MLAB wiki

Máte načtenou starší verzi dokumentu! Pokud ji uložíte, vytvoříte tím novou aktuální verzi.

====== Automatický vypouštěč meteobalónů ABL01A ======

Celý systém by měl být robotizovaným doplňkem sítě [[cs:rmds|radiových detektorů meteorů]], případně pak i její vizuální varianty (video pozorování ((například síť [[http://cement.fireball.sk/|CEMeNt]])) a bolidové kamery).

Účel zařízení je zpřesnit odhad trajektorie temné dráhy meteoritu v atmosféře zavedením korekcí na proudění vzduchových mas během letu meteoritu v atmosféře. A tím v důsledku zmenšit plochu dopadové elipsy meteoritu na povrch Země.

Údaje o proudech v atmosféře budou získány balónovou sondou vypuštěnou bezprostředně po detekci průletu bolidu atmosférou. Místo vypuštění balónové sondy by mělo být zvoleno automaticky na základě odhadu dráhy meteoru a známých souřadnic balónových sil v síti.

Důležitou součástí systému je plně robotizovaná vypouštěcí stanice (balónové silo), která umožní vypuštění sondy ze známých souřadnic bez zásahu lidské obsluhy. Vedlejším produktem takového vývoje bude zařízení schopné v budoucnu automatizovat i vypouštění klasických meteorologických [[http://en.wikipedia.org/wiki/Radiosonde|radiosond]].

===== Pozemní vypouštěcí box =====

Pozemní stanici balónové sítě bude tvořit kompaktní krabice obsahující techniku potřebnou k vypuštění balónové sondy. Zařízení musí být konstruováno tak, aby bylo schopné vydržet řádově několik roků v pohotovostním režimu, a čekat na příkaz k vypouštění sondy.

==== Technické požadavky ====

Většina řídící elektroniky je složena z modulů [[http://www.mlab.cz/ | stavebnice MLAB]]

=== Komunikace se sítí stanic ===

* Ethernet - modulem [[cs:eth|ETH01A]]
  * RS232 - [[cs:rs232single|RS232SINGLE01A]]
  * GSM (pro odlehlé oblasti)

Zároveň bude potřeba také vybavení pro příjem telemetrie z již vypuštěných radiosond (([[http://www.radiosonde.eu/]], [[http://www.radiosonda.sk/]] )) z  jiných stanic.

Tyto požadavky splňuje modul [[cs:stm32f10xrxt|STM32F10xRxT01A]]

=== Napájení systému ===

* lokální (stand-alone) - Fotovoltaický panel
  * Síťové napájení (síťový adaptér + UPS)

=== Diagnostika poruch ===

* Kontrola úspěšného startu (měření vztlaku balónu)
  * Měření teplot, tlaku plynové náplně, průtoku média do balónu.
  * Vlhkost uvnitř krabice (průsak a ztráta vodotěsnosti proražením víka a podobně)

=== Meteorologická data ===

* Základní meteorologické veličiny (teplota, tlak, rychlost větru) k určení možnosti startu budou  získávány z nejbližšího [[cs:programming_tasks#framework_pro_distribuovane_merici_projekty|meteorologického nódu]],  nebo z místní stanice [[cs:aws|AWS01B]].
  * Místní GPS (pozice stanice a přesný čas) -> log reportu o startu. [[cs:gps|GPS01A]]

==== Mechanická konstrukce ====

Pozemní vypouštěcí box je konstruován tak, aby fungoval za nejrůznějších povětrnostních podmínek. Má tvar trojbokého hranolu postaveného jednou stěnou na vyvýšené plošině. Zbylé dvě stěny mohou být pokryty fotovoltaickými články a dodávat energii pro elektroniku stanice. Při vypuštění balonu s nimi lze zkontrolovat sesunutí střešních desek. Přes den pak lze z dodávaného výkonu monitorovat výskyt pevných překážek v okolí vypouštěcí stanice.

