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 \thispagestyle{fancy}
34 \newpage
2849 kaklik 35 \begin{abstract}
2852 pomiceva 36 \input{abstrakt.txt}
37  
2849 kaklik 38 \end{abstract}
2852 pomiceva 39 \newpage
2849 kaklik 40  
3032 pomiceva 41 \begin{figure} [htbp]
42 \begin{center}
43 \includegraphics [width=80mm] {box.JPG}
44 \end{center}
45 \end{figure}
2849 kaklik 46  
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
3030 pomiceva 58 \includegraphics[width=15cm, height=9cm]{img/SchemaCeleSiteCZ.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  
3030 pomiceva 67 Účel zařízení je zpřesnit odhad trajektorie temné dráhy meteoru v
2849 kaklik 68 atmosféře zavedením korekcí na proudění vzduchových mas během letu. A
3030 pomiceva 69 tím v důsledku zmenšit plochu dopadové elipsy meteoru 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  
3025 kaklik 85  
3027 kaklik 86 \subsection{Stav automatického vypouštění plynových balónů}
3026 kaklik 87  
88  
3025 kaklik 89 \section{Pozemní vypouštěcí box}
90  
3004 kaklik 91 Pozemní stanici balónové sítě tvoří kompaktní krabice obsahující
92 techniku potřebnou k vypuštění balónové sondy. Zařízení je
2849 kaklik 93 konstruováno tak, aby bylo schopné vydržet řádově několik roků v
94 pohotovostním režimu, a čekat na příkaz k vypouštění sondy.
95  
3027 kaklik 96 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 97  
3005 poskozby 98 Většina řídící elektroniky je složena z modulů
2849 kaklik 99 \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}
100  
3004 kaklik 101 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 102  
103 \begin{itemize}
3009 kaklik 104 \item Ethernet - modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/ETH01A}{ETH01A}
105 \item Konvertor z TTL na sběrnici CAN \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLCAN01B}{TTLCAN01B}
106 \item Konvertor z TTL na sběrnici RS485. \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLRS48501A}{TTLRS48501A}
107 \item GSM výhodné pro odlehlé oblasti a odesílání informací o poruchách.
108 \item USB - je přímo osazeno na použitém řídícím modulu a lze jej použít jako servisní terminál a k aktualizaci firmwaru pomocí bootloaderu.
2849 kaklik 109 \end{itemize}
110  
3004 kaklik 111 Jako hlavní řídící MCU této jednotky byl vybrán ARM STM32F103R8T v modulu
3009 kaklik 112 \href{/doku.php?id=cs:stm32f10xrxt}{STM32F10xRxT01A}. Firmware je pak dále popsán v kapitole \ref{Box_firmware}.
2849 kaklik 113  
3027 kaklik 114 \subsection{Elektronika pozemní stanice}
2849 kaklik 115  
3027 kaklik 116 \subsubsection{Napájení elektronických subsystémů}
117  
3004 kaklik 118 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 119  
3028 kaklik 120 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 121  
3028 kaklik 122  
3025 kaklik 123 \subsection{Mechanická konstrukce}
3004 kaklik 124  
3032 pomiceva 125 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.
126  
3031 pomiceva 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  
3032 pomiceva 161 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:DOPLNIT}. Pohyb, který by střešní desky musely vykonat, by byl zajištěn pružinami. Nejvhodnějším řešením je použití zkrutné pružinu u každého pantu.
3024 kaklik 162  
3025 kaklik 163 \subsubsection{Uzavírací mechanismus balónu}
3024 kaklik 164  
3032 pomiceva 165 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.
166  
167 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:DOPLNIT}.
168  
3024 kaklik 169 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.
170  
3032 pomiceva 171 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.
172  
173 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}.
174  
3025 kaklik 175 \begin{figure}[hbtp]
176 \centering
177 \includegraphics[width=15cm]{./img/uzaviraci_mechanismus.jpg}
178 \caption{Nákres uzavíracího mechanismu balónu}
179 \label{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}
180 \end{figure}
3024 kaklik 181  
3027 kaklik 182 \subsubsection{Napouštěcí systém balónu}
183  
3032 pomiceva 184 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 185  
186 Pro dávkování nosného plynu do balónu byly uvažovány dva koncepty.
187  
188 \begin{enumerate}
189 \item Použití jednorázové plynové kartuše naplněné právě potřebným množstvím plynu.
