mercredi, 14 novembre 2018
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l’angle de rotation d’un mât tournant

Mat_Itzamma

Afficher l’angle de rotation d’un mât tournant

(Note : Réflexions préliminaires à une étude)

Mat_Itzamma

Maj : 15/07/07

 Introduction

Les mâts ailes  pivotants en carbone sont présents sur les catamarans performants. Ils améliorent considérablement les performances de la voile en présentant un profil optimal pour favoriser l’écoulement  laminaire du bord d’attaque.
Le gain en performance du mât rotatif est évident, mais cela complique l’installation du gréement et pose un problème spécifique pour l’installation de la girouette.

 

 Problèmatique de l'affichage de l’angle de rotation d’un mât pivotant

 

Cette petite note est un exemple de la démarche à suivre lors d'une étude initiale avant la réalisation d’un projet d’électronique embarquée.

Il faut commencer par se poser les bonnes questions afin de savoir si le projet est pertinent puis s’il sera réalisable. Une fois le cahier des charges parfaitement établi, la plus grosse partie du travail est faite, le reste n’est qu’un assemblage de technologies disponibles « sur étagères ».


 La première question à se poser est : Est-ce vraiment pertinent et utile ?

Sur un petit bateau, c’est un gadget, cela se voit bien depuis la barre, sur un très gros bateau de course, l’information peut être utile.
Le vrai intérêt de connaitre les angles du mât est surtout de recaler le zéro de la girouette électronique dans l’axe réel du bateau, sans cela le montage en tête de mât est impossible, il ne reste possible que le montage de deux aériens sur mâtereaux à l’arrière, avec commutateur de gîte.
Cette solution étant extrêmement médiocre l’air est très perturbé dans ces zones et les lectures fantaisistes.

Vue générale du mât aile carbone tournant sur sa rotule titane.
Le gréement est textile, il n’y a pas de pataras.

Mat_Itzamma

 Seconde question à se poser est : Est-ce réalisable ?


Si l’on décide de se lancer dans l’aventure, il faut maintenant faire le choix très délicat du capteur.
Cela s’avère complexe, car la zone de pied de mât est très critique, il y a beaucoup de manœuvres courantes  et toute excroissance rapportée sera scalpée ou écrasée par les coups de bottes lors des manipulations de voiles musclées. Très peu de matériel résistera à cet endroit.
Il faut définitivement oublier tous les capteurs avec axe, aimant et effet Hall, encodeurs optiques ou pire les antiques potentiomètres, à transmission mécanique par biellettes ou câbles. Seuls les systèmes sans contacts sont exploitables ici.

Détail du pied et de sa rotule titane.
Remarquez le fil qualité aviation à très faible perte, gainé Téflon,  pour les feux.

Mat_Itzamma

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 Comment le réaliser en pratique ?


En balayant l’ensemble des principes exploitables, le choix se réduit considérablement.
On éliminera toute idée d’embarquer un compas magnétique sur le mât et un autre sur le pont pour comparer les valeurs, le résultat est imprécis et instable, c’est inutilisable. Cela n’a pas empêché des vendeurs peu scrupuleux de mettre au catalogue ce gadget médiocre.

Il ne reste que les ultrasons pour donner les informations angulaires fiables et précises.

 

 Théorie de la mesure ultrasonique

Le principe de la mesure angulaire est une simple application trigonométrique, la comparaison des trajets relatifs entre l’émetteur sur le mât et trois récepteurs fixes sur le pont donne les angles cherchés.
Le seul angle intéressant est celui de la rotation du mât. Les calculs trigonométriques donnent aussi l’angle de basculement latéral du mât. Cet angle dépend de l’allure et de la force du vent, les haubans au vent s’allongent plus ou moins, les haubans sous le vent sont mous et le mât tombe sous le vent. La connaissance de cet angle en soi a peu d’intérêt, il ne faut pas espérer en faire un détecteur fiable de contraintes du gréement, mais sa mesure est très importante car elle intervient dans le calcul de l’angle de rotation final en compensant la non symétrie sur le plan axial. Il ne sera pas affiché mais c’est un paramètre important du calcul.

 

 Principes

Voici les grands principes à affiner.


 Il n’est pas utile d’afficher les valeurs sur un cadran, il faut les mixer avec les informations de la girouette pour ressortir seulement l’information corrigée sur la console.

 La meilleure approche semble de placer un cristal émetteur en pied de mât, la hauteur de 50 cm au dessus de la rotule est un bon compromis entre portée et précision.

 Il est plus simple de choisir le bord d’attaque du mât, en bord de fuite le hale-bas interfère.
Attention toutefois cette position a un gros défaut, le rayon de rotation est trop petit ce qui posera des problèmes de précision.
Il est plus judicieux de se fixer en bout de moustaches, l’éloignement de l’axe du mât augmentant beaucoup la précision.  Une configuration double émetteurs, un sur chaque bord est parfaite.
Si vous êtes en phase de construction d’un mât aile carbone, pensez à inclure des tubes dans les moustaches débouchant au dessus de la rotule pour installer le dispositif par la suite. Les gaines d’installation électriques domestiques conviennent parfaitement.

 Trois récepteurs sont nécessaires sur le pont, le central fournit le top synchro el la référence de célérité du son en temps réel, les deux latéraux donnent les retards relatifs permettant le calcul des angles. Avec seulement deux récepteurs la précision est très insuffisante.
Pour un montage en bouts de moustaches, il faut que les récepteurs ne soient pas dans l’ombre du mât pendant la rotation, le trajet sonore indirect est inexploitable. Et amène généralement à monter deux séries de trois récepteurs, un sur chaque bord (excitation alternée des deux émetteurs).

