Présentation de l'évolution des CanSat au CLES-FACIL

Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil

BOUCHOUX Florent Cles FacilMEZIANI Rafik Pôle TechniqueRIEDINGER Mathieu octobre 2009


SommaireI. Les Cansat et leur évolution 3

1. Buts et objectifs des Cansat 3a. Ejection 3b. Télémesure 3c. Contrôle 3d. Récupération 4

2. Evolution des Cansat au CLES FACIL 4II. Projet 2006-2007 : Guy 5

1. Architecture globale 52. Implantation dans la fusée 53. Mise en œuvre 54. Système de direction 65. Algorithme de contrôle 66. Résultats 7

III. Projet 2007-2008 : R2 81. Architecture globale 82. Implantation dans la fusée 83. Mise en œuvre 84. Système de direction 85. Algorithme de contrôle 96. Résultats 9

IV. Projet 2008-2009 : Yoda 101. Architecture globale 102. Implantation dans la fusée 113. Mise en œuvre 114. Système de direction 125. Algorithme de contrôle 126. Résultats 12

a. Lâcher du ballon (Compétition Nationale) : 100m 12b. Ejection de la fusée : 900m 13

V. Présentation des objectifs de l’année 2009-2010 141. Evénements 142. Compétition Nationale 2010 (France) 143. Ejection d’une fusée lors de la Campagne Nationale et lors de la Compétition Internationale à Madrid 144. Architecture globale 145. Algorithme de contrôle 14

BOUCHOUX Florent 2Cles Facil

MEZIANI RafikPôle Technique

RIEDINGER Mathieu- octobre 2009 -


VI. Pour plus d’informations 15





I. Les Cansat et leur évolution

1. Buts et objectifs des CansatLe CANSAT (contraction de Canette-Satellite) est une compétition internationale dont le but est de

promouvoir la recherche et les activités spatiales au niveau étudiant. L’objectif est d’embarquer un module de la taille d’une canette de soda dans une fusée expérimentale et de l’éjecter au sommet de la parabole de vol. Qu’il s’agisse de contrôler un parapente ou de déposer un rover au sol, l’objectif final est d’amener le CANSAT vers une cible au sol.

Cette activité est largement implantée au Japon et aux Etats-Unis et le CLES FACIL, conquit par le défis, c’est alors proposé d’introduire le concept en Europe. L’objectif est d’embarquer un module de la taille d’une canette de soda dans une fusée expérimentale et de l’éjecter au sommet de la parabole de vol.

Dans notre cas, nous avons choisi de concevoir un CANSAT capable de se diriger de manière totalement autonome jusqu’à la cible au moyen d’un parapente asservi et d’un GPS embarqué. Une fois éjecté, un petit parapente dirigeable se déploie et un système de guidage composé d’un GPS, d’un microcontrôleur et d’un servomoteur permet au CANSAT de maitriser sa trajectoire jusqu’à la cible au sol.

a. EjectionUn des défis liés au Cansat est de concevoir un mécanisme maintenant le Cansat solidaire de la

fusée pendant toute la phase ascensionnelle, et permettant son éjection à culmination. Nos objectifs pour le système d’éjection ont été les suivants :

Légèreté et compacité du mécanisme Fiabilité : éviter toute éjection prématurée et s’assurer que l’éjection aura bien lieu au moment

voulu. Puissance suffisante pour éloigner le Cansat et éviter une collision avec la fusée. Système permettant au parapente du Cansat de ne s’ouvrir qu’une fois éloigné de la fusée.

b. TélémesureNous avons décidé d’équiper notre Cansat d’un émetteur radio afin de pouvoir récupérer au sol en

temps réel les données du vol. Ce choix a été fait de manière à :

Vérifier le bon fonctionnement de l’électronique embarquée du CANSAT lors de la mise en rampe avant le compte à rebours final.

Vérifier la bonne réception des signaux GPS avant le vol et au cours du vol. Suivre en temps réel à partir d’une station de télémesure de notre fabrication au sol, si les

actions entreprises par le CANSAT sont suivies d’effet.





