BALLON STRATOSPHERIQUE 2023 « ANDROMEDA» 

BTS Systèmes Numériques

 Vue de la Strastophère pris par le module photo installé dans la Nacelle

        ANDROMEDA est le nom choisi cette année (2022-23) par les étudiants du BTS Systèmes Numériques (SN) pour baptiser le projet du Ballon Stratosphérique réalisé en 1ere année du BTS SN. Le lâcher s’est déroulé au niveau des structures sportives du Lycée ROUVIERE à Toulon le 26 MAI 2023. (Figure 1)

Figure 1 : Vidéo du lâcher utilisant la technique de l'anneau

Qu’est-ce que le Projet du Ballon Stratosphérique ?

        Ce projet réalisé lors de la 1ere année de BTS SN a pour objectif de fédérer autour d’un même centre d’intérêt un groupe d’étudiants de façon à mettre en pratique les connaissances et compétences techniques acquises en BTS dans les domaines de l’Electronique et l’Informatique.

        Ce projet à caractère scientifique et technique est proposé chaque année, par l'association Planète Sciences associée au CNES (Centre National d'Etudes Spatiales), sous le nom UBPE (Un Ballon Pour l'Ecole), dans le but de développer le goût pour les sciences et la technologie auprès des jeunes.

Remerciements :

      Nous remercions la direction de notre lycée représentée par notre proviseur M.GUEGUEN pour nous avoir permis de disposer des équipements sportifs du lycée (Stade de football) et ainsi bénéficier d'un environnement adapté au lâcher du ballon (dégagé). (Figure 2).

        Figure 2 : Zone de lâcher du Ballon au Lycée ROUVIERE

        Nous remercions également l'association Planète Sciences et notamment Mme THOLIMET coordinatrice nationale, qui a permis que ce projet aboutisse en gérant toute la logistique (Helium, Ballon et autorisation) ainsi que M. MAIGNAN formateur national qui par ses conseils permet de réduire les imprévus techniques et fiabiliser le système.

Comment se déroule le projet ?

        L’association Planète Sciences défini chaque année un cahier des charges précis qui encadre le type d’expériences scientifiques réalisables dont le but est d’étudier l’atmosphère et les phénomènes météo, et impose également des contraintes liées à la fabrication et au poids de la Nacelle qui transporte toute l’électronique embarquée. (1,8Kg tout compris)

        Les étudiants réalisent la Nacelle et l’électronique embarquée et Planètes Sciences fournit le ballon stratosphérique, la chaine de vol, les bouteilles d’Hélium ainsi que la chaine de d’émission/réception pour la télémesure et s’occupe également de gérer toutes les autorisations pour que le lâcher du Ballon se fasse en toute sécurité en accord avec la réglementation de la circulation aérienne.

Équipe d’étudiants SN1 en charge du projet

        Une équipe de 10 étudiants a géré la totalité du projet, BRAVO !!! pour leur esprit d'équipe et leur bonne humeur, ce fut un projet très fédérateur. BEAU TRAVAIL à Elisa, Yann, Aristide, Lilien, Alex, Mattéo, Ryan, Jules, Steven et Hugo.(Figure 3)

 Figure 3 : Une partie de l'équipe du projet UBPE avec la Nacelle et la Station de télémesure

Les activités et les étapes de réalisation du projet

Le projet UBPE « ANDROMEDA » réalisait cette année les mesures et expériences suivantes :

• Température extérieure, intérieure, piles. (2 capteurs différents).
• Pression atmosphérique (2 capteur différents : analogique et numérique).
• Suivi et enregistrement de la trajectoire du ballon.
• Mesure de la vitesse du SON lors la montée en altitude.
• Mesure de l'intensité lumineuse et rotation de la nacelle.
• Capture et enregistrement des images du vol et de la rotondité de la terre (1ere image au tout début de l'article).

