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}
3039 kaklik 28 \title{Technická zpráva - Automatický vypouštěč meteobalónů ABL01A}
29 \author{Eva Pomíchalová, Jakub Kákona (kaklik@mlab.cz),\\ Ondřej Hanus, Pavel Jícha, Zbyněk Poskočil}
2849 kaklik 30 \maketitle
31  
3039 kaklik 32 \begin{figure} [h!]
33 \begin{center}
34 \includegraphics [width=160mm] {./img/box.JPG}
35 \end{center}
36 \end{figure}
37  
2852 pomiceva 38 \thispagestyle{fancy}
39 \newpage
2849 kaklik 40 \begin{abstract}
2852 pomiceva 41 \input{abstrakt.txt}
2849 kaklik 42 \end{abstract}
2852 pomiceva 43 \newpage
2849 kaklik 44  
45  
3039 kaklik 46  
2849 kaklik 47 \tableofcontents
48 \newpage
49  
3025 kaklik 50 \section{Automaticky vypouštěný sondážní balon}
2849 kaklik 51  
3026 kaklik 52 \subsection{Cíle konstrukce systému}
3025 kaklik 53  
3026 kaklik 54 \subsubsection{Síť pro detekci dopadu meteorů}
55  
56 \begin{figure}
57 \centering
3033 kaklik 58 \includegraphics[width=15cm, height=9cm]{img/SchemaCeleSite.png}
3026 kaklik 59 \caption{Schéma celé sítě}
60 \label{fig:blokcelasit}
61 \end{figure}
62  
2849 kaklik 63 Celý systém by měl být robotizovaným doplňkem sítě
3004 kaklik 64 \href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:rmds}{radiových detektorů meteorů}, případně pak i
65 její vizuální varianty (video pozorování a bolidové kamery).
2849 kaklik 66  
3033 kaklik 67 Účel zařízení je zpřesnit odhad trajektorie temné dráhy meteoritu v
2849 kaklik 68 atmosféře zavedením korekcí na proudění vzduchových mas během letu. A
3033 kaklik 69 tím v důsledku zmenšit plochu dopadové elipsy meteoritu na zemský povrch.
2849 kaklik 70  
71 Údaje o proudech v atmosféře budou získány balónovou sondou vypuštěnou
72 bezprostředně po detekci průletu bolidu atmosférou. Místo vypuštění
73 balónové sondy by mělo být zvoleno automaticky na základě odhadu dráhy
74 meteoru a známých souřadnic balónových sil v síti.
75  
76 Důležitou součástí systému je plně robotizovaná vypouštěcí stanice
77 (balónové silo), která umožní vypuštění sondy ze známých souřadnic bez
78 zásahu lidské obsluhy. Vedlejším produktem takového vývoje bude zařízení
79 schopné v budoucnu automatizovat i vypouštění klasických
80 meteorologických
81 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Radiosonde}{radiosond}.
82  
3026 kaklik 83 \subsubsection{Automatické vypouštění meteorologických radiosond}
2849 kaklik 84  
3033 kaklik 85 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 86  
87 \section{Pozemní vypouštěcí box}
88  
3004 kaklik 89 Pozemní stanici balónové sítě tvoří kompaktní krabice obsahující
90 techniku potřebnou k vypuštění balónové sondy. Zařízení je
2849 kaklik 91 konstruováno tak, aby bylo schopné vydržet řádově několik roků v
92 pohotovostním režimu, a čekat na příkaz k vypouštění sondy.
93  
3027 kaklik 94 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 95  
3005 poskozby 96 Většina řídící elektroniky je složena z modulů
2849 kaklik 97 \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}
98  
3004 kaklik 99 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 100  
101 \begin{itemize}
3009 kaklik 102 \item Ethernet - modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/ETH01A}{ETH01A}
103 \item Konvertor z TTL na sběrnici CAN \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLCAN01B}{TTLCAN01B}
104 \item Konvertor z TTL na sběrnici RS485. \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLRS48501A}{TTLRS48501A}
105 \item GSM výhodné pro odlehlé oblasti a odesílání informací o poruchách.
