Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2017 Stavba minisatelitu Karel Zanáška, David Vajda Střední průmyslová škola Přerov 16. dubna 2017 FAI UTB ve Zlíně
Poděkování Musíme poděkovat učitelům ze Střední průmyslové školy v Přerově za to, že nás v projektu podporovali. Hlavně chceme poděkovat panu Ing. Michalu Rudolfovi, který s námi celou soutěž absolvoval a pomohl nám s řešením problémů. Také děkujeme kanceláři Esero, za to, že jsme měli možnost se soutěže zúčastnit. strana 1 z 21
Prohlášení Prohlašujeme, že projekt jsme vypracovali samostatně. Kantoři se přímo nepodíleli na vývoji, a plnili roli čistě konzultační a podpůrnou. strana 2 z 21
Obsah Poděkování 1 Prohlášení 2 Úvod 4 Požadavky soutěže 5 Mise 6 Primární mise 6 Sekundární mise 6 Semifinále 6 Návrh a výroba sondy 7 Senzory, čipy a jiný hardware 7 PCB 8 Návrh 8 Schéma zapojení CanSatu v programu Eagle 8 Výroba 9 Baterie 11 Programování 11 Padák 12 Padák o průměru 450 mm 12 Šasi 13 Návrh 13 Výroba 13 Výtisk 13 Soustružení 14 Klíč 14 Anténa 15 Přijímací stanice 16 Návrh 16 Výroba 17 Programování 18 Program pro zpracování dat 18 Naměřená data 19 Celkový rozpočet 20 Závěr 21 strana 3 z 21
Úvod Úvodem nám dovolte představit trochu historie, která stojí za konceptem satelitu v plechovce. Idea takzvaných nanosatelitů vznikla v roce 1998 na prvním University Space System Symposium (Univerzitní sympozium vesmírných systémů) na Havaji. Představil ji profesor Bob Twiggs ze Stanfordské univerzity. Byl to týž Twiggs, který ve spolupráci s profesorem Jordi Puig-Suari, přišel rok poté s velmi úspěšnou myšlenkou CubeSatů. Soutěže v konstrukci CanSatů mají největší tradici v Japonsku, kde se také konala ta vůbec první. Později se tento fenomén rozšířil téměř po celém světě a vlastní verzi má i Evropská kosmická agentura (ESA). Ta je na rozdíl od soutěží v ostatních zemích zaměřena na studenty středních škol a je rozdělena na kolo národní a pro jejich vítěze pak kolo evropské. Národní kolo v České Republice pořádá asociace ESERO. strana 4 z 21
Požadavky soutěže Níže vypsané požadavky pocházejí z propozic soutěže, jejichž kompletní znění se nachází na webu ESERO. Vybrané body jsme zanesli do kontextu našeho projektu. 1. Všechny komponenty CanSatu se musejí vejít do válce (plechovky) o výšce 115 mm a průměru 66 mm. Výjimku tvoří padák, radiová anténa pro přenos dat a GPS anténa. Tyto antény mohou být, dle navržení celého CanSatu, umístěny na vrchní či spodní straně CanSatu. V průběhu vzletu není dovoleno překročit tyto rozměry (v průběhu sestupu je možné vysunutí měřící sondy, přistávacího mechanismu atp.). 2. Váha CanSatu se musí pohybovat v rozmezí 300 350 g, a to včetně padáku. CanSaty, které nedosahují minimální váhy, musí být zatíženy závažím, aby dané váhy dosáhly. 3. Použití výbušnin, pyrotechniky, hořlavin či jiných nebezpečných látek je zakázáno. Všechny použité materiály musejí být bezpečné pro osoby s ním manipulující, okolní zařízení i životní prostředí. V případě nejasnosti jsou soutěžící povinni prokázat nezávadnost použitých materiálů. 4. CanSat musí být napájen s pomocí akumulátoru a/nebo solárních panelů. Minimální pohotovostní doba provozu je stanovena na 4 hodiny (po celou tuto dobu CanSat provádí měření a odesílá data). Baterie musí být v CanSatu snadno vyjmutelná pro případ kontroly či výměny. 5. CanSat musí být možné vypnout pomocí snadno přístupného vypínače. 