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Dossier de clôture
       Sat’        MUAV-
Projet Sat’Launch, MUAV-1, Altair I et II




                  CLES-FACIL

             Année scolaire 2009/2010
SOMMAIRE

                                                                         PROJET SAT’LAUNCH, MUAV-1, ALTAIR I ET II ......................................................................... 0
                                                                         SOMMAIRE ..................................................................................................................... 1
                                                                         LISTE DES MEMBRES 2009-2010 ............................................................................................. 2
                                                                         INTRODUCTION : PRESENTATION DES OBJECTIFS DES PROJETS ......................................................... 3
                                                                            I) DESCRIPTIF DES PROJETS DE L’ANNEE ............................................................................ 3
                                                                         LE CANSAT MUAV-I ......................................................................................................... 4
                                                                            I) MISSIONS ET OBJECTIFS............................................................................................. 4
                                                                            II) MECANIQUE ......................................................................................................... 4
                                                                            III)      ELECTRONIQUE DU CANSAT.................................................................................... 5
                                                                            IV)       ÉLECTRONIQUE DU DISPOSITIF DE RECEPTION .............................................................. 6
                                                                            V) INFORMATIQUE ...................................................................................................... 7
                                                                            VI)       RESULTATS ....................................................................................................... 8
                                                                                 LANCEMENT DEPUIS LE BALLON LORS DE LA COMPETITION AU C'SPACE : ................................... 8
                                                                                 LANCEMENT DEPUIS LA FUSEX AU C'SPACE : ..................................................................... 8
                                                                            VII)      CONCLUSION ..................................................................................................... 9
                                                                         LE CANSAT ALTAÏR I ET II .................................................................................................. 10
                                                                            I) MISSIONS ET OBJECTIFS........................................................................................... 10
                                                                            II) ARCHITECTURE GLOBALE........................................................................................ 10
                                                                                 MISE EN ŒUVRE ...................................................................................................... 11
                                                                                 SYSTEME DE DIRECTION ............................................................................................. 11
                                                                            III)      RESULTATS ..................................................................................................... 11
                                                                                 LACHER DU BALLON (COMPETITION NATIONALE) : 100M .................................................... 11
                                                                                 EJECTION DE LA FUSEE A 3000M D’ALTITUDE LORS DE LA COMPETITION ARLISS (BLACK ROCK DESERT, USA-
                                                                                 NEVADA) .............................................................................................................. 12
Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II




                                                                         FUSEX SAT’LAUNCH ........................................................................................................ 13
                                                                            I) MECANIQUE ....................................................................................................... 13
                                                                            II) ELECTRONIQUE .................................................................................................... 18
                                                                                 CARTE MINUTERIE .................................................................................................... 18
                                                                                 CARTE CAPTEURS : .................................................................................................. 20
                                                                                 CARTE TELEMESURE : ............................................................................................... 22
                                                                                 CAMERAS : ............................................................................................................ 24
                                                                                 INTEGRATION GENERALE ........................................................................................... 24
                                                                            III)      ÉLECTRONIQUE DU DISPOSITIF DE RECEPTION ............................................................ 26
                                                                            IV)       INFORMATIQUE ................................................................................................. 27
                                                                                 CARTE MINUTERIE .................................................................................................... 27
                                                                                 CARTE CAPTEUR : .................................................................................................... 27
                                                                                 CARTE TELEMESURE : ............................................................................................... 27
                                                                                 LOGICIEL DE TELEMESURE .......................................................................................... 27
                                                                            V) RESULTATS ........................................................................................................ 29
                                                                            VI)       EXPLOITATION ET CONCLUSION .............................................................................. 29
                                                                                 A AMELIORER EN MECANIQUE : .................................................................................... 30
                                                                                 A AMELIORER EN ELECTRONIQUE / INFORMATIQUE : .......................................................... 31



                      1
2009 2010
                          LISTE DES MEMBRES 2009-2010

Ils ont participés à la réalisation des projets réalisés au CLES-FACIL pendant l’année 2008-2009 :

        Mécanique
                Rafik Meziani
                Damien Lieber
                Mathieu Riedinger
                Fabian Duschel
                Benoit Vernay
                Bordier Elodie
                Mouaddeb Mekki
                Nelwan Samantha
                Ngueya Carine

        Electronique
                Florent Bouchoux
                Sylvain Pionchon
                Antoine Raphaël
                Potier Clément

        Informatique
                Fabio Guigou
                Ludovic Bertrand
                Jérémy Carnus




                                                                                                     Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II
                Sébastien Bonnart
                Florent Bouchoux




Bureau du CLES-FACIL lors de l’exercice 2009-2010 :

                •   Mathieu Riedenger, Président
                •   Florent Bouchoux, Trésorier
                •   Jérémy Carnus, Secrétaire




                                                                                                     2
INTRODUCTION : PRESENTATION DES OBJECTIFS DES PROJETS
                                                                                                                 OBJECTIFS


                                                                            I)        Descriptif des projets de l’année


                                                                         Très ambitieuse, l’équipe s’est fixé plusieurs objectifs :

                                                                             -    Préparer un Cansat entrant dans la Classe Internationale, respectant la mission « Come Back » pour la
                                                                                  Compétition Internationale Cansat à Madrid du 8 au 11 avril 2010 et la compétition
                                                                                  Internationale ARLISS dans le Black Rock Desert aux Etats-Unis, Nevada.
                                                                             -    Concevoir un lanceur-stabilisateur de Cansats en parallèle intégrant des instruments de mesure du
                                                                                  comportement de la fusée lors de l’éjection du module afin de participer à la traditionnelle campagne
                                                                                  de lancements de fusées expérimentales se déroulant fin août au CELM (Centre d’Essais
                                                                                  de Lancement de Missiles) de Biscarosse (une première, les précédents lancements s’étant
                                                                                  déroulés sur le camp militaire de La Courtine, dans le Massif Central).
                                                                             -    Reprendre les défauts éventuellement constatés sur le Cansat après son lancement en avril afin de
                                                                                  participer cette fois à la Compétition Nationale Française de Cansat durant le C’Space
                                                                                  (dénomination de la campagne de lancement à Biscarosse).
Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II




                                                                         Forts d’une solide équipe constituée dès le début de l’année, cette année 2009/2010 se promettait intense et
                                                                         pleine de nouvelles expériences, notamment à l’internationale !




                      3
MUAV-
                                         LE CANSAT MUAV-I
   I)       Missions et objectifs
        Les objectifs de ce CanSat étaient doubles : d'une part participer à la compétition nationale au C'SPACE
2010 en classe internationale et d'autre part de nous permettre de tester l'éjecteur de cansats que nous
développions pour la Fusex.

Les missions que MUAV-1 devait remplir sont les suivantes :

    •    Sondage atmosphérique : mesure de température et de pression (mission imposée pour la participation à
         la compétition du C'SPACE).
    •    Test d'une nouvelle méthode d'impression 3D pour la création de la coque (Mission libre finalement
         abandonnée)

Cette dernière a été abandonnée au profit des missions suivantes :

    •    film de la descente
    •    Mise en oeuvre d'un filtrage de Kalman sur les valeurs mesurées

   II)      Mécanique


    Du point de vue mécanique, nous nous sommes inspirés de la mécanique du Cansat de l’année précédente. Le
Cansat contient des expériences électroniques sous une voile de parachute. Il fallait donc avoir une structure
capable de supporter les cartes et capteurs solide et résistante à l’éjection de la fusée et à l’atterrissage. Nous
avons donc choisi de réaliser la structure en fibre de verre / epoxy, fabriquée à partir de carte électroniques
(PCB). Cette matière est en effet légère, esthétique et surtout résistante, car elle n’est pas rigide, ni fragile et
supporte les contraintes. Nous avons ensuite obtenu la structure ci-dessous. Les équerres servant au maintien des




                                                                                                                        Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II
différentes plaques sont en aluminium et sont vissées par des vis M3 aux plaques en epoxy.

   Le parachute est en toile de cerf-volant. En forme de cercle, il a un diamètre de 30 cm, percé en son centre.
Le Cansat ne contenait pas d’éléments lourds, mis à part les batteries, ce qui fait que sa masse n’était que de 180g.
Ainsi, sa vitesse de chute théorique avec un tel parachute était de 6.5m/s. Cela correspond bien à la vitesse de
chute conseillée par le cahier des charges et qui doit être supérieure à 4m/s.

    Le parachute est accroché par deux points sur un diamètre du Cansat. Les suspentes sont insérées dans deux
orifices sur le dessus du Cansat et sont maintenues par une vis (attache du type domino d’électricien). Cela
permet une attache solide et supportant les 20g recommandés par le cahier des charges lors de l’éjection (soit
20*0.18 = 3.6kg).

