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}
3043 kaklik 9  
10 % vzdy trash aux files potom latex, bibtex zprava.cs.aux, potom makeglossaries zprava.cs.glo (z command line) potom latex
11 \usepackage[nonumberlist,toc,numberedsection=autolabel,shortcuts]{glossaries} % list of acronyms
12 \makeglossaries
13  
14 \input{glossaries}
15  
2852 pomiceva 16 \textwidth 16cm \textheight 20cm
17 \topmargin 0cm
2849 kaklik 18 \oddsidemargin 0cm
2852 pomiceva 19 \pagestyle{fancy}
20 \addtolength{\headsep}{30 pt}
21 \addtolength{\footskip}{50 pt}
22  
23 \fancyfoot{}
3027 kaklik 24 \fancyfoot[L]
3044 kaklik 25 {\raisebox{-0.75cm}{\includegraphics[width=1.5cm]{img/datamatrix.png}} \footnotesize { \begin{tabular}{cc}
3028 kaklik 26 pomiceva & jichapav \\
27 kakonjak & poskozby\\
28 hanuson1 & \\
3044 kaklik 29 \end{tabular}}
3027 kaklik 30 }
2852 pomiceva 31 \fancyfoot[R] {\thepage}
32  
33  
2849 kaklik 34 \begin{document}
3039 kaklik 35 \title{Technická zpráva - Automatický vypouštěč meteobalónů ABL01A}
36 \author{Eva Pomíchalová, Jakub Kákona (kaklik@mlab.cz),\\ Ondřej Hanus, Pavel Jícha, Zbyněk Poskočil}
2849 kaklik 37 \maketitle
38  
3039 kaklik 39 \begin{figure} [h!]
40 \begin{center}
41 \includegraphics [width=160mm] {./img/box.JPG}
42 \end{center}
43 \end{figure}
44  
2852 pomiceva 45 \thispagestyle{fancy}
46 \newpage
2849 kaklik 47 \begin{abstract}
2852 pomiceva 48 \input{abstrakt.txt}
2849 kaklik 49 \end{abstract}
2852 pomiceva 50 \newpage
2849 kaklik 51  
52  
3039 kaklik 53  
2849 kaklik 54 \tableofcontents
55 \newpage
56  
3025 kaklik 57 \section{Automaticky vypouštěný sondážní balon}
2849 kaklik 58  
3043 kaklik 59 Účelem vývoje celého systému je plná automatizace procesu vypuštění balónu a jeho začlenění do složitější sítě měřících přístrojů.
60  
3026 kaklik 61 \subsection{Cíle konstrukce systému}
3025 kaklik 62  
3043 kaklik 63 Jde o inovativní přístroj, který může být využit v několika aplikacích vyžadujících přesná meteorologická měření sondou přímo v místě události.
64  
3026 kaklik 65 \subsubsection{Síť pro detekci dopadu meteorů}
66  
67 \begin{figure}
68 \centering
3033 kaklik 69 \includegraphics[width=15cm, height=9cm]{img/SchemaCeleSite.png}
3026 kaklik 70 \caption{Schéma celé sítě}
71 \label{fig:blokcelasit}
72 \end{figure}
73  
2849 kaklik 74 Celý systém by měl být robotizovaným doplňkem sítě
3004 kaklik 75 \href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:rmds}{radiových detektorů meteorů}, případně pak i
76 její vizuální varianty (video pozorování a bolidové kamery).
2849 kaklik 77  
3033 kaklik 78 Účel zařízení je zpřesnit odhad trajektorie temné dráhy meteoritu v
2849 kaklik 79 atmosféře zavedením korekcí na proudění vzduchových mas během letu. A
3033 kaklik 80 tím v důsledku zmenšit plochu dopadové elipsy meteoritu na zemský povrch.
2849 kaklik 81  
82 Údaje o proudech v atmosféře budou získány balónovou sondou vypuštěnou
83 bezprostředně po detekci průletu bolidu atmosférou. Místo vypuštění
84 balónové sondy by mělo být zvoleno automaticky na základě odhadu dráhy
85 meteoru a známých souřadnic balónových sil v síti.
