08 Juillet 2015  |  Simulation
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 04/2015

Piloter virtuellement Solar Impulse en temps réel

Gratuitement, solartakeoff.com permet aux passionnés d’aviation, de technologies vertes et de défis ludiques, ainsi qu’à toute personne dans le monde disposant d’un ordinateur et d’un accès Internet, de faire virtuellement le tour du monde avec un avion solaire.

Concepteur de SOLAR TAKEOFF, Sandro Buss, docteur en sciences naturelles de l’Institut de l’atmosphère et du climat (IAC) de l’EPFZ, s’est notamment entouré d’étudiants en informatique du CPNV (Centre professionnel du Nord vaudois) autour de leur enseignant Yann Saison, pour mener à bien ce projet. Les connaissances approfondies de l’auteur de ce jeu, en météorologie, en physique, en aéronautique et en informatique lui permettent, après trois ans de travail, de proposer l’aboutissement d’une idée passionnante.
Cette réalisation permet non seulement de partager virtuellement les exploits de Solar Impulse, mais de devenir son propre «héros». Contrairement à la réalité, le pilote peut abandonner son cockpit pour se rendre à la salle de bain ou mijoter et déguster un petit plat entre deux ajustements de la trajectoire de l’aéronef virtuel qui, comme le vrai, ne se déplace guère plus vite qu’une voiture.
 
Le tableau de bord de l’avion solaire virtuel.
 
Des vols «historiques» et en «temps réel»
Sur solartakeoff.com, le pilote virtuel peut choisir entre deux types de courses: soit des vols «historiques» aux conditions météorologiques de l’époque, soit des vols en temps réel, qui utilisent les dernières prévisions des vents et des nuages pour calculer le rayonnement solaire incident. Dans les deux cas, le but du jeu est d’arriver le plus rapidement possible à destination, en tenant compte de l’ensoleillement, des vents et du relief.
En 2012, Solar Impulse a effectué sept vols, de Payerne (en Suisse) à Ouarzazate (au Maroc) et retour, ainsi que cinq étapes pour traverser les Etats-Unis, de San Francisco à New York, en 2013. Sur solartakeoff.com on peut refaire virtuellement chacun de ces douze vols historiques. L’idée étant de se préparer au mieux pour le tour du monde en douze étapes, à l’instar de HB-Si2, qui a débuté le 10 mars. Sur le simulateur, à chaque décollage d’une escale, le pilote virtuel pourra également choisir de tenter un tour du monde sans se poser. Chaque départ sera donné le plus près possible de l’envol de Solar Impulse.
Même si l’avion HB-Si2 diffère légèrement du premier prototype, les principes de pilotage demeurent identiques. Dans un cockpit au graphisme soigné, l’internaute, détermine l’angle de tangage («pitch» ou assiette) et la direction de l’avion virtuel, ainsi que la puissance de ses moteurs, en fonction de la charge des batteries. Il veille à éviter les vents contraires, les nuages qui empêchent les batteries de se recharger, ainsi que les montagnes.
 
SOLAR TAKEOFF s’apprête à décoller.
 
Participation
Que ce soit pour rêver comme Icare, pour planifier et exécuter au mieux sa route dans les trois dimensions, pour découvrir les fondements de l’aéronautique... ces courses sont destinées à tous. Il suffit de disposer d’un ordinateur, d’une (bonne) connexion Internet et d’un intérêt évident pour les énergies renouvelables. Un nombre accru de concurrents intensifie l’attrait de la compétition. Bonne chance sur les ailes du Soleil !
 
L’avion solaire virtuel en plein vol.
 
Interview de Sandro Buss
Quelles sont les difficultés majeures que vous avez rencontrées dans ce projet?
Elles furent nombreuses, tout au long des trois années pendant lesquelles les développements se sont étalés. En particulier le manque de temps et d’argent. Mais aussi au niveau technique, que ce soit pour traiter le grand nombre de données qui doivent circuler du serveur au joueur et vice-versa ou pour mettre au point les trois plans de coupe amovibles de l’atmosphère. Il serait trop long d’énumérer tous les problèmes rencontrés; en informatique, toutes les erreurs qu’on pourrait commettre, on commence par les faire.
Au niveau humain, bien que j’aie eu beaucoup de chance de bénéficier de l’aide du CPNV grâce au professeur Yann Saison, la recherche des successeurs à ces étudiants fut une gageure. D’un autre côté, beaucoup de personnes se sont passionnées pour le projet et m’ont apporté leur aide, notamment Eduardo Santana, un excellent graphiste.
 
