Spis treści:
CanSat – to miniaturowy sztuczny satelita, który został zaprojektowany w wielkości puszki po napoju. Rozwiązanie to jest istotnym krokiem w rozwoju technologii kosmicznych, ponieważ pozwala na obserwację i badanie Ziemi z kosmosu. CanSaty mają szerokie zastosowanie, zarówno w edukacji, jak i w różnych dziedzinach nauki, takich jak meteorologia, geodezja, czy telekomunikacja.
CanSat - z czego się składa?
Autor artykułu pozwala sobie opisać projekt i budowę CanSata na przykładzie rozwiązania, którego był koordynatorem w jednej z wiodących szkół technicznych w Bytomiu. CanSaty są stosunkowo tanie w produkcji i doskonale sprawdzają się jako narzędzia do nauki i eksperymentowania w przestrzeni kosmicznej. Konstrukcja CanSata składa się z trzech głównych elementów:
- modułu komunikacyjnego, który odpowiada za przesyłanie danych z kosmosu na Ziemię,
- modułu zasilającego, który odpowiada za zapewnienie zasilania płycie sterującej CanSatem oraz wszystkimi podzespołami,
- modułu pomiarowego, który zbiera informacje z otoczenia satelity.
W budowie CanSata wykorzystuje się różnorodne czujniki i instrumenty pomiarowe, które pozwalają na monitorowanie parametrów atmosferycznych, takich jak temperatura, wilgotność, ciśnienie, itp.
CanSat - zastosowanie
Jednym z głównych celów misji CanSata jest zbieranie danych na temat środowiska ziemskiego z perspektywy kosmosu. Dzięki temu można monitorować zmiany klimatyczne, analizować warunki pogodowe, czy też badania odległych obszarów Ziemi. Ponadto, CanSaty pozwalają na testowanie nowych technologii i metod obserwacji kosmicznej, co ma kluczowe znacznie dla dalszego rozwoju eksploracji kosmosu. CanSaty są też narzędziem niezwykle istotnym w edukacji. Dzięki nim osoby zainteresowane ciekawymi rozwiązaniami technicznymi mają możliwość praktycznego eksperymentowania, zapoznania się z nowoczesnymi technologiami oraz zdobycia praktycznych umiejętności w dziedzinie naukowej. Programowanie, projektowanie, testowanie i analizowanie danych z CanSata to nie tylko fascynująca przygoda, ale również doskonała okazja do rozwijania talentów i kreatywności uczniów czy studentów.
Projektowany CanSat miał dwie misje:
- podstawową – podstawowym celem misji było uzyskiwanie ciągłych odczytów ciśnienia atmosferycznego i wartości temperatury, zapisując je na karcie SD, a następnie przesyłając drogą radiową co sekundę w celu poddania zebranych danych dalszej analizie,
- dodatkową – drugorzędnym celem misji było pobranie próbek powietrza na różnych wysokościach do odpowiednich pojemników, celem przekazania do laboratorium do analizy składu chemicznego.
CanSat - budowa urządzenia
Do budowy urządzenia wykorzystano zestaw zawierający wszystkie niezbędne komponenty elektroniczne do wypełnienia misji podstawowej minisatelity CanSat oraz stacji naziemnej, moduł zasilania (bez akumulatora/baterii), komputer pokładowy, moduły łączności bezprzewodowej, a także czujniki temperatury LM35 i ciśnienia atmosferycznego BMP280.
Płytka główna składa się z następujących bloków:
- układu zasilania – umożliwia zasilenie płytki i urządzeń zewnętrznych z pojedynczego ogniwa baterii litowo-jonowej lub innych ogniw o napięciach 2.5 – 5.0 V;
- komputera pokładowego – mikrokontroler zgodny z Arduino M0, z możliwością programowania przez port USB;
- magazynu danych – złącze na kartę microSD, dostępne z poziomu komputera pokładowego;
- modułu łączności bezprzewodowej – układ radiowy nadawczo-odbiorczy, oparty o standard LoRa, z zewnętrznym złączem antenowym.
Obudowa minisatelity CanSat, system odzysku (spadochron) oraz akumulator/bateria zasilająca zostały dodane przez zespół projektujący jako osobne rozwiązania techniczne.
Konstrukcja mechaniczna
Konstrukcja projektu została zaprojektowana z wykorzystaniem technologii modelowania 3D stosując materiał PET-G (politetrafluoroetylen) ze względu na jego wytrzymałość i odporność na wysokie temperatury.
Główne cechy konstrukcji to:
- materiał PET-G: gwarantuje trwałość i odporność na warunki zewnętrzne;
- mocowanie śrubowe: pokrywa konstrukcji wewnętrznej mocowana jest za pomocą śrub gwarantujących łatwy dostęp do wnętrza;
- możliwość dostosowania do zmian: Konstrukcja została zaprojektowana tak, aby była łatwa możliwość dostosowania do ewentualnych zmian konstrukcyjnych.
Konstrukcja ma wysokość 115 mm, średnicę 66 mm oraz waży 350 gramów.
