Разработка исследовательского микроспутника

Актуальность

На данный момент микроспутники в основном запускаются в

качестве дополнительной нагрузки к обычным спутникам и проводят все исследования, находясь на орбите. Автор не нашёл информации о промышленном производстве и использовании микроспутников небольшого формата для запуска в нижние слои атмосферы. Исходя из оценки состояния решаемой проблемы, автор сделал вывод о том, что на данный момент не представлено устройства с возможностью быстрого анализа нижних слоёв атмосферы.

Цель

Создание исследовательского микроспутника для быстрого анализа среды нижних слоёв атмосферы в зоне запуска во время подъёма и спуска.

Задачи

1.      Проанализировать существующие аналоги.

2.      Углубиться в аспекты создания микроспутников.

3.      Осуществить расчёты и проектирование электронной составляющей аппарата.

4.      Осуществить расчёты и проектирование спасательной системы аппарата.

5.      Создать эскизы и модели корпуса аппарата.

6.      Подобрать материалы и компоненты.

7.      Развести платы для электронной составляющей аппарата.

8.      Осуществить сборку и крепление всех компонентов устройства.

9.      Реализовать программную составляющую аппарата.

10.    Провести тестирование проекта в реальных условиях.

11.    Провести анализ выбранных решений.

12.    Провести экологическую и экономическую оценку проекта.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Компьютер
• 3D-принтер
• Аккумулятор ROBITON LP-STB2-850
• Радиомодуль nrf24l01
• Плата E01-ML01SP2
• Направленная антенна
• Микроконтроллер atmega328

Описание

Прежде чем разрабатывать платы и программировать устройство, автор спроектировал полную схему подключения компонентов к микроконтроллеру.

Проектирование схемы подключения было выполнено в сервисе Proteus.

Автор решил сделать соединение плат максимально удобным и практичным. Соединение происходило не посредством пайки, а с помощью шлейфов, благодаря чему можно быстро и удобно заменять компоненты в случае необходимости.

Шлейф состоял из 16 проводов. Данное количество обусловлено тем, что в будущем предусматривается подключение большего количества датчиков, что в дальнейшем поможет избежать лишних изменений в конструкции.

Чтобы использовать подобный метод подключения, были спроектированы платы с данным разъёмом. Платы были разведены с помощью программного обеспечения EAGLE CAD.

Первая плата была изготовлена по лазерно-утюжной технологии.

Вторая плата была изготовлена с помощью соединений перемычками на макетной плате.

Для питания компонентов было решено использовать аккумулятор ёмкостью около 850mAh. Согласно расчётам, ёмкости аккумулятора хватит для работы в течение 3 часов и более, чего достаточно для множественных запусков без подзарядки. Было решено использовать аккумулятор ROBITON LP-STB2-850.

Чтобы приступить к программированию устройства, нужно было продумать алгоритм того, как будет происходить его работа: частота опроса датчиков, частота записи на карту памяти, параметры радиопередачи. Была реализована блок-схема алгоритма работы аппарата. Частота опроса датчиков и записи данных с них на SD-карту была выбрана в 50 ms, для того чтобы фиксировать кратковременные изменения в среде для последующего анализа. Частота приёма данных с NEO-6M и их запись на SD-карту осуществляется раз в секунду. Частота передачи данных по радиоканалу была выбрана в 125 ms для мониторинга местоположения аппарата и получения достаточного количества данных, в случае если аппарат не будет найден.

После включения микроспутник начинает в постоянном режиме передавать данные по радиоканалу. Чтобы отслеживать местоположение и получать данные телеметрии из радиопередачи, нужно иметь приёмную станцию. Поэтому автор изготовил свою мобильную приёмную станцию.

Сначала нужно было выбрать компоненты для её реализации. В качестве радиомодуля был выбран nrf24l01 в плате E01-ML01SP2, так как он уже используется в качестве передатчика самого аппарата. Далее нужно было выбрать антенну для увеличения дальности приёма. Была выбрана направленная антенна с коэффициентом усиления 8дБ, которая подойдёт для стабильного приёма данных. В качестве микроконтроллера использован ATmega328 в плате Arduino Nano, так как мощности данного микроконтроллера вполне достаточно для приёма и обработки данных радиоприёма, при этом данная плата очень распространена и имеет низкую стоимость.

Также нужно было выбрать материалы для изготовления корпуса. Корпус было решено печатать на 3D-принтере, а в качестве материала корпуса был выбран PLA-пластик по тем же причинам, что и для корпуса самого аппарата.

Следующим шагом нужно было соединить компоненты и изготовить плату, на которой будут размещены компоненты приёмной станции. Плата была изготовлена с помощью соединений перемычками на макетной плате.