Požitý  materiál je svařovaný polyethylen, který umožňuje vypouštěcí stanici udelat vodotěsnou a odolnou proti vniknutí nečistot, které by mohly poškodit balon. 
 
  * Konstrukce navržená tak, aby umožnila vypouštění i současných profesionálních balónových sond. 
  * Aktivace mechanických prvků přepálením plastového vlákna
  * uzavření balónu zatavením hrdla (napouštěcí nohavice balónu)
  * střešní desky drženy pružně napínaným páskem, který zaručí utěsnění na hřebenu střechy.

=== Akční členy ===

Většina akčních členů by měla být konstruována s důrazem na maximální spolehlivost. Akční členy proto pravděpodobně budou pružiny s přepalovacími plastickými pojistkami (silonové vlákno, nebo stuha přepalovaná výkonovým rezistorem) ke spínáni proudu do rezistorů může být využit modul [[cs:nfet4x|NFET4X01B]]

== Pneumatika ==

Heliové hospodářství v boxu je třeba řešit tak, aby nemohlo docházet ke ztrátám helia difuzí skrz pórézní materíály, jako jsou např. plasty a guma. Hlavní napouštěcí ventil proto musí být kovový a ideálně přímo na hrdle tlakové lahve.

Zajímavé by mohlo být využítí bernouliho efektu, kdy by se dal nízkotlaký plyn jako třeba chemicky vyvíjený vodík nasávat proudem stlačeného hélia. Podobně jako při nafukování  [[http://www.kickstarter.com/projects/1484284472/windcatcher-inflates-in-seconds-with-no-power-or-p|této karimatky]].

=== Nosný plyn ===

V případě funkčního vzoru bylo experimentováno se stlačeným heliem, jako zdrojem plynu pro naplnění balonu. Nejvýhodnější v takovém případě je použití jednorázových kartuší se stlačeným heliem. Takto balené helium je ale drahé (700 Kč/0,1m³) a vodík se v tomto balení zřejmě neprodává,

== Chemická výroba vodíku ==

Aktuálně zajímavým řešením je výroba vodíku chemickou reakcí přímo ve vypouštěcím boxu. Existuje několik známých použitelných reakcí, které by mohly být vhodné pro technickou realizaci přímo ve vypouštěcím boxu.

**Galium-hliník** - V roce 2007 byla objevena reakce slitiny galia a hliníku, která při reakci s vodou produkuje vodík bez extenzivního vývinu tepla. (([[https://news.uns.purdue.edu/x/2007a/070515WoodallHydrogen.html|New process generates hydrogen from aluminum alloy to run engines, fuel cells]])). 
Průběh rekce je demonstrován v [[http://www.youtube.com/watch?v=JasZ8V6LpbQ|tomto videu]]. Potřebné kovy lze koupit:

* Galium [[http://unimagnet.cz/746-Gallium-10-gramu.html|UNIMAGNET]]
  * Práškový hliník [[http://www.praskovekovy.cz/index.php?option=com_virtuemart&page=shop.browse&category_id=23&Itemid=26|pkchemie]]

Pokusy s touto metodou však ukázaly, že je problematické získání galia zpět pro opětovné použití.

Takto vyrobený vodík by pak při napouštění do balonu stačilo pouze vysušit patronou se silicagelem.

**Ferosilikonová metoda** využívá reakce hydroxydu sodného, vody a [[https://en.wikipedia.org/wiki/Ferrosilicon|ferosilikonu]].

Další možností je **katalyzovaný rozklad**  [[http://cs.wikipedia.org/wiki/Tetrahydridoboritan_sodn%C3%BD|Tetrahydridoboritanu sodného]] katalyzátorem.

Ve všech případech by ale objem náplně nosného plynu měl být optimalizován s ohledem na požadovaný vztlak a rychlost stoupání.

=== Firmware ===

* Pozemní stanice by měla mít možnost odmítnout vypuštění na základě zadané konfigurace jejího majitele.

