Introduction
This comprehensive multidisciplinary project involved designing, building, and programming a functional quadcopter from scratch. The project integrated electronics (power systems, motor control, sensors), embedded programming (flight controller firmware, sensor fusion), control theory (PID tuning, stabilization), and mechanical design (frame, propulsion system). This synthesis project applied all skills acquired during the first year, culminating in a flying autonomous drone.
Project Overview
Working in teams, we developed a complete quadcopter system capable of stable flight with multiple flight modes. The project spanned requirements definition, component selection, assembly, programming, PID tuning, and extensive flight testing. Safety protocols were paramount throughout all development phases.
System Architecture
Electronic Subsystems
Power Management:
- LiPo battery (3S or 4S, 2200+ mAh)
- Power Distribution Board (PDB)
- Voltage regulators (5V, 3.3V)
- Battery monitoring and protection
- Autonomy calculation and optimization
Motor Control:
- 4× Brushless DC motors
- 4× Electronic Speed Controllers (ESC)
- PWM control signals (1000-2000 μs)
- ESC calibration procedures
- Motor-propeller matching for efficiency
Sensor Suite:
- IMU (Inertial Measurement Unit):
- 3-axis gyroscope (angular velocity)
- 3-axis accelerometer (linear acceleration)
- 3-axis magnetometer (compass heading)
- Barometer (altitude estimation)
- GPS module (position, velocity)
- Ultrasonic rangefinder (ground proximity)
- Telemetry radio link
Flight Controller
Hardware:
- Microcontroller: STM32F4 or similar high-performance MCU
- Commercial options: Pixhawk, Naze32, F4 flight controller
- High-speed sensor sampling (>1 kHz)
- Multiple timer channels for ESC control
- Communication interfaces (UART, I2C, SPI)
Firmware Options:
- Betaflight (popular for racing/acro)
- Cleanflight (open-source, customizable)
- ArduPilot (feature-rich, autonomous missions)
- Custom firmware development
Communication
Radio Control:
- RC transmitter/receiver (8+ channels)
- Protocols: SBUS, PPM, CRSF
- Range: 500+ meters
- Failsafe configuration
Telemetry:
- Real-time data downlink
- Battery voltage, GPS position, altitude
- MAVLink protocol standard
- Ground control station software
Control System Design
Mathematical Modeling
6 Degree-of-Freedom Dynamics:
- Translation: x, y, z position
- Rotation: roll (φ), pitch (θ), yaw (ψ)
- Forces and torques from four rotors
- Aerodynamic effects and disturbances
Linearization:
- Small-angle approximation for hover
- State-space representation
- Stability analysis
PID Control Implementation
Cascade Control Architecture:
- Inner Loop (Rate Control):
- Fast response (~1 kHz)
- Gyroscope feedback
- Controls angular velocities
- Outer Loop (Angle Control):
- Slower response (~100 Hz)
- Accelerometer/magnetometer feedback
- Maintains desired attitude
PID Tuning Process:
- Start with low gains
- Increase P gain until oscillation
- Add D gain to dampen oscillations
- Add I gain to eliminate steady-state error
- Iterative testing and refinement
Flight Modes
Manual (Acro/Rate):
- Direct angular velocity control
- No self-leveling
- For experienced pilots
Stabilized (Angle):
- Automatic self-leveling
- Maintains horizontal attitude
- Returns to level when sticks centered
Altitude Hold:
- Barometer-based altitude lock
- Automatic throttle adjustment
- Simplifies piloting
Position Hold (GPS):
- GPS-based position lock
- Resists wind drift
- Enables waypoint navigation
Mechanical Design
Frame Selection
Materials:
- Carbon fiber (strong, lightweight)
- Aluminum arms
- 3D printed mounts
Configuration:
- X or + frame geometry
- Size: 250mm to 450mm diagonal
- Center of gravity considerations
- Component mounting points
Propulsion System
Motor-Propeller Matching:
- Thrust-to-weight ratio > 2:1 for acrobatics
- KV rating selection (RPM/volt)
- Propeller pitch and diameter
- Efficiency vs. performance tradeoffs
Thrust Testing:
- Bench measurements
- Power consumption analysis
- Efficiency curves
- Vibration assessment
Development Process
Phase 1: Design and Component Selection (3 weeks)
- Requirements specification
- Research and benchmarking
- Component selection and compatibility
- Budget planning
- CAD modeling (if custom parts)
Phase 2: Assembly and Integration (3 weeks)
- Frame assembly
- Electronics installation and wiring
- Cable management (minimize vibration transmission)
