modélisation de systèmes et logiciels

[fouga]

Bonsoir à tous,

je viens d'intégrer une équipe "amateur" qui développe une fusée pour atteindre l'espace:http://sugarshot.org/

Etant donné mon cursus universitaire, le chef de projet m'a affecté à la conception d'un système de stabilisation pour la capsule.

Je dois donc dans un premier temps développer un modèle fiable et réaliste de l'engin pour pouvoir l'étudier et concevoir le dit système.

Je connais pour l'heure 2 techniques de modélisations qui sont:
-les équations de Lagrange pour les systèmes électro-mécaniques.
-Les graphes à liens, ou bond graphs, qui sont utiles pour tout ce qui existe ou est susceptible d'exister.

Je voudrais savoir si ces techniques (en particulier la 2ème) sont suffisamment pointues pour réaliser ma mission, et par ailleurs si vous connaissez d'autres techniques susceptibles de m'aider dans cette mission si oui et que vous avez un cours (même en anglais) je suis bien évidemment preneur!

De plus, pour les graphes à liens nous utilisons 20sim à l'école, mais je ne l'ai pas et on ne peut trouver que des versions limitées sur le net, il en va de même pour la plupart des logiciels "avancés" que j'ai vu.

Si vous avez des logiciels freeware de modélisation (j'ai pensé à Scilab mais je n'ai rien trouvé pour l'heure) je suis également preneur!

En vous remerciant,

Si jamais vous avez des questions ou êtes intéressés par le projet, je peux également répondre à vos question

@+
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[Zozo_MP]

Bonjour

Pour modéliser avec les outils que vous évoquez il faudrait déjà commencer par savoir ce que l'on veut modéliser.
Dis-autrement avant de se lancer à un niveau aussi fin il faut savoir pourquoi il faut stabiliser, donc ce qui déstabilise et sur quelles valeurs.

Une fois la totalité des cas connus et l'écart de divergence par rapport au nominal, cela permet de faire une modélisation des corrections à apporter.
Si vous ne savez pas ça les outils que vous évoquez vous serons d'aucune utilité pour une efficacité minimum.

Vous dites

conception d'un système de stabilisation pour la capsule

Les premières questions à ce poser c'est stabiliser quoi et pourquoi ?
Est-ce la capsule ou la fusée car la seconde à un moteur de poussée et l'autre non ce qui n'est pas la même chose.

Si ABN84 passe par là il vous fera une explication plus Lagrangienne en espérant que ses dires ailles à peu près dans le même sens que ce que j'avance.

Moralité : A marin qui ne sait où il va, le vent n'est jamais favorable (même avec un gyro électronique)

Cordialement

[fouga]

Bonsoir,

Je vais détailler le problème pour donner un aperçu plus général, et j'en profiterai pour donner la solution générale que nous envisageons.

D'après ce que m'a dit le chef de projet qui s'est occupé de l'aérodynamique, pour une histoire de dissymétrie au niveau des ailerons ainsi que dans le but de stabiliser sa trajectoire, la fusée a un phénomène de roulis longitudinale tout au long de la montée.
On peut illustrer le phénomène par une vidéo embarquée sur la plupart des fusées qu'on trouve sur youtube:
http://www.youtube.com/watch?v=-8JgH...eature=related

Une fois arrivée à l'altitude maximum, la capsule est séparée du second et dernier étage de notre engin pour revenir sur terre.
Elle effectue la majorité du retour en chute libre, le parachute est déployé à basse altitude.

Le problème est que la capsule a au moment du largage une rotation due à celle de la fusée, de plus les déséquilibres aérodynamiques au niveau de la capsule en elle même contribuent à ce mouvement.

Il n'a pas été envisagé de redessiner la capsule, mais d'implanter un système d'anti-roulis, et c'est là mon travail.
Les raisons principales étant d'avoir une vidéo plus stable et donc plus visuellement belle, ainsi que surtout de prévenir un emmêlement des câbles du parachute.

