Arduino in 'n wentelbaan – KragDag Gemeenskap
In 'n vorige artikel het ons na mikrobeheerders en in die besonder na die Arduino-mikrobeheerder gekyk. In nog 'n artikel is die verskillende aanwendingsmoontlikhede van die Arduino mikrobeheerder onder die loep geneem. Arduino het bekendheid verwerf deurdat dit 'n eenvoudige oopbron mikrobeheerderkaart is wat hom daartoe leen om aan stokperdjie-entoesiaste, studente en professionele persone 'n goedkoop mikroverwerkingingsplatform te bied, om toestelle en stelsels te ontwerp en te bou wat in wisselwerking met die omgewing kan tree deur middel van sensore en reaksiedrywers (actuators). Die Arduino-mikrobeheerder is dus 'n ideale platform om prototipes te bou en om eksperimente uit te voer. Alhoewel die Arduino-mikrobeheerder goedkoop en tot die beskikking van bykans enige iemand is, is dit 'n geweldige kragtige konsep.
Watter ambisieuse projekte is al deur middel van 'n Arduino mikrobeheerders aangepak? Nou die aand, laat iemand ons weet dat die Internasionale ruimtestasie (ISS) net na sononder sigbaar sal wees. Jou werklikwaar, daar kon ons die satelliet wat vanuit 'n Noord-westelike rigting na 'Suid-oostelike rigting beweeg, met die blote oog waarneem – 'n kolos- so groot soos 'n rugbyveld, 6 verdiepings hoog en wat bykans 420 ton weeg. Hierdie ruimtestasie het inderdaad 'n klein verbintenis met die Arduino. ArduSat X (Arduino Satellite) en ArduSat 1 was twee 1U CubeSat satelliete, wat die missie gehad het om 'n platform in die buitenste ruimte te voorsien waarop studente en doen-dit-self ruimte-entoesiaste hulle eie ruimte-eksperimente kon ontwerp en uitvoer.
Aanloopgeskiedenis en tydlyn van gebeure
Die ArduSat gedagte het ontstaan toe daar in 2012 besluit is om 'n Arduino-gebaseerde oopbron-nanosatelliet, wat op die CubeSat-beginsel geskoei is, in 'n wentelbaan om die aarde te plaas. Vier studente van die Internasionale Ruimte Universiteit, met hoofkampus in Straatsburg, Frankryk, het die lug- en ruimtevaartmaatskappy NanoSatisfi Inc in 2012 gestig. Ten einde hierdie projek te befonds is 'n kollektiewe befondsingsveldtog (crowdfunding) op die Kickstarter-platform geloods. Waar die aanvanklike doelwit was om befondsing ter waarde $35 000 te verkry, is hierdie bedrag oortref. Binne 30 dae is daar uiteindelik $106 330 vanaf 676 projek-ondersteuners bymekaargemaak. Gedurende Augustus 2012 is aanvang geneem met die ontwerp van die eerste ArduSat-prototipe. 'n Hoë-hoogte toets is op hierdie eksperimentele model gedurende Oktober 2012 onderneem toe die prototipe met behulp van 'n heliumballon tot 'n hoogte van 85 000 vt geneem is. Gedurende hierdie toetsvlug, wat ongeveer 2 ure geduur het, is toetsprogramme geloop, sensore is getoets en 'n aantal foto's is in die stratosfeer geneem.
In November 2012 is ooreenkomste onderteken tussen NanoSatisfi Inc en NanoRacks LLC, 'n privaatmaatskappy wat produkte ontwikkel en dienste verskaf wat gemik is op die kommersiële benutting van die ruimte. Hierdie ooreenkoms het voorsiening gemaak dat twee 1U CubeSat-tipe satelliete na die internasionale ruimtestasie vervoer sou word, waar vandaan dit ontplooi sou word. Terselfdertyd is 'n begin gemaak met die ontwerp en bou van 'n ingenieursprototipe.
