wersja mobilna | kontakt z nami

CANduino - sposób na małą sondę kosmiczną

Numer: Sierpień/2016

CANduino to niewielki statek przewidziany do lotu do stratosfery za pomocą balonu albo rakiety. Projekt został wykonany przez dr. Marcina Stolarskiego, pracownika Centrum Badań Kosmicznych PAN. Celem projektu jest umożliwienie uczniom ze szkół oraz amatorom zbudowanie małych kapsuł, które następnie będą mogli wysłać na wysokość około 35 km. Podczas lotu kapsuły utrzymują kontakt radiowy z Ziemią, przesyłając różne dane jak temperatura czy ciśnienie. W projekcie wykorzystano komponenty drukowane na drukarce 3D oraz minikomputery Arduino, co czyni go tym bardziej ciekawym dla czytelników EP.

Pobierz PDF

 CANduino bazuje na projekcie CANsat, czyli satelity w puszce po napoju 0,33 l, który jest wystrzeliwany za pomocą rakiet, bądź wynoszony balonami do stratosfery. Europejska Agencja Kosmiczna organizuje konkurs CANsat, gdzie studenci z różnych uniwersytetów budują takie CANsaty. Problem polega jednak na tym, że budowanie CANsatów jest dość skomplikowane. Narzucone są jedynie wymiary zewnętrzne puszki oraz waga 300 g natomiast studenci sami budują strukturę, komputer, czujniki i oprogramowanie. Kapsuła CANduino jest zbudowana z elementów drukowanych na drukarce 3D, oraz popularnych płytek mini komputerów Arduino. W projekcie CANduino starano się całość maksymalnie uprościć, tak by nawet gimnazjaliści byli wstanie uczestniczyć w takich misjach. Dlatego też zaprojektowano specjalną obudowę, do której w łatwy sposób można zamocować komputer pokładowy, czyli popularną płytkę komputera Arduino.

fotografia 1Ogólny opis projektu

Obudowę można wydrukować na dowolnej drukarce 3D. Składa się z pokryw górnej i dolnej, 4 ścianek bocznych, 3 mostów, na których będą mocowane płytki z elektroniką, uchwytu do przymocowania spadochronu oraz 4 długich śrub wiążących całość.  Pasują do niej komputery Arduino Uno, Arduino Mega i Arduino Due, ale skupiono się na tym ostatnim, ponieważ zapewnia najwięcej możliwości, jest najszybszy i ma dużo pamięci RAM, dzięki czemu uczniowie nie muszą martwić się, że zabraknie im jakiś zasobów. Do komputera przyłącza się czujniki zgodne z Arduino. Należy pamiętać, że komputer Arduino Due pracuje zasilany napięciem 3,3 V. Ułatwia to współpracę z nowoczesnymi modułami GPS, GSM lub Wi-Fi. Jeśli jakiś element jest zasilany napięciem 5 V, należy zastosować płytkę konwertera.

Najbardziej popularnym zestawem czujników jest termometr i higrometr DTH22, multi-czujnik GY-80 zawierający ciśnieniomierz, termometr, żyroskop, akcelerometr oraz magnetometr. Kolejnymi elementami są moduł GPS do pozycjonowania kapsuły, moduł do karty micro SD do zapamiętywania danych telemetrycznych oraz moduł radiowy z układem Chipcon CC1000PP, który pozwala na przekazywanie danych z CANduino podczas lotu. Pomimo tego, że moduł dysponuje mocą radiową zaledwie 10 mW, sygnał bez problemu jest odbierany na Ziemi, nawet jeśli sonda znajduje się 35 km nad jej powierzchnią, w stratosferze. Nadajnik transmituje dane z modulacją RTTY. Jako odbiornik jest wykorzystywane radio SDR wykonane w oparciu o kartę telewizyjną do komputera PC – dzięki specjalnemu oprogramowaniu zamienia się ona w specjalny odbiornik telemetryczny. Następnie, dane są przekazywane na stronę https://tracker.habhub.org, gdzie na bieżąco można obserwować lot balonu oraz dane telemetryczne na tle mapy. Całość jest zasilana baterią litową o napięciu 9 V (odporną na niską temperaturę).

