Les fabricants de RC n'ont rien prévu en remplacement, considérant le petit marché du SM,
et le 2.4 Ghz ne passe pas sous l'eau.
Différents tests, dont celui de la torpille, montrent que le 433 Mhz peut être une solution de remplacement efficace,
avec les atouts suivants:
- La propagation sous l'eau est inférieure au 41 mais la sensibilité des récepteurs est largement supérieure
( < -120 dBm contre moins de 100 pour les vieux circuits des années 90 qui équipent les RX/Tx 41 Mhz )
Rappelons que dBm (décibel milliwatt) mesure la sensibilité, et que plus c'est faible, plus le Rx accepte un signal atténué.
- le circuit HC12 est peu cher (4 à 10 euros)
- la radio est un transpondeur, c'est à dire retour possible (télémétrie) du SM vers l'émetteur.
- programmable par Arduino, avec possibilité d'une centrale de commande et de régulation du SM autour d'un gros microprocesseur Atmel.
- taille des données programmables en codage numérique avec clé de cryptage; elle n'est pas limitée à 8 voies et peut être étendue à souhait.
- Antenne très courte et déportable à l'extérieur par coaxial ce qui évite tous les soucis du 41 mhz, voir les simulations en fin de fichier.
- 100 canaux de fréquence (mais laisser à 5 de distance 1 6 11 16 ....)
- peu de variation air/ eau de l'impédance de l'antenne en 433 Mhz.
et les inconvénients suivants:
- portée 1.5 à 2m sous l'eau contre 4 à 5m en 41 Mhz
- possible de mettre à 100 mW mais limité à 10 mW
Voici ci-dessous le montage et le code Arduino pour une radio 8 voies ou 7 voies + 8 multiswitch adaptée à une Futaba genre FC18.
Ce code s'adapte à tout autre marque en modifiant le buffer.
( Pour toute question, vous pouvez écrire à la suite de ce post en vous inscrivant au préalable et je répondrai )
Un connecteur se branche sur la prise écolage et le circuit Arduino est alimenté en 12V par la batterie de l'émetteur et
reçoit son signal PPM.
Nous avons choisi le Mega2560 ou ses clones de façon à programmer la communication sur la voie série 2 (UART2) car la 1 est occupée par
Arduino et sert par exemple pour l'affichage sur le moniteur lors d'un débogage.
Le positionnement des registres est écrit à bas niveau et non pas par des fonctions Arduino, ce qui assure contrôle et transmission rapide.
Il y aura une note technique à venir sur le code pour ceux qui souhaitent le modifier.
Le programme existe aussi pour les versions mini à base d'Atmel 328P.
Coté réception, le mega2560 se comportera comme une centrale de contrôle programmable pour tout le SM ou le bateau.
améliorations de la portée dans l'air:
la figure ci-dessous montre les paramètres pour améliorer la portée.
Tel quel le Tx/RX est par défaut à 100 mW (+20 dBm) avec une vitesse de 9600 bauds soit 1 octet par milliseconde.
Le test référencé sur le film youtube (en haut du fichier) donnait environ 800m de portée dans l'air à 10 mW de puissance,
9600 bauds et avec les deux antennes spirale d'origine. C'est à peu prés ce qu'on retrouve par le calcul théorique (0.78 km) ainsi
que les 1.8 km obtenu au test avec une antenne à gain sur l'émetteur.
A la fin vous voyez la conclusion:
-> en passant de 9600 à 2400 bauds on multiplie la portée (dans l'air) par 1.78 (théorique)
-> de 10 à 100 mW on multiplie par 3.15
-> Enfin avec une antenne à gain sur l'émetteur on multiplie par 2.32
video test portée air libre
https://www.youtube.com/watch?v=awOPJK5He28
video test portée sous l'eau (piscine 1.5m)
https://www.youtube.com/watch?v=T84hvI7wjPE
J'ai ajouté la perte en transmission supposée 80 dB/m (40 dB à 50 cm sur l'article ci dessus)
C'est une supposition car cela peut être moins.
