Pourquoi Vent's nick ?

Photographie aérienne par Cerf-Volant :
Nacelle radio-commandée
(Partie 2/3)


1_INTRODUCTION / OBJECTIFS
2_Dispositif de prise de vue

2.1_Le porteur
2.2_Le support
2.3_La nacelle de prise de vue

3_Etude des principes mis en œuvre

3.1_Traction du porteur
3.2_La suspension pendulaire
3.3_La suspension elliptique
3.4_Choix du type de suspension
3.5_Radio commande
3.6_La Poulie

4_Réalisation

4.1_Suspension elliptique Picavet
4.2_Nacelle radio commandée

5_Choix de l’appareil de prise de vue
6_Coût du dispositif
7_La prise de vue
8_Photos prises avec le dispositif réalisé
9_Conclusion
10_Remerciements
11_Bibliographie


La nacelle radio-commandée

Comment réaliser des photographies aériennes à moindre coût ?

JP a fabriqué cette nacelle, vous pouvez découvrir sa réalisation en cliquant ICI.

La nacelle radio-commandée associée à un appareil photo numérique, un tandem d'enfer qui permet de multiplier les prises de vues et augmente considérablement les chances de réussite d'un bon cliché ...

La nacelle radio-commandée est construite à base de profilé alluminium et de servos moteurs utilisés en aéro modélisme.
Cette page est issue d'un TPE (Travaux Personnels Encadrés) de "terminale S" et donne le détail de sa construction.

Les principes physiques mis en oeuvre pour la prise de vue (décollage du cerf-volant, notions de tensions, effet pendulaire, stabilité du système, notion de fréquences radio, principes de radio-commande, notions de servo-moteur etc.) sont développés dans ce document.

Bonne lecture !

Encadrement du TPE :

M. Henon – Mme Michel – Mme Ghesquière

Membres du groupe TPE :

Olivier DRUESNE
Benjamin MALVOISIN
Rémi VANSNICKT


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Ornements.
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Rokkaku

1 INTRODUCTION / OBJECTIFS

La photographie aérienne est traditionnellement réalisée à partir d’un avion ou d’un hélicoptère. La mise en œuvre de ces appareils requiert, au minimum, un pilote et un photographe. Le coût de l’heure de vol est très important, le prix des clichés réalisés en est affecté.

La prise de vue depuis le cockpit d’un appareil nécessite de grandes précautions pour éviter les reflets gênant dans les vitres, une coordination parfaite avec le pilote pour trouver le bon angle de prise de vue avec des passages répétés au dessus des sujets à photographier.

Par ailleurs, il est rarement nécessaire d’effectuer les prises de vue à haute altitude. Une altitude de quelques dizaines de mètres permet, en effet, de révéler la présence de vestiges archéologiques au travers des traces formées au sol, de mettre en évidence l’importance de travaux à réaliser sur une digue endommagée par la mer, de voir sous un autre angle un bâtiment dans son environnement, d’exercer une activité de photographie d’art auprès de dame nature.

Bon nombre de photographes recherchent donc un moyen de prise de vue aérienne à moindre coût en utilisant un ballon captif ou un cerf-volant.

Comme nous le révèle cette introduction, les objectifs à atteindre en matière de photographie aérienne à basse altitude sont les suivants :

  • Etre en mesure de prendre des photos à quelques dizaine de mètres d’altitude.
  • Minimiser le coût de la prise de vue.

L’objet de ce TPE est d’étudier les principes mis en œuvre pour pratiquer la prise de vue aérienne, à basse altitude, à moindre coût.

2 Dispositif de prise de vue

2.1 Le porteur

Le matériel de prise de vue doit pouvoir atteindre l’altitude souhaitée, il est possible d’utiliser un ballon captif gonflé à l’hélium ou un cerf-volant, la force ascensionnelle se traduit par une force de traction exercée sur la ligne de retenue.

Les caractéristiques de l’appareil porteur doivent être les suivantes :

  • Force de traction suffisante pour embarquer le matériel de prise de vue.
  • Stabilité dans les airs.

Le cerf-volant ne pourra être utilisé que par un vent suffisant et stable.

Traditionnellement, les cerfs-volants les plus fréquemment utilisés sont des Rokkakus ou des Deltas.


Rokkaku

Delta

Nous ne développerons pas la construction de ces cerfs-volants dans ce document, des plans sont disponibles sur Internet.

Le ballon captif est généralement utilisé en complément du cerf-volant, les jours sans vent. Il s’avère également très utile dans les endroits difficiles d’accès ou nécessitant un décollage vertical (ex :en ville),ce qui est complètement impossible avec un cerf-volant.

Le principe de fonctionnement du ballon captif est le suivant : on gonfle un ballon à l’hélium, gaz non toxique et non explosif., on lui attache ensuite une nacelle motorisée permettant la prise de vue. Le tout est retenu au sol par un câble servant également à régler la hauteur.

Le ballon captif s’avère cependant difficile à mettre en place, car il nécessite de gonfler le dispositif à l’hélium avant chaque utilisation. Ceci rend également le coût assez élevé car l’utilisation de gaz ne peut se faire que dans des conditions de sécurité adaptées et donc grâce à l’utilisation de matériel spécifique.