- Weight distribution optimization
- Pre-flight electrical checks
Phase 3: Configuration and Ground Testing (3 weeks)
- Flight controller setup and configuration
- Sensor calibration (accelerometer, magnetometer, gyro)
- ESC calibration
- Radio setup and failsafe configuration
- Motor direction verification
- Propeller-off testing of all functions
Phase 4: Flight Testing and Tuning (3 weeks)
Progressive Testing:
- Tethered hover test
- Low-altitude hover (1m)
- Basic maneuvers (forward, backward, turns)
- Altitude testing
- GPS and autonomous features
Safety Protocols:
- Propeller guards for initial tests
- Large open testing area
- Safety observer
- Emergency kill switch configured
- Pre-flight checklist every flight
PID Tuning Flights:
- Record flight data (logs)
- Analyze oscillations and response
- Adjust gains incrementally
- Retest after each change
Testing Results
Performance Metrics
Successfully achieved:
- Stable hover with minimal drift
- Responsive control across all axes
- Flight time: 8-12 minutes (depending on battery)
- Maximum altitude tested: 50m
- Smooth transitions between flight modes
- Reliable GPS hold and return-to-home
Challenges Overcome
- Motor vibrations affecting sensors (solved with vibration dampers)
- PID oscillations (tuned through iterative testing)
- GPS acquisition time (antenna placement optimization)
- Battery voltage sag under load (appropriate C-rating selection)
Safety and Regulations
Safety Measures
- Pre-flight inspection checklist
- Emergency stop (kill switch) always accessible
- No flight with propellers until fully tested
- Eye protection during all tests
- Clear communication in team
- Weather conditions assessment
Regulatory Compliance
- Drone registration (if >250g)
- Pilot training/certification requirements
- Insurance (liability coverage)
- Authorized flight zones
- Maximum altitude limit (150m)
- Privacy regulations compliance
Conclusion
This project provided comprehensive hands-on experience in mechatronic system development, from initial concept through fully functional flying vehicle. We successfully integrated complex subsystems, developed robust control algorithms, and achieved stable autonomous flight. The iterative design-test-refine process taught valuable lessons in systematic engineering problem-solving and the critical importance of safety in unmanned aerial vehicle development.
The completed quadcopter demonstrates our ability to manage complex multidisciplinary projects and deliver functional engineered systems meeting real-world performance and safety requirements.
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- Mener un projet technique complexe de A à Z
- Travailler en équipe sur un système complet
- Intégrer les connaissances multidisciplinaires
- Gérer un projet avec contraintes temps/budget
- Documenter et présenter un projet technique
📚 Aspects techniques
Électronique
Alimentation et gestion de l’énergie
- Batteries LiPo (choix, caractéristiques)
- Système de distribution d’énergie (PDB)
- Régulateurs de tension (5V, 3.3V)
- Protection et monitoring batterie
- Autonomie et consommation
Contrôle des moteurs
- Moteurs brushless
- ESC (Electronic Speed Controllers)
- PWM et protocoles de commande
- Calibration des ESC
- Sécurités et failsafe
Capteurs
- IMU (Inertial Measurement Unit)
- Gyroscope 3 axes
- Accéléromètre 3 axes
- Magnétomètre (compass)
- Baromètre (altitude)
- GPS (position)
- Capteur ultrason (proximité sol)
- Télémétrie
Informatique embarquée
Flight Controller
- Choix du contrôleur (Pixhawk, Naze32, F4, etc.)
- Microcontrôleur (STM32 généralement)
- Firmware (Betaflight, Cleanflight, ArduPilot)
- Configuration logicielle
- Modes de vol
Traitement des données capteurs
- Fusion de capteurs
- Filtrage (Kalman, complémentaire)
- Estimation d’attitude
- Stabilisation
- Navigation
Communication
- Protocoles radio (SBUS, PPM, CRSF)
- Telemetry (MAVLink)
- Interface configuration (MSP)
- FPV (optionnel)
Automatique et contrôle
Modélisation
- Modèle dynamique du quadricoptère
- 6 degrés de liberté
- Forces et moments
- Linéarisation autour d’un point
Asservissement
- Contrôle de l’attitude (roll, pitch, yaw)
- PID (réglage des gains)
- Contrôle en cascade
- Stabilité du système
Modes de vol
- Manuel (Acro)
- Stabilisé (Angle mode)
- Altitude hold
- Position hold (GPS)
- Waypoints (optionnel)
Mécanique
Structure
- Frame (châssis)
- Matériaux (fibres de carbone, etc.)
