Bezprzewodowa stacja meteorologiczna do wyrzutni rakiet

[Lukaszm]

Cześć
W ramach organizowanej akcji postanowiłem opisać projekt, który wykonałem już jakiś czas temu.

WPROWADZENIE
Projekt to stacja meteorologiczna montowana na wyrzutni rakiet zaprojektowana i wykonana przeze mnie  w ramach rekrutacji do Sekcji Rakietowej Studenckiego Koła Astronautycznego (działającego na Politechnice Warszawskiej).
Wymagania wobec stacji:

• pomiar prędkości i kierunku wiatru,
• pomiar temperatury i ciśnienia,
• pomiar położenia oraz orientacji wyrzutni i kąta nachylenia ramienia,
• komunikacja bezprzewodowa z bazą, zasięg 500-700m,
• aplikacja na PC wyświetlająca i rejestrująca odbierane dane.

ELEKTRONIKA
Ogólny diagram sprzętowy wygląda następująco:

Do realizacji 'mózgu' stacji wykorzystałem Arduino Pro Mini (zarówno w nadajniku, jak i odbiorniku). Komunikacja bezprzewodowa zrealizowana jest poprzez moduły NRF24L01+ ze wzmacniaczem mocy (w przeprowadzonych na poligonie testach bez problemu uzyskiwały zasięg 700m). Do pomiaru ciśnienia i temperatury zastosowałem moduł z układem BMP180. Pomiar prędkości i kierunku wiatru jest wykonywany przez zestaw stacji pogodowej. Do pomiaru kąta nachylenia wyrzutni zastosowałem moduł z układem MPU-6050. Położenie wyrzutni jest mierzone poprzez standardowy moduł GPS (NEO-7M-C firmy Waveshare).

Urządzenie montowane na wyrzutni zasilane jest dwoma ogniwami litowo-jonowymi, a odbiornik jest zasilany przez komputer za pośrednictwem USB. Do generacji napięcia 5V w nadajniku wykorzystałem moduł przetwornicy D24V6F5 z Pololu. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że jedno ładowanie baterii pozwala działać stacji przez około 30 godzin.

Schemat jednostki głównej:

Ciekawą sprawą jest pomiar prędkości wiatru. Anemometr raz na obrót zwiera styk, a prędkość obrotowa jest proporcjonalna do prędkości wiatru (1Hz przekłada się na 2.4km/h). Mierząc więc okres pomiędzy kolejnymi krawędziami, można określić prędkość wiatru. Aby pomiar był możliwie dokładny, wykorzystałem przerwania. Jednak jak to z mechanicznymi stykami bywa, pojawiały się drgania styków:

Aby zniwelować ten efekt zastosowałem dwie bramki NOT z przerzutnikami Schmitta i filtrem RC (o stałej czasowej około 1ms). Układ sprawia, że na pinie mikrokontrolera pojawiają się ładne, pojedyncze zbocza (czerwony to wyjście anemometru, a niebieski przebieg to sygnał podłączony do pinu mikrokontrolera):

Na pokładzie zamontowany jest również magnetometr (znajdujący się poza główną obudową, w oddzielnej obudowie), który miał służyć do pomiaru azymutu wyrzutni (przy startach rakiet bardzo istotne są dwa kąty: azymut oraz nachylenie ramienia wyrzutni). Ostatecznie jednak nie został wykorzystany ze względu na problemy z kalibracją (magnetometr musiałby być za każdym razem montowany dokładnie tak samo na wyrzutni, co nie jest wykonalne).

Odbiornik jest stosunkowo prostym urządzeniem:

Zawiera tylko mikrokontroler (na module Arduino Pro Mini) oraz moduł radiowy. Komunikacja z PC wykonywana jest przez konwerter USB-UART. Odbiornik wyposażony jest też w diodę, która jest zapalana na chwilę w momencie odebrania pakietu. Bardzo to pomaga przy rozstawianiu stacji. Oba układy zmontowałem na płytkach prototypowych.

OPROGRAMOWANIE
Oprogramowanie projektu jest dość rozbudowane, gdyż składa się z dwóch projektów na systemy wbudowane (nadajnik i odbiornik) oraz oprogramowania na PC.

Oprogramowanie nadajnika
Kod napisany oczywiście z wykorzystaniem środowiska i bibliotek Arduino dla przyspieszenia developmentu Wykorzystałem dodatkowe biblioteki:

• MPU6050 (konfiguracja i odczytywanie danych z akcelerometru)
• HMC5883L (konfiguracja i odczytywanie danych z magnetometru)
• I2Cdev (wykorzystywane przez bibliotekę MPU6050)
• TinyGPS (parsowanie danych z GPS)
• RF24 (komunikacja z modułem radiowym)
• Adafruit_BMP085 (konfiguracja i odczytywanie danych z barometru)

Oprogramowanie odbiornika
Zadaniem programu uruchomionego na odbiorniku jest odczytanie danych z modułu radiowego i przerzucenie ich od razu na port szeregowy. Nic skomplikowanego. Kod na systemy wbudowane jest w repozytorium: https://github.com/Lukaszm94/rocketLauncherDAQ_embedded

Oprogramowanie na PC
Program do uruchamiany na PC służy do odbierania danych z odbiornika, wyświetlania ich i zapisywania do pliku CSV. Do zrealizowania powyższych zadań wykorzystałem język C++, framework Qt i bibliotekę Qwt. Kod znajduje się w repozytorium: https://github.com/Lukaszm94/RocketLauncherDataAcquisitionApp

Na temat samej implementacji nie będę się rozpisywał. Kilka ciekawszych funkcji programu to wyznaczanie wartości średniej prędkości wiatru (z możliwością ustalenia z jakiego okresu ma być wyliczana średnia) oraz podmuchu (chwilowa maksymalna prędkość wiatru). Dodatkowo, jeżeli któryś sensor działa niepoprawnie (np. akcelerometr jest niepodłączony albo GPS nie ma fixa), to wartość z tego sensora jest wyświetlana w kolorze czerwonym.