fotografia 2Montaż obudowy

Aby urządzenie było kompletne, należy je umieścić w odpowiedniej obudowie. Drukarki 3D pozwalają na drukowanie niemal dowolnych kształtów, ale mają swoje ograniczenia (fotografia 1). Obudowa CANduino wymaga precyzyjnego dopasowania, dlatego elementy drukowane są z dodatkowymi różnymi elementami, jak wsporniki, które ułatwiają proces drukowania i przed montażem należy wszystkie te naddatki usunąć. Dobrze jest końcowe elementy dopasować ręcznie z użyciem takich narzędzi, jak pilnik i drobnoziarnisty papier ścierny, aby dopasowanie było idealne. Ważne jest też sprawdzenie drożności otworów, przez które przechodzą 4 główne śruby mocujące i ewentualnie rozwiercić je wiertłem 3 mm. Na koniec warto przykleić ucho do mocowania spadochronu do górnej pokrywy i całość złożyć w celu sprawdzenia (fotografia 2).

Przygotowanie elektroniki

Kolejnym elementem jest przygotowanie komputera. Należy do niego przylutować złącze zasilające do baterii oraz wyłącznik zasilania. Jeśli korzystamy z komputera Arduino Due, warto sprawdzić czy nie ma problemów z uruchamianiem. Część płytek Arduino Due zasilanych z 9 V nie uruchamia się prawidłowo. Jest to związane z nieprawidłową regulacją układu generowania sygnału zerowania po załączeniu napięcia zasilania. Jeśli płytka nie startuje prawidłowo, wystarczy w jednym miejscu dolutować rezystor 10 kV, który to naprawia (szczegóły na stronie projektu). Należy również przylutować goldpiny do płytek czujników, jeśli ich nie mają oryginalnie oraz około 17 cm przewodu jednożyłowego do płytki CC1000PP, który będzie pełnił rolę anteny nadawczej na pasmo 433 MHz.

fotografia 3Montaż elektroniki w obudowie

Kiedy lutowanie jest skończone, możemy rozpocząć montaż. Pierwszą czynnością powinno być przykręcenie włącznika zasilania do obudowy oraz przymocowanie modułu CC1000PP do głównego „mostu” w obudowie za pomocą opaski zaciskowej oraz wypuszczenia przewodu tworzącego antenę przez otwór obok wyłącznika. Moduł CC1000PP montujemy przed komputerem, ponieważ później dostęp do otworów na pasek zaciskowy będzie utrudniony. Kolejnym etapem jest przygotowanie plastikowych słupków dystansowych do mocowania płyty komputera. Należy usunąć dwa boczne listki kołka, aby zatrzask prawidłowo mógł zatrzasnąć się w głównym moście obudowy. Przygotowane 4 kołki wkładamy w otwory na moście głównym i na nich zatrzaskujemy komputer pokładowy.  Teraz możemy na próbę dołączyć baterię i zamknąć obudowę, aby sprawdzić czy wszystko pasuje. Taki zestaw możemy również podłączyć już do komputera. Warto sprawdzić czy kabel micro USB daje się podłączyć do płytki Arduino. Jeśli jest zbyt szeroki, za pomocą noża, należy nieco usunąć plastikowej izolacji złącza micro USB na kablu. Prawidłowo dopasowany kabel podłączony do CANduino (w Due do złącza środkowego) i do komputera powinien spowodować wykrycie przez komputer nowego urządzenia. Kompletnego, zmontowanego satelitę CANduino pokazano na fotografii 3, a schemat połączeniowy jego komponentów na rysunku 4.

rysunek 4Oprogramowanie satelity

Na komputerze PC instalujemy środowisko Arduino IDE, a po jego instalacji, w menu Tools ¨ Board ¨ Board Manager należy dodać płytkę Due. W menu Tools ¨ Port powinniśmy wybrać numer portu COM, do którego jest przyłączony komputer Due. Jeśli żaden z portów nie jest oznaczony nazwą komputera, to znaczy, że albo kabel jest nieprawidłowo podłączony, albo komputer sam nie znalazł odpowiednich sterowników i trzeba je zainstalować ręcznie (dostępne są w katalogu Arduino IDE).