Ensuite j'augmente le champ 'distance sous l'eau'; cela augmente le path loss (perte tolérée) jusqu'à sa limite,
c'est à dire quand la portée (range) devient nulle.
On arrive environ à 1.5m pour 10 mW 9600 bauds 2 mini antennes spirale 2.5cm.
En augmentant le gain ddu Tx, sa puissance et en diminuant le débit de données on arrivera péniblement à 1.80m
- RANGE2.jpg (145.35 Kio) Vu 563 fois
- RXTX.jpg (268 Kio) Vu 587 fois
Le code Arduino à télécharger:
Boîtier et prise DIN6 à imprimer:
Simulations électromagnétiques
(cliquez sur l'image pour version agrandie):
- propagation.jpg (56.18 Kio) Vu 558 fois
Rappels:
Nous cherchons à savoir si la télécommande va répondre sous l'eau.
La figure ci-dessus montre les différentes étapes.
L'émetteur HC12 est placé sur la terre au point S et émet à une puissance de 100 mW (+20 dBm) par exemple.
Le récepteur est placé sous l'eau au point T.
Si le coefficient de réflexion est -7 dB, 80% soit 80 mW passe dans l'antenne.
Ensuite l'efficacité de l'antenne va dépendre de son gain dans une certaine direction.
Si par exemple le gain est suffisant et l'antenne bien orientée vers la cible on peut avoir un rendement (efficacité) de 80%
soit 64 des 100 mW qui passent dans l'air.
La perte en propagation dans l'air sur SI est faible.
Au pont I, l'interface air/eau fait perdre 4 dB (tous les 3 dB de perte, la puissance est divisée par 2).
Ensuite la section IT est la propagation dans l'eau et c'est la le point critique.
Dans l'eau pure la perte est moindre, mais plus il y a d'électrolytes (chlore piscine, eau salée) plus la perte est lourde.
Au dessus de 100 Mhz, la perte en propagation augmente vite
Dans de l'eau de lac ou de ville compter 20 à 80 dB/m de perte selon la pureté de l'eau.
Puis il peut y avoir une nouvelle interface eau/air (RX dans tube) soit encore 4 dB perdus.
Le rendement de l'antenne de réception dans l'eau est 30% en 433 Mhz et 1.5% en 41 Mhz.
A cela on peut ajouter 30 dB de bruit de fond (perturbation électromagnétiques globales,
harmoniques des autres fréquences, objets métalliques etc.).
En ajoutant toutes ces pertes on ne doit pas être inférieur à la sensibilité du récepteur
(-111 à -124 dBm selon la vitesse de transmission en bauds), sinon la radiocommande est coupée.
Le coefficient de réflexion Ro est la capacité de l'antenne a transmettre la puissance électromagnétique produite
par l'émetteur au récepteur. Pour cela elle doit rayonner et être en accord d'impédance.
L'antenne filaire rayonne en 1/4 d'onde, soit pour une longueur L = 1/4x C/F,
C = vitesse lumière dans le vide et F fréquence.
Par exemple en 41 Mhz, le 1/4 d'onde sera L = 1/4 x 300/41 = 1.83m
Ensuite elle doit être idéalement au centre d'un plan de masse circulaire de rayon L.
Toute diminution du plan de masse implique une modification de la longueur de l'antenne et des composants
pour corriger la déviation de l'impédance.
L'impédance Z = R +/- jX
R est la résistance réelle et X la réactance qui peut être inductive ou capacitive.
j est la base des nombres complexes.
Quand l'antenne est en résonance, X est nul et toute la puissance HF est transmise au récepteur.
Dés que X est non nul, une partie de la puissance est réfléchie comme dans un miroir et est perdue.
La chaîne de composants entre l'antenne et le récepteur vise à annuler les réactances X et à égaliser les R.