106 \item USB - je přímo osazeno na použitém řídícím modulu a lze jej použít jako servisní terminál a k aktualizaci firmwaru pomocí bootloaderu.
2849 kaklik 107 \end{itemize}
108  
3004 kaklik 109 Jako hlavní řídící MCU této jednotky byl vybrán ARM STM32F103R8T v modulu
3009 kaklik 110 \href{/doku.php?id=cs:stm32f10xrxt}{STM32F10xRxT01A}. Firmware je pak dále popsán v kapitole \ref{Box_firmware}.
2849 kaklik 111  
3027 kaklik 112 \subsection{Elektronika pozemní stanice}
2849 kaklik 113  
3027 kaklik 114 \subsubsection{Napájení elektronických subsystémů}
115  
3004 kaklik 116 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 117  
3028 kaklik 118 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 119  
3028 kaklik 120  
3025 kaklik 121 \subsection{Mechanická konstrukce}
3004 kaklik 122  
3033 kaklik 123 <<<<<<< .mine
124 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.
125 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.
126 =======
3032 pomiceva 127 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.
128  
3031 pomiceva 129 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 130 >>>>>>> .r3032
3004 kaklik 131  
3025 kaklik 132 \subsubsection{Akční členy}
3004 kaklik 133  
134 Většina akčních členů je konstruována s důrazem na maximální
135 spolehlivost. Akční členy proto jsou pružiny s
2852 pomiceva 136 přepalovacími PE pojistkami (silonové vlákno, nebo stuha
3005 poskozby 137 přepalovaná výkonovým rezistorem) ke spínáni proudu do rezistorů
3004 kaklik 138 je využit modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/NFET4X01B}{NFET4X01B}
2849 kaklik 139  
3009 kaklik 140 Dále se nám podařilo sestrojit prototyp odpalování pružiny pro otevírání víka pozemní vypouštěcí stanice. Tento pokus nejlépe ilustruje toto
141  
142 \href{http://www.mlab.cz/redmine/attachments/download/3/video-2013-03-09-23-43-33.mp4}{video}.
143  
144 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 145  
3037 pomiceva 146 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}).
147  
3009 kaklik 148 \begin{figure}[hbtp]
149 \centering
3025 kaklik 150 \includegraphics[width=10cm]{img/odpalovac2.jpg}
151 \caption{Prototyp pojišťovacího mechanismu}
3009 kaklik 152 \label{fig:odpalovac}
153 \end{figure}
154  
3037 pomiceva 155 \begin{figure}[hbtp]
156 \centering
157 \includegraphics[width=10cm]{img/vodiciClanek.jpg}
158 \caption{Vodící článek pro stuhu}
159 \label{fig:3Dtiskarna}
160 \end{figure}
161  
3033 kaklik 162 V produkční verzi by mela být kosntrukce řešena polyfúzně svařovanou plastovou bednou dostatečně těsnou, aby nebyla zajímavá pro hlodavce a další havěť.
3025 kaklik 163  
164 Rozměry by měly být upraveny tak, aby umožnila vypouštění i současných profesionálních balónových sond.
3009 kaklik 165  
3033 kaklik 166 <<<<<<< .mine
3037 pomiceva 167 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 168 =======
3037 pomiceva 169 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 170 >>>>>>> .r3032
3024 kaklik 171  
3037 pomiceva 172 \begin{figure}[hbtp]
173 \centering
3038 pomiceva 174 \includegraphics[width=16cm]{img/otevirani_strechy2.jpg}
3037 pomiceva 175 \caption{Otevírání střechy}
176 \label{fig:oteviraniStrechy}
177 \end{figure}
178  
3025 kaklik 179 \subsubsection{Uzavírací mechanismus balónu}
3024 kaklik 180  
3032 pomiceva 181 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.