    La coque est présente uniquement dans le but de protéger les éléments internes du Cansat mais ne soutiennent
aucun effort. Nous avons donc réalisé une coque esthétique à partir de plastique thermoformé. Un moule
cylindrique du diamètre externe du Cansat auquel on enlève l’épaisseur du plastique à thermoformer, a été usinée
dans un manchon en PVC. Le plastique que l’on va fondre est une bouteille en plastique. Il suffit de l’insérer sur
le moule et de chauffer régulièrement le pourtour à l’aide d’un pistolet à air chaud. La bouteille va donc prendre
la forme du moule. Il suffit ensuite de couper les extrémités pour obtenir la hauteur souhaitée (soit 115mm).




                                                                                                                        4
III)     Electronique du CanSat


                                                                         Capteur de température : Nous avons utilisé un capteur TMP102 (Texas Instrument )qui nous permettait une
                                                                         précision de 0.0625°C. Il communiquait avec la carte principale en I²C.

                                                                         Capteur de pression : Il s’agit d’un SCP1000 avec lequel nous communiquions en SPI. Sa précision est de 1.5
                                                                         Pa ce qui correspond à une précision convertie en altitude de 10cm environ.

                                                                         Camera : Nous avons utilisé une camera porte-clefs autonome et indépendante de l’électronique du CanSat. Elle
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                                                                         assure un stockage des données sur carte micro-SD. La compression que cette camera utilise est très faible ce qui
                                                                         limite son autonomie : 45mn sur une carte de 2GB environ. Cela correspond à peu près à l’autonomie de sa
                                                                         batterie interne. La qualité du rendu est très bonne.

                                                                         Emetteur/Récepteur : Il s’agit d’un émetteur/récepteur Hactech LN96. La modulation est
                                                                         numérique (FSK) et la puissance émise est de 500mW à la fréquence de 869,65Mhz. Nous n’avons
                                                                         utilisé ce module que dans le sens descendant : données envoyées par le CanSat vers le sol. Sa
                                                                         communication avec la carte principale est assurée via USART.

                                                                         Alimentation : Nous avons utilisé une batterie Li-Po de modélisme qui nous assurait une grande
                                                                         autonomie.

                                                                         Carte Principale : Elle se compose d’un microcontrôleur Atmega 88. La fréquence du quartz est
                                                                         de 3,6864Mhz. L’objectif du microcontrôleur est multiple : récupérer et interpréter les donnes des
                                                                         capteurs de pression et température et gérer l’émission vers la station sol des données du CanSat. Les
                                                                         deux capteurs ainsi que la télémesure y sont directement connectés




                      5
Carte du Cansat




   IV)      Électronique du dispositif de réception




                                                                                                              Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II
Pour la réception nous avons utilisé le même chipset que pour l'émission, assortit d'un Max232 pour
faire la conversion série. Nous avons intégré ce dispositif en double sur la carte afin de pouvoir recevoir
les informations du CanSat et le la fusex (deux ports série ou adaptateurs série USB sont toujours
nécessaires).




                                         Schéma de l’ensemble :




                                                                                                              6
V)      Informatique
                                                                         CanSat : Le programme est écrit en C, puis compilé avec WinAVR dans le but de créer les fichiers .hex
                                                                         pour l'Atmega. Il s'agit d'une simple boucle qui récupère les valeurs des capteurs, les mets en forme dans
                                                                         une trame qu'il envoie plusieurs fois via le module de télémesure puis effectue une pause.
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                                                                         Logiciel de télémesure : Ce logiciel est réalisé avec Visual Studio C# ce qui permet d'avoir une interface
                                                                         graphique évoluée et des fonctions de lecture sur port série de haut niveau.

                                                                         Le logiciel reçoit, décode et valide les trames reçues en utilisant leur CRC ainsi que leur identifiant. Toutes les
                                                                         données sont affichées en temps réel et stockées dans un fichier Excel.

                                                                         Traitement des valeurs reçues : Le fichier a ensuite été transformé afin de lisser les résultats en implémentant
                                                                         un filtre de Kalman.

                                                                                                                           Vue du logiciel




                      7
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   VI)       Résultats
L anc em e nt d e pu is le b a l lo n l o rs d e la c om pét it io n a u C' S P A C E :
        Le parachute s'est bien déployé, la télémesure a fonctionné parfaitement. Malheureusement, les
mesures de températures ont été faussées (45°C environ) car le capteur était proche du régulateur. Les
mesures de pression sont bonnes même si un placement à l'extérieur de la coque permettrait des
mesures plus précises. La camera n'a pas fonctionné car les boutons de contrôle dirigés vers l'extérieur
ont étés actionnés lors de l'insertion dans l'éjecteur.


L anc em e nt d e pu is la F u s e x au C' S P A C E :


         Du point de vue mécanique, la structure a parfaitement tenu le choc lors de l’éjection du ballon à 100m
d’altitude. La coque a protégé les éléments internes des intempéries et est ressortie intacte du vol. Le parachute
s’est développé quasi-instantanément et a permis au Cansat de se poser sans encombre sur le terrain de
lancement. N’ayant malheureusement pas pu retrouver le Cansat après son vol de la fusée, nous ne savons ce qu’il
est advenu de sa structure et du parachute.



                                                                                                                     8
VII)      Conclusion

                                                                         Ce CanSat a été riche en enseignements :

                                                                             •     Le placement des capteurs est à revoir
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                                                                             •     Besoin d'un système de localisation pour être assurés de le retrouver -> intégration d’un GPS
                                                                             •     La camera est prometteuse mais sera parfaitement exploité si nous la couplons au microcontrôleur afin
                                                                                   de déclencher son allumage économisant batterie et espace mémoire.
                                                                             •     Le filtre de Kalman est une réussite, on pourrait encore l'améliorer en l'utilisant en couplage avec
                                                                                   d'autres valeurs (pression, position...), il serait même possible de le mettre en pratique en temps réel par
                                                                                   le logiciel de réception.




                      9
LE CANSAT ALTAÏR I ET II
   I)       Missions et objectifs
    Participer à la compétition Internationale Cansat en avril 2010 à Madrid était notre première préoccupation.
Lors de l’inscription, plusieurs choix de projets s’ouvraient à nous. Nous nous sommes alors préoccupés des
missions suivantes :

    -    International Class : cette classe impose des limites de dimensions et de masse à notre Cansat
         (contrairement à l’Open Class où les restrictions sont plus larges). Cette classe est imposée afin de
         participer à la compétition internationale. Les contraintes à respecter sont les suivantes :
              o Dimensions de la structure : cylindre de diamètre 66mm pour 115mm de hauteur
              o Masse maximale : 350gr
              o Vitesse de descente : comprise entre 4 et 15 m/s

    -    Mission choisie : plusieurs missions étaient proposées, sondage atmosphérique, relevés telluriques,…
         et mission Come Back. C’est pour poursuivre dans la continuité des précédents projets du club que nous
         nous sommes imposés cette mission Come Back. Il s’agit d’intégrer au module un système lui permettant
         de se diriger dans les airs sans moyen de propulsion vers une cible au sol. L’équipe dont le Cansat atterrit
         le plus près de la cible remporte le concours.

   Dans ce dossier, nous développerons seulement un aperçu de ce Cansat. Un autre document reprend plus en
détails la conception de ce module.

    Altaïr I a participé du 8 au 11 avril 2010 à la compétition Internationale Cansat « All You Can Fly » à Corral de
Allyon (aux alentours de Madrid). Malheureusement, la fusée embarquant notre Cansat n’a pas fonctionné
correctement et n’a pas éjecté notre Cansat. Il s’est donc écrasé en même temps que la fusée. Nous n’avons ainsi
pas pu tester notre mission Comeback en vol et avons récupéré un Cansat inutilisable. Malgré cela et grâce à la
démonstration de notre travail et de notre motivation, nous avons remporté le 2ème prix « Silver Award » dans la




                                                                                                                        Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II
catégorie ComeBack.

   Suite à notre mésaventure espagnole, nous avons décidé de reconstruire un Cansat en y apportant quelques
modifications mineures. Nous détaillerons ce Cansat dans la suite du document. Baptisé Altaïr II, il a participé à la
compétition nationale française organisée par Planète Sciences. Nous avons également décidé, en revenant
d’Espagne, d’élargir notre expérience à l’internationale en participant à la compétition internationale Cansat
ARLISS dans le Black Rock Desert, aux Etats-Unis, dans le Nevada, du 12 au 17 septembre 2010.

