Cápsula SSTV para balões de grande altitude: 11 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Este projeto nasceu após o balão ServetI no verão de 2017 com a ideia de enviar imagens em tempo real da Estratosfera para a Terra. As imagens que captamos foram armazenadas na memória da rpi e depois enviadas para serem convertidas em sinal de áudio. As imagens devem ser enviadas a cada 'x' vez para a estação de controle. Também foi sugerido que essas imagens forneceriam dados como temperatura ou altitude, bem como uma identificação para que quem recebesse a imagem pudesse saber do que se trata.

Em resumo, um Rpi-z tira imagens e coleta os valores do sensor (temperatura e umidade). Esses valores são armazenados em um arquivo CSV e, posteriormente, podemos usá-lo para fazer alguns gráficos. A cápsula envia imagens SSTV de forma analógica através do rádio. É o mesmo sistema usado pela ISS (Estação Espacial Internacional), mas nossas imagens têm menos resolução. Graças a ele, o envio da imagem demora menos.

Etapa 1: coisas que precisamos

-O cérebro Pi-Zero: https://shop.pimoroni.com/products/raspberry-pi-ze… 10 $ -Clock:

Rtc DS3231

- Sensor de temperatura e sensor de pressão barométrica: BMP180-Módulo de rádio: DRA818V

Apenas alguns componentes:

-10UF CAPACITOR ELETROLÍTICO x2

-0,033UF CAPACITOR DE CERÂMICA MONOLÍTICO x2

-150 RESISTOR OHM x2

-270 RESISTOR OHM x2

-600 OHM TRANSFORMADOR DE ÁUDIO x1

-1N4007 diodo x1

-100uF CAPACITOR ELETROLÍTICO

-10nf CAPACITOR MONOLÍTICO DE CERÂMICA x1-10K RESISTOR x3

-1K RESISTOR x2

-56nH INDUTOR x2 * -68nH INDUTOR x1 * -20pf CAPACITOR MONOLÍTICO DE CERÂMICA x2 *

-36pf CAPACITOR MONOLÍTICO DE CERÂMICA x2 *

* Componentes recomendados, a cápsula pode funcionar sem eles

Etapa 2: Pi-Zero

Rpi Zero Precisamos instalar o Raspbian com ambiente gráfico, acessando o menu raspi-config iremos habilitar a interface da câmera, I2C e Serial. Claro que a interface gráfica não é obrigatória, mas eu a utilizo para testar o sistema. Graças ao WS4E, porque ele explica uma solução para SSTV sobre RPID, baixe a pasta SSTV em nosso repositório e arraste-o para o seu diretório "/ home / pi" o código principal se chama sstv.sh, quando iniciará o código, ele permitirá a comunicação com o rádio módulo e sensor bmp180, também irá tirar fotos e convertê-lo em áudio para transmiti-lo por sistema de rádio em áudio.

Você pode experimentar o sistema usando diretamente um cabo de áudio macho para macho 3,5 mm ou usando um módulo de rádio e outro dispositivo para receber os dados como SDR ou qualquer walkie-talkie com um aplicativo Android Robot36.

Etapa 3: Dispositivos

As unidades RTC e BMP180 podem ser montadas juntas em um pcb, graças a ela podem compartilhar a mesma interface de alimentação e comunicação. Para configurar estes módulos posso seguir as instruções nas páginas seguintes, que me ajudaram. Instalar e configurar o bmp180 Instalar e configurar o módulo RTC

Etapa 4: configurações da câmera

Em nosso projeto poderíamos usar qualquer câmera, mas preferimos usar a raspi-cam v2 por peso, qualidade e tamanho. Em nosso script usamos o aplicativo Fswebcam para tirar fotos e colocar informações sobre nome, data e valores do sensor através do OSD (dados na tela). Para a detecção correta da câmera pelo nosso software, precisamos ver estas instruções.

Etapa 5: saída de áudio

Rpi-zero não tem saída de áudio analógica direta, isso requer a adição de uma pequena placa de áudio por USB ou a criação de um circuito simples que gere o áudio por meio de duas portas PWM GPIO. Tentamos a primeira solução com placa de áudio USB mas esta reiniciava toda vez que o rádio era colocado em TX (Stranger Things). No final, usamos a saída de áudio através do pino PWM. Com vários componentes, você pode criar um filtro para obter um áudio melhor.

Montamos o circuito completo com dois canais, áudio L e R, mas você só precisa de um. Além disso, e como você pode ver nas fotos e no esquema, adicionamos um transformador de áudio de 600 ohms com isolamento galvânico. O transformador é opcional, mas preferimos usá-lo para evitar interferências.

