CELE EKSPERYMENTU:
SCOPE 2.0 (czyli Stabilized Camera Observation Platform Experiment) jest systemem sterowania i stabilizacji kamery, który umieszczony na pokładzie balonu stratosferycznego pozwoli na obserwację wybranych punktów na powierzchni Ziemi.

Eksperyment został wymyślony na potrzeby uczestnictwa w kampanii edukacyjnej REXUS/BEXUS. Jest to jeden z projektów edukacyjnych Europejskiej Agencji Kosmicznej, który umożliwia studenckim eksperymentom lot na pokładzie balonu stratosferycznego (BEXUS) lub rakiety meteorologicznej (REXUS). więcej w dziale „kampania bexus”

Efektem który chcemy uzyskać po locie jest kilkugodzinne, dobrej jakości nagranie wybranych przez nas obiektów z wysokości 35 kilometrów- maksymalnego pułapu lotu osiąganego przez balon.

Pomysł na projekt wzięliśmy po obejrzeniu nagrań z misji małych balonów stratosferycznych tworzonych przez amatorów i studentów. Umieszczane pod balonami kamery zarejestrowały niesamowicie ciekawe nagrania, niestety ich jakość została mocno popsuta przez ciągły obrót i wahania kamery. Nie istniała też możliwość wycelowania kamery w konkretnym kierunku.

cel-scope-kopia

JAK TO DZIAŁA?:
Czujnik położenia i odbiornik GPS dostarczają informację o pozycji i położeniu gondoli, a następnie przesyłają ją do komputera pokładowego. Tam specjalnie do tego napisany program, korzystając z tych danych oraz ze współrzędnych punktu który chcemy obserwować oblicza wymagane położenie Mechanizmu Stabilizacji. Ta informacja jest przesyłana do specjalnej płytki komunikacji, a następnie do sterowników poszczególnych silników, które wykonują obrót przegubów, ustawiając kamerę w kierunku żądanego punktu. Współrzędne obserwowanego punktu wybierane są na Ziemi, wprowadzane w Stacji Naziemnej i przesyłane do eksperymentu za pomocą ethernetu.

System ma wiele dodatkowych funkcji, które usprawniają jego działanie. W celu otrzymywania dokładnych informacji o położeniu przegubów w Mechanizmie Stabilizacji zastosowano dodatkowe czujniki, umożliwiające uzyskanie informacji zwrotnych. Zapewnia to też dokładniejsze sterowanie. W SCOPE umieszczono również dodatkową kamerkę, która obserwuje pracę Mechanizmu Stabilizacji, dostarczając po locie kolejne interesujące dane.

scope-dzialanie2-kopia

PRZEBIEG MISJI:

PODSYSTEMY:

1. Mechanizm Orientacji Platformy
Jednym z głównych podsystemów jest Mechanizm Stabilizacji, na którym umieszczona jest kamera nagrywająca interesujące nas punkty. Mechanizm ma możliwość obrotu w trzech osiach. Jego zadaniem jest ustawienie kamery w interesującym nas kierunku przy równoczesnej eliminacji wpływu wahań gondoli balonu na otrzymywany obraz.
mop3

2. Struktura
Celem struktury jest zapewnienie odpowiedniego mocowania wszystkim elementom w taki sposób, by przetrwały wszystkie fazy lotu. Szkielet konstrukcji korzysta z profili, które dzięki specjalnej konstrukcji pozwalają na łatwe modyfikowanie szkieletu, są w stanie przenieść również duże obciążenie. W strefie dolnej struktury znajduje się przestrzeń dla Mechanizmu Stabilizacji, w strefie górnej dla elektroniki- pudełka mieszczącego płytki PCB i komputer PC/104, baterie i dodatkowej kamerki oraz całość okablowania. Z zewnątrz struktura zabezpieczona jest centymetrową warstwą izolacji ze styroduru oraz kocem termicznym.

stru1-kopia

3. Elektronika, sterowanie i zasilanie
Eksperyment przewidziany jest jako eksperyment autonomiczny, dlatego posiada własny system zasilania w postaci dwóch niezależnych zestawów akumulatorów Ni-MH o pojemności 16Ah każdy i napięciu 14,4V. Akumulatory te poprzez zestaw zdublowanych konwerterów DC/DC wytwarzają napięcia +5V i +12V potrzebne do pracy pokładowej elektroniki. Niestabilizowane napięcie +14,4V wykorzystywane jest do zasilania silników krokowych, które napędzają mechanizm orientacji platformy (MOP).

