Projet 2021-2022 : Stratos
- Participants et déroulement
- Quelques éléments techniques
- Partie embarquée
- Partie mécanique
- Partie sol
- Vol
- Résumé
- Extraits des vidéos embarquées (décollage, éclatement, atterrissage)
- Suivi et télémesures
- Articles de presse
- Quelques compte-rendus et témoignages d'élèves
Participants et déroulement
Le projet a été mené par :
- Le Lycée Triboulet de Romans-sur Isère
- 24 élèves de seconde option SL (Sciences et Laboratoire) et préparant le BIA (Brevet d'Initiation à l'Aéronautique) ont choisi les expériences à embarquer et étudié et étalonné les capteurs embarqués.
- 3 élèves de Terminale NSI (Numérique et Sciences Informaatiques) ont participé au développement logiciel pour l'acquisition et le traitement des donnéees ainsi qu'à l'intégration du système embarqué dans la nacelle.
- Le Collège Triboulet de Romans-sur Isère
- 5 élèves de quatrième, dans le cadre de leur enseignement en technologie, ont étudié les aspects mécaniques du cahier des charges et ont conçu la nacelle (la boite embarquant les expériences).
- Le Département Informatique de l'IUT de Valence
- 5 étudiants de 2e année de DUT Informatique, dans le cadre de leur projet tutoré de 2e année, ont travaillé sur la conception du système embarqué et la mise en place de l'infrastructure de suivi.
- Le L0AD (Laboratoire Ouvert Ardèche-Drôme)
- Quelques membres de ce hackerspace associatif ont intégré le système dans la nacelle, mis en place l'infrastructure de suivi, procédé aux tests de l'ensemble et ont participé à la récupération de la nacelle.
Ce projet, sur lequel tous les élèves et étudiants ont travaillé tout au long de l'année, a été ponctué d'évènements :
- 6 septembre 2021 : Présentation générale du projet aux élèves de 2de SL.
- 16 novembre 2021 : Première visite du suiveur de Planète-Sciences Auvergne-Rhône-Alpes, Vincent Lenoir, en présence des lycéens et collégiens. Premières réflexions avec les élèves autour des expériences
- 25 novembre 2021 : Sortie des lycéens au Fablab de Crest (visite et ateliers de fabrication numérique), visite du musée de l’Aviation de Montélimar dans le cadre de la préparation au BIA.
- 4 mai 2022 : Seconde visite du suiveur de Planète-Sciences Auvergne-Rhône-Alpes. Présentation par les lycéens de l’étalonnage des capteurs et pré-qualification du dispositif. Présentation de la nacelle réalisée par les collégiens.
- 16 mai 2022 : Lâcher du ballon stratosphérique depuis le Lycée, en présence de tous les participants. Suivi de la télémesure avec l'aérotechnicien de Planète-Sciences Auvergne-Rhône-Alpes, Nicolas Janin. Récupération de la nacelle par les Radio-Amateurs, Bruno Gaudin (F1IMO) et Jean-Pierre Munger (F6BNV), et par deux membres du L0AD.
- 8 juin 2022 : Sortie des lycéens à l’IUT de Valence, séance de travaux pratiques (Arduino, étalonnage de capteurs)
Quelques éléments techniques
Partie embarquée
Le système principal est fourni par le CNES (émetteur Kikiwi), et permet :
- de prendre des mesures analogiques sur 8 voies (capteurs alimentés en 3.3V)
- de transmettre (toutes les 2s) les mesures et la position (AFSK 1200 bits/s, sur 869.525 MHz, portée à plusieurs centaines de km)
- de stocker les mesures et la position sur une carte micro-SD
- d'émettre la position GPS par SMS chaque minute (si couverture réseau)
Un schéma d'architecture est présenté ci-dessus (cliquer pour voir l'image complète), avec les mesures embarquées :
- Température intérieure / extérieure
- Pression
- Hygrométrie
- Luminosité visible et infra-rouge
Le système secondaire a été réalisé à l'IUT de Valence (étudiants, enseignants) et permet :
- de prendre des mesures numériques (modules capteurs alimentés en 5V), toutes les 10 secondes
- de stocker les mesures, la position et d'autres informations utiles sur une carte micro-SD
- de transmettre (toutes les 5 minutes) les mesures et la position (LoRaWan, SF9/868MHz)
Un schéma d'architecture est présenté ci-dessus (cliquer pour voir l'image complète), avec les mesures embarquées :
- Température intérieure / extérieure (capteurs redondants différents)
- Pression
- Hygrométrie
2 caméras autonomes (semblables à des GoPro) permettent de filmer :
- Le sol et l'horizon, en plongée à 45°, en 2.5k à 30 images/s
- le ballon (et son éclatement), en 720p à 240 images/s
Partie mécanique
La nacelle, réalisée par les collégiens, est un cube polystyrène extrudé de 25x25x25cm (collé/renforcé), d'une masse d'environ 250g.
