czANSO blog

Zdroj energie balónu – baterie

Feb 18, 2010 Komponenty balónu, Principy a limity, Testování Leave a comment

Elektronika na palubě balónu bude napájena pomocí baterií.

Není ale možné vzít první baterie v supermarketu, které uvidíme a to především díky hlubokému mrazu, který ve výšce panuje. Obyčejné baterie nebo akumulátory v mrazu rychle ztrácejí účinnost. Nesmí se také stát, že budou předčasně vyčerpány.

Požadavky tedy jsou:

• vysoká odolnost vůči mrazu
• vysoká kapacita
• nízká hmotnost

Tyto podmínky splňují zejména lithiové baterie. Nalezl jsem konkrétní model Energizer Ultimate Lithium.

Energizer Ultimate Lithium balení 2ks

Tyto nenabíjitelné baterie mají velmi pěkné vlastnosti:

• baterie AA s nejdelší vydrží na světě
• funguje výborně v extrémních teplotách (od -40°C do +60°C)
• hmotnost jednoho článku pouhých 19g
• kapacita 2900mAh
• napětí klasických 1,5V

Testy ještě ukaží zda zvolíme palubní napětí 9 nebo 12V.
Pokud zvolíme 9V, použijeme 6 článků, které dohromady váží 114 gramů. Pokud by kapacita nestačila, zdvojíme celou sadu a získáme tak téměř 6Ah. Pokud by let trval 3 hodiny, bylo by možné stále odebírat až 2A.

Příjem pozice, GPS moduly a jejich omezení

Feb 15, 2010 Komponenty balónu, Obecné myšlenky, Principy a limity Leave a comment

Minule jsem popisoval výběr přenosového systému telemetrie. Primární obsah přenášených dat je pozice balónu.

Global Positioning System, zkráceně GPS, umožňuje zjistit přesnou polohu a čas kdekoli na Zemi. A to nejen na povrchu, ale i ve výšce. Dobře pro nás …
Mezi veřejností není příliš známé, že GPS systém provozuje Ministerstvo obrany Spojených států amerických a všechny potřebné finanční prostředky na provoz (kolem 800 milionů dolarů ročně) pocházejí z rozpočtu USA.

Původně byl systém plánován pro 24 družic, dnes jich je maximální možný počet a to 32. Družice obíhají na střední oběžné dráze ve výšce 20200km nad Zemí. Nebudu vypisovat podrobnosti principu GPS systému, ten lze najít na mnoha a mnoha webech.

GPS družice - zdroj wikipedia.org

Zastavím se u části, která je důležitá pro náš projekt. Uživatele systému GPS lze rozdělit do dvou skupin: autorizovaní uživatelé a ostatní uživatelé.
Autorizovaní uživatelé jsou v podstatě pouze členové armády USA. Ti mají k dispozici zaručenou vyšší přesnost. Musí ovšem znát dekodovací klíče.

Ostatní uživatelé jsou všichni v civilním sektoru. Do této oblasti spadá veškeré použití, které pravděpodobně znáte.
Tento signál je tedy dostupný všem, bohužel i těm, kteří by jej mohli využít pro navádění zbraní – mezikontinentálních a jiných střel – s cílem destrukce. Proto byla zavedena COCOM omezení.

V systému GPS to znamená následující: přijímač GPS se musí vypnout pokud je přesažena výška 60 000 stop (18km) a zároveň rychlost vyšší než 515 m/s.

To by nebyl problém, protože oba limity najednou balón zcela jistě nepřekročí. Problém je v tom, že někteří výrobci GPS modulů si pravidla vyloží přísněji a přijímač se vypne při překročení jedné z těchto hranic. Pro nás by to znamenalo, že by se GPS přijímač vypnul ve výšce nad 18km.

Naštěstí existují i moduly, které COCOM omezení interpretují správně a jsou použitelné i ve výšce 30km. Takové tedy hledáme.
Při hledání informací narazil Martin na velmi zajímavou tabulku přijímačů, které prošli testem 60K feet. To nás tedy přivedlo k výrobci Trimble.