Za wykonywanie wszelkich niezbędnych obliczeń odpowiedzialny jest komputer przemysłowy PC/104. Okazał się on niezbędny z powodu konieczności przeliczania na żywo złożonych macierzy. Dodatkowo zapewnia połączenie z systemem komunikacji radiowej poprzez interfejs Ethernet. Komputer odbiera także dane bezpośrednio z IMU poprzez interfejs szeregowy RS-232. Informację o potrzebnych wychyleniach MOPa wysyła poprzez drugi port RS-232 do płytki interfejsu, która rozdziela sygnały sterujące bezpośrednio do driverów mocy, a także odbiera dane z GPSa i przesyła je z powrotem do głównego komputera. Dodatkowo jest odpowiedzialna za komunikację z czujnikami temperatury (DS18B20) i pomiar napięcia akumulatorów. Dane do driverów, o zadanym położeniu, przesyłane są z częstotliwością 30Hz poprzez magistralę SPI. Płytka interfejsu jak i driverów oparta jest o mikrokontroler ATmega128.

Drivery sterujące silnikami to układy sterujące unipolarnymi silnikami krokowymi poprzez układ ULQ2803. Generują cztery niezależne sygnały PWM, jak też zbierają dane z enkoderów inkrementalnych i czujników szczelinowych. Oprogramowanie każdego drivera zapewnia realizację regulatora PID. Główną kamerą jest kamera płytkowa z sensorem CCD SONY. Zapewnia ona dobre parametry obrazu w zmiennych warunkach oświetlenia. Kąt widzenia kamery wynosi około 20 stopni.

Układ w trakcie pracy pobiera łącznie około 30W mocy. Podstawowy system zasilania pozwala zatem na pracę przez około 5-6 godzin. Drugie tyle zapewnia system rezerwowy.

battery-kopia

4. Oprogramowanie

Mózgiem SCOPE jest komputer PC/104. Zainstalowane na nim oprogramowanie, napisane specjalnie pod eksperyment (nazwane SCOPE_F), pełni szereg funkcji. Najważniejszą jest obliczanie pożądanego położenia przegubów Mechanizmu Stabilizacji. Do tego dochodzi zbieranie i gromadzenia danych z czujników- dotyczących położenia gondoli, ruchów Mechanizmu Stabilizacji, temperatury poszczególnych komponentów, napięcia na akumulatorach. Ważnym zadaniem jest wysyłanie telemetrii i odbieranie telekomand ze Stacji Naziemnej.

Stacja Naziemna umożliwia podgląd tego co dzieje się z eksperymentem oraz wydawanie mu „rozkazów”, takich jak zmiana obserwowanego celu, włączanie/wyłączanie grzałek, przejścia w inny tryb pracy itd.

gs-kopia

5. Czujniki pozycji i położenia
Aby otrzymać pełne dane potrzebne do sterowania Mechanizmem Stabilizacji SCOPE używa odbiornika GPS (położenie) i czujnika IMU (pozycja).

ETAPY PROJEKTU:

Etap 0: Projekt koncepcyjny
Właściwie ciężko powiedzieć, kiedy go właściwie zaczęliśmy i jak przebiegał. SCOPE 2.0, jak można się domyśleć z nazwy, jest kontynuacją swojego poprzednika. Ojciec obecnego projektu z powodu opóźnień nie wziął udziału w drugiej części kampanii, został przejęty i kontynuowany przez kompletnie nowy zespół. Jak się później okazało „kontynuacja” była słowem nieodpowiednie opisującym ogrom pracy jaki nas czekał. Niedocenienie czasochłonności poszczególnych zadań było naszym grzechem głównym, który popełnialiśmy ciągle i z uporem.

Podczas prac przeprowadzonych przez SCOPE 1.0 powstały bardzo solidne podstawy teoretyczne projektu. Stworzona została koncepcja Mechanizmu Stabilizacji i systemu sterowania, opracowane algorytmy obliczające jego pożądaną pozycję, napisane zostało potężne oprogramowanie testujące poprawność stosowanych algorytmów i założeń, powstał i został przetestowany model laboratoryjny Mechanizmu Stabilizacji, powstała Stacja Naziemna.

W czasie trwania etapu 0 swój czas poświęciliśmy na wdrożeniu się w projekt, napisaniu Proposala oraz przygotowanie do prezentacji na Warsztat Kwalifikacyjny (Selection Workshop) który w połowie grudnia odbył się w ESTEC (European Space Technology and Educational Centre.

Etap 0 zakończyliśmy w chwili otrzymania informacji o zakwalifikowania się do dalszej części kampanii (czyli 21ego grudnia 2009)

pdr2-kopia

Etap 1: Projekt wstępny
Prawdziwa praca zaczęła się wraz z informacją o przejściu selekcji i zakwalifikowaniu do kampanii. Okres był trudny (Święta, Sylwester, zaliczenia i sesja) a kolejny przegląd miał odbyć się już 1ego lutego.

Całość kampanii REXUS/BEXUS jest tak skonstruowana, aby w maksymalnym stopniu uczestniczące w niej drużyny nauczyły się systemu pracy jaki obowiązuje w przemyśle kosmicznym. W związku z tym nasze prace w tym okresie skupiały się na wstępnym projekcie, ale przede wszystkim obracały się wokół opracowaniu bardzo szczegółowego planu projektu. Kolejnym krokiem było opisanie obu części w dokumentacji SED (Student Experiment Document), która od tego momentu będzie nam towarzyszyła do końca kampanii.

