| 6,6 → 6,13 |
|---|
| \usepackage{fancyhdr} |
| \usepackage{fullpage} |
| \usepackage[top=5cm, bottom=10cm, left=2.5cm, right=2.5cm]{geometry} |
| |
| % vzdy trash aux files potom latex, bibtex zprava.cs.aux, potom makeglossaries zprava.cs.glo (z command line) potom latex |
| \usepackage[nonumberlist,toc,numberedsection=autolabel,shortcuts]{glossaries} % list of acronyms |
| \makeglossaries |
| |
| \input{glossaries} |
| |
| \textwidth 16cm \textheight 20cm |
| \topmargin 0cm |
| \oddsidemargin 0cm |
| 49,8 → 56,12 |
|---|
| |
| \section{Automaticky vypouštěný sondážní balon} |
| |
| Účelem vývoje celého systému je plná automatizace procesu vypuštění balónu a jeho začlenění do složitější sítě měřících přístrojů. |
| |
| \subsection{Cíle konstrukce systému} |
| |
| Jde o inovativní přístroj, který může být využit v několika aplikacích vyžadujících přesná meteorologická měření sondou přímo v místě události. |
| |
| \subsubsection{Síť pro detekci dopadu meteorů} |
| |
| \begin{figure} |
| 84,6 → 95,8 |
|---|
| |
| 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. |
| |
| 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. |
| |
| \section{Pozemní vypouštěcí box} |
| |
| Pozemní stanici balónové sítě tvoří kompaktní krabice obsahující |
| 100,17 → 113,17 |
|---|
| Většina řídící elektroniky je složena z modulů |
| \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB} |
| |
| 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: |
| 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: |
| |
| \begin{itemize} |
| \item Ethernet - modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/ETH01A}{ETH01A} |
| \item Konvertor z TTL na sběrnici CAN \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLCAN01B}{TTLCAN01B} |
| \item Konvertor z TTL na sběrnici RS485. \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLRS48501A}{TTLRS48501A} |
| \item GSM výhodné pro odlehlé oblasti a odesílání informací o poruchách. |
| \item USB - je přímo osazeno na použitém řídícím modulu a lze jej použít jako servisní terminál a k aktualizaci firmwaru pomocí bootloaderu. |
| \item Konvertor z \gls{TTL} na sběrnici \gls{CAN} \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLCAN01B}{TTLCAN01B} |
| \item Konvertor z \gls{TTL} na sběrnici RS485. \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLRS48501A}{TTLRS48501A} |
| \item \gls{GSM} výhodné pro odlehlé oblasti a odesílání informací o poruchách. |
| \item \gls{USB} - je přímo osazeno na použitém řídícím modulu a lze jej použít jako servisní terminál a k aktualizaci firmwaru pomocí bootloaderu. |
| \end{itemize} |
| |
| Jako hlavní řídící MCU této jednotky byl vybrán ARM STM32F103R8T v modulu |
| Jako hlavní řídící \gls{MCU} této jednotky byl vybrán \gls{ARM} STM32F103R8T v modulu |
| \href{/doku.php?id=cs:stm32f10xrxt}{STM32F10xRxT01A}. Firmware je pak dále popsán v kapitole \ref{Box_firmware}. |
| |
| |
| 131,22 → 144,19 |
|---|
| |
| Většina akčních členů je konstruována s důrazem na maximální |
| spolehlivost. Akční členy proto jsou pružiny s |
| přepalovacími PE pojistkami (silonové vlákno, nebo stuha |
| přepalovacími \gls{PE} pojistkami (silonové vlákno, nebo stuha |
| přepalovaná výkonovým rezistorem) ke spínáni proudu do rezistorů |
| je využit modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/NFET4X01B}{NFET4X01B} |
| 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}{video}. |
| |
| Dále se nám podařilo sestrojit prototyp odpalování pružiny pro otevírání víka pozemní vypouštěcí stanice. Tento pokus nejlépe ilustruje toto |
| 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 miniaturní verzí |
| |
| \href{http://www.mlab.cz/redmine/attachments/download/3/video-2013-03-09-23-43-33.mp4}{video}. |
| |
| 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. |
| |
| Při jednom z testovacích odpalů bylo zjištěno, že u tohoto řešení pro otevření střechy hrozí sesunutí stuhy či silonu mimo rezistor. Tomuto bylo zabráněno vložením plastového článku navrženého přímo pro tyto účely a vytvořeného pomocí 3D tiskárny. Tento článek usměrňuje stuhu před rezistorem (obrázek \ref{fig:3Dtiskarna}). |
| |
| \begin{figure}[hbtp] |
| \centering |
| \includegraphics[width=10cm]{img/odpalovac2.jpg} |
| \caption{Prototyp zajišťovacího mechanismu} |
| \caption{Testovací prototyp zajišťovacího mechanismu} |
| \label{fig:odpalovac} |
| \end{figure} |
| |