Nous avons déjà discuté dans l'équipe des possibilités pour réaliser le sytème. La solution d'utiliser des micro-réacteurs pour contrer la rotation est envisageable mais pose des problèmes quant à la masse à embarquer que cela implique.
Aussi, après étudier différents supports de cours sur le contrôle des engins spatiaux, nous planchons sur une autre solution:
Modifier le moment d'inertie pour arrêter la rotation.
Le principe est simple et ancien, c'est typiquement le cas d'une régulation en vitesse angulaire qui se faisait de manière purement mécanique à l'époque, en utilisant 2 câbles et 2 masses qui se tendaient ou non selon la vitesse (je ne sais pas si vous voyez de quoi il s'agit).
Le cours que j'ai sous la main donne des équations fiables pour ce système, mais nous voudrions pouvoir les affiner en ayant un modèle de la capsule pour pouvoir être le plus juste possible au niveau des réglages des paramètres.

J'ai déjà modélisé des systèmes (essentiellement pour des TP) en utilisant Lagrange ou les BG.
D'ailleurs la capsule est relativement simple à modéliser, cependant ce qui me pose problème c'est d'arriver éventuellement à une représentation d'état et ne pas savoir quoi faire avec (je n'ai que les bases dans ce domaine... bac+3 pour l'instant).

Donc, je me demande s'il est possible d'utiliser une autre méthode donnant des résultats probant et dans des "représentations" plus communes de ce que je sais traiter (équations diff, bien que la représentation d'état puisse aussi le faire...).

Merci!

[Zozo_MP]

Bonjour

Au moins cette fois la description et la finalité est claire. Merci

En ce moment ce sont les vacances et beaucoup de membres sont absent ? Il vous faudra être patient pour obtenir des réponses.

Je me demande si votre questionnement n'aurait pas plus sa place dans le forum Physique.
Je vous propose donc que si vous n'avez pas de réponse d'ici une semaine de transféré votre fil en physique.
Dites moi si vous êtes d'accord

Cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]

[fouga]

Bonjour,

j'avais effectivement pensé à placer ce fil dans la catégorie physique au début.
Cependant, la majorité des débats me semblaient plus porter sur des concepts ou de la physique théorique.

Ce que je cherche ici serait simplement une méthode de modélisation que je connais pas et qui pourrait être éventuellement plus adapté que ce que je connais. En ce sens je pense que les physiciens du forum peuvent effectivement avoir une réponse.
Cependant pour des logiciels dédiés à ce genre de travail, je pensais que la partie technologie était plus adaptée.

Je suis d'accord avec vous, si il n'y a pas de réponses prochainement, déplacer le sujet peut être une solution!

Bien à vous,

[Zozo_MP]

Bonjour

A la réflexion quelque chose me surprend pourquoi ne pas utiliser tout simplement la technique de l'aéromodélisme de pilotage des ailerons soit en queue soit en moustaches

En acrobatie il est très facile de faire faire à l'avion une rotation autour de son axe. D'ailleurs un mauvais réglage du trim provoque des rotations si j'ai bien compris.
Il y a des spécialistes du RC qui vous expliqueront ça mieux que moi.
Vous pouvez aussi regarder du coté des bombes planantes téléguidées pour maîtriser le point de chute.
Il y a d'autres solutions très simple pour stabiliser la capsule avant ouverture du parachute.

Il y a d'autres choses frappantes dans la vidéo, j'y reviendrais ultérieurement.

Cordialement

[fouga]

Bonjour,

la vidéo est une vidéo d'exemple, ce n'est pas de notre appareil qu'il s'agit, c'était juste pour montrer un phénomène récurrent qu'est le roulis.
En fait, le programme de développement prévoit une série de plusieurs familles de fusées, atteignant différentes altitudes, la dernière série devant atteindre l'espace.