Prvním kandidátem přijímacího modulu GPS je:

12 Channel Lassen IQ GPS Receiver with DGPS - zdroj sparkfun.com

12 Channel Lassen IQ GPS Receiver with DGPS, ke kterému je zapotřebí ještě konektor Lassen iQ SMD Mating Header, kabel Interface Cable SMA to Lassen IQ Hirose HFL a anténa Antenna GPS Embedded SMA.
Celková cena těchto komponent je 80USD. Problém spočívá zejména v titěrných rozměrech komunikačního konektoru. Bude zapotřebí vyrobit spojovací desku a to bude stát čas a další prostředky.

Poté jsem nalezl podstatně novější modul od stejného výrobce, který je navíc osazen na desce:

Copernicus DIP Module - zdroj sparkfun.com

Copernicus DIP Module a k němu anténa Antenna GPS Embedded SMA. Cena těchto komponent je 87USD. Bohužel není v době psaní tohoto článku tento modul skladem a není známé, kdy bude.

Rozhodnutí, který modul zvolíme tedy zatím odsouvám.

Příjem telemetrie z výšky 30 kilometrů

Feb 12, 2010 Komponenty balónu 2 Comments

Úspěch projektu stojí na informaci o tom, kde se balón aktuálně nachází. Přenos telemetrie je tedy klíčová věc. Vysílání musí překonat minimálně 32km (což je pouze předpokládaná výška, pozemní tým nemůže být vždy přímo pod balonem).

Při hledání informací o dostupném hardwaru, které tento požadavek zajistí jsem nejprve narazil na produkty Radiometrix.

Radiometrix NTX2 modul

Jsou to moduly operující ve volném pásmu, standardní frekvence 433MHz, kde není potřeba žádná licence. Umožňuje i vysílání ve vzduchu, i s vysílacím výkonem 10mW lze očekávat dosah desítky kilometrů – a to díky perfektní viditelnosti. Inu, směrem vhzůru toho moc nepřekáží
Pro příjem je ovšem potřeba citlivější rádio, které umí příjímat 70cm pásmo. Žádného radioamatéra mezi sebou zatím nemáme a tak jsem hledal dále.

Martin Sekera navrhl použít moduly XBee a tak jsem se na ně detailně podíval. Jsou to produkty americké společnosti Digi, která se zabývá právě hardwarem pro bezdrátový přenos dat. Navíc jsou často používány v kombinaci s platformou Arduino a existují i rozšiřující desky.
Ponořil jsem se tedy do kategorie Wireless > Point-to-Multipoint.

Řada XBee-PRO 868 perfektně splňuje naše požadavky:

• moduly operují v pásmu 868MHz, které je vhodné i pro nás
• moduly jsou malé a lehké
• při venkovním použití a přímé viditelnosti dosah až 80km (směrem vzhůru lze očekávat i daleko víc)

XBee-PRO 868 module with RPSMA

Samotný modul XBee-PRO 868 long range module w/ RPSMA connector stojí podle informací webu 72USD. Dva moduly tedy vyjdou na 144USD.
Při pohledu do tabulky bylo jasné, že se vyplatí zakoupit Development Kit za 149USD, který ovšem obsahuje:

• 2x XBee-PRO 868 modul
• 2x development board (USB, RS232)
• 868 MHz RPSMA anténu
• kabely
• software

Primární přenos telemetrie bude tedy zajišťovat XBee.

Zima, opravdu velká zima

Feb 5, 2010 Principy a limity 2 Comments

Když jsem se minule zmínil o tom, že je potřeba sledovat rozsah pracovních teplot komponent, nerozváděl jsem to dále, protože si tato problematika zaslouží samostatný článek.

Ve 30km nad Zemí je totiž už opravdu velká zima, konkrétně kolem -65°C.

Atmosféra Země je složitá struktura. Teplotní křivka s rostoucí výškou je znázorněna na tomto grafu (zdroj vortex.plymouth.edu) :

Teplota v závislosti na výšce od Země

Jak je vidět, po překročení určité výšky (10-11km) začne teplota stagnovat a od přibližně 20km se teplota začne paradoxně opět zvyšovat! Tomu jevu se říká stratopauza.