86  
87 Důležitou součástí systému je plně robotizovaná vypouštěcí stanice
88 (balónové silo), která umožní vypuštění sondy ze známých souřadnic bez
89 zásahu lidské obsluhy. Vedlejším produktem takového vývoje bude zařízení
90 schopné v budoucnu automatizovat i vypouštění klasických
91 meteorologických
92 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Radiosonde}{radiosond}.
93  
3026 kaklik 94 \subsubsection{Automatické vypouštění meteorologických radiosond}
2849 kaklik 95  
3033 kaklik 96 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 97  
3043 kaklik 98 V jiných meteorologických aplikacích může být přínosem jednak absence obsluhy a tím i možnost umístění přístroje do odlehlých oblastí. Ale i možnost mít měřící přístroj připravený pro některou speciální meteorologickou událost.
99  
3025 kaklik 100 \section{Pozemní vypouštěcí box}
101  
3004 kaklik 102 Pozemní stanici balónové sítě tvoří kompaktní krabice obsahující
103 techniku potřebnou k vypuštění balónové sondy. Zařízení je
2849 kaklik 104 konstruováno tak, aby bylo schopné vydržet řádově několik roků v
105 pohotovostním režimu, a čekat na příkaz k vypouštění sondy.
106  
3027 kaklik 107 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 108  
3041 kaklik 109 Vypouštěcí box musí být konstruovaný tak, aby jeho součásti měly vysokou spolehlivost umožnil snadné připojení do sítě, umožňoval zároveň příjem telemetrie z vypuštěných sond.
110  
111 \subsection{Elektronika pozemní stanice}
112  
3005 poskozby 113 Většina řídící elektroniky je složena z modulů
2849 kaklik 114 \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}
115  
3043 kaklik 116 Komunikace s řídícím systémem sítě stanic je aktuálně řešena terminálem na RS232 tvořeného modulem \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/RS232SINGLE01A}{RS232SINGLE01A} respektive jeho \gls{USB} variantou \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/USB232R01B}{USB232R01B}. Další možnosti připojení jsou následující:
2849 kaklik 117  
118 \begin{itemize}
3009 kaklik 119 \item Ethernet - modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/ETH01A}{ETH01A}
3043 kaklik 120 \item Konvertor z \gls{TTL} na sběrnici \gls{CAN} \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLCAN01B}{TTLCAN01B}
121 \item Konvertor z \gls{TTL} na sběrnici RS485. \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLRS48501A}{TTLRS48501A}
122 \item \gls{GSM} výhodné pro odlehlé oblasti a odesílání informací o poruchách.
123 \item \gls{USB} - je přímo osazeno na použitém řídícím modulu a lze jej použít jako servisní terminál a k aktualizaci firmwaru pomocí bootloaderu.
2849 kaklik 124 \end{itemize}
125  
3043 kaklik 126 Jako hlavní řídící \gls{MCU} této jednotky byl vybrán \gls{ARM} STM32F103R8T v modulu
3009 kaklik 127 \href{/doku.php?id=cs:stm32f10xrxt}{STM32F10xRxT01A}. Firmware je pak dále popsán v kapitole \ref{Box_firmware}.
2849 kaklik 128  
129  
3027 kaklik 130 \subsubsection{Napájení elektronických subsystémů}
131  
3004 kaklik 132 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 133  
3028 kaklik 134 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 135  
3028 kaklik 136  
3025 kaklik 137 \subsection{Mechanická konstrukce}
3004 kaklik 138  
3044 kaklik 139 Základem prototypu vypouštěče je polypropylenová krabice o rozměrech 57x39x42 cm, z obchodního řetězce IKEA. Bočnice a střecha jsou vyřezány z dutinkového polykarbonátu (má dobrý poměr hmotnosti a pevnosti). Výsledné uspořádání je vidět na obrázku \ref{fig:box} a bylo takto navrženo za účelem snadného a spolehlivého otevírání střechy.
3032 pomiceva 140  
3044 kaklik 141 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. V produkční verzi by mela být konstrukce řešena polyfúzně svařovanou plastovou bednou z \gls{PE} desek. Krabice musí být dostatečně utěsněna, aby nebyla zajímavá pro hlodavce a další havěť. Rozměry by měly být upraveny tak, aby umožnila vypouštění i současných profesionálních balónových sond.