| 157,7 → 167,7 |
|---|
| \label{fig:3Dtiskarna} |
| \end{figure} |
| |
| V produkční verzi by mela být kosntrukce řešena polyfúzně svařovanou plastovou bednou dostatečně těsnou, aby nebyla zajímavá pro hlodavce a další havěť. |
| V produkční verzi by mela být konstrukce řešena polyfúzně svařovanou plastovou bednou dostatečně těsnou, aby nebyla zajímavá pro hlodavce a další havěť. |
| |
| Rozměry by měly být upraveny tak, aby umožnila vypouštění i současných profesionálních balónových sond. |
| |
| 277,7 → 287,7 |
|---|
| |
| \subsubsection{Real-time operační systém} |
| 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.\\ |
| 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}. |
| Jako RTOS pro tuto aplikaci tak byl zvolen \href{http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php}{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}. |
| |
| \subsubsection{Funkce firmwaru} |
| |
| 291,7 → 301,9 |
|---|
| \item Příjem příkazu pro zrušení odpalu |
| \item Probuzení od časovače |
| \end{enumerate} |
| 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.\\ |
| |
| \subparagraph{Příjem příkazu pro odpal} 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.\\ |
| 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.\\ |
| 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.\\ |
| 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.\\ |
| 370,8 → 382,7 |
|---|
| Radiomoduly: \href{http://www.artbrno.cz}{http://www.artbrno.cz}, |
| \href{http://www.anaren.com}{http://www.anaren.com} |
| \end{itemize} |
| GPS je potřeba vybrat tak, aby fungovala i ve větších výškách. |
| \textsuperscript{\href{\#fn\_\_3}{3)}} |
| GPS je potřeba vybrat tak, aby fungovala i ve větších výškáchp což je omezeno směrnicí \href{http://en.wikipedia.org/wiki/CoCom#Legacyi}{CoCom}. |
| |
| \subsubsection{Napájení sondy během letu} |
| |
| 378,7 → 389,7 |
|---|
| \begin{itemize} |
| \item |
| \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium\_battery}{Lithiový článek} |
| (negeneruje teplo, minimální provozní teplota je -60 C) |
| (negeneruje teplo, minimální provozní teplota je -60 $^\circ$C) |
| \item |
| Hořčíková baterie (generuje teplo pro temperování elektroniky) |
| \item |
| 399,9 → 410,7 |
|---|
| |
| \begin{itemize} |
| \item |
| Balón - \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Polyethylen}{PE} pytel |
| (životnost v zabaleném stavu - pryž časem degraduje) |
| \textsuperscript{\href{\#fn\_\_4}{4)}} |
| Balón - \gls{PE} pytel (má vysokou životnost - pryž časem degraduje) \cite{PE_balony_mogul} |
| \item |
| Možnost dálkového odpojení balónu od sondy (ukončení stoupání) |
| \item |
| 413,6 → 422,10 |
|---|
| personální) |
| \end{itemize} |
| |
| \paragraph{Návrat sondy} |
| |
| 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} |
| |
| \subsubsection{Firmware} |
| |
| \begin{itemize} |
| 491,7 → 504,7 |
|---|
| |
| \subsection{Meteorologický balón} |
| |
| 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. |
| 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. |
| |
| 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. |
| |
| 576,23 → 589,12 |
|---|
| |
| \subsection{Doporučení pro další cvičení} |
| 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. |
| |
| http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php |
| \bibliographystyle{ieeetr} |
| \bibliography{zprava.cs} |
| |
| \printglossaries |
| \glsaddall |
| |
| \newpage |
| |
| \begin{thebibliography}{99} |
| \bibitem{cement}{například síť CEMeNt} |
| \url{http://cement.fireball.sk/} |
| \bibitem{radiosondy}{radiosondy} |
| \url{http://www.radiosonde.eu/}, \url{http://www.radiosonda.sk/} |
| \bibitem{cocom}{směrnice CoCom} |
| \url{http://en.wikipedia.org/wiki/CoCom\#Legacyi} |
| \bibitem{moguli}{projekt Mogul} |
| \url{http://cs.wikipedia.org/wiki/Projekt\_Moguli} |
| \bibitem{Parafoil_Return_Vehicle}{Autonomous Parafoil Return Vehicle} |
| \url{http://mbed.org/users/lhiggs/notebook/autonomous-parafoil-return-vehicle/} |
| \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} |
| \bibitem {ChibiOS/RT}\url{http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php} |
| \bibitem{automacic_balloon_launcher}{A Cost Effective Automatic Balloon Launcher} |
| \url{http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp?purl=/768881-IVNrhd/native/768881.pdf} |
| \end{thebibliography} |
| \end{document} |