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  
3024 kaklik 126 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.
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 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.
3004 kaklik 128  
3025 kaklik 129 \subsubsection{Akční členy}
3004 kaklik 130  
131 Většina akčních členů je konstruována s důrazem na maximální
132 spolehlivost. Akční členy proto jsou pružiny s
2852 pomiceva 133 přepalovacími PE pojistkami (silonové vlákno, nebo stuha
3005 poskozby 134 přepalovaná výkonovým rezistorem) ke spínáni proudu do rezistorů
3004 kaklik 135 je využit modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/NFET4X01B}{NFET4X01B}
2849 kaklik 136  
3009 kaklik 137 Dále se nám podařilo sestrojit prototyp odpalování pružiny pro otevírání víka pozemní vypouštěcí stanice. Tento pokus nejlépe ilustruje toto
138  
139 \href{http://www.mlab.cz/redmine/attachments/download/3/video-2013-03-09-23-43-33.mp4}{video}.
140  
141 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 142  
3009 kaklik 143 \begin{figure}[hbtp]
144 \centering
3025 kaklik 145 \includegraphics[width=10cm]{img/odpalovac2.jpg}
146 \caption{Prototyp pojišťovacího mechanismu}
3009 kaklik 147 \label{fig:odpalovac}
148 \end{figure}
149  
3025 kaklik 150 V produkční verzi by mela být kosntrukce řešena polyfúzně svařovanou plastovou bednou dostatečně těsnou, aby nebyla zajímavá pro hlodavce a další havěť.
151  
152 Rozměry by měly být upraveny tak, aby umožnila vypouštění i současných profesionálních balónových sond.
3009 kaklik 153  
3024 kaklik 154 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.
155  
3025 kaklik 156 \subsubsection{Uzavírací mechanismus balónu}
3024 kaklik 157  
3025 kaklik 158 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.
159 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 160 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 161 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.
162 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 163  
3025 kaklik 164 \begin{figure}[hbtp]
165 \centering
166 \includegraphics[width=15cm]{./img/uzaviraci_mechanismus.jpg}
167 \caption{Nákres uzavíracího mechanismu balónu}
168 \label{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}
169 \end{figure}
3024 kaklik 170  
3027 kaklik 171 \subsubsection{Napouštěcí systém balónu}
172  
173 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.
174  
175 Pro dávkování nosného plynu do balónu byly uvažovány dva koncepty.
176  
177 \begin{enumerate}
178 \item Použití jednorázové plynové kartuše naplněné právě potřebným množstvím plynu.
179 \item Použití opakovaně plnitelné tlakové lahve
180 \end{enumerate}
181  
182 \paragraph{Tlaková nádoba}
183  
184 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
185  
186 \begin{figure}
187 \centering
188 \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{img/Kartuse_s_heliem.png}
189 \caption{Konstrukce ventilu plynové kartuše s héliem}
190 \label{fig:helium}
191 \end{figure}
192  
193 V originálním uspořádání je tlačný kuželový ventil otevírán redukčním ventilem, který je vidět na obrázku \ref{fig:ventil_autogen}
194  
195 \begin{figure}
196 \centering
197 \includegraphics[width=10cm]{img/Redukcni_ventil.png}
198 \caption{Redukční ventil}
199 \label{fig:ventil_autogen}
200 \end{figure}
201  
202 Ten kromě kuželu a přítlačné pružiny obsahuje ještě i zpětný ventil s hadičníkem, který lze z těla redukčního ventilu odšroubovat.
203  
204 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.
205  
206 Z toho důvodu byla použita opakovatelně plnitelná tlaková nádoba v kombinaci s klasickým redukčním ventilem na kyslík.