2.2 Le support

Le support de l’appareil de prise de vue doit assurer :

  • L’horizontalité de l’appareil photo.
  • La possibilité de l’orienter horizontalement et verticalement.

Le support est composé de deux parties :

  • Une suspension qui est chargée de conserver l’horizontalité de l’appareil photo quels que soient les mouvements du porteur et d’assurer son accrochage à la ligne de retenue. Deux types de suspensions sont fréquemment utilisés : la suspension pendulaire et la suspension elliptique (Picavet).
  • Une nacelle qui supporte l’appareil photo, qui permet son déclenchement et qui autorise son orientation horizontale et verticale.

2.3 La nacelle de prise de vue

La prise de vue dépend du type de nacelle utilisé :

  • Nacelle manuelle : l’orientation de l’appareil photo et le retardement de la prise de vue sont réglés au sol puis le dispositif de prise de vue est envoyé dans les airs.
  • Nacelle radio commandée : l’orientation de l’appareil photo et la prise de vue sont pilotées depuis le sol alors que le dispositif de prise de vue reste en permanence dans les airs.

Dans l’optique de nos TPE nous avons décidé de privilégier l’utilisation de la nacelle radio-commandée. La réalisation de cette nacelle est plus coûteuse que la nacelle manuelle, cependant ce système permet de prendre des photos en laissant le dispositif en altitude. Cela permet un gain de temps considérable et donc un plus grand rendement.

Avec la nacelle manuelle, par expérience, nous étions capables de prendre six clichés par heure, avec le second procédé ce nombre est quasiment illimité car simplement déterminé par la mémoire de l’appareil photo numérique.

De plus, la nacelle radio commandée permet de régler l’orientation de l’appareil photo depuis le sol, et ainsi nous offre une meilleure précision des clichés pour centrer la cible. Cet avantage est à comparer au système manuel pour lequel tous les réglages s’effectuent au sol avant de lâcher l’ensemble du dispositif, et donc en cas de vent ou d’imprévus on ne peut plus intervenir sur l’orientation de la nacelle avant le déclenchement.

Il est possible d’équiper la nacelle radio commandée d’un dispositif de retour vidéo au sol. Le photographe est alors capable d’effectuer un cadrage comme s’il se trouvait derrière l’appareil photo.

D’autres dispositifs peuvent être embarqués, thermomètre, altimètre, anémomètre, ceux-ci permettent de transmettre les conditions de prise de vue.

3 Etude des principes mis en œuvre

3.1 Traction du porteur

 L’étude réalisée repose sur les objectifs suivant :

  • Etre capable de soulever une charge de 1kg.
  • Que l’angle formé entre le sol et la partie de la ligne située entre la nacelle et le sol soit d’au moins 30°.

Pour cette étude, on considère à la fois que le poids de la ligne de retenue est négligeable et que la ligne est tendue.

Le fait de surestimer le poids de la nacelle (1kg au lieu de 800gr) permet d’ignorer le poids de la ligne et le fait quelle est légèrement courbée :

Le schéma ci-dessous représente, de façon simplifiée, les forces qui s’exercent sur les portions de ligne :

Ce second schéma est utile pour calculer la tension (T2) nécessaire pour un équilibre entre les forces ne permettant pas le décollage de la nacelle :

Ce troisième schéma permet d’estimer la tension minimale (T2) nécessaire pour faire décoller le dispositif à au moins 30° selon l’inclinaison de la ligne, avant d’accrocher le cerf-volant :

  • L’angle varie donc dans l’étude et correspond à l’inclinaison de la ligne avant accrochage de la nacelle.
  • L’angle est fixé comme minimal à 30°.

3.1.1 Equilibre des forces

Suivant le cerf-volant utilisé l’inclinaison de la ligne varie généralement entre 40° et 70°.
L’étude se limite donc à cette fourchette :

Ce graphe montre, par exemple, que pour une ligne à 45°, la tension du fil doit être de 13,9 Newtons pour atteindre une position d’équilibre, la nacelle ne décolle pas.

3.1.2 Décollage de la nacelle

Nous voulons maintenant pouvoir faire décoller une nacelle de prise de vue (1kg). On estime que si la ligne reliant la nacelle au sol est au moins inclinée à 30° nous pouvons facilement prendre des photographies aériennes à une altitude suffisante sans dérouler des « kilomètres » de ligne.

Nous allons donc calculer les forces nécessaires pour être dans cette situation.(Cf schéma 3).

Ces courbes montrent, par exemple, que pour une ligne inclinée à 45°, sa tension (T2) doit atteindre, au minimum, 33 Newtons pour qu’on puisse y accrocher une nacelle. La ligne du cerf-volant sera brisée au niveau de la nacelle et l’angle « » formé par la ligne et le sol sera, au minimum, de 30 °.

Remarques :

Lorsque nous faisons voler un cerf-volant, dans la plupart des cas, le vent est suffisamment important pour ne pas à avoir à quantifier cette tension.

Si le vent nous paraît trop fort nous ne prendrons pas le risque d’abîmer le matériel.