        L'ensemble de la partie électronique conçue et utilisée par les étudiants est représentée sur le diagramme synoptique ci-dessous. Les étudiants avaient à gérer chacun une fonctionnalité et collaborait pour soit s'assurer de la compatibilité entre 2 fonctions reliées soit pour réaliser des tâches importantes nécessitant plusieurs intervenants (Réalisation de Nacelle, Agrégation de l'ensemble des cartes, ...)

Le synoptique général décrivant l'ensemble des fonctionnalités et cartes à réaliser.

     1. Conception de la structure électronique matérielle (composants) :

        Les étudiants partent pour cela d’un cahier des charges décrivant le besoin et commencent par développer un schéma structurel (Figure 4) sur la base des composants identifiés ou proposés. La plupart des structures sont mixtes (matériel/logiciel) et nécessiteront ensuite une étape du développement informatique. Les étudiants utilisent pour la réalisation du schéma un logiciel de DAO spécialisé ISIS.

 Figure 4 : Schéma structurel de la carte BMP280 (Température, Pression et Altitude)

     2. Prototypage :

        Cela permet de câbler rapidement tout ou partie de la structure sur une plaque de prototypage (Figure 5), pour effectuer des essais dans l'objectif de tester, dimensionner les composants et de vérifier si leur comportement répond bien à la fonction du cahier des charges attendue. Pour les structures mixtes (matériel/logiciel) le développement d'un programme en Langage C permettra au microcontrôleur de communiquer avec le capteur et de traiter les informations qu'il lui transmet.

 Figure 5 : Plaque de prototypage avec un microcontrôleur de la plafetorme Arduino 

     3. Essais et étalonnage : 

        Dans le cas de ce projet il est essentiel de vérifier si les informations obtenues par les différents capteurs sont réalistes, voilà pourquoi les étudiants ont a leur disposition des appareils leur permettant d'effectuer des mises en situations qui se rapprochent du réel. Par exemple pour simuler la montée en altitude et la raréfaction de l'air, ils utilisent pour cela une cloche à vide. (Figure 5 et 6)  Ensuite les étudiants effectuent plusieurs mesures pour tracer la courbe d'étallonage permettant d'établir graphiquement la relation entre la tension fournie par le capteur et le paramètre Physique mesuré.

Ci-dessous on observe le matériel utilisé pour l'étalonnage d'un des capteurs de pression (Cloche à vide et Voltmètre) et ensuite la courbe théorique du capteur déduite de la formule fournie dans la documentation et ensuite la courbe relevée en sortie du montage réalisé par l'étudiant, ce dernier ayant été adapté pour que l'émetteur Kikiwi le support, donc grâce à un pont diviseur de tension la pleine échelle est passée de 5V à 3V.

  Figure 6 : Pression Atmosphérique avec Cloche à Vide et Pressiomètre. Courbe Etalonnage Capteur MPX5100. 

     4. Circuit imprimé et Câblage des cartes :

        Une fois le prototypage terminé, les structures et les programmes validés, les étudiants s'atèlent à l'étape leur permettant de réaliser la carte sur laquelle sera soudé les différents composants. Ils vont réaliser à partir d'un logiciel de CAO spécialisé (ARES) le masque (Figure 7) qui permettra de graver ensuite le circuit imprimé. Ce masque  permet de définir l'emplacement souhaité des composants et les liaisons entre eux (pistes). Une fois cette étape réalisée une machine à gravure mécanique à partir du fichier du masque va reproduire ce dernier en détourant les pistes et les pastilles sur une plaque de Cuivre.(Figure 8) Il ne reste ensuite qu'à souder les composants sur le ciruit imprimé. (Figure 9). Les cartes sont ensuite testés pour vérifier tous problèmes liés à des court-circuits ou autres.

