Construire un drone sous‑marin avec Raspberry Pi : conception, développement et assemblage

Sommaire

• Idée de départ (Teaser)
• Choix des composants
• Programmation de l'ESC
• Configuration du serveur Raspberry Pi
• Gestion des moteurs électriques via Raspberry Pi
• Intégration du gyroscope
• Contrôle du projecteur Raspberry Pi
• Protocole de communication client‑serveur
• Application Android
• Flux vidéo
• Écran et commande au joystick
• Construction, assemblage et tests
• Conclusions

Idée de départ (Teaser)

En ingénieur amateur, mon approche initiale reposait beaucoup sur l'essai‑erreur. J'ai d'abord exploré la transmission de couple magnétique entre un boîtier étanche et une hélice. Bien que le concept ait montré du mouvement, les aimants introduisaient une friction excessive et ne maintenaient pas le contact lors des cycles arrêt/démarrage.

J'ai donc pivoté vers une solution plus directe : exposer les fils du moteur brushless directement à l'eau et étanchéifier le boîtier autour. Cette approche a réduit la complexité mécanique et amélioré la fiabilité.

Choix des composants

Voici la liste des composants qui ont permis le fonctionnement du prototype.

Carte mère

Le Raspberry Pi 3B a été choisi pour son Wi‑Fi et Ethernet intégrés, ainsi que sa puissance de traitement suffisante pour gérer plusieurs moteurs, un gyroscope, le streaming vidéo et le traitement de commandes en temps réel. Les cartes de type Arduino étaient jugées insuffisantes pour ce niveau d'intégration.

Canal de communication

L'eau atténue fortement les signaux radio, rendant le transfert de données sans fil impraticable. Un câble à paires torsadées de haute qualité a été utilisé pour maintenir des liaisons de données fiables entre l'unité sous‑marine et le contrôleur de surface.

Émetteur de base

Le routeur mini NEXX a servi de station de base en surface. Il offre une connexion filaire rapide, fiable et économique au Raspberry Pi via le câble à paires torsadées.

Moteur électrique

Après avoir testé trois modèles, le moteur N2830/2212 1000KV a été retenu pour son équilibre puissance / double axe, idéal pour deux hélices. Il fonctionne de manière fiable dans l'eau, à condition d'empêcher les débris d'entrer dans l'arbre du moteur.

Carte de contrôle (ESC)

L'ESC a été programmé pour gérer les commandes avant/arrière et délivrer jusqu'à 30 A, suffisant pour les moteurs choisis. La commande depuis la Chine n'a pas occasionné de délais significatifs.

Outil de programmation ESC Afro USB

Cet outil a servi à flasher le firmware sur l'ESC. La livraison a pris environ six semaines, typique pour de l'électronique spécialisée.

LED (CREE XHP50)

La LED haute intensité CREE XHP50 a fourni un éclairage robuste pour l'opération sous‑marine.

Driver LED pulsé (7‑30 V, 3 A)

Compatible avec la LED et le Raspberry Pi, ce driver a permis un contrôle précis de la luminosité.

Programmation de l'ESC

La programmation a consisté à configurer les plages de gaz, la direction et les paramètres de sécurité pour assurer un contrôle moteur réactif sous charges variables.

Configuration du serveur Raspberry Pi

Un Raspbian standard a été installé, suivi de la configuration du Wi‑Fi, de l'Ethernet et du SSH pour l'accès à distance. Des scripts Python gèrent la communication série avec l'ESC et le gyroscope.

Gestion des moteurs électriques via Raspberry Pi

Des signaux PWM générés par les broches GPIO du Pi pilotent l'ESC, traduisant les commandes utilisateur en couple moteur.

Intégration du gyroscope

Un module IMU a fourni les données d'orientation, permettant un vol stationnaire stable et une navigation précise.

Contrôle du projecteur Raspberry Pi

La LED était pilotée via le driver pulsé, avec une luminosité modulée par l'interface logicielle du Pi.

Protocole de communication client‑serveur

Un protocole TCP léger transmettait les commandes de contrôle depuis la surface vers l'unité sous‑marine et remontait les données capteurs en temps réel.

Application Android

L'application Android offrait un contrôle au joystick, l'affichage de la télémétrie et la lecture vidéo. Elle se connectait à la base de surface via Wi‑Fi.

Flux vidéo

Le module caméra du Raspberry Pi streamait la vidéo sur le réseau, encodée en H.264 pour une utilisation efficace de la bande passante.

Écran et commande au joystick

Un LCD embarqué affichait la télémétrie, tandis qu'un joystick physique offrait un contrôle manuel intuitif.

Construction, assemblage et tests

Tous les composants ont été logés dans un boîtier imprimé en 3D, scellé avec de l'époxy et des joints étanches. Les tests ont révélé un fonctionnement fiable à plusieurs mètres de profondeur, bien qu'un affinement soit nécessaire pour une stabilité optimale.

Conclusions

Le prototype démontre qu'un drone sous‑marin basé sur Raspberry Pi peut être construit avec des composants du commerce et un budget modeste. Bien que le système soit fonctionnel, des améliorations — notamment en contrôle de flottabilité et gestion d'énergie — renforceront les performances pour des applications plus exigeantes.

Les itérations futures pourront intégrer des capteurs avancés, des algorithmes de navigation autonome et des techniques d'étanchéité plus robustes pour repousser les limites de cette plateforme.