3004 kaklik 142  
3044 kaklik 143  
3025 kaklik 144 \subsubsection{Akční členy}
3004 kaklik 145  
146 Většina akčních členů je konstruována s důrazem na maximální
147 spolehlivost. Akční členy proto jsou pružiny s
3043 kaklik 148 přepalovacími \gls{PE} pojistkami (silonové vlákno, nebo stuha
3005 poskozby 149 přepalovaná výkonovým rezistorem) ke spínáni proudu do rezistorů
3004 kaklik 150 je využit modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/NFET4X01B}{NFET4X01B}
3044 kaklik 151 Nejdříve byl vyroben prototyp odpalování pružiny pro otevírání víka pozemní vypouštěcí stanice. Na kterém byla demonstrována funkčnost takového řešení. Tento pokus nejlépe ilustruje \href{http://www.mlab.cz/redmine/attachments/download/3/video-2013-03-09-23-43-33.mp4}{dokumentační video}.
2849 kaklik 152  
3044 kaklik 153 U tohoto prototypu bylo zjištěno, že doba přepalování je poměrně dlouhá, v důsledku nízkého topného výkonu rezistoru (47 $\Omega$ @ 12 V) což nebylo vhodné. Bylo to důsledkem snahy zachovat cermetový rezistor pro opakované použití. V dalším experimentu byl rezistor nahrazen \href{http://www.tme.eu/cz/details/m0.4w-10r/metalizovane-rezistory-tht-04w/royal-ohm/mff04ff0100a5/#}{miniaturní verzí} s odporem 10 $\Omega$, avšak v tomto případě došlo při napájení 12 V k okamžitému přepálení odporu bez poškození zajišťovacího pásku. Při použití 5V napájení již odpor vydržel a zároveň k přepálení zajišťovacího pásku došlo do 3s.
3009 kaklik 154  
155 \begin{figure}[hbtp]
156 \centering
3025 kaklik 157 \includegraphics[width=10cm]{img/odpalovac2.jpg}
3043 kaklik 158 \caption{Testovací prototyp zajišťovacího mechanismu}
3009 kaklik 159 \label{fig:odpalovac}
160 \end{figure}
161  
3044 kaklik 162 \subsubsection{Otevírání střechy pozemní stanice}
163  
164 Během návrhu optimální konstrukce pozemního vypouštěcího boxu bylo uvažováno několik metod otevírání krabice, na konec byla vybrána sedlová střecha složena ze dvou desek, které mohou vlastní vahou sklouznout po bočnicích.
165  
166 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.
167  
168 Při jednom z testovacích odpalů bylo zjištěno, že u tohoto řešení pro otevření střechy hrozí sesunutí pásku či silonu mimo rezistor. Tomuto bylo zabráněno vložením plastového dílu navrženého přímo pro tyto účely a vyrobeného pomocí 3D tiskárny. Tento článek fixuje pásek na rezistoru viz obrázek \ref{fig:3Dtiskarna}.
169  
3037 pomiceva 170 \begin{figure}[hbtp]
171 \centering
172 \includegraphics[width=10cm]{img/vodiciClanek.jpg}
3041 kaklik 173 \caption{Vodící článek pro vázací balíkový pásek (stuhu)}
3037 pomiceva 174 \label{fig:3Dtiskarna}
175 \end{figure}
176  
3044 kaklik 177 Sedlová střecha byla zvolena na základě následujících kritérií:
3009 kaklik 178  
3044 kaklik 179  
3037 pomiceva 180 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.
3024 kaklik 181  
3037 pomiceva 182 \begin{figure}[hbtp]
183 \centering
3038 pomiceva 184 \includegraphics[width=16cm]{img/otevirani_strechy2.jpg}
3037 pomiceva 185 \caption{Otevírání střechy}
186 \label{fig:oteviraniStrechy}
187 \end{figure}
188  
3025 kaklik 189 \subsubsection{Uzavírací mechanismus balónu}
3024 kaklik 190  
3032 pomiceva 191 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.
192  
3037 pomiceva 193 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 194  
3024 kaklik 195 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.
196  
3032 pomiceva 197 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.
198  
199 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}.
