Mais déjà à main nue, il ne se tord pas du tout non plus, contrairement au carbone. Donc je m’attends aux mêmes résultats. A suivre…

Tels que sont conçus actuellement les bras de multicoptères, l’aluminium reste bien plus performant (en 13 x 13 du moins ici), et bien moins cher que le carbone. Ce dernier est populaire par effet de mode. Quand bien même, mes machines s’en passeront.

6 COMMENTS

  1. hello,
    quelle est la différence de poids par contre entre deux bras ayant la même destination d’usage entre carbone et alu ?
    genre du multicoptère compact, 250 à 450 max. j’ai cru lire ailleurs que la flexion des bras soulageait un peu l’ensemble moteur/hélices lors des grosses ressources. on s’en cogne ou faut y penser ?

  2. Bonjour,
    Je viens de parcourir les 3 épisodes traitant de l’équilibrage, et j’ai quelques questions:

    1) Je débute, et j’ai lu dans pas mal de forum que l’équilibrage des hélice était importante, donc j’essaie déjà de bien équilibrer mes hélices. Est ce que les vibrations lié au châssis et au déséquilibre des moteurs est aussi important que celui engendré par les hélices. En gros, est ce que ça vaut le coût de monter un banc d’équilibrage des moteurs par rapport au gain (confort et stabilité)?

    2) Sur la partie Silent bloc, J’ai compris que ça n’atténuait pas les vibrations mais que ce les déplaçait de fréquence, donc je n’ai pas très bien compris la conclusion. Faut il en mettre ou non?

    2) Est il possible de partager le code arduino et matlab. J’aimerai faire quelque test sur ma config.

    Merci d’avance

  3. Bonjour ddiscord,

    1) Equilibrer ses moteurs est, pour moi, aussi important que l’équilibrage des hélices, et permet d’avoir une meilleure « constance » du comportement vibratoire de ta machine, c’est à dire qu’entre deux jeux d’hélices (après en avoir remis une nouvelle à la place de l’autre, ou revisser la même qui s’est dévissé), tu pourras être sûr de pas avoir deux états vibratoires totalement différents. Cependant, des moteurs de bonnes marques seront toujours mieux équilibrer que des moteurs bas de gamme, minimisant la nécessite de faire cette équilibrage. Aussi, les contrôleurs de vol récents (Naze32 etc… à base de proc plus rapide qu’avant) sont maintenant beaucoup plus tolérants aux vibrations.
    Sur youtube tu trouveras des techniques variés pour rapidement équilibrer les moteurs. J’aime bien la technique qui utilise seulement le bruit du moteur pour positionner sa glue ou son scotch. La technique du serre-cable (Colson) pour moi est la pire. Je n’ai jamais rien mesuré de convainquant avec cette méthode. Pour les hélices, achète un équilibreur d’hélices ou « prop balancer ». Le mieux étant celui fait par la marque Dubro.

    2) Les silent bloc ca atténue surtout. Ca déplace les fréquences aussi, mais les atténue quand même. Cependant, mal choisi, ils font pire que mieux, et amplifient tout !

    3) Code Matlab et Arduino… je vais avoir du mal à te passer ça car je sais plus où c’est passer vu que je n’utilise plus Matlab pour ça, je suis passé sous Python pour des raisons de licence.
    Mais je te conseille plutot d’utiliser directement Cleanflight, tu peux lire directement les courbes de vibration.

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