Ce drone est un projet Open source, créé par deux amis californiens, Eric Stackpole et David Lang, qui a vu le jour grâce au site de crowdfunding Kickstarter. Après une campagne qui leur a permis de récolter 100 000 $, les deux compères ont réussi leur pari : fabriquer un engin prêt à l’emploi à un coût très faible. Le National Geographic leur a même apporté un soutien.
La présentation du système étudié est portée sur la version 2.8 de l’OpenROV.
Contexte du produit
Le drone sous-marin OpenROV est petit et léger, tout en étant capable d’atteindre des zones exigües grâce à sa grande maniabilité. Le mot OpenROV (Open Source Remote Operated Vehicle) vient de l’anglais signifiant véhicule sous-marin contrôle à distance. Il est à la base d’une idée collective d’une communauté se passionnant pour le téléguidage des robots.
Ce drone étant un véhicule sous marin télécommandé par filoguidage, pouvant être utilisé à des fins d’exploration subaquatique que cela soit à vocation scientifique, photographique ou éducative.
Ce robot peut être entièrement construit voir usiné par les utilisateurs grâce aux ressources mises en libre accès sur le site internet du drone ou sur son wiki.
L’OpenROV a été conçu afin de pouvoir fonctionner en eau douce, saumâtre ou encore salée, mais pas dans une zone de fort courant, ni en présence d’algues filamenteuses. Il peut éventuellement être en fonctionnement dans le noir et en eau turbine.
Ce drone offre donc la possibilité à ses utilisateurs de faire participer des observateurs n’ayant pas les moyens ou l’occasion de faire de la plongé sous-marine, pour de la découverte d’épave, de la faune et de la flore subaquatique. Grâce à la possibilité par le pilote de montrer la biodiversité existant dans les profondeurs des étendues d’eau par une caméra embarquée dans le drone et étant affiché en temps réel sur un écran d’ordinateur ou de télévision. Il offre aussi la possibilité d’accompagner des plongeurs dans leur exploration et ainsi passer dans des endroits non accessibles par eux.
Comme évoqué précédemment le guidage du drone sous l’eau se fait par un ordinateur qui sert de relais pour la télécommande, branchée par une liaison filaire Ethernet sur le drone. Cela permet au pilote de contrôler le robot à la surface.
L’utilisation du drone
Les concepteurs du drone sous marin ont prévu lors de la conception différents cas de figure lors du pilotage et de l’entretien de ce système que ce soit au niveau de ses paramètres de navigation, de sa maintenance ou de son utilisation une fois en immersion.
Séquence de la plongée sous-marine
Le message paramétré la plongée correspond au chargement du programme dans la carte de contrôle du système via la connexion filaire reliée à un ordinateur.
Une fois le programme dans la mémoire du drone, le pilote commence à amorcer la descente de l’OpenROV vers le fond océanique grâce au pilotage des moteurs commandés par la télécommande.
La transmission ainsi que l’enregistrement de la vidéo commencent une fois la connexion avec l’ordinateur effectué. Cela permet au pilote de diriger le drone.
La diffusion des données de navigations affichées sur l’interface graphique de l’écran d’ordinateur, aide le pilote a connaître la température de l’eau le ph, le temps de plongée, le niveau d’énergie des batteries, la vitesse du drone ainsi que sa profondeur et son cap.
Les exigences du système
En partant du constat que le drone sous-marin doive pouvoir être petit, léger et maniable afin d’explorer des endroits exigus tels que des grottes, des cavernes ou des crevasses subaquatiques. Les concepteurs ont fait un état des lieux sur la constitution des robots sous-marins déjà existants. Ces derniers étant beaucoup plus volumineux et chers à l’achat, il a été constaté que ce type d’appareil comprenait :
- Une structure, le plus souvent métallique, permettant de protéger le robot du milieu aquatique extérieur.
- Une alimentation, lui permettant d’être autonome en énergie.
- Une carte de contrôle, gérant l’ensemble de la connectique à son bord.
- Des caméras, servant à s’orienter une fois immergé dans l’eau.
- Des propulseurs, permettant de se propulser sous l’eau
- Des instruments de mesure, mesurant la pression de l’eau, sa température, sa position GPS, sa profondeur.
- Un système d’éclairage.
Éléments constituant le système
Les éléments constituants le système du drone sont de deux types : les éléments extérieurs au drone et les éléments de ce dernier.
On peut compter comme constituants à l’extérieur du robot :
L’ordinateur et le contrôleur de jeux vidéo : permettant de contrôler et de piloter le drone une fois en immersion ainsi que (et) d’afficher la vidéo filmer par la caméra sur le moniteur de l’ordinateur.
Un adaptateur Ethernet, connectant l’ordinateur et le drone par un câble de 100 m, se trouvant à la surface.
