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Mesure de vitesse de balles et de flèches

Durée d'éclair des flashes

 Flash

Principe
Réalisation
Logiciel
Précision du système
Réalisation
Application photographique
Flashes secondaire esclaves
Flashmètre

Maj : 17/06/19

Abstract :
This is a small page to illustrate a simple application of microcontrolers. Measurement of the speed of the bullet of a gun or arrow. This measurement is interesting in particular for people using old arms and making hers ammunitions. Device is made with a small microcontroler, a display and a phone keyboard. Two input ports are used for contacts.

Résumé :
Voici une petite page pour illustrer une application très simple des microcontrôleurs. La mesure de la vitesse d'une balle d'arme à feu ou d'une flèche. Cette mesure intéresse surtout ceux qui tirent aux armes anciennes et réalisent leurs munitions. Le dispositif se compose d'un petit microcontrôleur, d'un afficheur et d'un clavier téléphonique. Deux entrées de ports sont utilisées pour des contacts.

   Canon

Principe

Cette application montre comment utiliser une petite carte microcontrôleur pour une application de cinémomètre. Un temps de parcours est mesuré entre deux tops. La première application concerne un projectile d'arme à feu ou une flèche d'arc.
Le principe est très simple ! Le projectile coupe deux bandes conductrices successivement, la première déclenche un compteur, la deuxième l'arrête. La vitesse étant obtenue en divisant la distance entre les capteurs par le temps connu via le nombre de cycles d'un compteur implanté dans un petit microcontrôleur.

Vitesse = Distance parcourue / Temps de parcours

Réalisation pratique du capteur

Deux bandes larges de 1 cm en papier d'aluminium pour la cuisine sont tendues, tenues entre des pinces à linge, du ruban adhésif ou des élastiques. Elles constituent des contacts électriques. Un montage simple est réalisé avec un morceau de 1 m environ de tuyau PVC d'écoulement sanitaire ou un cadre rigide.
Au passage de la balle les rubans sont volatilisés, comme les deux contacts sont identiques, le retard est identique et la précision absolue.

 

Si vous tirez avec des armes de plus gros calibre, canon ou missile, il faudra prendre un tuyau de plus grand diamètre.

Peignez une flèche pour indiquer le sens de circulation, afin que deux tireurs distraits n'essayent pas le dispositif simultanément aux deux extrémités.

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Logiciel

Après le reset, le système vérifie la continuité électrique des deux bandes contacts, tirées au positif par une résistance de 10 kOhms, et reliées à la masse.
Il affiche un message " prêt ", et attend le premier signal pour armer le timer.
Une fraction de seconde plus tard, le comptage est fini et la vitesse affichée.
Cette petite application fait seulement utiliser un timer 16 bits.

Un exemple est donné ici avec l'utilisation des "look-up tables " ou tables de conversions

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La précision du système

Le plus simple des microcontrôleurs comporte un timer. Le timer à 10 MHz compte des pas de 0.1 µs.
Une balle sonique fait environ 330 m/s donc 3 ms par mètre, soit 3000 µs pour parcourir 1 mètre.
Sur cette distance il est donc possible de compter 30000 pas (la moitié d'un mot de 16 bits !) donc mesurer une vitesse sonique à 1/30000 soit 0.03 %.
Cette précision est largement surabondante, l'affichage arrondira très grossièrement en réduisant la précision d'un facteur 100 pour afficher la vitesse en mètres par secondes entiers. Un facteur de division peut être introduit dans le comptage.

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La réalisation

Le compteur du plus simple des microcontrôleurs fait cela très bien. Avec un afficheur 4 digits et son interface I2C on peut arriver à moins de 10 € en achetant tout (sauf coffret). Si le même tube support, fixant une distance constante est utilisé, ce facteur peut être rentré "en dur "dans le logiciel, mais c'est une très mauvaise idée. Pour un montage à distance variable entre les contacts, il faudra un petit clavier pour rentrer le paramètre.
Il est aussi possible de dialoguer en Bluetooth avec le smartphone.

Il faut donc pour résumer :

Une petite carte microcontrôleur, la plus simple qui soit. L'idéal est de disposer d'une zone flash eprom téléchargeable, les mémoires effaçables UV ne sont plus à la mode.
La connaissance d'un assembleur ou du C et de la programmation de sa carte.
Quelques entrées/sorties logiques disponibles et un port (série, USB, BT...).
L'implantation d'un noyau logiciel, par exemple I2C pour gérer les périphériques, en particulier l'afficheur.
C'est le plus gros morceau pour les débutants. Une fois que l'on sait faire communiquer la carte avec l'afficheur, c'est gagné, cela veut dire que l'on maîtrise sa carte et que hardware est software fonctionnent.
Le reste est très facile. Il faudra implanter une routine de division 16 bits, les bibliothèques éprouvées sont aisées à trouver pour les débutants.