Si la force de traction du cerf-volant porteur est trop proche de la tension minimale. Il faut chercher à augmenter la traction :

  • Changer le bridage : mécanisme qui permet de changer la prise au vent du cerf-volant et qui peut optimiser la traction.
  • Donner de la ligne au cerf-volant pour lui faire prendre de l’altitude : souvent le vent est plus important en altitude.

Si le vent est instable (variation de son intensité) et que la tension oscille autour de la tension minimale, il faut chercher à augmenter la traction comme expliqué précédemment.

Si le vent est turbulent (variation permanente de sa direction et de son intensité), quelle que soit la tension constatée sur la ligne de retenue, la suspension sera incapable de maintenir une position horizontale de la nacelle, la prise de vue sera impossible.

Il faut prévoir une ligne de retenue adaptée aux tensions qui lui sont appliquées et non au minimum trouvé. Dans la pratique, la ligne utilisée doit pouvoir résister à une tension très largement supérieure à la valeur trouvée car il faut prendre en compte le fait qu’il puisse y avoir des coups de vent et donc que la tension de la ligne puisse varier dans de très fortes proportions.

3.1.3 Comment mesurer cette force ?

Dans la plupart des cas, comme expliqué précédemment, nous n’avons pas besoin de la quantifier.

Dans les autres cas, 2 techniques nous permettent de la quantifier :

  • Utiliser un dynamomètre pour mesurer la tension qui s’exerce sur la ligne.
  • Utiliser un anémomètre qui permet d’apprécier la vitesse du vent.

La première technique permet de se référer aux courbes qui précèdent.

La deuxième technique permet d’établir une « table » des vitesses de vent nécessaires pour avoir une traction suffisante avec un cerf volant porteur donné. Cette table, basée sur l’expérience, permet de savoir quel cerf-volant utiliser selon la vitesse du vent mesurée.

Cette deuxième méthode est très avantageuse à long terme par rapport à la première car elle permet de choisir le cerf-volant tracteur en fonction du vent alors que la première implique que le cerf-volant a déjà été choisi et qu’il faudra en changer s’il ne convient pas.

3.2 La suspension pendulaire

3.2.1 Etude théorique

La courbe noire illustre la variation de l’angle et donc de l’amplitude d’un pendule au cours du temps. On constate que cette variation au cours du temps se répète identique à elle-même. C’est pour cette raison qu’on appelle ce régime : « périodique ».

Ce type de suspension ne peut convenir pour la prise de photographie aérienne, il faut absolument que l’ appareil photo soit stable et donc que le pendule soit à la verticale.

  • La courbe rouge visualise un amortissement continu et constant appelé amortissement visqueux à partir de ce même pendule. On constate que le régime se répète toujours au cours du temps, sa période a augmenté et l’amplitude du signal diminue progressivement. On appelle ce type de régime : « pseudo-périodique ».

Ce type d’amortissement est déjà adapté pour la photographie aérienne mais le retour à la verticale du pendule n’est pas assez rapide, une perturbation (coup de vent) peut facilement relancer le balancement de la nacelle, il faut donc amortir davantage le pendule.

  • Les courbes rouge et bleue correspondent à la rouge du graphique précédent. Elles traduisent un amortissement plus important et donc une stabilisation du pendule plus rapide mais le régime étant toujours pseudo-périodique le mouvement peut facilement se relancer par une secousse, il est donc peu fiable.

Pour des amortissements plus importants le comportement du pendule est différent. Celui ci, selon l’amortissement, peut retourner très rapidement à sa position stable ou au contraire, si l’amortissement est trop important, y tendre asymptotiquement.

La courbe bleue correspond à l’amortissement idéal pour l’application à une nacelle de prise de vue car l’amortissement est suffisamment important pour ne pas avoir un régime pseudo-périodique et pour que le retour à la verticale soit rapide, l’amortissement est dit critique. Ce type de régime est appelé : « apériodique ».

Avec ce type de pendule, une fois stabilisé, la photographie aérienne est possible et toute secousse est rapidement absorbée par l’amortissement.

La probabilité est forte de prendre des photos horizontales et nettes.

  • La courbe rouge correspond à un amortissement trop important pour notre application, l’amortissement est dit sur critique. Le retour à la verticale est trop long mais n’est pas périodique. On appelle ce régime : « apériodique »./li>

3.2.2 Synthèse

On peut donc utiliser un pendule à régime critique pour prendre des photographies aériennes mais celui ci ne convient pas dans toutes les situations. Si le vent est trop turbulent, le pendule est inefficace et la prise de vue est impossible.

Dans la pratique, il est souvent difficile de concevoir l’amortissement idéal et les cerf-volistes complètent souvent leur suspension pendulaire de dispositifs annexes pour tenter de la stabiliser tels que voile ou arc stabilisateur. Ces dispositifs rendent le système plus complexe et plus lourd.

3.3 La suspension elliptique

3.3.1 Concept de base

Lorsque la masse suspendue se déplace de gauche à droite, la somme des longueurs AC et BC reste constante. Si un mouvement latéral est associé à ce déplacement, un point « P » de la masse suspendue va décrire une trajectoire elliptique avant de retrouver l’équilibre.