Gdy już wszystko działa, możemy kliknąć w menu File ¨ Examples ¨ 01Basic ¨ Blink, a następnie nacisnąć kombinację klawiszy Ctrl+U, aby przykładowy program Blink skompilować i wgrać do komputera. Przez otwór w obudowie powinniśmy zobaczyć dwie świecące diody. Jedna powinna się święcić ciągle (zasilanie komputera), a jedna migać. Do tego testu nie musimy przełączać przełącznika zasilania, ponieważ płytka Due pobiera zasilanie z komputera przez kabel USB. Jeśli odłączymy kabel, to przełączając przełącznik zasilania program Blink powinien się uruchomić. Jeśli dioda nie miga przy zasilaniu bateryjnym oznacza to, że mikrokomputer ma problem z system startu/resetu i musimy dolutować wcześniej wspomniany przeze mnie rezystor 10 kV. Alternatywą jest uruchomienie komputera poprzez podłączenie do komputera PC, ponowne zaprogramowanie płytki, które kończy się restartem, włączenie zasilania bateryjnego i odłączenie kabla USB. Tak uruchomiony komputer powinien działać z zasilaniem bateryjnym aż nie wyłączymy zasilania lub nie wyczerpią się baterie.

fotografia 5Radio

Gdy komputer działa prawidłowo, czas na uruchomienie nadajnika radiowego. W tym celu odłączamy CANduino od komputera, otwieramy obudowę i odłączamy baterię. Za pomocą kabli do łączenia goldpinów łączymy moduł CC1000PP z płytką DUE zgodnie ze schematem. Piny na module CC1000PP będzie trzeba „delikatnie” pozaginać, aby możliwe było potem zamknięcie obudowy. Podobnie można dołączyć inne moduły czujników, które potem mocujemy do dodatkowych mostów obudowy. Całość jest tak pomyślana, aby łatwa była zmiana konfiguracji, a jednocześnie, aby można było mocować dowolne czujniki/płytki (fotografia 5). Dlatego też, zamiast otworów montażowych na płytki czujników, stosuje się opaski zaciskowe, taśmę klejącą oraz przewody połączeniowe. Bardziej zaawansowani użytkownicy powinni rozważyć lutowanie kabelków bezpośrednio do płytek zamiast korzystać z goldpinów. Ograniczy to zajmowane miejsce w obudowie, a także wpłynie na pewność połączeń.

Oprogramowanie do transmisji danych

Aby uruchomić czujniki oraz moduł radiowy na stronie projektu przygotowane są szczegółowe tutoriale, biblioteki oraz przykładowe programy. Zainstalowane biblioteki CANduino w środowisku IDE dokładają do menu przykładów gotowe programy, które pokazują działanie poszczególnych czujników. Na przykład, aby uruchomić moduł radiowy wgrywamy cc1000_rtty_data_send.

fotografia 6Do odbioru sygnału radiowego przyłączamy do komputera kartę telewizyjną USB opartą o układ RTL. Dzięki specjalnym sterownikom i programowi SDR# sygnał radiowy jest zamieniany na słyszalne „piski”. Następnie, te dźwięki przesyłamy do kolejnego programu DL-FLdygi, który dekoduje transmisję RTTY na dane tekstowe oraz przesyła zdekodowane dane do serwisu https://tracker.habhub.org, aby każdy mógł śledzić lot balonu w Internecie.

Dotychczasowe osiągnięcia

CANduino zostało przetestowane na przez 50 uczniów z różnych szkół w Polsce. W roku 2016 dzięki wsparciu finansowemu Fundacji na rzecz Nauki w Polsce, w ramach projektu Polska Szkoła Inżynierii Kosmicznej (PSIK), 5 zespołów zbudowało swoje kapsuły. Inżynierowie z Centrum Badań Kosmicznych PAN i Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika w Warszawie przygotowali specjalne warsztaty, na których przekazano uczniom wiedzę jak zbudować kapsuły. Miesiąc później dzięki zespołowi Copernicus-Project na terenie CBK PAN w Borówcu podjęto próbę wyniesienia kapsuł do stratosfery. Niestety, podczas startu zerwał się balon i kapsuły zostały na Ziemi. Zorganizowano eksperyment zastępczy, podczas którego kapsuły zostały umocowane na dachu samochodu, który jeździł w okolicy miejsca startu, a uczniowie zbierali dane telemetryczne drogą radiową.

fotografia 7Tydzień później, dzięki pomocy Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej w Legionowie (IMGW) jedna z kapsuł została wysłana balonem do stratosfery, a uczniowie śledzili lot odbierając dane przez Internet (fotografie 78). Kilka dni później przedstawili wyniki przeprowadzonych eksperymentów na konferencji PSIK w Lęborku. Wyniki z eksperymentów, zdjęcia i filmy można znaleźć na stronie projektu. Znajdują się tam też pliki do wydruków na drukarkach 3D, tutoriale, biblioteki Arduino i przykładowe kody działające na CANduino. Projekt ma status otwarty i wszystkie materiały są dostępnie nieodpłatnie. Osoby korzystające z serwisu zachęcane są do dzielenia się doświadczeniami i napisanym kodem z innymi. CANduino ma być prostym narzędziem pozwalającym na pobudzanie wyobraźni przyszłych inżynierów. Sonda ma się łatwo budować, korzystać z tanich elementów dostępnych w sklepach hobbistycznych i w Internecie i gromadzić wokół siebie młodszych i tych trochę starszych fascynatów inżynierii kosmicznej.