 Figure 7 : Masque (Routage des composants)

 Figure 8 : Machine à gravue mécanique, Ciruit imprimé côté cuivre (pistes et pastilles)

Figure 9 : Circtuit côté composants soudés

5. Fabrication de la Nacelle et montage des différentes cartes :

        Une fois les différentes cartes terminées et testées individuellement, il faut passer à l'étape de fabrication de la Nacelle. Cette dernière dépend de la masse de l'ensemble de l'électronique embarquée car le cahier des charges de Planète Sciences impose une masse totale maximale (Nacelle + Electronique) de 1,8Kg.

        La mesure de l'ensemble de l'électronique nous a amené à un total de (Figure 10) de 1118g, il ne faut donc pas que la Nacelle dépasse  :      1800g - 1118g = 682g.

Figure 10 : Masse des différents éléments présents dans la nacelle

        La masse de la nacelle ne devait donc pas dépasser 682g. A été déduit à partir de la masse surfacique (897g/m²) du matériau utilisé (Polystyrène extrudé de 3cm d'épaisseur) la longueur maximale d'un côté sur la base d'un cube et le choix suivant a été retenu tout en prenant une marge. (Figure 11 et 12)

Figure 11 : Plan de la Nacelle

Figure 12 : Dimensions de chaque face et estimation de la masse totale de la nacelle

        Le dernière étape était le montage de la Nacelle et des différentes cartes ainsi que le câblage entre ces dernières (Figure 13), tout cela a demandé du temps, de la patience, de l'organisation et de la réflexion pour le placement de chaque élément le plus judicieux possible. Par exemple la carte GPS ainsi que l'émetteur Kikiwi sont impérativement placés en haut de la Nacelle pour qu'ils puissent recevoir au mieux les signaux des satellites pour la géolocalisation

Figure 13 : La nacelle terminée avec le câblage des différentes cartes.

     6. Le jour J : Le lâcher du Ballon

        Le Jeudi 26 MAI fut décidé (en fonction des simulations météo) pour le lâcher du Ballon sur le stade d'athlétisme du lycée ROUVIERE. Les étudiants ont préparé tout le matériel nécessaire à la préparation du lâcher.

• Test de la Nacelle (Tracker GPS, Alimentation, ....) et installation de piles neuves pour permettre une autonomie d'au moins 3H.
• Test de la chaine de télémesure (Emetteur KIWI, Chaine de réception avec l'antenne et le logiciel Kicapt)
• Gonflage à l'Helium du Ballon. (Figure 14)
• Montage de la chaine de Vol (7 à 8 m). (Parachute, rélecteur radar, Nacelle, Ballon). (Figure 15)
• Lâcher du ballon avec la technique de l'anneau (trés peu de vent) (Figure 16)

Figure 14 : Gonflage par les étudiants du Ballon stratosphérique avec 5m³ d'Helium

Figure 15 : La nacelle prêt à être fixée et  la chaine de vol qui mesure entre 7 et 8 m.

Et bien enfin le moment tant attendu le lâcher. Cette année le vent étant relativement faible nous avons pu effectuer un lâcher dit à l'anneau permettant d'accompagner le lâcher du ballon progressivement. (Figure 16) On voit les 2 étudiants maintenant une corde qui passe dans un anneau fixé sous le Ballon, l'un d'entre eux libère progressivement l'un des extrémités jusqu'à ce que le Ballon prenne son envol définitif.

Figure 16 :  La technique du lâcher à l'anneau.

   7. Les mesures pendant le vol et les conclusions :

        La nacelle transportait un émetteur du nom de KIKIWI (Figure 17) dont le rôle était de transmettre les signaux issus des différents capteurs qui étaient reliés sur chacune de ses 8 entrées. Ce dernier est capable d'émettre jusqu'à 200 à 300km ce qui est parfaitement compatible avec nos besoins l'altitude à laquelle explosait le ballon se situant aux alentours de 30km et même avec des conditions ventées cela laisse de bonnes chances de pouvoir recevoir le signal.