   II)      Architecture globale




                                                                                                                        10
GPS


                                                                                                                                                                          2 servomoteurs et leurs
                                                                                                                                                                          roues directrices

                                                                                                                                                                          carte radio

                                                                                                                                                                          carte électronique


                                                                                                                                                                          batteries




                                                                         M is e e n œ u v re
                                                                              -     Ejection « théorique » à 2000m d’altitude d’une fusée lors de la compétition « All You Can Fly » à
                                                                                    Madrid du 8 au 11 avril 2010    « Silver Award », deuxième prix dans la catégorie ComeBack.
                                                                              -     Lâcher d’un ballon monté à 100m lors de la compétition Nationale Cansat 2010 sur le site du CELM de
                                                                                    Biscarosse (C’Space 2010)    premier prix de la compétition Cansat France
                                                                              -     Ejection d’une fusée lors de la compétition internationale ARLISS dans le Black Rock Desert (USA-
                                                                                    Nevada).
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                                                                         S y s t èm e d e d i re c t i on
                                                                                         o    Vitesse de descente prévue pour notre Cansat : 4,5 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 prisonnière la voile de
                                                                         parapente qui peut alors s’ouvrir et prendre le contrôle du module.

                                                                             III)      Résultats
                                                                         L âc h e r d u b al lo n ( Com pé t it io n N at i o na le ) : 1 0 0 m
                                                                         Nous avons réalisé deux lancements lors de cette compétition.

                                                                         Lors de ce lancer, nous n’avons pas utilisé notre système ralentisseur/stabilisateur (double parachute). En effet, la
                                                                         vitesse lors de l’éjection du ballon n’est pas excessive, et la voile de parapente s’est bien déployée lors des deux
                                                                         lancers à partir du ballon.

                                                                         Le premier lancer a été concluant, la voile étant visiblement dirigée vers la cible. Néanmoins, à cause d’un vent
                                                                         assez fort venant de l’océan, le Cansat a atterri à une distance d’environ 60m de la cible. Le deuxième lancer a
                                                                         subi une légère défaillance du point de vue mécanique. Une des suspentes s’est en effet bloquée dans le système
                                                                         de roues de directions et le Cansat s’est mis à tourner et à descendre en vrille vers le sol. Il n est ressorti indemne
                                                                         et près à participer à la compétition étasunienne.

11
E j ec t i on d e l a f us é e à 3 0 0 0 m d ’a lt it ud e lo rs d e la c o m p ét it i on ARL IS S (B la c k R oc k
D es e rt , U S A - N e va d a )
         Lors de cette compétition, le but était tout d’abord de tester notre système de stabilisateur (double
parachute). En effet, c’était la première fois que nous allions éjecter notre Cansat à une altitude supérieure à
2500m ! Dans de telles conditions, nous voulions également éprouver notre structure en polycarbonate à très
haute vitesse lors de l’éjection et à l’atterrissage. Ensuite, notre système de direction et l’algorithme de vol
devaient être éprouvés sur une longue distance de vol.

         Le vol s’est parfaitement déroulé.




                                                                                                                       Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II




                                                                                                                       12
FUSEX SAT’LAUNCH


                                                                            I)        Mécanique
                                                                             Cette année, nous avons décidé de repasser sur un diamètre de corps standard de 125mm. La mission choisie
                                                                         demande de pouvoir émettre correctement de la télémesure à partir de la fusée ainsi que des deux Cansat qui sont
                                                                         contenus dans l’éjecteur. Afin de ne pas bloquer la transmission de manière significative en gardant une coque de
                                                                         fusée en fibre de carbone, nous avons décidé de réaliser le corps dans un tube en PVC du commerce. Cela nous
                                                                         permet à la fois de standardiser notre conception, et également de rendre plus facile l’usinage de la structure en
                                                                         plastique et de nous concentrer sur l’expérience contenue dans la fusée. Néanmoins, réaliser une coque semi-
                                                                         porteuse entièrement en PVC apporte des problèmes conséquents du point de vue résistance de la structure lors
                                                                         du vol et surtout du point de vue de la flèche (qui doit être inférieure à 1%).

                                                                             La structure choisie est donc une coque porteuse en PVC renforcée par une structure « squelette » en profilés
                                                                         en U en aluminium. Ce squelette supporte les cartes électroniques et peut être glissée le long de l’axe de la fusée,
                                                                         dans le tube du corps. Cela permet de déboguer facilement l’électronique tout en testant directement dans la
                                                                         fusée les différentes expériences.

                                                                            Ci-dessous se trouve une vue de l’ensemble de la fusée montée. Nous allons décrire chaque partie :
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                                                                                 Ogive           case parachute     électronique           case éjecteur            jupe (propulseur)


                                                                             Contrairement à ce que nous avons l’habitude de voir, le parachute de la fusée se situe directement sous
                                                                         l’ogive. En effet, l’éjecteur est plus lourd que le parachute et doit donc être situé le plus près possible du
                                                                         propulseur afin de s’assurer que le centre de gravité est situé sous le centre de poussée est ainsi de garder la fusée
                                                                         stable durant le vol. L’éjecteur est éjecté une fois la fusée arrivée à l’apogée de sa trajectoire. Ensuite, le
                                                                         parachute est éjecté et emmène la fusée sans s au sol.

                                                                         Ailerons : La fusex possède 4 ailerons dont les dimensions sont calculées de manière à la rendre stable. Le
                                                                         matériau utilisé est de l’aluminium d’épaisseur 1.5mm pour obtenir le meilleur compromis poids-ductilité. Ils
                                                                         sont directement vissés sur la case du propulseur par 4 vis M4. La forme est un parallélogramme incliné de 60°
                                                                         pour diminuer la résistance à l’air.

                                                                         Case propulseur : Elle enveloppe le propulseur et permet une insertion facile de celui-ci. Elle est réalisée en
                                                                         PVC pour la rendre la plus légère possible. Des renforts en forme de disques de 2 cm d’épaisseur sont insérés en
                                                                         bout de case et au milieu afin de guider l’insertion du propulseur. Trois languettes retiennent le propulseur après
                                                                         sa mise en place dans la fusée. La bague supérieure, appelée bague propulseur, est une bague de poussée car c’est
                                                                         elle qui va retransmettre tous les efforts de poussée au reste de la structure.




13
Bague propulseur : La bague propulseur sert à assembler la case propulseur, le propulseur et le corps de la
fusée. Elle est en aluminium. Le propulseur est directement inséré dans un orifice au centre de la bague qui
permet de le centrer. Les deux cases y sont vissées par 6 vis M4. Deux encoches aux extrémitées du diamètre
permettent d’insérer le squelette puis de l’y visser afin de renforcer la structure globale.




Corps de la fusée : le corps de la fusée est réalisé dans un seul tube en PVC de diamètre 125 et d’épaisseur
2mm dans lequel ont été découpées deux portes (porte parachute et porte éjecteur). Elle comporte également
entre les deux portes un panneau de LEDS donnant les informations et les statuts des minuteries et capteurs, ainsi
que les jacks d’arrachage et l’interrupteur général de la fusée.




                                                                                                                     Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II




                                                                                                                     14
Squelette : Le squelette est composé de la bague supérieure sur laquelle sont vissés trois profilés en U en
                                                                         aluminium. Sur les deux profilés situés dans les encoches de la bague sont fixées les cartes électroniques.
                                                                         L’ensemble peut être glissé dans ou hors du corps de la fusée.
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                                                                         Bague ogive : La bague ogive relie le corps à l’ogive de la fusée. Elle est réalisée en aluminium. Elle est basée à
                                                                         partir du même plan que la bague propulseur, mais ne comporte pas de lèvre en son centre (qui permettait de
                                                                         contrer le propulseur).

                                                                         Ogive : L’ogive est en fibre de verre époxy pour obtenir le meilleur compromis poids-résistance.

                                                                         Ejecteur : L’éjecteur est entièrement réalisé en tubes PVC assurant sa légèreté (nécessaire pour ne pas alourdir
                                                                         la fusée de manière conséquente).




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                                                                                              C
                                                     B
    A

A : électroaimant à aimant permanent : se désaimante lorsque l’on applique une tension aux bornes de la bobine

B : idem que A mais avec une force moindre

                                                                                                                 16
C : ressort de rappel permettant de garder les portes ouvertes lors du vol (résistance au vent)

                                                                         D : cette partie est constituée de deux tiges métalliques assemblées par des charnières qui sont entièrement
                                                                         pliables, ne gênant ainsi pas la sortie des Cansat une fois les portes ouvertes.



                                                                         FONCTIONNEMENT :

                                                                             -    Les électro-aimants A libèrent l’éjecteur qui s’envole loin de la fusée.
                                                                             -    Deux parachutes, un à chaque extrémité s’ouvre et ralenti le système.
                                                                             -    Un électro-aimant B s’ouvre, libérant un Cansat, puis l’autre s’ouvre après une temporisation, libérant le
                                                                                  second Cansat.
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17
II)       Electronique
Sat'Launch comportait 3 minuteries : une pour la porte du parachute, une pour la porte de l'éjecteur, et enfin une
à bord de l'éjecteur qui relâche les cansats de l'éjecteur un après l'autre. La fusée était aussi dotée d'une carte




                                                                                                                      Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II
expérience et d'une carte de télémesure.