200  
3025 kaklik 201 \begin{figure}[hbtp]
202 \centering
203 \includegraphics[width=15cm]{./img/uzaviraci_mechanismus.jpg}
204 \caption{Nákres uzavíracího mechanismu balónu}
205 \label{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}
206 \end{figure}
3024 kaklik 207  
3027 kaklik 208 \subsubsection{Napouštěcí systém balónu}
209  
3032 pomiceva 210 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 211  
212 Pro dávkování nosného plynu do balónu byly uvažovány dva koncepty.
213  
214 \begin{enumerate}
215 \item Použití jednorázové plynové kartuše naplněné právě potřebným množstvím plynu.
216 \item Použití opakovaně plnitelné tlakové lahve
217 \end{enumerate}
218  
219 \paragraph{Tlaková nádoba}
220  
3032 pomiceva 221 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 222  
223 \begin{figure}
224 \centering
225 \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{img/Kartuse_s_heliem.png}
226 \caption{Konstrukce ventilu plynové kartuše s héliem}
227 \label{fig:helium}
228 \end{figure}
229  
3041 kaklik 230 V originálním uspořádání je tlačný kuželový ventil otevírán redukčním ventilem, který je vidět na obrázku \ref{fig:ventil_autogen}. Ten kromě kuželu a přítlačné pružiny obsahuje ještě i zpětný ventil s hadičníkem, který lze z těla redukčního ventilu odšroubovat.
3027 kaklik 231  
3041 kaklik 232  
3027 kaklik 233 \begin{figure}
234 \centering
235 \includegraphics[width=10cm]{img/Redukcni_ventil.png}
236 \caption{Redukční ventil}
237 \label{fig:ventil_autogen}
238 \end{figure}
239  
3041 kaklik 240 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. Z toho důvodu byla použita opakovatelně plnitelná tlaková nádoba v kombinaci s klasickým redukčním ventilem na kyslík. Helium je pak dávkováno elektromagnetickým ventilem \ref{fig:elmag_ventil}.
3027 kaklik 241  
242  
243 \begin{figure}
244 \centering
245 \includegraphics[width=10cm]{img/Lahev_helium.jpg}
246 \caption{Znovuplnitelná lahev na technické plyny}
3028 kaklik 247 \label{fig:refillable_gas_cilinder}
3027 kaklik 248 \end{figure}
249  
250 \begin{figure}
251 \centering
252 \includegraphics[width=10cm]{img/redukcni_ventil_vodik.jpeg}
253 \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)}
254 \label{fig:redukcni_ventil_vodik}
255 \end{figure}
256  
257 \begin{figure}
258 \centering
259 \includegraphics[width=10cm]{./img/redukcni-ventil-autogen-kyslik.jpg}
260 \caption{Redukční ventil na kyslík sloužící jako náhrada za vodíkový redukční ventil s levým závitem}
3028 kaklik 261 \label{fig:redukcni_ventil_kyslik}
3027 kaklik 262 \end{figure}
263  
264 \begin{figure}
265 \centering
266 \includegraphics[width=10cm]{img/elektromagneticky_ventil.jpg}
267 \caption{Elektromagnetický dávkovací ventil}
268 \label{fig:elmag_ventil}
269 \end{figure}
270  
3041 kaklik 271 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 helium postupně uniká. 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 272  
3032 pomiceva 273 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 274  
275  
3026 kaklik 276 \subsection{Diagnostika stavu systému}
277  
278 \begin{itemize}
279 \item
280 Kontrola úspěšného startu (měření vztlaku balónu)
281 \item
282 Měření teplot, tlaku plynové náplně, průtoku média do balónu.
283 \item
3041 kaklik 284 Vlhkost uvnitř krabice (průsak a ztráta vodotěsnosti proražením, nebo netěsností střechy)
3026 kaklik 285 \end{itemize}
286  
287 \subsubsection{Meteorologická data}
288  
3041 kaklik 289 Základní meteorologické veličiny nutné pro rozhodnutí o startu jsou měřeny lokálně (teplota, tlak, relativní vlhkost, směr rychlost větru) automatickou meteostanicí \href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:aws}{AWS01B} a lokálně zaznamenávány společně s údaji z \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A} (pozice stanice a přesný čas) logu a reportu o průběhu startu.