V horních vrstvách stratosféry (kolem 50km) se tak teplota dostane opět nad nulu. Tato vrstva obsahuje velké množství ozonu, které pohlcuje záření Slunce a způsobuje tak ohřívání.

Připomínám, že udávaná výška, kterou má dosahnout náš balón je 33 kilometrů a tak se stále budeme potýkat s teplotou pod -50°C.

Flight control aneb mozek balónu

Feb 1, 2010 Komponenty balónu Leave a comment

Flight control je základní komponenta, která bude provádět manipulaci s daty, přijímat příkazy, vysílat odpovědi a také ovládat foťák.

Od této komponenty požadujeme:

• robustní řešení
• stabilita
• minimální hmotnost
• nízká spotřeba
• velký rozsah operační teploty
• standardní řešení i softwarové vybavení

Existují v podstatě 2 varianty, jak k problému přistupovat:

• vyvinout vlastní desku a vybrat si vlastní mikroprocesor
• použít existující platformu

Obě varianty mají svoje výhody, ale jít cestou vlastního vývoje desky je jistě těžší. U našeho projektu jsou k řešení desítky problému a tak je zde vhodné využít ověřené a spolehlivé platformy, které již existují.

Martin Sekera, člen týmu, doporučil z vlastní zkušenosti platformu Arduino.

Existuje dokonce český distributor této platformy, obchod HW Kitchen.

Nejprve jsme uvažovali o variantě Arduino Duemilanove with ATmega 328.

Je to osvědčená platforma založená na procesorech Atmel ATMega. Hmotnost celé desky je krásných 27g. Má 14 digitálních vstupů/výstupů, ale pouze jeden jediný hardwarový seriový port. Celá deska tiká na 16MHz a programuje se pomocí vestavěného USB portu a Arduino Software, který je volně k dispozici pro stažení na všechny pc platformy (Windows, Linux, Mac).

Rozhodl jsem se napsat panu Ing. Oldřichu Horáčkovi z obchodu HW Kitchen. Projekt jsem mu představil a zeptal se na možnost podpory, sponzoringu. Panu Horáčkovi se projekt velmi líbí a tak s poskytnutím Arduino platformy můžeme počítat! Skvělá zpráva!

V následujících dnech jsem si ale uvědomil, že s jediným hardwarových seriovým portem bude potíž, protože pro naše další komponenty budou potřeba ještě alespoň 2 další.
Jistě, seriové porty se dají emulovat softwarově za pomoci klasických I/O pinů, ale je to také zdroj možných potíží, které si ve výšce 30km nemůžeme dovolit.

Problém by vyřešila varianta Arduino MEGA with ATmega 1280. Má totiž 4 hardwarové seriové linky a také mnohem více digitální I/O pinů. Je nepatrně větší a těžší, ale podstatně dražší.

Pan Horáček nakonec doporučil Seeeduino Mega V1.1 Assembled. Je to odnož založená na Arduino Mega, jenom je menší, lehčí a levnější.

Pro další vývoj tedy počítám s touto deskou a platformou Arduino. Děkujeme obchodu HW Kitchen za poskytnutí této desky!

Elektronika – fáze první

Jan 28, 2010 Komponenty balónu Leave a comment

Je na čase se zamyslet, co vlastně balón ponese. V prvotní fázi je třeba definovat elektroniku blokově.

Můžeme se tak odprostit od konkrétního řešení a podívat se na náklad jako celek.

Hlavní součásti jsou tedy:

• zdroj energie – baterie (nutná odolnost proti silnému mrazu)
• fligh control – řízení operací
• GPS přijímač – příjem pozice, vyšky, rychlosti
• vysílač telemetrie pozemnímu týmu – pravděpodobně systém XBee modulů
• záložní přenos telemetrie – zde by se mohl uplatnit GSM/GPRS modul, má ale mnoho omezení
• čidla – měření teploty vnitřní/vnější, zrychlení ap.
• foťák – bude snímkovat a natáčet Zemi

Pro lepší představu jsem udělal blokové schema elektroniky nákladu:

Je možné, že se ještě další věci přidají, ale v tuto chvíli se držíme tohoto schema. Dále budu postupovat po jednotlivých modulech.

