thumb|Quadrirotor FPV. thumb|Châssis de quadrirotor FPV de course. Un Quadrirotor FPV ou drone de course quadrirotor à pilotage en immersion (également appelé « Quadcopter FPV » ou Kwad, de l) fait partie de la famille des drones de loisirs radiocommandés.
Un quadrirotor FPV est un aéronef miniature à quatre hélices pilotable à distance et équipé d'un système de diffusion vidéo adapté au pilotage en immersion. Il peut être de formes et de dimensions variées, son poids n'excédant généralement pas quelques centaines de grammes mais pouvant dépasser les .
Le pilotage en immersion (en ou FPV) consiste à diriger un véhicule, ici un drone, grâce à une radiocommande et un visiocasque sans fil permettant de visualiser en direct la vidéo diffusée par une caméra fixée à l'avant du véhicule, le pilote ayant la sensation d'être à bord de l'appareil.
Ce type de drone est utilisé dans les disciplines « FPV Racing » (courses de drones) et « » (voltige acrobatique) grâce à ses capacités de réactivité, de manœuvrabilité, d'accélération et à ses vitesses élevées, mais l'autonomie d'un drone performant est très faible ( environ). Il est aussi utilisé dans la vidéo, pour des marques ou pour le cinéma.
Le « FPV Racing » est une discipline inspirée des systèmes FPV et qui consiste à faire concourir jusqu'à simultanément dans une course de vitesse à travers un circuit disposant de portes (gates) qu'il faut franchir. Cette discipline est née en France à Argonay (Haute-Savoie) en 2014. À l'origine ces courses étaient réalisées dans les bois, les drones étant équipés d'éclairages arrière à LED, le spectateur se trouve alors immergé dans un vol à bord d'un drone à la manière des courses de pods du film Star Wars: La menace fantôme.
Le « », discipline elle aussi inspirée des systèmes FPV, consiste à réaliser des vols composés d'enchaînements de figures acrobatiques, souvent sans avoir recours à d'autres obstacles que ceux déjà présents sur un terrain naturel ou construit.
Le FPV cinématique est une discipline qui consiste à enregistrer des scènes panoramiques, des paysages, notamment pour certaines scènes de films ou émissions télévisées, mais est également beaucoup utilisé par des amateurs particuliers.
Drone vignette|150x150px|Châssis QAV400. Ce type de drone se vend en général deja monté (Bind and Fly) ou en pièces détachées, son montage nécessite de réaliser des soudures électroniques, les puissances que peuvent dégager les batteries sont importantes, il convient donc d'avoir les notions de base de sécurité en environnement électronique. Cependant il existe des boutiques qui effectuent la vente et le montage des drones prêts à voler.
Un quadrirotor FPV se compose de différents organes qui sont détaillés ci-dessous.
Châssis Le châssis (en anglais, « frame ») du drone lui donne sa forme. Le châssis d'un quadcopter a quatre bras, aux extrémités desquels seront placés les moteurs. La partie centrale, normalement protégée, servant à installer l'électronique embarquée. Les châssis sont fabriquées en fibre de carbone pour l'essentiel mais l'impression 3D est aussi utilisé. Le châssis doit être suffisamment solide pour ne pas se briser lors des chocs, car les chutes sont nombreuses.
Les châssis utilisées en FPV ont généralement une forme en +, en X ou en H, leurs dimensions varient habituellement de (diagonales d'entraxes moteurs).
Carte de vol (FC) vignette|Carte de vol Naze32 basée sur un STM32 F1.|150x150px La carte de vol (en anglais « flight controller » ou FC) est la carte principale. Elle intègre le microcontrôleur principal chargé du comportement en vol et qui traite les données provenant des différents périphériques qui lui sont connectés.
La carte de vol reçoit et gère les données émises par la radiocommande du pilote à travers le récepteur radio (Rx) auquel elle est connectée (via un bus de données PPM, CRSF, SBUS, iBUS…). Elle traite les données du gyroscope intégré, applique des corrections en fonction des paramètres définis et fourni aux ESC un signal PWM commandant la puissance délivrée aux moteurs.
