Опорно-поворотная платформа с модулем наведения антенны

Актуальность

Космическая отрасль – одна из самых актуальных на сегодняшний день. Именно благодаря ей возникли спутниковая связь, системы навигации, а как следствие – точные карты местности, возможность прогноза погоды и много другое. Всё перечисленное является неотъемлемой частью мировой экономики и личной жизни большинства людей. Только в 2021 году было произведено 134 успешных запуска ракет, что является историческим рекордом и показывает развитие космической отрасли.  Но вместе с ростом перспективности космических полётов увеличивается и потребность в оборудовании, в том числе средствах связи с космическими аппаратами. На первый взгляд, систем связи космической отрасли хватает, особенно для миссий на низких орбитах. Однако большинство систем связи обладают некоторыми недостатками. Например, ненаправленными антеннами. Из-за того, что сигнал, передаваемый спутниками с такими антеннами, не направлен, он рассеивается, вследствие чего сила и качество сигнала снижаются в пользу количества аппаратов, которые могут принять сигнал. Но что делать, если нет необходимости связи с большим количеством объектов? В спутникостроении для связи с одним конкретным объектом применяются направленные антенны, они, как следует из названия, направляют сигнал, из-за чего его сила и качество улучшаются, однако появляется необходимость наведения на объект. Именно по этой причине большинство систем связи используют ненаправленные антенны.

В данном проекте была разработана опорно-поворотная платформа с модулем наведения антенны на спутник по азимуту и возвышению, получаемых из TLE-данных. Основными задачами были разработка и реализация конструкции, способной наводить направленную антенну на спутник, используя доступные компоненты и технологии.

Цель

Cоздать аппаратно-программный комплекс, который наводит антенну на аппарат во время пролёта над станцией.

Задачи

1. Провести анализ литературы по работе направленных антенн.
2. Разработать метод наведения на аппарат посредством сервоприводов.
3. Создать электрическую схему устройства.
4. Создать 3D-модель станции.
5. Разработать программный код, позволяющий выполнить
   • обработку данных и получение из них необходимых координат для наведения на объект,
   • управление сервоприводами и их наведение на аппарат,
   • передачу сигнала с помощью модуля радиосвязи по радиоканалу и его принятие с помощью собранной антенны.
      
6. Собрать прототип устройства и протестировать его.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Персональный компьютер с установленным ПО (Autodesk Fusion 360, Fritzing)
• Плата We-Mos D1 Wi-Fi UNO (ESP8266 ESP-12E)
• Радиоприёмник NRF24L01
• Сервоприводы SG90

Описание

Электрическая схема устройства

Для разработки электрической схемы было представлено 2 программы: Fritzing и Tinkercad. В Tinkercad более наглядно реализована работа устройств и программного кода. Однако программа Fritzing обладает большим количеством предоставляемых устройств, чем Tinkercad, поэтому было принято решение разрабатывать электрическую схему в ней.

Электрическая схема представлена на рисунках ниже.

На Рисунке 1 представлена схема аппарата: плата Arduino UNO R3, заменяющая на схеме плату We-Mos D1, подключённые к ней радиопередатчик, NRF-модуль, и два сервопривода.

На Рисунке 2 представлена аналогичная схема, за исключением сервоприводов. Она выполняет функцию принимающего сигнал аппарата в процессе тестирования. 

Направленная антенна подключается напрямую к радиомодулю без использования проводов, поэтому нет смысла показывать подключение антенны на электрической схеме.

Направленная антенна

Была изучена литература, в которой описывается принцип работы направленной антенны, а также её составляющие. В сети интернет была найдена пара видеороликов про процесс создания такой антенны. Но так как у автора отсутствовала возможность выполнения такой антенны, было принято решение провести исследовательскую работу с использованием RTL-SDR приёмника и RTL-SDR COM V3, показав, что при должных возможностях аппарат можно улучшить. 