Vybíráme balón

Jan 25, 2010 Komponenty balónu, Obecné myšlenky 2 Comments

Meteorologické balóny se klasicky používají pro měření parametrů horních vrstev atmosféry. Jsou ale ideální také pro náš projekt.
První zmínky o značce používaných balónů jsme zjistili při komunikaci s ČHMU.

Používají latexové balóny značky TOTEX ( Totex Corporation – japonský výrobce).

Při hledání dostupných distributorů jsem narazil na společnost Kaymont sídlící v USA. Na jejich webu jsem objevil pěknou tabulku typů a parametrů jejich sondážních balónů: Kaymont sounding balloons.

V terminologii jsem se zprvu vůbec nevyznal, takže si uděláme přehled.

• Avarage Weight – hmotnost samotného nenaplněného balónu (označení KCI-XXXX odpovídá hmotnosti balónu)
• Neck Diameter – průměr “hrdla” balónu v cm (tedy místo plnění)
• Neck Length – délka “hrdla” v cm
• Flaccid Body Length – délka balonu v nenafouknutém stavu (cm)
• Barely Inflated Diametr – průměr balónu zlehka naplněného (cm)
• Payload - váha nákladu v gramech

• Gross Lift – doporučené množství vztlaku samotného helia (negativní váha helia v balónu)
• Nozzle Lift – je rozdíl = Gross Lift – Avarage Weight, negativní váha naplněného balónu včetně jeho samotného
• Recommended Free Lift – rozdíl = Nozzle Lift – Payload, negativní váha celého objektu, tato doporučená hodnota Free Lift zajístí předepsané tempo stoupání
• Diameter at Release – průměr balónu při vypuštění
• Volume at Release – počet m³ helia při vypuštění
• Rate of Ascent – rychlost stoupání v metrech za minutu
• Diameter at Burst – průměr v okamžiku prasknutí
• Bursting Altitude – výška v kilometrech, kde balón praskne
• Bursting Pressure – tlak vzduchu, ve kterém balón praskne, uváděno v hektopaskalech (1 hPa = 100Pa)

Abych mohl zaslat emailem poptávku a zjistit cenu, je třeba vybrat typ, který použijeme.
Při hrubém návrhu jsem se dopočítal k váze nákladu kolem 700g, zvolil jsem tedy typ KCI-1200. Po několika marných emailových pokusech zjistit cenu přišla odpověď:

Pavel,
Thank you for your e-mail:

KCI-1200N $65 each.
5012 Parachute $15 each

Shipping to the Czech Republic will be about $50.
We do not have 1000 gram balloons in stock at this time.

Best regards,
Paul Fetkowitz

Cenu balónu jsem očekával, ale poštovné mě celkem překvapilo. Narušuje to docela rozpočet, který jsem zprvu neprozřetelně skládal pouze z cen komponent.

Nabídla se otázka, zda není možné koupit balóny někdě blíže a vyhnout se tak nákladné dopravě. Narazil jsem na společnost RandomSolutions z Británie. Ceny mají přímo na webu, ale cenu poštovného jsem musel opět mírně složitě zjišťovat emailem. Doprava po Evropě stojí 35GBP!

Následovala kalkulace – 2x balón KCI-1200 a padák + doprava:

Kaymont = 2×65USD + 15USD + 50UDS = 195USD
RandomSolutions = 2x 62.95 GBP + 6.95GBP + 35 GBP = 167,85 GBP (přepočteno na 251USD)

Rozdíl je markatní a tak se uplatnilo pravidlo: “Je to sice dál, ale zato horší cesta”

Balóny zakoupíme u Kaymontu.