Nous avons pour l'heure réalisé le premier essai de la première famille, mais il n'y a pas de caméra embarquée exploitable puisqu'il y a eu une anomalie lors de l'allumage du 2nd étage:

http://www.youtube.com/watch?v=bQ4Tl4TCi8M

J'ai également suggéré d'effectuer un contrôle au niveau des ailerons comme en RC. Cependant, le roulis a été conservé volontairement car d'après le chef de projet, cela augmenterait la stabilité générale, donc stopper le roulis en montée n'est pas envisagée.

La capsule quant à elle a un comportement que nous n'avons pas eu l'occasion d'étudier plus que cela pour l'instant en essais réel, d'où l'intérêt de trouver une technique de modélisation efficace pour pouvoir être le plus fin avant de passer en réalisation grandeur nature.
Cependant, on sait qu'elle subira d'une part le roulis initial de la fusée, d'autre part, bien qu'il s'agit d'un cône et qu'elle n'a pas d'éléments susceptibles de provoquer des dissymétries aérodynamiques (pas d'ailerons) on ne sait pas comment se comportera la capsule face à la chute libre.

L'idée des bombes planantes est relativement intéressant, je vais chercher de ce côté car c'est de cela que notre capsule se rapproche plus pour l'heure,

merci

[Zozo_MP]

Bonjour

Le principe des bombes planantes et justement de ne sortir les moignons d'ailerons qu'à partir de l'apogée ou d'une certaine hauteur en cas de tir vertical de haut en bas.

Pour le parachute regardez aussi l'ouverture en deux phases qui est utilisé aussi en chute libre mais surtout pour les grosses charges.
Vous avec un minuscule parachute qui ne fait que stabiliser la charge puis quand l'oscillation est stabilisée le second parachutes d'atterrissage est déployé. La nasa fait ça couramment depuis 1960
Vers le milieu de cette vidéo au point 371-10 on voit clairement le mini parachute de stabilisation qui est la phase 2. Encore ici où l'on voit bien les deux phases.
En animation on voit les différentes phases plus clairement.
Donc 1ère phase bombe planante ou non, 2ème parachutes de stabilisation de l'oscillation et de la rotation, 3ème parachutes atterrissage

Cordialement

PS : ne pas réinventer la roue peut faire gagner du temps

[fouga]

Bonjour,

Merci pour les idées, très intéressantes!

L'idée des ailerons est viable, cependant il me semble qu'elle a été exclu il y a longtemps pour une histoire de conception de la capsule, ou de masse.

Je suis en train de rédiger un avant-projet résumant les différentes solutions, je vais essayer d'approfondir l'histoire de bombe volante.

J'ai un document qui reprend les différentes solutions existantes pour le contrôle d'un engin spatial, la solution que j'évoquais plus tôt est celle du Yoyo De-spin en première page.

L'ensemble du document est intéressant également, en tant qu'étudiant en automatique je me suis bien amusé!

http://www.princeton.edu/~stengel/MAE342Lecture14.pdf

Une chose dans la vidéo de la capsule Orion que j'ai du mal à comprendre, c'est l'ouverture du parachute bleu juste après que la tour de sauvetage soit éjectée. On a 3 phases:
Ouverture suivi directement du largage du parachute bleu.
Ouverture du 2nd parachute et guidage en chute contrôlée puis largage.
Ouverture des parachutes de frein.

Est-ce le 1er parachute qui stabilise la capsule, ou le second?
J'ai tendance à croire que la 2ème ouverture consiste à maintenir une vitesse de chute constante, un peu comme pour les parachutistes en tandem qui sortent un parachute intermédiaire, mais je n'en suis pas sur. Ce dernier pouvant également servir de stabilisateur par la même occasion.

Merci pour vos idées!

[Zozo_MP]

Bonjour

Dans l'animation les deux mini parachutes bleus servent à maintenir la coiffe en altitude pour être certain car cela arrive souvent que la coiffe ne va pas venir comme un boulet vers les parachutes de stabilisation.