Pro zajištění běhu nezávislých procesů by bylo možná vhodné využít [[http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php|ChibiOS/RT]]

=== Blokové schéma ===
{{:cs:schema_arm.png?400|}}

=== Snímače ===

* Čidlo teploty héliové náplně - bylo by možné použít pro měření poklesu teploty při expanzi helia z tlakové nádoby.
  * Detekce otevření víka
  * Měření vlhkosti v boxu
  * Měření proudu přepalovacími pojistkami - Modul [[cs:nfet4x|NFET4X01B]] má analogový výstup pro každý kanál.
  * Meteostanice [[cs:aws|AWS01B]] pro měření základních meteorologických veličin.
  * [[cs:gps|GPS01A]] - časová synchronizace, absolutní znalost pozice stanice, možnost generování DGPS korekcí.
  * Měření tahu balonu.
  * Proudění plynu do balonu (clonkový průtokoměr)

===== Balónová sonda =====

Neletový prototyp sondy bude vyvinut za použití modulů stavebnice [[http://www.mlab.cz/Server/GenIndex/GenIndex.php?lang=cs&path=/Modules|MLAB]]

[[cs:atmegatq32|ATmegaTQ3201A]], [[cs:sdcard|SDcard01B]], [[cs:gps|GPS01A]]  
==== Technické parametry ====

GPS na sondě by měla být udržovaná ve stavu FIX, aby pak nedocházelo ke zpoždění v důsledku čekání na fix. Zároveň jsou ale také pochybnosti o přesnosti GPS ve vysokých výškách, kde odchylky od skutečné a měřené nadmořské výšky dosahují stovek metrů.

=== Komunikace (Telemetrické údaje) ===

* Primárním cílem je měření rychlosti a směru větru ve známých bodech.
  * GPS údaje 10Hz, textový výstup [[http://en.wikipedia.org/wiki/NMEA_0183|NMEA]] Potenciálně použitelný IO [[http://www.oaoniikp.ru/prod2.php?id=110|Микросхема GNSS32L512 «Навигационный процессор»]]
  * další veličiny jako teploty, tlaky atd. jsou volitelné. 
  * Radio maják a akustický maják?
  * Radiový přenos telemetrie v pásmu 27-450 MHz: možnost bezlicenčních pásem (SVN: VO-R-16, VO-R-10)
  * Radiomoduly: [[http://www.artbrno.cz]], [[http://www.anaren.com]], [[http://www.ams.com/eng/Products/RF-Products/RF-Transceivers/AS3900|AMS]].

GPS je potřeba vybrat tak, aby fungovala i ve větších výškách. ((Omezeno směrnicí [[http://en.wikipedia.org/wiki/CoCom#Legacy|CoCom]]))

== Vysílač ==

Integrované transmittery.

* [[http://www.ti.com/ww/en/analog/sub_1_GHz_low_power_rf_ic/index.shtml?DCMP=rfvalueline&HQS=Other+OT+rfvalueline|CC115L]]

=== Napájení sondy během letu ===

* [[http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_battery|Lithiový článek]] (negeneruje teplo, minimální provozní teplota je -60°C) 
  * Hořčíková baterie (generuje teplo pro temperování elektroniky)
  * [[http://en.wikipedia.org/wiki/Silver-oxide_battery|Stříbro-oxidový článek]] Vydrží nižší provozní teploty a je ekologicky nezávadný. 
  * Ideální by bylo použití [[https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=OtM6XJlynkk|superkapacitorů]]

Řešením problému s nízkou teplotou ve vyšších výškách by mohlo být předehřátí sondy při startu. 
=== Konstrukce ===