I tak w drużynie SCOPE został zrobiony podział na podsystemy i pakiety prac, stworzony WBS (Work Breakdown Structure), przydzielone pakiety prac, stworzony harmonogram w formie wykresu Gantta, opracowany kosztorys, analiza i plan obniżenia ryzyka, wymagania funkcjonalne, projektowe i operacyjne itd, itd.

Wymagane przez ESA planowanie zajęło dużo naszej uwagi, po kilka spotkań w tygodniu. Sam projekt borykał się z dwoma zagadnieniami. Analizy wykazały że zakupione silniki bezszczotkowe nie są użyteczne do napędu naszego Mechanizmu Stabilizacji, w związku ze zbyt dużym czasem reakcji. Zostały zamienione na silniki krokowe, co pociągnęło potrzebę zaprojektowania do nich sterowników. Sprawą otwartą pozostawało złącze obrotowe. Umożliwiało one pełny obrót trzeciemu stopniowi w Mechanizmie Stabilizacji, przez co mógł być realizowany cel eksperymentu- system o trzech stopniach swobody. Jednak złącze miało niedostateczną przepustowość, aby zasilać i przekazywać obraz z kamery, a lepsze złącza były poza zasięgiem budżetu.

Na przegląd PDR pojechaliśmy z dużym planem, szkicem struktury, postępami w oprogramowaniu, zmianami w sterowaniu i kontrowersyjną propozycją wyrzucenia złącza obrotowego i modyfikacji celów eksperymentów.
Przegląd odbył się w 1-7 lutego w Kirunie i został nam zaliczony.

pdr3-kopia

Etap 2: Projekt szczegółowy

Po powrocie ze Szwecji nastąpiły krótkie ferie a potem powrót do SCOPE. Kolejny etap, CDR (Critical Design Review) wymagał od nas projektu, który mógłby zostać zamrożony i zacząć być budowany. Mieliśmy czas do połowy maja.

W drużynie nastąpiło przetasowanie funkcji, dołączył również do nas Kamil, który najpierw zajął się dodatkową kamerką w projekcie (dodatkowy gadżet rekompensujący zmniejszenie funkcjonalności poprzez wyrzucenie złącza obrotowego). Następnie przejął na siebie całą strukturę.

Ruszyły bardzo sprawnie analizy termiczne. Ich wyniki pozwoliły na zaprojektowanie pudełka elektroniki, które mieściło w sobie wszystkie płytki PCB i PC/104. Powstał model inżynieryjny płytek sterowników, wraz z silnikami został przeprowadzony szereg testów upłynniających sterowanie. Testy pokazały, że Mechanizm Stabilizacji musi być mocno odchudzony, wtedy jeszcze zaczęliśmy (jak się okazało zbyt ostrożnie) od przekładni i próby dostosowania starego mechanizmu do nowych silników.

SCOPE zajął drugie miejsce w konkursie Puli na Projekty Naukowe organizowanej przez Radę Kół Naukowych PW, zyskując dostęp do potrzebnych funduszy. Zaprezentowaliśmy go również na kilku imprezach.

20 maja cały zespół odbył przegląd CDR, ponownie w ESTEC. Ponadto przed przeglądem Krzysiek załapał się na kilkudniowe szkolenie dla elektroników.

cdr-kopia1

Etap 3: Budowa i testy podsystemów

Po powrocie z CDR mieliśmy kilka tygodni na poprawienie projektu i rozpoczęliśmy budowę części lotnych. W trybie ekspresowym został przeprojektowany i zbudowany (na warsztacie Krzyśka) Mechanizm Stabilizacji. Jego masa i wymiary zostały poważnie okrojone, został dostosowany do aktualnych wymagań elektroniki. Po otrzymaniu modeli lotnych płytek PCB rozpoczęły się kolejne etapy testów. Zaczęły powstawać kolejne części – pudełko baterii, elektroniki. Zostały dobrane i zamówione złącza. Trwała próba znalezienia osoby do przeprowadzenia analiz i testów wytrzymałościowych, jak się później okazało, bezskutecznie. Powstał projekt wysięgnika, aby wyciągnąć IMU i GPS poza strefę działania elektromagnesu należącego do eksperymentu Perdaix.

Z początkiem czerwca projekt otrzymał pokaźne dofinansowanie w postaci Grantu Rektorskiego PW dla Kół Naukowych. Wraz z 1szym lipca część zespołu zaczęła praktyki/staże/pracę w Centrum Badań Kosmicznych i w tamto miejsce przeniosła się część spotkań i ustaleń.
integracja-kopia

Etap 4: Integracja

DOKUMENTACJA PROJEKTU:

Etap 5: Final Report
Etap 4: Experiment Acceptance Review (EAR)
Etap 3: Integration Progress Review (IPR)
Etap 2: Critical Design Review (CDR)
Etap 1: Preliminary Design Review (PDR)
Etap 0: Selection Workshop