190 \item Použití opakovaně plnitelné tlakové lahve
191 \end{enumerate}
192  
193 \paragraph{Tlaková nádoba}
194  
3032 pomiceva 195 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 196  
197 \begin{figure}
198 \centering
199 \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{img/Kartuse_s_heliem.png}
200 \caption{Konstrukce ventilu plynové kartuše s héliem}
201 \label{fig:helium}
202 \end{figure}
203  
3032 pomiceva 204 V originálním uspořádání je tlačný kuželový ventil otevírán redukčním ventilem, který je vidět na obrázku \ref{fig:ventil_autogen}.
3027 kaklik 205  
206 \begin{figure}
207 \centering
208 \includegraphics[width=10cm]{img/Redukcni_ventil.png}
209 \caption{Redukční ventil}
210 \label{fig:ventil_autogen}
211 \end{figure}
212  
213 Ten kromě kuželu a přítlačné pružiny obsahuje ještě i zpětný ventil s hadičníkem, který lze z těla redukčního ventilu odšroubovat.
214  
3032 pomiceva 215 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 216  
3032 pomiceva 217 Z toho důvodu byla použita opakovatelně plnitelná tlaková nádoba v kombinaci s klasickým redukčním ventilem na kyslík.
3027 kaklik 218  
219 \begin{figure}
220 \centering
221 \includegraphics[width=10cm]{img/Lahev_helium.jpg}
222 \caption{Znovuplnitelná lahev na technické plyny}
3028 kaklik 223 \label{fig:refillable_gas_cilinder}
3027 kaklik 224 \end{figure}
225  
226 \begin{figure}
227 \centering
228 \includegraphics[width=10cm]{img/redukcni_ventil_vodik.jpeg}
229 \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)}
230 \label{fig:redukcni_ventil_vodik}
231 \end{figure}
232  
233 \begin{figure}
234 \centering
235 \includegraphics[width=10cm]{./img/redukcni-ventil-autogen-kyslik.jpg}
236 \caption{Redukční ventil na kyslík sloužící jako náhrada za vodíkový redukční ventil s levým závitem}
3028 kaklik 237 \label{fig:redukcni_ventil_kyslik}
3027 kaklik 238 \end{figure}
239  
240  
3032 pomiceva 241 Helium je pak dávkováno elektromagnetickým ventilem.
3027 kaklik 242  
243 \begin{figure}
244 \centering
245 \includegraphics[width=10cm]{img/elektromagneticky_ventil.jpg}
246 \caption{Elektromagnetický dávkovací ventil}
247 \label{fig:elmag_ventil}
248 \end{figure}
249  
3032 pomiceva 250 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 251  
3032 pomiceva 252 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 253  
3032 pomiceva 254 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 255  
256  
3026 kaklik 257 \subsection{Diagnostika stavu systému}
258  
259 \begin{itemize}
260 \item
261 Kontrola úspěšného startu (měření vztlaku balónu)
262 \item
263 Měření teplot, tlaku plynové náplně, průtoku média do balónu.
264 \item
265 Vlhkost uvnitř krabice (průsak a ztráta vodotěsnosti proražením víka a
266 podobně)
267 \end{itemize}
268  
269 \subsubsection{Meteorologická data}
270  
271 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.
272  
273  
3025 kaklik 274 \subsection{Firmware pozemní stanice}
3009 kaklik 275 \label{Box_firmware}
2849 kaklik 276  
3025 kaklik 277 \subsubsection{Real-time operační systém}
3005 poskozby 278 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 279 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 280  
3025 kaklik 281 \subsubsection{Funkce firmwaru}
3009 kaklik 282  
3032 pomiceva 283 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 284 \paragraph{Blikání LED}
3032 pomiceva 285 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 286 \paragraph{Vypouštění}
3032 pomiceva 287 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 288 \begin{enumerate}
289 \item Příjem příkazu pro odpal
290 \item Příjem příkazu pro zrušení odpalu
291 \item Probuzení od časovače
292 \end{enumerate}
293 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 294 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.\\
295 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.\\
296 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 297 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 298 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 299  
3025 kaklik 300 \paragraph{Příjem příkazu od uživatele}
3004 kaklik 301  
3032 pomiceva 302 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 303  
3025 kaklik 304 \paragraph{Příjem dat z GPS modulu}
3004 kaklik 305  
3002 kaklik 306 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 307 \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.