182  
3037 pomiceva 183 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 184  
3024 kaklik 185 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.
186  
3032 pomiceva 187 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.
188  
189 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}.
190  
3025 kaklik 191 \begin{figure}[hbtp]
192 \centering
193 \includegraphics[width=15cm]{./img/uzaviraci_mechanismus.jpg}
194 \caption{Nákres uzavíracího mechanismu balónu}
195 \label{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}
196 \end{figure}
3024 kaklik 197  
3027 kaklik 198 \subsubsection{Napouštěcí systém balónu}
199  
3032 pomiceva 200 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 201  
202 Pro dávkování nosného plynu do balónu byly uvažovány dva koncepty.
203  
204 \begin{enumerate}
205 \item Použití jednorázové plynové kartuše naplněné právě potřebným množstvím plynu.
206 \item Použití opakovaně plnitelné tlakové lahve
207 \end{enumerate}
208  
209 \paragraph{Tlaková nádoba}
210  
3032 pomiceva 211 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 212  
213 \begin{figure}
214 \centering
215 \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{img/Kartuse_s_heliem.png}
216 \caption{Konstrukce ventilu plynové kartuše s héliem}
217 \label{fig:helium}
218 \end{figure}
219  
3032 pomiceva 220 V originálním uspořádání je tlačný kuželový ventil otevírán redukčním ventilem, který je vidět na obrázku \ref{fig:ventil_autogen}.
3027 kaklik 221  
222 \begin{figure}
223 \centering
224 \includegraphics[width=10cm]{img/Redukcni_ventil.png}
225 \caption{Redukční ventil}
226 \label{fig:ventil_autogen}
227 \end{figure}
228  
229 Ten kromě kuželu a přítlačné pružiny obsahuje ještě i zpětný ventil s hadičníkem, který lze z těla redukčního ventilu odšroubovat.
230  
3032 pomiceva 231 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 232  
3032 pomiceva 233 Z toho důvodu byla použita opakovatelně plnitelná tlaková nádoba v kombinaci s klasickým redukčním ventilem na kyslík.
3027 kaklik 234  
235 \begin{figure}
236 \centering
237 \includegraphics[width=10cm]{img/Lahev_helium.jpg}
238 \caption{Znovuplnitelná lahev na technické plyny}
3028 kaklik 239 \label{fig:refillable_gas_cilinder}
3027 kaklik 240 \end{figure}
241  
242 \begin{figure}
243 \centering
244 \includegraphics[width=10cm]{img/redukcni_ventil_vodik.jpeg}
245 \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)}
246 \label{fig:redukcni_ventil_vodik}
247 \end{figure}
248  
249 \begin{figure}
250 \centering
251 \includegraphics[width=10cm]{./img/redukcni-ventil-autogen-kyslik.jpg}
252 \caption{Redukční ventil na kyslík sloužící jako náhrada za vodíkový redukční ventil s levým závitem}
3028 kaklik 253 \label{fig:redukcni_ventil_kyslik}
3027 kaklik 254 \end{figure}
255  
256  
3032 pomiceva 257 Helium je pak dávkováno elektromagnetickým ventilem.
3027 kaklik 258  
259 \begin{figure}
260 \centering
261 \includegraphics[width=10cm]{img/elektromagneticky_ventil.jpg}
262 \caption{Elektromagnetický dávkovací ventil}
263 \label{fig:elmag_ventil}
264 \end{figure}
265  
3032 pomiceva 266 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 267  
3032 pomiceva 268 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 269  
3032 pomiceva 270 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 271  
272  
3026 kaklik 273 \subsection{Diagnostika stavu systému}
274  
275 \begin{itemize}
276 \item
277 Kontrola úspěšného startu (měření vztlaku balónu)
278 \item
279 Měření teplot, tlaku plynové náplně, průtoku média do balónu.
280 \item
281 Vlhkost uvnitř krabice (průsak a ztráta vodotěsnosti proražením víka a
282 podobně)
283 \end{itemize}
284  
285 \subsubsection{Meteorologická data}
286  
287 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.