En fonction du type de carte ou de sa génération, il existe un large éventail de fonctionnalités optionnelles qui peuvent être gérées par la carte de vol (Télémétrie, GPS, OSD, bipeur (Buzzer), boîte noire (Blackbox), RSSI, LED RVB…).
La carte de vol intègre un logiciel embarqué (en anglais « firmware ») qui est le microprogramme chargé de son fonctionnement. Ce firmware étant écrit sur une mémoire réinscriptible il permet d'être flashé, c'est-à-dire mis à jour. Le but de ces mises à jour étant d'accroître la stabilité du système, d'améliorer le comportement de la machine et d'apporter des fonctionnalités supplémentaires.
Pour paramétrer la carte de vol, il est nécessaire d'utiliser le logiciel de configuration correspondant au firmware installé. Il existe des firmwares comme Betaflight, INAV qui sont des logiciels libres sous licence GPL et d'autres comme KissFC ou Raceflight qui sont des logiciels propriétaires.
La carte de vol emporte :
1 microcontrôleur principal.
Les microcontrôleurs STM32 du fabricant STMicroelectronics sont courants (F1, F3, F4, F7). Les microcontrôleurs des séries F1 et F4 ne comportent pas d'inverseur matériel (en anglais « hardware inverter ») sur le port SBUS. Celui-ci est nécessaire pour acquérir les données SBUS via le de certains récepteurs Rx à la norme FrSky dont le signal SBUS est inversé. Certains constructeurs de carte de vol intègrent un inverseur matériel additionnel mais si la carte de vol n'en est pas pourvue, cela implique de souder le fil du signal SBUS directement sur une pastille du circuit du récepteur Rx dont le signal n'est pas inversé. Aujourd'hui, l'utilisation du protocole série FPort qui combine SBUS et télémétrie Smarport sur un fil unique, sans avoir recours à un signal inversé, élimine ce problème et permet de libérer un port UART pour une autre utilisation. vignette|Gyroscope MPU-6050.
1 gyroscope, couramment des MPU de la série 6000 (échantillonnage 8 kHz) et des Invensense ICM20608 (échantillonnage ) sur certaines cartes à microcontrôleur F7. 1 régulateur de tension à faible chute 5 volts (en anglais « » ou LDO) pour alimenter ses propres circuits 5 V, les sorties PWM et les périphériques 5V comme le récepteur Rx, la caméra… x sorties PWM couplées à des sources 5V + masse (5 V + GND) fournissant le signal de commande des moteurs et l'alimentation 5V aux ESC. Un quadrirotor nécessite 4 sorties PWM, soit une sortie PWM par moteur. 1 port PPM/sBUS/iBUS/CRSF pour connecter le récepteur Rx (ce port utilise un port UART, son numéro peut varier en fonction des cartes). x ports UART (leur nombre dépendant du modèle de carte de vol) permettant de réaliser des liaisons série entre les différents périphériques câblés à la carte de vol en utilisant divers bus de données (sBUS, iBUS, CRSF, PPM, bus de télémétrie…). 1 bus SPI (nécessitant 4 fils pour chacun des signaux : SCLK, MOSI, MISO et SS) pour connecter des récepteurs Rx utilisant ce protocole, par exemple. 1 port bipeur (buzzer). x LED d'état.
Certaines cartes de vol peuvent également comporter : Un capteur de courant (), permettant à la carte de vol d'acquérir la consommation électrique totale de la machine (nécessitant l'alimentation directe de la carte de vol sur la batterie, la carte de vol redistribuant ensuite la tension batterie aux différents organes comme les ESC, le VTx…). Une carte microSD pour enregistrer le flux vidéo de la caméra ou sauvegarder les données de la fonction boite noire (blackbox). L'entrée vidéo et une source 5V pour la caméra, permettant à la carte de vol d'acquérir la vidéo pour y afficher des informations en surimpression (OSD) avant de transmettre au VTx par l'intermédiaire du port qui lui est dédié. La sortie VTx et une source 5 V (ou une source batterie) permettant de transmettre au VTx la vidéo de la caméra acquise par la carte de vol qui a intégré des informations en surimpression (OSD). Le port pour LED RVB. …
Contrôle de la carte de vol
vignette|Carte USB (à gauche) — UART (à droite) gérant le 3,3 V et le 5 V. Les cartes de vol comportent une prise micro USB ou Type C pour les configurer sur Betaflight. Les protocoles de communication de ces ports sont définis par le .