Ранее были упомянуты предметы с аббревиатурой SDR. Стоит пояснить, что это такое. RTL-SDR COM V3 (или же «RTL2832U-приёмник») – радиоприёмник, позволяющий осуществлять приём аналоговых и цифровых радиостанций при использовании бесплатного SDR-программного обеспечения, например, SDRSharp. SDR-приёмник имеет миниатюрный размер, что позволяет удобно использовать его с планшетами, телефонами, встраивать его в корпуса различных устройств. Алюминиевый корпус, из которого изготовлено устройство, защищает от механических воздействий и отводит тепло.

Для работы с оборудованием использовалась программы SDRSharp и Orbitron.

Orbitron – система слежения за спутниками, предназначенная для радиолюбителей и любителей визуальных наблюдений. Её также применяют профессионалы-метеорологи и пользователи спутниковой связи. Программа показывает положения спутников на любой заданный момент (как в реальном времени, так и в режиме симуляции). А SDRsharp – программа для работы с RTL-SDR COM V3.

3D-модель устройства

Создание 3D-модели проводилось в программе Autodesk Fusion 360.

Сначала планировалось использовать найденную в сети интернет модель корпуса для платы Arduino, однако в последствии было решено создать свою модель корпуса. В Fusion 360 в первую очередь был создан прямоугольник нужных размеров, затем при помощи функции Offset созданы грани толщиной 2 мм. После этого грани были вытянуты при помощи функции Extrude, образовав корпус для платы. Далее все грани, не влияющие на устойчивость конструкции, были скруглены. После вышеописанных операций были созданы вентиляционные отверстия. Тем же способом были созданы корпуса сервоприводов, а модели самих сервоприводов были взяты из сети интернет. Далее для 3D-печати была создана модель корпуса для радиомодуля вышеописанными способами и функциями Offset и Extrude, но на 3D-модели готового устройства корпус с радиомодулем и антенна были обозначены достаточно условно: прямоугольный параллелепипед с антенной в виде цилиндра, так как для проекта может подходить не только выбранный радиомодуль, но и другие.

3D-модели устройства №1, №2, №3 представлены на рисунках ниже.

Метод наведения

Был разработан механизм наведения антенны сервоприводами на координаты, получаемые из TLE-данных. TLE (two line element) – двухстрочный формат данных, представляющий собой набор элементов орбиты для спутника Земли. Имеет смысл упростить задачу, разбив область наведения на несколько плоскостей, то есть поставить за каждым сервоприводом по плоскости, в которой он должен обнаружить объект или его проекцию на плоскость сервопривода. Следовательно, понадобится всего 2 координаты: азимут и возвышение, так как этого необходимо и достаточно для целей проекта.

Обе координаты могут быть получены из TLE данных. Главной проблемой в этом было ограничение угла поворота сервопривода – 180°. Решением этой проблемы стала рационализация в повороте сервопривода: была выведена формула, по которой рассчитывался угол поворота сервопривода, если заданный составляет более 180°.

Были исключены некоторые случаи работы сервопривода: если возвышение составляет угол меньше 0°, то есть имеет отрицательное значение, сервопривод не будет предпринимать попытки наведения на объект, так как это нецелесообразно. Отрицательные значения возвышения означают, что между объектом и аппаратом стоит Земля, и при прохождении сигнала через землю он глушится и не улавливается принимающей антенной. 

Разработка программного кода

В процессе программирования использовались библиотеки: SGP4, SPI, а также стандартные библиотеки для работы с сервоприводами и радиомодулем. SGP4 – библиотека, используемая для расчёта векторов орбитального состояния спутников и космического мусора относительно инерциальной системы координат Земли, в данном случае – помощник при расчётах координат из TLE данных. SPI – библиотека, позволяющая взаимодействовать с устройствами, поддерживающими SPI (Serial Peripheral Interface) протокол, в рассматриваемом случае – помогает взаимодействовать плате и радиопередатчику. 

В первую очередь были изучены алгоритмы работы с сервоприводами, радиомодулями и библиотека для их использования. Был написан программный код, который получает нужные нам значения угла поворота, а точнее – азимут и возвышение, из данных TLE формата. 

