Comment filmer le sol depuis un dirigeable miniature ?

Dans cet article, nous allons vous expliquer comment, avec un dirigeable radiocommandé original, vous pourrez filmer le sol depuis le ciel. Pour cela, il vous suffira d’installer une microcaméra CMOS et un émetteur TV pour recevoir à terre, sur un téléviseur, de préférence portable, des images vraiment spéciales. Si cette réalisation est idéale pour le divertissement et le loisir, elle peut s’avérer utile pour de nombreux professionnels pour visualiser ce qui se passe au-dessus d’un chantier ou pour étudier l’état d’une toiture difficilement accessible comme celle d’un monument ou d’une église par exemple.


Souvenez-vous, dans l'article : "Un booster audio/vidéo en VHF", nous vous avons proposé la réalisation d’un émetteur de télévision monté à bord d’un hélicoptère radiocommandé. Le système utilisait un module hybride émettant en 224,5 MHz (canal VHF 12).
La réalisation était, certes, coûteuse mais elle a suscité un vif intérêt de la part de très nombreux lecteurs.
Les nouvelles possibilités offertes par l’évolution des engins volants dirigeables et par l’évolution des modules de transmission nous ont poussés à la conception du présent projet.
Aujourd’hui, profitant de la disponibilité sur le marché d’un nouveau module émetteur vidéo opérant en UHF, nous reparlons de prises de vues vidéo aériennes que l’on peut effectuer avec une extrême simplicité, en équipant un aéromodèle, dans notre cas, un petit dirigeable équipé d’une caméra CMOS et d’un module hybride d’émission choisi parmi les “vieux” TX VHF ou les plus récents modules UHF.
Tous les deux permettent de recevoir les images directement sur n’importe quel téléviseur ou même de les enregistrer sur un magnétoscope.
Alors, si votre curiosité a été excitée par ce préambule et si vous avez déjà jeté un coup d’oeil sur le dirigeable visible sur les photos ou si vous en possédez déjà un, suivez cet article car vous y trouverez des suggestions utiles.

Le dirigeable radiocommandé
Il s’agit d’un modèle disponible dans diverses versions.
Les plus courantes sont composées d’une “nacelle” (identique pour toutes les versions) en matière plastique légère, contenant une pile et un récepteur de radiocommande à 6 canaux pilotant trois turbines électriques d’environ 5 cm de diamètre en fonction des ordres envoyés depuis le sol par le pilote à l’aide d’un émetteur tenu en main (voir figure 7).
Chacune des trois turbines est fixée à la structure en plastique et pour la précision, deux sont placées dans l’axe de la direction de marche et la troisième est placée perpendiculairement.
Les deux premières sont placées l’une à droite, l’autre à gauche de la structure, la troisième étant placée au-dessous.
Evidemment, les deux turbines latérales sont utilisées pour les fonctions avant arrière et pour faire virer le dirigeable vers la gauche ou la droite.
La turbine placée au-dessous, permet de faire monter ou descendre l’appareil.
A partir du sol, le pilote peut commander à volonté le dirigeable à l’aide d’une radiocommande pilotée par quartz, fonctionnant dans la bande des 27 MHz, avec la possibilité d’utiliser une des quatre fréquences prévues.
La radiocommande dispose de quatre boutons, deux supérieurs et deux de côté, avec lesquels il est facile de contrôler les mouvements du radiomodèle.
En réalité, les boutons sont au nombre de 6, car les boutons supérieurs sont à double fonction, celui de gauche permet la commande des virages à gauche en avant et en arrière, par contre celui de droite contrôle les virages avant et arrière à droite.
En ce qui concerne les boutons latéraux, celui de gauche fait descendre (atterrir, si vous préférez…) le dirigeable, celui de droite le faisant monter.
Pour obtenir la marche avant, il suffit d’appuyer simultanément les parties antérieures des boutons supérieurs et pour obtenir la marche arrière, il suffit de faire le contraire, donc d’appuyer simultanément les parties postérieures des mêmes boutons. Donc, avec un appareil aussi précis, qu’est-ce qui nous empêche de “monter” à bord et de faire de la photo aérienne de ce que l’aéronef survole ? Rien, au pire, notre poids excessif pour lui.
Alors, faisons grimper au ciel une caméra et un émetteur de télévision, qui pourront nous envoyer au sol les images, nous donnant ainsi pratiquement le même plaisir et les mêmes émotions que si nous étions à son bord.
S’agissant d’un appareil volant, un tel projet nécessite la résolution de quelques problèmes, dont, parmi les plus importants, celui du poids capable d’être soulevé.