C‘est ce principe mathématique qui est à l’origine du nom de cette suspension. On lui donne aussi le nom de suspension Picavet du nom de son inventeur « Pierre Picavet ».

3.3.2 Expérimentation / synthèse

Nous avons expérimenté le comportement de notre suspension en fonction de sollicitations externes et de l’angle « C ». Il s’agissait de mesurer la possibilité de glissement de la croix de suspension sur ses lignes, de vérifier la stabilité du système et d’apprécier l’horizontalité retrouvée.

Si le glissement est insuffisant, la nacelle s’immobilise avant le retour à la position horizontale.

S’il est trop important, le point d’équilibre peut être dépassé, les frottements empêchent ensuite le retour à l’horizontale.

Si l’angle « C » est trop étroit, un mouvement pendulaire perturbe la possibilité de retour à la position horizontale. Plus cet angle augmente et plus l’effet pendulaire disparaît.

Le tableau de synthèse qui suit résume nos constats :


Il découle de ce tableau qu’un bon compromis existe pour un angle « C » de 60°.

3.4 Choix du type de suspension

Les deux suspensions sont prévues pour amortir les balancements longitudinaux. Les oscillations transversales ne sont pas amorties.

Pour les oscillations longitudinales, la nacelle accrochée à un pendule s’incline avec lui et perd sa position horizontale, la suspension Picavet, bien qu’elle oscille un peu, reste toujours plus ou moins à l’horizontale.

La suspension pendulaire est à réserver au cas particulier du porteur qui se stabilise à une position très verticale par rapport au point d’accrochage car, dans ce cas, il est impossible d’y accrocher une suspension elliptique. Dans les autres cas la suspension elliptique est la mieux adaptée.

Pour notre expérimentation nous disposons d’un cerf-volant de type Delta de 4 mètres d’envergure, l’angle de vol est compatible avec la suspension elliptique, nous l’avons donc privilégiée à la suspension pendulaire.

3.5 Radio commande

3.5.1 Les ondes

Dans la nature, de nombreuses sources émettent de l’énergie sous la forme d’ondes électromagnétiques, ces sources peuvent être naturelles :

- Soleil (Ultraviolets + Lumière Visible + Infrarouges).
- Les Volcans (Infrarouges)
- Le Feu (Infrarouges)
- Ou encore la Terre elle-même (Ondes Statiques)

Ou artificielles (C'est-à-dire produites par des appareils) :
- Les téléphones portables (fréquences radioélectriques, statiques)
- Les écrans : télévision, ordinateurs… (Infrarouges, fréquences radioélectriques, statiques)
- La radio (fréquences radioélectriques, statiques)
- Les fours à micro-ondes (fréquences radioélectriques, statiques)
- Les lignes à hautes tensions (basse fréquence de 50/60 Hz)
- Appareils électriques : rasoir, sèche-cheveux… (basse fréquence de 50/60 Hz, statiques)
- IRM : imagerie médicale (statiques, fréquences radioélectriques)
- Les radars (fréquences radioélectriques)
- Les communications par satellite (fréquences radioélectriques)
- Les systèmes de transmission de données : télécommandes (Infrarouges, Ondes à très hautes fréquences)
- Les arcs de soudure (UV, visibles, IR, statiques)
- Les photocopieurs (UV, visibles, IR, statiques)
- Lampes à incandescence et fluorescentes (UV, visibles, IR, statiques)
- Fours à métaux ou à verre (IR, statiques)
- Alarmes anti-intrusion (fréquences radioélectriques, statiques)
- Sources de chaleur : radiateurs, matériel de séchage (IR, statiques).

Dans le cadre de nos TPE, nous utilisons une radio télécommande pour contrôler les servomoteurs placés dans la nacelle et ainsi obtenir le plus possible de photos réussies. Etudions donc le système de transmission par télécommande que nous utilisons.

3.5.1.1 Caractéristiques des ondes émises par la radio télécommande :

Les radios télécommandes émettent des ondes de l’ordre des très hautes fréquences (entre 30 et 300 MHz). Toute onde est caractérisée par sa double périodicité :

- Sa périodicité spatiale (encore appelée longueur d’onde, notée ? et exprimée en mètres)
- Sa périodicité temporelle (notée T et exprimée en secondes).

Déterminons cette double périodicité dans le cas de notre télécommande :

- La fréquence affichée sur la boîte est de 41 MHz soit 41 000 000 de Herz. Calculons sa période temporelle en sachant que la fréquence est égale à l’inverse de celle-ci : F=1/T donc T=1/F=1/41 000 000?2.4×10^-8 soit une période de l’ordre de 24 ns.

- Ces ondes se déplacent à la vitesse de la lumière donc leur célérité est égale à 300 000 km/s. Utilisons la relation c(m/s)= ?(m)×F(H) pour déterminer la période spatiale caractéristique de cette onde, on obtient ?=c/F=(3×10^8)/(41×10^6) ?7.32 m.

L’onde radio émise par notre télécommande a donc une fréquence de 41 MHz, une période temporelle de 24 s et une longueur d’onde de 7.3 Mètres.