Considérer Ro comme le passage de la lumière à travers une vitre qui peut être transparente,
ou opaque et réfléchir toute la lumière.
Ce que nous souhaitons, c'est de ne pas refaire le réseau de composants entre antenne et Rx.
Pour cela il faut que le coefficient de réflexion Ro reste bon, c'est à dire que l'impédance ne varie pas trop entre l'air et l'eau.
Pour la mesure de la réflexion , on utilise des appareils qui sont des analyseurs de spectre ou de réseau.
S11 est le coefficient de réflexion (Ro).
S21 mesure la transmission.
Ro = racine(Puissance réfléchie / Puissance incidente)
soit Pout/Pin = Puissance réfléchie / Puissance incidente
Ro (en dB) = 10 log(Pout/Pin)
Pout/Pin = 10^(dB/10)
si vous regardez les courbes du coefficient de réflexion:
-20 dB -> Pout/Pin = 10^-2 = 0.01 1% du signal est réfléchi 99% est transmis au récepteur (rx)
0 dB aucun signal ne passe vers le rx
-3 dB 50% du signal passe vers le rx
Pour la propagation:
elle va se mesurer en dB perdus par le passage dans l'eau.
A 433 Mhz on perd environ 40 dB par 50 cm d'eau traversés sur l'article cité plus bas.
En considérant un bruit de fond de 30 dB, il faut une sensibilité du Rx inférieure à -30 -40 = -70 dBm pour recevoir
quelque chose. Comme le HC12 peut faire moins de -120 dBm, ça passe encore.
Voici le test en simulation et réel à 433 Mhz paru dans le "journal of physics":
"A matched Bow-tie antenna at 433MHz for use in underwater wireless sensor networks"
https://iopscience.iop.org/article/10.1 ... 012048/pdf
S11 est mesuré en simulation et avec un analyseur de réseau
vous voyez, vers 433 Mhz il est dans les -15 à -20 dB soit 97 à 99% du signal passant (pointillé rouge)
Ensuite S21 mesuré avec un analyseur de spectre montre une déperdition stable de -35 à -40 dB vers 50 cm de fond.
A cela s'ajoute le passage de l'interface air/eau
Cet article décrit bien le passage air/eau(appelée transmission) et la propagation dans l'eau.
https://www.scirp.org/pdf/jemaa20110700001_18390291.pdf
Vous voyez que les très basses fréquences utilisées dans les sous marins grandeur se propagent bien sous l'eau
à condition d'être émises par une sonde sous marine. Émises depuis l'air, les ondes basse fréquence se reflètent sur l'interface air/eau.
La qualité de la propagation dans l'eau dépend de sa conductivité (en Siemens/mètre).
Pour l'eau pure (0.01 S/m) elle est bonne.
Plus il y a d'électrolytes, plus la conductivité augmente et plus la propagation est médiocre.
Dans l'eau de mer, (4 S/m), la propagation de l'onde électromagnétique est très mauvaise.
La plage 200 khz - 100 Mhz est idéale, mais le 433 Mhz reste acceptable.
Ci dessous, perte (dB) en propagation totale (passage air/eau + transmission sous l'eau) sur les 2 axes:
Voici maintenant des simulations:
Antenne 41 Mhz (1.83m) dans l'eau pure et dans une eau avec électrolytes (piscine, eau de ville...)
Ro a été simulé en remplaçant permittivité et conductivité de free space (milieu environnant) par ceux de l'eau.
La simulation de notre antenne (1/4 d'onde) dans l'eau de ville montre une succession de points de résonance.
Cela va dépendre de la qualité de l'eau, du plan de masse (c'est à dire tout ce qui est raccordé: accus, servos, Arduino etc.),
de la position de l'antenne etc.
Cela va être pollué par les tiges métalliques présentes dans le sous marin et un possible repli de l'antenne.
Si par chance vous vous trouvez sur un point de résonance, vous pourrez penser que vous avez bien aménagé votre radio commande.
