Rev Author Line No. Line
2849 kaklik 1 \documentclass[12pt,a4paper,twoside]{article}
2 \usepackage[colorlinks=true]{hyperref}
3 \usepackage[utf8]{inputenc}
4 \usepackage[czech]{babel}
5 \usepackage{graphicx}
2852 pomiceva 6 \usepackage{fancyhdr}
7 \usepackage{fullpage}
8 \usepackage[top=5cm, bottom=10cm, left=2.5cm, right=2.5cm]{geometry}
9 \textwidth 16cm \textheight 20cm
10 \topmargin 0cm
2849 kaklik 11 \oddsidemargin 0cm
2852 pomiceva 12 \pagestyle{fancy}
13 \addtolength{\headsep}{30 pt}
14 \addtolength{\footskip}{50 pt}
15  
16 \fancyfoot{}
3027 kaklik 17 \fancyfoot[L]
3033 kaklik 18 {\raisebox{-0.75cm}{\includegraphics[width=1.5cm]{img/datamatrix.png}} \begin{tabular}{cc}
3028 kaklik 19 pomiceva & jichapav \\
20 kakonjak & poskozby\\
21 hanuson1 & \\
3027 kaklik 22 \end{tabular}
23 }
2852 pomiceva 24 \fancyfoot[R] {\thepage}
25  
26  
2849 kaklik 27 \begin{document}
2852 pomiceva 28 \title{Technická zpráva - Automatický vypouštěč meteobalónů}
29 \author{Eva Pomíchalová\\ Jakub Kákona\\ Ondřej Hanus\\ Pavel Jícha\\ Zbyněk Poskočil}
2849 kaklik 30 \maketitle
31  
2852 pomiceva 32 \thispagestyle{fancy}
33 \newpage
2849 kaklik 34 \begin{abstract}
2852 pomiceva 35 \input{abstrakt.txt}
36  
2849 kaklik 37 \end{abstract}
2852 pomiceva 38 \newpage
2849 kaklik 39  
3037 pomiceva 40 %\begin{figure} [htbp]
41 %\begin{center}
42 %\includegraphics [width=80mm] {box.JPG}
43 %\end{center}
44 %\end{figure}
2849 kaklik 45  
46 \tableofcontents
47 \newpage
48  
3025 kaklik 49 \section{Automaticky vypouštěný sondážní balon}
2849 kaklik 50  
3026 kaklik 51 \subsection{Cíle konstrukce systému}
3025 kaklik 52  
3026 kaklik 53 \subsubsection{Síť pro detekci dopadu meteorů}
54  
55 \begin{figure}
56 \centering
3033 kaklik 57 \includegraphics[width=15cm, height=9cm]{img/SchemaCeleSite.png}
3026 kaklik 58 \caption{Schéma celé sítě}
59 \label{fig:blokcelasit}
60 \end{figure}
61  
2849 kaklik 62 Celý systém by měl být robotizovaným doplňkem sítě
3004 kaklik 63 \href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:rmds}{radiových detektorů meteorů}, případně pak i
64 její vizuální varianty (video pozorování a bolidové kamery).
2849 kaklik 65  
3033 kaklik 66 Účel zařízení je zpřesnit odhad trajektorie temné dráhy meteoritu v
2849 kaklik 67 atmosféře zavedením korekcí na proudění vzduchových mas během letu. A
3033 kaklik 68 tím v důsledku zmenšit plochu dopadové elipsy meteoritu na zemský povrch.
2849 kaklik 69  
70 Údaje o proudech v atmosféře budou získány balónovou sondou vypuštěnou
71 bezprostředně po detekci průletu bolidu atmosférou. Místo vypuštění
72 balónové sondy by mělo být zvoleno automaticky na základě odhadu dráhy
73 meteoru a známých souřadnic balónových sil v síti.
74  
75 Důležitou součástí systému je plně robotizovaná vypouštěcí stanice
76 (balónové silo), která umožní vypuštění sondy ze známých souřadnic bez
77 zásahu lidské obsluhy. Vedlejším produktem takového vývoje bude zařízení
78 schopné v budoucnu automatizovat i vypouštění klasických
79 meteorologických
80 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Radiosonde}{radiosond}.
81  
3026 kaklik 82 \subsubsection{Automatické vypouštění meteorologických radiosond}
2849 kaklik 83  
3033 kaklik 84 Meteorologické sondy jsou dnes prakticky výhradně vypouštěny ručně nafouknutím balonu vodíkem, jeho uvázáním na na sondu a vypuštěním. Již dříve však bylo učiněno několik pokusů o automatizaci tohoto procesu \cite{automacic_balloon_launcher}. Avšak zatím žádný nedosáhl praktického nasazení. Což je pravděpodobně způsobeno komplikovaností procesu a zajištěním spolehlivosti tohoto řešení. Náročnost úlohy se podstatně zjednodušuje v případě, že vypouštěcí systém bude konstruován na jednorázové použití, jako je tomu v případě aplikace v síti pro detekci dopadu meteorů.
3025 kaklik 85  
86 \section{Pozemní vypouštěcí box}
87  
3004 kaklik 88 Pozemní stanici balónové sítě tvoří kompaktní krabice obsahující
89 techniku potřebnou k vypuštění balónové sondy. Zařízení je
2849 kaklik 90 konstruováno tak, aby bylo schopné vydržet řádově několik roků v
91 pohotovostním režimu, a čekat na příkaz k vypouštění sondy.
92  
3027 kaklik 93 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 94  
3005 poskozby 95 Většina řídící elektroniky je složena z modulů
2849 kaklik 96 \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}
97  
3004 kaklik 98 Komunikace s řídícím systémem sítě stanic je aktuálně řešena terminálem na RS232 tvořeného modulem \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/RS232SINGLE01A}{RS232SINGLE01A} respektive jeho USB variantou \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/USB232R01B}{USB232R01B}. Další možnosti připojení jsou následující:
2849 kaklik 99  
100 \begin{itemize}
3009 kaklik 101 \item Ethernet - modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/ETH01A}{ETH01A}
102 \item Konvertor z TTL na sběrnici CAN \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLCAN01B}{TTLCAN01B}
103 \item Konvertor z TTL na sběrnici RS485. \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLRS48501A}{TTLRS48501A}
104 \item GSM výhodné pro odlehlé oblasti a odesílání informací o poruchách.