Connaître dès l’atterrissage du CANSAT, sa position GPS exacte afin de permettre sa récupération quelle que soit la zone d’atterrissage.

c. ContrôleLe contrôle du CANSAT est la partie la plus complexe et constitue la difficulté principale de la

compétition CANSAT. Les différents algorithmes développés au cours des ans au Cles Facil se sont perfectionnés d’année en année, les moyens de tests également. Désormais, nous possèdons notre propre station de télémesure qui nous permet de diriger le Cansat au moyen d’un Joystick. Ensuite, lors de la compétition, cette station ne sert plus que de vérification de bon fonctionnement (aucune action sur le Cansat n’est autorisée depuis le sol lors de la compétition).

d. RécupérationLe système de récupération du CANSAT doit permettre une descente à une vitesse comprise entre 5

et 10 m/sec. Cela doit nous permettre de :

Limiter le rayon de vol en cas d’anomalies, tout assurant une vitesse limitée nécessaire au contrôle de trajectoire.

Récupérer la carte mémoire de la caméra embarquée dans le CANSAT en bon état afin de pouvoir visionner le film du vol.

2. Evolution des Cansat au CLES FACIL

Guy (2006-2007) R2 (2007-2008) Yoda (2008-2009)Classe de la compétition

Open Class Open Class International Class

Mission principale Come Back Come Back Come BackPartie de la fusée Ogive Module éjectable Module éjectableDimensions Cône :

Diamètre base : 120mmHauteur : 350mm

Parallélépipède :Base carrée de côté 120mmHauteur : 300mm

Cylindre de la taille d’une canette de soda :Diamètre : 66mmHauteur : 115mm

Voile Parapente + coque Parapente + coqueEt parachute éjecté après stabilisation

Parapente

Asservissement Unique servomoteur avec bras de contrôle

Deux servomoteurs (parapente et éjection parachute)

Un seul servo avec roue enrouleuse

Electronique embarquée

Accus, radio, GPS, carte de contrôle (µC), caméra

Accus, radio, GPS, carte de contrôle (µC), caméra

Accus, radio, GPS, carte de contrôle (µC), capteur luminosité et température





II. Projet 2006-2007 : Guy

1. Architecture globale





2. Implantation dans la fusée

Figure 1 - Système d'éjection du Cansat (ogive)

3. Mise en œuvreEjection de la fusée Iness du Cles Facil à 1200m d’altitude à la campagne 2006-2007 sur le camp militaire de la Courtine.

4. Système de direction- Parapente cerf-volant Symphonie 1,4

o Gamme de vent : de 2 à 6 Bfto Envergure : 140 cm





o Vitesse de descente prévue pour notre Cansat : 8 m/s

(http://www.cdk.fr/voler/cerf-volant/voiles_souples/symphonie_1_4_article2400.html)

- Deux rangées de suspentes raccordés de chaque côté deux ensembles de suspentes fixes droite et gauche

- Deux suspentes simples directrices droite et gauche, fixées à l’arrière de la voile, tirant dur un coin de la voile, offrant ainsi une résistance à l’air et permettant au module de tourner

- Un unique servomoteur muni d’un Té tirait soit à droite, soit à gauche sur les suspentes directrices. L’action était unilatérale : tirer à gauche revenait à relâcher à droite et vice-versa.

5. Algorithme de contrôleTout d’abord, nous avons du transformer les coordonnées GPS représentées par des points discrets en une trajectoire de vol pour ainsi être en mesure de prendre la décision de pilotage.

Pour y arriver, il était d’abord indispensable de passer du repère terrestre au repère local galiléen appelé ENU (East North Up) dont le plan x,y est tangent à l’ellipsoïde de la Terre.

C’est pourquoi nous avons effectué une transformation GPS pour obtenir un repère ECEF (Earth centered Eath Fixed), repère galiléen centré sur la Terre. Une rotation puis une translation ont été ensuite nécessaires pour arriver au repère ENU. Cela permet en effet à notre repère galiléen d’être tangent à notre position sur l’ellipsoïde.

Grâce à cette transformation, travailler avec des vecteurs directionnels devenait possible. Nous avons ainsi utilisé le vecteur de direction actuel ainsi que le vecteur de direction idéal, le vecteur actuel étant le vecteur entre le point actuel et le point où nous étions il y a deux itérations et le vecteur idéal le vecteur entre notre position actuelle et la position de la cible.