Základní koncepce

Jan 20, 2010 Komponenty balónu Leave a comment

Projekt se skládá ze 4 základních částí:

• meteorologický balón plněný heliem (lze se dočíst i o plnění vodíkem, ale potom se stává manipulace a vypuštění poměrně nebezpečnou záležitostí, proto jsem ji zavrhnul)
• padák
• spojovací lanko
• náklad

Princip letu lze popsat takto:

Balón plněný heliem vynese náklad do výšky kolem 30km (dle velikosti a naplnění), kde je tlak již tak malý, že balon se několikanásobně zvětší a v určitou chvíli praskne. Náklad poté letí volným pádem k zemi a ve hladině, kde je hustší atmosféra se začne uplatňovat připojený padák. Ten potom náklad brzdí až do přistaní.

To je průběh, který nelze příliš ovlivnit. Atmosférické proudy objekt unáší.

Jaký balón je potřeba, jaký padák, jaké lanko a co bude obsahem nákladu je teprve nutné vyřešit.

Obsahem nákladu, ale musí být:

• záznam obrazu
• GPS přijímač polohy
• vysílač, který sdělí zjištěnou polohu pozemnímu týmu
• zdroj energie

Volitelné součásti jsou senzory, sekundární systémy.

Legalita letu a předpisy

Jan 15, 2010 Legislativa, Obecné myšlenky 1 Comment

První otázkou, kterou jsem se zabýval, je legislativa a zda je takový let balónu legální.

Při procházení dostupných informací jsem narazil na webu CBradia na jméno Ing. Pavel Žárský z ČHMÚ. Odpovídal na otázky ohledně jejich měření horních vrstev atmosféry pomocí balónů.
Neváhal jsem ho tedy oslovit s několika otázkami, které zde uvedu v bodech:

• potřebuje takový let povolení?
• co na to Řízení letového provozu
• jaké balony používá ČHMU
• predikce trajektorie objektu

Odpověd na sebe nenechala dlouho čekat a přinesla zajímavé, přínosné informace, ale i trochu pesimismu hned v prvním odstavci.

Dobrý den,
je potěšující, že se na mne obracíte s dotazy k Vašemu zajímavému projektu. Po více než 40-ileté praxi v aerologii jsem ale poněkud skeptický. Při realizaci takového záměru jsou potřebné nejen peníze a to “hodně”, ale i plno zkušeností, aby se náklady nešplhaly neúměrně vysoko. V této “těžké” době hospodářské stagnace se asi obtížně vyhledávají i ochotní sponzoři. Samotné Vaše nadšení nestačí. Okrajově sleduji zahraniční projekty podobného charakteru, většinou pod patronací universit, kde jsou často inspirací profesionální projekty, třeba NASA, pro měření fyzikálních vlastností horní vrstvy atmosféry, za mnoho milionů $.

Chvíli jsem nad tím odstavcem přemýšlel, ale nic to nezměnilo na mém pohledu na projekt. Naopak je to ještě větší výzva! S náklady je jistě nutné počítat, zadarmo to nejde, ale neúměrně vysoké být nemusí. Patrona v podobě univerzity nemáme, ale i tak vznikne zajímavý projekt.

V dalším textu osvětlil pan Ing. Žárský několik věcí:

• operativní povolování jednotlivých startů balonů ČHMU v pravidelných termínech již není třeba koordinovat s ŘLP (ovšem ve zprávě AIP, jsou jejich měření celkem přesně definována)
• ČHMÚ používá v posledním období pouze meteorologické balony japonské firmy TOTEX o velikostech 800 a 1200g, které jsou v současnosti považovány za nejvyšší standard pro aerologická měření
• není možné od nich koupit balóny, protože – cituji: “Sami máme málo”
• “Naše pracoviště se zabývá v první řadě získáváním dat z volné atmosféry a protože trajektorie letu balonu je danná okamžitým stavem spodních vrstev atmosféry, jsou to pro nás primární data a predikce letu je přímo pro naše pracoviště nezajímavá. Protože měříme v šestihodinových intervalech, při stabilním počasí se dráha od daráhy moc nemění. Místo dopadu padající radiosondy nás už vůbec nezajímá, což je ve Vašem případě to nejdůležitější.”
• bude velmi obtížné hledat po dopadu náklad, přirovnání jehly v kupce sena

V příloze potom zaslal část PDF dokumentu AIP, který popisuje místo vypouštění a další parametry jejich meteorologických sond – http://czanso.com/pdf/AIP_e5-3.pdf

V dalších dnech jsem si vzpomněl, že jsem na diskuzním serveru zahlédl i člověka, který pracuje přímo na Řízení letového provozu (ŘLP). Jeho prostřednictvím jsem tedy dostal odpověď na důležité otázky.