Représentons cette onde par un schéma légendé :

3.5.1.2 D’Où vient cette onde ? A quoi sert-elle ?

Le Dispositif mis en place comporte un émetteur (La Radio télécommande) et un récepteur (L’antenne reliée aux servomoteurs), le principe est simple, il s’agit d’envoyer une information de l’émetteur vers le récepteur pour obtenir une réaction sur les servomoteurs, ce transfert se fait par l’intermédiaire des ondes.

Fonctionnement :

Emission : La télécommande est constituée d’un émetteur qui génère une onde basse fréquence appelée « signal modulant » contenant l’information nécessaire pour faire réagir le servomoteur. Puis l’oscillateur génère une onde à haute fréquence chargée de transporter la première, cette onde est dite « porteuse ».

Une fois les deux ondes créées, un modulateur intervient pour « imprimer » le signal modulant sur l’onde « porteuse ». Enfin, dernière étape, un amplificateur haute fréquence transmet un signal amplifié à l’antenne.

Une antenne émettrice de radio est en fait un conducteur métallique dans lequel on fait passer des courants à très haute fréquence. Les électrons dans l'antenne, font donc des allers-retours très rapides, et cela crée un champ électromagnétique qui se propage sous forme d’ondes radio.

Réception : L’antenne du récepteur reçoit l’onde, les antennes réceptrices sont simplement des conducteurs métalliques : quand l'onde radio arrive, elle met les électrons du métal en mouvement, exactement au même rythme que bougeaient les électrons dans l'antenne émettrice. En effet, une onde radio est un champ électromagnétique, auquel les électrons sont sensibles. Le champ électrique notamment est susceptible de les mettre en mouvement.

Ce mouvement, un courant électrique, peut être récupéré, amplifié, filtré, pour en ôter l'onde porteuse et extraire l'information.

Le circuit de réception stocke ensuite l’onde reçue, il est accordé sur la fréquence de l’onde porteuse. Puis, exactement à l’inverse du circuit d’émission, un démodulateur intervient pour séparer les deux ondes, il supprime ainsi l’onde porteuse pour ne transmettre que le signal modulant qui actionnera le servomoteur.

3.5.1.3 Modulation, démodulation, pour quoi faire ?

La réception d'un signal nécessite des antennes dont les dimensions dépendent de la longueur d'onde du signal (en général de l'ordre de l / 2).

Un signal haute fréquence HF sera facilement transmissible car il correspond à des fréquences F > 100 MHz soit des longueurs d'onde l = c / F donc l < 3.108 =3m, soit une antenne de longueur inférieure à 3 m . Par contre, pour les signaux BF ( f < 20 Hz) la longueur d'onde sera beaucoup plus grande et cela nécessiterait des antennes démesurées et le signal serait rapidement atténué. Exemple : Pour f = 10 Hz, l = 3.104 m soit une antenne de 15 Km. Le but de la modulation est de translater le spectre d'un signal B.F vers les H.F pour pouvoir le transmettre facilement par voie hertzienne. Deux types de modulation sont possibles : Modulation de fréquence ou d’amplitude.

Ainsi, grâce à la modulation, il est possible de transmettre un signal modulant B.F avec une antenne normale.

3.5.2 Le servomoteur

3.5.2.1 Principe de fonctionnement

Le servomoteur est constitué de 4 composants :


Un étage de démultiplication

Le moteur à courant continu est commandé par l’électronique (asservissement), sa vitesse de rotation et sa puissance sont telles qu’il n’est pas possible de l’utiliser directement.

L’étage de démultiplication permet de réduire cette vitesse et apporte le couple nécessaire sur le pignon de sortie du servomoteur.

Le pignon de sortie du servomoteur est solidaire de l’axe d’un potentiomètre, la possibilité de rotation de ce potentiomètre est réduite, un servomoteur n’est donc pas conçu pour permettre une rotation à 360°.

L’électronique utilise le signal reçu et l’associe à la valeur de la résistance mesurée sur le potentiomètre pour asservir le servomoteur. Le signal reçu correspond à une impulsion dont la durée peut être comprise entre 0.9 et 2.1ms, cette impulsion est répétée toutes les 20ms.
Une impulsion de 0.9ms provoque une rotation jusqu'à la position extrême gauche (A) du potentiomètre, une impulsion de 2.1ms le fait tourner jusqu'à l'extrême droite (B). Avec 1.5ms il revient au centre.

En fait, la résistance aux bornes du potentiomètre varie en fonction de la position de l'axe du pignon de sortie, la résistance du potentiomètre est en rapport avec la durée du signal :

  • S'il reçoit une impulsion de 2.1ms il va tourner jusqu'à ce que la résistance entre le curseur et l'extrémité « A » du potentiomètre soit maximale.
  • S’il reçoit l'ordre de se déplacer à la position médiane (1.5ms), le moteur va tourner jusqu'à ce que les résistances entre le curseur du potentiomètre et les 2 extrémités A et B soient identiques.
  • S'il reçoit une impulsion de 2.1ms il va tourner jusqu'à ce que la résistance entre le curseur et l'extrémité « B » du potentiomètre soit maximale.