Затем нужно было изготовить небольшой корпус с возможностью замены компонентов и креплением антенны на внешней части. Перед тем как изготавливать корпус, нужно подготовить его 3D-модель. Была спроектирована модель корпуса, к которой применены все вышеперечисленные критерии. Корпус был спроектирован в САПР Autodesk Inventor.

Далее был произведён слайсинг модели в ПО IdeaMaker, и деталь была распечатана на 3D-принтере.

Микроспутник может запускаться как внутри любительской ракеты-носителя, так и сбросом с высоты. В любом случае, чтобы аппарат приземлился в целости, нужно замедлить его падение. Для этих целей было решено изготовить купольный парашют, так как он способен выполнить задачу замедления аппарата в процессе падения и дёшев в исполнении.

Был выбран купольный тип парашюта в силу его простоты и надёжности. В первую очередь, нужно было произвести расчёты параметров купольного парашюта под вес аппарата. Также было решено использовать полярное отверстие для оптимизации конструкции. Затем нужно было продумать, как будет происходить раскрытие парашюта. Изначально возникла идея о выбросе парашюта при достижении определённой высоты, но такая система может подвести, а после каждого запуска нужно будет тратить время на перезарядку такой системы. Поэтому для наибольшей вероятности раскрытия парашюта и удобства повторной эксплуатации было решено использовать раскрытие за счёт набегающего потока воздуха при падении.

Наиболее удобный способ – крепить компоненты на пластине и вставлять её в паз внутри корпуса. Сам корпус в таком случае имеет цилиндрическую форму. Также нужно было предусмотреть отверстие в верхней части под петлю для парашюта, которая является частью пластины. Далее нужно было сделать верхнюю крышку с отверстиями под кнопку включения, разъём для зарядки и отверстия под болты для крепления крышки на корпусе. Затем было спроектировано быстросъёмное крепление для аккумулятора, которое будет защёлкивать его, чтобы он не болтался внутри корпуса во время полёта.

После сборки всех комплектующих согласно алгоритму была написана программа для считывания датчиков и GPS, записи данных на SD-карту в формате CSV и передачи их по радиоканалу. Программа была написана на языке C и скомпилирована под платформу AVR.

Для более детального анализа полёта было решено сделать веб-сайт с интерактивной картой, где можно проследить за перемещениями аппарата во время полёта и определить, что с ним происходило в конкретный момент времени. Был реализован веб-сайт, на котором находится интерактивная карта.

Внутри карты – метки, где пролетал аппарат. При нажатии на метку можно увидеть данные, которые считал аппарат в этот момент времени, а также проанализировать эти данные, сравнив их с графиками, которые строятся на правой части экрана. Вёрстка сайта была реализована с помощью языка разметки HTML, интерактивная карта была реализована на языке программирования JavaScript с использованием Google Maps API.

После полной сборки и программирования были произведены тестирование устройства и его запуск в рамках регламента регулярной лиги Воздушно-инженерной школы CanSat.

Результаты работы/выводы

В итоге работы над проектом были решены все поставленные задачи и полностью собран, запрограммирован и подготовлен к использованию микроспутник, который может использоваться для сбора данных о воздушной среде. Проведено тестирование, в ходе которого не было выявлено критических проблем в устройстве конструкции и работоспособности аппарата. Проведён тестовый запуск в реальных условиях на полигоне. В ходе тестового запуска аппарат не пострадал, все данные были успешно считаны, расшифрованы и визуализированы.

Данный проект также выполнил свою обучающую задачу. В ходе работы над проектом были получены знания и навыки в разных областях, таких как низкоуровневое программирование, высокоуровневое программирование, радиоэлектроника, схемотехника, пайка, 3D-моделирование. Также были сделаны выводы о важности заблаговременных расчётов, проектирования, моделирования и продумывания хода решения задачи.

Микроспутник показал себя наилучшим образом. Система спасения была спроектирована и изготовлена верным образом, так как сработала штатно, раскрытие парашюта произошло вовремя, а скорость спуска была на уровне рассчитываемой. Запуск проводился в первой версии корпуса, он обеспечил безопасность аппарата, все комплектующие готовы к последующему запуску после приземления. Программа была реализована верным образом, во время полёта данные стабильно передавались по радиоканалу и записывались на SD-карту, датчики производили измерения в штатном режиме. Приёмная станция также сработала успешно, а благодаря данным с GPS-модуля, переданным по радиоканалу, аппарат был успешно найден.

Перспективы использования результатов работы

Устройство может использоваться в различных сферах деятельности. Это могут быть метеорологическое исследование, анализ среды с целью получения нужных данных при чрезвычайных ситуациях.

В дальнейшем после полной доработки нового варианта соединений и корпуса планируется тестовый запуск новой версии аппарата в регламенте регулярной лиги Воздушно-инженерной школы CanSat.