Qu'est-ce qu'un gimbal ?

Un gimbal est un support pivotant qui permet à un objet de tourner autour d’un axe.

Définition

Le dictionnaire Collins décrit un gimbal comme un dispositif de deux ou trois anneaux pivotants disposés à angle droit les uns par rapport aux autres. Ces anneaux donnent à l’objet une suspension libre dans tous les plans. Les gyroscopes et les compas en sont les exemples habituels. Le mot est attesté pour la première fois entre 1570 et 1580.

Avec trois gimbals, l’objet placé sur l’anneau le plus intérieur reste indépendant de la rotation de son support. Le compas d’un navire reste à l’horizontale lorsque le navire tangue et roule.

Gimbals dans les instruments de bord

La FAA emploie le gimbal dans sa description des instruments de vol gyroscopiques. Un gyroscope monté sur un jeu d’anneaux de cardan peut tourner librement dans toutes les directions. Lorsque les anneaux s’inclinent, tournent ou se déplacent, le gyroscope reste dans le plan dans lequel il a d’abord tourné. La FAA appelle cela la rigidité dans l’espace.

Le glossaire de la FAA définit un anneau de cardan comme un support qui permet à un objet, comme un gyroscope, de rester droit lorsque sa base s’incline. Une double suspension cardan laisse le gyroscope se déplacer librement dans deux plans. L’indicateur de virage et de glissement utilise une suspension simple, qui limite les plans dans lesquels le gyroscope peut s’incliner.

Ce sont des gimbals mécaniques à l’intérieur d’un instrument. Un gimbal de caméra de drone est un support voisin qui porte une caméra et utilise des moteurs et des capteurs.

Gimbal de drone

Dans le travail avec les UAV, un gimbal est un dispositif qui maintient l’orientation de la caméra et amortit les vibrations. Il relie le drone à la caméra. Un gimbal de drone comporte des moteurs électriques, généralement des servomoteurs sans balais, sur les axes de lacet, de tangage et de roulis.

Un drone multirotor secoue sa caméra avec les vibrations des moteurs et les changements brusques d’altitude. Une étude publiée dans la revue Sensors recommande un gimbal sur ces drones pour obtenir des images nettes et le recouvrement longitudinal et latéral prévu. Le vol à voilure fixe est plus stable, et les drones à voilure fixe utilisent rarement des gimbals.

D’autres capteurs peuvent aussi être montés sur un gimbal. Le protocole gimbal de MAVLink commande l’attitude des caméras ou d’autres capteurs montés sur un drone.

Fonctionnement de la stabilisation

La boucle de commande d’un gimbal comporte cinq étapes. Cette description suit l’étude de Sensors sur un gimbal 3 axes à faible coût.

1. Une IMU sur le support de la caméra mesure le mouvement. Elle comporte un accéléromètre 3 axes et un gyroscope 3 axes.
2. Des filtres traitent les mesures brutes. Le filtre de Kalman est le choix habituel.
3. Un système de référence d’attitude et de cap (AHRS) calcule les angles d’orientation.
4. Un régulateur PID calcule les commandes des moteurs.
5. Un pilote de moteur déplace la caméra pour annuler le mouvement.

Le gimbal de cette étude fonctionnait à 700 Hz dans sa boucle de commande. D’autres gimbals utilisent d’autres fréquences. Le gimbal disposait aussi d’une seconde IMU sur la carte du contrôleur, montée indépendamment des moteurs. Les auteurs affirment qu’une seconde IMU ajoute de la précision et maintient l’axe de lacet plus stable.

Certains gimbals ont leur propre contrôleur de stabilisation. ArduPilot les appelle des gimbals à entraînement direct sans balais. Le contrôleur de vol n’envoie alors que l’angle cible, par PWM, SBUS, MAVLink ou une interface série. Avec un gimbal à servomoteurs, c’est ArduPilot qui assure la stabilisation.

Gimbals 2 axes et 3 axes

Un gimbal 3 axes commande le tangage, le roulis et le lacet. Un gimbal 2 axes ne commande que le tangage et le roulis. ArduPilot prend en charge les gimbals jusqu’à 3 axes. Certains contrôleurs, comme SimpleBGC et SToRM32, existent en versions 2 axes et 3 axes.

Le lacet diffère des deux autres axes. La gravité définit le tangage et le roulis. Le lacet se mesure par rapport au drone ou au nord.

Angles, repères et modes

L’angle de tangage règle l’inclinaison de la caméra. Dans ArduPilot, un tangage négatif oriente la caméra vers le bas. Un tangage de -30 degrés dans le repère terrestre correspond à 30 degrés sous l’horizon. Dans QGroundControl, la commande Tilt 90 oriente le support directement vers le bas, ce qui correspond à la position au nadir.

Il existe deux repères. Le repère du corps mesure l’angle à partir du support lui-même. Le repère terrestre le mesure à partir de l’horizon et du cap du compas.

Les systèmes nomment le comportement en lacet de différentes façons.

