Cansat

9 Jan 2017 admin

Equipe projet :

  • Peroche Alexandre (GeII)
  • Bauer Victorien (GeII)
  • Kevin Schittly (GMP)
  • Jonathan Erhold (GMP)

 

I. Introduction

 

La CanSat se développe dans le cadre d’un concours. Ce concours se déroule sous forme d’une compétition entre plusieurs écoles et/ou associations de particuliers. Le concours fixe plusieurs missions à effectué, le but étant de mener à bien le plus de missions possible. Selon le niveau auquel se déroule le concours, on impose le volume maximal dans lequel doivent s’articuler l’ensemble des composants choisis par les participants. En ce qui concerne notre CanSat, nous avons choisi d’opérer dans un 1L de contenance afin de pouvoir mettre en oeuvre l’ensemble du matériel nécessaire pour répondre aux mission que nous avons nous même défini.

II. Contexte

Afin de clôturer notre 2e année d’apprentissage, nous avons du choisir une idée de projet à réaliser. Ce projet devait se dérouler sur 60h, avec de groupes de 2 à 4 étudiants composés d’étudiants en GEII et d’étudiants en GMP, le tout sur une période d’octobre 2016 à mai 2017. Etant donné du faible volume horaire, et de la participation du département GMP, il a fallut rapidement s’organiser pour pouvoir travailler efficacement

III. Le cahier des charges

A. Les idées

N’étant pas contraint par les règlements du concours, nous avons pu décider librement de la conception de notre CanSat. Cependant nous nous sommes imposés la contenance minimale, à savoir 1L comme seule règle. Nous nous sommes ensuite sur les points suivants ; notre CanSat devra :

  • Etre capable de mesure de de grandeurs physique en temps réel telles que : La Température, la pression, la luminosité, l’accélération, l’humidité, la position
  • Avoir une autonomie suffisante pour monitorer les données pendant 3j
  • Transmettre les données en temps réel via un application au sol
  • Etre capable de supporter des chocs sans impacter les composants embarqués
  • Avoir une masse inférieur à 1kg
  • Avoir une hauteur maximale de 200mm et un diamètre de 80mm
  • Intégrer un parachute dont la masse ne doit pas excéder 1Kg
  • Avoir une structure ouverte pour faciliter les mesures des capteurs
  • Etre réutilisable

L’ensemble des réflexions peuvent être brièvement résumées par le schéma suivant :

Figure.1 : Bête à cornes

Cependant, nous nous sommes réserver la possibilité d’ajouter des capteurs/modules au cours du projet, comme par exemple la mise en place d’une caméra par exemple.

B. Les solutions

1. Partie GeII

Nous avons choisi de réaliser ce projet en se basant sur un Raspberry pi 0. En effet, sa facilité de mise en oeuvre nous permets une grande flexibilité quand à la manière de mettre en oeuvre l’ensemble de nos capteurs. Aussi, la facilité d’utilisation du Raspberry ainsi que de ces cartes d’extensions nous à permis d’avancer rapidement lors du projet. Voici donc à quoi ressemble le cerveau de notre projet :
Résultat de recherche d'images pour "raspberry pi 0"Le raspberry pi 0. Nous l’avons choisi notamment pour sa taille très réduite et sa consommation minime, parfaite pour concevoir un appareil avec une bonne durée de vie.
Enviro_pHAT_2_of_2_1024x1024L’enviroPHAT, qui est une carte d’extention du raspberry pi 0. Cette carte rassemble une grande partie des capteurs dont nous avions besoin pour mesurer :
  • La temperature
  • La pression
  • La luminosité
  • L’accélération
L’enviroPHAT est facile d’utilisation, il utilise un bus I2C pour communiquer avec le raspberry.
Pour les mesures d’humidité, nous utiliserons une sonde d’humidité comme ci-dessous
Sonde humidité
Afin de pouvoir communiquer avec la CanSat une fois en l’air, et récupérer les données qu’elle mesurent, nous avons utilisé des modules XBEE S2C fonctionnant en 2.4 Ghz, d’après la suggestion de nos professeurs
Résultat de recherche d'images pour "xbee s2c"Une fois configuré correctement, le module xbee permet d’émettre des informations a plus de 1km de portée en simulant une communication série. L’idée était donc d’utiliser 2 modules XBEE : un directement intégrer à la CanSat, et l’autre branché à un PC au sol. Cette installation permet de monitorer les valeurs relevés par la CanSat lorsqu’elle est en fonctionnement. Pour plus de sécurité, la communication est chiffré en AES 256.
Pour alimenter le projet, nous avons utiliser 4 batteries en parallèle
Résultat de recherche d'images pour "batterie samsung 18650"
Ce sont des batteries Li-Ion produites par Samsung. ces batteries délivrent 3,7V et jusqu’à 2500mAh. D’après nos calculs, nous avons estimé la durée de vie de la CanSat à 4,5j d’autonomie grâce à ces 4 batteries. Ce qui est largement suffisant pour remplir nos conditions.
Enfin, nous avons utiliser un hacheur pour palier aux problème de tensions, notamment entre le raspberry pi zero et le module XBEE
Résultat de recherche d'images pour "hacheur 3,3V vers 5V" C’est un hacheur Boost DC-DC pouvant convertir du 3,3V en 7V et du 5V en 9V. Il fonctionne avec de faibles intensité, et permet de centraliser l’alimentation de la CanSat.

