BALLON STRATOSPHERIQUE 2025 « CIEL EXPLORER» 

BTS Cybersécurité Informatique réseaux et ELectronique (CIEL)

Option B (Electronique et Réseaux)

Vue de la Strastophère pris par le module photo installé dans la Nacelle dans le projet UBPE 2023

Timmy la Nacelle personnalisée et réalisée par l'équipe CIEL1 UBPE 2025

        CIEL EXPLORER est le nom choisi cette année (2024-25) par les étudiants du BTS Cybersécurité Informatique réseaux et ELectronique pour baptiser le projet du Ballon Stratosphérique réalisé en 1ere année du BTS CIEL. Le lâcher devait se dérouler au niveau des structures sportives du Lycée ROUVIERE à Toulon entre les 21 et 23 MAI 2025 mais les conditions météo ne nous ont pas permis de le faire. Mais une autre tentative sera réalisée à la rentrée scolaire 2025-26 en espérant avoir cette fois-ci de bonnes conditions.

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

        Ce projet réalisé lors de la 1ere année de BTS CIEL a pour intérêt de fédérer autour d’un même objectif 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 la conception de cartes électroniques ainsi que de l’Informatique car une majorité de fonctions intègrent un microcontrôleur qui fonctionne avec à un programme développé en langage C.

        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. ROUGIER , M. NOVELLAS (proviseur adjoint) et notre DDFPT Mme MAGNAVAL pour leur soutien et encouragements dans ce projet qui se reconduit en BTS depuis plus d'une décennie.

        Nous remercions également l'association Planète Sciences, notamment Mme Maëlle ROULIS coordinatrice nationale, qui a permis que ce projet aboutisse en assurant toute la logistique (Hélium, Ballon et autorisation) ainsi que M. MAIGNAN formateur national qui assure la pérennité  technique de l'émetteur  (KIKIWI) et la baie de réception ainsi que des conseils sur le lâcher du Ballon fort d'une longue expérience.

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 l’électronique embarquée ainsi que la nacelle et Planètes Sciences fournit le ballon stratosphérique, la chaine de vol, les bouteilles d’Hélium ainsi que la chaine d’émission/réception pour la télémesure (transmissions des mesures pendant le vol) et s’occupe également de gérer toutes les autorisations pour que le lâcher du Ballon respecte la réglementation de la circulation aérienne et que tout se fasse en toute sécurité.

Équipe d’étudiants CIEL1 en charge du projet

        Une équipe de 8 étudiants a géré la totalité du projet, L'équipe composée de  Thomas, Raphaël, Noah, Tom, Jules, Matéo, Gianni et Soheyb. (Figure 1) ont oeuvré pendant 12 semaines dans une ambiance  plutôt sympathique.

BRAVO !!! pour leur investissement et leur esprit d'équipe (les étudiants ont du collaborer pour réaliser certaines tâches et s'entraider pour développer et finaliser la fonction qui leur a été confiée, profitant de l'expérience de certains plus avancés, ce qui leur a permis de développer également les compétences de communication à travers la transmission de savoirs à d'autres, on connait bien la citation " qui se comprend bien s'énonce clairement" ), ce fut donc un projet fédérateur.,

 Figure 1 : Equipe du projet UBPE 2025 avec la Nacelle finalisée

Les activités et les étapes de réalisation du projet

Le projet UBPE « CIEL EXPLORER » devait réaliser cette année les mesures et expériences suivantes :

• Température extérieure, intérieure, piles. (2 types de capteur différents : analogique et numérique).
• Pression atmosphérique (2 types de capteur différents : analogique et numérique).
• Humidité.
• Concentration d'Ozone.
• Suivi et enregistrement de la trajectoire du ballon.
• Capture et enregistrement des images du vol et de la rotondité de la terre.

Mais il ne faut pas oublier les cartes en arrière plan mais essentielles à savoir :

• L'alimentation
• L'enregistrement des données pendant le vol (mesures) sur une carte SD et transmises également par l'émetteur Kikiwi.

        L'ensemble des fonctions de la partie électronique à concevoir par les étudiants est représentée sur le diagramme synoptique ci-dessous. Chacun des étudiants avait à gérer 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, ...)

Figure 2 : 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 identifier les composants nécessaires (à chercher ou proposés).