C a rt e m in ut e r i e : Il s'agit de la même carte pour les deux portes. Un atmega 88P et son quartz externe
assurent le minutage et la commande des électro-aimants des portes est assurée via transistors. La détection du
décollage est effectuée par deux jacks indépendant pour assurer l'isolation électrique des cartes entre elles. De
même elles sont alimentées par des batteries dédiées à chaque carte. La carte embarquée dans l'éjecteur suit le
même modèle mais comporte 2 connexions vers des électro-aimants et son jack détecte la séparation d'avec la
fusée et non le décollage.




                                                                                                                      18
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          Schéma
C a rt e Ca pt eu rs : La carte était dédiée à la récupération des données des différents capteurs réalisant les
expériences. Un Atmega 88P la dirige. Elle est connectée à un GPS LS20030 en USART produisant des relevés de




                                                                                                                   Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II
position et vitesse à 5Hz. La carte est aussi connectée à un gyroscope analogique IDG-5002 axes.




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     Schéma électronique
C a rt e Té l ém es u r e : Cette carte avait pour tache d'envoyer les données collectées par la carte capteur ainsi
que l'état des minuteries au sol. La carte était donc connectée en Spi à la carte capteurs et via des optocoupleurs
CNY74 et des IO-Expandeurs MCP23S8 à chaque carte minuterie. L'envoi des données est effectué par le




                                                                                                                       Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II
même module que pour MUAV-1 Mais à une fréquence décalée afin de pouvoir utiliser les deux ensemble.




                                                                                                                       22
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          Schéma électronique
C am e ras : Nous avions de plus installé 3 cameras port-clefs une dirigée vers le sol, placée au plus proche de
l'ogive afin de filmer l'ouverture des portes. Une autre à l'intérieur de la fusée qui filme le paysage
horizontalement. Et enfin une dernière dans l'éjecteur pour filmer l'éjection depuis son point de vue.




                                                                                                                   Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II
I nt ég rat io n g é né r al e




                                                                                                                   24
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25
Synoptique de l’alimentation électrique




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III)   Électronique du dispositif de réception


                                                              26
Le dispositif de réception est celui décrit pour le CANSAT.

                                                                            IV)    Informatique
                                                                         La programmation de toutes les cartes a été effectuée en C et compilée par winAVR.
                                                                                              : L'atmega est programmé selon une boucle qui détecte le décollage puis stocke en
                                                                         C a r te m in ute r ie
                                                                         mémoire non volatile le temps écoulé depuis la détection de l'éjection. Ainsi si l'atmega redémarre en
                                                                         vol, il prend comme valeur initiale la valeur lue. Si le temps écoulé correspond au moment de l'éjection
                                                                         souhaitée, il actionne l'électro-aimant auquel la carte est reliée.


                                                                                             Cette carte boucle en permanence sur la lecture des données du GPS et des
                                                                         C a r te Ca pt eu r :
                                                                         gyroscopes. A chaque nouvelle valeur obtenue par le GPS, une valeur des gyroscopes est lue. De plus la
                                                                         carte reçoit régulièrement des interruptions provenant de la carte télémesure qui lui demande de
                                                                         fournir un relevé complet (GPS+gyroscopes). Elle peut soit en avoir et commencer la transmission, soit
                                                                         annoncer qu'elle m'en dispose pas.


                                                                         C a r te t é lé m es u re : Sur le même principe que la carte capteur pour le GPS, cette carte attend de
                                                                         nouvelles valeurs provenant de la carte capteur puis les envoie assorties de l'état des minuteries par le
                                                                         module de télémesure. Les trames comportent un CRC et un numéro de trame car elles sont envoyées
                                                                         plusieurs fois


                                                                         L og ic i e l d e t él ém es u re : Ce logiciel est réalisé avec Visual Studio C# ce qui permet d'avoir une interface
                                                                         graphique évoluée et des fonctions de lecture sur port série de haut niveau.

                                                                         Le logiciel reçoit, décode et valide les trames reçues en utilisant leur CRC ainsi que leur identifiant. Toutes les
                                                                         données sont affichées en temps réel et stockées dans un fichier Excel.
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27
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28
Vue du logiciel
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                                                                            V)       Résultats
                                                                                  A cause de présence de la rampe métallique lors de l'allumage du GPS, il n'a pas réussit à capter
                                                                         suffisamment de satellites pour transmettre des données fiables. Cependant il transmettait quand même des
                                                                         informations ce qui a permit à notre chaine de transmission de ne pas bloquer dessus. Nous avons aussi remarqué
                                                                         un problème d'étalonnage des gyroscopes qui indiquaient des vitesses de rotation bien inférieures à ce que l'on
                                                                         peut voir sur les vidéos embarquées.

                                                                                  La camera filmant le sol a très bien fonctionné et a produit de très belles images fort utiles pour
                                                                         comprendre ce qu'il s'est passé en haut. La vidéo de camera horizontale n'est pas regardable à cause du fort roulis
                                                                         mais des images utiles ont peu en être extraites : le déploiement du parachute et sortie de l'éjecteur. La camera
                                                                         située dans l'éjecteur s'est arrêtée juste avant le décollage par manque de mémoire.

                                                                                  Les minuteries et la télémesure ont parfaitement fonctionné.



                                                                            VI)      Exploitation et conclusion


29
Du point de vue mécanique, la fusée a parfaitement fonctionné dans l’ensemble, comme cela était attendu.
Nous avons obtenu une éjection des éléments au bon moment et avons pu les récupérer en entier et encore
fonctionnels. La flèche ainsi que la stabilité de la fusée ont passé à la fois les tests au sol et ont permis d’obtenir
une trajectoire stable en vol. Le squelette, sur lequel était fixé le parachute à parfaitement supporter le choc à
l’ouverture du parachute ainsi que les pièces en PVC. Le système de montage, alignement et fixation du
propulseur et simple à réaliser et a permis au pyrotechnicien de monter facilement et rapidement le propulseur.

   Quelques problèmes sont néanmoins à noter :

    -    La porte du parachute fixée sur le haut du parachute s’est détachée en arrachant un bout du parachute sur
         le haut. Il faudra penser à l’avenir à renforcer ce point d’accroche qui subit plus de force lors de
         l’ouverture de la porte parachute que l’on pense.
    -    Les ailerons n’étaient vraisemblablement pas bien alignés, car nous avons observé une rotation élevée de
         la fusée le long de son axe (roulis). Un soin particulier est à apporter sur cette partie pour obtenir de
         belles vidéos (^^).
    -    Si l’idée d’une peau porteuse en PVC est gardée, il faudrait prévoir d’augmenter l’épaisseur du plastique
         du corps afin de réduire le problème de flèche qui nous a obligé à rajouter un renfort sur le squelette qui
         n’était pas prévu initialement. Cela a donc rendu plus difficile l’insertion du squelette dans le corps de la
         fusée. Egalement, il faudrait prévoir un troisième renfort en profilé en U. Il faudrait alors usiner une
         troisième rainure dans les bagues à 120° d’intervalles.
    -    Au niveau de l’éjecteur, nous avons constaté qu’il descendait à l’envers, c'est-à-dire avec les portes
         ouvertes vers le haut. Néanmoins, les Cansat s’étaient par chance éjectés, mais là aussi, il faudrait prévoir
         de revoir le mode de fixation des suspentes du parachute de la case éjecteur sur la porte de celui-ci. De
         plus, les aimants étaient légèrement sous-dimensionnés, et avaient tendance à s’ouvrir tous seuls si les
         cases étaient trop remplies. Pour le choix des électro-aimants, il faut toujours prendre la gamme
         supportant 20kg, car les chocs lors de l’éjection ouvrent les éléments si les aimants sont sous-
         dimensionnés.
    -    Au niveau des matériaux utilisés, nous avons remarqué un club (Louis Lumière) lors du C’Space, qui




                                                                                                                          Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II
         utilisait pour le corps ainsi que pour les ailerons de la fusée, un alliage aluminium-zinc. Ce matériau est
         très léger et résistant, mais surtout très flexible. Contrairement à l’aluminium, il peut être tordu et
         revient immédiatement en place. Il n’est pas aussi ductile que l’aluminium et absorbe mieux les chocs. Il
         est apparemment assez peu cher ! Cela pourra être utile pour obtenir des ailerons plans et un roulis
         minimum ! A cogiter pour les futurs projets !