* Balón - [[http://cs.wikipedia.org/wiki/Polyethylen|PE]] pytel (kvůli životnosti v zabaleném stavu - guma s časem degraduje) ((http://cs.wikipedia.org/wiki/Projekt_Mogul)) [[http://ukhas.org.uk/guides:balloon_data| Paramery běžných balónů]]
  * Možnost dálkového odpojení balónu od sondy (ukončení stoupání)
  * Prototyp plněný [[http://cs.wikipedia.org/wiki/Helium|heliem]], produkční zařízení vodíkem (Použití vodíku je kromě nižší ceny i ekologičtější - hélium uvolněné do atmosféry je vlivem slunečního větru nenávratně odváto do vesmíru. A vodík navíc lze vyrábět chemickou reakcí přímo během napouštení sondy). 
  * Splnění požadavků na bezpečnost provozu (letovou, majetkovou a personální)

=== Firmware ===

* Záznam dat v gondole balónu -> mikroSD karta

=== Blokové schéma ===
{{:cs:schema_atmega1.png?400|}}

==== Legislativní požadavky ====

Pravidla pro lety volných balónů bez pilota jsou definovány v leteckých předpisech L-2 Pravidla létaní, dodatek 5 a R.

=== Kategorie balónu ===

Balón by měl spadat do kategorie B2, která je definována jako volný balón s objemem menším než 3,25 m^3, přičemž žádný z rozměrů balónu nepřekračuje 2 m. Rozměr 2 m je rozměr při jeho maximálním naplnění/roztažení.

=== Povolení vypuštění ===

Užitečné zatížení představují předměty a materiály, které by v případě střetu s letadlem mohly způsobit poškození letadla (zejména prskavky, svítící tyčinky, lámací světla, LED diody apod.) a jakékoliv zatížení o hmotnosti přesahující 0,1 kg. 
Vzhledem k této definici bude nutné mít pro provoz balónu povolení. Všechny informace ohledně letu (jako je datum, čas, místo vypuštění, užitečné zatížení atp.) musí být zveřejněny v Letecké informační příručce (AIP). Pro vypuštění ve zvláštních případech, jako je mimořádné pozorování, je potřeba upozornit prostřednictvím navigační výstrahy formou zprávy NOTAM, která se musí podat minimálně 24 hodin před vzletem balónu.

=== Materiály ===

Balón nesmí být plněn hořlavými a výbušnými plyny s výjimkou povolení ÚCL.
Omezení pro materiál antény ani baterií nejsou definovány. 
Materiál balónu také není definován, ale při použití balónu o vysoké svítivosti nebo zhotoveného z materiálů o velké světelné nebo radarové odrazivosti musí být oznámeno nejbližšímu stanovišti letových provozních služeb.
Materiál (lano, provázek) spojující balón se sondou nesmí vydržet větší sílu než 230N.

=== Dostup ===

Pro dostup nejsou omezení.

=== Místo vypuštění ===

Omezení se týká všech Zakázaných, Nebezpečných a Omezených prostorů, stejně jako dočasně aktivovaných prostorů v době jejich používaní, s výjimkou kdy tak povolí ÚCL nebo kdy je prostor vyhrazen pro let předmětného balónu. Provoz balónu blízko hranic a letišť je problematický, nedoporučuje se.

=== Řešení legislativních problémů ===

* Navrhnout bezpečnou sondu, která splní požadavky ÚCL na bezpečnost letu. 
  * Řídit stoupání a aktivně zabránit vzniku kolize. (Takový systém by mohl zároveň zjednodušit návrat sondy podobně jako zde http://www.youtube.com/watch?v=rpBnurznFio ) 
  * Autodestrukce při hrozící srážce.
===== Řídící systém sítě =====

Konfigurace a řízení sítě by mělo být zajištěno [[cs:programming_tasks&#framework_pro_distribuovane_merici_projekty|univerzálním frameworkem pro distribuovaná měření]].

==== Plánování vypuštění ====

Vypuštění balónů musí být automaticky plánováno s ohledem na efektivitu měření a také na zajištění bezpečnosti letového provozu:

=== Letecké mapy ===

* [[http://skyvector.com/|SkyVector]]
  * [[http://openaviationmap.org/|Open Aviation Map]]
  * [[http://lis.rlp.cz/ais_data/aip/data/valid/e6-3.pdf|Letecká informační služba]] - AIP kapitola ENR 6.