Следующим этапом было написание программного кода для связи между радиомодулями, то есть отправка сигнала с одного модуля и принятие этого сигнала другим. 

Анализ средств

Рассматривалось два варианта плат для основы: Arduino Uno R3 и Raspberry Pi. Для первой подходит язык программирования С++, для второй – как Python, так и С++. Python более удобен для работы, так как он является более высокоуровневым языком, однако по той же причине С++ считается более эффективным в плане скорости работы. Но все же главным критерием стала возможность использования на выбранной плате. Из них была выбрана Arduino, так как на ней больше возможностей для работы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Однако окончательным выбором стала плата We-Mos D1 Wi-Fi UNO (ESP8266 ESP-12E), так как авторы столкнулись с недостатком предоставляемой памяти на Arduino Uno R3.

В качестве радиоприёмника был выбран модуль NRF24L01+ из-за отсутствия доступных аналогов.

В выборе сервоприводов не было какого-либо параметра отбора, так как нет потенциальной разницы между различными моделями, они все подключаются и работают с выбранными платами – выбран сервомотор SG92R как самая доступная модель.

Для программирования системы был использован язык программирования C++. Он был выбран из-за того, что только он может быть скомпилирован в используемом программном окружении Arduino IDE для управления сервоприводами, отправки и принятия сообщения на платах на основе Arduino. 

Для создания 3D-модели рассматривалось две программы: Blender и Autodesk Fusion 360. Blender является дизайнерской программой, и в ней отсутствуют нужные инструменты для работы с точными размерами. Как оказалось, все модели, созданные в этой программе, в дальнейшем необходимо переделывать, поэтому вся последующая работа по созданию 3D-модели проводилась только в программе Autodesk Fusion 360. Так как эта программа инженерной направленности для точной работы с размерами, в ней также была проведена основная работа по созданию корпуса устройства и деталей для дальнейшей 3D-печати.

Сборка устройства

Задача устройства – навести по координатам спутника антенну сервоприводами и передать сигнал по радиоканалу. Необходимо определить самое рациональное расположение сервоприводов между собой, чтобы их расположение удовлетворяло методу наведения, разработанному ранее. Было принято решение расположить сервоприводы перпендикулярно между собой, поставив их друг на друга. Нижний сервопривод отвечает за наведение по азимуту, двигая платформу со вторым сервоприводом, который, в свою очередь, отвечает за наведение по координатам возвышения и имеет направленную антенну, прикреплённую к внешнему валу.

Основной корпус и коробки для сервоприводов и радиомодуля было решено распечатать на 3D-принтере из-за сложности их выполнения. После снятия деталей с 3D-принтера была проведена работа по очистке от зазубрин и удалению подпорок, которые ставил принтер.

Была найдена таблица с распиновкой каждого элемента и были подключены соответствующие пины проводами.

Собранное устройство представлено на рисунках ниже.

Результаты работы/выводы

В рамках проекта было разработано устройство, которое посредством работы сервоприводов и вычислений на основе TLE данных получает координаты объекта и наводит направленную антенну радиопередатчика на объект по полученным координатам. Тестирование программного кода и электрической схемы для передачи элементарных сообщений по радиоканалу, а также наведения сервоприводов показало, что методы, используемые для реализации проекта, работают безукоризненно.

Работа по разработке и реализации устройства, соответствующего целям проекта, была успешно проведена. Стоит отметить, что методы, используемые в процессе работ, оказались более чем успешны, а результат – приемлемым для оценки.

Перспективы использования результатов работы

Пропорциональное увеличение габаритов корпуса и сервоприводов, а также выполнение корпуса из металла в дальнейшем может сделать конструкцию более устойчивой и прочной для полноценного задействования аппарата в «полевых» условиях. 

Комбинирование нескольких аппаратов между собой и реализация автономного центра управления может создать аппарат с потенциалом работы намного выше, чем у разработанного авторами, т.к. можно будет принимать и передавать сигналы сразу с нескольких объектов и передавать полученные сигналы по другим каналам.

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Московская предпрофессиональная олимпиада школьников – победитель