A am él io r e r en m é c a ni qu e :
    •    Aileron alliage alu et zinc (réduire le diamètre occupé par le fusée pour être compatible toutes rampes?)
    •    Attention risque blocage porte
    •    Crochet système parachute
    •    Rien (et pas non plus une camera), à l'emplacement des patins...
    •    Améliorer le guidage de la porte pour permettre une fermeture plus aisée
    •    C'est sympa une fusée légère, ça monte haut!
    •    Plus il y a de cameras plus on a de retours !
    •    Réfléchir avec les électroniciens pour permettre la reprogrammation des cartes sans tout démonter
    •    tenue correcte de la structure
    •    roulis important (surstabilité de la fusée, mauvais ajustement des ailerons)
    •    problème au niveau de l'ouverture des portes
    •    bon fonctionnement de l'éjecteur (une fois libéré)


                                                                                                                          30
•    améliorations possibles (analyse de matériaux susceptibles de remplacer
                                                                              •    la peau en PVC; agencement électronique à revoir pour plus de facilité d'intégration; fabrication ogive à
                                                                                   normaliser)




                                                                         A am él io r e r en é l ec t ro ni q u e / in fo r m at i q u e :
                                                                              •    Ne pas synchroniser toute la chaine de transmission sur le GPS, c'est trop peu de points pour une
                                                                                   interpolation fiable des données des gyroscopes, augmentation la dynamique générale du système.
                                                                              •    Faire commander les cameras par les microcontrôleurs.
                                                                              •    Continuer de placer autant de cameras que possible, c'est facile et très utile pour comprendre ce qui se
                                                                                   passe.
                                                                              •    Allumer le GPS loin de la rampe et ne pas placer la fusée tant qu'il n'a pas fait le point.
                                                                              •    Ne pas utiliser de GPS à pile car ceux-ci se déprogramment en cas de choc violent (transport), et une
                                                                                   antenne déportée pour le GPS
                                                                              •    Télémesure : utiliser un chipset programmable au lieu d’un module existant
                                                                              •    Créer et développer une carte de gestion des caméras
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  • 1. Dossier de clôture Sat’ MUAV- Projet Sat’Launch, MUAV-1, Altair I et II CLES-FACIL Année scolaire 2009/2010
  • 2. SOMMAIRE PROJET SAT’LAUNCH, MUAV-1, ALTAIR I ET II ......................................................................... 0 SOMMAIRE ..................................................................................................................... 1 LISTE DES MEMBRES 2009-2010 ............................................................................................. 2 INTRODUCTION : PRESENTATION DES OBJECTIFS DES PROJETS ......................................................... 3 I) DESCRIPTIF DES PROJETS DE L’ANNEE ............................................................................ 3 LE CANSAT MUAV-I ......................................................................................................... 4 I) MISSIONS ET OBJECTIFS............................................................................................. 4 II) MECANIQUE ......................................................................................................... 4 III) ELECTRONIQUE DU CANSAT.................................................................................... 5 IV) ÉLECTRONIQUE DU DISPOSITIF DE RECEPTION .............................................................. 6 V) INFORMATIQUE ...................................................................................................... 7 VI) RESULTATS ....................................................................................................... 8 LANCEMENT DEPUIS LE BALLON LORS DE LA COMPETITION AU C'SPACE : ................................... 8 LANCEMENT DEPUIS LA FUSEX AU C'SPACE : ..................................................................... 8 VII) CONCLUSION ..................................................................................................... 9 LE CANSAT ALTAÏR I ET II .................................................................................................. 10 I) MISSIONS ET OBJECTIFS........................................................................................... 10 II) ARCHITECTURE GLOBALE........................................................................................ 10 MISE EN ŒUVRE ...................................................................................................... 11 SYSTEME DE DIRECTION ............................................................................................. 11 III) RESULTATS ..................................................................................................... 11 LACHER DU BALLON (COMPETITION NATIONALE) : 100M .................................................... 11 EJECTION DE LA FUSEE A 3000M D’ALTITUDE LORS DE LA COMPETITION ARLISS (BLACK ROCK DESERT, USA- NEVADA) .............................................................................................................. 12 Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II FUSEX SAT’LAUNCH ........................................................................................................ 13 I) MECANIQUE ....................................................................................................... 13 II) ELECTRONIQUE .................................................................................................... 18 CARTE MINUTERIE .................................................................................................... 18 CARTE CAPTEURS : .................................................................................................. 20 CARTE TELEMESURE : ............................................................................................... 22 CAMERAS : ............................................................................................................ 24 INTEGRATION GENERALE ........................................................................................... 24 III) ÉLECTRONIQUE DU DISPOSITIF DE RECEPTION ............................................................ 26 IV) INFORMATIQUE ................................................................................................. 27 CARTE MINUTERIE .................................................................................................... 27 CARTE CAPTEUR : .................................................................................................... 27 CARTE TELEMESURE : ............................................................................................... 27 LOGICIEL DE TELEMESURE .......................................................................................... 27 V) RESULTATS ........................................................................................................ 29 VI) EXPLOITATION ET CONCLUSION .............................................................................. 29 A AMELIORER EN MECANIQUE : .................................................................................... 30 A AMELIORER EN ELECTRONIQUE / INFORMATIQUE : .......................................................... 31 1
  • 3. 2009 2010 LISTE DES MEMBRES 2009-2010 Ils ont participés à la réalisation des projets réalisés au CLES-FACIL pendant l’année 2008-2009 : Mécanique Rafik Meziani Damien Lieber Mathieu Riedinger Fabian Duschel Benoit Vernay Bordier Elodie Mouaddeb Mekki Nelwan Samantha Ngueya Carine Electronique Florent Bouchoux Sylvain Pionchon Antoine Raphaël Potier Clément Informatique Fabio Guigou Ludovic Bertrand Jérémy Carnus Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II Sébastien Bonnart Florent Bouchoux Bureau du CLES-FACIL lors de l’exercice 2009-2010 : • Mathieu Riedenger, Président • Florent Bouchoux, Trésorier • Jérémy Carnus, Secrétaire 2
  • 4. INTRODUCTION : PRESENTATION DES OBJECTIFS DES PROJETS OBJECTIFS I) Descriptif des projets de l’année Très ambitieuse, l’équipe s’est fixé plusieurs objectifs : - Préparer un Cansat entrant dans la Classe Internationale, respectant la mission « Come Back » pour la Compétition Internationale Cansat à Madrid du 8 au 11 avril 2010 et la compétition Internationale ARLISS dans le Black Rock Desert aux Etats-Unis, Nevada. - Concevoir un lanceur-stabilisateur de Cansats en parallèle intégrant des instruments de mesure du comportement de la fusée lors de l’éjection du module afin de participer à la traditionnelle campagne de lancements de fusées expérimentales se déroulant fin août au CELM (Centre d’Essais de Lancement de Missiles) de Biscarosse (une première, les précédents lancements s’étant déroulés sur le camp militaire de La Courtine, dans le Massif Central). - Reprendre les défauts éventuellement constatés sur le Cansat après son lancement en avril afin de participer cette fois à la Compétition Nationale Française de Cansat durant le C’Space (dénomination de la campagne de lancement à Biscarosse). Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II Forts d’une solide équipe constituée dès le début de l’année, cette année 2009/2010 se promettait intense et pleine de nouvelles expériences, notamment à l’internationale ! 3
