Sylvain Rouard Chef de projet 

Mai 2007    

Projet Iness Documentation Technique CANSAT  

Introduction  

Le principe du CANSAT (contraction de Canette‐Satellite) est une activité qui est bien implantée au Japon et aux Etats‐Unis et que nous comptons introduire 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. 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. 

Dans notre cas, nous avons choisi de concevoir un CANSAT capable de se diriger par lui‐même jusqu’à cette cible au moyen d’un parapente asservi et d’un GPS embarqué. 

Première entorse à la « tradition » du CANSAT, nous avons décidé que notre module éjecté ne serait pas une canette contenue dans la fusée mais l’ogive elle‐même. 

  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. 

  Le responsable informatique du projet a assisté au 1st international CANSAT Workshop qui a eu lieu au Japon en février‐mars 2007. Il a ainsi pu s’informer des techniques existantes et il a présenté notre projet qui a fortement retenu l’attention de part les innovations qu’il propose, notamment en algorithmie. 

Le GPS  

Malgré l’échec de l’essai japonais en juillet 2006 à la courtine, nous avons décidé d’utiliser un GPS pour guider notre CANSAT. 

Depuis l’été 2006 nous sommes en contact régulier avec le professeur  Yonemoto du Kyushu Institute of Technology et il nous a précisé qu’après analyses, ce n’est pas la perte du signal GPS qui est responsable de l’échec de leur expérience qui consistait à diriger la descente sous parapente de la fusée, mais une erreur dans l’algorithme de direction. En fait, le signal GPS a bien été perdu en rampe mais il a été rétabli quelques secondes après l’ouverture du parachute. 

Nous sommes donc conscients du fait que nous risquons fortement de perdre le signal en rampe mais nous devrions le retrouver quelques secondes après l’éjection de l’ogive. 

Mode d’éjection  

  Pour permettre l’éjection de l’ogive, une bague supplémentaire est ajoutée à la fusée. Elle a une forme complémentaire de celle située juste sous l’ogive et qui reste attachée à la fusée. 

 

  Le maintient en position de l’ogive est assuré par une vis excentrée et une large surface cylindrique de frottement (garniture caoutchouc) à l’opposé. 

  Au moment de l’éjection, la vis est entrainée en rotation par un petit moteur couplé à un réducteur. Lorsque le dernier pas de vis est sorti de la bague fixée à l’ogive, un ressort placé entre les 

deux bagues, expulse l’ogive et son parapente. Le ressort et la vis ont été calculés pour assurer un bon maintient puis une éjection franche. 

  Pour éviter que le parapente ne se déploie trop près de la fusée (risque d’emmêlement et de déchirure), il sera contenu dans une coque en deux parties dont une extrémité sera attachée à la fusée par une longue ficelle (1‐2m). Ainsi, le parapente restera dans sa coque jusqu’à ce que la ficelle se tende et entraîne l’ouverture de la coque et donc du parapente. 

 

Structure du CANSAT:  

Comme dit précédemment, le CANSAT sera constitué de l’ogive,  mais aussi, afin de rigidifier l’ensemble, d’une structure en pvc qui supportera les différentes cartes et le servomoteur 

Note : Afin de positionner au mieux l’antenne du Cansat, et notamment ne pas utiliser deux antennes et un Switch pour garder le contact avec le GPS lors du largage et du basculement, nous avons décidé de positionner l’antenne du GPS vers l’horizontal (pointée perpendiculairement à l’axe de l’ogive). 

Contrôle du parachute :  

Des tests ont été effectués avec différents parachutes et nous somme arrivés à un choix de parapente de surface 0.8m2, qui soutiendra le CANSAT de 850g. Ceci nous permettrait alors d’atteindre une vitesse de descente suffisamment lente pour contrôler la trajectoire. (vitesse horizontale=2 m/s, vitesse verticale 2m/s) 

Un servomoteur de modélisme sera relié aux 2 fils qui supportent la partie gauche et droite du parachute. 

La manivelle du servomoteur se trouve en position initiale à ‐90° et le moteur a un battement analogique de 180°. La rotation du servomoteur vers la droite a comme conséquence de tirer  la partie gauche du parapente vers le bas, et la partie droite vers le haut ce qui induit une courbure vers la gauche de la trajectoire du CANSAT. Différents tests ont déjà été effectués avec un prototype pour mesurer la maniabilité du système, et nous avons choisi un débattement optimal de 20mm. 