3026 kaklik 290  
3025 kaklik 291 \subsection{Firmware pozemní stanice}
3009 kaklik 292 \label{Box_firmware}
2849 kaklik 293  
3025 kaklik 294 \subsubsection{Real-time operační systém}
3044 kaklik 295 Pro ovládání celého systému byl zvolen \gls{RTOS}. Ten byl zvolen především pro zjednušení programování vypouštěče, konkrétně nastavování periférií procesoru a řízení vícevláknové aplikace na něm běžící.\\
296 Jako \gls{RTOS} pro tuto aplikaci tak byl zvolen \href{http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php}{ChibiOS}, který splňuje standardní požadavky na \gls{RTOS} a navíc s ním byly v týmu zkušenosti při programování jiných aplikací pod procesory \gls{ARM} a ovládání modulů \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}.
3009 kaklik 297  
3025 kaklik 298 \subsubsection{Funkce firmwaru}
3009 kaklik 299  
3032 pomiceva 300 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.
3044 kaklik 301  
3025 kaklik 302 \paragraph{Blikání LED}
3032 pomiceva 303 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.
3044 kaklik 304  
3025 kaklik 305 \paragraph{Vypouštění}
3044 kaklik 306 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:
307  
3002 kaklik 308 \begin{enumerate}
309 \item Příjem příkazu pro odpal
310 \item Příjem příkazu pro zrušení odpalu
311 \item Probuzení od časovače
312 \end{enumerate}
3043 kaklik 313  
3044 kaklik 314 \subparagraph{Příjem příkazu pro odpal}
315 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
316 indikuje otevření střechy, přistupuje se k dalším kroku.
3032 pomiceva 317 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.\\
318 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.\\
3044 kaklik 319 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.
3004 kaklik 320  
3044 kaklik 321 \subparagraph{Příjem příkazu pro zrušení odpalu} V případě příjmu zprávy, která přikazuje ukončení procesu odpalování, se deaktivují výstupy aktivní během vypouštění a uživatel je informován o úspěšném přerušení celé sekvence.
322  
323 \subparagraph{Probuzení od časovače} 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.
324  
3025 kaklik 325 \paragraph{Příjem příkazu od uživatele}
3004 kaklik 326  
3032 pomiceva 327 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 328  
3025 kaklik 329 \paragraph{Příjem dat z GPS modulu}
3004 kaklik 330  
3002 kaklik 331 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 332 \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.
333  
3026 kaklik 334 \subsubsection{Uživatelské rozhraní}
335  
3005 poskozby 336 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 337  
3041 kaklik 338 \begin{itemize}
3002 kaklik 339 \item odpal
340 \item zrus (nebo písmeno "s")
341 \item help
342 \item check
3041 kaklik 343 \end{itemize}
3004 kaklik 344  
3005 poskozby 345 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 346  
3002 kaklik 347 \begin{figure}[hbtp]
3006 kaklik 348 \begin{center}
3004 kaklik 349 \includegraphics[height=200mm]{./img/program_flow.png}
3002 kaklik 350 \caption{Funkční diagram firmwaru Automatického vypouštěče}
3005 poskozby 351 \label{fig:Diag_firmware}
3006 kaklik 352 \end{center}
3002 kaklik 353 \end{figure}
354  
355  
3008 kaklik 356 \begin{figure}
3006 kaklik 357 \begin{center}
358 \includegraphics[width=10cm] {./img/Schema_ARM.png}
2852 pomiceva 359 \caption{Blokové schéma pozemního vypouštěcího boxu}
360 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 361 \end{center}
2852 pomiceva 362 \end{figure}
2849 kaklik 363  
364  
3025 kaklik 365 \section{Balónová sonda}
2849 kaklik 366  
3041 kaklik 367 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}. Neletový prototyp sondy byl experimentálně sestaven z modulů stavebnice
2849 kaklik 368 \href{http://www.mlab.cz/Server/GenIndex/GenIndex.php?lang=cs\&path=/Modules}{MLAB}
369  
370 \href{/doku.php?id=cs:atmegatq32}{ATmegaTQ3201A},
371 \href{/doku.php?id=cs:sdcard}{SDcard01B},
3032 pomiceva 372 \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A}.