      Ensuite il commence par développer un schéma structurel préliminaire (Figure 3) qui servira à leur prototypage ce qui leur permettra d'effectuer le développement. Ces schémas structurels sont finalisés et complétés une fois la fonctionnalité achevée et testée sur le prototype.

       La plupart des structures sont mixtes (matériel/logiciel) et nécessiteront ensuite une étape de développement informatique. Les étudiants utilisent pour la réalisation du schéma un logiciel de DAO spécialisé ISIS.

     Ci-dessous un exemple de cartes qui a nécessité la collaboration de 2 étudiants puisque l'un devait effectuer une fonction permettant à partir d'un même capteur de mesurer la température interne et l'humidité et l'autre étudiant la concentration d'Ozone. In fine pour économiser un microcontrôleur et par conséquence de réduire la consommation (l'autonomie étant un point très important dans notre cas), il a été décidé qu'un même programme gérerai les 2 capteurs donc un seul microcontrôleur serait alors nécessaire. Le travail de production de carte a été découpé en 2, l'un réalisant la partie avec le microcontrôleur  et les 2 capteurs et l'autre assurant la réalisation de la carte permettant de produire les 3 tensions analogiques déduites des valeurs numériques traitées par le microcontrôleur et image des 3 paramètres physiques. Il fallait donc qu'ils se coordonnent sur la connectique servant à les interconnecter.

 Figure 3 : Schéma structurel de la carte Température, Humidité, Ozone et de la carte MLI_CAN qui devait s'interconnecter

     2. Prototypage :

        Cela permet de câbler rapidement tout ou partie de la structure sur une plaque de prototypage (Figure 4), 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 4 : Plaque de prototypage de la fonction GPS 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 situation 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 puis la courbe relevée en sortie du montage réalisé par l'étudiant, ce dernier ayant été adapté pour que l'émetteur Kikiwi le supporte,avec un pont diviseur de tension, la pleine échelle est passée de 5V à 3V.

Figure 5 : Pression Atmosphérique avec Cloche à Vide et Pressiomètre. 

  Figure 6 : Courbe Etalonnage Capteur MPX4115. 

     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 testées pour vérifier tous problèmes de connectivité liés à des court-circuits ou autres.

 Figure 7 : CAO avec ARES pour le masque (Routage des composants)

 Figure 8 : Machine à gravue mécanique, Circuit 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 1058g, il ne faut donc pas que la Nacelle dépasse  :      1800g - 1058g = 742g.

Figure 10 : Masse des différents éléments présents dans la nacelle

        La masse de la nacelle ne devait donc pas dépasser 742g. A été déduit à partir de la masse surfacique (926g/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)

       Figure 11 : Plan de la Nacelle

         La nacelle pesait en tout et pour tout 580,43g ce qui laissait une bonne marge pour le coffrage des piles, les câbles et visserie à ajouter.

        Le dernière étape a été 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 judicieusement 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 12 : La nacelle terminée avec le câblage des différentes cartes.

           Pour finaliser tout cela des essais ont été effectués avec la station de réception permettant d'observer à partir du logiciel KikiwiSoft les données transmises par l'émetteur Kikiwi installé dans la Nacelle et qui transmettait les 7 signaux de mesures des différents capteurs ainsi que les coordonnées de géolocalisation de notre propre GPS. Figure 13

Figure 13 : Nacelle et station de réception au sol. Logiciel Kikiwi Soft permettant d'afficher les données de la télémesure

 6. Le jour J : Le lâcher du Ballon

        Le lâcher du ballon était prévu le Mercredi 21 avec 2 jours de repli au cas ou à savoir le 22 et le 23 MAI 2025 mais les conditions météo ne nous ont pas permis de le faire, les simulations qui nous permettaient d'estimer si le lâcher étarit possible nous dirigeaient  au large dans la mer comme on peut le constater ci-dessous. C'est une petite déception nous espérons pouvoir refaire une tentative début Septembre mais l'aventure a été belle et comme la citation dit  :

Ce n'est pas la destination qui compte mais le voyage.

 Figure 14 : Simulation de la trajectoire de vol prévue à 11H00 UTC (13H00 en France l'été)

 La nacelle en cours de fonctionnement et de test au sol. BEAU TRAVAIL et félicitations à l'équipe.