Donc séquence

1°) On éloigne le premier bout de ferraille avec des rockets
2°) On largue la coiffe avec deux petits parachutes bleus qui permettent de l'éloigner et comme elle est plus lègère elle ne pourra jamais rattraper la capsule.
3°) on largue de mini parachute de stabilisation comme pour la capsule mercury.
4°) on déclenche les parachutes à ouvertures progressives qui dans la première phase servent de ralentisseur et évitent les chocs (donc des G pour les astronautes qui viennent déjà de se manger au moins 7G dans la phase de sauvetage) et limites les risques de casse de suspente et de déchirures dans les voilures vu le poids de la capsule qui descend comme un coffre fort balancé d'un avion.

Voilà c'est la longue expérience de la NASA qui a eu beaucoup de problèmes en 60 ans mais qui a de ce fait une très bonne expérience des pièges à c....

Cordialement

[fouga]

Merci pour les explications!

Je vais soumettre l'idée au chef du projet.
Elle me parait dans le même ordre de difficulté que le yoyo, le plus étant qu'elle règle en plus la stabilité générale de la capsule et pas que le roulis!

Si jamais le projet vous intéresse, vous pourrez trouver la documentation du projet dans la rubrique documentation du site que j'ai cité tout en haut à tout hasard!

[Zozo_MP]

Bonjour

J'espère qu'après ce projet vous aurez votre magister Fouga

Cordialement




.
. Attendons la réaction

[invitec35bc9ea]

Bonjour,
Scilab tout seul ne sert à rien il te faut scicoslab pour tester tes lois de commande.
à part ça aucun logiciel ne te crachera comme ça un modèle.
c'est à toi de trouver le modèle (avec une feuille et un crayon).
Cherche les equations du vol balistique, ce que tu veux faire n'a rien à voir avec le modelisme.
Sinon, à mon sens, ce projet est un casse gueule pour des amateurs. ça demande de fortes connaissances en regulation et commande robuste, electronique embarquée, OS temps reel, mecaniques de vol... C'est à mon sens trop embitieux mais ce n'est que mon avis.
Bonne chance en tout cas

[fouga]

Pas mal le jeu de mot sur le magister, c'est mon avion préféré le fouga

Pour ABN84, nous ne parlons bien évidemment pas de modélisme ni d'amateurisme. L'équipe est non professionnelle dans le sens où il n'y a pas de gros sous et personne n'est embauché par la SS2S, cependant le niveau de certains membres se rapproche plus de l'expert que de de l'expérimentateur (il suffit de regarder un peu dans la documentation, la première fois que j'y ai jeté un oeil j'en suis pas revenu).
Le projet est réalisable mais demande du temps, il n'est cependant pas inédit puisque que la première fusée spatiale amateur date de 2004:
http://www.the-rocketman.com/CSXT/default.asp

Il est cependant loin d'être simple à mettre en oeuvre et c'est pour ça que le projet a débuté en 2005

Entièrement d'accord pour le modèle, avant de simuler quoi que ce soit il faut faire fonctionner ses méninges. Et c'est justement là que je demandais si il y avait des méthodes de modélisations préférables à d'autres. J'ai cherché pas mal de documentation pour approfondir les graphes à liens (Bond graph) et j'ai trouvé pas mal d'exemples pour essayer quelque chose, donc maintenant, il y a plus qu'à

Merci pour scicoslab je viens d'aller voir le site qui le distribue, je le garde sous le coude quand j'aurai quelque chose de porteur niveau modèle.

[invitec35bc9ea]

En modélisation t'as deux camps:
il y a ceux qui modélisent des boites noires: modèle empirique qui decrit correctement le comportement de la sortie en fonction de l'entrée. mais dont les variables internes n'ont aucune realité physique
Et ceux qui modèlisent les phénomènes physiques et donc qui font coller le modèle au système reel
Pour un système simple, on aura tendance à previlègier la première approche car plsu rapide
Poru les sytème complex on prefere la seconde approche pour des raisons de robustesse de commande.
Si tu veux modeliser ta fusée selon la seconde façon tu n'as qu'à regarder les equations du vol balistique. tu auras directement un modèle analytique de la fusée. pour coller ce modèle à la réalité, il faut faire du model matching (technique d'identification). Sais tu de quoi il s'agit?