   Canon

Variante d'utilisation :  Flash  Photographie

En disposant de ce petit matériel, il est maintenant possible de faire encore mieux. Une carte autonome que l'on sait programmer, avec des entrées sorties, un petit afficheur, est une vraie mine d'or.
Pour un photographe, les utilisations sont multiples, je n'en citerai que quelques unes qui demandent très peu de lignes de logiciel pour être adaptées à la fonction voulue.

Remarque pour une utilisation plus générale.

Les bandes à casser pour spécifiques à l'application balle, mais elles peuvent être aussi remplacées par un ou des photransistors éclairés par diode, ou mieux par pointeur laser réfléchi par deux miroirs. Le pinceau étant étroit, la visée est plus délicate en sortie, il faut couper les deux faisceaux. Dans ce cas un seul capteur donne les deux tops compteur. Les barrières lumineuses ont de multiples applications. Par la suite nous parlerons seulement des signaux de passage, générant les tops de commandes, sans préciser comment ils ont été obtenus.

Photographier la balle

Pour rester dans l'application, ce dispositif peut aussi servir pour photographier la balle et l'impact. Une fois la vitesse connue, le timer peut être déclenché dans un mode décompteur pour fournir un contact retardé.
Dans la majorité des cas suivants, pour éviter l'énorme retard au déclenchement, il faut opérer dans l'obscurité, obturateur ouvert, ce signal déclenchera un flash. L'obturateur peut être refermé par un autre signal retardé.

La couronne de gouttes

Ce même système est utilisé pour faire les célèbres photos de couronnes de gouttes de lait explosant en tombant dans un bol. Connaissant la hauteur et la simple loi d'accélération de la pesanteur, l'instant de prise de vue sera fixé avec une extrême précision.

X= ½ g T2

X est la distance parcourue. T est le temps de parcours. g est l'accélération de la pesanteur, 9.81 ms-2.
A l'instant T=0, X=0. Tout autre phénomène de chute est aussi exploitable.

L'analyseur de flash

Il est particulièrement utile pour mesurer le retard de déclenchement, les durées et intervalles des pré-éclairs flash, l'anti-yeux rouges…
Une des applications est d'utiliser le déclenchement électrique de l'appareil qui en simultané commande la carte. L'afficheur indique alors le temps écoulé, que vous récupérez très simplement en visualisant le cliché.
Un photo transistor donne le séquencement des éclairs, les fronts étant enregistrés sur la carte.

Déclencheur de flash esclave

L'application est encore plus simple. Dans un premier temps vous activez le mode enregistreur qui mesure le retard entre le pré-flash et le flash. Cette valeur est ensuite mémorisée pour servir de synchronisation aux flash esclaves. Il existe maintenant de petits modules radio (Aurel) faible coût qui conviennent très bien. J'ai réalisé un système complet à moins de 15 €, et détournant une sonnette sans fil vendue en supermarché, qui contient l'émetteur et le récepteur radio à prix imbattable, portée 50 m sans antenne ! 

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Mesure de la puissance des flashes  Flash

La réalisation d'un flashmètre est un peu plus compliquée. Il ne s'agit plus de mesurer les temps entre des fronts mais des valeurs analogiques. L'énergie d'un flash a une répartition gaussienne dans le temps, (en cloche), il faut donc fenregistrer des mesures analogiques.

Le capteur sera disposé sous un cache dépoli si possible sphérique. Il est facile de récupérer l'enveloppe en verre dépoli d'une petite ampoule secteur grillée, cela convient très bien, l'ensemble étant protégé des chocs (par une boîte plastique transparente). Il faut bien choisir son capteur, qui doit avoir un temps de réponse très rapide, une plage d'intensités étendue (pour ne pas saturer).
Le problème est qu'il faut aller assez vite, c'est à dire enregistrer pendant la durée de l'éclair de l'ordre de la milli seconde quelques dizaines de points pour tracer une courbe acceptable.

