Balance électronique de centrage pour planeur

Principe

L’idée n’est pas de moi, on trouve sur internet différents projets ‘open source’ et produits commerciaux dérivés de ces projets. (CG Scale, GliderCdG)

Le principe est assez simple, à l’aide de 2 balances, on mesure une masse ‘à l’avant’ et une masse ‘à l’arrière’ du planeur. En connaissant la distance entre les 2 points de pesée ‘avant’ et ‘arrière’, on est capable de calculer le barycentre, soit le centre de gravité  (CdG). En connaissant la distance du bord d’attaque de l’aile au point de pesée ‘avant’, on peut recaler la distance du CdG au bord d’attaque (BA) de l’aile.

Pour la mise en œuvre, les points de pesée sont ramenés sur l’aile, comme représenté ci-dessous.

Principe balance
Principe de calcul du CdG du planeur

Electronique et capteurs

La mesure  des masses est réalisée par 2 balances électroniques. Ces balances sont constituées d’une poutre en aluminium équipée de jauges de contraintes et d’un circuit électronique de mesure. Chaque carte électronique intègre un composant HX711 réalisant la mesure sur le pont Wheatstone, la numérisation, et la transmission sur une liaison série numérique synchrone.

On trouve facilement ces balances (appellation ‘Load Cell’ ou YZC-133) et les cartes HX711 sur Ebay par exemple, pour quelques Euros.

Poutre et carte électronique
Poudre balance et carte HX711

L’alimentation des 2 cartes HX711 est prélevée sur le 5V de la carte Arduino.

Câblage des jauges sur les cartes HX711 :

  • E+ : fils rouge
  • E- : fil noir
  • A- : fil blanc
  • A+ : fil vert

Câblage des cartes HX711 avec la carte Arduino :

  • SCK HX711 Balance avant : A0 Arduino
  • DOUT HX711 Balance avant : A1 Arduino
  • SCK HX711 Balance arrière: A2 Arduino
  • DOUT HX711 Balance arrière: A3 Arduino
2 capteurs
2 balances câblées

La gestion des balances est réalisée par une carte Arduino UNO.

Fonctions implémentées (logiciel Arduino) :

  • Communication avec les 2 cartes HX711
  • Communication avec le PC d’IHM (Interface Homme Machine)
  • Calibration des balances avec une masse de référence connue
  • Sauvegarde des calibrations des balances en EEPROM (Mémoire non volatile)
  • Tare des balances
  • Mesure des masses

La librairie logiciel du HX711 provient du site : https://github.com/bogde/HX711

La mise en œuvre du système est réalisée par un logiciel sur PC / Windows. La carte Arduino est connectée à un port USB du PC permettant ainsi l’alimentation et la communication. Ce logiciel PC a été développé avec QT.

Fonctions implémentées (logiciel PC) :

  • Communication avec la carte Arduino
  • Gestion des fonctions des balances (Calibration, Tare, Pesée)
  • Saisie des paramètres du planeur (Distance BA / CdG souhaitée, Distance BA / Lest de réglage)
  • Sauvegarde et chargement des paramètres du planeur
  • Calcul du centrage
  • Calcul du lest éventuel à mettre en place (si on ne peut pas déplacer suffisamment la batterie par exemple)
IHM PC
IHM PC

Mécanique

Les 2 balances et la carte Arduino sont intégrées dans un ensemble mécanique constitué principalement d’un socle et des 2 U sur lesquels l’aile du planeur vient en appui. Les 4 plots sur lesquels l’aile vient en appui sont ‘libres’ afin de s’adapter à la courbure de l’aile. Les arrêts de bord d’attaque sont en tube carbone de 3mm avec un embout de protection. Le socle est refermé par 2 couvercles, et un cache vient sur les 2 poutres, il est maintenu par les 2 couvercles.

3D
Modélisation 3D

Les pièces ont été réalisées en impression 3D PLA, sauf pour les embouts des tiges carbone d’appui du BA qui sont en TPU. Les 4 plots (jaune) sont en ABS, mais ils pourraient être en PLA.

Support U
Socle
Socle et carte Arduino UNO
Balance
Câblage des cartes
Balance
Balance complète

Tests

Les 2 balances ont été testées séparément avec des masses connues. Les calculs ont été vérifiés avec des cas tests, calculés dans un tableur ‘Excel’.  Puis les essais sur planeurs ont été fait sur mon Grafas et mon Excel 4004.

Pour le Grafas, la notice donne une plage de centrage de 78 à 85mm (du bord d’attaque). Le centrage adopté en vol est plus arrière. Sur ma balance ‘balancier’ Multiplex, je trouve un centrage autour de 92.5mm / 93mm.  Sur la balance électronique, le centrage mesuré est de 93mm pour une masse de 1874g.

La notice Simprop de l’Excel 4004 donne un centrage nominal à 90mm, avec un marquage de fuselage jusqu’à 102mm. A 90mm, le centrage est ‘très avant’, je vole avec 102mm. Le passage sur la balance électronique donne une masse de 5027g pour un centrage à 102.1mm.

Excel 4004 sur la balance de centrag

Améliorations

La balance fonctionne correctement. Pour un planeur de 5kg comme l’Excel, le socle de la balance est à peine assez rigide.

Il subsiste un problème d’affichage du texte sur l’interface sur mon PC portable (non présent sur mon PC fixe, voir les 2 photos de l’interface ci-dessus et dans le corps de l’article)

Nota : Le problème de texte provient d’un zoom appliqué à l’affichage Windows.

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