2849 kaklik 373  
3027 kaklik 374 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 375  
3041 kaklik 376 GPS na sondě by měla být udržovaná ve stavu FIX, aby pak nedocházelo ke zpoždění vypuštění v důsledku čekání na fix.
2849 kaklik 377  
3039 kaklik 378 \subsubsection{Komunikace (Telemetrické údaje)}
2849 kaklik 379  
380 \begin{itemize}
381 \item
382 Primárním cílem je měření rychlosti a směru větru ve známých bodech.
383 \item
384 GPS údaje 10Hz, textový výstup
385 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/NMEA\_0183}{NMEA}
386 \item
387 další veličiny jako teploty, tlaky atd. jsou volitelné.
388 \item
3032 pomiceva 389 Radio maják a akustický maják
2849 kaklik 390 \item
391 Radiový přenos telemetrie v pásmu 27-450 MHz: možnost bezlicenčních
392 pásem (SVN: VO-R-16, VO-R-10)
393 \item
394 Radiomoduly: \href{http://www.artbrno.cz}{http://www.artbrno.cz},
395 \href{http://www.anaren.com}{http://www.anaren.com}
396 \end{itemize}
3043 kaklik 397 GPS je potřeba vybrat tak, aby fungovala i ve větších výškáchp což je omezeno směrnicí \href{http://en.wikipedia.org/wiki/CoCom#Legacyi}{CoCom}.
2849 kaklik 398  
3039 kaklik 399 \subsubsection{Napájení sondy během letu}
2849 kaklik 400  
401 \begin{itemize}
402 \item
403 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium\_battery}{Lithiový článek}
3043 kaklik 404 (negeneruje teplo, minimální provozní teplota je -60 $^\circ$C)
2849 kaklik 405 \item
406 Hořčíková baterie (generuje teplo pro temperování elektroniky)
407 \item
408 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Silver-oxide\_battery}{Stříbro-oxidový
409 článek} Vydrží nižší provozní teploty a je ekologicky nezávadný.
410 \item
411 Ideální by bylo použití
412 \href{https://www.youtube.com/watch?feature=player\_embedded\&v=OtM6XJlynkk}{superkapacitorů}
413 \end{itemize}
3039 kaklik 414  
2849 kaklik 415 Řešením problému s nízkou teplotou ve vyšších výškách by mohlo být
416 předehřátí sondy při startu.
417  
3032 pomiceva 418 Komunikace a napájení za letu nebylo v rámci této fáze projektu finálně vyřešeno.
419  
3039 kaklik 420 \subsubsection{Konstrukce}
421 \label{konstrukce}
2849 kaklik 422  
423 \begin{itemize}
424 \item
3043 kaklik 425 Balón - \gls{PE} pytel (má vysokou životnost - pryž časem degraduje) \cite{PE_balony_mogul}
2849 kaklik 426 \item
427 Možnost dálkového odpojení balónu od sondy (ukončení stoupání)
428 \item
429 Prototyp plněný \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Helium}{heliem},
3032 pomiceva 430 ekologičtější. Další možností byl vodík, který lze vyrábět chemicky přímo během
431 vypuštění sondy.
2849 kaklik 432 \item
433 Splnění požadavků na bezpečnost provozu (letovou, majetkovou a
434 personální)
435 \end{itemize}
436  
3043 kaklik 437 \paragraph{Návrat sondy}
438  
439 Vzhledem k nákladnosti vybavení sondy by bylo výhodné, kdyby existovala možnost jejího návratu. Existuje několik návrhů návratových zařízení \cite{Parafoil_Return_Vehicle}, existují také lovci radiosond, kteří by mohli pomoci s hledáním \cite{radiosondy_lovci_EU} , \cite{radiosondy_lovci_SK}
440  
3039 kaklik 441 \subsubsection{Firmware}
442  
2849 kaklik 443 \begin{itemize}
444 \item
445 Záznam dat v gondole balónu mikroSD karta
446 \end{itemize}
447  
3032 pomiceva 448 Toto řešení bylo zavrženo jako nevhodné z důvodu malé šance nalezení a návratu gondoly. Data bude nutné přenášet online na zem.