105 \item USB - je přímo osazeno na použitém řídícím modulu a lze jej použít jako servisní terminál a k aktualizaci firmwaru pomocí bootloaderu.
2849 kaklik 106 \end{itemize}
107  
3004 kaklik 108 Jako hlavní řídící MCU této jednotky byl vybrán ARM STM32F103R8T v modulu
3009 kaklik 109 \href{/doku.php?id=cs:stm32f10xrxt}{STM32F10xRxT01A}. Firmware je pak dále popsán v kapitole \ref{Box_firmware}.
2849 kaklik 110  
3027 kaklik 111 \subsection{Elektronika pozemní stanice}
2849 kaklik 112  
3027 kaklik 113 \subsubsection{Napájení elektronických subsystémů}
114  
3004 kaklik 115 Ve vývojové fázi funkčního vzoru je napájení systému řešeno PC ATX zdrojem, ze kterého jsou využity +5 V a +12 V větve. Toto řešení se neukázalo jako příliš optimální vzhledem ke špatné spolehlivosti PC zdrojů při provozu s nízkou zátěží v dalším prototypu bude proto ATX zdroj pravděpodobně nahrazen jiným spínaným zdrojem určeným pro tento druh aplikace.
2849 kaklik 116  
3028 kaklik 117 Výhodným řešením by také mohlo být využití fotovoltaických článků, které by v případě umístění na odsuvné střeše bylo možné využít k detekci zakrytí střechy.
3004 kaklik 118  
3028 kaklik 119  
3025 kaklik 120 \subsection{Mechanická konstrukce}
3004 kaklik 121  
3033 kaklik 122 <<<<<<< .mine
123 Box tvoří plastová krabice o rozměrech 57x39x42 cm, zakoupená v IKEI a bočnice a střecha z polykarbonátu. Výsledné uspořádání připomíná psí boudu a bylo takto navrženo za účelem snadného otevírání střechy.
124 Bočnice mají tvar obdélníku, na kterém je posazen přesahující rovnoramenný trojúhelník. Obdélníková část je přichycena ke krabici a na trojúhelníkové části je posazena střecha, která je tvořena ze dvou desek. Tyto střešní desky, které se kvůli dešti navzájem trochu překrývají, jsou uvnitř ve vrcholu střechy spojeny páskou. Při přetavení pásky rezistorem, sjedou samovolně střešní desky po bočnicích na zem. Celý systém je znázorněn na obrázku.
125 =======
3032 pomiceva 126 Box tvoří plastová krabice o rozměrech 57x39x42 cm, zakoupená v obchodním řetězci IKEA. Bočnice a střecha jsou vyřezány z dutinkového polykarbonátu (menší zátěž, dostatečně pevný). Výsledné uspořádání je vidět na obrázku \ref{fig:box} a bylo takto navrženo za účelem snadného otevírání střechy.
127  
3031 pomiceva 128 Bočnice mají tvar obdélníku, na kterém je posazen přesahující rovnoramenný trojúhelník. Obdélníková část je přichycena ke krabici a na trojúhelníkové části je posazena střecha, která je tvořena ze dvou desek. Tyto střešní desky, které se z důvodu vodotěsnosti navzájem překrývají, jsou uvnitř ve vrcholu střechy spojeny páskou. Při přetavení pásky rezistorem, se spustí vlivem gravitační síly po bočnicích na zem.
3033 kaklik 129 >>>>>>> .r3032
3004 kaklik 130  
3025 kaklik 131 \subsubsection{Akční členy}
3004 kaklik 132  
133 Většina akčních členů je konstruována s důrazem na maximální
134 spolehlivost. Akční členy proto jsou pružiny s
2852 pomiceva 135 přepalovacími PE pojistkami (silonové vlákno, nebo stuha
3005 poskozby 136 přepalovaná výkonovým rezistorem) ke spínáni proudu do rezistorů
3004 kaklik 137 je využit modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/NFET4X01B}{NFET4X01B}
2849 kaklik 138  
3009 kaklik 139 Dále se nám podařilo sestrojit prototyp odpalování pružiny pro otevírání víka pozemní vypouštěcí stanice. Tento pokus nejlépe ilustruje toto
140  
141 \href{http://www.mlab.cz/redmine/attachments/download/3/video-2013-03-09-23-43-33.mp4}{video}.
142  
143 U tohoto prototypu bylo zjištěno, že doba přepalování je poměrně dlouhá, což není vhodné. Jedním ze záměrů zhotovitele bylo nezničit odpor, což pravděpodobně nebude možné, aby doba spouštění nebyla příliš dlouhá.
3025 kaklik 144  
3037 pomiceva 145 Při jednom z testovacích odpalů bylo zjištěno, že u tohoto řešení pro otevření střechy hrozí sesunutí stuhy či silonu mimo rezistor. Tomuto bylo zabráněno vložením plastového článku navrženého přímo pro tyto účely a vytvořeného pomocí 3D tiskárny. Tento článek usměrňuje stuhu před rezistorem (obrázek \ref{fig:3Dtiskarna}).
146  
3009 kaklik 147 \begin{figure}[hbtp]
148 \centering
3025 kaklik 149 \includegraphics[width=10cm]{img/odpalovac2.jpg}
150 \caption{Prototyp pojišťovacího mechanismu}
3009 kaklik 151 \label{fig:odpalovac}
152 \end{figure}
153  
3037 pomiceva 154 \begin{figure}[hbtp]
155 \centering
156 \includegraphics[width=10cm]{img/vodiciClanek.jpg}
157 \caption{Vodící článek pro stuhu}
158 \label{fig:3Dtiskarna}
159 \end{figure}
160  
3033 kaklik 161 V produkční verzi by mela být kosntrukce řešena polyfúzně svařovanou plastovou bednou dostatečně těsnou, aby nebyla zajímavá pro hlodavce a další havěť.