Un peu de théorie aéronautique
Le dirigeable est un vélivole fonctionnant sur le principe qu’un ballon rempli d’un gaz plus léger que l’air tend à se soulever du sol et à rejoindre une altitude à laquelle son poids total est équivalent à celui du volume d’air occupé.
Les gaz les plus adaptés, pour remplir un tel ballon, sont ceux étant les plus légers, comme l’hydrogène ou l’hélium.
Le préféré est l’hélium (bien qu’il soit 4 fois plus lourd que l’hydrogène…) car il est inerte, donc ininflammable et non réactif avec les autres composants contenus dans l’air.
Pour donner un exemple, supposons qu’un ballon plein de gaz, occupe un volume pesant 1 kg de moins que l’air qu’il déplace.
Cela veut dire que l’objet peut s’élever du sol, étant donné qu’il est sustenté par la masse d’air contenue dans les basses couches de l’atmosphère.
Naturellement, l’ensemble gaz/ballon doit avoir une masse qui n’atteigne pas 1 kg, sinon, le ballon ne peut pas s’élever.
De là, découle le raisonnement qu’un dirigeable ou un ballon aérostatique peuvent soulever un poids qui correspond à la différence entre celui de l’air occupé et la somme du gaz contenu et de la structure qui sert à le contenir.
Par exemple, si le ballon pèse 100 kg, le volume d’air déplacé passerait à 150 kg et l’hélium à 10 kg à peine, le dirigeable pourrait emporter avec lui un poids d’environ 40 kg.
Cela est possible, parce que l’hélium et l’hydrogène sont beaucoup plus légers que l’air, lequel est composé de molécules d’oxygène (O2, pour quelques pourcents du volume) d’anhydride carbonique (CO2), d’azote (N, pour une grande partie du volume et d’autres choses encore), il est ainsi beaucoup plus lourd.
Notre dirigeable vole grâce à cela : le ballon a un volume d’environ 800 litres, qui une fois rempli avec de l’hélium à une pression de quelques centaines de millibars, arrive à peser environ 150 grammes de moins que le volume de l’air qu’il occupe.
Considérant que la structure électromécanique, celle qui contient les moteurs et le récepteur nécessaires au pilotage du modèle, pèse environ 65 grammes, il est possible de soulever une masse d’environ 85 grammes.
Cela suffit pour monter à son bord, une microcaméra CMOS couleur (11 grammes), un module transmetteur TV (13 grammes) et une pile alcaline de 9 volts (46 à 50 grammes).