288  
289  
3025 kaklik 290 \subsection{Firmware pozemní stanice}
3009 kaklik 291 \label{Box_firmware}
2849 kaklik 292  
3025 kaklik 293 \subsubsection{Real-time operační systém}
3005 poskozby 294 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 295 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 296  
3025 kaklik 297 \subsubsection{Funkce firmwaru}
3009 kaklik 298  
3032 pomiceva 299 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 300 \paragraph{Blikání LED}
3032 pomiceva 301 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 302 \paragraph{Vypouštění}
3032 pomiceva 303 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 304 \begin{enumerate}
305 \item Příjem příkazu pro odpal
306 \item Příjem příkazu pro zrušení odpalu
307 \item Probuzení od časovače
308 \end{enumerate}
309 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 310 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.\\
311 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.\\
312 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 313 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 314 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 315  
3025 kaklik 316 \paragraph{Příjem příkazu od uživatele}
3004 kaklik 317  
3032 pomiceva 318 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 319  
3025 kaklik 320 \paragraph{Příjem dat z GPS modulu}
3004 kaklik 321  
3002 kaklik 322 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 323 \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.
324  
3026 kaklik 325 \subsubsection{Uživatelské rozhraní}
326  
3005 poskozby 327 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 328  
3002 kaklik 329 \begin{enumerate}
330 \item odpal
331 \item zrus (nebo písmeno "s")
332 \item help
333 \item check
334 \end{enumerate}
3004 kaklik 335  
3005 poskozby 336 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 337  
3002 kaklik 338 \begin{figure}[hbtp]
3006 kaklik 339 \begin{center}
3004 kaklik 340 \includegraphics[height=200mm]{./img/program_flow.png}
3002 kaklik 341 \caption{Funkční diagram firmwaru Automatického vypouštěče}
3005 poskozby 342 \label{fig:Diag_firmware}
3006 kaklik 343 \end{center}
3002 kaklik 344 \end{figure}
345  
346  
3008 kaklik 347 \begin{figure}
3006 kaklik 348 \begin{center}
349 \includegraphics[width=10cm] {./img/Schema_ARM.png}
2852 pomiceva 350 \caption{Blokové schéma pozemního vypouštěcího boxu}
351 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 352 \end{center}
2852 pomiceva 353 \end{figure}
2849 kaklik 354  
355  
3025 kaklik 356 \section{Balónová sonda}
2849 kaklik 357  
3032 pomiceva 358 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 359  
2849 kaklik 360 Neletový prototyp sondy bude vyvinut za použití modulů stavebnice
361 \href{http://www.mlab.cz/Server/GenIndex/GenIndex.php?lang=cs\&path=/Modules}{MLAB}
362  
363 \href{/doku.php?id=cs:atmegatq32}{ATmegaTQ3201A},
364 \href{/doku.php?id=cs:sdcard}{SDcard01B},
3032 pomiceva 365 \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A}.
2849 kaklik 366  
3027 kaklik 367 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 368  
369 GPS na sondě by měla být udržovaná ve stavu FIX, aby pak nedocházelo ke
370 zpoždění v důsledku čekání na fix.
371  
3039 kaklik 372 \subsubsection{Komunikace (Telemetrické údaje)}
2849 kaklik 373  
374 \begin{itemize}
375 \item
376 Primárním cílem je měření rychlosti a směru větru ve známých bodech.
377 \item
378 GPS údaje 10Hz, textový výstup
379 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/NMEA\_0183}{NMEA}
380 \item
381 další veličiny jako teploty, tlaky atd. jsou volitelné.