Ci dessous, quelques photos des éléments intégrés (presque prêt à voler, tout n'est pas connecté), sur lesquelles on retrouvera les capteurs et systèmes présentés précédemment.
Partie sol
La nacelle possède 3 dispositifs radio différents :
- L'émetteur Kikiwi du système principal, prété par Planète-Sciences et le CNES, éméttant en AFSK (1200-2200 Hz) sur 868 MHz
- L'émetteur LoRaWan du système secondaire, émettant en SF9/125 sur 868 MHz
- Une radio-sonde type M10, prétée par les radios-amateurs Rhônalpins qui ont assuré la récupération, émettant sur 433 MHz
Un schéma d'architecture est présenté ci-dessus (cliquer pour voir l'image complète), avec les différentes solutions de suivi :
- Les trames émises par le système principal ont pu être observées localement sur le site de lacher, par un aérotechnicien de Planète-Sciences, à l'aide d'une baie de réception UHF et du logiciel KikiwiSoft qui permettra de voir les données brutes, les courbes de mesure et la trajectoire du ballon.
- Les trames émises par le système secondaire ont été diffusées sur les réseaux CampusIoT (réseau pédagogique universitaire) et The Things Network. Elles ont pu être observées directement via les interfaces clientes des infrastructures CampusIoT et TTN, ou être récupérées via MQTT pour être visualisées. Un tableau de bord a été également réalisé sur TagoIo afin de pouvoir visualiser les mesures instantanées, les courbes et la trajectoire du ballon. Une voiture de poursuite a été équipée d'une station de réception mobile LoRaWan qui a participé au relai des données et a permis de suivre en local la trajectoire du ballon.
- Les trames émises par la radio-sonde ont été relayées par des stations radio-amateurs (fixes ou mobiles) vers un serveur web qui a permis d'observer à distance la trajectoire du ballon
Vol de Stratos
En résumé
La prévision à H-6 (cliquer pour aggrandir), réalisée via CUSF Landing Predictor, promettait une randonnée sympatique à Méaudre pour aller le récupérer ;-)
Après avoir décollé à 11h30 le 16 mai 2022, Stratos a éclaté un peu après 13h à 29000m au dessus du Vercors (un peu à l'Ouest de Méaudre), en décalage à l'Est de la prévision. Il a attéri une heure plus tard à Brié et Angonne, pas loin de Vizille, dans un champs bordé d'arbres.
Il a été récupéré rapidement grâce à la balise LoraWan (relayée par une passerelle à Uriage) et la balise Radio-Amateur (suivi depuis leur voiture).
Les résultats sont positifs, et les vidéos embarquées très réussies (cf. plus bas).
Quelques photos ci-dessous (cliquer pour aggrandir), notamment des captures d'écran de l'éclatement filmé à 240 images/s.
La trajectoire partielle (il manque les dernières minutes de descente) est toujours visible sur le site de suivi de la balise radio amateur ici (cliquer sur charger tracé pour faire réapparaitre l'ensemble de la trajectoire).
Extraits des vidéos embarquées (décollage, éclatement, atterrissage)
Suivi et télémesures
Kikiwi (système principal)
Les données et positions collectées par le système Kikiwi et stockés sur la carte SD embarquée sont disponibles ci-dessous au format CSV :
- Données capteurs (tensions en mV)
- Positions GPS (coordonnées en degrés/décimales de degré), le trajet peut être visualisé en important le fichier sur GPS Visualizer
ESP32-LoRaWan (système secondaire)
Le fichier disponible ici contient les données collectées par le système secondaire pendant le vol, avec dans l'ordre :
- le nombre de secondes ecoulées depuis la mise sous-tension (le système ne s'est jamais arrêté)
- le numéro de boucle principale (une boucle = 1 message radio LoRaWan)
- le numéro de boucle secondaire (une boucle = 1 prise de mesures)
- les températures intérieure et extérieure mesurées par les capteurs DS18B20
- la température extérieure et l'hygrométrie mesurées par le capteur DHT22
- la température intérieure et la pression mesurées par le capteur BMP085
- la tension de la batterie
- les données GPS : fix, heure (GMT), latitude et longitude (tronquées à 2 décimales, bug corrigé depuis;-) ), altitude, nombre de satellites, cap (en degrés, 0 = N, 90 = E), vitesse
Le suivi a été effectué grâce à la mise en place d'un tableau de bord sur la plateforme TagoIo grâce aux messages relayés sur The Things Network. Les données collectées (un message toutes les 2 minutes) sont disponibles ici, on y retouve un sous-ensemble des mesures ainsi que des informations spécifiques au réseau TTN (identifiant et localisation de la passerelle ayant le mieux reçu le message, ...).
