Posts mit dem Label Software werden angezeigt. Alle Posts anzeigen
Posts mit dem Label Software werden angezeigt. Alle Posts anzeigen

31. Juli 2011

Zweiter Teststart - Ein voller Erfolg

Am letzten Freitag haben wir unseren zweiten Teststart durchgeführt. Diesmal hat es im Großen und Ganzen so geklappt, wie wir uns das vorgestellt haben. Was allerdings noch nicht funktioniert ist das GPS, wenn der Ballon 18km Höhe überschreitet, obwohl der Hersteller genau das im Datenblatt verspricht. Mal abwarten, ob es eventuell noch eine spezielle Firmware oder ähnliches gibt. Ein weiteres Problem, was wir noch untersuchen wollen, ist die Funkstrecke. Das Modem hat während des Fluges völlig problemlos funktioniert, allerdings ist der Empfang schon nach wenigen Kilometern Höhe abgerissen. Wir haben im Moment die Wolken in Verdacht, mal sehen, ob wir das nachstellen können...

Das wichtigste ist aber, dass wir jetzt die Papierflieger fast im Weltraum ausgesetzt haben.

Auch die Bergung verlief problemlos. In ca. 3km Höhe konnten wir wieder Daten empfangen. Der berechnete Landeort hat diesmal so gut gepasst, dass wir den Ballon sogar auf den letzten Metern noch landen sehen konnten.

Eine weitere Überraschung war eine E-Mail, dass bereits der erste Flieger wiedergefunden wurde. Links im Menü gibt es jetzt auch eine Karte, auf der der die gefundenen Flieger eingetragen werden.

30. Juni 2011

Der Countdown rückt näher - Finaler Systemtest

Morgen findet der erste Teststart des Ballons statt. Um sicherzugehen, dass das System funktioniert, haben wir einen Systemtest durchgeführt. Dafür haben wir alles bis auf den Ballon und die Elektronik flugfertig aufgebaut und haben anschließend die einzelnen Komponenten getestet. Nachdem wir die Struktur hochgezogen haben, haben wir einen Dropout-Test durchgeführt. Da wir schlecht die Abwurfhöhe für die Elektronik simulieren können, haben wir die Elektronik so programmiert, dass nach einer kurzen Wartezeit nach Einschalten der Elektronik der Pyrocutter ausgelöst wird. Um gleich zu testen, ob Strom und Spannung reichen, haben wir 5m Zwillingslitze benutzt. Diese Länge entspricht beim Flug der Entfernung zwischen der Box und dem oberen Pyrocutter, der im Zweifelsfall den Ballon abtrennen kann. Es hat sich gezeigt, dass das einfache Netz absolut zuverlässig alle Papierflieger in die Freiheit entlassen hat


Anschließend haben wir die Box am Fallschirm absteigen lassen. Es haben alle Teile überlebt, Fallschirm also richtig dimensioniert :-).

Gleichzeitig haben wir auch die GoPro Hero-Kameras getestet. Die Bilder sind genauso, wie wir sie uns vorgestellt haben. Wenn alles klappt, und wir die Box nach der Landung wieder finden, haben wir morgen Bilder von Papierfliegern, die fast im Weltraum waren.

Jetzt muss ich aber erst mal weiter Software schreiben, die letzten Zeilen Code dürfen morgen nicht fehlen!

20. Juni 2011

Aufstiegsberechnung - Wie hoch wird der Ballon kommen?

Nachdem das Gesamtsystem an Form annimmt und die einzelnen Massen der Subsysteme genauer bestimmt werden können, ist es Zeit die Berechnung des Fluges zu verfeinern. Die bisherige Dimensionierung beruht auf Abschätzung und Erfahrungswerten aus anderen Projekten. Deshalb wurde ein kleines Berechnungstool basierend auf einer Tabellenkalkulation erstellt, mit dem sich der Ballonaufstieg simulieren lässt.

Zunächst wurde die Atmosphäre modelliert, um bei gegebenen Bodenbedingungen Druck und Temperaturverlauf in Abhängigkeit der Flughöhe zu bestimmen. Über das ideale Gasgesetz und die Heliummasse im Ballon lässt sich dessen Volumen bestimmen. Der Einfluss der Spannung durch das Aufblasen der Ballonhülle wurde dabei jedoch vernachlässigt, da keine zuverlässigen Werte des Elastizitätsmodul vorliegen und dieser zudem nichtlinear vom Ballondurchmesser abhängt.
Über das Ballonvolumen und die Umgebungsbedingung lässt sich die Auftriebskraft bestimmen und damit nach Abzug der Gewichtskraft und des Luftwiderstands auch die Beschleunigung. Über die Zeit integriert erhält man die Aufstiegsgeschwindigkeit und eine weitere Integration liefert die Höhe. Die Integration wird numerisch mit der Tabellenkalkulation durchgeführt.