Ostatní mapy jsou obvykle pouze naskenované původně papírové letecké mapy. A nedají se tedy použít k automatizovanému plánování.
===== Dokumentace =====

[[http://www.mlab.cz/Designs/Measuring_instruments/ABL01A/DOC/ABL01A.cs.pdf|Souhrnná technická zpráva projektu]]

==== Technická dokumentace ====

Technická dokumentace projektu je uložena v SVN repozitáři MLAB na adrese  http://svn.mlab.cz/svnmlab/Designs/Measuring_instruments/ABL01A/

svn://svn.mlab.cz/MLAB/Designs/Measuring_instruments/ABL01A/
==== Řízení projektu ====

Pro správu úkolů a dohled nad jejich plněním v rámci projektu používáme [[http://www.mlab.cz/redmine/| Redmine]]

Dokumenty a prezentace týkající se řízení projektu jsou ukládány do:

svn co https://lynx1.felk.cvut.cz/svn-students/pto/pto-13138-1 svnPTO

==== Prezentace projektu ====

- [[http://prezi.com/bnhig7zmyoin/automaticky-vypousteny-meteobalon/|Úvod]]
  - [[http://prezi.com/8hxyotflpfzt/2-prezentace-abl01a/|První výsledky]]
  - [[http://prezi.com/3d4t973s-tk0/iro-automaticky-vypoustec-meteobalonu/|Experimentální funkční vzor]]

=== Videa ===

* [[http://youtu.be/yZOg_d113f8|Testování funkčního vzoru]]

=== Fotografie ===

* [[https://picasaweb.google.com/109626411951658757207/AutovypoustecMeteobalonuABL01A?noredirect=1|Stavba a testování funkčního vzoru]]

===== Realizační prostředky =====

==== Lidé ====

Projekt je realizován týmem několika studentů ČVUT z katedry měření
a katedry kybernetiky:

* [[https://usermap.cvut.cz/profile/pomiceva/|Bc. Eva Pomíchalová]]  - Obor Letecké a kosmické systémy (LeKS) 
  * [[https://usermap.cvut.cz/profile/kakonjak/|Bc. Jakub Kákona]] - Obor Letecké a kosmické systémy (LeKS) 
  * [[https://usermap.cvut.cz/profile/poskozby/|Bc. Zbyněk Poskočil]] - senzory a měření
  * [[https://usermap.cvut.cz/profile/hanuson1/|Bc. Ondřej Hanuš]] - Obor Letecké a kosmické systémy (LeKS) 
  * [[https://usermap.cvut.cz/profile/jichapav/|Bc. Pavel Jícha]] - Kybernetika a robotika

==== Technická podpora ====

Většina součástí projektu je pořízena z prostředků firmy [[http://www.ust.cz/|Universal Scientific Technologies s.r.o.]] {{ :logo_ust.png?nolink|Universal Scientific Technologies s.r.o.}}

Vybavení pro konstrukci poskytli:

* [[http://macgyver.sh.cvut.cz/|MacGyver – bastlíři SH]]
  * [[http://aerospace.fsik.cvut.cz/|Ústav letadlové techniky]]

===== Reference =====

* [[http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/meteo/oa/sondaz_PTU_vitr.html|Aerologické měření ČHMÚ]].

==== Podobné projekty ====

- Jiné podobné projekty http://projecthorus.org/ http://blog.czanso.com/ http://chab.chytry.info/
  - http://www.airshipclub.com/folie.php
  - http://www.balloonboard.org/
==== TODO ====

* Budoucím vylepšením projektu by mohla být sondážní raketa.

Vyplňte, prosím, všechna písmena v poli, abyste dokázali, že nejste robot. L U X M᠎ V Ponechte prosím toto pole prázdné:

Komentář k úpravám

Poznámka: Tím, že editujete tuto stránku, souhlasíte, aby váš obsah byl licencován pod následující licencí: CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 4.0 International