Sous Microsoft Windows, un pilote tiers fourni par le fabricant du contrôleur est nécessaire. Il installe un (Virtual COM Port) (équivalent au port ttyS sous UNIX et lui attribue un port COM suivi de son numéro d'identification (COM3 par exemple). Ce périphérique de communication virtuel est visible dans la section "Ports" du gestionnaire de périphériques et permet de réaliser une liaison série entre l'ordinateur et la carte de vol.
Sous GNU/Linux ces pilotes sont généralement présents par défaut, ce qui permet au contrôleur USB vers UART d'être reconnu immédiatement, le système lui attribuant une entrée dans le répertoire « /dev » en tant que périphérique « ttyS » (équivalent à un port COM virtuel sous Windows) permettant la communication série entre l’ordinateur et la carte de vol.
Régulateurs de vitesse (ESC) vignette|150x150px|ESC de type unitaires. Les régulateurs de vitesse (en anglais « Electronic Speed Control » ou ESC) sont chargés de transformer le courant continu en provenance de la batterie en courant triphasé utilisé pour faire tourner les moteurs. Les ESC sont pilotés par la carte de vol qui les commande à l'aide d'un signal PWM.
Il existe des ESC à l'unité (soit 4 par drone) ou des ESC dits « 4 en 1 » qui regroupent 4 ESC sur un même circuit.
Moteurs vignette|150x150px|Moteur « brushless ». Les moteurs sans balais (en anglais « brushless electric motor », sont des moteurs de petite taille particulièrement puissants avec une faible consommation d’énergie. Ce sont des moteurs à courant triphasé produit par les ESC.
Ils ont diverses dimensions, des petits 1104 à des plus gros 2307.
Une donnée importante est leur exprimée en kV, qui permet de choisir le type d'hélices et le pas approprié.
Hélices vignette|150x150px|Hélices bi-pales. Il existe différents types et formes d'hélices (en ) qui vont avoir un comportement en vol différent. Elles ont généralement 2 à 6 pales, et mesurent de de diamètre en fonction du format du châssis. La notion de pas de l'hélice est aussi importante que sa taille. Elle a un impact direct sur le comportement, l'accélération et la vitesse maximale du drone. Les hélices sont choisies en fonction des moteurs, de leur la taille, de leur puissance et de leur .
Récepteur radio (Rx) Le récepteur radio (en anglais « Receiver » ou Rx) permet de recevoir les données émises par la radiocommande du pilote et de les transmettre à la carte de vol par l’intermédiaire d'un port UART que l'on configurera pour communiquer via un bus du type PPM,CRSF, SBUS, iBUS…
Transmetteur vidéo (VTx) alt=|vignette|150x150px|VTx TBS Unify Pro HV. Le transmetteur vidéo (« Video Transmitter » ou VTx) est relié à la caméra et fixé sur le drone. Le VTx émet l'image de la caméra sur des bandes de fréquences qui peuvent être , et , permettant à tout dispositif compatible et à portée de recevoir l'image diffusée.
Seules les fréquences de à sont autorisées en France, la puissance d'émission maximale autorisée étant de .
Le VTx en fonctionnement doit être relié à une antenne pour pouvoir diffuser la vidéo et pour lui éviter une surchauffe due à l'absence d'antenne.
Des connecteurs coaxiaux type RP-SMA, fixés en queue du châssis central permettent de visser différents types d'antennes et de les changer en fonction de l'utilisation désirée du drone. Il existe différents types d'antennes, en forme de bâton, de spirale, etc. La tendance est aujourd'hui (en 2018) d'en mettre 2) afin d'augmenter la probabilité d'un bon échange avec le capteur du pilote, qui comporte également deux antennes.
Voir la section Antennes radio pour plus de détails.
Caméra vignette|150x150px|Caméras FPV.