382 \item
3032 pomiceva 383 Radio maják a akustický maják
2849 kaklik 384 \item
385 Radiový přenos telemetrie v pásmu 27-450 MHz: možnost bezlicenčních
386 pásem (SVN: VO-R-16, VO-R-10)
387 \item
388 Radiomoduly: \href{http://www.artbrno.cz}{http://www.artbrno.cz},
389 \href{http://www.anaren.com}{http://www.anaren.com}
390 \end{itemize}
391 GPS je potřeba vybrat tak, aby fungovala i ve větších výškách.
392 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_3}{3)}}
393  
3039 kaklik 394 \subsubsection{Napájení sondy během letu}
2849 kaklik 395  
396 \begin{itemize}
397 \item
398 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium\_battery}{Lithiový článek}
399 (negeneruje teplo, minimální provozní teplota je -60 C)
400 \item
401 Hořčíková baterie (generuje teplo pro temperování elektroniky)
402 \item
403 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Silver-oxide\_battery}{Stříbro-oxidový
404 článek} Vydrží nižší provozní teploty a je ekologicky nezávadný.
405 \item
406 Ideální by bylo použití
407 \href{https://www.youtube.com/watch?feature=player\_embedded\&v=OtM6XJlynkk}{superkapacitorů}
408 \end{itemize}
3039 kaklik 409  
2849 kaklik 410 Řešením problému s nízkou teplotou ve vyšších výškách by mohlo být
411 předehřátí sondy při startu.
412  
3032 pomiceva 413 Komunikace a napájení za letu nebylo v rámci této fáze projektu finálně vyřešeno.
414  
3039 kaklik 415 \subsubsection{Konstrukce}
416 \label{konstrukce}
2849 kaklik 417  
418 \begin{itemize}
419 \item
420 Balón - \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Polyethylen}{PE} pytel
3032 pomiceva 421 (životnost v zabaleném stavu - pryž časem degraduje)
2849 kaklik 422 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_4}{4)}}
423 \item
424 Možnost dálkového odpojení balónu od sondy (ukončení stoupání)
425 \item
426 Prototyp plněný \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Helium}{heliem},
3032 pomiceva 427 ekologičtější. Další možností byl vodík, který lze vyrábět chemicky přímo během
428 vypuštění sondy.
2849 kaklik 429 \item
430 Splnění požadavků na bezpečnost provozu (letovou, majetkovou a
431 personální)
432 \end{itemize}
433  
3039 kaklik 434 \subsubsection{Firmware}
435  
2849 kaklik 436 \begin{itemize}
437 \item
438 Záznam dat v gondole balónu mikroSD karta
439 \end{itemize}
440  
3032 pomiceva 441 Toto řešení bylo zavrženo jako nevhodné z důvodu malé šance nalezení a návratu gondoly. Data bude nutné přenášet online na zem.
442  
3008 kaklik 443 \begin{figure}
3006 kaklik 444 \begin{center}
445 \includegraphics[width=10cm]{img/Schema_ATmega.png}
2852 pomiceva 446 \caption{Blokové schéma balónové sondy}
447 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 448 \end{center}
2852 pomiceva 449 \end{figure}
2849 kaklik 450  
3039 kaklik 451 \subsubsection{Legislativní požadavky}
2849 kaklik 452  
453 Pravidla pro lety volných balónů bez pilota jsou definovány v leteckých
454 předpisech L-2 Pravidla létaní, dodatek 5 a R.
455  
456 \paragraph{Kategorie balónu}
457  
458 Balón by měl spadat do kategorie B2, která je definována jako volný
3005 poskozby 459 balón s objemem menším než 3,25~$m^{3}$, přičemž žádný z rozměrů balónu
460 nepřekračuje 2~m. Rozměr 2~m je rozměr při jeho maximálním
2849 kaklik 461 naplnění/roztažení.