6. CanSat musí být vybaven zařízením pro snadné nalezení GPS modul, akustická signalizace. Ze zkušenosti z předchozích ročníků doporučujeme údaje o GPS poloze odesílat s pomocí telemetrie usnadní to nalezení ztraceného CanSatu. 7. CanSat musí být vybaven padákem či jiným systémem, který umožní jeho bezpečný sestup a zabrání jeho zničení. Pro padák se doporučuje používat pestré barvy, díky kterým bude CanSat snáze k nalezení po přistání. Systém připevnění padáku musí vydržet zatížení minimálně 1000 N. Rychlost sestupu CanSatu s pomocí padáku či jiného zařízení se musí pohybovat v rozmezí 6-12 m/s. Pevnost a funkčnost padáku je třeba otestovat ještě před CanSat finále. Doložení funkčnosti padáku musí být součástí Závěrečné zprávy. 8. Celková cena použitých komponent pro sestavování CanSatu nesmí přesáhnout částku10 000Kč. Do této částky se započítávají pouze komponenty, které jsou použity přímo v CanSatu (nezapočítává se např. cena antény pozemní stanice atp.). Do rozpočtu se započítávají i součástky, které tým obdržel v rámci sponzorství či daru od jiných subjektů (např. Kit od ESERO kanceláře). Při překročení maximální povolené částky bude tým penalizován dle pravidel popsaných v další sekci. 9. Data primární mise musejí být odesílána s pomocí telemetrie minimálně 1x za sekundu do pozemní stanice. Ostatní data není nutné odesílat telemetricky do pozemní stanice (možno ukládat na SD kartu). Pokud tým využívá SD kartu, je možno při ukládání dat využívat jinou frekvenci. 10. Z CanSatu se po přistání či ve velmi malé výšce nad zemí (do 2 m) mohou oddělit další zařízení měřící sonda, rover atd. 11. Na CanSatu musí být umístěno zařízení pro připevnění do rakety/dronu (dodá pořadatel). strana 5 z 21
Mise Hlavním cílem soutěže je simulace výroby satelitu, před začátkem veškerých obsáhlejších výzkumu je nutné si vytyčit dílčí cíle a misi. Primární mise Primárním a pro všechny týmy povinným cílem mise je sestavení CanSatu, který je schopen po dobu sestupu periodicky sbírat informace o teplotě a atmosférickém tlaku. Tato data pak musí sonda odesílat přes radiový vysílač do pozemní stanice alespoň jednou za sekundu. Dále je nutné naměřené údaje interpretovat např. určit výšku na základě tlaku, či dát do souvislosti teplotu a nadmořskou výšku a prezentovat je před porotci. Sekundární mise Naše sekundární mise spočívala v tom, že jsme kromě povinných dat (teplota, atmosferický tlak) měřili i vnitřní teplotu v CanSatu, intenzitu slunečního záření a vlhkost. Také jsme na CanSat umístili dvě pieza, které po pádu začaly pískat. Díky modulu reálného času jsme měli data svázaná se skutečným časem. Semifinále Letošní ročník měl ve svém itineráři i semifinále, kdy měly jednotlivé týmy prokázat schopnost zprovoznit radiovou komunikaci a sběr základních dat. Součástí byla i kratší zpráva o stavu projektu a jeho prezentace. Na semifinále jsme úspěšně otestovali vysílání dat a podařilo se nám postoupit do finálního kola. strana 6 z 21