L’électronique
Voyons maintenant quel est le circuit que nous allons ajouter au dirigeable, en nous référent au schéma électrique de la figure 1.
La photo de début d’article illustre très bien la réalisation de l’émetteur vidéo embarqué.
Il s’agit tout simplement d’une microcaméra CMOS (figure 5) dont la sortie vidéo composite est directement reliée à l’entrée vidéo d’un module hybride audio/vidéo (figure 8) dont la sortie audio est court-circuitée à la masse, étant donné qu’elle ne nous intéresse pas dans cette configuration.
L’ensemble est alimenté en 5 volts par l’intermédiaire d’un régulateur 7805 dont la sortie est découplée par un condensateur de 100 μF/16 V (C1). L’antenne d’émission (un vulgaire morceau de fil de cuivre), est reliée à la patte 11 de l’émetteur et permet de rayonner le signal radio qui peut être reçu par un simple téléviseur dans un rayon d’environ 40 à 50 mètres.
Le tout est alimenté à l’aide d’une petite pile alcaline de 9 volts, appliqués directement à l’entrée du régulateur 7805.
Il faut signaler que pour la transmission des images vers le sol, vous pouvez choisir entre deux modèles de modules d’émission, l’un opérant en VHF et l’autre en UHF.
Le premier, le MAV-VHF224, émet en VHF sur 224,5 MHz, exactement sur le canal TV H2 qui est le canal 12 de tous les appareils (voir figure 8).
Le second, le MAV-UHF479, émet sur 479,5 MHz, donc en UHF, sur le canal de télévision 22 (voir figure 8).
Tous les deux sont fabriqués par la société AUREL et peuvent fonctionner avec une tension de 5 volts, si possible stabilisée.
Le brochage des deux modules étant identique, vous pourrez donc monter indifféremment l’un ou l’autre des deux modèles d’émetteurs sur le même circuit imprimé.
Comme cela apparaît sur le schéma électrique, la patte 11 (sortie HF, antenne) du module hybride est relié à une antenne, laquelle, dans notre cas, est constituée par un morceau de fil de cuivre gainé sous plastique (fil de câblage).
Cette solution est meilleure que celle qui consiste à utiliser une antenne rigide en caoutchouc, pour deux raisons : la première est qu’elle est plus facile à installer et à adapter à la structure du dirigeable, la seconde est tout simplement qu’elle est d’un poids inférieur.
Si vous optez pour le module VHF, la longueur du fil doit être de 34 centimètres (antenne 1/4 d’onde) ou 67 centimètres (antenne onde entière). Par contre, si votre choix s’est porté sur le module UHF, le fil doit avoir une longueur de 31 centimètres (1/2 onde de 479,5 MHz).

Figure 1 : Schéma électrique du système vidéo embarqué.

Figure 2 : Schéma d’implantation des composants.

Figure 3 : Photo de l’émetteur vidéo prêt à être installé.

Figure 4 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé côté cuivre.

Liste des composants
C1 = 100 μF 16 V électrolytique
U1 = Régulateur 7805
U2 = Module Aurel TXAV (voir texte)
CAM1 = Caméra CMOS FR302 ou éq.


La caméra utilisée

Figure 5.

La caméra utilisée est un modèle FR302. Il s’agit d’une caméra miniature en couleur à haute résolution, fabriquée en technologie CMOS et prévue pour un montage sur circuit imprimé.
Les caractéristiques principales sont :
Alimentation de 5 à 15 volts.
Résolution de 628 x 582 pixels.
Optique F=6 mm f=1,6.
Angle de prise de vue : 40°.
Dim. : 20 x 22 x 26 mm.

Câblage du système vidéo



Figures 6 : Câblage du système vidéo.

Prenez la base de la “nacelle” du dirigeable (6a) et percez-la, au fond, de façon à pouvoir faire passer l’objectif de la caméra. Bloquez la platine de l’émetteur à l’aide d’un morceau de ruban adhésif.
La pile sera placée, elle aussi, à cet endroit et elle sera également maintenue en place par du ruban adhésif.
Pour ce qui concerne cette pile, nous vous conseillons de choisir un modèle «alcaline», étant donné que la consommation de l’installation complète se situe aux alentours des 100 mA (10 pour la caméra, 90 mA pour l’émetteur de TV). L’installation de la partie électronique terminée, il ne reste plus qu’à monter la partie mécanique sur le ballon dirigeable, suivant les instructions fournies par le fabricant. Voilà, le systèème de transmission vidéo est prêt pour son utilisation.
Pour la réception, allumez le téléviseur et syntonisez-le en cherchant le canal sur lequel transmet le module hybride que vous avez choisi. Si vous disposez d’un téléviseur récent, il vous faut entrer dans la fonction de syntonisation (recherche des canaux), puis passer en bande UHF et faire défiler jusqu’au canal 22 (seuls les téléviseurs modernes disposent d’une échelle numérotée de 1 à 100) si vous avez choisi le module MAV-UHF479.
Si, par contre, vous avez choisi le module VHF, placez-vous en mode VHF et recherchez le canal H2 (le 12 de l’échelle 1 à 100).