462  
3005 poskozby 463 \paragraph{Povolení vypuštění}
2849 kaklik 464  
465 Užitečné zatížení představují předměty a materiály, které by v případě
466 střetu s letadlem mohly způsobit poškození letadla (zejména prskavky,
467 svítící tyčinky, lámací světla, LED diody apod.) a jakékoliv zatížení o
468 hmotnosti přesahující 0,1 kg. Vzhledem k této definici bude nutné mít
469 pro provoz balónu povolení. Všechny informace ohledně letu (jako je
470 datum, čas, místo vypuštění, užitečné zatížení atp.) musí být zveřejněny
471 v Letecké informační příručce (AIP). Pro vypuštění ve zvláštních
472 případech, jako je mimořádné pozorování, je potřeba upozornit
473 prostřednictvím navigační výstrahy formou zprávy NOTAM, která se musí
474 podat minimálně 24 hodin před vzletem balónu.
475  
476 \paragraph{Materiály}
477  
478 Balón nesmí být plněn hořlavými a výbušnými plyny s výjimkou povolení
479 ÚCL. Omezení pro materiál antény ani baterií nejsou definovány. Materiál
480 balónu také není definován, ale při použití balónu o vysoké svítivosti
481 nebo zhotoveného z materiálů o velké světelné nebo radarové odrazivosti
3008 kaklik 482 musí být oznámeno vypuštění balónu nejbližšímu stanovišti letových provozních služeb.
2849 kaklik 483 Materiál (lano, provázek) spojující balón se sondou nesmí vydržet větší
3005 poskozby 484 sílu než 230~N.
2849 kaklik 485  
486 \hyperdef{}{dostup}{\paragraph{Dostup}\label{dostup}}
487  
488 Pro dostup nejsou omezení.
489  
490 \paragraph{Místo vypuštění}
491  
492 Omezení se týká všech Zakázaných, Nebezpečných a Omezených prostorů,
493 stejně jako dočasně aktivovaných prostorů v době jejich používaní, s
494 výjimkou kdy tak povolí ÚCL nebo kdy je prostor vyhrazen pro let
495 předmětného balónu. Provoz balónu blízko hranic a letišť je
496 problematický, nedoporučuje se.
497  
498 \paragraph{Řešení legislativních problémů}
499  
500 \begin{itemize}
501 \item
3032 pomiceva 502 Navržení bezpečné sondy, která splní požadavky ÚCL pro kategorii B2.
503 \item Řízené stoupání a aktivní zabránění vzniku kolize. Takový systém by mohl zároveň zjednodušit návrat sondy viz
2852 pomiceva 504 \href{http://www.youtube.com/watch?v=rpBnurznFio}{zde})
3028 kaklik 505 \item Autodestrukce při hrozící srážce.
2849 kaklik 506 \end{itemize}
507  
3032 pomiceva 508 Bylo zvoleno první řešení, a to navržení bezpečné sondy spadající do kategorie B2. Finální systém bude muset být předložen k posouzení komisi na ÚCL.
509  
3025 kaklik 510 \subsection{Meteorologický balón}
3033 kaklik 511  
3028 kaklik 512 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 513  
3032 pomiceva 514 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 515  
3025 kaklik 516 \subsubsection{Svařování balónu}
517  
3028 kaklik 518  
519  
520  
3035 pomiceva 521 \subsubsection{Zpětný ventil}
522 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 523  
3035 pomiceva 524 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 525  
526 \begin{figure}
527 \centering
528 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentilFoto.JPG}
529 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu - foto}
530 \label{fig:ZpetVentilFoto}
531 \end{figure}
532  
533 \begin{figure}
534 \centering
535 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentil.png}
536 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu}
537 \label{fig:ZpetVentil}
538 \end{figure}
539  
540  
541  
542 \section{Řídící systém sítě}
543  
544 \subsection{Zpracování dostupných dat}
545  
2849 kaklik 546 \begin{itemize}
547 \item
548 Odhad vektoru meteoru v atmosféře
549 \item
550 Záznam dostupných meteorologických dat pro pozdější rekonstrukci
551 (družicové snímky, aktuálně měřené hodnoty ČHMÚ, radarové snímky)
552 \item
3005 poskozby 553 Sběr dat z jednotlivých stanic
2849 kaklik 554 \item
3005 poskozby 555 Výpočet vektoru a výškových profilů větru
2849 kaklik 556 \end{itemize}
3025 kaklik 557 \subsection{Rozhodovací proces}
2849 kaklik 558  
3035 pomiceva 559 Použití přesněji nedefinovaného skriptovacího jazyka pro popis procesu