207  
208 \begin{figure}
209 \centering
210 \includegraphics[width=10cm]{img/Lahev_helium.jpg}
211 \caption{Znovuplnitelná lahev na technické plyny}
3028 kaklik 212 \label{fig:refillable_gas_cilinder}
3027 kaklik 213 \end{figure}
214  
215 \begin{figure}
216 \centering
217 \includegraphics[width=10cm]{img/redukcni_ventil_vodik.jpeg}
218 \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)}
219 \label{fig:redukcni_ventil_vodik}
220 \end{figure}
221  
222 \begin{figure}
223 \centering
224 \includegraphics[width=10cm]{./img/redukcni-ventil-autogen-kyslik.jpg}
225 \caption{Redukční ventil na kyslík sloužící jako náhrada za vodíkový redukční ventil s levým závitem}
3028 kaklik 226 \label{fig:redukcni_ventil_kyslik}
3027 kaklik 227 \end{figure}
228  
229  
230 Helium je pak dávkováno elektromagnetickým ventilem
231  
232 \begin{figure}
233 \centering
234 \includegraphics[width=10cm]{img/elektromagneticky_ventil.jpg}
235 \caption{Elektromagnetický dávkovací ventil}
236 \label{fig:elmag_ventil}
237 \end{figure}
238  
239 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.
240  
241 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.
242  
243 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.
244  
245  
3026 kaklik 246 \subsection{Diagnostika stavu systému}
247  
248 \begin{itemize}
249 \item
250 Kontrola úspěšného startu (měření vztlaku balónu)
251 \item
252 Měření teplot, tlaku plynové náplně, průtoku média do balónu.
253 \item
254 Vlhkost uvnitř krabice (průsak a ztráta vodotěsnosti proražením víka a
255 podobně)
256 \end{itemize}
257  
258 \subsubsection{Meteorologická data}
259  
260 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.
261  
262  
3025 kaklik 263 \subsection{Firmware pozemní stanice}
3009 kaklik 264 \label{Box_firmware}
2849 kaklik 265  
3025 kaklik 266 \subsubsection{Real-time operační systém}
3005 poskozby 267 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.\\
268 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 269  
3025 kaklik 270 \subsubsection{Funkce firmwaru}
3009 kaklik 271  
3005 poskozby 272 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 273 \paragraph{Blikání LED}
3002 kaklik 274 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 275 \paragraph{Vypouštění}
3002 kaklik 276 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:\\
277 \begin{enumerate}
278 \item Příjem příkazu pro odpal
279 \item Příjem příkazu pro zrušení odpalu
280 \item Probuzení od časovače
281 \end{enumerate}
282 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.\\
283 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 284 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 285 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.\\
286 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.\\
287 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 288  
3025 kaklik 289 \paragraph{Příjem příkazu od uživatele}
3004 kaklik 290  
3002 kaklik 291 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 292  
3025 kaklik 293 \paragraph{Příjem dat z GPS modulu}
3004 kaklik 294  
3002 kaklik 295 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 296 \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.
297  
3026 kaklik 298 \subsubsection{Uživatelské rozhraní}
299  
3005 poskozby 300 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 301  
3002 kaklik 302 \begin{enumerate}
303 \item odpal
304 \item zrus (nebo písmeno "s")
305 \item help
306 \item check
307 \end{enumerate}
3004 kaklik 308  
3005 poskozby 309 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 310  
3002 kaklik 311 \begin{figure}[hbtp]
3006 kaklik 312 \begin{center}
3004 kaklik 313 \includegraphics[height=200mm]{./img/program_flow.png}
3002 kaklik 314 \caption{Funkční diagram firmwaru Automatického vypouštěče}
3005 poskozby 315 \label{fig:Diag_firmware}
3006 kaklik 316 \end{center}
3002 kaklik 317 \end{figure}
318  
319  
3008 kaklik 320 \begin{figure}
3006 kaklik 321 \begin{center}
322 \includegraphics[width=10cm] {./img/Schema_ARM.png}
2852 pomiceva 323 \caption{Blokové schéma pozemního vypouštěcího boxu}
324 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 325 \end{center}
2852 pomiceva 326 \end{figure}
2849 kaklik 327  
328  
3025 kaklik 329 \section{Balónová sonda}
2849 kaklik 330  
3028 kaklik 331 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}.