Im folgenden wird eine Bespielrechnung mit einem Systemgewicht von 5 kg und einer Heliummasse von 1,15 kg aufgeführt. Bei einer Bodenbedingung von 300 Kelvin (etwa 27°C) und 1,013 bar ergeben sich bei einem Ballon-Berstdurchmesser von 11 m folgende Werte:




Flughöhe und Ballondurchmesser in Abhängigkeit der Flugzeit

Man kann dem Diagramm entnehmen, dass der Berstdurchmesser von 11 m nach einer Zeit von 4500 s (1 Stunde 15 Minuten) in einer Höhe von ca. 32 km erreicht wird. Die folgende Grafik zeigt die Temperatur und den Luftdruck in Abhängigkeit der Flughöhe:



Druck und Temperatur in Abhängigkeit der Flughöhe

Hier kann man deutlich erkennen, welchen Umgebungsbedingungen der Ballon und die Elektronik ausgesetzt sind und nach dem Flug die Daten mit den Annahmen der Vorauslegung abgleichen.

Mithilfe dieser Daten kann der Flug geplant werden und die Parameter für die Gipfelpunkterkennung und Sicherheitsauslösung in der Software eingestellt werden. Falls die Nutzlastmasse angepasst oder Gipfelhöhe und Aufstiegszeit verändert werden sollen, kann mithilfe des Tools schnell der Flugablauf berechnet werden und gegebenenfalls die Heliumfüllmenge angepasst werden.

Insgesamt ist die berechnete Flugleistung wesentlich besser als in der ersten Abschätzung. So besteht die Möglichkeit, mehr Nutzlast als ursprünglich geplant mitzuführen. Die Elektronik ist auf einen Betrieb von knapp 6 Stunden ausgelegt. Das bietet genügend Zeitreserve für einen durch zuzätzliche Nutzlast verlangsamten Aufstieg. Weiterhin besteht die Möglichkeit, mehr Helium in den Ballon zu füllen. Durch diese Maßnahme lässt sich die maximale Nutzlastmasse ebenfalls vergrößern.

17. Juni 2011

Elektronik und Softwareentwickung

Die benötigten Bestandteile der Elektronik waren uns schnell klar:
  • Mikrocontroller aus der ATMega-Serie zur Steuerung
    Die Wahl fiel hierbei auf den ATmega1280, weil dieser von Haus aus 4 UARTs mitbringt.
  • GPS-Empfänger (GPS-622R) zur Ortung des Ballons im Flug und nach der Landung
  • Luftdrucksensor zur Unterstützung der Höhenmessung
  • Temperatursensor zur Kalibrierung der Höhenmessung über den Luftdruck
  • XBee 868 Funkmodul von Digi zur schnellen Datenübertragung bis zu einer Weite von 40km
  • Flash-Speicher zur Datenspeicherung ohne Funkverbindung
  • GSM-Modem (XM7000S) zum Senden der Landeposition ohne direkte Funkverbindung per SMS
  • FT2232D als USB-Anschluss zum Auslesen des Speichers



Der Schaltplan wurde entworfen und nach dem Eintreffen der ersten Teile konnte man das Aussehen schon erahnen:


Platinenlayout mit dem GSM-Modem (links) und dem XBee-Funkmodul (rechts)

Nach einigen Lötstunden war die Hardware dann auch fertig:

Halb bestückte Elektronik
Blieb "nur" die Programmierung.
Hier wurde viel Energie in die Konzeption gesteckt, um am Ende eine saubere Basis zu bekommen, um ähnliche Projekte in Zukunft einfacher zu realisieren.

Um die Datenerfassung und die Verarbeitung, Speicherung und Sendung unabhängig zu programmieren, wurde eine Struktur mit Schnittstellen zwischen den einzelnen Modulen definiert.

Programmentwurf an der Tafel

Nun konnte das eigentliche Schreiben der Software beginnen. Die Einzelteile werden dabei immer wieder getestet, um auch den letzten Fehler zu finden.
Am Computer wird dabei mittels eines JTAG Adapters das Programm auf dem Mikrocontroller Schritt für Schritt ausgeführt, um den Programmfluss zu kontrollieren.

Aber jetzt muss ich weiterarbeiten, die Funk-Routinen schreiben sich nicht von alleine ;-)