560 \href{http://www.ros.org/wiki/}{ROS}
2849 kaklik 561  
562 \begin{itemize}
563 \item
564 Přidělení příkazu ke startu jednotlivým stanicím.
565 \item
566 Přeplánování startu v důsledku neúspěšného vypuštění nebo zamítnutí
567 stanicí.
568 \item
569 Kontrola potenciálního narušení vzdušného prostoru a zakázaných zón.
570 \end{itemize}
3025 kaklik 571 \subsection{Správa systému}
2849 kaklik 572  
573 \begin{itemize}
574 \item
3005 poskozby 575 Registrace jednotlivých stanic a správa uživatelů v kooperaci s
2849 kaklik 576 projektem \href{http://www.astrozor.cz/}{Astrozor}
577 \end{itemize}
578  
3035 pomiceva 579 V této fázi projektu nebyl Řídící systém podrobněji řešen, pouze počáteční návrhy.
3009 kaklik 580  
3035 pomiceva 581 \section{Výsledky projektu}
3025 kaklik 582  
3036 pomiceva 583 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 584  
3035 pomiceva 585 V průběhu vývoje nastalo několik technických problémů. Navrhovaná řešení jednotlivých problémů jsou uvedena v technické části vždy u příslušné kapitoly.
2849 kaklik 586  
3036 pomiceva 587 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.
588  
3027 kaklik 589 \subsection{Možnosti budoucího vývoje zařízení}
3009 kaklik 590  
3035 pomiceva 591 V produkční verzi zařízení bude potřeba zejména vylepšit mechanickou konstrukci vypouštěcího boxu tak, aby byla odolnější proti povětrnostním vlivům.
592 Dále bude potřeba vylepšit firmware tak, aby časování sekvence fungovalo korektním způsobem.
3036 pomiceva 593  
594 \subsection{Doporučení pro další cvičení}
595 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 596  
2852 pomiceva 597 \newpage
598  
2849 kaklik 599 \begin{thebibliography}{99}
2852 pomiceva 600 \bibitem{cement}{například síť CEMeNt}
601 \url{http://cement.fireball.sk/}
602 \bibitem{radiosondy}{radiosondy}
603 \url{http://www.radiosonde.eu/}, \url{http://www.radiosonda.sk/}
604 \bibitem{cocom}{směrnice CoCom}
605 \url{http://en.wikipedia.org/wiki/CoCom\#Legacyi}
606 \bibitem{moguli}{projekt Mogul}
607 \url{http://cs.wikipedia.org/wiki/Projekt\_Moguli}
3028 kaklik 608 \bibitem{Parafoil_Return_Vehicle}{Autonomous Parafoil Return Vehicle}
609 \url{http://mbed.org/users/lhiggs/notebook/autonomous-parafoil-return-vehicle/}
3002 kaklik 610 \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}
611 \bibitem {ChibiOS/RT}\url{http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php}
3033 kaklik 612 \bibitem{automacic_balloon_launcher}{A Cost Effective Automatic Balloon Launcher}
613 \url{http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp?purl=/768881-IVNrhd/native/768881.pdf}
2849 kaklik 614 \end{thebibliography}
3028 kaklik 615 \end{document}