- Poids et centre de gravité
- Protection des composants
Propulsion
- Choix moteurs/hélices
- Rapport poussée/poids
- Couple et vibrations
- Efficacité propulsive
🛠️ Réalisation du projet
Phase 1 : Étude et conception (3 semaines)
Activités :
- Recherche documentaire
- Définition des spécifications
- Choix des composants
- Estimation budgétaire
- Schémas et architecture
Livrables :
- Cahier des charges
- Liste de composants
- Schémas électroniques
- Planning prévisionnel
Phase 2 : Assemblage et intégration (3 semaines)
Activités :
- Assemblage de la structure
- Câblage électronique
- Montage des composants
- Vérifications électriques
- Premiers tests au sol
Livrables :
- Drone assemblé
- Tests de continuité
- Calibrations préliminaires
Phase 3 : Configuration et tests (3 semaines)
Activités :
- Configuration du flight controller
- Calibration des capteurs
- Réglage des PID
- Tests progressifs (sol → vol)
- Optimisations
Livrables :
- Configuration logicielle documentée
- Résultats de tests
- Vidéos de vol
Phase 4 : Finalisation et présentation (2 semaines)
Activités :
- Finitions mécaniques
- Documentation complète
- Préparation de la présentation
- Démonstrations de vol
- Bilan du projet
Livrables :
- Drone fonctionnel
- Rapport technique complet
- Documentation utilisateur
- Présentation orale
- Vidéo démonstrative
💻 Outils utilisés
Logiciels
- Betaflight Configurator / Mission Planner : Configuration FC
- Proteus : Schémas électroniques (si circuits custom)
- SolidWorks / Fusion 360 : Conception 3D (supports)
- MATLAB/Python : Simulations de contrôle
Équipements
- Station de soudage
- Multimètres et testeurs
- Chargeur de batteries LiPo
- Émetteur RC (radiocommande)
- Ordinateur de configuration
📊 Évaluation
- Gestion de projet et organisation (20%)
- Réalisation technique (30%)
- Fonctionnalité et performances (20%)
- Documentation (20%)
- Présentation orale (10%)
🔒 Sécurité
Règles essentielles
- JAMAIS tester avec hélices en intérieur sans protection
- Protection des yeux obligatoire lors des tests
- Zone de test sécurisée et dégagée
- Respect de la réglementation sur les drones
- Procédure d’arrêt d’urgence (kill switch)
- Batterie débranchée lors des manipulations
Réglementation
- Déclaration du drone (selon poids)
- Formation pilote (si >250g)
- Assurance responsabilité civile
- Zones de vol autorisées
- Altitude maximale 150m
- Respect de la vie privée
🎯 Défis techniques
Principaux challenges
- Équilibrage : Centre de gravité et répartition des masses
- Vibrations : Filtrage et isolation des capteurs
- Stabilité : Réglage des PID
- Autonomie : Optimisation énergie/performances
- Fiabilité : Gestion des pannes et failsafe
Problèmes courants
- Oscillations lors du vol
- Dérive (drift)
- Décalibration des capteurs
- Interférences électromagnétiques
- Problèmes de portée radio
🔗 Liens avec les cours
- ER : Circuits électroniques, PCB
- IE : Programmation embarquée, capteurs
- Énergie : Motorisation, batteries
- Automatique : Asservissement PID
- Prog : Traitement de données
- Physique : Mécanique du vol
📖 Compétences développées
Techniques
- Conception de systèmes complexes
- Intégration multidisciplinaire
- Programmation de systèmes embarqués
- Asservissement et régulation
- Diagnostic et résolution de problèmes
Gestion de projet
- Planification et organisation
- Travail en équipe
- Gestion des ressources
- Respect des délais
- Communication
Documentation
- Rédaction technique
- Schémas et diagrammes
- Manuel utilisateur
- Présentation professionnelle
💡 Conseils pratiques
Conception
- Commencer simple, complexifier progressivement
- Prévoir des marges (poids, puissance)
- Penser à la maintenance et aux réparations
- Documenter tous les choix
Réalisation
- Tester chaque sous-système séparément
- Câblage propre et organisé
- Étiquetage des connexions
- Photos à chaque étape
Tests
- Progressivité : tests au sol avant de voler
- Hélices enlevées pour les premiers tests moteurs
- Zone de test sécurisée
- Toujours un plan B
📚 Ressources
Documentation
- Datasheets des composants
- Documentation firmware (Betaflight, etc.)
- Forums communautaires (Oscar Liang, RCGroups)
- Chaînes YouTube techniques
Communauté
- Forums FPV et drones
- Clubs de modélisme
- Groupes Facebook spécialisés
- Discord communities
🎓 Résultats attendus
Fonctionnalités minimales
- Décollage et atterrissage contrôlés
- Stabilisation en vol stationnaire
- Déplacements contrôlés (avant/arrière, gauche/droite)
- Rotations (yaw)
- Autonomie minimum 5 minutes
Fonctionnalités avancées (bonus)
- Hold d’altitude
- Retour automatique au point de départ (RTH)
- Enregistrement télémétrie
- FPV avec caméra
- Modes de vol avancés
🏆 Valorisation du projet
Ce projet peut être :
- Présenté lors de forums et salons
- Utilisé pour le portfolio personnel
- Démonstré lors de journées portes ouvertes
- Point fort dans le CV
- Base pour des projets personnels futurs