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{}
3028 kaklik 17 %\fancyfoot{\hspace*{5cm}}
3027 kaklik 18 \fancyfoot[L]
3028 kaklik 19 {\includegraphics[width=1.5cm]{img/datamatrix.png} \begin{tabular}{cc}
20 pomiceva & jichapav \\
21 kakonjak & poskozby\\
22 hanuson1 & \\
3027 kaklik 23 \end{tabular}
24 }
2852 pomiceva 25 \fancyfoot[R] {\thepage}
26  
27  
2849 kaklik 28 \begin{document}
2852 pomiceva 29 \title{Technická zpráva - Automatický vypouštěč meteobalónů}
30 \author{Eva Pomíchalová\\ Jakub Kákona\\ Ondřej Hanus\\ Pavel Jícha\\ Zbyněk Poskočil}
2849 kaklik 31 \maketitle
32  
2852 pomiceva 33  
34 \thispagestyle{fancy}
35 \newpage
2849 kaklik 36 \begin{abstract}
2852 pomiceva 37 \input{abstrakt.txt}
38  
2849 kaklik 39 \end{abstract}
2852 pomiceva 40 \newpage
2849 kaklik 41  
42 %%\begin{figure} [htbp]
43 %%\begin{center}
44 %%\includegraphics [width=80mm] {SDRX01B_Top_Big.JPG}
45 %%\end{center}
46 %%\end{figure}
47  
48 \tableofcontents
49 \newpage
50  
3025 kaklik 51 \section{Automaticky vypouštěný sondážní balon}
2849 kaklik 52  
3026 kaklik 53 \subsection{Cíle konstrukce systému}
3025 kaklik 54  
3026 kaklik 55 \subsubsection{Síť pro detekci dopadu meteorů}
56  
57 \begin{figure}
58 \centering
3030 pomiceva 59 \includegraphics[width=15cm, height=9cm]{img/SchemaCeleSiteCZ.png}
3026 kaklik 60 \caption{Schéma celé sítě}
61 \label{fig:blokcelasit}
62 \end{figure}
63  
2849 kaklik 64 Celý systém by měl být robotizovaným doplňkem sítě
3004 kaklik 65 \href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:rmds}{radiových detektorů meteorů}, případně pak i
66 její vizuální varianty (video pozorování a bolidové kamery).
2849 kaklik 67  
3030 pomiceva 68 Účel zařízení je zpřesnit odhad trajektorie temné dráhy meteoru v
2849 kaklik 69 atmosféře zavedením korekcí na proudění vzduchových mas během letu. A
3030 pomiceva 70 tím v důsledku zmenšit plochu dopadové elipsy meteoru na zemský povrch.
2849 kaklik 71  
72 Údaje o proudech v atmosféře budou získány balónovou sondou vypuštěnou
73 bezprostředně po detekci průletu bolidu atmosférou. Místo vypuštění
74 balónové sondy by mělo být zvoleno automaticky na základě odhadu dráhy
75 meteoru a známých souřadnic balónových sil v síti.
76  
77 Důležitou součástí systému je plně robotizovaná vypouštěcí stanice
78 (balónové silo), která umožní vypuštění sondy ze známých souřadnic bez
79 zásahu lidské obsluhy. Vedlejším produktem takového vývoje bude zařízení
80 schopné v budoucnu automatizovat i vypouštění klasických
81 meteorologických
82 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Radiosonde}{radiosond}.
83  
3026 kaklik 84 \subsubsection{Automatické vypouštění meteorologických radiosond}
2849 kaklik 85  
3025 kaklik 86  
3027 kaklik 87 \subsection{Stav automatického vypouštění plynových balónů}
3026 kaklik 88  
89  
3025 kaklik 90 \section{Pozemní vypouštěcí box}
91  
3004 kaklik 92 Pozemní stanici balónové sítě tvoří kompaktní krabice obsahující
93 techniku potřebnou k vypuštění balónové sondy. Zařízení je
2849 kaklik 94 konstruováno tak, aby bylo schopné vydržet řádově několik roků v
95 pohotovostním režimu, a čekat na příkaz k vypouštění sondy.
