Rédigé pour Aerazur (société de Zodiac Aerospace)

1. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au
Cles Facil
BOUCHOUX Florent Cles Facil
MEZIANI Rafik Pôle Technique
RIEDINGER Mathieu octobre 2009

2. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
Sommaire
Les Cansat et leur évolution........................................................................................................................4
Buts et objectifs des Cansat..........................................................................................................................4
Ejection.....................................................................................................................................................4
Télémesure...............................................................................................................................................4
Contrôle...................................................................................................................................................5
Récupération............................................................................................................................................5
Evolution des Cansat au CLES FACIL..............................................................................................................5
Projet 2006-2007 : Guy................................................................................................................................7
1.Architecture globale..................................................................................................................................7
Implantation dans la fusée...........................................................................................................................8
Mise en œuvre..............................................................................................................................................8
Système de direction....................................................................................................................................8
Algorithme de contrôle.................................................................................................................................9
Résultats.....................................................................................................................................................10
Projet 2007-2008 : R2................................................................................................................................11
2.Architecture globale................................................................................................................................11
Implantation dans la fusée.........................................................................................................................11
Mise en œuvre............................................................................................................................................12
Système de direction..................................................................................................................................12
Algorithme de contrôle...............................................................................................................................12
Résultats.....................................................................................................................................................12
Projet 2008-2009 : Yoda............................................................................................................................13
3.Architecture globale................................................................................................................................13
Implantation dans la fusée.........................................................................................................................14
Mise en œuvre............................................................................................................................................14
Système de direction..................................................................................................................................15
Algorithme de contrôle...............................................................................................................................15
Résultats.....................................................................................................................................................15
a.Lâcher du ballon (Compétition Nationale) : 100m...............................................................................15
Ejection de la fusée : 900m.....................................................................................................................16
Présentation des objectifs de l’année 2009-2010......................................................................................17
4.Evénements.............................................................................................................................................17
Compétition Nationale 2010 (France).........................................................................................................17
Ejection d’une fusée lors de la Campagne Nationale et lors de la Compétition Internationale à Madrid. .17
Architecture globale...................................................................................................................................17
Algorithme de contrôle...............................................................................................................................18
Pour plus d’informations...........................................................................................................................20
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4. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
Les Cansat et leur évolution
Buts et objectifs des Cansat
Le 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.
Ejection
Un 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.
Télémesure
Nous 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.
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 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.
Contrôle
Le 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).
Récupération
Le 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.
Evolution des Cansat au CLES FACIL
Guy (2006-2007) R2 (2007-2008) Yoda (2008-2009)
Classe de la Open Class Open Class International Class
compétition
Mission principale Come Back Come Back Come Back
Partie de la fusée Ogive Module éjectable Module éjectable
Dimensions Cône : Parallélépipède : Cylindre de la taille
Diamètre base : 120mm Base carrée de côté d’une canette de soda :
Hauteur : 350mm 120mm Diamètre : 66mm
Hauteur : 300mm Hauteur : 115mm
Voile Parapente + coque Parapente + coque Parapente
Et parachute éjecté
après stabilisation
Asservissement Unique servomoteur Deux servomoteurs Un seul servo avec
avec bras de contrôle (parapente et éjection roue enrouleuse
parachute)
Electronique Accus, radio, GPS, carte Accus, radio, GPS, carte Accus, radio, GPS, carte
embarquée de contrôle (µC), de contrôle (µC), de contrôle (µC),
caméra caméra capteur luminosité et
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température
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7. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
Projet 2006-2007 : Guy
1. Architecture globale
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8. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
Implantation dans la fusée
Figure 1 - Système d'éjection du Cansat (ogive)
Mise en œuvre
Ejection de la fusée Iness du Cles Facil à 1200m d’altitude à la campagne 2006-2007 sur le camp militaire de
la Courtine.
Système de direction
- Parapente cerf-volant Symphonie 1,4
o Gamme de vent : de 2 à 6 Bft
o 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.
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9. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
Algorithme de contrôle
Tout 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 :
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10. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
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.
Résultats
Vol 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.
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11. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
Projet 2007-2008 : R2
2. Architecture globale
Implantation dans la fusée
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12. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
Mise en œuvre
Ejection de la fusée Léia du Cles Facil à 800m d’altitude à la campagne 2007-2008 sur le camp militaire de la
Courtine.
Système de direction
La 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
Algorithme de contrôle
L’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.
Résultats
Le 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.
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13. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
Projet 2008-2009 : Yoda
3. Architecture globale
 GPS
 Carte de contrôle
 Roue du
servomoteur
 Accus
 Radio
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14. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
Implantation dans la fusée
Mise en œuvre
- Lâcher d’un ballon monté à 150m lors de la compétition Nationale Cansat 2010 sur le site du CELM
de Biscarosse.
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15. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
- Ejection de la fusée Padmé du Cles Facil à 910m d’altitude à la campagne 2008-2009 au CELM de
Biscarosse.
Système de direction
La 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.
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.
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.
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16. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
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
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17. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
Présentation des objectifs de l’année 2009-2010
4. Evénements
Comme 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.
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
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).
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
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18. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
- Ajout de tiges ressorts dans l’armature pour une meilleure ouverture et rigidité de la voile
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)
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19. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
Figure 3 - Méthode de contrôle avec parachute
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20. Dossier de présentation de l’évolution des projets Cansat au Cles Facil
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 : cles-facil@insa-lyon.fr
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