3025 kaklik 162  
163 Rozměry by měly být upraveny tak, aby umožnila vypouštění i současných profesionálních balónových sond.
3009 kaklik 164  
3033 kaklik 165 <<<<<<< .mine
3037 pomiceva 166 Jiná možnost otevření střechy je použít panty. Tyto panty by, držely střešní desky v zavřené poloze a po přepálení pásky rezistorem, by se tyto desky vyklopily do stran, jak je znázorněno na obrázku. Pohyb, který by střešní desky musely vykonat, by byl zajištěn pružinami. Nejvhodnější řešení by bylo použít zkrutnou pružinu, u každého pantu.
3033 kaklik 167 =======
3037 pomiceva 168 Dalším možným řešením otevírání střechy jsou panty. Tyto panty by držely střešní desky v zavřené poloze a po přepálení pásky rezistorem by se tyto desky vyklopily do stran, jak je znázorněno na obrázku \ref{fig:oteviraniStrechy}. Pohyb, který by střešní desky musely vykonat, by byl zajištěn pružinami. Nejvhodnějším řešením je použití zkrutné pružinu u každého pantu.
3033 kaklik 169 >>>>>>> .r3032
3024 kaklik 170  
3037 pomiceva 171 \begin{figure}[hbtp]
172 \centering
3038 pomiceva 173 \includegraphics[width=16cm]{img/otevirani_strechy2.jpg}
3037 pomiceva 174 \caption{Otevírání střechy}
175 \label{fig:oteviraniStrechy}
176 \end{figure}
177  
3025 kaklik 178 \subsubsection{Uzavírací mechanismus balónu}
3024 kaklik 179  
3032 pomiceva 180 Jako uzavírací a vypouštěcí systém balónu je použito odporové svařování. Toto svařování je umístěno v lisovacím mechanismu, který má za úkol stisknout nohavici balónu, jež přivádí nosný plyn do balónu. V poslední fázi činnosti tohoto mechanismu je nohavice příčně přetavena. Tím dojde k uzavření přívodu do balónu a zároveň k odpoutání balónu od uzavíracího systému. K uvolnění balónu je potřeba dostatečný vztlak, jenž přetrhne natavený materiál a uzavřený balón pak začne stoupat.
181  
3037 pomiceva 182 Lis je tvořen pohyblivou přítlačnou plochou a pevnou zarážkou s odporovým drátem. Přítlačná plocha je schopna posuvného pohybu po kolejnicích s přírazem k pevné zarážce. O přítlak se starají dvě pružiny umístěné na kolejnicích za plošinou, jak je vidět na obrázku \ref{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}.
3032 pomiceva 183  
3024 kaklik 184 Pro snadnější rozevírání lisu a jeho spuštění je použit naviják, který přitahuje přítlačnou plošinu. Po dostatečném rozevření lisu, je naviják zajištěn páskou, která je vedena přes rezistor. Lis je aktivován tak, že rezistor přetaví pásku, zajišťující naviják. Naviják se uvolní a pružiny sevřou lis.
185  
3032 pomiceva 186 Na pevné zarážce je natažen odporový drát, který má za úkol přetavit nohavici stisknutou lisem. Aby nedošlo k příliš rychlému přetavení nohavice, je přes odporový drát přetažen pauzovací papír. Pro lepší účinnost systému je pauzovacím papírem potažena i přítlačná plošina. Pauzovací papír se postará o lepší rozložení tepla a zároveň brání přitavení nohavice k lisu.
187  
188 Pro správnou funkci lisu je důležitá poloha, ve které doléhá přítlačná plošina k zarážce. Přítlačná plošina musí doléhat tak, aby její horní hrana byla v zákrytu s horní hranou odporového drátu. Pokud by plošina byla posunuta výše, došlo by sice k přetavení, ale balón by se nedokázal vlastní silou odpoutat od systému, protože by byl stále držen lisem. Pokud by plošina byla posunuta níže, nedošlo by k správnému uzavření a odpoutání balónu. Při správném nastavení plošina doléhá přesně na hraně odporového drátu, dojde k uzavření balónu a jeho následnému odpoutání. Správné nastavení je znázorněno na obrázku \ref{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}.
189  
3025 kaklik 190 \begin{figure}[hbtp]
191 \centering
192 \includegraphics[width=15cm]{./img/uzaviraci_mechanismus.jpg}
193 \caption{Nákres uzavíracího mechanismu balónu}
194 \label{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}
195 \end{figure}
3024 kaklik 196  
3027 kaklik 197 \subsubsection{Napouštěcí systém balónu}
198  
3032 pomiceva 199 Pneumatika napouštěče balónu řeší problém dávkování nosného plynu do balónu. Pro experimenty s funkčním vzorem přístroje bylo jako nosný plyn vybráno helium (bezpečný inertní plyn).
3027 kaklik 200  
201 Pro dávkování nosného plynu do balónu byly uvažovány dva koncepty.
202  
203 \begin{enumerate}
204 \item Použití jednorázové plynové kartuše naplněné právě potřebným množstvím plynu.
205 \item Použití opakovaně plnitelné tlakové lahve
206 \end{enumerate}
207  
208 \paragraph{Tlaková nádoba}
209  
3032 pomiceva 210 Pro první případ uvažující jednorázovou plynovou náplň byla vybrána tlaková nádoba zobrazena na obrázku \ref{fig:helium}. Její původní plánované využití je pro miniautogeny a je plněna tlakem 100 bar. Výhodou je výstupní šroubení M10x1 a uzavírání tlačným kuželovým ventilem, který by mělo být možné uvolňovat šroubovacím mechanismem. Například s pružně uloženým trnem.