[fouga]

Bonjour,

On ne ne peut pas utiliser la première méthode, car comme elle est empirique elle doit reposer sur des observations relativement poussées, des essais... Or vu ce que nécessite un tir et leur nombre ça me parait insuffisant.

On veut donc établir le modèle en s'appuyant sur la physique du système qu'on considère, d'où la recherche des techniques de modélisations existantes. C'est d'ailleurs toujours cette voie que j'ai utilisé, qu'il s'agisse d'une utilisation des équations lagrangiennes, comme des bond graph. On inventorie les échanges d'énergie et on dresse l'architecture du système, les variables qui agissent dessus et on en sort un modèle.

Je vois que tu fais de la mécatro, vous priviligiez quoi comme techniques de modélisation physique en générale?

Pour l'identification, je l'ai à peine effleuré dans un TP l'an dernier, c'est au programme de la 2ème année. J'ai cependant regardé ce que j'ai trouvé sur google, ça a l'air intéressant.

[invitec35bc9ea]

Tous les systèmes physiques (mecanique, magnetique, hydraulique) que j'etais ammené à modeliser, je l'ai fait avec les methodes energetiques, c'est plus facile, je trouve.
Mais cette methode vaut pour un système dont tu ne connais pas le modèle, je suis quasi-certain, que tu peux trouver un modèle tout pret du vol balistique sur le net.
Si tu veux cependant t'amuser tu n'a qu'à qu'a calculer le lagrangien de ton système et resoudre lequation d'euler-lagrange, mais tu reinvente la roue je penses. Mais bon ça reste instructif quand meme.

sinon un modèle analytique ne sert à rien sans identif.

Je vois que tu fais de la mécatro, vous priviligiez quoi comme techniques de modélisation physique en générale?

ça depends, comme je t'ai dit plus haut, pour un système simple je modelise une boite noire, pour un système complexe, je passe par le lagrangien

[fouga]

Bonjour,

tu n'utilises jamais les bond graphs alors?

En fait, je vais essayer de reformuler le problème que j'ai à résoudre.
Il est bien plus simple qu'il en a l'air et ne nécessite pas les équations balistiques (pour ce problème en tout cas).

Comme je l'ai expliqué plus tôt, on procède à un tir à haute altitude (pour ce véhicule ce sera un sommet à 33km, pour la série d'après ce sera 100 si tout va bien).
arrivé au sommet, la capsule sur la tête de la fusée retombe sur terre.
Le problème c'est que lors de la montée, la fusée a subit une rotation et donc la capsule est elle même en rotation lors de la séparation.
On a donc un mobile qui tourne sur lui même, et on cherche une solution pour stopper cette rotation, indépendamment de la chute libre de l'ensemble.

Pour cela, je m'oriente vers la solution du "yoyo".
Je vais illustrer le principe par une vidéo:
http://cs.astronomy.com/asycs/forums...60/429854.aspx

La vidéo est dans le 2nd post, le yoyo se déploie en fin de vidéo (bien que l'ensemble du lancement soit très beau à voir en 3d!).

J'ai par la même occasion trouvé un cours qui traite de ce principe:
http://www.princeton.edu/~stengel/MAE342Lecture14.pdf
Le principe est expliqué en 1ère page, j'ai du mal à cependant à comprendre l'expression de la variable c, j'ai l'impression qu'il y a un double carré au dénominateur.

Enfin, la NASA a développé ce système dans les années 60, l'étude a été déclassifiée depuis:
http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc...c=GetTRDoc.pdf

Ma question est donc, dans le cas de notre capsule qu'on peut approximer pour l'instant comme un cylindre, et bien qu'elle fasse une chute libre, peut on directement traiter le problème avec ces données, ou y a t'il besoin de faire une modélisation complémentaire vu qu'on est pas (pour l'heure) dans le cas de l'espace?