Prenons 50 points pour une milliseconde, cela fait une acquisition à 50 kHz, c'est moins évident qu'il n'y paraît car il faut sauver les deux mots, gérer l'incrémentation des adresses… Les convertisseurs vidéo série sont extrêmement rapides et n'auront aucune difficulté à suivre.

Il pourrait sembler astucieux de ne pas utiliser de microcontrôleur pour cette application, mais plutôt l'entrée "line in "de la carte son du PC.
Nous tombons alors dans une application de type oscilloscope enregistreur (voir liens électroniques)., c'est une variante.

Quelle que soit la méthode, supposons que nous ayons obtenu la bonne courbe. Il est évident que l'énergie de l'éclair est proportionnelle à la surface de la courbe si le capteur est linéaire. Cela est très facile à vérifier. L'énergie décroît comme le carré de la distance. Il suffit de faire une mesure par exemple à 50 cm de distance, ce sera notre référence.
En multipliant la distance chaque fois par racine de 2, soit 1.414, l'énergie baissera de moitié.
Les mesures se feront donc par exemple à : 0.5m, 0.7m, 1m, 1.41m, 2m, etc…
Si vous n'obtenez pas très exactement la moitié à chaque pas, c'est que le capteur n'est pas linéaire dans la plage d'utilisation, il faudra introduire une table de corrections.

Vous avez maintenant un flashmètre parfait et très précis, mais gros problème, gradué en quoi ?
Deux solutions :
Soient vous le graduez en "mon_unité_à_moi_personellement ", il sera parfait pour comparer les sources et tester les réglages de flashes, etc…
Soit vous le graduez en unités normalisées, c'est alors plus difficile.
Le plus simple est de prendre un flash de référence du commerce, considérer comme vraie la valeur indiquée sur la fiche signalétique avec une bonne alimentation et s'en servir de référence. Ce n'est pas très grave si vous faites une erreur de 50%, l'essentiel étant d'être reproductible et répétitif.
Une fois les réglages effectués, le plus simple est d'utiliser des "look-up tables "sur 16 bits, c'est à dire des tables de translations. Les valeurs sont ainsi rangées, en tableaux, vous rentrez avec l'adresse, la donnée lue est le résultat.
Il n'y a pas plus simple et fiable, la modélisation de la courbe pouvant s'avérer très complexe. Les valeurs intermédiaires sont interpolées.

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Le problème général du déclenchement des flashes esclaves  Flash

Sur les appareils argentiques le flash principal déclenchait sans aucun problème les flashes secondaires. Tous ceux qui ont fait du studio, ont utilisé plusieurs esclaves déclenchés par cellules, ce qui a le gros avantage d’éviter les fils qui traînent dangereusement par terre.
La surprise en passant au numérique est que cela ne marche plus. Pourtant les esclaves partent bien, mais n’ont aucun effet sur l’exposition.

L’explication est très simple : Les bridges numériques ont un pré éclair servant à régler l’exposition. Les reflex ne sont pas affectés par ce défaut. La documentation n’en parle pas, n’évoquant que les pré éclairs anti-yeux rouges dont la désactivation ne résout rien.
Il est indispensable de vérifier ce timing, l’oeil ne perçoit pas les deux éclairs séparés, à cause de la persistance rétinienne.

La méthode de mesure utilise un simple oscilloscope à mémoire branché sur une photodiode dont la réponse est très rapide. Cela permet de mesurer l’énergie relative des deux éclairs, elle est proportionnelle à l’intégrale de la trace (amplitude*durée). Vous verrez un petit éclair suivi quelques millisecondes plus tard du vrai éclair.
Il est intéressant de photographier l’écran, cela permet de voir que l’éclair actif est bien positionné après l’ouverture complète.
Une fois le problème connu, il faut s’efforcer de le contourner pour pouvoir utiliser des flashes esclaves.

La meilleure solution si l’on veut faire de la photo sérieuse est d’abandonner définitivement le bridge et de passer au reflex qui offre toujours un contact de synchro pour flash externe sans problème.

Si l’on refuse cette solution radicale, le problème se complique un peu. Il faut déclencher en sautant le pré flash, ce n’est qu’une variante du dispositif évoqué plus haut.

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Conclusion

La prochaine fois je vous fais un testeur de mines antipersonnelles sautantes à billes et un pyromètre pour bombes au napalm.
Tant que les chasseurs tirent sur des bandes d'aluminium, ils ne vont pas boire dans les bars et les lapins et promeneurs sont peinards.

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© Christian Couderc 1999-2019     Toute reproduction interdite sans mon autorisation


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