3027 kaklik 211  
212 \begin{figure}
213 \centering
214 \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{img/Kartuse_s_heliem.png}
215 \caption{Konstrukce ventilu plynové kartuše s héliem}
216 \label{fig:helium}
217 \end{figure}
218  
3032 pomiceva 219 V originálním uspořádání je tlačný kuželový ventil otevírán redukčním ventilem, který je vidět na obrázku \ref{fig:ventil_autogen}.
3027 kaklik 220  
221 \begin{figure}
222 \centering
223 \includegraphics[width=10cm]{img/Redukcni_ventil.png}
224 \caption{Redukční ventil}
225 \label{fig:ventil_autogen}
226 \end{figure}
227  
228 Ten kromě kuželu a přítlačné pružiny obsahuje ještě i zpětný ventil s hadičníkem, který lze z těla redukčního ventilu odšroubovat.
229  
3032 pomiceva 230 Pro konstrukci prototypu napouštěče balónu bylo potřeba opakovaně experimentovat s procesem napouštění a problém opakovaného naplnění plynové kartuše a otevírání kuželového ventilu se nepodařilo z časových důvodů vhodně vyřešit.
3027 kaklik 231  
3032 pomiceva 232 Z toho důvodu byla použita opakovatelně plnitelná tlaková nádoba v kombinaci s klasickým redukčním ventilem na kyslík.
3027 kaklik 233  
234 \begin{figure}
235 \centering
236 \includegraphics[width=10cm]{img/Lahev_helium.jpg}
237 \caption{Znovuplnitelná lahev na technické plyny}
3028 kaklik 238 \label{fig:refillable_gas_cilinder}
3027 kaklik 239 \end{figure}
240  
241 \begin{figure}
242 \centering
243 \includegraphics[width=10cm]{img/redukcni_ventil_vodik.jpeg}
244 \caption{Redukční ventil na vodík - tento ventil byl pořízen s očekáváním lepších parametrů, než ventil kyslíkový, má však ale levý závit. (Jako všechny ventily pro hořlavé plyny splňující normu)}
245 \label{fig:redukcni_ventil_vodik}
246 \end{figure}
247  
248 \begin{figure}
249 \centering
250 \includegraphics[width=10cm]{./img/redukcni-ventil-autogen-kyslik.jpg}
251 \caption{Redukční ventil na kyslík sloužící jako náhrada za vodíkový redukční ventil s levým závitem}
3028 kaklik 252 \label{fig:redukcni_ventil_kyslik}
3027 kaklik 253 \end{figure}
254  
255  
3032 pomiceva 256 Helium je pak dávkováno elektromagnetickým ventilem.
3027 kaklik 257  
258 \begin{figure}
259 \centering
260 \includegraphics[width=10cm]{img/elektromagneticky_ventil.jpg}
261 \caption{Elektromagnetický dávkovací ventil}
262 \label{fig:elmag_ventil}
263 \end{figure}
264  
3032 pomiceva 265 Toto uspořádání má značnou nevýhodu. Helium je pod stálým tlakem ve značném objemu aparatury. Vlivem netěsností a difuze skrz materiály s nízkou hustotou, jako jsou například hadice, nebo pryžová těsnění z ní tak postupně uniká.
3027 kaklik 266  
3032 pomiceva 267 Toto chování bylo demonstrováno při zkouškách prototypu natlakováním asi 1m dlouhé hadice s průměrem 6 mm přes redukční ventil na jejím druhém konci pak byl připojený manometr, na kterém bylo možné sledovat klesání tlaku v hadici. Tlak z původních 0,4 MPa klesl během několika desítek minut na 0,2 MPa. Dále přes noc klesl až k nule. Hadice byla k regulačnímu ventilu a manometru připojena kvalitními nástrčnými šroubeními pro technické plyny se závity těsněnými teflonovou páskou.
3027 kaklik 268  
3032 pomiceva 269 Je tedy zřejmé, že systém se stále otevřenou tlakovou lahví a regulačním ventilem nemůže být použit v produkční verzi zařízení, neboť nelze zaručit trvanlivost náplně v tlakové nádobě po delší dobu.
3027 kaklik 270  
271  
3026 kaklik 272 \subsection{Diagnostika stavu systému}
273  
274 \begin{itemize}
275 \item
276 Kontrola úspěšného startu (měření vztlaku balónu)
277 \item
278 Měření teplot, tlaku plynové náplně, průtoku média do balónu.
279 \item
280 Vlhkost uvnitř krabice (průsak a ztráta vodotěsnosti proražením víka a
281 podobně)
282 \end{itemize}
283  
284 \subsubsection{Meteorologická data}
285  
286 Základní meteorologické veličiny nutné pro rozhodnutí o startu jsou snímány lokálně (teplota, tlak, relativní vlhkost, směr rychlost větru) jsou snímány meteostanicí \href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:aws}{AWS01B} a lokálně zaznamenáván společně s údaji z \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A} (pozice stanice a přesný čas) logu a reportu o průběhu startu.
287  
288  
3025 kaklik 289 \subsection{Firmware pozemní stanice}
3009 kaklik 290 \label{Box_firmware}
2849 kaklik 291  
3025 kaklik 292 \subsubsection{Real-time operační systém}
3005 poskozby 293 Pro ovládání celého systému byl zvolen real-time operační systém (RTOS). Ten byl zvolen především pro zjednušení programování vypouštěče, konkrétně nastavování periférií procesoru a řízení vícevláknové aplikace na něm běžící.\\
3032 pomiceva 294 Jako RTOS pro tuto aplikaci tak byl zvolen ChibiOS, který splňuje standardní požadavky na RTOS a navíc s ním byly v týmu zkušenosti při programování jiných aplikací pod procesory ARM a ovládání modulů \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}.