Elementy elektryczne
W projektowanym CanSacie zastosowano układ Adel ATSAMD21G18, który jest w pełni kompatybilny z Arduino M0. Czujniki wykorzystywane do realizacji podstawowej misji to:
Parametry LM35 – do pomiarów temperatury
• Napięcie zasilania: od 4 V do 30 V
• Zakres temperatury roboczej: od -55°C do 150°C
• Czułość: 10mV/◦C
• Dokładność: ± 0,75◦C
• Pobór mocy: 60μA
Parametry BMP280 – tylko do pomiarów ciśnienia:
• Napięcie zasilania: od 1,71 V do 3,6 V
• Zakres temperatury roboczej: od -40°C do 85°C
• Zakres ciśnienia roboczego: 300 hPa do 1100 hPa
• Dokładność: ± 1hPa
• Rozdzielczość ciśnienia: 0,16 Pa
• Pobór mocy: 2,7 μA w trybie normalnym
Misja dodatkowa wprowadza pojedyncze serwo SG-92R do obsługi otwierania/ zamykania zaworów. Parametry serwa:
• Zakres ruchu: od 0◦ do 180◦
• Szybkość ruchu: 0,1 s/60◦
• Moment obrotowy: 2,5 kg/cm przy 4,8 V
• Napięcie zasilania: od 4,8 V do 6 V
• Pobór mocy: maks. 700mA/h
Aby zmaksymalizować szanse na odzyskanie CanSata po wystrzeleniu w powietrze zastosowano moduł GPS PA1616D o parametrach:
• Napięcie zasilania: 3,3 V lub 5 V
• Pobór mocy: 29 mA, gdy jest aktywny
• Czułość odbiornika: -165dBm
• Częstotliwość aktualizacji pozycji: 10 Hz
• Dokładność pozycji: ±3m
• Obsługiwane systemy nawigacji: GPS, GLONASS.
Moduł ten umożliwia precyzyjne śledzenie pozycji CanSata (szerokość i długość geograficzna) podczas lotu i po wylądowaniu.
Za zasilanie akumulatorowe urządzenia odpowiada ogniwo litowe – jonowe SAMSUNG INR18650-35E o parametrach:
• Napięcie nominalne: 3,7 V
• Pojemność: 3500 mAh
• Maksymalny prąd rozładowania: 8000mA
• Napięcie odcięcia rozładowania: 2,65 V
• Temperatura pracy: od -10◦C do 60◦C
W projektowanych mini satelitach ważne jest zużycie energii, które uwzględniając wszystkie podzespoły elektryczno – elektroniczne został oszacowany na 104 mA. Szczegółowe szacowane zużycie energii przedstawiono poniżej:
• Płyta główna: maks. 50mA
• Bezczynne serwo: 5mA
• Wszystkie ruchy serwa: 1,58 mA
• Dioda sygnalizacyjna: 20mA
• Moduł GPS: 29mA
• Czujnik ciśnienia BMP280: 2,7µA
• Czujnik temperatury LM35: 60µA
Biorąc pod uwagę powyższe przedstawione wartości ustalono, że żywotność akumulatora wyniesie około 33 godziny, co w zupełności wystarczyło do wykonania zaplanowanych misji.
Cała komunikacja odbywała się za pomocą modułu radiowego SX1278 w jednym kierunku, czyli z CanSata do stacji naziemnej. Dane przesyłane są jednorazowo w sposób ciągły raz na sekundę. Dane zawierają informacje dotyczące temperatury, ciśnienia, wysokości, prędkości pionowej i pozycji. System radiowy pracuje w paśmie 433MHz 70cm. Antena CanSat jest wykonana kabla o długości 17,3 cm podłączonego do płyty głównej CanSat.
Stacja naziemna
Zastosowano antenę typu YAGI: CDMA ATK-10/400-470 MHz. o parametrach:
• Pasmo: 400-470 MHz
• Zysk: 12 dBi
• Promieniowanie przód/tył: 16 dB
• Polaryzacja: V
• Impedancja wyjściowa: 50 Ω
• Długość: 1,4 m
Oprogramowanie CanSata
Oprogramowanie odgrywa kluczową rolę w sterowaniu urządzeniami elektronicznymi CanSata. Używanym językiem programowania jest C++, a środowiskiem programistycznym jest Arduino IDE. To kompleksowe oprogramowanie pozwala na skuteczne monitorowanie CanSata podczas misji, a także sprawne zbieranie i przesyłanie danych do stacji naziemnej. Urządzenie po uruchomieniu dokonuje wstępnej konfiguracji tworząc ustawienia pasma radiowego, ustawienie odniesienia barometrycznego, a także utworzenie sześciu osobnych plików do rejestracji danych: ciśnienie, wysokość, temperatura, pozycja GPS, prędkość pionowa i status zaworu.
Konfiguracja ta jest kluczowa dla zapewnienia prawidłowego działania systemu. Podczas misji oprogramowanie okresowo dokonuje odczytu pomiaru ciśnienia atmosferycznego, pozycji GPS, prędkości pionowej i poziomej oraz temperatury i ciśnienia z czujników. Jednocześnie określa wysokość z odczytów ciśnienia atmosferycznego, a następnie zapisuje wszystkie zebrane dane w odpowiednich plikach na karcie SD. Ponadto w przypadku misji dodatkowej oprogramowanie zarządza procesem otwierania i zamykania zaworu, dzięki czemu powietrze z otoczenia może zostać pobrane. Dane są gromadzone na karcie SD w tempie jednego zapisu na sekundę w oddzielnych plikach na pokładzie CanSata. Jedynym wyjątkiem jest status zaworu, który zostanie zarejestrowany jednorazowo, po pełnej sekwencji otwarcia i zamknięcia.
Podsumowując, CanSaty stanowią niezwykle ciekawe i wszechstronne narzędzie do badania i eksploracji kosmosu. Ich małe rozmiary, niskie koszty oraz szerokie zastosowania sprawiają, że są one coraz bardziej popularne nie tylko wśród naukowców, ale także wśród studentów i uczniów. Dzięki CanSatom można lepiej poznać naszą planetę, zgłębiać tajniki kosmosu oraz rozwijać zdolności techniczne i naukowe. Jest to z pewnością krok w przód w dziedzinie eksploracji kosmosu i technologii kosmicznych. W przypadku prezentowanego rozwiązania misje podstawowe i dodatkowe udało się zrealizować.