449  
3008 kaklik 450 \begin{figure}
3006 kaklik 451 \begin{center}
452 \includegraphics[width=10cm]{img/Schema_ATmega.png}
2852 pomiceva 453 \caption{Blokové schéma balónové sondy}
454 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 455 \end{center}
2852 pomiceva 456 \end{figure}
2849 kaklik 457  
3039 kaklik 458 \subsubsection{Legislativní požadavky}
2849 kaklik 459  
460 Pravidla pro lety volných balónů bez pilota jsou definovány v leteckých
461 předpisech L-2 Pravidla létaní, dodatek 5 a R.
462  
463 \paragraph{Kategorie balónu}
464  
465 Balón by měl spadat do kategorie B2, která je definována jako volný
3005 poskozby 466 balón s objemem menším než 3,25~$m^{3}$, přičemž žádný z rozměrů balónu
467 nepřekračuje 2~m. Rozměr 2~m je rozměr při jeho maximálním
2849 kaklik 468 naplnění/roztažení.
469  
3005 poskozby 470 \paragraph{Povolení vypuštění}
2849 kaklik 471  
472 Užitečné zatížení představují předměty a materiály, které by v případě
473 střetu s letadlem mohly způsobit poškození letadla (zejména prskavky,
474 svítící tyčinky, lámací světla, LED diody apod.) a jakékoliv zatížení o
475 hmotnosti přesahující 0,1 kg. Vzhledem k této definici bude nutné mít
476 pro provoz balónu povolení. Všechny informace ohledně letu (jako je
477 datum, čas, místo vypuštění, užitečné zatížení atp.) musí být zveřejněny
478 v Letecké informační příručce (AIP). Pro vypuštění ve zvláštních
479 případech, jako je mimořádné pozorování, je potřeba upozornit
480 prostřednictvím navigační výstrahy formou zprávy NOTAM, která se musí
481 podat minimálně 24 hodin před vzletem balónu.
482  
483 \paragraph{Materiály}
484  
485 Balón nesmí být plněn hořlavými a výbušnými plyny s výjimkou povolení
486 ÚCL. Omezení pro materiál antény ani baterií nejsou definovány. Materiál
487 balónu také není definován, ale při použití balónu o vysoké svítivosti
488 nebo zhotoveného z materiálů o velké světelné nebo radarové odrazivosti
3008 kaklik 489 musí být oznámeno vypuštění balónu nejbližšímu stanovišti letových provozních služeb.
2849 kaklik 490 Materiál (lano, provázek) spojující balón se sondou nesmí vydržet větší
3005 poskozby 491 sílu než 230~N.
2849 kaklik 492  
493 \hyperdef{}{dostup}{\paragraph{Dostup}\label{dostup}}
494  
495 Pro dostup nejsou omezení.
496  
497 \paragraph{Místo vypuštění}
498  
499 Omezení se týká všech Zakázaných, Nebezpečných a Omezených prostorů,
500 stejně jako dočasně aktivovaných prostorů v době jejich používaní, s
501 výjimkou kdy tak povolí ÚCL nebo kdy je prostor vyhrazen pro let
502 předmětného balónu. Provoz balónu blízko hranic a letišť je
503 problematický, nedoporučuje se.
504  
505 \paragraph{Řešení legislativních problémů}
506  
507 \begin{itemize}
508 \item
3032 pomiceva 509 Navržení bezpečné sondy, která splní požadavky ÚCL pro kategorii B2.
510 \item Řízené stoupání a aktivní zabránění vzniku kolize. Takový systém by mohl zároveň zjednodušit návrat sondy viz
2852 pomiceva 511 \href{http://www.youtube.com/watch?v=rpBnurznFio}{zde})
3028 kaklik 512 \item Autodestrukce při hrozící srážce.
2849 kaklik 513 \end{itemize}
514  
3032 pomiceva 515 Bylo zvoleno první řešení, a to navržení bezpečné sondy spadající do kategorie B2. Finální systém bude muset být předložen k posouzení komisi na ÚCL.
516  
3025 kaklik 517 \subsection{Meteorologický balón}
3033 kaklik 518  
3043 kaklik 519 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 $^\circ$). Zároveň se přibližně 13x zvětší objem balónu.