3009 kaklik 295  
3025 kaklik 296 \subsubsection{Funkce firmwaru}
3009 kaklik 297  
3032 pomiceva 298 Aplikaci pro ovládání odpalování je možné rozdělit na čtyři funkční bloky, které jsou realizovány pomocí vláken. Funkční diagram je zobrazen na obrázku \ref{fig:Diag_firmware}. V následujících odstavcích bude podrobněji rozebrána funkce jednotlivých vláken aplikace.
3025 kaklik 299 \paragraph{Blikání LED}
3032 pomiceva 300 V tomto vlákně je realizované prosté blikání LED, které slouží pro signalizaci běhu programu. Mezi tím, kdy dioda svítí a nebo je vypnutá, je vlákno uspáno. Tím je vyřešeno jak časování, tak úspora prostředků procesoru.
3025 kaklik 301 \paragraph{Vypouštění}
3032 pomiceva 302 Toto vlákno se stará o kompletní sekvenci pro vypuštění balónu. Po spuštění a inicializaci proměnných spadne program do nekonečné smyčky, ve které je následně uspán a čeká na probuzení. To nastane ve třech případech:\\
3002 kaklik 303 \begin{enumerate}
304 \item Příjem příkazu pro odpal
305 \item Příjem příkazu pro zrušení odpalu
306 \item Probuzení od časovače
307 \end{enumerate}
308 Ad. 1. Po příjmu příkazu, který zahajuje celou sekvenci odpalování se vypíše na terminál zpráva o zahájení vypouštění a sepne se pin, na kterém je připojen aktuátor, který otevírá víko krabice, ve které je balón uložen (v době vykonávání každého kroku je na terminál vypisována informace o tom, kolik procent z daného kroku je již vykonáno). Pomocí koncového spínače je snímána informace o tom, zda se střecha opravdu otevřela, pokud se tak nestalo, je celá sekvence ukončena. Pokud snímač indikuje otevření střechy, přistupuje se k dalším kroku.\\
3032 pomiceva 309 Tím je otevření ventilu a následné zahájení napouštění balónu. Tento krok není v současné době nijak zpětnovazebně snímán - je dán pouze čas, kdy je ventil otevřen. Do budoucna by bylo vhodné použíti měření průtoku k získání informace, zda je balón opravdu napuštěn daným množstvím plynu.\\
310 Třetím krokem celé sekvence je přepálení plastové pojistky, která spouští tavící lis. Po pevně dané časové prodlevě, která by měla být dostačující pro přetavení, je pomocí koncového spínače zjištěno, zda se pojistka přetavila. Pokud ano, pokračuje se posledním krokem, pokud ne, dochází opět k přerušení odpalovací sekvence a návrat do výchozího stavu.\\
311 Posledním krokem je zatavení naplněného balónu. V tomto kroku je opět nadefinován čas, po který dochází k zatavování balónu pomocí odporového drátu. Po uplynutí nadefinované doby je balón zataven, na terminál je vypsána informace o ukončení vypouštění a všechny výstupy jsou v neaktivním stavu.\\
3002 kaklik 312 Ad. 2. V případě příjmu zprávy, která přikazuje ukončení procesu odpalování, se deaktivují výstupy aktivní během vypouštění a uživatel je informován o úspěšném přerušení celé sekvence.\\
3032 pomiceva 313 Ad. 3. Pro přesné časování během celého procesu odpalování je využito funkce časovače. Ten se v každém kroku odpalování sepne na určitou dobu, která je celočíselným násobkem celkové doby, jež se čeká v daném kroku. Tento postup byl zvolen z toho důvodu, aby mohla být průběžně aktualizována zpráva pro uživatele vyjadřující čas, který zbývá do ukončení daného úkolu.
3004 kaklik 314  
3025 kaklik 315 \paragraph{Příjem příkazu od uživatele}
3004 kaklik 316  
3032 pomiceva 317 Pro komunikaci s uživatelem je využito sériové linky. Ta se využívá jak pro informování uživatele o aktuálním stavu programu, tak zároveň k příjmu příkazů od uživatele. Celý algoritmus příjmu příkazu spočívá ve vyčítání znaků zadaných uživatelem znak za znakem až do té chvíle, kdy je stisknut ENTER a nebo je překročena maximální délka příkazu. Poté se buď zadaný příkaz dekóduje a následně provede a nebo je vypsána informace, že příkaz nebyl rozeznán.
3004 kaklik 318  
3025 kaklik 319 \paragraph{Příjem dat z GPS modulu}
3004 kaklik 320  
3002 kaklik 321 Posledním vláknem využívaném ve firmwaru vypouštěče je vlákno, které se stará o příjem a dekódování NMEA zprávy posílané po sériové lince z GPS modulu
3025 kaklik 322 \cite{GPS_ublox}. Každou vteřinu je vyčítána NMEA zpráva a z ní je vybrána GPRMC zpráva, ze které je následně získána informace o aktuálním čase, datu a poloze stanice. Tato informace slouží jednak pro přesné logování událostí a zároveň v budoucnu pro snadné lokalizování vypouštěcí stanice.
323  
3026 kaklik 324 \subsubsection{Uživatelské rozhraní}
325  
3005 poskozby 326 Při spuštění terminálu se po resetu programu procesoru vypíše úvodní zpráva s nápovědou, na kterých výstupních pinech procesoru jsou připojeny jednotlivé akční členy. Poté program přechází do pohotovostního režimu a čeká na příkaz od uživatele. Tyto příkazy jsou:
3004 kaklik 327  
3002 kaklik 328 \begin{enumerate}
329 \item odpal
330 \item zrus (nebo písmeno "s")
331 \item help
332 \item check
333 \end{enumerate}
3004 kaklik 334  
3005 poskozby 335 Příkaz \textbf{odpal} spustí vypouštěcí sekvenci probuzením daného vlákna pro vypouštění. Příkaz \textbf{zrus} zastaví vypouštěcí sekvenci, pokud byla zahájena a informuje o tom výpisem o ukončení vypouštění. Zároveň jde vypouštění zrušit okamžitě stisknutím "s" bez nutnosti potvrzovat příkaz enterem. Příkaz \textbf{help} vypíše stejnou úvodní zprávu jako po resetu programu. Poslední příkaz \textbf{check}, lze použít pro kontrolu stavu vypouštěče před začátkem vypouštění. Po zadání tohoto příkazu jsou na terminál vypsány informace o aktuálních stavech použitých senzorů. Lze tak například zkontrolovat, že střecha není zajištěna, nebo že je lis již spuštěn.