 Il est possible d’inclure les trois capteurs dans une règle épousant le pont pour des questions pratiques, bien qu’un montage triangle soit plus adapté.
L’espacement des capteurs latéraux est optimal à la moitié du maitre bau.

 Il faut réduire au maximum le câblage, les fils sont très vulnérables.
Il est possible d’avoir le bloc émetteur sur le mât indépendant, avec accumulateur et émission asynchrone, mais ce n’est pas une bonne idée car il faut retirer le bloc pour le recharger.
Un petit fil comportant l’alimentation et la synchro, est préférable, de toutes les manières il existe déjà le faisceau  du feu de mât et de la girouette, un câble de plus ne pose pas de problème.

 Les capteurs de pont et le bloc sur le mât sont reliés au boîtier à microcontrôleur placé à l’intérieur, sous la trappe de visite comportant  les jonctions des fils.
Les modules ultrasoniques sont très courants, ce sont les mêmes que dans les alarmes de voiture, mais à encapsuler dans un boîtier étanche et solide.


Voir le principe de mesure par ultrasons en page télémétrie 
C’est exactement la même problématique.

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 Affichage compensé de la girouette


Le traitement électronique des modules ultrasons est sans difficulté, un simple affichage d’angles est trivial.
Le  très gros problème est de réaliser un système universel qui accepte la majorité des girouettes du marché pour afficher les valeurs du vent relatif corrigé.
Il existe deux approches très différentes :


 Interception des fils du capteur de la girouette.

Le signal est manipulé et renvoyé pour que l’électronique de la girouette affiche la valeur compensée sans aucune modification du matériel commercial. La garantie n’est pas affectée, le matériel n’est pas touché, en cas de problème, il suffit de débrancher le bloc et de relier les prises directement pour retrouver le montage d’usine.

 Manipulation du bus ( NMEA ou autre)


Il faut ici patcher le logiciel de la girouette pour lui faire prendre en compte l’entrée supplémentaire.
Suivant les configurations particulières, l’une ou l’autre de ces méthodes s’imposera.
Dans tous les cas, cela demande une action de reverse engineering, les constructeurs ne communiquant jamais leurs schémas et les sources de leur firmware.

Au largue, la rotation est ici de de 45 degrés, avec un faible basculement latéral par petit temps.

Mat_Itzamma

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 Étalonnage du dispositif

Étalonnage statique


Le premier étalonnage est très facile à réaliser à quai, bateau à plat et mât droit.
Un simple pointeur laser, disponible à coût dérisoire sous forme de niveau dans les magasins de bricolage sera fixé provisoirement sur le mât en visant une règle graduée. La mesure est d’une extrême précision et permet de régler ses paramètres au dixième de degré près.

Étalonnage dynamique

Cette phase est beaucoup plus complexe car il faut compenser la chute du mât sous le vent.
Il faut pour cela lâcher les haubans sur un bord à quai et incliner latéralement le mât pour relever toutes les combinaisons de rotation + inclinaison. Les courbes sous Excel des paramètres bruts montrent la continuité des résultats et évitent des points aberrants.
Cette opération est dangereuse, en cas de fausse manœuvre le mât peut tomber entraînant des dégâts catastrophiques.
Il faut doubler les sécurités, la drisse de GV et de spi ne sont pas absolument pas suffisantes. Une estrope en partie haute du mât et une grue à mâter diminuent les risques.

Les angles latéraux étant mesurés, il reste ensuite à affiner ses algorithmes pour les prendre en compte, l’idée étant toujours que la girouette de tète de mât donne une indication de vent relatif fiable et égale sur chaque bord, quelle que soit la position du mât.
De longs essais en mer confirmeront la justesse des calculs aux diverses allures et forces de vent.

Avec deux émetteurs et trois récepteurs, cela représente des milliers de données à rentrer, il faut plusieurs jours de travail à deux.
Une fois les nuages de points relevés, vérifiés et lissés, le plus gros est fait. Les algorithmes seront mis au point ensuite tranquillement au labo sur un simulateur.
Pour la phase développement, il faut réaliser un banc d’atelier à automate intégrant tous ces tableaux de résultats, avec les sorties simulant les capteurs et lisant deux potentiomètres simulant les deux angles du mât. Cela permet d’affiner l’algorithmique.
Les puristes remarqueront que suivant la charge, l’étai subit aussi des allongements, mais l’erreur de quête reste faible, ce paramètre sera négligé. Sur un bateau de très haut niveau, la précision de l’angle de remontée au près est du dixième de degré, la compensation de ce paramètre sera intégrée dans des tables pour le calcul en fonction des valeurs brutes de la girouette et de l’anémomètre.

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 Les questions récurrentes


 Ce dispositif existe-t-il dans le commerce ?

Non.


 Pourquoi ?

L’universalité évoquée au chapitre précédent est un frein majeur pour une telle étude.
En production, ce matériel ne revient pas très cher, mais il faut une commande de mille pièces au moins pour amortir l’étude. La diffusion est trop restreinte pour lancer une présérie.


 C’est exactement ce que je cherche, pouvez-vous me le réaliser ?

La réponse est au dessus…

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 Liens

Girouettes et anémomètres 

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