La vitesse de rotation d’un servomoteur est variable, plus la durée de l'impulsion est proche de 1.5ms et plus la vitesse de rotation est faible.

Nos servomoteurs ont les caractéristiques suivantes :

Servomoteurs S3003
Alimentation 4,8 ou 6V
Consommation 8 mA
Puissance 3,2 kg
Vitesse 0,23 secondes / 60°
Dimensions 40,4 x 19,8 x 36 mm
Poids 37,2 g

3.5.2.2 La rotation à 360°

Il existe plusieurs techniques de modification du fonctionnement d’un servomoteur pour obtenir une rotation à 360°.

Le principe de base consiste à désolidariser l’axe du potentiomètre du pignon de sortie :

En remplaçant le potentiomètre par deux résistances de même valeur, ou en coupant l’axe du potentiomètre.

Le modèle du servomoteur que nous avons utilisé nous a permis d’effectuer cette modification en poussant simplement cet axe à l’intérieur du boîtier du servomoteur :

Cette modification n’est pourtant pas suffisante car un mécanisme protège le potentiomètre. Un ergot situé sur le pignon de sortie vient en butée sur le boîtier, il faut supprimer cet ergot :

Lorsque cette modification est effectuée, le servomoteur tournera dans le sens demandé, sans limite angulaire. Le retour du manche de la télécommande en position neutre correspondra à la position neutre du potentiomètre qui est figée, le moteur s’arrête simplement de tourner.

3.6 La Poulie

Ici la poulie n’est pas utilisée pour ses vertus de démultiplication des forces mais comme un objet pour simplifier les manœuvres. Elle permet de limiter les frottements lors de l’abattage du cerf-volant, évite de se brûler les mains et limite les efforts nécessaires pour ramener un cerf-volant au sol.

Néanmoins comment expliquer qu’il soit plus facile de rabattre un cerf-volant avec une poulie plutôt que de rembobiner la ligne du cerf-volant à chaque manipulation ?

Dans ce schéma la force T2 ne change pas lorsque l’on rabat le cerf-volant, il faut donc grâce à la poulie, appliquer une force qui rétabli l’équilibre tel que la nouvelle force T’1 soit horizontale et P (force exercée par la poulie) soit verticale.

Les forces noire et jaune sont opposées mais de même valeur pour un angle donné.

Noir = T2
Rouge = T’1
Vert = P
Jaune = T1

Ainsi par exemple pour une ligne de cerf-volant à 45°, la force nécessaire pour le rabattre correspond à 70% environ de celle que le cerf-volant exerce sur la ligne.
Il est donc plus facile de rabattre un cerf-volant en utilisant une poulie plutot que de tirer le cerf-volant lui même.

4 Réalisation

4.1 Suspension elliptique Picavet

La suspension elliptique est communément appelée suspension Picavet du nom de son inventeur, Pierre PICAVET, né à Lille (1892 – 1973).

Pierre Picavet a mis en œuvre cette suspension dès 1912. Très en vogue aux Etats-Unis, elle est peu utilisée en France.

La suspension Picavet comporte deux points d’attache "A" et "B" situés sur la ligne de retenue du cerf-volant, une croix de suspension est utilisée pour fixer la nacelle de prise de vue :

L’accrochage de la suspension Picavet à la ligne de retenue est réalisé par enroulement de la ligne sur des crochets en forme de « porte-manteaux » :

La croix de suspension est réalisée à partir d’une bande d’aluminium de 5 cm de large, 2 formes identiques sont découpées et rivetées pour former la croix :

Chaque extrémité de la croix est percée d’un trou destiné au passage d’un piton fermé :

Le trou central est destinéà la fixation de la nacelle :

Vue du support de rangement de la suspension et de l’accrochage de la ligne de la suspension aux « portes-manteaux » via un mousqueton :

4.2 Nacelle radio commandée

La nacelle radio-commandée a été réalisée à partir de :

  • Profilé aluminium en « L » 20 x 30 mm, épaisseur 2 mm.
  • Aluminium plat largeur 50 mm, épaisseur 1mm.
  • Tube aluminium diamètre 8 mm.
  • Tube aluminium diamètre 10 mm.
  • Vis 4 x 50 mm.
  • Vis 3 x 10 mm.
  • Rivets « Pop ».
  • Radio-commande 4 voies (Futaba Skysport T4YF), 3 servomoteurs (S3003).
  • Roues dentées, rapport 1 x 4.

Appareil de prise de vue (Canon PowerShot A400).

L’ensemble de ce matériel a été choisi pour limiter, autant que possible, le poids du dispositif.

4.2.1 Affectation des canaux de la radio-commande

La radio-commande est conçue pour le pilotage d’un avion, les 4 canaux disponibles commandent les fonctions suivantes :

CH1 : Ailerons
CH2 : Profondeur
CH3 : Gaz
CH4 : Direction

Pour couvrir nos besoins nous avons choisi :

Rotation horizontale : CH1, ailerons
Déclenchement : CH2, profondeur
Inclinaison verticale : CH3, gaz

4.2.2 Les inverseurs

La radio-commande est pourvue d’inverseurs de servomoteurs, ces inverseurs sont à positionner après assemblage de la nacelle et permettent de mettre en correspondance le sens de déplacement du manche de la radio commande avec le mouvement provoqué sur la nacelle.

