Доброго времени суток, уважаемые Хаброжители!
В этой статье пойдет речь о создании метеозонда, отличающегося от обычных его братьев. Несколько лет назад эта тема была очень популярна но, к сожалению, ее похоронили наряду с другими не менее интересными идеями. Сегодня же, я, Вам расскажу как мы видим этот проект своими глазами.
Начало, предыстория
На дворе стоял душный июльский вечер. Вместо того, чтобы идти куда-то, я, как обычно, сидел дома – залипал в хабр. Тут я увидел, что в скайп зашел мой друг, с которым мы уже очень давно не виделись (в прошлом вместе было пережито очень много интересного; впрочем, я отклонился от темы).
Мы, как обычно, разговорились, и затянулось это на несколько часов так точно. В ходе разговора и параллельного путешествия по всемирной паутине кто-то из нас попал на ютуб, а именно на маленький, завалявшийся среди тысяч других, но примечательный своим содержанием, ролик. На нем был запечатлен опыт американцев, запустивших на заполненном гелием шаре айфон с включенной камерой и GPS'ом. Проект нас очень вдохновил! Активно занявшись поиском информации, мы обнаружили, что подобными опытами занималось множество людей по всему миру. Встал логичный вопрос: а чем мы хуже?
Идея зародилась почти год назад. Было составлено ТЗ (общение через Skype – на тот момент мы были в разных городах). Но, как нередко бывает со многими хорошими идеями, наш проект был заброшен до лучших времен. В немалой степени его реализация откладывалась из-за дорогостоимости многих компонентов (а денег на то время было недостаточно) и отсутствия времени, а также места, где можно было бы заняться реализацией. И вот теперь настало время воплотить идею в жизнь. На самом деле, решающим фактором стало существенное улучшение финансового положения моего товарища, что и дало толчок к дальнейшему развитию событий. В ходе нового обсуждения были пересмотрены задачи и желаемый функционал устройства, и в результате переписано ТЗ.
Единственное, что нас не устраивало в большинстве подобных устройств (а теперь и отличает наше от них) – то, что они недолговечны: после запуска они проводили в атмосфере весьма небольшое время. Обычный сценарий их “ жизни” после запуска не отличался особым разнообразием: после старта они поднимались до определенной высоты (25-40 км — в зависимости от материала шара и наполненности его газом) и там лопались вследствие большой разницы давлений внутри и вне шара, после чего на парашюте спускались обратно; весь полет, таким образом, занимал не больше суток (в лучшем случае; типичное время полета — до двух часов). Мы решили обойти данную проблему и существенно продлить время нахождения устройства в атмосфере планеты (подробности ниже).
Существенный прогресс наступил, когда к работе подключился еще один наш товарищ, который подал множество новых, свежих идей по реализации проекта.
Устройству было дано название “Бендер”.
По конструкции оно мало чем отличается от обычного метеозонда. Разница же между метеозондом и Бендером в основном заключается в их задачах. Первый несет на себе некоторое количество датчиков, снимающих показания о состоянии атмосферы во время полета и, таким образом, дающий возможность получить сведения, необходимые, например, для составления прогнозов погоды. Задача же второго – снимать с большой высоты землю, атмосферу и всё остальное, что попадется по пути. Все (или почти все – в зависимости от качества связи) полученные данные должны потом передаваться на сервер.
Техническое описание
За основу (можно сказать “мозг”) Бендера было решено взять микроконтроллер STM32F407VET6 из-за широких возможностей и высокого быстродействия. Он должен контролировать состояние устройства, следить за получением, сохранением и передачей данных, управлять пневматикой и прочими системами Бендера.
Связь
Связь реализована несколькими способами.
На низких высотах будет использоваться GSM/GPRS. Реализация – на модуле SIM900. Используется направленная антенна типа “волновой канал” под стандарт GSM1800 (1800 МГц).
Возможно управление посредством SMS-сообщений, а также командами с сервера. Поддерживаются HTTP и FTP.
На больших высотах (когда сигнал GSM ослабнет настолько, что передавать что-либо посредством его станет невозможно) будет использоваться связь по 433 МГц радиоканалу. Для этого будет задействован модуль RFM12BP мощностью 500 мВт, модуляция — FSK. В качестве антенны – полуволновой диполь.
Принимаемая информация отправляется на основной сервер через специальную клиентскую программу, которую предполагается распространить среди потенциальных участников проекта и просто заинтересованных людей по всему миру, что даст возможность связаться с устройством, даже если оно улетит на очень большое расстояние.
Навигация
Для навигации будет использован GPS-модуль Lassen IQ от Trimble с активной антенной. Стоит сказать, что при разработке устройства мы столкнулись с проблемой, состоящей в ограничении CoCom максимальной высоты для гражданских GPS-модулей (обычно 18 км). Нас такое положение дел не устраивало, потому мы начали поиск модулей без такового ограничения. У вышеназванного Lassen IQ оно снято (при соблюдении ограничения по максимальной скорости).
Пневматика
Чтобы преодолеть упомянутую проблему с чрезмерным увеличением и последующим разрывом оболочки шара, решено было поставить электромеханический клапан, который позволял бы стравливать избыточное давление (также, возможно, будет установлен и аварийный механический клапан, стравливающий давление автоматически; был бы актуален при неисправности основного). С его же помощью предполагается регулировать высоту – выпустив достаточное количество газа (чтобы сила тяжести превысила архимедову силу), можно опустить шар ниже и вообще посадить на поверхность земли.