Ten einde wêreldwye betrokkendheid by die projek aan te moedig is 'n uitdaging op NASA se International Space Apps Challenge gerig waar ArduSat as 'n oop-satelliet platform bekendgestel is en waartoe ruimtetoegang op aanvraag moontlik was. As gevolg van hierdie inisiatief is 22 navorsingsprojekte voorgelê vir oorweging. Verder is sagteware ontwikkelingsgereedskap, die sogenaamde SDK – software development kit, ontwikkel en beskikbaar gemaak ten einde belangstellendes in staat te stel om Arduino gebaseerde ruimte-eksperimente voor te stel, te ontwerp en te ontwikkel.
Uiteindelik is die finale weergawe van AdruSat-X en ArduSat 1 aanmekaar gesit, getoets en gereed gemaak vir lansering en ontplooing. Op die 3de Augustus 2013 is ArduSat-X en ArduSat-1 die ruimte in gelanseer aanboord die Japanese vragruimtetuig Kounotori 4, met behulp van die H-IIB weggooibare lanseerstelsel. Nadat die Kounotori aan die ISS vasgeheg is, is die vrag van die vragruimtetuig oorgeplaas na die ruimtestasie. 'n Spesiale ontplooingsmeganisme, waarmee 1U, 2U en 3U CubeSat-tipe satelliete ontplooi kan word, die sogenaamde Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (P-Pod), is aan die Japanese Eksperiment Module, wat Kibo genoem word, geheg. Hiermee is ArduSat-X en ArduSat-1, tesame met die Vietnamese PicoDragon CubeSat op 19 November 2013 suksesvol ontplooi.
ArduSat-X en ArduSat-1 het onderskeidelik weer die atmosfeer op 15 en 16 April 2014 binne gekom waar dit uitgebrand het.
'n Tweede Arduino satelliet is hierna ontwerp, gebou, gelanseer en ontplooi. ArduSat-2 was 'n dubbel-eenheid (2U) CubeSat-tipe satelliet, wat 'n verbeterde uitgawe van sy voorgangers was. Dit is op 28 Februarie 2014, weereens vanaf Kibo ontplooi. Ongelukkig kon geen seine van hierdie satelliet ontvang word nie. ArduSat-2 het op 1 Julie 2014 tot niet gegaan toe dit in die atmosfeer teruggeval het.
ArduSat Argitektuur en Samestelling
Volgens die CubeSat-standaard was ArduSat-X en ArduSat-1 elk 'n kubus met 'n fisiese grootte van 10x10x10cm en met 'n massa van kleiner as 1,33kg. Die basiese modules van die satelliet soos die satellietonderstel, die kragbron met sonpanele, die vlugrekenaar asook die telekommunikasiemodule is kommersiële modules wat van die rak af gekoop is. Die onderstel was 'n stewige raamwerk wat van aluminium gemaak is. Aan die kante van die satelliet was sonpanele bevestig wat sonenergie in elektriese energie omgesit het. Hierdie elektriese energie is deur die kragbron in die regte formaat aan die res van die satellietstelsel aangebied. Voorsiening is ook gemaak vir die stoor van elektriese-energie by wyse van Li-ioonbatterye.
Die vlugrekenaarmodule is hoofsaaklik verantwoordelik vir die beheer van die nanosatelliet se oriëntasie (attitude). Indien 'n nanosatelliet ontplooi word is daar onmiddelik 'n neiging dat die satelliet begin tuimel. Oriëntasiebeheer is baie belangrik ten einde sekere take met die satelliet uit te voer en kan bewerkstellig word deur onder andere Neodymium magnete. magnetiese wringers (magnetorquers) , reaksievliegwiele en deur reaksie-stukraginduseerders of -stuwers (reaction thrusters) te gebruik. Dit blyk dat oriëntasiebeheer op die ArduSat gedoen is bywyse van magnetiese wringers wat uit elektriese spoele bestaan het wat op die sonpanele ingebed is. 'n Elektriese stroom wat vloei wek magnetiese velde in die spoele op. Manipulering van hierdie elektriese strome kan die satellietoriëntasie verander, deur die spoele se magneetvelde met betrekking tot die aarde se magneetveld te belyn.
Kommunikasie met die satelliet is ook baie belangrik. Die ArduSat het met die aarde gekommunikeer deur middel van 'n half-duplex UHF sender-ontvanger met 'n di-pool antenna wat in die 435-438 MHz amateur radiosatellietband werk. Foutkorreksie en Viterbi-kodering is op die seinprosessering toegepas ten einde die betroubaarheid van die kommunikasie in 'n hoë ruis omgewing te verhoog. Verder kon beide satelliete optree as Morsekodebakens waar 'n aantal woorde in Morsekode met gereelde intervalle uitgestuur is.