2. Partie GMP

Nous avions différents idées pour la conception de notre Can-Sat. C’est pourquoi nous avons tout d’abord échangé nos idées à  l’aide de croquis.

20170201_102105
Solution 1
20170201_102102
Solution 2
20170201_102058
Solution 3
20170201_102120
Solution 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les solutions 1,2,3 utilisent le même principe. Une partie inférieure en un seul bloque usiné pour avoir un gain de matière. Une partie supérieure avec une platine permettant de fixer le raspberry. Cependant il est très difficile d’usiner ce type de bloc.

Après discussion entre nous et les professeurs, nous avons choisis la solution 4. Celle-ci est la plus simple à réaliser. Elle est composée de deux platines circulaires, 3 tiges filetées et de support pour le raspberry. Nous avons donc plusieurs petits éléments facile à réaliser, à  assembler et modulable.

Voici le modèle 3D de la CanSat :

Schittlyyyyyy

III. Le développement

 

A. Partie Electrique

 

Nous pouvons dégager 2 grandes partie dans la conception du projets :

  • La programmation du Raspberry pi et des capteurs environnants
  • La conception du Hacheur
Nous avons décidé de travailler ensemble sur les deux sujets de manière parallèle mais avons défini une personne en charge principal de chacune de ces deux tâches : Victorien pour la partie programmation et Alexandre pour la conception du hacheur.
La programation du Raspberry se fera en python. Ce langage à été choisi pour sa facilité de mise en oeuvre avec la carte d’extension.
Le programme sera composée de différente étapes avec des transitions à la manière du langage Grafcet.
Ces étapes permettront de définir dans quel état se trouve la Cansat (phase ascendante/descendante etc) et ainsi éviter un état non défini.
Les transitions se feront grâce aux relevés des différents capteurs.
Pour la communication des données, nous avons déterminer une trame type qui permettra de mettre en forme les données et ainsi les communiquer au PC via une liaison série puis sans fil grâce au Xbee.
Toutes les valeurs mesurées seront aussi enregistrées dans la carte SD du Raspberry pi pour pouvoir les exploiter après la mission.
Afin de mettre en oeuvre notre hacheur, nous avons choisi d’utiliser un circuit imprimé faisant office de régulateur , un MC34063. Cela implique tout un travail de dimensionnement des composants qui viendront s’implémenter autour du régulateur comme le montre le schéma suivant :
Figure 2. :Schéma général du régulateur en mode hacheur
Figure 2. :Schéma général du régulateur en mode hacheur
Une fois le hacheur conçu, il sera testé et ensuite intégré à nos prototypes de CanSat. Nous envisageons à termes de faire concevoir un PCB par une société afin d’améliorer la qualité de notre hacheur.

B. Partie Mécanique

La conception commence par des croquis pour voir les différentes idées.

Nous avions différentes idées pour la conception de notre Can-Sat. C’est pourquoi nous avons tout d’abord échangé nos idées à l’aide de croquis.

20170201_102105
Solution 1
20170201_102102
Solution 2
20170201_102058
Solution 3
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Solution 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les solutions 1,2,3 utilisent le même principe. Une partie inférieure en un seul bloque usiné pour avoir un gain de matière. Une partie supérieur avec une platine permettant de fixer la carte électronique. Cependant il est très difficile d’usiné des blocs comme ça.

Après discussion entre nous et les professeurs, nous avons choisis la solution 4. Celle-ci est la plus simple à réaliser. Elle est composée de deux platines circulaires, 3 tiges filetés et de support pour la carte électronique. Nous avons donc plusieurs petits éléments facile à réaliser, à assembler et modulable.

La conception de la CANSAT est terminée, les plans sont en cours de validation pour pouvoir produire nos pièces et ensuite assembler la CANSAT.

Schittlyyyyyy

Nous avons aussi commencé à chercher des solutions pour la réalisation de notre parachute, mais la conception finale, le dimensionnement et la réalisation du parachute reste à faire.

 

 

 

 

IV. Remarques et commentaires

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