 

Mode de récupération  ­ L’algorithme  

  Une fois le CANSAT correctement ejecté et le parapente deplié, il devient totalement autonome. La phase de contrôle de trajectoire peut alors débuter. 

  Les algorithmes utilisés habituellement sont assez basiques : le cansat se dirige dans la direction indiquée par le GPS et entame un vol en hélice vers le sol dès qu’il passe au dessus des coordonnées indiquées. 

 

  Le principal inconvénient de ce principe est le vol en hélice final qui s’avère en pratique très instable et termine le plus souvent très loin de la cible. 

  L’algorithme que nous mettons en œuvre est radicalement différent. On peut le décomposer en trois phases :  

1°) Calcul préliminaire de la trajectoire 

2°) Création de « check points » à distance régulière tout au long de la trajectoire 

 

 

3°) A chaque « Check points » : 

• Comparaison de la position estimée par rapport à la position réelle 

• Calcul de la nouvelle trajectoire i+1 permettant d’atteindre le check point i+1 

 

Conséquences :  

• Correction de la trajectoire en temps réel 

• Prise en compte de phénomènes extérieurs comme le vent 

• Vol stable 

Cas de défaillances  

Voici les différents cas de défaillance envisagés et les solutions apportées : 

Perte du signal GPS : Comme nous l’avons dit précédemment, ce cas se présentera très probablement, 

particulièrement durant les quelques secondes suivant l’éjection. En conséquence nous avons intégré un mode de navigation « en aveugle » qui consiste tout simplement à décrire des cercles assez larges pour ne pas perdre trop d’altitude en attendant la reconnexion du signal mais pas trop larges pour ne pas s’éloigner d’éjection. Ainsi, si le positionnement GPS n’est jamais rétabli, le CANSAT se posera non loin de la zone d’éjection. 

Sortie du gabarit :   Si pour une raison quelconque, le CANSAT s’apprête à sortir de la zone autorisée, cette anomalie est détectée par l’algorithme à partir de la connaissance avant le vol des coordonnées approximatives de la zone d’éjection (à partir de la trajectoire). Un mode de sécurité qui consiste à tomber à la verticale par un vol en hélice serrée est alors déclenché. 

Ejection prématurée de l’ogive:   La vis choisie pour la transformation de mouvement permettant l’éjection de l’ogive assure une transformation irréversible (un couple sur la vis engendre une translation, mais un effort en translation n’engendre pas de rotation de la vis). De plus, le système d’accouplement entre le moteur et la vis est conçu pour absorber les vibrations de la vis et donc empêcher un desserrage non désiré. 

  Le seul moyen d’enclencher le mécanisme d’éjection prématurément est donc d’enclencher le moteur prématurément. Pour éviter cela, nous nous sommes attachés à concevoir l’électronique de commande du moteur de façon sécurisée. Nous avons donc choisi un composant intégré, qui est réputé pour être un composant robuste tout en étant léger et précis. Etant donné que la commande du moteur doit se réaliser en commande directe et inverse (fermeture pour la mise en place de l’ogive puis ouverture lors de l’éjection), nous avons déterminé qu’un montage  en H‐DMOS, serait celui qui pourrait nous fournir le meilleur taux de fiabilité. 

 

 

 

 

 

 

 

 

De plus, ce composant électronique nous permettra d’isoler l’alimentation du moteur. L’alimentation du moteur sera faite d’une façon totalement indépendante. Cette alimentation sera réalisée à l’aide du pont en H et du microcontrôleur qui aura un rôle crucial : la gestion des priorités d’alimentation, ainsi que les autorisations de mise en route pour chacun des modes de fonctionnement. Premièrement, le microcontrôleur pourra déterminer à travers du conducteur, si le moteur est en marche ou non, ainsi que le sens de rotation du moteur. De plus, pour ajouter une redondance technique, nous allons inclure un verrouillage, qui sera aussi contrôlé par le microcontrôleur. Pour finir, nous avons choisi un système de commande  qui va permettre de neutraliser les pics de tensions et de courant, protégeant ainsi le moteur pendant la phase pré‐vol, vol et après‐vol. De même, une protection « verrouillage température » sera à l’intérieur de notre circuit électronique, pour arrêter le fonctionnement en cas de dépassement d’un seuil de température qui risquerait de casser le montage, donc de faire tourner le moteur. Tout le système à été homologué et vérifié, pour réduire au maximum la probabilité d’éjection prématurée. 

  Si malgré toutes ces précautions une telle éjection devait se produire, les règles de sécurité lors du lancement permettraient d’éviter tout accident humain.