Ci-dessous, on peut retrouver des captures d'écran (cliquer pour aggrandir):
- Le tableau de bord en fin de vol
- Les courbes de mesures
- La carte (où l'on peut voir le trajet du ballon et les positions des passerelles), avec un zoom sur le point de chute
Articles de presse
Le projet a fait l'objet de la photo de la semaine dans l'hebdomadaire L'impartial et un article a été publié dans le Dauphiné Libéré (cliquer pour aggrandir).
Quelques compte-rendus et témoignages d'élèves
N.B. Les commentaires suivants sont retranscrits à l'identique mais anonymés.
Descriptif minute par minute (Sacha)
- 8h00 : Arrivée des lycéens en salle polyvalente
- 8h30 : Séparation en deux groupes : le groupe chargé de la qualification de la nacelle reste pour lire la documentation liée aux branchements et à l'allumage des caméras tandis que les autres groupes montent avec Mr Schaff pour faire le point sur la météo
- 8h43 : Début du montage de la chaîne de vol : les lycéens suivent la documentation qui leur explique comment relier les éléments de la chaîne de vol entre eux, quelles ficelles utiliser à quels endroits ainsi que la longueur à leur donner en les coupant, comment fixer les cordes à l'anneau et au parachute avec différentes techniques de nœuds etc...
- 9h00 : Collage des affiches règlementaires sur la nacelle incluant un numéro de téléphone à appeler si la nacelle est retrouvée, les logos des sponsors (Planète sciences, le CNES...), le nom des établissements participant au projet, le contenu de la nacelle ainsi que son nom...
- 9h06 : Arrivée des collégiens et montage du réflecteur radar qui sera par la suite intégré à la chaîne de vol. Cette pièce est cruciale pour la sécuriré du vol, car elle permet au dispositif d'être détectable dans le ciel et ainsi d'éviter tout risque de collision avec un avion.
- 9h20 : Les collégiens ajoutent le réflecteur radar à la chaîne de vol avec des ficelles
- 9h35 : Début de la qualification de la nacelle avec le groupe de lycéens qui en est chargé, l'aérotechnicien et Mr Jean :
- 9h40 : Pesée de la nacelle (afin de s'assurer que sa masse est comprise entre la masse minimum autorisée et la masse maximum autorisée)
- 10h : Test du fonctionnement des capteurs (luxmètre, hygromètre, thermomètre intérieur et extérieur, pressiomètre) ainsi que du système de télémesure (émetteur Kikiwi) en regardant si les courbes des mesures transmises en direct sur un écran réagissent normalement à une variation des différents paramètres mesurés
- 10h38 : Le même groupe d'élèves répond aux questions posées par l'aérotechnicien afin de s'assurer que le vol peut se passer en toute sécurité
- 10h48 : L'aérotechnicien donne l'autorisation de décollage après avoir rempli les check-lists et vérifié que tous les aspects de la nacelle et du reste de la chaîne de vol sont dans les normes autorisées
- 11h : Gonflement de l'enveloppe de latex avec plusieurs bouteilles d'hélium par les lycéens tandis que d'autres maintiennent le ballon au sol afin qu'il ne s'envole pas. Pendant ce temps, d'autres élèves branchent et allument les caméras puis accrochent la nacelle à la chaîne de vol.
- 11h20 : Plusieurs élèves apportent la chaîne de vol à laquelle est maintenant accrochée la nacelle refermée avec les caméras branchées et allumées ainsi que les capteurs opérationnels. Elle est ensuite accrochée au ballon que deux élèves maintiennent à quelques mètres du sol à l'aide de cordes.
- 11h30 : Décompte puis décollage de la sonde : les cordes sont relâchées et le ballon s'élève dans la ciel à une vitesse verticale d'environ 5 m/s
- 13h10 : Eclatement du ballon à 29km d'altitude et ouverture du parachute
- 14h30 : Atterrissage à Brié-et-Angonnes (près de Vizille) après 3h de vol.