Figure 7 : Une vue de l’émetteur utilisé pour piloter le dirigeable.

Le module UHF

Figure 8 : Les modules hybrides Aurel AV.

C’est un module hybride de conception entièrement nouvelle référencé MAV-UHF479.
Il contient un oscillateur HF fonctionnant sur 479,5 MHz (à quartz), donc, sur le canal 22 de la bande UHF. Il est modulé en amplitude par le signal vidéo composite appliqué à la patte 4.
Un second modulateur piloté par l’audio introduite par la broche 2, module en fréquence la sous-porteuse à 5,5 MHz (±70 kHz) du son.
La puissance de l’oscillateur est de 2 milliwatts sur une charge de 75 ohms, plus que suffisante pour couvrir un rayon d’environ 50 mètres en terrain dégagé.
La sensibilité de l’entrée vidéo est de 1 Vpp (350 mV efficaces) et l’impédance de 100 kΩ, sa valeur élevée permet de ne pas charger le signal vidéo.

Le module VHF
Pour transmettre les images au sol, vous pouvez opter pour le module MAVVHF224, qui opère sur la fréquence standardisée de 224,5 MHz (canal H2 dit canal 12). Ainsi, pour être reçu sur un téléviseur, ce dernier doit être calé sur la portion VHF.
Extérieurement, il se présente comme un petit circuit imprimé avec ses pattes disposées en ligne au pas de 2,54 mm.
Son aspect est identique à celui du module UHF. Dessus, on trouve un oscillateur audio/vidéo et un oscillateur pour la porteuse TV à 224,5 MHz.
La puissance HF rayonnée est de 1 milliwatt sur une antenne de 75 ohms d’impédance, ce qui permet une portée (en absence d’obstacles) d’environ 40 à 45 mètres.
L’oscillateur VHF est modulé en amplitude par le signal vidéo composite appliqué sur la patte 4 (modulation négative PAL) et en fréquence par l’audio appliquée sur la patte 2 et qui module la sous-porteuse à 5,5 MHz, nécessaire pour le son.

La réalisation et la mise au point
L’ensemble caméra/émetteur vidéo est monté sur un petit circuit imprimé dont le dessin est donné en figure 4, à l’échelle 1, que chacun pourra réaliser selon sa méthode habituelle ou par la méthode décrite dans l'article "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".
Pour notre prototype, nous avons utilisé une plaque de verre époxy d’une épaisseur de 0,8 mm (question de poids).
Une fois le circuit imprimé gravé et percé, on peut monter les quelques composants en ayant une attention particulière au sens de placement du régulateur 7805 et du condensateur électrolytique C1 (voir figures 2 et 3).
Le module hybride ne peut, quant à lui, être inséré que dans un seul sens, donc, aucun souci de ce côté là.
Il vous faut prêter une plus grande attention encore, si vous décidez de réaliser le montage en fils volants, sans utiliser de circuit imprimé (quelques grammes de gagnés !). Quelle que soit la solution retenue, pour connecter la pile, utilisez un connecteur spécial pour cet usage, muni de deux fils (rouge et noir).
A présent, tout est prêt pour l’envol.
Gonflez le ballon avec de l’hélium, laissez-le décoller et admirez les images sur le téléviseur dès qu’il a pris son envol.
Vous constaterez ainsi que la vision du déplacement de votre dirigeable sur un écran vous permettra de le guider, presque comme si vous étiez à son bord !

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