• ArduPilot propose Yaw Lock et Yaw Follow. Lock maintient une cible de lacet dans le repère terrestre. Follow fait tourner la caméra avec le drone.
• MAVLink dispose d’indicateurs pour un lacet par rapport au véhicule et un lacet par rapport au nord.
• PX4 peut maintenir une attitude constante. Il garde le roulis à l’horizontale, le lacet vers le nord et un tangage donné.

Une région d’intérêt (ROI) verrouille la caméra sur un point au sol. Le gimbal suit alors ce point lorsque le drone se déplace. Une commande d’annulation de la ROI ramène le support à son mode par défaut. Dans le protocole MAVLink, un gestionnaire de gimbal résout les commandes contradictoires et les transmet au périphérique gimbal. Un gestionnaire dessert un seul périphérique.

Ce que fait un gimbal pour les images de relevé

Un gimbal maintient la caméra dans une position donnée. Cette position est surtout horizontale ou verticale, et d’autres positions sont possibles dans les limites du gimbal.

L’étude de Sensors a testé un gimbal 3 axes à faible coût. Dans une simulation de vol, le roulis et le tangage de la caméra restaient dans des plages de 2,56 et 1,97 degrés. Les écarts types étaient de 0,46 et 0,36 degré. La plateforme elle-même bougeait sur des plages de 69,90 et 93,18 degrés. Lors de vols réels, la stabilité de l’orientation de la caméra s’est améliorée d’un facteur 3 avec une limite d’inclinaison de 15 degrés en intérieur. Elle s’est améliorée d’un facteur 6 avec une limite de 25 degrés en extérieur. Les auteurs concluent que le gimbal donne une meilleure géométrie d’image, un meilleur recouvrement longitudinal et latéral. Ces chiffres proviennent d’un seul gimbal à faible coût. Un autre gimbal donne d’autres résultats.

Images nadir et obliques

Le gimbal incline la caméra, si bien qu’une seule caméra peut prendre des images au nadir et en oblique. Un article ISPRS de 2021 décrit une commande MAVLink qui relie le déclenchement de la caméra au mouvement du gimbal. Une caméra sur gimbal prend alors des images obliques lors du même passage que les images nadir, sans dispositif multi-caméras.

Les images obliques comptent pour les cartes et les modèles 3D. James et Robson ont constaté que les réseaux d’images de drone aux directions de visée presque parallèles peuvent présenter une large erreur verticale, dite effet de dôme. L’ajout d’images obliques la réduit. L’entrée sur l’imagerie nadir explique la géométrie.

Étalonnage du gimbal

L’étalonnage du gimbal désigne surtout l’étalonnage de l’IMU. Les capteurs IMU à faible coût ont des facteurs d’échelle imprécis et des axes qui ne sont pas exactement perpendiculaires. L’étalonnage réduit ces erreurs.

L’étude de Sensors a utilisé un étalonnage en un point. L’IMU est restée immobile sur une surface horizontale pendant que le contrôleur mesurait les données de l’accéléromètre. Les auteurs recommandent d’éviter les vibrations pendant l’étalonnage et de l’effectuer à une température de l’air proche de la température d’utilisation.

D’autres gimbals s’étalonnent autrement. Un contrôleur ArduPilot archivé lance un étalonnage de l’IMU à la mise sous tension, et le gimbal ne doit pas être touché pendant les 10 secondes qui suivent. Une LED rouge fixe indique que l’étalonnage est terminé. Les étapes diffèrent selon le contrôleur. Suivez le manuel du gimbal que vous utilisez.

La dérive est un effet voisin. Le gimbal à faible coût de l’étude de Sensors dérivait d’environ 1 degré par minute sur l’axe de roulis. Les auteurs l’ont presque entièrement supprimée en configurant l’AHRS pour n’utiliser que les données de l’accéléromètre. Ils pensent que le logiciel ne pouvait pas étalonner les gyroscopes.

L’étalonnage de la caméra est un processus différent. Il détermine l’orientation intérieure de la caméra, comme sa distance focale et sa distorsion d’objectif.

Spécifications

Les spécifications des gimbals sont des données produit, pas une norme. Par exemple, la fiche technique du DJI Zenmuse H20 indique une plage de vibrations angulaires de ±0,01 degré. Elle indique une plage mécanique de -132,5 à +42,5 degrés en tangage, de -90 à +60 degrés en roulis et de ±330 degrés en lacet. La plage contrôlable est de -120 à +30 degrés en tangage et de ±320 degrés en lacet. Comparez les fiches techniques des produits que vous utilisez.

Gimbals dans l’inspection d’aérodrome

Les balayages de surface de TarmacView maintiennent le gimbal à -90 degrés, la position au nadir. Le plan de vol de TarmacView enregistre un tangage de gimbal pour chaque point de passage. Après un vol, TarmacView compare le tangage de gimbal effectivement volé avec celui que le plan avait commandé. Il signale un tangage volé qui reste hors de la plage commandée plus longtemps qu’une action de gimbal planifiée, ce qui indique une saisie manuelle. La vérification est indicative et ne modifie pas le résultat.