308  
3026 kaklik 309 \subsubsection{Uživatelské rozhraní}
310  
3005 poskozby 311 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 312  
3002 kaklik 313 \begin{enumerate}
314 \item odpal
315 \item zrus (nebo písmeno "s")
316 \item help
317 \item check
318 \end{enumerate}
3004 kaklik 319  
3005 poskozby 320 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 321  
3002 kaklik 322 \begin{figure}[hbtp]
3006 kaklik 323 \begin{center}
3004 kaklik 324 \includegraphics[height=200mm]{./img/program_flow.png}
3002 kaklik 325 \caption{Funkční diagram firmwaru Automatického vypouštěče}
3005 poskozby 326 \label{fig:Diag_firmware}
3006 kaklik 327 \end{center}
3002 kaklik 328 \end{figure}
329  
330  
3008 kaklik 331 \begin{figure}
3006 kaklik 332 \begin{center}
333 \includegraphics[width=10cm] {./img/Schema_ARM.png}
2852 pomiceva 334 \caption{Blokové schéma pozemního vypouštěcího boxu}
335 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 336 \end{center}
2852 pomiceva 337 \end{figure}
2849 kaklik 338  
339  
3025 kaklik 340 \section{Balónová sonda}
2849 kaklik 341  
3032 pomiceva 342 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 343  
2849 kaklik 344 Neletový prototyp sondy bude vyvinut za použití modulů stavebnice
345 \href{http://www.mlab.cz/Server/GenIndex/GenIndex.php?lang=cs\&path=/Modules}{MLAB}
346  
347 \href{/doku.php?id=cs:atmegatq32}{ATmegaTQ3201A},
348 \href{/doku.php?id=cs:sdcard}{SDcard01B},
3032 pomiceva 349 \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A}.
2849 kaklik 350  
3027 kaklik 351 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 352  
353 GPS na sondě by měla být udržovaná ve stavu FIX, aby pak nedocházelo ke
354 zpoždění v důsledku čekání na fix.
355  
356 \paragraph{Komunikace (Telemetrické údaje)}
357  
358 \begin{itemize}
359 \item
360 Primárním cílem je měření rychlosti a směru větru ve známých bodech.
361 \item
362 GPS údaje 10Hz, textový výstup
363 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/NMEA\_0183}{NMEA}
364 \item
365 další veličiny jako teploty, tlaky atd. jsou volitelné.
366 \item
3032 pomiceva 367 Radio maják a akustický maják
2849 kaklik 368 \item
369 Radiový přenos telemetrie v pásmu 27-450 MHz: možnost bezlicenčních
370 pásem (SVN: VO-R-16, VO-R-10)
371 \item
372 Radiomoduly: \href{http://www.artbrno.cz}{http://www.artbrno.cz},
373 \href{http://www.anaren.com}{http://www.anaren.com}
374 \end{itemize}
375 GPS je potřeba vybrat tak, aby fungovala i ve větších výškách.
376 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_3}{3)}}
377  
378 \paragraph{Napájení sondy během letu}
379  
380 \begin{itemize}
381 \item
382 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium\_battery}{Lithiový článek}
383 (negeneruje teplo, minimální provozní teplota je -60 C)
384 \item
385 Hořčíková baterie (generuje teplo pro temperování elektroniky)
386 \item
387 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Silver-oxide\_battery}{Stříbro-oxidový
388 článek} Vydrží nižší provozní teploty a je ekologicky nezávadný.
389 \item
390 Ideální by bylo použití
391 \href{https://www.youtube.com/watch?feature=player\_embedded\&v=OtM6XJlynkk}{superkapacitorů}
392 \end{itemize}
393 Řešením problému s nízkou teplotou ve vyšších výškách by mohlo být
394 předehřátí sondy při startu.
395  
3032 pomiceva 396 Komunikace a napájení za letu nebylo v rámci této fáze projektu finálně vyřešeno.
397  
2849 kaklik 398 \hyperdef{}{konstrukce}{\paragraph{Konstrukce}\label{konstrukce}}
399  
400 \begin{itemize}
401 \item
402 Balón - \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Polyethylen}{PE} pytel
3032 pomiceva 403 (životnost v zabaleném stavu - pryž časem degraduje)
2849 kaklik 404 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_4}{4)}}
405 \item
406 Možnost dálkového odpojení balónu od sondy (ukončení stoupání)
407 \item
408 Prototyp plněný \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Helium}{heliem},
3032 pomiceva 409 ekologičtější. Další možností byl vodík, který lze vyrábět chemicky přímo během
410 vypuštění sondy.