Návrh a výroba sondy Při návrhu a kompletaci sondy na nás čekala velmi těžká práce. Bylo nutné vyřešit prostorové poskládání komponentů. U návrhu je nutné si připomenout, co všechno se do daných rozměrů musí vtěsnat. Již ze začátku jsme museli počítat s velkým úbytkem prostoru kvůli baterii. Nakonec se nám podařilo udělat návrh, do kterého jsme vměstnali veškeré komponenty. Senzory, čipy a jiný hardware Kompletní specifikace a cenu naleznete na konci zprávy v sekci Celkový rozpočet. Do sondy jsme vložili rádiový komunikátor. Všechny senzory komunikují podle standartu I2C nebo SPI. Arduino Nano Řídicí jednotkou CanSatu je Arduino Nano. Tento mikroprocesor jsme vybrali hlavně z důvodu jeho nízké ceny a malých rozměrů. Micro sd card reader Veškerá naměřená data jsme se rozhodli během pádu ukládat na paměťovou kartu. RFM69 Pro radiovou komunikaci jsme použili modul RFM69W. Nabízí vysokou citlivost od -120 dbm s maximální rychlostí přenosu 1.2 kbps. BMP180 Senzor barometrického tlaku BMP180, je velice přesný a je umístěný uvnitř CanSatu. BMP180 umožňuje kromě měření tlaku také měření teploty. S pomocí hodnot tlaku lze získatinformace o aktuální nadmořské výšce. DHT22 Pro měření vlhkosti a vnější teploty jsme se rozhodli použít čidlo DHT22. Jeho hlavní výhodou je plastový obal, díky němuž jsme mohli modul implementovat do těla CanSatu. TEMT6000 Je jednoduché světelné čidlo vhodné pro elektronické stavebnice založené na platformě Arduino. Čidlo reaguje pouze na viditelné světelné spektrum a strana 7 z 21
chová se jako tranzistor - čím je vyšší intenzita dopadajícího světla, tím je vyšší i napětí na signálovém pinu. BUZZERY Pro nalezení CanSatu jsme do těla integrovali dva buzzery. Jakmile se 300x po sobě naměřená hodnota nadmořské výšky nezmění, nebo bude mít jen malou odchylku, buzzery začnou pískat. PCB Návrh Už zpočátku jsme počítali s návrhem vlastního plošného spoje, na kterém budou osazeny moduly pomocí kolíkových lišt. Chtěli jsme zajistit co největší modulárnost. Vyrobili jsme dvě desky. Hlavní, na které jsou osazeny veškeré moduly a vysílací, na které jsou součástky zajišující přenos dat. Desky jsme vyvíjeli v programu Eagle. Schéma zapojení CanSatu v programu Eagle strana 8 z 21
Výroba Samotný návrh jsme vytiskli na bílý papír a zprůhlednili Transparentem 21. Návrh plošného spoje Poté jsme předlohu vysvítili na desky Cuprextitu. Desky jsme vyleptali v chloridu železitém. Osvícení plošného spoje strana 9 z 21
Hotový plošný spoj ze zadní strany strana 10 z 21
Baterie Pro sondu jsme se rozhodli využít dobíjecí baterii Li-Ion 18650 o kapacitě 2100 mah. Díky ní se dá udržet satelit v chodu po dobu několika hodin. Baterie má také k sobě malý plošný spoj, na kterém je osazený booster napětí, který konvertuje 3-5V na 5V napětím max 1,2A a dobíjecí modul s ochranou baterie a nabíjecím proudem 1A. Před booster jsme dali vypínač pro zapnutí a vypnutí modulu. A také jsme použili konektory pro co největší modulárnost a vyměnitelnost dílů při poruše. Napájecí set Programování Srdcem CanSatu je mikroprocesor Arduino Nano, který se programuje programovacím jazykem Wiring. Prostředí Arduino IDE strana 11 z 21
Padák Aby CanSat sestupoval k zemi požadovanou rychlostí (6-12 m/s), bylo třeba zvolit vhodný padák. Použili jsme padák značky Klima o průměru 450 mm a obsahu přibližně 1500 cm 2. Jeho výhodou je velmi dobrá viditelnost díky zářivé červené barvě. Rychlost sestupu lze určit podle vzorce: 1 2 m g = 2 pv c S d kde m je celková hmotnost (CanSat + padák): 0.32 g je gravitační zrychlení Země: cca 9,81 ρ je hustota vzduchu: 1,225 cd je součinitel odporu, závisející na tvaru padáku: v případě šestihranného je to 0,75 S je obsah příčného řezu tělesa kolmého ke směru rychlosti: 0,15 v je rychlost sestupu Po úpravě tedy vypočítáme rychlost: v =.75 2mg m pc d S = 6 s Padák o průměru 450 mm strana 12 z 21