4.2.3 Les « Trims »

A chaque canal de la radio commande est associé une commande de Trim. Cette fonction est destinée à affiner la position d’un servomoteur.

4.2.4 La construction de la nacelle en images

La nacelle est composée de 3 parties :

  • Le berceau de l’appareil photo (inclinaison et déclenchement de l’appareil photo).
  • Le cadre extérieur.
  • Le système de rotation.

Les pièces sont percées, collées et rivetées (rivets « pops » en aluminium).

Pour la construction de la nacelle, il faudra particulièrement veiller à équilibrer les masses.

Le poids total de la nacelle, en ordre de marche, reste inférieur à 1 Kg, une charge qui permet d’utiliser un cerf-volant porteur de taille raisonnable.

Vue générale de la nacelle pré-assemblée (vis sur-dimensionnées, twists, scotch) :

Le berceau de l’appareil photo :

1) Des entailles sont découpées aux points de pliage du profilé d’aluminium.

2) Utiliser un étau et un marteau pour plier.


3) Découper des équerres pour renforcer les angles.

4) Coller et riveter ces équerres (rivets pop)


5) L’équerre en haut à gauche a été découpée pour dégager de la place pour le servomoteur.

6) Le logement du servomoteur de déclenchement est découpé, les angles vifs sont arrondis.

7) Le support de l’appareil photo est découpé dans du plat d’aluminium il est collé et riveté sur la partie basse du berceau.

8) Une cale de type « rondelle ouverte » est découpée, elle est destinée à compenser la différence d’épaisseur située sous le support de l’appareil photo.


9) Le trou qui laisse un passage à la vis de fixation de l’appareil photo est percé, la cale d’épaisseur est collée.


10) la partie droite du berceau est percée : axe de rotation du servomoteur d’inclinaison, le trou central laisse un passage à la vis de fixation du palonnier sur le servomoteur.

11) Le système de déclenchement est dit « à bascule ». Nous avions prévu de l’actionner avec un élastique, cela n’a pas fonctionné car le déclenchement nécessitait une force de pression trop importante.

12) Le servomoteur de déclenchement est relié à l’extrémité de la bascule par une tringle (fil de fer).

Détail du système de déclenchement.
 
     
Le cadre extérieur :

Ce cadre est fabriqué de la même manière que le berceau de l’appareil photo :

1) Des entailles sont découpées aux points de pliage du profilé d’aluminium.

2) Utiliser un étau et un marteau pour plier.

3) Découper des équerres pour renforcer les angles.

4) Coller et riveter ces équerres (rivets pop).


Pour découper les logements des servomoteurs utiliser une scie, un petit foret et une lime.

Un gabarit de perçage est utilisé pour percer, à l’identique, la partie supérieure du cadre extérieur et le support du système de rotation.

Le cadre extérieur surmonté du support du système de rotation.

L’interrupteur de mise sous tension de la nacelle

Passage du support de l’antenne au sommet du support du système de rotation.

L’antenne est enroulée le long d’un tube en fibre de carbone, un sandow permet sa mise en place lors de l’utilisation de la nacelle.

     
Le système de rotation :

2 tubes aluminium (Diamètres 10 et 8 mm), une vis de diamètre 4 mm, une roue dentée, une rondelle et un écrou.

1) Le tube de 8 mm est enfoncé « en force » dans celui de 10 mm, la vis passe à l’intérieur du tube de 8mm, sa tête est limée pour permettre son introduction dans le tube de 10 mm.


2) C’est cet ensemble qui doit être enfoncé en force dans le tube de 10 mm.

3) Les tubes sont découpés aux dimensions requises (coupe tube de plomberie).

4) Un tube de 8 mm qui sera utilisé pour fixer la nacelle sur la suspension Picavet est introduit dans le tube de 10 mm (à gauche sur la photo).

5) un trou est percé, un clou à tête « homme » va être utilisé en tant que rivet pour solidariser les tubes.


6) La tige de 8 mm traverse le support du système de rotation.

7) Une tige filetée de 8 mm est rivetée à l’extrémité : accrochage à la croix de suspension Picavet.


8) L’emplacement du servomoteur de rotation a été découpé, le système de rotation est assemblé.
Le servomoteur utilisé pour la rotation de la nacelle est équipé d’une petite roue dentée, nous avons choisi un rapport ¼ entre les deux roues dentées.

Compte tenu de la vitesse de rotation des servomoteurs utilisés, ce rapport permet d’effectuer un tour complet en un peu plus de 5 secondes.

Cette vitesse est à la fois suffisamment rapide et suffisamment lente pour positionner de façon rapide et précise la nacelle.

Vues de la nacelle terminée :

Des bandes auto agrippantes sont utilisées pour maintenir les batteries et le récepteur.
Des colliers de serrage canalisent les câbles.
Des vis plus courtes immobilisent les servomoteurs.

Rangement en valise.