Qualification de la nacelle
(Ariane)
Lors de la qualification de la nacelle nous avons du vérifier que la nacelle était homologuée. Nous avons du vérifier la masse de la nacelle
(la balance n’avait pas assez de pile donc elle nous affichait que la nacelle était trop lourde mais après avoir
changé de balance après de petite complications la nacelle pesait environ 1.8 kg) ensuite nous avons dû vérifier
que tous les capteurs fonctionnaient grâce aux courbes d’étalonnage déjà effectuées que l’on avait présenté en exposé.
Le capteur de pression, les différents capteurs de température interne et externe ainsi que l’hygrométrie et la
luminosité. Tous fonctionnaient plus ou moins. Ensuite nous avons fait un bilan avec le suiveur pour être sur
de tout. il avait une liste et il fallait que la nacelle corresponde à cette liste. Par exemple, elle ne devait pas
contenir d’objet dangereux ou larguer un objet dans le ciel, il ne fallait pas qu’elle ait plus d’une certaine tension,
nos piles avaient au maximum 9V donc tout était bon. Il y avait plein de critères mais tous étaient bons, c'est ça que
la nacelle a pu être envoyées.
(Sacha)
Mon rôle durant la qualification de la nacelle a été d'effectuer sous l'oeil de l'aérotechnicien,
un ensemble de mesures et de tests liés à la nacelle et aux instruments embarqués afin de vérifier que
tous les aspects de la nacelle respectent correctement le cahier des charges établi au préalable et d'obtenir
l'autorisation de décollage.
Nous avons mesuré une dernière fois les dimensions de la nacelle, nous l'avons pesée et nous avons également testé
les capteurs d'hygrométrie, de température interne et externe à la nacelle, de luminosité et de pression.
Pour cela, les capteurs étaient en liaison avec un ordinateur qui affichait les données en temps réel et sous forme de
courbes. Nous avons donc fait varier le paramètre mesuré par chacun des capteurs et vérifié si la courbe réagissait
normalement. Par exemple, pour le thermomètre, nous avons approché un bloc de glace du capteur et vérifié que la
courbe diminuait. Enfin, nous avons dû répondre à quelques questions complémentaires relatives à la sécurité du vol
et à d'autres attendus du cahier des charges avant d'enfin obtenir l'autorisation de décollage une fois que la
check-list de l'aérotechnicien était entièrement complétée.
Chaine de vol
(Ariane)
Pour la chaine de vol, nous avons du préparer le parachute de la nacelle. Nous avons d’abord attaché les ficelles
du haut qui faisaient 20cm dont une de 30 cm. Nous avons rajouté 10 cm pour pouvoir faire les nœuds qui allaient être
reliés au ballon. Nous avons fait des noeuds de mousqueton. Ensuite nous avons attaché les ficelles qui allaient être
attachées à la nacelle. Pour cela, nous avions des ficelles de 2m40 sauf 2 qui étaient de 2m70. Toutes ont été
raccrochées à un anneau anti torche. Il fallait environ 2 mètres, mais nous avons gardé de la marge pour faire les
noeuds de cabestan. Il fallait que toutes les ficelles soient de la même longueur afin que le parachute ne soit pas
penché et qu’il ralentisse vraiment la chute pour que la nacelle reste intacte.
(Naëlle)
Le rôle de notre groupe était d’accrocher ensemble les éléments constituant la chaîne de vol, dans le bon ordre :
le parachute, le réflecteur radar puis la nacelle contenant les capteurs.
Premièrement, nous avons dû accrocher le parachute par en haut et par en bas à l’aide de noeuds solides. Les cordes
de la partie haute mesuraient 25cm et permettaient d’attacher le parachute au ballon. Les cordes du bas mesuraient
1m20 et reliaient le parachute à un anneau stabilisateur grâce à des noeuds de cabestan. Nous avons ensuite testé
la résistance du parachute dans la cour. Deuxièmement, nous avons préparé la nacelle : nous avons placé de la ficelle
sur chaque côté de la boite « Comme un paquet cadeau ! », pour qu’elle soit bien stable. Finalement, nous avons relié
tous les éléments entre eux : d’abord le parachute et l’anneau stabilisateur au réflecteur radar, puis ce dernier à la
nacelle. Une balise a été rajoutée pour permettre de localiser la nacelle. Nous avons fixé le tout au ballon gonflé
et accompagné les différents éléments lors du largage du ballon.