2849 kaklik 336  
3002 kaklik 337 \begin{figure}[hbtp]
3006 kaklik 338 \begin{center}
3004 kaklik 339 \includegraphics[height=200mm]{./img/program_flow.png}
3002 kaklik 340 \caption{Funkční diagram firmwaru Automatického vypouštěče}
3005 poskozby 341 \label{fig:Diag_firmware}
3006 kaklik 342 \end{center}
3002 kaklik 343 \end{figure}
344  
345  
3008 kaklik 346 \begin{figure}
3006 kaklik 347 \begin{center}
348 \includegraphics[width=10cm] {./img/Schema_ARM.png}
2852 pomiceva 349 \caption{Blokové schéma pozemního vypouštěcího boxu}
350 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 351 \end{center}
2852 pomiceva 352 \end{figure}
2849 kaklik 353  
354  
3025 kaklik 355 \section{Balónová sonda}
2849 kaklik 356  
3032 pomiceva 357 Hlavním úkolem meteorologické sondy je v případě použití systému ke zpřesnění dráhy dopadu meteoru změření směrů a rychlostí větru. Z tohoto hlediska jde proto o meteorologickou sondu označovanou jako \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Rawinsonde}{Rawinsonde}.
3028 kaklik 358  
2849 kaklik 359 Neletový prototyp sondy bude vyvinut za použití modulů stavebnice
360 \href{http://www.mlab.cz/Server/GenIndex/GenIndex.php?lang=cs\&path=/Modules}{MLAB}
361  
362 \href{/doku.php?id=cs:atmegatq32}{ATmegaTQ3201A},
363 \href{/doku.php?id=cs:sdcard}{SDcard01B},
3032 pomiceva 364 \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A}.
2849 kaklik 365  
3027 kaklik 366 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 367  
368 GPS na sondě by měla být udržovaná ve stavu FIX, aby pak nedocházelo ke
369 zpoždění v důsledku čekání na fix.
370  
371 \paragraph{Komunikace (Telemetrické údaje)}
372  
373 \begin{itemize}
374 \item
375 Primárním cílem je měření rychlosti a směru větru ve známých bodech.
376 \item
377 GPS údaje 10Hz, textový výstup
378 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/NMEA\_0183}{NMEA}
379 \item
380 další veličiny jako teploty, tlaky atd. jsou volitelné.
381 \item
3032 pomiceva 382 Radio maják a akustický maják
2849 kaklik 383 \item
384 Radiový přenos telemetrie v pásmu 27-450 MHz: možnost bezlicenčních
385 pásem (SVN: VO-R-16, VO-R-10)
386 \item
387 Radiomoduly: \href{http://www.artbrno.cz}{http://www.artbrno.cz},
388 \href{http://www.anaren.com}{http://www.anaren.com}
389 \end{itemize}
390 GPS je potřeba vybrat tak, aby fungovala i ve větších výškách.
391 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_3}{3)}}
392  
393 \paragraph{Napájení sondy během letu}
394  
395 \begin{itemize}
396 \item
397 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium\_battery}{Lithiový článek}
398 (negeneruje teplo, minimální provozní teplota je -60 C)
399 \item
400 Hořčíková baterie (generuje teplo pro temperování elektroniky)
401 \item
402 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Silver-oxide\_battery}{Stříbro-oxidový
403 článek} Vydrží nižší provozní teploty a je ekologicky nezávadný.
404 \item
405 Ideální by bylo použití
406 \href{https://www.youtube.com/watch?feature=player\_embedded\&v=OtM6XJlynkk}{superkapacitorů}
407 \end{itemize}
408 Řešením problému s nízkou teplotou ve vyšších výškách by mohlo být
409 předehřátí sondy při startu.
410  
3032 pomiceva 411 Komunikace a napájení za letu nebylo v rámci této fáze projektu finálně vyřešeno.
412  
2849 kaklik 413 \hyperdef{}{konstrukce}{\paragraph{Konstrukce}\label{konstrukce}}
414  
415 \begin{itemize}
416 \item
417 Balón - \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Polyethylen}{PE} pytel
3032 pomiceva 418 (životnost v zabaleném stavu - pryž časem degraduje)
2849 kaklik 419 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_4}{4)}}
420 \item
421 Možnost dálkového odpojení balónu od sondy (ukončení stoupání)
422 \item
423 Prototyp plněný \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Helium}{heliem},
3032 pomiceva 424 ekologičtější. Další možností byl vodík, který lze vyrábět chemicky přímo během
425 vypuštění sondy.
2849 kaklik 426 \item
427 Splnění požadavků na bezpečnost provozu (letovou, majetkovou a
428 personální)
429 \end{itemize}
430 \paragraph{Firmware}
431  
432 \begin{itemize}
433 \item
434 Záznam dat v gondole balónu mikroSD karta
435 \end{itemize}
436  
3032 pomiceva 437 Toto řešení bylo zavrženo jako nevhodné z důvodu malé šance nalezení a návratu gondoly. Data bude nutné přenášet online na zem.
438  
3008 kaklik 439 \begin{figure}
3006 kaklik 440 \begin{center}
441 \includegraphics[width=10cm]{img/Schema_ATmega.png}
2852 pomiceva 442 \caption{Blokové schéma balónové sondy}
443 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 444 \end{center}
2852 pomiceva 445 \end{figure}
2849 kaklik 446  
3025 kaklik 447 \subsection{Legislativní požadavky}
2849 kaklik 448  
449 Pravidla pro lety volných balónů bez pilota jsou definovány v leteckých
450 předpisech L-2 Pravidla létaní, dodatek 5 a R.