2849 kaklik 411 \item
412 Splnění požadavků na bezpečnost provozu (letovou, majetkovou a
413 personální)
414 \end{itemize}
415 \paragraph{Firmware}
416  
417 \begin{itemize}
418 \item
419 Záznam dat v gondole balónu mikroSD karta
420 \end{itemize}
421  
3032 pomiceva 422 Toto řešení bylo zavrženo jako nevhodné z důvodu malé šance nalezení a návratu gondoly. Data bude nutné přenášet online na zem.
423  
3008 kaklik 424 \begin{figure}
3006 kaklik 425 \begin{center}
426 \includegraphics[width=10cm]{img/Schema_ATmega.png}
2852 pomiceva 427 \caption{Blokové schéma balónové sondy}
428 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 429 \end{center}
2852 pomiceva 430 \end{figure}
2849 kaklik 431  
3025 kaklik 432 \subsection{Legislativní požadavky}
2849 kaklik 433  
434 Pravidla pro lety volných balónů bez pilota jsou definovány v leteckých
435 předpisech L-2 Pravidla létaní, dodatek 5 a R.
436  
437 \paragraph{Kategorie balónu}
438  
439 Balón by měl spadat do kategorie B2, která je definována jako volný
3005 poskozby 440 balón s objemem menším než 3,25~$m^{3}$, přičemž žádný z rozměrů balónu
441 nepřekračuje 2~m. Rozměr 2~m je rozměr při jeho maximálním
2849 kaklik 442 naplnění/roztažení.
443  
3005 poskozby 444 \paragraph{Povolení vypuštění}
2849 kaklik 445  
446 Užitečné zatížení představují předměty a materiály, které by v případě
447 střetu s letadlem mohly způsobit poškození letadla (zejména prskavky,
448 svítící tyčinky, lámací světla, LED diody apod.) a jakékoliv zatížení o
449 hmotnosti přesahující 0,1 kg. Vzhledem k této definici bude nutné mít
450 pro provoz balónu povolení. Všechny informace ohledně letu (jako je
451 datum, čas, místo vypuštění, užitečné zatížení atp.) musí být zveřejněny
452 v Letecké informační příručce (AIP). Pro vypuštění ve zvláštních
453 případech, jako je mimořádné pozorování, je potřeba upozornit
454 prostřednictvím navigační výstrahy formou zprávy NOTAM, která se musí
455 podat minimálně 24 hodin před vzletem balónu.
456  
457 \paragraph{Materiály}
458  
459 Balón nesmí být plněn hořlavými a výbušnými plyny s výjimkou povolení
460 ÚCL. Omezení pro materiál antény ani baterií nejsou definovány. Materiál
461 balónu také není definován, ale při použití balónu o vysoké svítivosti
462 nebo zhotoveného z materiálů o velké světelné nebo radarové odrazivosti
3008 kaklik 463 musí být oznámeno vypuštění balónu nejbližšímu stanovišti letových provozních služeb.
2849 kaklik 464 Materiál (lano, provázek) spojující balón se sondou nesmí vydržet větší
3005 poskozby 465 sílu než 230~N.
2849 kaklik 466  
467 \hyperdef{}{dostup}{\paragraph{Dostup}\label{dostup}}
468  
469 Pro dostup nejsou omezení.
470  
471 \paragraph{Místo vypuštění}
472  
473 Omezení se týká všech Zakázaných, Nebezpečných a Omezených prostorů,
474 stejně jako dočasně aktivovaných prostorů v době jejich používaní, s
475 výjimkou kdy tak povolí ÚCL nebo kdy je prostor vyhrazen pro let
476 předmětného balónu. Provoz balónu blízko hranic a letišť je
477 problematický, nedoporučuje se.
478  
479 \paragraph{Řešení legislativních problémů}
480  
481 \begin{itemize}
482 \item
3032 pomiceva 483 Navržení bezpečné sondy, která splní požadavky ÚCL pro kategorii B2.
484 \item Řízené stoupání a aktivní zabránění vzniku kolize. Takový systém by mohl zároveň zjednodušit návrat sondy viz
2852 pomiceva 485 \href{http://www.youtube.com/watch?v=rpBnurznFio}{zde})
3028 kaklik 486 \item Autodestrukce při hrozící srážce.
2849 kaklik 487 \end{itemize}
488  
3032 pomiceva 489 Bylo zvoleno první řešení, a to navržení bezpečné sondy spadající do kategorie B2. Finální systém bude muset být předložen k posouzení komisi na ÚCL.