96  
3027 kaklik 97 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 98  
3005 poskozby 99 Většina řídící elektroniky je složena z modulů
2849 kaklik 100 \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}
101  
3004 kaklik 102 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 103  
104 \begin{itemize}
3009 kaklik 105 \item Ethernet - modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/ETH01A}{ETH01A}
106 \item Konvertor z TTL na sběrnici CAN \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLCAN01B}{TTLCAN01B}
107 \item Konvertor z TTL na sběrnici RS485. \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLRS48501A}{TTLRS48501A}
108 \item GSM výhodné pro odlehlé oblasti a odesílání informací o poruchách.
109 \item USB - je přímo osazeno na použitém řídícím modulu a lze jej použít jako servisní terminál a k aktualizaci firmwaru pomocí bootloaderu.
2849 kaklik 110 \end{itemize}
111  
3004 kaklik 112 Jako hlavní řídící MCU této jednotky byl vybrán ARM STM32F103R8T v modulu
3009 kaklik 113 \href{/doku.php?id=cs:stm32f10xrxt}{STM32F10xRxT01A}. Firmware je pak dále popsán v kapitole \ref{Box_firmware}.
2849 kaklik 114  
3027 kaklik 115 \subsection{Elektronika pozemní stanice}
2849 kaklik 116  
3027 kaklik 117 \subsubsection{Napájení elektronických subsystémů}
118  
3004 kaklik 119 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 120  
3028 kaklik 121 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 122  
3028 kaklik 123  
3025 kaklik 124 \subsection{Mechanická konstrukce}
3004 kaklik 125  
3031 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 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.
3004 kaklik 128  
3031 pomiceva 129 \begin{figure}[hbtp]
130 \centering
131 \includegraphics[width=14cm]{img/box.jpg}
132 \caption{Automatický vypouštěcí box}
133 \label{fig:box}
134 \end{figure}
135  
3025 kaklik 136 \subsubsection{Akční členy}
3004 kaklik 137  
138 Většina akčních členů je konstruována s důrazem na maximální
139 spolehlivost. Akční členy proto jsou pružiny s
2852 pomiceva 140 přepalovacími PE pojistkami (silonové vlákno, nebo stuha
3005 poskozby 141 přepalovaná výkonovým rezistorem) ke spínáni proudu do rezistorů
3004 kaklik 142 je využit modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/NFET4X01B}{NFET4X01B}
2849 kaklik 143  
3009 kaklik 144 Dále se nám podařilo sestrojit prototyp odpalování pružiny pro otevírání víka pozemní vypouštěcí stanice. Tento pokus nejlépe ilustruje toto
145  
146 \href{http://www.mlab.cz/redmine/attachments/download/3/video-2013-03-09-23-43-33.mp4}{video}.
147  
148 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 149  
3009 kaklik 150 \begin{figure}[hbtp]
151 \centering
3025 kaklik 152 \includegraphics[width=10cm]{img/odpalovac2.jpg}
153 \caption{Prototyp pojišťovacího mechanismu}
3009 kaklik 154 \label{fig:odpalovac}
155 \end{figure}
156  
3031 pomiceva 157 V produkční verzi by měla být kosntrukce řešena polyfúzně svařovanou plastovou bednou dostatečně těsnou, aby nebyla zajímavá pro hlodavce a další havěť.
3025 kaklik 158  
159 Rozměry by měly být upraveny tak, aby umožnila vypouštění i současných profesionálních balónových sond.
3009 kaklik 160  
3031 pomiceva 161 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.
3024 kaklik 162  
3025 kaklik 163 \subsubsection{Uzavírací mechanismus balónu}
3024 kaklik 164  
3025 kaklik 165 Jako uzavírací a vypouštěcí systém balónu je použito odporové svařování. Umístěné v lisovacím mechanismu to má za úkol scvaknout nohavici balónu, která přivádí nosný plyn do balónu a následně ji příčně přetavit. 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.
166 Lis je tvořen pohyblivou přítlačnou plochou a pevnou zarážkou s odporovým drátem. Přítlačná plocho 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.
3024 kaklik 167 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.
3025 kaklik 168 Na pevné zarážce je natažen odporový dráty, který má za úkol přetavit nohavici scvaknutou 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 přilepení nohavice k lisu.
169 Pro správnou funkci lisu je důležitá poloha, ve které dosedá přítlačná plošina k zarážce. Přítlačná plošina musí dosedat tak, aby její horní hrana byla v zákrytu s horní hranou odporového drátu. Pokud by plošina dosedala 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 dosedala níže, nedošlo by k správnému uzavření a odpoutání balónu. Z těchto důvodů je nutné, aby plošina dosedala přesně na hraně odporového drátu a mohlo tak dojít k správnému uzavření balónu a jeho následnému odpoutání. Správné dosednutí je znázorněno na obrázku \ref{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}.