451  
452 \paragraph{Kategorie balónu}
453  
454 Balón by měl spadat do kategorie B2, která je definována jako volný
3005 poskozby 455 balón s objemem menším než 3,25~$m^{3}$, přičemž žádný z rozměrů balónu
456 nepřekračuje 2~m. Rozměr 2~m je rozměr při jeho maximálním
2849 kaklik 457 naplnění/roztažení.
458  
3005 poskozby 459 \paragraph{Povolení vypuštění}
2849 kaklik 460  
461 Užitečné zatížení představují předměty a materiály, které by v případě
462 střetu s letadlem mohly způsobit poškození letadla (zejména prskavky,
463 svítící tyčinky, lámací světla, LED diody apod.) a jakékoliv zatížení o
464 hmotnosti přesahující 0,1 kg. Vzhledem k této definici bude nutné mít
465 pro provoz balónu povolení. Všechny informace ohledně letu (jako je
466 datum, čas, místo vypuštění, užitečné zatížení atp.) musí být zveřejněny
467 v Letecké informační příručce (AIP). Pro vypuštění ve zvláštních
468 případech, jako je mimořádné pozorování, je potřeba upozornit
469 prostřednictvím navigační výstrahy formou zprávy NOTAM, která se musí
470 podat minimálně 24 hodin před vzletem balónu.
471  
472 \paragraph{Materiály}
473  
474 Balón nesmí být plněn hořlavými a výbušnými plyny s výjimkou povolení
475 ÚCL. Omezení pro materiál antény ani baterií nejsou definovány. Materiál
476 balónu také není definován, ale při použití balónu o vysoké svítivosti
477 nebo zhotoveného z materiálů o velké světelné nebo radarové odrazivosti
3008 kaklik 478 musí být oznámeno vypuštění balónu nejbližšímu stanovišti letových provozních služeb.
2849 kaklik 479 Materiál (lano, provázek) spojující balón se sondou nesmí vydržet větší
3005 poskozby 480 sílu než 230~N.
2849 kaklik 481  
482 \hyperdef{}{dostup}{\paragraph{Dostup}\label{dostup}}
483  
484 Pro dostup nejsou omezení.
485  
486 \paragraph{Místo vypuštění}
487  
488 Omezení se týká všech Zakázaných, Nebezpečných a Omezených prostorů,
489 stejně jako dočasně aktivovaných prostorů v době jejich používaní, s
490 výjimkou kdy tak povolí ÚCL nebo kdy je prostor vyhrazen pro let
491 předmětného balónu. Provoz balónu blízko hranic a letišť je
492 problematický, nedoporučuje se.
493  
494 \paragraph{Řešení legislativních problémů}
495  
496 \begin{itemize}
497 \item
3032 pomiceva 498 Navržení bezpečné sondy, která splní požadavky ÚCL pro kategorii B2.
499 \item Řízené stoupání a aktivní zabránění vzniku kolize. Takový systém by mohl zároveň zjednodušit návrat sondy viz
2852 pomiceva 500 \href{http://www.youtube.com/watch?v=rpBnurznFio}{zde})
3028 kaklik 501 \item Autodestrukce při hrozící srážce.
2849 kaklik 502 \end{itemize}
503  
3032 pomiceva 504 Bylo zvoleno první řešení, a to navržení bezpečné sondy spadající do kategorie B2. Finální systém bude muset být předložen k posouzení komisi na ÚCL.
505  
3025 kaklik 506 \subsection{Meteorologický balón}
3033 kaklik 507  
3028 kaklik 508 Balón pro meteorologickou sondu je samostatný problém neboť sonda stoupá během letu do výšek až 30 km a dochází tak k namáhání balónu rychlou změnou teploty a nízkými teplotami (-60 $^\circ$). Zárověň se přibližně 13x zvětší objem balónu.
2849 kaklik 509  
3032 pomiceva 510 Nosné meteorologické balóny jsou proto obvykle vyráběny z latexu. Jsou používány jako tlakové, což znamená, že nosný plyn je uvnitř pod stálým tlakem mírně větším, než je tlak okolního prostředí. Důvod jejich používání je pravděpodobně jednak historický a také důsledkem faktu, že jiné meteorologické balony se běžně komerčně nevyrábějí. Jejich rozměry a parametry jsou však pro toto využití nevyhovující, protože jejich hmotnosti se pohybují v rozsahu stovek gramů až jednotek kilogramů, přičemž nosnost je přibližně srovnatelná s jejich hmotností.
3028 kaklik 511  
3025 kaklik 512 \subsubsection{Svařování balónu}
513  
3028 kaklik 514  
515  
516  
3035 pomiceva 517 \subsubsection{Zpětný ventil}
518 Při jednom pokusu (původně neúspěšném) o nastavení nohavice pro nafukování a zatavování balónu se podařilo přijít na velice zajímavý, překvapivě jednoduchý a efektivní způsob řešení zpětného ventilu \ref{fig:ZpetVentilFoto}. Zatavovací mechanismus bude použit v každém případě, ale jako pojistku lze použít právě ventil popsaný v následujícím odstavci.
3025 kaklik 519  
3035 pomiceva 520 V podstatě jde o přerušení nohavice a následné napojení „nasunutím“ jedné části do druhé (obrázek \ref{fig:ZpetVentil}). Pokud je spodní část nasunuta do vrchní (připojené k balónu) a upevněna například pomocí lepicí pásky, bude možné balón bez problémů napustit. Ovšem při pokusu balón vypustit se zjistí, že je to téměř nemožné. Ta část nohavice, které je nasunutá uvnitř, se vlivem opačného tlaku vzduchu (nebo jiného plynu) zdeformuje a zablokuje průchod. Tímto způsobem lze velice levně, jednoduše a efektivně vytvořit zpětný ventil, který by měl být pro účely autovypouštěče naprosto dostačující.