Давление (разница давлений, если говорить точнее) замеряется дифференциальным аналоговым датчиком, решение о выпуске газа принимается микроконтроллером или удаленно по команде.
Было предложено еще одно новшество – химический генератор водорода “на борту”, но пока неизвестно, будет ли он использоваться. Для его реализации было отобрано несколько реакций: первая – гидролиз борогидрида натрия слабым раствором кислоты, вторая – реакция натрия с метанолом. Основная проблема – сильный разогрев и вспенивание смеси. В ближайшее время будет собрана тестовая модель и уже по результатам испытаний будет приниматься решение о целесообразности использования такого генератора. После исчерпания ресурса предполагается сбросить его на парашюте, предварительно отсоединив все шланги, провода и т.д.
Генератор водорода предоставил бы возможность не только опускать шар, но и поднимать.
В устройстве два датчика температуры – один выведен за пределы корпуса и фиксирует температуру окружающей среды, второй внутри.
Возможно, реализуем подогрев внутрикорпусного пространства при сильном понижении температуры. Осуществляется он химически, запуском капсул с реакционной смесью, выделяющей много тепла.
Питание
Тут (в основном) из соображений устойчивости к низким температурам были выбраны LiFePO4 аккумуляторы. Скорее всего, придется ставить батарею из них. Также в процессе полета аккумулятор будет дозаряжаться от солнечных батарей; процесс управляется микросхемой-контроллером заряда.
Камеры
На устройстве будут установлены две камеры. Как минимум одна из них – модифицированный фотоаппарат Canon A530 (5 Мпикс). Все лишние детали (корпус, кнопки, батарейный отсек, вспышка и т.д.) убираются, остается только основная плата, матрица и объектив. На фотоаппарат устанавливается модифицированная версия CHDK, в которой реализовано кодирование изображений в SSDV-формат для передачи по радиоканалу. Связь с микроконтроллером по UART (непосредственно подпаявшись к плате).
Камера установлена на поворотной основе с шаговым двигателем, что даст возможность поворачивать ее для, например, съемки панорам.
Вторая камера направлена вниз.
Хранение данных
Информация (фото, видео; логи координат, температуры и давления; логи полученных команд и результата их исполнения) хранится на SDHC карте памяти (для работы с ней использована библиотека FatFS), а также на SDXC картах памяти, установленных в фотоаппаратах. Возможно, будет реализовано копирование файлов с них на основную.
Корпус
С материалом и формой корпуса пока окончательно не определились. В любом случае, необходимо обеспечить хорошую термоизоляцию, для чего будет использована монтажная пена и/или пенопласт, а также пленка с металлическим напылением (изофолия).
Наполнение шара – водород, поскольку он дает большую подъемную силу, чем обычно использующийся для таких целей — гелий. Также водород раза в два дешевле гелия. Сам шар имеет объем ~1.8 кубических метра. Устройство крепится на металлическую (алюминиевую) рамку, которая, в свою очередь, подвешена к шару на стропах. Для аварийных ситуаций предусмотрен парашют.
Работа устройства
“Бендер” снимает на видео весь процесс запуска (если хватит заряда аккумуляторов – и процесс посадки). Фотографирование производится в полуавтоматическом режиме – генерируются превью-версии снятых фотографий и посылается на сервер; после ручного отбора удачных фотографий оные пересылаются в полном размере. Также в произвольные моменты можно подать команду на запись видео, однако оно просто сохраняется на карте памяти без пересылки по радиоканалу ввиду низкой пропускной способности последнего.
На низких высотах изображения загружатся на сервер по FTP посредством GPRS, остальная информация пересылается по HTTP.
На больших высотах через определенные промежутки времени по радиоканалу пересылаются данные о координатах и высоте устройства, показания датчиков (температура внутри/вне корпуса, разница давлений, заряд батареи).
На сервере координаты устройства сверяются с координатами самолетов (с Flightradar24) для предотвращения столкновений (при приближении самолета дается автоматическая команда на смену высоты).
Регулированием наполнения шара водородом будет контролироваться его вертикальное положение. Планируется таким образом длительное время удерживать его на одной высоте (уравнивая силу тяжести и архимедову силу).
Если с устройством определенное время не выходят на связь, микроконтроллер автоматически принимает решение о снижении (только если устройство не находится над морем – координаты береговой линии, скорее всего, будут во внутренней памяти).
Также еще одна из задач Бендера состоит в том, чтобы пролететь как можно большую дистанцию, в идеале — облететь всю планету и в конце-концов, если обстоятельства сложатся удачно — приземлиться в нужном нам месте (дома).
От теории к практике
На момент написания статьи, мы собрали: частично связь, развели и напечатали большинство плат, сделали антенны (и купили), написали прошивку для микроконтроллера, преобрили почти все комплектующие и начинаем сбор и тестирование водородного двигателя.
P.S. Это вводная статья нашего проекта. Дальше будут статьи более содержательные: с фотографиями, примером кода, софтом — но об этом расскажу потом. Всем удачи, спасибо за внимание!
Автор: BobbySinger
Как дела с зондом?