3024 kaklik 170  
3025 kaklik 171 \begin{figure}[hbtp]
172 \centering
173 \includegraphics[width=15cm]{./img/uzaviraci_mechanismus.jpg}
174 \caption{Nákres uzavíracího mechanismu balónu}
175 \label{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}
176 \end{figure}
3024 kaklik 177  
3027 kaklik 178 \subsubsection{Napouštěcí systém balónu}
179  
180 Pneumatika napouštěče balónu řeší problém dávkování nosného plynu do balónu. Pro experimenty s funkčním vzorem přístroje byl jako nosný plyn vybráno helium, jako bezpečný inertní plyn.
181  
182 Pro dávkování nosného plynu do balónu byly uvažovány dva koncepty.
183  
184 \begin{enumerate}
185 \item Použití jednorázové plynové kartuše naplněné právě potřebným množstvím plynu.
186 \item Použití opakovaně plnitelné tlakové lahve
187 \end{enumerate}
188  
189 \paragraph{Tlaková nádoba}
190  
191 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
192  
193 \begin{figure}
194 \centering
195 \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{img/Kartuse_s_heliem.png}
196 \caption{Konstrukce ventilu plynové kartuše s héliem}
197 \label{fig:helium}
198 \end{figure}
199  
200 V originálním uspořádání je tlačný kuželový ventil otevírán redukčním ventilem, který je vidět na obrázku \ref{fig:ventil_autogen}
201  
202 \begin{figure}
203 \centering
204 \includegraphics[width=10cm]{img/Redukcni_ventil.png}
205 \caption{Redukční ventil}
206 \label{fig:ventil_autogen}
207 \end{figure}
208  
209 Ten kromě kuželu a přítlačné pružiny obsahuje ještě i zpětný ventil s hadičníkem, který lze z těla redukčního ventilu odšroubovat.
210  
211 Pro konstrukci prototypu napouštěče balónu jsme ale potřebovali opakovaně experimentovat s procesem napouštění a problém opakovaného naplnění plynové kartuše a otevírání kuželového ventilu se nepodařilo z časových důvodů vhodně vyřešit.
212  
213 Z toho důvodu byla použita opakovatelně plnitelná tlaková nádoba v kombinaci s klasickým redukčním ventilem na kyslík.
214  
215 \begin{figure}
216 \centering
217 \includegraphics[width=10cm]{img/Lahev_helium.jpg}
218 \caption{Znovuplnitelná lahev na technické plyny}
3028 kaklik 219 \label{fig:refillable_gas_cilinder}
3027 kaklik 220 \end{figure}
221  
222 \begin{figure}
223 \centering
224 \includegraphics[width=10cm]{img/redukcni_ventil_vodik.jpeg}
225 \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)}
226 \label{fig:redukcni_ventil_vodik}
227 \end{figure}
228  
229 \begin{figure}
230 \centering
231 \includegraphics[width=10cm]{./img/redukcni-ventil-autogen-kyslik.jpg}
232 \caption{Redukční ventil na kyslík sloužící jako náhrada za vodíkový redukční ventil s levým závitem}
3028 kaklik 233 \label{fig:redukcni_ventil_kyslik}
3027 kaklik 234 \end{figure}
235  
236  
237 Helium je pak dávkováno elektromagnetickým ventilem
238  
239 \begin{figure}
240 \centering
241 \includegraphics[width=10cm]{img/elektromagneticky_ventil.jpg}
242 \caption{Elektromagnetický dávkovací ventil}
243 \label{fig:elmag_ventil}
244 \end{figure}
245  
246 Toto uspořádání má značnou nevýhodu, že helium je pod stálým tlakem ve značném objemu aparatury a vlivem netěsností a difuze skrz materiály s nízkou hustotou, jako jsou například hadice, nebo pryžová těsnění z ní tak postupně uniká.
247  
248 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. Kdy tlak z původních 0,4 MPa klesl během několika desítek minut na 0,2 MPa. A pak dále přes noc až k nule. Hadice byla k regulačnímu ventilu a manometru připojena kvalitními nástrčnými šroubeními pro technické plyny se závity těsněnými teflonovou páskou.