Interviews (Prunelle)
Tout au long de nos interviews nous avons posé les questions suivantes :
Certaines personnes n’ont pas répondu à certaines questions car ça ne semblait pas pertinent au vu de leur rôle dans le projet ou car il ne savait pas quoi répondre.
Groupe de cinq collégiens du triboulet :
- Ils se sont occupés des mesures de la nacelle et de sa construction.
- Cela leur a pris deux heures répartis en deux cours.
- Ils ont bien aimé participer au projet.
- (pas de réponse)
- Sur les cinq collégiens interrogé quatre pensent que le ballon va décoller contre un qui pense qu’il ne décollera pas. Ils nous ont dit que le ballon exploserait vers les montagnes.
Enseignante extérieure au lycée (qui participera au projet en 2022-2023):
- Elle était présente uniquement en tant qu’observatrice avec sa classe de BIA du collège de l’Europe.
- Cela leur a pris deux heures répartis en deux cours.
- Ils ont bien aimé participer au projet.
- (pas de réponse)
- (pas de réponse)
- (pas de réponse)
- Elle pensait que le ballon irait exploser à 9 kilomètres.
Une élève de seconde:
- Elle était dans le groupe qui s’est occupé de l’étalonnage du capteur de pression, puis dans celui de la chaine de vol.
- Pour la globalité du projet un an. Pour la partie chaine de vol environs deux heures.
- Elle a bien aimé participer au projet car elle a trouvé ça cool.
- Elle a appris à faire certain noeuds, le fonctionnement global d’une carte kikiwi et d’un capteur, planter des cure-dents dans du polystyrène ainsi qu’à s’adapter aux difficultés rencontrées.
- Elle pensait que le ballon éclaterait vers 12 kilomètres.
Un élève de seconde:
- Il était dans le groupe qui s’est occupé de l’étalonnage du capteur de luminosité, puis dans celui responsable des photos et des vidéos.
- Pour la globalité du projet un an.
- Il a bien aimé participer au projet car il a trouvé ça enrichissant.
- (pas de réponse)
- Il prévoyait que le ballon allait exploser vers 21 kilomètres.
Deux élèves de seconde:
- Elle étaientt dans le groupe qui s’est occupé de l’étalonnage du capteur de pression, puis dans celui du descriptif minutes par minutes.
- Pour la globalité du projet un an. Le descriptif minute par minute les a occupées toute la matinée.
- Elles ont aimé participer au projet.
- Elles ont appris à travailler en groupe avec des personnes qu’elles n’appréciaient pas forcément.
- L'une pensait que le ballon n’allait pas décoller, mais si il le faisait elle avait dit qu’il exploserait vers 14 kilomètres. L'autre avait dit 15 kilomètres.
Les radio-amateurs (ils font de la radio électronique depuis 50 ans. Ils font tous eux-mêmes) :
- Ils devaient suivre par GPS et récupérer la nacelle du ballon. Pour cela ils ont rajouté sur notre nacelle une antenne et une balise.
- Ils suivent des ballons depuis 20 ans, et comme ils réutilisent leur matériel cela ne leur à pris que quelques heures à mettre en place.
- Ils aiment participer à ce projet car ils peuvent utiliser leur passion des radios et des fabrications électroniques pour un projet scolaire.
- (pas de réponse)
- Ils pensaient que le ballon allait exploser entre 25 et 33 kilomètres.
Un étudiant de l’IUT de Valence :
- Il était le chef de projet et il a travaillé dans l’équipe de programmation. Les étudiants de l’IUT était responsables de la conception du système embarqué et de la mise en place de l’infrastructure de suivi.
- Ça a pris deux semestres à son groupe. Le premier était dédié à l’analyse du cahier des charges et à la recherche de comment le système embarqué pourrait rentrer dans ce cahier des charges. Le second était pour la réalisation du projet.
- Il a beaucoup aimé car il a pu travailler sur des sujet qu’il aborde rarement d’habitude.
- Il a appris beaucoup sur l’aspect embarqué, la gestion de projet et la programmation.
- Il pensait que le ballon éclaterait vers 30 kilomètres.
L'aérotechnien du CNES :
- C’est un aérotechnicien venu pour vérifier le travail et le respect des règles de manière à ce que le vol ce passe bien.
- (pas de réponse)
- Il aime bien participer car il trouve ça intéressant de faire faire ça à des jeunes.
- (pas de réponse)
- Il avait prévu que le ballon irait jusqu'à 28 kilomètres environs avant d’éclater.