La seule façon correcte est d'utiliser un petit VNA (analyseur de réseau) pas cher pour test d'antenne en déplaçant les parties sensibles
jusqu’à obtenir le moins de dB possible en 41 Mhz pour S11. Il y aura un post la dessus.
Pour le rendement nous avons du créer un cube d'eau autour de l'antenne pour le calcul.
En 41 Mhz le rendement est très faible (1.5%) contre prés de 30% en 433 Mhz.
Les fil d'antenne ne font que quelques milliohms de résistance en courant continu, mais en HF, la partie réelle
de la résistance est 14 ohm pour le 433 mais plus de 60 pour le 41. Cela provoque une chute du rendement.
On pourrait raccourcir l'antenne 41 mais on change l'accord et diminue la puissance si l'on s'écarte du 1/4 d'onde.
Antenne 433 Mhz simulée dans l'air et dans l'eau
Sur la simu on arrive à -5.86 dB soit 75% du signal passant dans l'eau contre 85% dans l'air.
Ces valeur s'entendent avec une référence de 50 Ohms mais en accordant l'antenne avec des composants
on doit arriver à -15 à -20 dB comme sur le test de l'article vu plus haut.
Le rendement est plus de 28%, mais tombe à 4% si l'antenne en contact direct avec l'eau de ville,
donc laisser les antennes isolées, d'autant plus que l'eau contient des électrolytes (chlore piscine, sel etc)
dans l'eau pure, la perte de rendement serait moindre.
Par contre ce qui grève la portée, comme nous l’avons vu auparavant, c'est la perte de puissance de l'onde électromagnétique à 433 Mhz
lors de son passage dans l'eau (propagation).
Antenne 41 Mhz avec barre/objets métalliques à proximité; déviation de l'impédance
Vous voyez l'effet d'une barre métallique (fer, plomb) qui dévie sur la simu le point de résonance de 41 à 38 Mhz
ainsi que le gain de l'antenne.
L'ensemble antenne + barre résonne, et la barre plus longue entraîne l'ensemble vers une fréquence plus faible.
Il en résultera une perte de portée.
Antenne 41 Mhz recourbée
Quand vous recourbez votre antenne 41 Mhz, les vecteurs électrique s'annulent et l'effet sera catastrophique.
Perte de 80% de la puissance transmise et effondrement du rendement.
Idem s'il y a une boucle, cela se comporte comme une self.
Autres causes de perte de signal:
La présence d'un accu sous l'antenne et relié au plan de masse va couper le signal.
Tout conducteur placé prés ou sous l'antenne et relié au plan de masse peut couper le signal.
Un accu Lipo seul non relié à la masse HF et placé sous l'antenne va dévier la fréquence de résonance de l'antenne vers sa fréquence propre.
Il se comporte comme un conducteur à forte inertie. Nous avons mesuré autour de 30 Mhz la résonance d'un petit accu.
EN CONCLUSION
Les récepteurs que nous utilisons (41 et 72 Mhz) ont été accordés dans l'air, jamais sous l'eau.
Les simulations montrent que le rendement de l'antenne en 41 Mhz est bien moindre qu'en 433;
par contre la perte en propagation est moindre en 41 par rapport au 433.
Attention aux antennes repliées et au masses métalliques.
La portée maximale sous l'eau à espérer sera de 4 m en 41 Mhz et de 1.45 à 1.70 m en 433 Mhz.
En 433 Mhz, l'impédance de l'antenne varie très modérément de l'air à l'eau et l'antenne est très courte (2.5 cm)
ce qui la rend utilisable pour des tout petits sous marins (genre aquarium ...)
L'idéal est une petite antenne courte (17.3 cm en 433Mhz ou 2.5 cm si antenne spirale),
placée verticale dans le kiosque, isolée de l'eau et reliée au HC12 par un mini coaxial blindé.
Pour atteindre le 50 ohms, il faudra retailler le câble coaxial à la bonne longueur.