En quoi votre simulateur se distingue-t-il des autres?
Il est gratuit. On n’a pas besoin de télécharger de logiciel. On peut y jouer depuis le travail, en vacances, dans un cybercafé ou chez soi. On suit une expérience unique en simultané. On dispose des prévisions des vents et de la radiation solaire à haute résolution, donc d’un centre de contrôle de mission. L’enjeu est maintenant d’enthousiasmer le plus grand nombre de joueurs possible.
 
Quelle fut la genèse du projet?
Quand j’étais tout petit, je voulais devenir conducteur de locomotives ou inventeur de jeux. Au Poly, j’ai lancé deux compétitions qui utilisaient des données météo. Pour une journée portes ouvertes de l’IAC, le «Ballonwettbewerb» où il s’agissait, sur la base de nos calculs de trajectoires de ballons de baudruche, de déterminer où le ballon serait retrouvé. La personne, dont le ballon a été renvoyé depuis le lieu le plus proche de son estimation gagnait le jeu. Cette création a été reprise lors des célébrations des 150 ans de l’EPFZ, pendant une semaine, au Platzspitz.
Et le «Weather Contest», où les étudiants qui suivaient le cours «Weather Discussion» devaient, le vendredi, faire des prévisions quantitatives pour le weekend, à Genève, Zurich et Lugano. Ils recevaient par courriel le résultat de leurs prédictions le lundi matin et nous les discutions pendant le cours. Le classement des étudiants était automatiquement mis à jour sur une page Intranet.
J’ai toujours aimé relever des défis de taille. Ayant pris beaucoup de plaisir à jouer à virtualregatta.com, j’ai voulu essayer d’étendre le concept à la troisième dimension. Ce n’est que récemment, que j’ai acquis la conviction que l’entreprise était possible.
 
Où rêvez-vous de vous envoler maintenant?
Loin, là où on n’entend pas les avions.
 
Une météo détaillée
Le jeu utilise les prévisions météorologiques du NCEP (National Center for Environmental Prediction), disponibles gratuitement. Concrètement, les champs des trois composantes des vents et de la température (notamment pour calculer la densité de l’air) sont d’abord interpolés de niveaux de pression à vingt niveaux de vols, répartis entre la surface terrestre et 12 km; à une résolution d’un demi degré (sur un domaine limité pour les vols historiques) ou de 1° x 1° (pour le tour du monde).
De plus les prévisions de la couverture nuageuse, sur trois étages, permettent un calcul précis de l’ensoleillement sur les panneaux photovoltaïques. Un module distribue ensuite cette énergie aux quatre moteurs de l’avion ou la charge dans les batteries.
 
Une aéronautique simple et réaliste
Tout en utilisant les lois de la physique, le modèle aéronautique part de certaines hypothèses simplificatrices, telles que la représentation de l’avion par un point de masse, qui se laisse porter par les vents. Les degrés de liberté sont réduits à trois: l’orientation horizontale et verticale, ainsi que la puissance des moteurs. Pour effectuer un virage, l’avion tourne simplement sur lui-même, sans restrictions ni bascule latérale.
 
Une visualisation innovante
La quantité de données est impressionnante: chaque champ météorologique, à chaque instant, représente 360 x 180 x 20 points. Multiplié par cinq champs et une quinzaine de dates ultérieures, cela représente des dizaines de millions de données pour chaque vol. C’est une chose de pouvoir calculer avec ces valeurs, mais c’en est une autre de les montrer de manière compréhensible aux pilotes virtuels.
Solar Takeoff propose trois représentations de ces données: un plan horizontal, longitude-latitude et deux coupes verticales: longitude-altitude et latitude-altitude. Un procédé novateur permet de faire coulisser ces trois plans dans l’atmosphère, pour avoir accès à tous ses recoins. De plus, des boutons de prévision permettent, toujours sur ces trois surfaces, de voir leur évolution.
 
Sandro Buss
Solar Takeoff
1202 Genève
Tél.: 022 55 777 96 / 078 779 66 99
www.solartakeoff.com


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