C’est ce que nous pouvons observer dans le schéma ci-dessous :




http://www.cdk.fr/voler/cerf-volant/voiles_souples/symphonie_1_4_article2400.html


Ce choix nous a paru utile pour déterminer l’écart entre la direction actuelle et la direction vers la cible. En effet, une fois nos vecteurs obtenus dans le repère local, l’angle indiquant l’écart voulu pouvait facilement être obtenu. Cette différence appelée « delta » a alors pu être associée à une action définie par R (pour tourner à droite), L (pour tourner à gauche) et S (pour la position stable). Cette action est exécutée pendant une durée qui est fonction de « delta ». Notons que seule la durée de l’action varie ; l’amplitude du mouvement, elle, reste identique. Une fois l’action effectuée, le CANSAT se stabilise en position S pendant quelques secondes, ce qui nous permet d’acquérir des positions fiables et stables. La même séquence est ensuite répétée en cours de vol.

6. RésultatsVol en « torche » : la vitesse d’éjection très grande a empêché la voile de prendre le vent correctement. Bien que la voile du parapente se soit déployée entièrement, le vol n’était pas contrôlé. L’ensemble Cansat+parapente tournait sans arrêt sur le plan horizontal. On ne peut pas qualifier le vol de vol en torche, car les suspentes n’étaient pas emmêlées. Le module refusait tout simplement de se stabiliser, surement à cause du choc lors de l’ouverture de la voile.





III. Projet 2007-2008 : R2







3. Mise en œuvreEjection de la fusée Léia du Cles Facil à 800m d’altitude à la campagne 2007-2008 sur le camp militaire de la Courtine.

4. Système de directionLa même voile a été utilisée pour les trois Cansat, bien que leur masses et tailles soient différentes. Les solutions offertes dans le commerce ne sont pas très étendues et fabriquer une voile nous-mêmes demandait une bonne connaissance du domaine du parachutisme que nous n’avons pas.

o Vitesse de descente prévue pour notre Cansat : 10 m/s

5. Algorithme de contrôleL’algorithme de vol n’a pas été amélioré par rapport à l’année précédente. Des soucis lors de la conception informatique du contrôle de vol nous ont poussés à réduire le contrôle en une simple spirale. Finalement, à cause de problèmes électroniques, le vol n’a pas été contrôlé du tout.

6. RésultatsLe système de stabilisation par parachute n’a pas fonctionné comme nous l’attendions. Le parachute s’est ouvert, suivit quasi-immédiatement par le parapente (chose inattendue). Ensuite, le parachute, qui aurait du se détaché, est tout de même resté accroché du à un système d’éjection défaillant. Le Cansat a donc volé avec un parachute et un parapente. L’algorithme de vol n’a pas fait effet (concept jamais testé, algorithme non fonctionnel). Néanmoins, l’ensemble a effectué un beau vol (non contrôlé), le problème de vol non stabilisé de l’année passée était résolu grâce au parachute.





IV. Projet 2008-2009 : Yoda





GPS

Carte de contrôle

Roue du servomoteur

Accus

Radio



3. Mise en œuvre- Lâcher d’un ballon monté à 150m lors de la compétition Nationale Cansat 2010 sur le site du CELM

de Biscarosse.





- Ejection de la fusée Padmé du Cles Facil à 910m d’altitude à la campagne 2008-2009 au CELM de Biscarosse.

4. Système de directionLa même voile a été utilisée pour les trois Cansat, bien que leur masses et tailles soient différentes. Les solutions offertes dans le commerce ne sont pas très étendues et fabriquer une voile nous-mêmes demandait une bonne connaissance du domaine du parachutisme que nous n’avons pas.

o Vitesse de descente prévue pour notre Cansat : 3,5 m/s

Un système de parachute éjectable a été mis en place. Une fois le module éjecté, le parachute s’ouvre, stabilise l’ensemble et le ralenti, puis est éjecté. Se faisant, il ouvre les liens qui retiennent prisonnier la voile de parapente qui peut alors s’ouvrir et prendre le contrôle du module.

5. Algorithme de contrôle

Méthode de l’aigle :

Les coordonnées GPS de la cible sont entrées dans le microcontrôleur avant le décollage ou le lâcher. Une fois le module éjecté, à l’aide du GPS intégré, un cap est défini entre la position actuelle et la cible à atteindre au sol. Si la cible est trop proche par rapport à la vitesse de descente (ce qui arrive dans la plupart des cas), on applique la méthode de l’aigle. Un cercle fictif de rayon 50m et de centre la cible à atteindre est calculé. Le module est alors dirigé afin de suivre la tangente à ce cercle. Une fois sur le cercle, le module le suit jusqu’à ce qu’il atteigne une altitude suffisamment basse pour atteindre son point de chute. Il converge alors vers le centre du cercle.