Šasi Návrh Šasi CanSatu jsme vymodelovali v modelovacím programu OpenScad. Jeho hlavní pro nás je modelování pomocí příkazů. Šasi se skládá ze 2 částí: Válce s drážkou na plošný spoj a otvory na moduly. Víka s otvory pro upnutí padáku a klíče pro dotažení. Návrh šasi CanSatu v programu OpenScad Výroba Výtisk Vymodelovaný objekt jsme vytiskli na 3D tiskárně Rebel 2. Při tisku jsme zvolili 100% výplň, hlavně kvůli velké pevnosti a možnosti pozdějšího opracování. Všechny části se tiskly z červeného PLA na 3D tiskárně Rebel 2. Tisk šasi CanSatu z červeného PLA strana 13 z 21
Soustružení Kvůli nepřesnosti tisku, jsme se rozhodli závit vysoustružit. Nejprve jsme závit vysoustružili do CanSatu, zvolili jsme co nejmenší průměr závitu. Použili jsme stoupání 1.5 a závit byl zhotoven M57x1.5. Poté jsme vysoustružili závit do víka. CanSat byl upnut v třipaknovým sklíčidlu a došlo k mírné deformaci při utažení, takže při upnutí byl závit rotační, ale při uvolnění se mírně deformoval do trojúhelníku. Tento jev byl využit, zátka šla zašroubovat ztuha. Soustružení závitu Klíč Zvažovali jsme způsob utažení, jelikož nesmělo nic vyčnívat ven. Žádný z běžných klíčů nám nevyhovoval, proto jsme vyrobili specifický klíč pro dotažení víka. Vytištěný CanSat s klíčem strana 14 z 21
Anténa Vyrobili jsme směrovou anténu typu YAGI 433MHz. Konstrukce se skládá z PVC vodovodních trubek, hliníkových a poměděného ocelového svářecího drátů, BNC konektoru a 50 Ω koaxiálního kabelu. BNC konektor se nám osvědčil kvůli pevnosti a odolnosti spojení antény s pozemní stanicí. Anténa typu YAGI strana 15 z 21
Přijímací stanice Návrh Jádrem přijímací stanice je Arduino Mega 2560 s shieldem. Na shieldu je osazený obousměrný převodník napěťových úrovní a RFM69. Stejně jako u CanSatu je krabička složená ze dvou částí. Hlavní část obsahuje otvory pro konektory. Na víku jsou dvě díry pro LEDky, které indikují funkčnost stanice a příjem dat. Při návrhu jsme nejprve vytvořili schéma, které jsme nakresli v programu SketchUp. Poté jsme krabičku vymodelovali v programu OpenScad. Návrh přijímací stanice v programu SketchUP Modelování krytu v programu OpenScad strana 16 z 21
Modelování krabičky v programu OpenScad Výroba Vymodelovanou krabičku jsme vytiskli z bílého PLA na 3D tiskárně Rebel 2. Přijímací stanice zevnitř Přijímací stanice zvenku strana 17 z 21
Programování Arduino Mega 2560 se programuje v jazyce Wiring. Přijatá data se zobrazují na sériovém monitoru. Program pro zpracování dat Přemýšleli jsme, jakým způsobem zanalyzovat data ze sériového monitoru. Napsali jsme program v programovacím jazyku Pythonu, který za pomocí regulárních výrazů zachytí data do skupin a vytvoří tabulkový dokument. Díky regulárním výrazům by jsme byli schopni zanalyzovat data i kdyby nějaký kus chyběl. Poté jsme data zpracovali v programu Libreoffice Calc a vytvořili grafy. strana 18 z 21
Naměřená data Během přípravy, vzletu a pádu jsme zaznamenali cca 3200 dat, která chodila přibližně v intervalu 5x za sekundu. Závislost teplot, vlhkosti a nadmořské výšky Závislost tlak, světla a nadmořské výšky strana 19 z 21
Celkový rozpočet strana 20 z 21
Závěr Ve finále soutěže konaného v Plzni jsme dostali ocenění za nejlepšího nováčka v soutěži. Náročná povaha projektu CanSat a vysoce nasazená očekávání nám přinesla cenné zkušenosti a mnohému nás naučila lépe, než kdybychom jen seděli ve školních lavicích. strana 21 z 21