490  
3025 kaklik 491 \subsection{Meteorologický balón}
3028 kaklik 492 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 493  
3032 pomiceva 494 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 495  
3025 kaklik 496 \subsubsection{Svařování balónu}
497  
3028 kaklik 498  
499  
500  
3025 kaklik 501 \subsubsection{Evči zpětný ventil}
502 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.
503  
504 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.
505  
506 \begin{figure}
507 \centering
508 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentilFoto.JPG}
509 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu - foto}
510 \label{fig:ZpetVentilFoto}
511 \end{figure}
512  
513 \begin{figure}
514 \centering
515 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentil.png}
516 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu}
517 \label{fig:ZpetVentil}
518 \end{figure}
519  
520  
521  
522 \section{Řídící systém sítě}
523  
524 \subsection{Zpracování dostupných dat}
525  
2849 kaklik 526 \begin{itemize}
527 \item
528 Odhad vektoru meteoru v atmosféře
529 \item
530 Záznam dostupných meteorologických dat pro pozdější rekonstrukci
531 (družicové snímky, aktuálně měřené hodnoty ČHMÚ, radarové snímky)
532 \item
3005 poskozby 533 Sběr dat z jednotlivých stanic
2849 kaklik 534 \item
3005 poskozby 535 Výpočet vektoru a výškových profilů větru
2849 kaklik 536 \end{itemize}
3025 kaklik 537 \subsection{Rozhodovací proces}
2849 kaklik 538  
539 Použití nějakého skriptovacího jazyka pro popis procesu
540 \href{http://www.ros.org/wiki/}{ROS}?
541  
542 \begin{itemize}
543 \item
544 Přidělení příkazu ke startu jednotlivým stanicím.
545 \item
546 Přeplánování startu v důsledku neúspěšného vypuštění nebo zamítnutí
547 stanicí.
548 \item
549 Kontrola potenciálního narušení vzdušného prostoru a zakázaných zón.
550 \end{itemize}
3025 kaklik 551 \subsection{Správa systému}
2849 kaklik 552  
553 \begin{itemize}
554 \item
3005 poskozby 555 Registrace jednotlivých stanic a správa uživatelů v kooperaci s
2849 kaklik 556 projektem \href{http://www.astrozor.cz/}{Astrozor}
557 \end{itemize}
558  
3009 kaklik 559  
2852 pomiceva 560 Baterie a jejich odolnost vůči mrazu - navrhováno několik variant, v současné době ještě nemáme vybránu jednu konkrétní.
3025 kaklik 561  
562 Dostupnost materiálů - aktuálně potíže s dopravou tlakových lahví s héliem.
2852 pomiceva 563 Navrhovaná řešení jednotlivých problémů jsou uvedena v technické části vždy u příslušné kapitoly.
2849 kaklik 564  
565  
3027 kaklik 566 \section{Dosažené výsledky}
3009 kaklik 567  
3028 kaklik 568 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 569  
3027 kaklik 570 \subsection{Možnosti budoucího vývoje zařízení}
3009 kaklik 571  
3028 kaklik 572 V produkční verzi zařízení by bylo potřeba zejména vylepšit mechanickou konstrukci vypouštěcího boxu, tak aby byla odolnější proti povětrnostním vlivům.
573 Dále by bylo potřebné vylepšit firmware tak, aby časování sekvence fungovalo korektním způsobem.
574  
2852 pomiceva 575 \newpage
576  
2849 kaklik 577 \begin{thebibliography}{99}
2852 pomiceva 578 \bibitem{cement}{například síť CEMeNt}
579 \url{http://cement.fireball.sk/}
580 \bibitem{radiosondy}{radiosondy}
581 \url{http://www.radiosonde.eu/}, \url{http://www.radiosonda.sk/}
582 \bibitem{cocom}{směrnice CoCom}
583 \url{http://en.wikipedia.org/wiki/CoCom\#Legacyi}
584 \bibitem{moguli}{projekt Mogul}
585 \url{http://cs.wikipedia.org/wiki/Projekt\_Moguli}
3028 kaklik 586 \bibitem{Parafoil_Return_Vehicle}{Autonomous Parafoil Return Vehicle}
587 \url{http://mbed.org/users/lhiggs/notebook/autonomous-parafoil-return-vehicle/}
3002 kaklik 588 \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}
589 \bibitem {ChibiOS/RT}\url{http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php}
2849 kaklik 590 \end{thebibliography}
3028 kaklik 591 \end{document}