2849 kaklik 520  
3032 pomiceva 521 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 522  
3025 kaklik 523 \subsubsection{Svařování balónu}
524  
3041 kaklik 525 Vzhledem k nestandardním požadavkům proto bylo potřeba si svařit vlastní balón z PE fólie. K tomu byl využit polotovar známý jako hadice. Na balonu jsou pak pouze dva svařované spoje na spodní a horní části.
3028 kaklik 526  
527  
528  
3035 pomiceva 529 \subsubsection{Zpětný ventil}
530 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 531  
3035 pomiceva 532 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 533  
534 \begin{figure}
535 \centering
536 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentilFoto.JPG}
537 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu - foto}
538 \label{fig:ZpetVentilFoto}
539 \end{figure}
540  
541 \begin{figure}
542 \centering
543 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentil.png}
544 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu}
545 \label{fig:ZpetVentil}
546 \end{figure}
547  
548  
549  
550 \section{Řídící systém sítě}
551  
552 \subsection{Zpracování dostupných dat}
553  
2849 kaklik 554 \begin{itemize}
555 \item
556 Odhad vektoru meteoru v atmosféře
557 \item
558 Záznam dostupných meteorologických dat pro pozdější rekonstrukci
559 (družicové snímky, aktuálně měřené hodnoty ČHMÚ, radarové snímky)
560 \item
3005 poskozby 561 Sběr dat z jednotlivých stanic
2849 kaklik 562 \item
3005 poskozby 563 Výpočet vektoru a výškových profilů větru
2849 kaklik 564 \end{itemize}
3025 kaklik 565 \subsection{Rozhodovací proces}
2849 kaklik 566  
3035 pomiceva 567 Použití přesněji nedefinovaného skriptovacího jazyka pro popis procesu
568 \href{http://www.ros.org/wiki/}{ROS}
2849 kaklik 569  
570 \begin{itemize}
571 \item
572 Přidělení příkazu ke startu jednotlivým stanicím.
573 \item
574 Přeplánování startu v důsledku neúspěšného vypuštění nebo zamítnutí
575 stanicí.
576 \item
577 Kontrola potenciálního narušení vzdušného prostoru a zakázaných zón.
578 \end{itemize}
3025 kaklik 579 \subsection{Správa systému}
2849 kaklik 580  
581 \begin{itemize}
582 \item
3005 poskozby 583 Registrace jednotlivých stanic a správa uživatelů v kooperaci s
2849 kaklik 584 projektem \href{http://www.astrozor.cz/}{Astrozor}
585 \end{itemize}
586  
3035 pomiceva 587 V této fázi projektu nebyl Řídící systém podrobněji řešen, pouze počáteční návrhy.
3009 kaklik 588  
3035 pomiceva 589 \section{Výsledky projektu}
3025 kaklik 590  
3036 pomiceva 591 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 592  
3035 pomiceva 593 V průběhu vývoje nastalo několik technických problémů. Navrhovaná řešení jednotlivých problémů jsou uvedena v technické části vždy u příslušné kapitoly.
2849 kaklik 594  
3036 pomiceva 595 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.
596  
3027 kaklik 597 \subsection{Možnosti budoucího vývoje zařízení}
3009 kaklik 598  
3035 pomiceva 599 V produkční verzi zařízení bude potřeba zejména vylepšit mechanickou konstrukci vypouštěcího boxu tak, aby byla odolnější proti povětrnostním vlivům.
600 Dále bude potřeba vylepšit firmware tak, aby časování sekvence fungovalo korektním způsobem.
3036 pomiceva 601  
602 \subsection{Doporučení pro další cvičení}
3041 kaklik 603 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 \href{http://macgyver.sh.cvut.cz/}{bastlírně} bloku 9 na Strahově. Poděkování patří především provozovatelům právě této Strahovské dílny, která byla týmu k dispozici bez jakýchkoli komplikací včetně kompletního vybavení.
3043 kaklik 604  
605 http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php
606 \bibliographystyle{ieeetr}
607 \bibliography{zprava.cs}
3044 kaklik 608 \addcontentsline{toc}{section}{Literatura}
3043 kaklik 609  
610 \printglossaries
611 \glsaddall
3028 kaklik 612  
613 \end{document}