Etapa 6: Módulo de Rádio VHF

O módulo utilizado foi o DRA818V. A comunicação com o módulo é através da porta serial portanto devemos habilitá-la nos pinos GPIO. Nas últimas versões de RPI há um problema em fazê-lo porque o RPI possui um módulo Bluetooth que usa os mesmos pinos. No final, encontrei uma solução para fazer isso no link.

Graças ao uart podemos estabelecer comunicação com o módulo para atribuir a transmissão de radiofrequência, recepção (lembre-se que é transceptor), bem como outras funções de especificidades. No nosso caso, utilizamos o módulo apenas como transmissor e sempre na mesma frequência. Graças a um pino GPIO, ele ativará o módulo de rádio PTT (Push to talk) quando quisermos enviar a imagem.

Um detalhe muito importante deste dispositivo é que não tolera alimentação de 5v e dizemos isso por… “experiência”. Portanto, podemos ver no esquema que existe um diodo típico 1N4007 para reduzir a tensão para 4,3V. Também usamos um pequeno transistor para ativar a função PTT. A potência do módulo pode ser definida em 1w ou 500mw. Você pode encontrar mais informações sobre este módulo na folha de dados.

Etapa 7: Antena

É um componente importante da cápsula. A antena envia sinais de rádio para a estação base. Em outras cápsulas testamos com antena de ¼ lambda. Porém, para garantir uma boa cobertura, projetamos uma nova antena chamada Turnstile (dipolo cruzado). Para construir esta antena, você precisa de um pedaço de cabo de 75 ohm e 2 metros de tubo de alumínio de 6mm de diâmetro. Você pode encontrar os cálculos e um desenho 3D da peça que contém o dipolo na parte inferior da cápsula. Testamos a cobertura da antena antes do lançamento e, por fim, ela enviou imagens com mais de 30 km com sucesso.

-Valores para calcular as dimensões da antena (com nossos materiais)

Freqüência de SSTV na Espanha: 145.500 Mhz Taxa de velocidade do alumínio: 95% Taxa de velocidade de cabo de 75 ohm: 78%

Etapa 8: Fonte de alimentação

Você não pode enviar uma bateria alcalina para a estratosfera, ela cai para -40 ° C e elas simplesmente param de funcionar. Mesmo que você isole sua carga útil, convém usar baterias de lítio descartáveis, elas funcionam bem em baixas temperaturas.

Se você usar um conversor CC-CC e um regulador de queda ultrabaixo, você pode extrair mais tempo de vôo de seu pacote de energia

Usamos um medidor de água para medir o consumo elétrico e assim calcular quantas horas ele poderia funcionar. Compramos o módulo e montamos em uma pequena caixa, rapidamente nos apaixonamos por este dispositivo.

Usamos um pacote de 6 baterias de lítio AA e este step-down.

Etapa 9: Design da cápsula

Usamos "espuma" para construir uma cápsula leve e isolante. Fazemos com CNC no Laboratório Cesar. Com uma fresa e cuidado, estávamos introduzindo todos os componentes dentro dela. Envolvemos a cápsula cinza com um cobertor térmico (como os satélites reais;))

Etapa 10: o dia de lançamento

Lançámos o balão a 2018-02-25 em Agon, localidade perto de Saragoça, o lançamento foi às 9:30 e o tempo de voo foi de 4 horas, com altura máxima de 31,400 metros e temperatura exterior mínima de - 48º Celsius. No total, o balão percorreu cerca de 200km. Pudemos continuar sua jornada graças a outra cápsula de Aprs e ao serviço de www.aprs.fi

A trajetória foi calculada graças ao serviço www.predict.habhub.org com grande sucesso, como pode ser visto no mapa com as linhas vermelha e amarela.

Altitude máxima: 31,400 metros Velocidade máxima de descida registrada: 210 kph Velocidade de descida terminal registrada: 7 m / s Temperatura mínima externa registrada: -48ºC a 14.000 metros de altura

Fizemos a cápsula SSTV, mas este projeto não poderia ter sido realizado sem a ajuda dos outros colaboradores: Nacho, Kike, Juampe, Alejandro, Fran e mais voluntários.

Etapa 11: Resultado surpreendente

Graças ao Enrique, temos um vídeo de resumo do voo onde você pode ver todo o processo de lançamento. Sem dúvida o melhor presente depois de muito trabalho

Primeiro Prêmio no Desafio Espacial