3025 kaklik 521  
522 \begin{figure}
523 \centering
524 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentilFoto.JPG}
525 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu - foto}
526 \label{fig:ZpetVentilFoto}
527 \end{figure}
528  
529 \begin{figure}
530 \centering
531 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentil.png}
532 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu}
533 \label{fig:ZpetVentil}
534 \end{figure}
535  
536  
537  
538 \section{Řídící systém sítě}
539  
540 \subsection{Zpracování dostupných dat}
541  
2849 kaklik 542 \begin{itemize}
543 \item
544 Odhad vektoru meteoru v atmosféře
545 \item
546 Záznam dostupných meteorologických dat pro pozdější rekonstrukci
547 (družicové snímky, aktuálně měřené hodnoty ČHMÚ, radarové snímky)
548 \item
3005 poskozby 549 Sběr dat z jednotlivých stanic
2849 kaklik 550 \item
3005 poskozby 551 Výpočet vektoru a výškových profilů větru
2849 kaklik 552 \end{itemize}
3025 kaklik 553 \subsection{Rozhodovací proces}
2849 kaklik 554  
3035 pomiceva 555 Použití přesněji nedefinovaného skriptovacího jazyka pro popis procesu
556 \href{http://www.ros.org/wiki/}{ROS}
2849 kaklik 557  
558 \begin{itemize}
559 \item
560 Přidělení příkazu ke startu jednotlivým stanicím.
561 \item
562 Přeplánování startu v důsledku neúspěšného vypuštění nebo zamítnutí
563 stanicí.
564 \item
565 Kontrola potenciálního narušení vzdušného prostoru a zakázaných zón.
566 \end{itemize}
3025 kaklik 567 \subsection{Správa systému}
2849 kaklik 568  
569 \begin{itemize}
570 \item
3005 poskozby 571 Registrace jednotlivých stanic a správa uživatelů v kooperaci s
2849 kaklik 572 projektem \href{http://www.astrozor.cz/}{Astrozor}
573 \end{itemize}
574  
3035 pomiceva 575 V této fázi projektu nebyl Řídící systém podrobněji řešen, pouze počáteční návrhy.
3009 kaklik 576  
3035 pomiceva 577 \section{Výsledky projektu}
3025 kaklik 578  
3036 pomiceva 579 Byl vyvinut funkční vzor pozemní stanice automatického vypouštěče a demonstrován jeho fungující stav. Tento prototyp poslouží pro další experimenty a k dalšímu zdokonalení konstrukce. Na tomto projektu lze pokračovat i v dalších fázích. První nástin toho, co bude třeba vylepšit obsahuje následující kapitola.
2849 kaklik 580  
3035 pomiceva 581 V průběhu vývoje nastalo několik technických problémů. Navrhovaná řešení jednotlivých problémů jsou uvedena v technické části vždy u příslušné kapitoly.
2849 kaklik 582  
3036 pomiceva 583 Co se týká organizačních problémů v týmu, tak největší obtíží bylo poměrně dlouhodobé onemocnění jednoho člena týmu a následné zranění dalšího člena týmu. Vše se nakonec s pomocí moderních technologií podařilo vyřešit a prototyp boxu byl úspěšně sestaven. Prodlevy v práci byly řešeny společnými víkendovými workshopy.
584  
3027 kaklik 585 \subsection{Možnosti budoucího vývoje zařízení}
3009 kaklik 586  
3035 pomiceva 587 V produkční verzi zařízení bude potřeba zejména vylepšit mechanickou konstrukci vypouštěcího boxu tak, aby byla odolnější proti povětrnostním vlivům.
588 Dále bude potřeba vylepšit firmware tak, aby časování sekvence fungovalo korektním způsobem.
3036 pomiceva 589  
590 \subsection{Doporučení pro další cvičení}
591 U tohoto konkrétního projektu byla největším nedostatkem výbava fakultních laboratoří. Balón byl svařován v dílně Fakulty strojní a finální box byl sestavován ve velice dobře vybavené dílně bloku IX na Strahově. Velký dík patří především provozovatelům právě této Strahovské dílny, která byla týmu k dispozici bez jakýchkoli komplikací včetně celé její výbavy.
3028 kaklik 592  
2852 pomiceva 593 \newpage
594  
2849 kaklik 595 \begin{thebibliography}{99}
2852 pomiceva 596 \bibitem{cement}{například síť CEMeNt}
597 \url{http://cement.fireball.sk/}
598 \bibitem{radiosondy}{radiosondy}
599 \url{http://www.radiosonde.eu/}, \url{http://www.radiosonda.sk/}
600 \bibitem{cocom}{směrnice CoCom}
601 \url{http://en.wikipedia.org/wiki/CoCom\#Legacyi}
602 \bibitem{moguli}{projekt Mogul}
603 \url{http://cs.wikipedia.org/wiki/Projekt\_Moguli}
3028 kaklik 604 \bibitem{Parafoil_Return_Vehicle}{Autonomous Parafoil Return Vehicle}
605 \url{http://mbed.org/users/lhiggs/notebook/autonomous-parafoil-return-vehicle/}
3002 kaklik 606 \bibitem {GPS_ublox}{UBLOX. LEA-6 series [online]. 2013 [cit. 2013-05-12]. Dostupné z: http://www.u-blox.com/en/gps-modules/pvt-modules/lea-6-family.html}
607 \bibitem {ChibiOS/RT}\url{http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php}
3033 kaklik 608 \bibitem{automacic_balloon_launcher}{A Cost Effective Automatic Balloon Launcher}
609 \url{http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp?purl=/768881-IVNrhd/native/768881.pdf}
2849 kaklik 610 \end{thebibliography}
3028 kaklik 611 \end{document}