  • 5. MUAV- LE CANSAT MUAV-I I) Missions et objectifs Les objectifs de ce CanSat étaient doubles : d'une part participer à la compétition nationale au C'SPACE 2010 en classe internationale et d'autre part de nous permettre de tester l'éjecteur de cansats que nous développions pour la Fusex. Les missions que MUAV-1 devait remplir sont les suivantes : • Sondage atmosphérique : mesure de température et de pression (mission imposée pour la participation à la compétition du C'SPACE). • Test d'une nouvelle méthode d'impression 3D pour la création de la coque (Mission libre finalement abandonnée) Cette dernière a été abandonnée au profit des missions suivantes : • film de la descente • Mise en oeuvre d'un filtrage de Kalman sur les valeurs mesurées II) Mécanique Du point de vue mécanique, nous nous sommes inspirés de la mécanique du Cansat de l’année précédente. Le Cansat contient des expériences électroniques sous une voile de parachute. Il fallait donc avoir une structure capable de supporter les cartes et capteurs solide et résistante à l’éjection de la fusée et à l’atterrissage. Nous avons donc choisi de réaliser la structure en fibre de verre / epoxy, fabriquée à partir de carte électroniques (PCB). Cette matière est en effet légère, esthétique et surtout résistante, car elle n’est pas rigide, ni fragile et supporte les contraintes. Nous avons ensuite obtenu la structure ci-dessous. Les équerres servant au maintien des Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II différentes plaques sont en aluminium et sont vissées par des vis M3 aux plaques en epoxy. Le parachute est en toile de cerf-volant. En forme de cercle, il a un diamètre de 30 cm, percé en son centre. Le Cansat ne contenait pas d’éléments lourds, mis à part les batteries, ce qui fait que sa masse n’était que de 180g. Ainsi, sa vitesse de chute théorique avec un tel parachute était de 6.5m/s. Cela correspond bien à la vitesse de chute conseillée par le cahier des charges et qui doit être supérieure à 4m/s. Le parachute est accroché par deux points sur un diamètre du Cansat. Les suspentes sont insérées dans deux orifices sur le dessus du Cansat et sont maintenues par une vis (attache du type domino d’électricien). Cela permet une attache solide et supportant les 20g recommandés par le cahier des charges lors de l’éjection (soit 20*0.18 = 3.6kg). La coque est présente uniquement dans le but de protéger les éléments internes du Cansat mais ne soutiennent aucun effort. Nous avons donc réalisé une coque esthétique à partir de plastique thermoformé. Un moule cylindrique du diamètre externe du Cansat auquel on enlève l’épaisseur du plastique à thermoformer, a été usinée dans un manchon en PVC. Le plastique que l’on va fondre est une bouteille en plastique. Il suffit de l’insérer sur le moule et de chauffer régulièrement le pourtour à l’aide d’un pistolet à air chaud. La bouteille va donc prendre la forme du moule. Il suffit ensuite de couper les extrémités pour obtenir la hauteur souhaitée (soit 115mm). 4
  • 6. III) Electronique du CanSat Capteur de température : Nous avons utilisé un capteur TMP102 (Texas Instrument )qui nous permettait une précision de 0.0625°C. Il communiquait avec la carte principale en I²C. Capteur de pression : Il s’agit d’un SCP1000 avec lequel nous communiquions en SPI. Sa précision est de 1.5 Pa ce qui correspond à une précision convertie en altitude de 10cm environ. Camera : Nous avons utilisé une camera porte-clefs autonome et indépendante de l’électronique du CanSat. Elle Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II assure un stockage des données sur carte micro-SD. La compression que cette camera utilise est très faible ce qui limite son autonomie : 45mn sur une carte de 2GB environ. Cela correspond à peu près à l’autonomie de sa batterie interne. La qualité du rendu est très bonne. Emetteur/Récepteur : Il s’agit d’un émetteur/récepteur Hactech LN96. La modulation est numérique (FSK) et la puissance émise est de 500mW à la fréquence de 869,65Mhz. Nous n’avons utilisé ce module que dans le sens descendant : données envoyées par le CanSat vers le sol. Sa communication avec la carte principale est assurée via USART. Alimentation : Nous avons utilisé une batterie Li-Po de modélisme qui nous assurait une grande autonomie. Carte Principale : Elle se compose d’un microcontrôleur Atmega 88. La fréquence du quartz est de 3,6864Mhz. L’objectif du microcontrôleur est multiple : récupérer et interpréter les donnes des capteurs de pression et température et gérer l’émission vers la station sol des données du CanSat. Les deux capteurs ainsi que la télémesure y sont directement connectés 5
  • 7. Carte du Cansat IV) Électronique du dispositif de réception Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II Pour la réception nous avons utilisé le même chipset que pour l'émission, assortit d'un Max232 pour faire la conversion série. Nous avons intégré ce dispositif en double sur la carte afin de pouvoir recevoir les informations du CanSat et le la fusex (deux ports série ou adaptateurs série USB sont toujours nécessaires). Schéma de l’ensemble : 6
  • 8. V) Informatique CanSat : Le programme est écrit en C, puis compilé avec WinAVR dans le but de créer les fichiers .hex pour l'Atmega. Il s'agit d'une simple boucle qui récupère les valeurs des capteurs, les mets en forme dans une trame qu'il envoie plusieurs fois via le module de télémesure puis effectue une pause. Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II Logiciel de télémesure : Ce logiciel est réalisé avec Visual Studio C# ce qui permet d'avoir une interface graphique évoluée et des fonctions de lecture sur port série de haut niveau. Le logiciel reçoit, décode et valide les trames reçues en utilisant leur CRC ainsi que leur identifiant. Toutes les données sont affichées en temps réel et stockées dans un fichier Excel. Traitement des valeurs reçues : Le fichier a ensuite été transformé afin de lisser les résultats en implémentant un filtre de Kalman. Vue du logiciel 7
  • 9. Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II VI) Résultats L anc em e nt d e pu is le b a l lo n l o rs d e la c om pét it io n a u C' S P A C E : Le parachute s'est bien déployé, la télémesure a fonctionné parfaitement. Malheureusement, les mesures de températures ont été faussées (45°C environ) car le capteur était proche du régulateur. Les mesures de pression sont bonnes même si un placement à l'extérieur de la coque permettrait des mesures plus précises. La camera n'a pas fonctionné car les boutons de contrôle dirigés vers l'extérieur ont étés actionnés lors de l'insertion dans l'éjecteur. L anc em e nt d e pu is la F u s e x au C' S P A C E : Du point de vue mécanique, la structure a parfaitement tenu le choc lors de l’éjection du ballon à 100m d’altitude. La coque a protégé les éléments internes des intempéries et est ressortie intacte du vol. Le parachute s’est développé quasi-instantanément et a permis au Cansat de se poser sans encombre sur le terrain de lancement. N’ayant malheureusement pas pu retrouver le Cansat après son vol de la fusée, nous ne savons ce qu’il est advenu de sa structure et du parachute. 8
  • 10. VII) Conclusion Ce CanSat a été riche en enseignements : • Le placement des capteurs est à revoir Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II • Besoin d'un système de localisation pour être assurés de le retrouver -> intégration d’un GPS • La camera est prometteuse mais sera parfaitement exploité si nous la couplons au microcontrôleur afin de déclencher son allumage économisant batterie et espace mémoire. • Le filtre de Kalman est une réussite, on pourrait encore l'améliorer en l'utilisant en couplage avec d'autres valeurs (pression, position...), il serait même possible de le mettre en pratique en temps réel par le logiciel de réception. 9
  • 11. LE CANSAT ALTAÏR I ET II I) Missions et objectifs Participer à la compétition Internationale Cansat en avril 2010 à Madrid était notre première préoccupation. Lors de l’inscription, plusieurs choix de projets s’ouvraient à nous. Nous nous sommes alors préoccupés des missions suivantes : - International Class : cette classe impose des limites de dimensions et de masse à notre Cansat (contrairement à l’Open Class où les restrictions sont plus larges). Cette classe est imposée afin de participer à la compétition internationale. Les contraintes à respecter sont les suivantes : o Dimensions de la structure : cylindre de diamètre 66mm pour 115mm de hauteur o Masse maximale : 350gr o Vitesse de descente : comprise entre 4 et 15 m/s - Mission choisie : plusieurs missions étaient proposées, sondage atmosphérique, relevés telluriques,… et mission Come Back. C’est pour poursuivre dans la continuité des précédents projets du club que nous nous sommes imposés cette mission Come Back. Il s’agit d’intégrer au module un système lui permettant de se diriger dans les airs sans moyen de propulsion vers une cible au sol. L’équipe dont le Cansat atterrit le plus près de la cible remporte le concours. Dans ce dossier, nous développerons seulement un aperçu de ce Cansat. Un autre document reprend plus en détails la conception de ce module. Altaïr I a participé du 8 au 11 avril 2010 à la compétition Internationale Cansat « All You Can Fly » à Corral de Allyon (aux alentours de Madrid). Malheureusement, la fusée embarquant notre Cansat n’a pas fonctionné correctement et n’a pas éjecté notre Cansat. Il s’est donc écrasé en même temps que la fusée. Nous n’avons ainsi pas pu tester notre mission Comeback en vol et avons récupéré un Cansat inutilisable. Malgré cela et grâce à la démonstration de notre travail et de notre motivation, nous avons remporté le 2ème prix « Silver Award » dans la Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II catégorie ComeBack. Suite à notre mésaventure espagnole, nous avons décidé de reconstruire un Cansat en y apportant quelques modifications mineures. Nous détaillerons ce Cansat dans la suite du document. Baptisé Altaïr II, il a participé à la compétition nationale française organisée par Planète Sciences. Nous avons également décidé, en revenant d’Espagne, d’élargir notre expérience à l’internationale en participant à la compétition internationale Cansat ARLISS dans le Black Rock Desert, aux Etats-Unis, dans le Nevada, du 12 au 17 septembre 2010. II) Architecture globale 10
