Підготовка проекту. Метеозонд

Доброго часу доби, шановні Хаброжітелі!

У цій статті піде мова про створення метеозонду, що відрізняється від звичайних його братів. Кілька років тому ця тема була дуже популярна але, на жаль, її поховали поряд з іншими не менш цікавими ідеями. Сьогодні ж, я, Вам розповім як ми бачимо цей проект своїми очима.
 
 image
 
 
Початок, передісторія
На дворі стояв задушливий липневий вечір. Замість того, щоб йти кудись, я, як звичайно, сидів удома — залипає в Хабре. Тут я побачив, що в скайп зайшов мій друг, з яким ми вже дуже давно не бачилися (у минулому разом було пережито дуже багато цікавого; втім, я відхилився від теми).
 
Ми, як завжди, розговорилися, і затягнулося це на кілька годин так точно. У ході розмови та паралельного подорожі по всесвітній павутині хтось із нас потрапив на ютуб, а саме на маленький, завалявся серед тисяч інших, але примітний своїм змістом, ролик . На ньому був зображений досвід американців, які запустили на заповненому гелієм кулі айфон з включеною камерою і GPS'ом. Проект нас дуже надихнув! Активно зайнявшись пошуком інформації, ми виявили, що подібними дослідами займалося безліч людей по всьому світу. Постало логічне запитання: а чим ми гірші?
 
Ідея зародилася майже рік тому. Було складено ТЗ (спілкування через Skype — на той момент ми були в різних містах). Але, як нерідко буває з багатьма хорошими ідеями, наш проект був покинутий до кращих часів. Неабиякою мірою його реалізація відкладалася через дорогостоімості багатьох компонентів (а грошей на той час було недостатньо) і відсутність часу, а також місця, де можна було б зайнятися реалізацією. І ось тепер настав час втілити ідею в життя. Насправді, вирішальним фактором стало істотне поліпшення фінансового становища мого товариша, що і дало поштовх до подальшого розвитку подій. У ході нового обговорення були переглянуті завдання і бажаний функціонал пристрою, і в результаті переписано ТЗ.
 
Єдине, що нас не влаштовувало в більшості подібних пристроїв (а тепер і відрізняє наше від них) — те, що вони недовговічні: після запуску вони проводили в атмосфері вельми невеликий час. Звичайний сценарій їх "життя" після запуску не відрізнявся особливою різноманітністю: після старту вони піднімалися до певної висоти (25-40 км — залежно від матеріалу кулі і наповненості його газом) і там лопалися внаслідок великої різниці тисків всередині і зовні кулі, після чого на парашуті спускалися назад; весь політ, таким чином, займав не більше доби (в кращому випадку; типове час польоту — до двох годин). Ми вирішили обійти дану проблему і істотно продовжити час знаходження пристрою в атмосфері планети (подробиці нижче).
 
Істотний прогрес настав, коли до роботи підключився ще один наш товариш, який подав безліч нових, свіжих ідей по реалізації проекту.
 
Влаштуванню було дано назву "Бендер".
По конструкції воно мало чим відрізняється від звичайного метеозонду. Різниця ж між метеозондом і Бендером в основному полягає в їх завданнях. Перший несе на собі деяку кількість датчиків, що знімають показання про стан атмосфери під час польоту і, таким чином, дає можливість отримати відомості, необхідні, наприклад, для складання прогнозів погоди. Завдання ж другого — знімати з великої висоти землю, атмосферу і все інше, що попадеться по дорозі. Всі (або майже всі — залежно від якості зв'язку) отримані дані повинні потім передаватися на сервер.
 
 
Технічний опис
За основу (можна сказати "мозок") Бендера було вирішено взяти мікроконтролер STM32F407VET6 за широких можливостей і високої швидкодії. Він повинен контролювати стан пристрою, стежити за отриманням, збереженням і передачею даних, управляти пневматикою та іншими системами Бендера.
 
 
Зв'язок
Зв'язок реалізована кількома способами.
На низьких висотах буде використовуватися GSM / GPRS. Реалізація — на модулі SIM900 . Використовується спрямована антена типу "хвильовий канал" під стандарт GSM1800 (1800 МГц).
Можливо управління за допомогою SMS-повідомлень, а також командами з сервера. Підтримуються HTTP і FTP.
На великих висотах (коли сигнал GSM ослабне настільки, що передавати що-небудь за допомогою його стане неможливо) використовуватиметься зв'язок по 433 МГц радіоканалу. Для цього буде задіяний модуль RFM12BP потужністю 500 мВт, модуляція — FSK. В якості антени — полуволновой диполь.
Принимаемая інформація відправляється на основний сервер через спеціальну клієнтську програму, яку передбачається поширити серед потенційних учасників проекту та просто зацікавлених людей по всьому світу, що дасть можливість зв'язатися з пристроєм, навіть якщо воно відлетить на дуже велику відстань.
 
 
Навігація
Для навігації буде використаний GPS-модуль Lassen IQ від Trimble з активною антеною. Варто сказати, що при розробці пристрою ми зіткнулися з проблемою, що складається в обмеженні CoCom максимальної висоти для цивільних GPS-модулів (зазвичай 18 км). Нас такий стан справ не влаштовував, тому ми почали пошук модулів без такого обмеження. У вищеназваного Lassen IQ воно зняте (при дотриманні обмеження по максимальній швидкості).
 
 
Пневматика
Щоб подолати згадану проблему з надмірним збільшенням і подальшим розривом оболонки кулі, вирішено було поставити електромеханічний клапан, який дозволяв би стравлювати надлишковий тиск (також, можливо, буде встановлений і аварійний механічний клапан, підбурюючий тиск автоматично; було б актуальне при несправності основного). З його ж допомогою передбачається регулювати висоту — випустивши достатню кількість газу (щоб сила тяжіння перевищила архимедову силу), можна опустити куля нижче і взагалі посадити на поверхню землі.
 