332  
2849 kaklik 333 Neletový prototyp sondy bude vyvinut za použití modulů stavebnice
334 \href{http://www.mlab.cz/Server/GenIndex/GenIndex.php?lang=cs\&path=/Modules}{MLAB}
335  
336 \href{/doku.php?id=cs:atmegatq32}{ATmegaTQ3201A},
337 \href{/doku.php?id=cs:sdcard}{SDcard01B},
338 \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A}
339  
3027 kaklik 340 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 341  
342 GPS na sondě by měla být udržovaná ve stavu FIX, aby pak nedocházelo ke
343 zpoždění v důsledku čekání na fix.
344  
345 \paragraph{Komunikace (Telemetrické údaje)}
346  
347 \begin{itemize}
348 \item
349 Primárním cílem je měření rychlosti a směru větru ve známých bodech.
350 \item
351 GPS údaje 10Hz, textový výstup
352 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/NMEA\_0183}{NMEA}
353 \item
354 další veličiny jako teploty, tlaky atd. jsou volitelné.
355 \item
356 Radio maják a akustický maják?
357 \item
358 Radiový přenos telemetrie v pásmu 27-450 MHz: možnost bezlicenčních
359 pásem (SVN: VO-R-16, VO-R-10)
360 \item
361 Radiomoduly: \href{http://www.artbrno.cz}{http://www.artbrno.cz},
362 \href{http://www.anaren.com}{http://www.anaren.com}
363 \end{itemize}
364 GPS je potřeba vybrat tak, aby fungovala i ve větších výškách.
365 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_3}{3)}}
366  
367 \paragraph{Napájení sondy během letu}
368  
369 \begin{itemize}
370 \item
371 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium\_battery}{Lithiový článek}
372 (negeneruje teplo, minimální provozní teplota je -60 C)
373 \item
374 Hořčíková baterie (generuje teplo pro temperování elektroniky)
375 \item
376 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Silver-oxide\_battery}{Stříbro-oxidový
377 článek} Vydrží nižší provozní teploty a je ekologicky nezávadný.
378 \item
379 Ideální by bylo použití
380 \href{https://www.youtube.com/watch?feature=player\_embedded\&v=OtM6XJlynkk}{superkapacitorů}
381 \end{itemize}
382 Řešením problému s nízkou teplotou ve vyšších výškách by mohlo být
383 předehřátí sondy při startu.
384  
385 \hyperdef{}{konstrukce}{\paragraph{Konstrukce}\label{konstrukce}}
386  
387 \begin{itemize}
388 \item
389 Balón - \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Polyethylen}{PE} pytel
390 (kvůli životnosti v zabaleném stavu - guma s časem degraduje)
391 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_4}{4)}}
392 \item
393 Možnost dálkového odpojení balónu od sondy (ukončení stoupání)
394 \item
395 Prototyp plněný \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Helium}{heliem},
396 i ekologičtější. A vodík navíc lze vyrábět chemicky přímo během
397 vypuštění sondy).
398 \item
399 Splnění požadavků na bezpečnost provozu (letovou, majetkovou a
400 personální)
401 \end{itemize}
402 \paragraph{Firmware}
403  
404 \begin{itemize}
405 \item
406 Záznam dat v gondole balónu mikroSD karta
407 \end{itemize}
408  
3008 kaklik 409 \begin{figure}
3006 kaklik 410 \begin{center}
411 \includegraphics[width=10cm]{img/Schema_ATmega.png}
2852 pomiceva 412 \caption{Blokové schéma balónové sondy}
413 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 414 \end{center}
2852 pomiceva 415 \end{figure}
2849 kaklik 416  
3025 kaklik 417 \subsection{Legislativní požadavky}
2849 kaklik 418  
419 Pravidla pro lety volných balónů bez pilota jsou definovány v leteckých
420 předpisech L-2 Pravidla létaní, dodatek 5 a R.