  • 12. GPS 2 servomoteurs et leurs roues directrices carte radio carte électronique batteries M is e e n œ u v re - Ejection « théorique » à 2000m d’altitude d’une fusée lors de la compétition « All You Can Fly » à Madrid du 8 au 11 avril 2010 « Silver Award », deuxième prix dans la catégorie ComeBack. - Lâcher d’un ballon monté à 100m lors de la compétition Nationale Cansat 2010 sur le site du CELM de Biscarosse (C’Space 2010) premier prix de la compétition Cansat France - Ejection d’une fusée lors de la compétition internationale ARLISS dans le Black Rock Desert (USA- Nevada). Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II S y s t èm e d e d i re c t i on o Vitesse de descente prévue pour notre Cansat : 4,5 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 prisonnière la voile de parapente qui peut alors s’ouvrir et prendre le contrôle du module. III) Résultats L âc h e r d u b al lo n ( Com pé t it io n N at i o na le ) : 1 0 0 m Nous avons réalisé deux lancements lors de cette compétition. Lors de ce lancer, nous n’avons pas utilisé notre système ralentisseur/stabilisateur (double parachute). En effet, la vitesse lors de l’éjection du ballon n’est pas excessive, et la voile de parapente s’est bien déployée lors des deux lancers à partir du ballon. Le premier lancer a été concluant, la voile étant visiblement dirigée vers la cible. Néanmoins, à cause d’un vent assez fort venant de l’océan, le Cansat a atterri à une distance d’environ 60m de la cible. Le deuxième lancer a subi une légère défaillance du point de vue mécanique. Une des suspentes s’est en effet bloquée dans le système de roues de directions et le Cansat s’est mis à tourner et à descendre en vrille vers le sol. Il n est ressorti indemne et près à participer à la compétition étasunienne. 11
  • 13. E j ec t i on d e l a f us é e à 3 0 0 0 m d ’a lt it ud e lo rs d e la c o m p ét it i on ARL IS S (B la c k R oc k D es e rt , U S A - N e va d a ) Lors de cette compétition, le but était tout d’abord de tester notre système de stabilisateur (double parachute). En effet, c’était la première fois que nous allions éjecter notre Cansat à une altitude supérieure à 2500m ! Dans de telles conditions, nous voulions également éprouver notre structure en polycarbonate à très haute vitesse lors de l’éjection et à l’atterrissage. Ensuite, notre système de direction et l’algorithme de vol devaient être éprouvés sur une longue distance de vol. Le vol s’est parfaitement déroulé. Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II 12
  • 14. FUSEX SAT’LAUNCH I) Mécanique Cette année, nous avons décidé de repasser sur un diamètre de corps standard de 125mm. La mission choisie demande de pouvoir émettre correctement de la télémesure à partir de la fusée ainsi que des deux Cansat qui sont contenus dans l’éjecteur. Afin de ne pas bloquer la transmission de manière significative en gardant une coque de fusée en fibre de carbone, nous avons décidé de réaliser le corps dans un tube en PVC du commerce. Cela nous permet à la fois de standardiser notre conception, et également de rendre plus facile l’usinage de la structure en plastique et de nous concentrer sur l’expérience contenue dans la fusée. Néanmoins, réaliser une coque semi- porteuse entièrement en PVC apporte des problèmes conséquents du point de vue résistance de la structure lors du vol et surtout du point de vue de la flèche (qui doit être inférieure à 1%). La structure choisie est donc une coque porteuse en PVC renforcée par une structure « squelette » en profilés en U en aluminium. Ce squelette supporte les cartes électroniques et peut être glissée le long de l’axe de la fusée, dans le tube du corps. Cela permet de déboguer facilement l’électronique tout en testant directement dans la fusée les différentes expériences. Ci-dessous se trouve une vue de l’ensemble de la fusée montée. Nous allons décrire chaque partie : Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II Ogive case parachute électronique case éjecteur jupe (propulseur) Contrairement à ce que nous avons l’habitude de voir, le parachute de la fusée se situe directement sous l’ogive. En effet, l’éjecteur est plus lourd que le parachute et doit donc être situé le plus près possible du propulseur afin de s’assurer que le centre de gravité est situé sous le centre de poussée est ainsi de garder la fusée stable durant le vol. L’éjecteur est éjecté une fois la fusée arrivée à l’apogée de sa trajectoire. Ensuite, le parachute est éjecté et emmène la fusée sans s au sol. Ailerons : La fusex possède 4 ailerons dont les dimensions sont calculées de manière à la rendre stable. Le matériau utilisé est de l’aluminium d’épaisseur 1.5mm pour obtenir le meilleur compromis poids-ductilité. Ils sont directement vissés sur la case du propulseur par 4 vis M4. La forme est un parallélogramme incliné de 60° pour diminuer la résistance à l’air. Case propulseur : Elle enveloppe le propulseur et permet une insertion facile de celui-ci. Elle est réalisée en PVC pour la rendre la plus légère possible. Des renforts en forme de disques de 2 cm d’épaisseur sont insérés en bout de case et au milieu afin de guider l’insertion du propulseur. Trois languettes retiennent le propulseur après sa mise en place dans la fusée. La bague supérieure, appelée bague propulseur, est une bague de poussée car c’est elle qui va retransmettre tous les efforts de poussée au reste de la structure. 13
  • 15. Bague propulseur : La bague propulseur sert à assembler la case propulseur, le propulseur et le corps de la fusée. Elle est en aluminium. Le propulseur est directement inséré dans un orifice au centre de la bague qui permet de le centrer. Les deux cases y sont vissées par 6 vis M4. Deux encoches aux extrémitées du diamètre permettent d’insérer le squelette puis de l’y visser afin de renforcer la structure globale. Corps de la fusée : le corps de la fusée est réalisé dans un seul tube en PVC de diamètre 125 et d’épaisseur 2mm dans lequel ont été découpées deux portes (porte parachute et porte éjecteur). Elle comporte également entre les deux portes un panneau de LEDS donnant les informations et les statuts des minuteries et capteurs, ainsi que les jacks d’arrachage et l’interrupteur général de la fusée. Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II 14
  • 16. Squelette : Le squelette est composé de la bague supérieure sur laquelle sont vissés trois profilés en U en aluminium. Sur les deux profilés situés dans les encoches de la bague sont fixées les cartes électroniques. L’ensemble peut être glissé dans ou hors du corps de la fusée. Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II Bague ogive : La bague ogive relie le corps à l’ogive de la fusée. Elle est réalisée en aluminium. Elle est basée à partir du même plan que la bague propulseur, mais ne comporte pas de lèvre en son centre (qui permettait de contrer le propulseur). Ogive : L’ogive est en fibre de verre époxy pour obtenir le meilleur compromis poids-résistance. Ejecteur : L’éjecteur est entièrement réalisé en tubes PVC assurant sa légèreté (nécessaire pour ne pas alourdir la fusée de manière conséquente). 15
  • 17. Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II C B A A : électroaimant à aimant permanent : se désaimante lorsque l’on applique une tension aux bornes de la bobine B : idem que A mais avec une force moindre 16
  • 18. C : ressort de rappel permettant de garder les portes ouvertes lors du vol (résistance au vent) D : cette partie est constituée de deux tiges métalliques assemblées par des charnières qui sont entièrement pliables, ne gênant ainsi pas la sortie des Cansat une fois les portes ouvertes. FONCTIONNEMENT : - Les électro-aimants A libèrent l’éjecteur qui s’envole loin de la fusée. - Deux parachutes, un à chaque extrémité s’ouvre et ralenti le système. - Un électro-aimant B s’ouvre, libérant un Cansat, puis l’autre s’ouvre après une temporisation, libérant le second Cansat. Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II 17
  • 19. II) Electronique Sat'Launch comportait 3 minuteries : une pour la porte du parachute, une pour la porte de l'éjecteur, et enfin une à bord de l'éjecteur qui relâche les cansats de l'éjecteur un après l'autre. La fusée était aussi dotée d'une carte Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II expérience et d'une carte de télémesure. C a rt e m in ut e r i e : Il s'agit de la même carte pour les deux portes. Un atmega 88P et son quartz externe assurent le minutage et la commande des électro-aimants des portes est assurée via transistors. La détection du décollage est effectuée par deux jacks indépendant pour assurer l'isolation électrique des cartes entre elles. De même elles sont alimentées par des batteries dédiées à chaque carte. La carte embarquée dans l'éjecteur suit le même modèle mais comporte 2 connexions vers des électro-aimants et son jack détecte la séparation d'avec la fusée et non le décollage. 18