249  
250 Je tedy jasné, 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.
251  
252  
3026 kaklik 253 \subsection{Diagnostika stavu systému}
254  
255 \begin{itemize}
256 \item
257 Kontrola úspěšného startu (měření vztlaku balónu)
258 \item
259 Měření teplot, tlaku plynové náplně, průtoku média do balónu.
260 \item
261 Vlhkost uvnitř krabice (průsak a ztráta vodotěsnosti proražením víka a
262 podobně)
263 \end{itemize}
264  
265 \subsubsection{Meteorologická data}
266  
267 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.
268  
269  
3025 kaklik 270 \subsection{Firmware pozemní stanice}
3009 kaklik 271 \label{Box_firmware}
2849 kaklik 272  
3025 kaklik 273 \subsubsection{Real-time operační systém}
3005 poskozby 274 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.\\
275 Jako RTOS pro tuto aplikaci tak byl zvolen ChibiOS, který splňuje standardní požadavky na RTOS a také s ním máme zkušenosti s programováním jiných aplikací pod procesory ARM a ovládáním modulů \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}.
3009 kaklik 276  
3025 kaklik 277 \subsubsection{Funkce firmwaru}
3009 kaklik 278  
3005 poskozby 279 Aplikace pro ovládání odpalování se dá rozdělit na čtyři funkční bloky, které jsou realizovány pomocí vláken. Funkční diagram je zobrazen na Obr. \ref{fig:Diag_firmware}. V následujících kapitolách bude podrobněji rozebrána funkce jednotlivých vláken aplikace.
3025 kaklik 280 \paragraph{Blikání LED}
3002 kaklik 281 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 282 \paragraph{Vypouštění}
3002 kaklik 283 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:\\
284 \begin{enumerate}
285 \item Příjem příkazu pro odpal
286 \item Příjem příkazu pro zrušení odpalu
287 \item Probuzení od časovače
288 \end{enumerate}
289 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.\\
290 Tím je otevření ventilu a tím pádem zahájení napouštění balónu. Tento krok není nijak v současné chvíli zpětnovazebně snímán - je dán pouze čas kdy je ventil otevřen. Do budoucna bychom rádi použili měření průtoku k získání informace, zda je balón opravdu napuštěn daným množstvím plynu.\\
3005 poskozby 291 Třetím krokem celé sekvence je přepálení plastové pojistky, která spouští tavící lis. Po pevně dané časové prodlevě, která by měla stačit 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.\\
3002 kaklik 292 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 a na terminál je vypsána informace o ukončení vypouštění a všechny výstupy jsou v neaktivním stavu.\\
293 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.\\
294 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, kterou 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 295  
3025 kaklik 296 \paragraph{Příjem příkazu od uživatele}
3004 kaklik 297  
3002 kaklik 298 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 299  
3025 kaklik 300 \paragraph{Příjem dat z GPS modulu}
3004 kaklik 301  
3002 kaklik 302 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 303 \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.
304  
3026 kaklik 305 \subsubsection{Uživatelské rozhraní}
306  
3005 poskozby 307 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 308  
3002 kaklik 309 \begin{enumerate}
310 \item odpal
311 \item zrus (nebo písmeno "s")
312 \item help
313 \item check
314 \end{enumerate}
3004 kaklik 315  
3005 poskozby 316 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 317  
3002 kaklik 318 \begin{figure}[hbtp]
3006 kaklik 319 \begin{center}
3004 kaklik 320 \includegraphics[height=200mm]{./img/program_flow.png}
3002 kaklik 321 \caption{Funkční diagram firmwaru Automatického vypouštěče}
3005 poskozby 322 \label{fig:Diag_firmware}
3006 kaklik 323 \end{center}
3002 kaklik 324 \end{figure}
325  
326  
3008 kaklik 327 \begin{figure}
3006 kaklik 328 \begin{center}
329 \includegraphics[width=10cm] {./img/Schema_ARM.png}
2852 pomiceva 330 \caption{Blokové schéma pozemního vypouštěcího boxu}
331 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 332 \end{center}
2852 pomiceva 333 \end{figure}
2849 kaklik 334  
335  
3025 kaklik 336 \section{Balónová sonda}
2849 kaklik 337  
3028 kaklik 338 Hlavním úkolem meteorologické sondy je v případě použití systému ke zpřesnění dráhy o dopadu meteoritu změření směru a rychlostí větru. Z tohoto hlediska jde proto o meteorologickou sondu označovanou jako \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Rawinsonde}{Rawinsonde}.