Тиск (різниця тисків, якщо говорити точніше) змиритися диференціальним аналоговим датчиком, рішення про випуск газу приймається мікроконтролером або віддалено по команді.
 
Було запропоновано ще одне нововведення — хімічний генератор водню "на борту", але поки невідомо, чи буде він використовуватися. Для його реалізації було відібрано кілька реакцій: перша — гідроліз борогідріда натрію слабким розчином кислоти, другий — реакція натрію з метанолом. Основна проблема — сильний розігрів і спінення суміші. Найближчим часом буде зібрана тестова модель і вже за результатами випробувань буде прийматися рішення про доцільність використання такого генератора. Після вичерпання ресурсу передбачається скинути його на парашуті, попередньо від'єднавши всі шланги, дроти і т.д.
 
Генератор водню надав би можливість не тільки опускати кулю, а й піднімати.
 
У пристрої два датчика температури — один виведений за межі корпусу і фіксує температуру навколишнього середовища, другий всередині.
Можливо, реалізуємо підігрів внутрішньокорпусні простору при сильному зниженні температури. Здійснюється він хімічно, запуском капсул з реакційною сумішшю, що виділяє багато тепла.
 
 
Харчування
Тут (в основному) з міркувань стійкості до низьких температур були обрані LiFePO4 акумулятори. Швидше за все, доведеться ставити батарею з них. Також в процесі польоту акумулятор буде дозаряджати від сонячних батарей; процес управляється мікросхемою-контролером заряду.
 
 
Камери
На пристрої будуть встановлені дві камери. Як мінімум одна з них — модифікований фотоапарат Canon A530 (5 Мпікс). Всі зайві деталі (корпус, кнопки, батарейний відсік, спалах і т.д.) прибираються, залишається тільки основна плата, матриця і об'єктив. На фотоапарат встановлюється модифікована версія CHDK , в якій реалізовано кодування зображень у SSDV -формат для передачі по радіоканалу. Зв'язок з мікроконтролером по UART (безпосередньо підпаяти до плати).
 
Камера встановлена ​​на поворотній основі з кроковим двигуном, що дасть можливість повертати її для, наприклад, зйомки панорам.
Друга камера направлена ​​вниз.
 
 
Зберігання даних
Інформація (фото, відео; логи координат, температури і тиску; логи отриманих команд і результату їх виконання) зберігається на SDHC карті пам'яті (для роботи з нею використана бібліотека FatFS ), а також на SDXC картах пам'яті, встановлених у фотоапаратах. Можливо, буде реалізовано копіювання файлів з них на основну.
 
 
Корпус
З матеріалом і формою корпусу поки остаточно не визначилися. У будь-якому випадку, необхідно забезпечити хорошу термоізоляцію, для чого буде використана монтажна піна і / або пінопласт, а також плівка з металевим напиленням (Ізофоль).
 
Наповнення кулі — водень, оскільки він дає велику підйомну силу, ніж зазвичай використовується для таких цілей — гелій. Також водень рази в два дешевше гелію. Сам куля має об'єм ~ 1.8 кубічних метра. Пристрій кріпиться на металеву (алюмінієву) рамку, яка, в свою чергу, підвішена до кулі на стропах. Для аварійних ситуацій передбачений парашут.
 
 
Робота пристрою
"Бендер" знімає на відео весь процес запуску (якщо вистачить заряду акумуляторів — і процес посадки). Фотографування проводиться в напівавтоматичному режимі — генеруються превью-версії знятих фотографій і надсилається на сервер; після ручного відбору вдалих фотографій оні пересилаються в повному розмірі. Також у довільні моменти можна подати команду на запис відео, проте воно просто зберігається на карті пам'яті без пересилання по радіоканалу зважаючи низької пропускної здатності останнього.
 
На низьких висотах зображення загружатся на сервер по FTP допомогою GPRS, інша інформація пересилається по HTTP.
На великих висотах через певні проміжки часу по радіоканалу пересилаються дані про координати і висоті пристрої, показники датчиків (температура всередині / поза корпусу, різниця тисків, заряд батареї).
 
На сервері координати пристрою звіряються з координатами літаків (з Flightradar24 ) для запобігання зіткнень (при наближенні літака дається автоматична команда на зміну висоти).
Регулюванням наповнення кулі воднем контролюватиметься його вертикальне положення. Планується таким чином тривалий час утримувати його на одній висоті (зрівнюючи силу тяжіння і архимедову силу).
 
Якщо з пристроєм певний час не виходять на зв'язок, мікроконтролер автоматично приймає рішення про зниження (тільки якщо на пристрій не знаходиться над морем — координати берегової лінії, швидше за все, будуть у внутрішній пам'яті).
Також ще одне із завдань Бендера полягає в тому, щоб пролетіти якомога більшу дистанцію, в ідеалі — облетіти всю планету і в кінці-кінців, якщо обставини складуться вдало — приземлитися в потрібному нам місці (вдома).
 
 
Від теорії до практики
На момент написання статті, ми зібрали: частково зв'язок, розвели і надрукували більшість плат, зробили антени (і купили), написали прошивку для мікроконтролера, придбали майже всі комплектуючі і починаємо збір і тестування водневого двигуна.
 
P.S. Це вступна стаття нашого проекту. Далі будуть статті більш змістовні: з фотографіями, приміром коду, софтом — але про це розповім потім. Всім удачі, спасибі за увагу!

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.