Die grootste uitdaging rondom die ontwerp van die ArduSat was myns insiens om voorsiening te maak vir die uitermate gure omgewingstoestande waaraan die satelliet blootgestel is. Die termiese ontwerp moes daarvoor voorsiening maak dat die satelliet deurlopend aan uiterste termiese skokke blootgestel is. Die satelliet se omwentelingsperiode was ongeveer 90 minute. In hierdie tyd is die satelliet óf ten volle aan die son se straling blootgestel óf was ten volle in die skaduwee. Vanweë die ArduSat se fisiese grootte was daar nie 'n baie groot termiese kapasitansie om hitte-energie uiterstes te buffer nie. Gevolglik het die satelliet se temperatuur tot so laag as -40° celcius in die skaduwee gedaal en tot so hoog as 85° celsius in volle sonskyn gestyg. Hierdie uiterstes is ten minste 15 keer per dag herhaal!
Behalwe vir die basiese modules het die satelliet ook 'n Arduino-spesifieke loonvrag aan boord gehad. Hierdie loonvrag het bestaan uit 'n Arduino gebaseerde mikroverwerkermodule asook 'n sensorsuite met kameras. Die mikroverwerkermodule het bestaan uit die beheermikroverwerker wat geskoei is op die ATmega2561 mikrobeheerder – soortgelyk aan die Arduino Mega – en ook 'n bank van 16 mikroverwerkerknooppunte (nodes), wat elk uit 'n ATmega328P mikrobeheerder bestaan het – wat weer soos die Arduino Uno lyk. Die bank van mikroverwerkersknooppunte het ten doel gehad om voorafontwerpte eksperimente uit te voer en om ruimte-inligting te versamel, te verwerk en in geheue te stoor. Die beheermikroverwerker het die nodige instruksies aan die mikroverwerkersknooppunte verskaf.
Ruimte-inligting is verkry van die sensor-suite wat bestaan het uit die volgende sensore:
'n Digitale magnetometer om veranderlikes van die aarde se magneetveld te meet.
'n Digitale giroskoop.
Infra-rooi temperatuursensors om buiteliggame se temperatuur te meet.
Digitale temepratuursensors om die temperatuur op verskeie plekkie binne in die satelliet te meet.
Lighelderheidsensore (luminosity sensors) ten einde die liguitstraling van hemelliggame in die sigbare lig- sowel as in die infra-rooigebied te meet.
Twee Geiger-Muller buise om ioniserings-straling (dws gammastrale, X-strale asook die hoër ultraviolet-gedeelte van die elektromagnetiese spektrum) te meet.
'n Optiese spektrometer, naamlik die Spectruino – wat ook 'n Arduino toepassing is. 'n Spektrometer is 'n belangrike wetenskaplike instrument wat gebruik word om invallende lig op te splits in afsonderlike kleurbande, wat 'n spektrum genoem word. Spektrometers word in die sterrekunde gebruik om die chemiese samestelling van sterre en planete te ontleed om sodoende data oor die ontstaan van die heelal te versamel.
'n Optiese kamara met 'n 1,3 megapixel resolusie.
Indien jy deur die voorafgaande inligting geprikkel is, sal jy die volgende twee videos deur Jonathan Oxer, wat intiem by die ArduSat-projek betrokke was, baie interessant vind.
KragDag bied op 19 Mei 2018 'n eendag Elektronika beginnerswerkswinkel met Arduino aan. Dit is 'n praktiese inleidende kursus waarvoor geen vorige ervaring met elektronika nodig is nie, maar wat jou op sal plaas om dinge rondom jou te meet en te outomatiseer. Jonk en oud sal dit beslis nuttig en interessant vind en die kursusfooi sluit jou Arduino stel in. Om jou plek te bespreek KLIK HIER!
Lemmie van der Linde - Upington 2018-05-03 at 15:28 - Reply
Frans Muller 2018-05-03 at 17:59 - Reply
Dit is uiters interessant en het my beter insig in ruimte tegnologie gegee.