339  
2849 kaklik 340 Neletový prototyp sondy bude vyvinut za použití modulů stavebnice
341 \href{http://www.mlab.cz/Server/GenIndex/GenIndex.php?lang=cs\&path=/Modules}{MLAB}
342  
343 \href{/doku.php?id=cs:atmegatq32}{ATmegaTQ3201A},
344 \href{/doku.php?id=cs:sdcard}{SDcard01B},
345 \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A}
346  
3027 kaklik 347 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 348  
349 GPS na sondě by měla být udržovaná ve stavu FIX, aby pak nedocházelo ke
350 zpoždění v důsledku čekání na fix.
351  
352 \paragraph{Komunikace (Telemetrické údaje)}
353  
354 \begin{itemize}
355 \item
356 Primárním cílem je měření rychlosti a směru větru ve známých bodech.
357 \item
358 GPS údaje 10Hz, textový výstup
359 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/NMEA\_0183}{NMEA}
360 \item
361 další veličiny jako teploty, tlaky atd. jsou volitelné.
362 \item
363 Radio maják a akustický maják?
364 \item
365 Radiový přenos telemetrie v pásmu 27-450 MHz: možnost bezlicenčních
366 pásem (SVN: VO-R-16, VO-R-10)
367 \item
368 Radiomoduly: \href{http://www.artbrno.cz}{http://www.artbrno.cz},
369 \href{http://www.anaren.com}{http://www.anaren.com}
370 \end{itemize}
371 GPS je potřeba vybrat tak, aby fungovala i ve větších výškách.
372 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_3}{3)}}
373  
374 \paragraph{Napájení sondy během letu}
375  
376 \begin{itemize}
377 \item
378 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium\_battery}{Lithiový článek}
379 (negeneruje teplo, minimální provozní teplota je -60 C)
380 \item
381 Hořčíková baterie (generuje teplo pro temperování elektroniky)
382 \item
383 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Silver-oxide\_battery}{Stříbro-oxidový
384 článek} Vydrží nižší provozní teploty a je ekologicky nezávadný.
385 \item
386 Ideální by bylo použití
387 \href{https://www.youtube.com/watch?feature=player\_embedded\&v=OtM6XJlynkk}{superkapacitorů}
388 \end{itemize}
389 Řešením problému s nízkou teplotou ve vyšších výškách by mohlo být
390 předehřátí sondy při startu.
391  
392 \hyperdef{}{konstrukce}{\paragraph{Konstrukce}\label{konstrukce}}
393  
394 \begin{itemize}
395 \item
396 Balón - \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Polyethylen}{PE} pytel
397 (kvůli životnosti v zabaleném stavu - guma s časem degraduje)
398 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_4}{4)}}
399 \item
400 Možnost dálkového odpojení balónu od sondy (ukončení stoupání)
401 \item
402 Prototyp plněný \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Helium}{heliem},
403 i ekologičtější. A vodík navíc lze vyrábět chemicky přímo během
404 vypuštění sondy).
405 \item
406 Splnění požadavků na bezpečnost provozu (letovou, majetkovou a
407 personální)
408 \end{itemize}
409 \paragraph{Firmware}
410  
411 \begin{itemize}
412 \item
413 Záznam dat v gondole balónu mikroSD karta
414 \end{itemize}
415  
3008 kaklik 416 \begin{figure}
3006 kaklik 417 \begin{center}
418 \includegraphics[width=10cm]{img/Schema_ATmega.png}
2852 pomiceva 419 \caption{Blokové schéma balónové sondy}
420 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 421 \end{center}
2852 pomiceva 422 \end{figure}
2849 kaklik 423  
3025 kaklik 424 \subsection{Legislativní požadavky}
2849 kaklik 425  
426 Pravidla pro lety volných balónů bez pilota jsou definovány v leteckých
427 předpisech L-2 Pravidla létaní, dodatek 5 a R.
428  
429 \paragraph{Kategorie balónu}
430  
431 Balón by měl spadat do kategorie B2, která je definována jako volný
3005 poskozby 432 balón s objemem menším než 3,25~$m^{3}$, přičemž žádný z rozměrů balónu
433 nepřekračuje 2~m. Rozměr 2~m je rozměr při jeho maximálním
2849 kaklik 434 naplnění/roztažení.