Et au vu de ces documents, tu aborderais comment le problème?
J'ai pensé à m'appuyer sur ces données et a essayer de faire des essais statiques pour adapter les données au problème, mais il faudrait construire le dispositif d'essai...

[fouga]

Bonjour,

J'ai posté le problème dans la rubrique astronautique après avoir opté pour le système yoyo:
http://forums.futura-sciences.com/as...o-de-spin.html

J'ai ne cependant pas eu de réponse, les différents intervenants de ce thread m'ayant apporté pas mal de réponses intéressantes ici, je viens retenter ma chance ici

Dans le document de princeton, j'ai 2 problèmes:
je ne comprend pas l'expression c, il y a en effet un mR² avec un second ² au dénominateur (voir le document), je ne sais pas si il s'agit donc au final de (mR²)² ou d'une autre expression?
Il y a un phi et un phi point.
Phi correspondant à l'angle entre le point d'où a été lâchée la masse et le point où est fixé la corde.
Je pense que phi point est donc la dérivée, comment calculer cela? Egalement, dans ce genre de système l'unité usuelle est le radian ou le degré?

Enfin, pour l'information, après avoir contacté le chef de projet rapidement, ce système est viable: on largue à 33km, donc il reste 1% de l'atmosphère qu'on a au niveau de la mer (environ), ce qui fait que les effets de frottements sont négligeables et que la solution peut être appliquée comme si on travaillait sur un satellite (indépendamment du fait que la capsule tombe inexorablement)

Merci pour votre aide!

[Zozo_MP]

Bonjour

Le système du yoyo et bien pour arrêter la rotation à condition de le larguer rapidement sinon en dessous d'une certaine vitesse les deux mini câbles vont s'enrouler autour de la capsule et après c'est le reste des opérations qui risque d'être compromis.

Le système du yoyo ne résous qu'une partie d'une problème qui est d'arrêter la rotation mais c'est inopérant pour les oscillations dans le sens radial.
Il faut donc très tôt avoir le mini parachute de stabilisation comme déjà montré.

On voit donc qu'il y a déjà pas mal d'information à collecter et à calculer jusqu'au moment ou le mini parachute de stabilisation pourra être largué.

Il faut donc connaître l'altitude d'ouverture du parachute de stabilisation (suppression de l'oscillation) et faire un rétro planning pour savoir quand le yoyo doit être largué, ni trop tôt, ni trop tard donc comment savez que la rotation sur l'axe est devenue négligeable pour l'ouverture du mini parachute.

Cordialement

[fouga]

Bonjour,

Merci de la réponse,

C'est exact pour le risque d'enroulement, si vous avez eu l'occasion de regarder la vidéo du lancement de mars odyssey dans un de mes posts précédent, vous avez du voir que même dans l'espace il largue les câbles pour éviter tout problème!

Votre idée du parachute est bonne, d'ailleurs je la met dans mon avant projet, cependant, je pense que le chef de projet m'a donné ce système de stabilisation axiale, si on peut dire, dans un premier temps.

Nous sommes en train de développer le nouveau véhicule qui ira dans la stratosphère (celui des 33km) donc le stabilisateur n'est qu'un des nombreux points à travailler.

L'idée du parachute sera probablement reprise, mais je pense pour une utilisation quand on reviendra en atmosphère plus basse et pour une autre phase de la descente de la capsule!

est-ce que vous avez une idée pour mon problème de calcul sur le document de princeton? j'avoue buter dessus et j'aimerais bien dans mon avant projet, en plus d'une explication qualitative des phénomènes, rendre un minimum d'analyse calculée!

Merci!

[Zozo_MP]

Bonjour

Pour les calculs ma fois mon urologue me les a formellement déconseillés je laisse faire mes petits camarades plus jeunes du forum.

Cordialement