Structure du drone
La structure du drone sous-marin est faite dans des matériaux résistants à la corrosion. Ce robot est composé :
- D’une coque faite en polypropylène, servant de châssis au drone,
- de deux tubes de batterie faite en acrylique, protégeant les batteries,
- d’un tube de batterie, protégeant toute l’électronique embarquée.
La carte de contrôle
La carte de contrôle fait la liaison entre les différentes parties opératives du drone et la partie commande située à la surface, reliée par un câble Ethernet de 100 Mb/s. En effet, elle contrôle les capteurs et les actionneurs tels que les trois moteurs, les servomoteurs, les lumières, la boussole et les lasers infrarouges.
La communication entre la carte de contrôle, les actionneurs et les capteurs se fait par un connecteur DB25 branché en série.
De plus cette carte est en charge de transmettre les données utiles au pilote comme la profondeur, la vitesse des moteurs, la température de l’eau, sa position ainsi que son énergie disponible. La carte de contrôle est protégée en étant installée et fixée dans le tube de batterie.
Le bloc moteur
Le bloc moteur propulse le drone dans l’eau que cela soit en tangage, roulis ou lacet, grâce à la présence de trois moteurs, brushless puissant et léger, chacun équipé d’une hélice.
Le bloc vidéo
Le bloc vidéo observe les fonds sous-marins une fois le drone en immersion. Il transmet aux utilisateurs restés en surface des données observables comme la faune et la flore océanique. Grâce a cette camera embarquée, le pilote peut voir les obstacles se tenant devant le drone et ainsi mieux réagir en conséquence.
La vidéo retransmît en direct est réalisée par une webcam en haute définition pouvant s’orienter verticalement par un servo moteur.
De plus ce bloc contient pour les grandes profondeurs, où la luminosité est en baisse, quatre LED blancs peuvent être allumées à l’intérieur du drone et deux à l’extérieur de celui-ci.
Afin de protéger l’ensemble de ces composants électroniques, le bloc vidéo est situé dans le tube en acrylique.
Le bloc boussole
Le bloc boussole est un capteur à faible coût mesurant avec précision la profondeur, le cap, le roulis et le tangage.
La boussole est protégée par un petit boitier, qui est intégré au milieu de la coque.
Le bloc laser
Le bloc laser est un capteur mesurant une distance, ainsi que la température de l’eau par une diode laser infrarouge.
Ce composant électronique est protégé par le tube en acrylique.
Le bloc d’alimentation
Le bloc d’alimentation, alimente le drone en énergie électrique, afin qu’il soit autonome en énergie, par des batteries rechargeables en fer-phosphate de lithium (FePO4).
L’alimentation des batteries est protégée par deux tubes de batterie dont chacun contient trois piles.
Afin de faciliter la recharge des accumulateurs, un bouchon de batterie avec un joint d’étanchéité a été prévu sur chacun des tubes.
Algorithme et programmation
Algorithme
Afin de faire fonctionner le drone dans des conditions optimum et standard d’utilisation les concepteurs ont prévu des algorithmes de programmation permettant de répondre au cahier des charges établies.
En effet le premier d’entre eux est l’initialisation sur l’ordinateur, initialisant :
- L’interface graphique ou GUI,
- La prise en charge du réseau par protocole TCP-IP,
- Le temps à zéro, commençant à le compter.
S’en suit de l’algorithme de l’interface graphique, permettant l’affichage des données de navigations, de gestion de l’énergie des batteries, de la vitesse de connexion, de la vidéo, de la gestion de la lumière et du cap du drone. Cette interface est entièrement paramétrable par le pilote.
L’algorithme des données de navigation mesure :
- La profondeur et le cap du drone,
- La température et le ph.
Langage de programmation
Afin d’assurer le séquencement des algorithmes de programmation, le choix porte sur deux langages de programmation :
- Le langage C++, pour sa compatibilité avec la technologie Arduino dont sont équipés les composants électroniques du drone.
- Le langage Java permet de paramétrer l’interface graphique sur de multiple système d’exploitation (Linux, Debian, Windows X, Mac OS…)
La copie sur la carte de contrôle de l’OpenROV du programme en C++ se fait via le câble Ethernet branché sur le l’ordinateur.
L’interface graphique
Voici deux interfaces graphiques possibles, ci-dessous.
La première d’entre elles met en avant la vidéo avec le minimum de donnée de navigation avec la profondeur, le cap, la boussole, le temps de navigation, la date et l’état de la batterie. Ces données sont des informations nécessaires au pilote du drone.
Grâce à ce choix, les observateurs peuvent suivre l’évolution de l’OpenROV dans le fond sous-marin aisément.
Le deuxième type d’interface met en avant les données de navigation et la capture vidéo en second plane.