421  
422 \paragraph{Kategorie balónu}
423  
424 Balón by měl spadat do kategorie B2, která je definována jako volný
3005 poskozby 425 balón s objemem menším než 3,25~$m^{3}$, přičemž žádný z rozměrů balónu
426 nepřekračuje 2~m. Rozměr 2~m je rozměr při jeho maximálním
2849 kaklik 427 naplnění/roztažení.
428  
3005 poskozby 429 \paragraph{Povolení vypuštění}
2849 kaklik 430  
431 Užitečné zatížení představují předměty a materiály, které by v případě
432 střetu s letadlem mohly způsobit poškození letadla (zejména prskavky,
433 svítící tyčinky, lámací světla, LED diody apod.) a jakékoliv zatížení o
434 hmotnosti přesahující 0,1 kg. Vzhledem k této definici bude nutné mít
435 pro provoz balónu povolení. Všechny informace ohledně letu (jako je
436 datum, čas, místo vypuštění, užitečné zatížení atp.) musí být zveřejněny
437 v Letecké informační příručce (AIP). Pro vypuštění ve zvláštních
438 případech, jako je mimořádné pozorování, je potřeba upozornit
439 prostřednictvím navigační výstrahy formou zprávy NOTAM, která se musí
440 podat minimálně 24 hodin před vzletem balónu.
441  
442 \paragraph{Materiály}
443  
444 Balón nesmí být plněn hořlavými a výbušnými plyny s výjimkou povolení
445 ÚCL. Omezení pro materiál antény ani baterií nejsou definovány. Materiál
446 balónu také není definován, ale při použití balónu o vysoké svítivosti
447 nebo zhotoveného z materiálů o velké světelné nebo radarové odrazivosti
3008 kaklik 448 musí být oznámeno vypuštění balónu nejbližšímu stanovišti letových provozních služeb.
2849 kaklik 449 Materiál (lano, provázek) spojující balón se sondou nesmí vydržet větší
3005 poskozby 450 sílu než 230~N.
2849 kaklik 451  
452 \hyperdef{}{dostup}{\paragraph{Dostup}\label{dostup}}
453  
454 Pro dostup nejsou omezení.
455  
456 \paragraph{Místo vypuštění}
457  
458 Omezení se týká všech Zakázaných, Nebezpečných a Omezených prostorů,
459 stejně jako dočasně aktivovaných prostorů v době jejich používaní, s
460 výjimkou kdy tak povolí ÚCL nebo kdy je prostor vyhrazen pro let
461 předmětného balónu. Provoz balónu blízko hranic a letišť je
462 problematický, nedoporučuje se.
463  
464 \paragraph{Řešení legislativních problémů}
465  
466 \begin{itemize}
467 \item
468 Navrhnout bezpečnou sondu, která splní požadavky ÚCL na bezpečnost
469 letu.
3028 kaklik 470 \item Řídit stoupání a aktivně zabránit vzniku kolize. Takový systém by mohl zároveň zjednodušit návrat sondy viz
2852 pomiceva 471 \href{http://www.youtube.com/watch?v=rpBnurznFio}{zde})
3028 kaklik 472 \item Autodestrukce při hrozící srážce.
2849 kaklik 473 \end{itemize}
474  
3025 kaklik 475 \subsection{Meteorologický balón}
3028 kaklik 476 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 477  
3028 kaklik 478 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.
479  
3025 kaklik 480 \subsubsection{Svařování balónu}
481  
3028 kaklik 482  
483  
484  
3025 kaklik 485 \subsubsection{Evči zpětný ventil}
486 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.
487  
488 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.