        Au sol une station de réception permet de recevoir le signal, de le décoder et un logiciel du nom de KikiwiSoft affiche en temps réel l'évolution des 8 signaux, la géolocalisation -GPS du kikwi) et les données transmises par la liaison série (les coordonnées de notre propre GPS) (Figure 17)

Figure 17 : Emetteur KIKIWI / Station de réception (Antenne) / Logiciel KikiwiSoft

        Les mesures effectuées dans la nacelle et transmises par le KIKIWI nous ont permis d'obtenir les résultats ci-dessous. On observe quelques une de ces mesures (Figure 18). La pression des 2 capteurs de Pression (BMP280 et le MPX5100AP). Les courbes ont été nommées Pression Haute (BMP280) et l'autre Pression Basse (BMP280) du fait que ce dernier est limité à 150hPa et ne permet plus de faire mesure à haute altitude. On observe bien la saturation de ce dernier ne pouvant pas aller plus bas. Le dernier relevé ici est effectue avec une CTN est permet de mesurer la température extérieure, celle-ci descend juqu'à -50°C.

Figure 18 : Pression atmosphérique Capteur 1 (BMP280), Pression atmosphérique Capteur 2(MPX5100AP), Température extérieure.

    Une des mesures effectuées en temps réel est le mouvement de rotation de la Nacelle. Pour cela a été utilisé un pont diviseur de tension composé de 2 capteurs de lumière de type LDR (Résistance sensible à la lumière), les capteurs ont été placés séparément sur 2 faces adjacentes perpendiculaires l'une à l'autre et la lumière du soleil lors du vol illumine une ou 2 des 4 faces lattérales de la Nacelle, de ce fait les LDR étant éclairées plus ou moins, voient leur résistance varier ce qui entraine une variation de la tension UROT du Pont diviseur de tension. On peut donc estimer ainsi les mouvements de la nacelle.

    Ci-dessous on observe le signal UROT (Figure 19) qui est enregistré en continu (échantillon toutes les 100ms ce qui permet de suivre le moindre mouvement de la Nacelle). On voit qu'au tout début le signal est constant du fait qu'avant le lâcher la Nacelle ne bouge pas, l'un des étudiants la tenant dans les mains (voir vidéo au tout début de l'article), dés que la nacelle est lachée on observe que le signal UROT évolue entre des valeurs maximales et minimales ce qui vient du fait que la nacelle tourne mais ensuite elle se stabilise à nouveau, la nacelle faisant moins de mouvement

Quand le signal Urot est à son maximum cela sous-entend que c'est la face de LDR1 qui est la plus éclairée par la lumière du soleil et quand il est à son minimum c'est l'inverse c'est la face de LDR2 qui est la plus éclairée. On peut grâce à cela devenir le sens de rotation.

Figure 19 :  Rotation de la Nacelle au moment du lâcher

        Nous avions prévu de suivre la trajectoire du Ballon grâce à notre propre module GPS dont les coordonnées sont enregistrées sur une carte SD. Elles ont servi à obtenir la trajectoire réelle du ballon (image de droite) (Figure 20). Mais nous faisons des projections de trajectoire (image de gauche) de façon à se faire une idée du parcours du ballon de façon que ce dernier n'atterisse pas par exemple dans la mer car dans ce cas le lâcher est annulé et reporté quand c'est possible. On observe que la projection (faites à quelques heures du lâcher) sont proches de la réalité.

Figure 20 : Comparaison entre la simulation de la trajectoire (à gauche) et la trajectoire réelle(à droite)

A l'issu du vol le module GSM intégré dans le Kikiwi nous a transmis des SMS de géolocalisation qui nous ont permi ensuite d'aller chercher la Nacelle quelques jours aprés. (Figure 21)

Figure 21 : La fin de l'aventure avec la récupération de la Nacelle du côté de Peypin dans les Bouches du Rhône soit un vol de 60Km.