Ahoj,
v příloze posílám kousek z předpisu L-2 ohledně vypouštění balónů (dodatek 4).
Definuje, jaký balón je lehký a další podmínky provozu.
Obecná formulace je z par. 3.1.9 tohoto předpisu:
“Neobsazené volné balóny
Neobsazený volný balón se musí provozovat způsobem, který minimalizuje nebezpečí pro osoby, majetek nebo jiná letadla, a musí být provozován v souladu s podmínkami uvedenými v Dodatku 4.”

Dále přikládám, co je psáno o meteorolog.balónech v AIP ČR, část ENR 5.3.1.

Zmíněné dokumenty jsou zde:

1. http://czanso.com/pdf/L2dod4.pdf
2. http://czanso.com/pdf/e5-3.pdf

Balony se tedy klasifikují dle různých parametrů, ten náš spadá do kategorie NEOBSAZENÝ VOLNÝ BALON. Další podkategorie jsou potom lehký, střední, těžký.

S plánovanou hmotností 600-1000 gramů se snadno vejdeme do kategorie lehké.

Představení projektu

Jan 1, 2010 Obecné myšlenky Leave a comment

Zdravím všechny fanoušky kosmonautiky, techniky a vědeckého bádání obecně

Když jsem 5.prosince 2009 procházel svoje oblíbené webové stránky, narazil jsem na jeden článek, který mě velmi zaujal. Nebyl dlouhý, ale jeho obsah odstartoval posloupnost událostí, který vede až k tvorbě tohoto webu a dalším článkům.

Nemohl jsem neupozornit na článek i další nadšence. Skupina španělských studentů vypustila meteorologický balón do výšky 98.000 stop (cca 30km) a pomocí fotoaparátu pořídila skvělé snímky na hranici vesmíru. Srdce musí zaplesat, co lze dokázat relativně amatersky. Navštívil jsem tedy svůj oblíbený diskuzní server nyx.cz a do klubu s názvem “Dobývání vesmíru a kosmonautika” napsal krátký příspěvek:

http://gajitz.com/dont-get-lost-in-the-heavens-mit-diy-space-balloon

neposleme taky nejaky cesky balon?

Po krátké diskuzi o možnostech v našich podmínkách jsem se rozhodl o této věci najít více informací. A není náhodou, že jsem ten den mnoho nenaspal Na první pohled to působí poměrně jednodušše, ale čím víc jsem o tom přemýšlel, tím víc se objevovalo problémů, nutných řešení, hranic, pochyb ale i výzev.

Prostě to všechno dohromady znělo jako fajn projekt!

V dalších dnech se ukázala i ochota dalších lidí projekt podpořit vědomostmi, nápady a dokonce i financemi. Jak tedy zní cíl? Vyfotit snímky Země ve výšce nad 30km s černým vesmírem v pozadí.

Fotka pořízená týmem HALO2 z výšky 29 447 m

V tuto chvíli mám už tolik poznatků, odkazů, tabulek, nástrojů a papírů, že je musím postupně vytřídit. Pro sebe i pro ostatní.
Možnosti, legislativa, balón, komponenty, gps, gsm, přenosy, antény, senzory, kamera, vypuštění, hledání, logistika, checklisty, pozemní tým atd. atd. To vše je potřeba vyřešit, objednat, zapojit, naprogramovat, odzkoušet.

Stay tuned!

Věřím, že projekt bude úspěšný a přinese nám fascinující fotky Země z výšky kolem 30km.