5 Choix de l’appareil de prise de vue

Compte tenu de la baisse des prix des appareils photos numériques, il devient maintenant possible de profiter des avantages suivants :

  • Poids et encombrement réduit.
  • Grand nombre de prise de vue.
  • Possibilité de visualiser les vues, sur « le terrain », grâce à l’écran LCD.
  • Sortie « Tv » qui peut être utilisée comme signal source à transmettre au sol (transmission vidéo).

Notre choix s’est arrêté sur le premier prix de la gamme Canon, le PowerShot A400 à 3,2 millions de pixels, cette résolution autorise des tirages papier en 18 x 24 voire 20 x 30, ce qui est déjà très convenable.

6 Coût du dispositif

La radio commande. 200 €
Aluminium et accessoires pour la réalisation de la nacelle et la suspension Picavet. 20 €
Appareil de prise de vue. 160 €

Le coût total pour pouvoir prendre des photographies aériennes est donc de 380 € ce qui parait cher mais c’est un dispositif à moindre coût en comparaison du prix et des contraintes que les autres méthodes impliquent. A titre d ‘exemple le site http://www.ign.fr propose une photographie aérienne de votre quartier, les tarifs vont de 36 à 225 € pour une seule photo.

7 La prise de vue

Avant de partir sur le terrain :

  • Disposer de batteries chargées (Appareil photo, nacelle, émetteur).
  • Vérifier les conditions climatiques absence de pluie, vent suffisamment fort et stable.

Consignes de sécurité :

  • Ne pas mettre en œuvre la radio commande à moins de 3 km d’un autre terrain fréquenté par des aéromodélistes.
  • Si la nacelle a un comportement inattendu il y a peut-être interférence avec un autre utilisateur de radio commande.
  • Attention au public, la charge qui est suspendue pèse près de 1 Kg.
  • Attention aux obstacles : arbres, lignes électriques etc.

Installer la nacelle :

  • Lancer le cerf-volant tracteur.
  • Vérifier que la force de traction est compatible avec le poids de la nacelle.
  • Vérifier la stabilité du vent et du cerf-volant.
  • Rabattre la ligne du Cerf volant jusqu’au point d’accrochage de la nacelle.
  • Mettre en place la suspension Picavet.
  • Fixer la nacelle sur la croix de la suspension Picavet.

Mettre sous tension :

  • Allumer l’émetteur.
  • Puis allumer le récepteur de la nacelle.
  • Déployer l’antenne de l’émetteur.

Vérifier le fonctionnement de l’ensemble de prise de vue :

  • Vérifier l’accrochage de la suspension Picavet sur la ligne.
  • Vérifier la fixation de la nacelle sur la suspension, fixation des éléments constituant la nacelle, fixation appareil photo etc.
  • Actionner les manettes de l’émetteur, vérifier que la nacelle répond bien aux ordres donnés.
  • Affiner les réactions des servomoteurs avec les commandes de « Trim » si nécessaire.

Prise de vue :

  • Lâcher de la ligne afin que la nacelle atteigne la hauteur souhaitée.
  • Cadrer le sujet à photographier.
  • Déclencher la prise de vue.
  • Faire varier légèrement le cadrage pour multiplier les chances d’un cadrage correct, ne pas hésiter à « griller de la pellicule », elle est virtuelle !
  • Ramener la nacelle au sol, contrôler les vues en utilisant l’écran LCD, recommencer la prise de vue si nécessaire.

Mise hors tension :

  • Replier l’antenne de l’émetteur.
  • Eteindre le récepteur de la nacelle.
  • Puis éteindre l’émetteur.

8 Photos prises avec le dispositif réalisé

Rendez-vous sur la galerie photo


en un click sur l'image.

9 Conclusion

Grâce à une recherche documentaire importante ainsi qu’aux excellents conseils d’un cerf-voliste amateur, nous avons pu réaliser ce projet qui nous tenait à cœur.

Nous avons construit la nacelle de prise de vue, étape par étape, en parallèle avec le dossier et nous pouvons maintenant prendre des photographies de nos lieux préférés vus du ciel. Nos objectifs sont parfaitement atteints.

L’utilisation d’un appareil photo numérique nous ouvre la possibilité d’une transmission vidéo vers le sol. Ce dernier perfectionnement nous permettrait d’assurer un meilleur cadrage lors des prises de vues.

10 Remerciements

Merci aux personnes qui nous ont aidé à réaliser ce projet :

  • A notre équipe de tuteurs qui a su nous conseiller,
  • Aux parents de Rémi qui ont accepté de financer le projet,
  • A Mr Vansnickt que nous avons interviewé et qui nous a guidés pendant toute la phase de réalisation.

11 Bibliographie

Pierre Picavet : http://cerfvolantancien.free.fr/picavet/cerf-voliste.htm

Simulation des pendules simples et amortis :

http://www.walter-fendt.de/ph11f/pendulum_f.htm et http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/meca/pendule.html

Radio commande, servomoteurs, roues dentées : http://www.conrad.fr

Notre prochain objectif : automatiser une nacelle,
cliquer ICI pour visualiser la partie 3 de nos pages consacrées à l'aérophotographie.


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  Dernière mise à jour le jeudi 24 mai 2007 10:12