Widok okna programu:

MECHANIKA
Wszystkie obudowy i elementy mocujące zaprojektowałem w Autodesk Inventor i wykonałem z wykorzystaniem drukarki 3D. Na wyrzutni montowane są trzy urządzenia: jednostka główna, moduł kompasu i moduł akcelerometru. W czasie projektowania kierowałem się łatwością montażu w warunkach polowych (stąd np. zastosowanie nakrętek motylkowych do mocowania obejm) oraz zapewnienie możliwie wysokiej odporności na wodę.
Render głównej obudowy:

Render odbiornika:

Nadajnik:

Wnętrze nadajnika:

Wnętrze odbiornika:

Ciekawy patent, jaki mogę pokazać, to wykonanie złącz do świata zewnętrznego. Wykorzystałem złącza męskie KK254, które przylutowane są do odpowiednio wyciętej płytki prototypowej. W płytce są dwa otwory pod śruby M3, analogiczne otwory są w obudowie. Płytka jest mocowana od wewnątrz do ścianki urządzenia z wykorzystaniem dwóch śrub. Całość od zewnątrz wygląda elegancko i jest wytrzymała.

Cała jednostka główna zmontowana:

WNIOSKI I PODSUMOWANIE
Projekt spełnia większość założeń i uważam, że został zrealizowany z sukcesem. Wykorzystany został już wielokrotnie na poligonie i w zasadzie za każdym razem system działał poprawnie. Jeśli chodzi o wady, to główny problem jaki zaobserwowałem, to uszkadzanie się modułów radiowych (konkretniej to wzmacniaczy mocy) w momencie włączenia urządzenia bez podłączonej anteny - co niestety zdarzyło się kilkukrotnie (przypadkowe włączenie). Drugi problem to brak pomiaru orientacji wyrzutni, związany z opisaną wcześniej kłopotliwą kalibracją. Przykładowy wykres uzyskany z wykorzystaniem stacji (na zawodach CanSatów w 2016 jeśli dobrze pamiętam):

Krótki opis projektu jest też na mojej stronie internetowej: http://lukemeyer.me/rldaq.php Na koniec mogę pokazać ładne zdjęcie ze startu rakiety TuCAN (jak się dokładnie przyjrzycie, to widać stację zamontowaną na wyrzutni ). W projekcie TuCAN również brałem udział, zajmowałem się całością systemów elektronicznych w rakiecie. Jakby ktoś był zainteresowany, to mam mały opis na mojej stronie: http://lukemeyer.me/tucan.php

Edytowano Styczeń 31, 2019 przez Treker
Poprawiłem formatowanie.

[Treker (Damian Szymański)]

Właśnie zaakceptowałem Twój opis, możesz go teraz zgłosić do akcji rabatowej umieszczając link w temacie zbiorczym. Dziękuję za przedstawienie ciekawego projektu, zachęcam do prezentowania kolejnych DIY oraz aktywności na naszym forum

[lukaszd82]

Elementy do pomiaru siły i kierunku wiatru robiłeś też sam? Jaki ewentualnie koszt i jak skalowałeś pomiar prędkości wiatru.

Piszesz o stykach mechanicznych. Nie lepiej w tym wypadku było skorzystać z czujnika halla? Prosty i skuteczny, tak to jest zrobione w komercyjnych produktach, które oglądałem.

[Lukaszm]

@lukaszd82

14 godzin temu, Lukaszm napisał:

Pomiar prędkości i kierunku wiatru jest wykonywany przez zestaw stacji pogodowej.

Wiadomo, że czujnik halla byłby lepszy, ale nie znalazłem łatwo dostępnych i tanich stacji pogodowych, w których byłby taki sensor. A zależało mi na zastosowaniu gotowych modułów, żeby nie wydłużać czasu developmentu.

[Leoneq]

Z ciekawości się zapytam, takie rakiety po co się wystrzeliwuje/ do czego są używane?

[Lukaszm]

Każda rakieta to pewnego rodzaju projekt naukowy, który ma jakiś cel.
Przykładowo rakieta TuCAN (wspomniana wcześniej) służy do wynoszenia kilku Can Satów na pułap 4-5km. Plan był taki, żeby rakieta zabrała CanSaty na zawodach organizowanych przez ESERO.
Inna rakieta, H1, miała na celu pobicie rekordu prędkości i pułapu (i się udało, jeśli dobrze pamiętam).
Jeszcze inna rakieta miała polecieć na konkretny pułap (2017 metrów). Jest też projekt rakiety sterowanej, która jest aktywnie stabilizowana.