489  
490 \begin{figure}
491 \centering
492 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentilFoto.JPG}
493 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu - foto}
494 \label{fig:ZpetVentilFoto}
495 \end{figure}
496  
497 \begin{figure}
498 \centering
499 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentil.png}
500 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu}
501 \label{fig:ZpetVentil}
502 \end{figure}
503  
504  
505  
506 \section{Řídící systém sítě}
507  
508 \subsection{Zpracování dostupných dat}
509  
2849 kaklik 510 \begin{itemize}
511 \item
512 Odhad vektoru meteoru v atmosféře
513 \item
514 Záznam dostupných meteorologických dat pro pozdější rekonstrukci
515 (družicové snímky, aktuálně měřené hodnoty ČHMÚ, radarové snímky)
516 \item
3005 poskozby 517 Sběr dat z jednotlivých stanic
2849 kaklik 518 \item
3005 poskozby 519 Výpočet vektoru a výškových profilů větru
2849 kaklik 520 \end{itemize}
3025 kaklik 521 \subsection{Rozhodovací proces}
2849 kaklik 522  
523 Použití nějakého skriptovacího jazyka pro popis procesu
524 \href{http://www.ros.org/wiki/}{ROS}?
525  
526 \begin{itemize}
527 \item
528 Přidělení příkazu ke startu jednotlivým stanicím.
529 \item
530 Přeplánování startu v důsledku neúspěšného vypuštění nebo zamítnutí
531 stanicí.
532 \item
533 Kontrola potenciálního narušení vzdušného prostoru a zakázaných zón.
534 \end{itemize}
3025 kaklik 535 \subsection{Správa systému}
2849 kaklik 536  
537 \begin{itemize}
538 \item
3005 poskozby 539 Registrace jednotlivých stanic a správa uživatelů v kooperaci s
2849 kaklik 540 projektem \href{http://www.astrozor.cz/}{Astrozor}
541 \end{itemize}
542  
3009 kaklik 543  
2852 pomiceva 544 Baterie a jejich odolnost vůči mrazu - navrhováno několik variant, v současné době ještě nemáme vybránu jednu konkrétní.
3025 kaklik 545  
546 Dostupnost materiálů - aktuálně potíže s dopravou tlakových lahví s héliem.
2852 pomiceva 547 Navrhovaná řešení jednotlivých problémů jsou uvedena v technické části vždy u příslušné kapitoly.
2849 kaklik 548  
549  
3027 kaklik 550 \section{Dosažené výsledky}
3009 kaklik 551  
3028 kaklik 552 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 553  
3027 kaklik 554 \subsection{Možnosti budoucího vývoje zařízení}
3009 kaklik 555  
3028 kaklik 556 V produkční verzi zařízení by bylo potřeba zejména vylepšit mechanickou konstrukci vypouštěcího boxu, tak aby byla odolnější proti povětrnostním vlivům.
557 Dále by bylo potřebné vylepšit firmware tak, aby časování sekvence fungovalo korektním způsobem.
558  
2852 pomiceva 559 \newpage
560  
2849 kaklik 561 \begin{thebibliography}{99}
2852 pomiceva 562 \bibitem{cement}{například síť CEMeNt}
563 \url{http://cement.fireball.sk/}
564 \bibitem{radiosondy}{radiosondy}
565 \url{http://www.radiosonde.eu/}, \url{http://www.radiosonda.sk/}
566 \bibitem{cocom}{směrnice CoCom}
567 \url{http://en.wikipedia.org/wiki/CoCom\#Legacyi}
568 \bibitem{moguli}{projekt Mogul}
569 \url{http://cs.wikipedia.org/wiki/Projekt\_Moguli}
3028 kaklik 570 \bibitem{Parafoil_Return_Vehicle}{Autonomous Parafoil Return Vehicle}
571 \url{http://mbed.org/users/lhiggs/notebook/autonomous-parafoil-return-vehicle/}
3002 kaklik 572 \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}
573 \bibitem {ChibiOS/RT}\url{http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php}
2849 kaklik 574 \end{thebibliography}
3028 kaklik 575 \end{document}