Motywacją stojącą za opracowaniem CANduino było coś więcej, niż tylko zbudowanie samego statku. Autor chciał, aby szkoła nie był nudnym miejscem, gdzie uczniowie uczą się przedmiotów ścisłych jak matematyka czy fizyka, tylko po to aby znać matematykę czy fizykę. Istotne jest by uczniowie myśleli o tym, jak to jest być w stratosferze, jaka tam jest temperatura, od czego zależy powstawanie chmur, czy da się tam przeżyć. By nauka przedmiotów ścisłych nie była celem sama w sobie, ale by przedmioty ścisłe były narzędziem do poznawania otaczającego nas świata. „Nie budujemy satelitów kosmicznych, aby je budować. Budujemy je, aby coś zbadać.”

Marcin Stolarski

 


Pozostałe artykuły

Amazon Alexa. Instalowanie i obsługa głośnika Echo Dot

Numer: Wrzesień/2017

W artykule poświęconym asystentce głosowej Alexa zaprezentujemy produkowany przez firmę Amazon głośnik Echo Dot. Opiszemy sposób skonfigurowania głośnika i instalacji umiejętności Skills oraz praktyczne przykłady użycia wbudowanej w głośnik asystentki głosowej Alexa.

Programowanie pamięci zewnętrznych w systemie z STM32 za pomocą ST-Link

Numer: Wrzesień/2016

Podczas budowania systemów mikroprocesorowych wyposażonych w zewnętrzne układy pamięci często pojawia się potrzeba podglądu i modyfikacji ich zawartości. O ile z dostępem do wewnętrznej pamięci mikrokontrolera najczęściej nie ma problemu (realizuje to programator/debugger), o tyle z dostępem do pamięci zewnętrznych dołączonych do mikrokontrolera nie jest już tak łatwo. Można oczywiście posiłkować się specjalnie tworzonymi ...

Zastosowanie inteligentnych urządzeń w celu zwiększenia sprawności energetycznej rozwiązań IoT

Numer: Wrzesień/2016

Technologia Internet of Things (IoT) będzie wykorzystywała rozproszone czujniki w celu zwiększenia inteligencji otaczających nas urządzeń. Dzięki możliwości wykrywania substancji chemicznych, wilgoci, temperatury i innych zmiennych środowiskowych, systemy IoT będą w stanie dostosowywać warunki panujące w budynkach w celu zapewnienia wygody ich użytkownikom, zwiększać wydajność fabryk oraz efektywność dystrybucji dzięki stałemu ...

Pomiary zaburzeń elektromagnetycznych (EMI) przyrządami Rigola. Oprogramowanie S1210 EMI Pre-compliance Software

Numer: Wrzesień/2016

Pomiary kompatybilności EMC stanowią już integralny etap produkcji urządzeń elektronicznych, bez którego w zasadzie nie jest możliwe wprowadzenie produktu na rynek. Każde nowo zaprojektowane urządzenie musi przejść serię dokładnych pomiarów i badań określających, czy spełnia ono coraz bardziej restrykcyjne normy. Wszystko dla dobra użytkowników i pognębienia konstruktorów, przed którymi pojawiają się problemy niemal nie do ...

Szybkie ładowanie urządzeń przenośnych przez USB

Numer: Wrzesień/2016

USB to najpopularniejszy interfejs komputerowy na świecie. Został wprowadzony jako sposób na dołączanie dodatkowych urządzeń do komputerów PC, ale szybko zdobył popularność i pojawił się także w innych zastosowaniach. Obecnie większość przenośnych urządzeń elektronicznych korzysta z USB do przesyłania danych, komunikacji z innym drobnym sprzętem oraz do wymiany danych z komputerem PC, a także do zasilania. Interfejs USB 2.0 ...

Mobilna
Elektronika
Praktyczna

Elektronika Praktyczna

Październik 2017

PrenumerataePrenumerataKup w kiosku wysyłkowym

Elektronika Praktyczna Plus

lipiec - grudzień 2012

Kup w kiosku wysyłkowym