6. Résultats

a. Lâcher du ballon (Compétition Nationale) : 100m- Parapente : le système de ralentissement et de stabilisation par parachute n’a pas été mis en

œuvre ici, car la vitesse initiale du module est nulle. De plus, il faut que la voile s’ouvre le plus rapidement possible afin de prendre le contrôle immédiatement. L’ouverture se fait quasi-instantanément, le pliage ayant été optimisé dans ce sens (voir vidéos du vol). La voile se gonfle correctement, mais est légèrement surdimensionnée. De ce fait, le module a plus tendance à s’éloigner, et le module a du mal à revenir vers la cible atterrissage à 53m du point prévu.

- Des soucis de captage des satellites par le GPS ont occasionnés des coupures dans la transmission des ordres, rendant un peu plus difficile le guidage.





b. Ejection de la fusée : 900m- Parapente : à cause de la trop grande vitesse de la fusée lors de l’éjection, le parachute n’a pas eu

le temps de stabiliser le module avant de se détacher, entrainant une chute du module dans les mêmes conditions que Guy (2006-2007) vol en cercles sur le plan horizontal.

- L’algorithme de vol n’a pas pu être testé à cause de l’instabilité du module





V. Présentation des objectifs de l’année 2009-2010

1. EvénementsComme l’année dernière, nous allons participer à la compétition Nationale Cansat qui se déroulera fin août sur le site du CELM (Centre d’Essai de Lancements de Missiles) à Biscarosse. Sur ce même site, nous lancerons notre fusée qui embarquera ce même Cansat. Enfin, nous sommes inscrits à la compétition Internationale Cansat organisée par le LEEM sur un site proche de Madrid (Espagne).

Les conditions d’éjection ne sont pas les mêmes dans chaque cas de figure : lâcher d’un ballon ou éjection d’une fusée. Cela implique la mise en place de technologies différentes pour un même Cansat.

2. Compétition Nationale 2010 (France)Conditions de lâcher : Cansat monté dans un tube fixé à un ballon à 100-150 mètres d’altitude.

Vitesse intiale : nulle

Système de récupération : parapente seul se déployant le plus rapidement possible, afin de commencer le contrôle de la trajectoire au plus tôt des 15 secondes de descente.

Distance de la cible : 20m du point de lâcher

3. Ejection d’une fusée lors de la Campagne Nationale et lors de la Compétition Internationale à Madrid

Conditions de lâcher : éjection à l’apogée de la trajectoire d’une fusée expérimentale

Vitesse intiale : vitesse de la fusée lors de l’éjection env. 300km/h

Système de récupération :

1. Parachute de stabilisation : un parachute s’ouvre dans un premier temps et stabilise la chute du module

2. Le parachute se détache en même temps que s’ouvre la voile de parapente (système testé sur R2 (2007-2008) mais ayant subit un disfonctionnement : le parachute est resté accroché)

Distance de la cible : aléatoire (dépend de la trajectoire de la fusée), peut atteindre une centaine de mètre (projection sur le plan horizontal).

4. Architecture globale- Voile parapente ou parachute (circulaire à trappes, parapente sans caissons) :- Ajout d’un second servomoteur permettant de tirer sur les deux suspentes de direction à la fois

freinage ou accélération possibles- Ajout de tiges ressorts dans l’armature pour une meilleure ouverture et rigidité de la voile





5. Algorithme de contrôle- Application de la méthode de l’aigle, prenant cette fois en compte les phénomènes

météorologiques (thermiques, vent,…) dans le cas de l’utilisation d’un parapente- Application d’une méthode de chute « libre » dans le cas de l’utilisation d’un parachute à trappes :

une fois la cible atteinte en hauteur, le module descend directement sur elle :

Figure 2 - Méthode de l'aigle (adoptée sur Yoda avec une aile de parapente)





Figure 3 - Méthode de contrôle avec parachute





VI. Pour plus d’informations

Pour mieux comprendre nos projets :

- Site Internet du Cles Facil : http://clesfacil.insa-lyon.fr (rubrique Projets)- Dossier contenant les photos et vidéos des différents Cansat et leur vol (joint à ce document)

Pour nous contacter :

- Adresse mail : [email protected]




mailto:[email protected]

http://clesfacil.insa-lyon.fr/

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