  • 20. Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II 19 Schéma
  • 21. C a rt e Ca pt eu rs : La carte était dédiée à la récupération des données des différents capteurs réalisant les expériences. Un Atmega 88P la dirige. Elle est connectée à un GPS LS20030 en USART produisant des relevés de Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II position et vitesse à 5Hz. La carte est aussi connectée à un gyroscope analogique IDG-5002 axes. 20
  • 22. Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II 21 Schéma électronique
  • 23. C a rt e Té l ém es u r e : Cette carte avait pour tache d'envoyer les données collectées par la carte capteur ainsi que l'état des minuteries au sol. La carte était donc connectée en Spi à la carte capteurs et via des optocoupleurs CNY74 et des IO-Expandeurs MCP23S8 à chaque carte minuterie. L'envoi des données est effectué par le Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II même module que pour MUAV-1 Mais à une fréquence décalée afin de pouvoir utiliser les deux ensemble. 22
  • 24. Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II 23 Schéma électronique
  • 25. C am e ras : Nous avions de plus installé 3 cameras port-clefs une dirigée vers le sol, placée au plus proche de l'ogive afin de filmer l'ouverture des portes. Une autre à l'intérieur de la fusée qui filme le paysage horizontalement. Et enfin une dernière dans l'éjecteur pour filmer l'éjection depuis son point de vue. Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II I nt ég rat io n g é né r al e 24
  • 26. Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II 25
  • 27. Synoptique de l’alimentation électrique Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II III) Électronique du dispositif de réception 26
  • 28. Le dispositif de réception est celui décrit pour le CANSAT. IV) Informatique La programmation de toutes les cartes a été effectuée en C et compilée par winAVR. : L'atmega est programmé selon une boucle qui détecte le décollage puis stocke en C a r te m in ute r ie mémoire non volatile le temps écoulé depuis la détection de l'éjection. Ainsi si l'atmega redémarre en vol, il prend comme valeur initiale la valeur lue. Si le temps écoulé correspond au moment de l'éjection souhaitée, il actionne l'électro-aimant auquel la carte est reliée. Cette carte boucle en permanence sur la lecture des données du GPS et des C a r te Ca pt eu r : gyroscopes. A chaque nouvelle valeur obtenue par le GPS, une valeur des gyroscopes est lue. De plus la carte reçoit régulièrement des interruptions provenant de la carte télémesure qui lui demande de fournir un relevé complet (GPS+gyroscopes). Elle peut soit en avoir et commencer la transmission, soit annoncer qu'elle m'en dispose pas. C a r te t é lé m es u re : Sur le même principe que la carte capteur pour le GPS, cette carte attend de nouvelles valeurs provenant de la carte capteur puis les envoie assorties de l'état des minuteries par le module de télémesure. Les trames comportent un CRC et un numéro de trame car elles sont envoyées plusieurs fois L og ic i e l d e t él ém es u re : Ce logiciel est réalisé avec Visual Studio C# ce qui permet d'avoir une interface graphique évoluée et des fonctions de lecture sur port série de haut niveau. Le logiciel reçoit, décode et valide les trames reçues en utilisant leur CRC ainsi que leur identifiant. Toutes les données sont affichées en temps réel et stockées dans un fichier Excel. Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II 27
  • 29. Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II 28
  • 30. Vue du logiciel Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II V) Résultats A cause de présence de la rampe métallique lors de l'allumage du GPS, il n'a pas réussit à capter suffisamment de satellites pour transmettre des données fiables. Cependant il transmettait quand même des informations ce qui a permit à notre chaine de transmission de ne pas bloquer dessus. Nous avons aussi remarqué un problème d'étalonnage des gyroscopes qui indiquaient des vitesses de rotation bien inférieures à ce que l'on peut voir sur les vidéos embarquées. La camera filmant le sol a très bien fonctionné et a produit de très belles images fort utiles pour comprendre ce qu'il s'est passé en haut. La vidéo de camera horizontale n'est pas regardable à cause du fort roulis mais des images utiles ont peu en être extraites : le déploiement du parachute et sortie de l'éjecteur. La camera située dans l'éjecteur s'est arrêtée juste avant le décollage par manque de mémoire. Les minuteries et la télémesure ont parfaitement fonctionné. VI) Exploitation et conclusion 29
  • 31. Du point de vue mécanique, la fusée a parfaitement fonctionné dans l’ensemble, comme cela était attendu. Nous avons obtenu une éjection des éléments au bon moment et avons pu les récupérer en entier et encore fonctionnels. La flèche ainsi que la stabilité de la fusée ont passé à la fois les tests au sol et ont permis d’obtenir une trajectoire stable en vol. Le squelette, sur lequel était fixé le parachute à parfaitement supporter le choc à l’ouverture du parachute ainsi que les pièces en PVC. Le système de montage, alignement et fixation du propulseur et simple à réaliser et a permis au pyrotechnicien de monter facilement et rapidement le propulseur. Quelques problèmes sont néanmoins à noter : - La porte du parachute fixée sur le haut du parachute s’est détachée en arrachant un bout du parachute sur le haut. Il faudra penser à l’avenir à renforcer ce point d’accroche qui subit plus de force lors de l’ouverture de la porte parachute que l’on pense. - Les ailerons n’étaient vraisemblablement pas bien alignés, car nous avons observé une rotation élevée de la fusée le long de son axe (roulis). Un soin particulier est à apporter sur cette partie pour obtenir de belles vidéos (^^). - Si l’idée d’une peau porteuse en PVC est gardée, il faudrait prévoir d’augmenter l’épaisseur du plastique du corps afin de réduire le problème de flèche qui nous a obligé à rajouter un renfort sur le squelette qui n’était pas prévu initialement. Cela a donc rendu plus difficile l’insertion du squelette dans le corps de la fusée. Egalement, il faudrait prévoir un troisième renfort en profilé en U. Il faudrait alors usiner une troisième rainure dans les bagues à 120° d’intervalles. - Au niveau de l’éjecteur, nous avons constaté qu’il descendait à l’envers, c'est-à-dire avec les portes ouvertes vers le haut. Néanmoins, les Cansat s’étaient par chance éjectés, mais là aussi, il faudrait prévoir de revoir le mode de fixation des suspentes du parachute de la case éjecteur sur la porte de celui-ci. De plus, les aimants étaient légèrement sous-dimensionnés, et avaient tendance à s’ouvrir tous seuls si les cases étaient trop remplies. Pour le choix des électro-aimants, il faut toujours prendre la gamme supportant 20kg, car les chocs lors de l’éjection ouvrent les éléments si les aimants sont sous- dimensionnés. - Au niveau des matériaux utilisés, nous avons remarqué un club (Louis Lumière) lors du C’Space, qui Dossier de clôture | CLES-FACIL |SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II utilisait pour le corps ainsi que pour les ailerons de la fusée, un alliage aluminium-zinc. Ce matériau est très léger et résistant, mais surtout très flexible. Contrairement à l’aluminium, il peut être tordu et revient immédiatement en place. Il n’est pas aussi ductile que l’aluminium et absorbe mieux les chocs. Il est apparemment assez peu cher ! Cela pourra être utile pour obtenir des ailerons plans et un roulis minimum ! A cogiter pour les futurs projets ! A am él io r e r en m é c a ni qu e : • Aileron alliage alu et zinc (réduire le diamètre occupé par le fusée pour être compatible toutes rampes?) • Attention risque blocage porte • Crochet système parachute • Rien (et pas non plus une camera), à l'emplacement des patins... • Améliorer le guidage de la porte pour permettre une fermeture plus aisée • C'est sympa une fusée légère, ça monte haut! • Plus il y a de cameras plus on a de retours ! • Réfléchir avec les électroniciens pour permettre la reprogrammation des cartes sans tout démonter • tenue correcte de la structure • roulis important (surstabilité de la fusée, mauvais ajustement des ailerons) • problème au niveau de l'ouverture des portes • bon fonctionnement de l'éjecteur (une fois libéré) 30
  • 32. améliorations possibles (analyse de matériaux susceptibles de remplacer • la peau en PVC; agencement électronique à revoir pour plus de facilité d'intégration; fabrication ogive à normaliser) A am él io r e r en é l ec t ro ni q u e / in fo r m at i q u e : • Ne pas synchroniser toute la chaine de transmission sur le GPS, c'est trop peu de points pour une interpolation fiable des données des gyroscopes, augmentation la dynamique générale du système. • Faire commander les cameras par les microcontrôleurs. • Continuer de placer autant de cameras que possible, c'est facile et très utile pour comprendre ce qui se passe. • Allumer le GPS loin de la rampe et ne pas placer la fusée tant qu'il n'a pas fait le point. • Ne pas utiliser de GPS à pile car ceux-ci se déprogramment en cas de choc violent (transport), et une antenne déportée pour le GPS • Télémesure : utiliser un chipset programmable au lieu d’un module existant • Créer et développer une carte de gestion des caméras Dossier de clôture | CLES-FACIL | SAT’LAUNCH | MUAV-I | ALTAIR I et II 31