435  
3005 poskozby 436 \paragraph{Povolení vypuštění}
2849 kaklik 437  
438 Užitečné zatížení představují předměty a materiály, které by v případě
439 střetu s letadlem mohly způsobit poškození letadla (zejména prskavky,
440 svítící tyčinky, lámací světla, LED diody apod.) a jakékoliv zatížení o
441 hmotnosti přesahující 0,1 kg. Vzhledem k této definici bude nutné mít
442 pro provoz balónu povolení. Všechny informace ohledně letu (jako je
443 datum, čas, místo vypuštění, užitečné zatížení atp.) musí být zveřejněny
444 v Letecké informační příručce (AIP). Pro vypuštění ve zvláštních
445 případech, jako je mimořádné pozorování, je potřeba upozornit
446 prostřednictvím navigační výstrahy formou zprávy NOTAM, která se musí
447 podat minimálně 24 hodin před vzletem balónu.
448  
449 \paragraph{Materiály}
450  
451 Balón nesmí být plněn hořlavými a výbušnými plyny s výjimkou povolení
452 ÚCL. Omezení pro materiál antény ani baterií nejsou definovány. Materiál
453 balónu také není definován, ale při použití balónu o vysoké svítivosti
454 nebo zhotoveného z materiálů o velké světelné nebo radarové odrazivosti
3008 kaklik 455 musí být oznámeno vypuštění balónu nejbližšímu stanovišti letových provozních služeb.
2849 kaklik 456 Materiál (lano, provázek) spojující balón se sondou nesmí vydržet větší
3005 poskozby 457 sílu než 230~N.
2849 kaklik 458  
459 \hyperdef{}{dostup}{\paragraph{Dostup}\label{dostup}}
460  
461 Pro dostup nejsou omezení.
462  
463 \paragraph{Místo vypuštění}
464  
465 Omezení se týká všech Zakázaných, Nebezpečných a Omezených prostorů,
466 stejně jako dočasně aktivovaných prostorů v době jejich používaní, s
467 výjimkou kdy tak povolí ÚCL nebo kdy je prostor vyhrazen pro let
468 předmětného balónu. Provoz balónu blízko hranic a letišť je
469 problematický, nedoporučuje se.
470  
471 \paragraph{Řešení legislativních problémů}
472  
473 \begin{itemize}
474 \item
475 Navrhnout bezpečnou sondu, která splní požadavky ÚCL na bezpečnost
476 letu.
3028 kaklik 477 \item Řídit stoupání a aktivně zabránit vzniku kolize. Takový systém by mohl zároveň zjednodušit návrat sondy viz
2852 pomiceva 478 \href{http://www.youtube.com/watch?v=rpBnurznFio}{zde})
3028 kaklik 479 \item Autodestrukce při hrozící srážce.
2849 kaklik 480 \end{itemize}
481  
3025 kaklik 482 \subsection{Meteorologický balón}
3028 kaklik 483 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 484  
3028 kaklik 485 Nosné meteorologické balóny jsou proto obvykle vyráběny z latexu. A 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 značně mizerné, protože jejich hmotnosti se pohybují v rozsahu stovek gramů, až jednotek kilogramů přičemž nosnost je přibližně srovnatelná s jejich hmotností.
486  
3025 kaklik 487 \subsubsection{Svařování balónu}
488  
3028 kaklik 489  
490  
491  
3025 kaklik 492 \subsubsection{Evči zpětný ventil}
493 Při jednom pokusu (původně neúspěšném) o nastavení nohavice pro nafukování a zatavování balónu se nám 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 tento ventil.
494  
495 V podstatě jde o přerušení nohavice a následné napojení „nasunutím“ jedné části do druhé (obrázek \ref{fig:ZpetVentil}). Pokud nasuneme spodní část do vrchní (připojené k balónu) a upevníme například pomocí lepicí pásky. Budeme schopni balón bez problémů napustit. Ovšem při pokusu balón vypustit zjistíme, že je to téměř nemožné. Ta část nohavice, které je nasunutá uvnitř, se totiž vlivem opačného tlaku vzduchu (nebo jiného plynu) zdeformuje a zablokuje průchod. Tímto způsobem můžeme velice levně, jednoduše a efektivně vytvořit zpětný ventil, který by měl být pro naše účely naprosto dostačující.
496  
497 \begin{figure}
498 \centering
499 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentilFoto.JPG}
500 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu - foto}
501 \label{fig:ZpetVentilFoto}
502 \end{figure}
503  
504 \begin{figure}
505 \centering
506 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentil.png}
507 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu}
508 \label{fig:ZpetVentil}
509 \end{figure}
510  
511  
512  
513 \section{Řídící systém sítě}
514  
515 \subsection{Zpracování dostupných dat}
516  
2849 kaklik 517 \begin{itemize}
518 \item
519 Odhad vektoru meteoru v atmosféře
520 \item
521 Záznam dostupných meteorologických dat pro pozdější rekonstrukci
522 (družicové snímky, aktuálně měřené hodnoty ČHMÚ, radarové snímky)
523 \item
3005 poskozby 524 Sběr dat z jednotlivých stanic
2849 kaklik 525 \item
3005 poskozby 526 Výpočet vektoru a výškových profilů větru
2849 kaklik 527 \end{itemize}
3025 kaklik 528 \subsection{Rozhodovací proces}
2849 kaklik 529  
530 Použití nějakého skriptovacího jazyka pro popis procesu
531 \href{http://www.ros.org/wiki/}{ROS}?
532  
533 \begin{itemize}
534 \item
535 Přidělení příkazu ke startu jednotlivým stanicím.
536 \item
537 Přeplánování startu v důsledku neúspěšného vypuštění nebo zamítnutí
538 stanicí.
539 \item
540 Kontrola potenciálního narušení vzdušného prostoru a zakázaných zón.
541 \end{itemize}
3025 kaklik 542 \subsection{Správa systému}
2849 kaklik 543  
544 \begin{itemize}
545 \item
3005 poskozby 546 Registrace jednotlivých stanic a správa uživatelů v kooperaci s
2849 kaklik 547 projektem \href{http://www.astrozor.cz/}{Astrozor}
548 \end{itemize}
549  
3009 kaklik 550  
2852 pomiceva 551 Baterie a jejich odolnost vůči mrazu - navrhováno několik variant, v současné době ještě nemáme vybránu jednu konkrétní.
3025 kaklik 552  
553 Dostupnost materiálů - aktuálně potíže s dopravou tlakových lahví s héliem.
2852 pomiceva 554 Navrhovaná řešení jednotlivých problémů jsou uvedena v technické části vždy u příslušné kapitoly.
2849 kaklik 555  
556  
3027 kaklik 557 \section{Dosažené výsledky}
3009 kaklik 558  
3028 kaklik 559 Byl vyvinut funkční vzor pozemní stanice automatického vypouštěče a demonstrován jeho fungující stav. Tento prototyp poslouží pro další experimenty a k dalšímu zdokonalení konstrukce.
3009 kaklik 560  
3027 kaklik 561 \subsection{Možnosti budoucího vývoje zařízení}
3009 kaklik 562  
3028 kaklik 563 V produkční verzi zařízení by bylo potřeba zejména vylepšit mechanickou konstrukci vypouštěcího boxu, tak aby byla odolnější proti povětrnostním vlivům.
564 Dále by bylo potřebné vylepšit firmware tak, aby časování sekvence fungovalo korektním způsobem.
565  
2852 pomiceva 566 \newpage
567  
2849 kaklik 568 \begin{thebibliography}{99}
2852 pomiceva 569 \bibitem{cement}{například síť CEMeNt}
570 \url{http://cement.fireball.sk/}
571 \bibitem{radiosondy}{radiosondy}
572 \url{http://www.radiosonde.eu/}, \url{http://www.radiosonda.sk/}
573 \bibitem{cocom}{směrnice CoCom}
574 \url{http://en.wikipedia.org/wiki/CoCom\#Legacyi}
575 \bibitem{moguli}{projekt Mogul}
576 \url{http://cs.wikipedia.org/wiki/Projekt\_Moguli}
3028 kaklik 577 \bibitem{Parafoil_Return_Vehicle}{Autonomous Parafoil Return Vehicle}
578 \url{http://mbed.org/users/lhiggs/notebook/autonomous-parafoil-return-vehicle/}
3002 kaklik 579 \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}
580 \bibitem {ChibiOS/RT}\url{http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php}
2849 kaklik 581 \end{thebibliography}
3028 kaklik 582 \end{document}