A CanSat műholdépítés izgalmai

Avagy miért éri meg gimnazistacsapatot támogatni egy ESA versenyben

A CanSat egy olyan verseny, amelyet középiskolás diákoknak szerveznek az űripar bemutatására és népszerűsítésére. Az Európai Űrügynökség (ESA) évente meghirdeti ezt a versenyt, hogy lehetővé tegye a diákok számára a valódi űrprojektben való részvételt. A jelentkezők rengeteg tapasztalatot szerezhetnek a rádiótechnikában, mechanika és áramkörök tervezésében és projektszemléletű csapatmunkában. De talán még ennél is nagyobb hozadéka a versenynek az az üzenet, hogy az ismeretek plusz befektetett munkával elsajátíthatók, és a végén a csapatmunkával egy valódi megfogható, működő eszköz jön létre, amit rakétával magasba juttatnak.

Hogyan lehet belecsöppenni a versenybe?

Diákként egyszerű a képlet. A regisztrációs űrlapot kell elküldeni az Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát. emailcímre azaz a magyarországi versenyszervezőknek. A diákoknak lehet segíteni támogatóként, illetve mentorként, és minden diákcsapatnak érdeke is, hogy felnőtteket vonjon be a versenybe, akik segítenek elsajátítani az ismereteket. Az igazi nehézséget a feladat összetettsége okozza és a nagyon komoly időnyomás. A kezdeti ötletelést és önfeledt tervezést nagyon hamar át kell fordítani kísérletezésre és a tényleges célok megvalósítására.

A Sherlock Ohms az egyik legígéretesebb műholdépítő csapat

A mi cégünk személyes ismeretségen keresztül került kapcsolatba a Sherlock Ohms csapattal. Mentornak kértek fel, és én anélkül, hogy a részleteket tudtam volna, felajánlottam a segítségem. Ez a cikk egy esettanulmány a fejlesztési projektről és a CanSat versenyről, kezdve azzal, hogy mik voltak a tervei a csapatnak, és mit tudtunk megvalósítani ebből szűk 6 hónap alatt. A csapat tagjai (első sor balról jobbra): Karátsony Tibor, Tóth Flóra, (hátsó sor balról jobbra) Blahna Vilmos, Bege Ádám, Timár Zsombor, Simon András. Ők a Budaörsi Illyés Gyula Gimnázium 11. osztályos tanulói, és igazán megérdemlik a dicséretet, mert nagyot alkottak. Holler Gusztáv barátommal ketten próbáltuk mentorként terelgetni a csapatot már amennyire az időnk engedte.

A Sherlock Ohms csapata

Célkitűzések

A csapat nagyon komoly internetes kutatás után, még többnyire a realitások talaján maradva nagyot álmodott. A tervezgetés, a műhold logikus felépítésű funkcióinak megálmodása nagyon komoly motiváció az ismeretek bővítéséhez, amibe a csapat nagy lelkesedéssel fogott bele.
A választott küldetésünk célja, hogy műholdunk exo-bolygót fedezzen fel, és adatokat szolgáltasson egy személyzetes küldetés megtervezéséhez. Az előző küldetések adatait felhasználva (feltételezve, hogy az atmoszféra a földihez hasonló, a hőmérséklet és a láthatóság elfogadható) célunk volt az ismeretlen bolygóról különböző szenzor- és vizuális adatok gyűjtése és feldolgozása:

• A CanSat kibocsátása a hordozórakétából, magassági kép készítése, és a műhold pozíciójának továbbítása a földi állomásra, hogy a küldetés koordinátorai megtehessék a célpont leszállási pozíciójának felülvizsgálatát és beállítását menet közben.
• A továbbított pozícióadatok alapján irányított földi antennával a rádiójelek CanSat-ra irányítása a rádiójelet erősítő hatás elérése érdekében.
• Célpontos leszállás az észlelés sikerének növelése érdekében (kerülve a víztesteket, fákat és bokrokat).
• A rögzített repülési adatok feldolgozása, az atmoszféra gázsűrűségének kiszámítása.
• A leszállás után a kameraalrendszer függőleges orientálása, és panorámakép készítése, amely RGB és távoli infravörös (FIR) kamerákkal készít összetett képet: ez lehetővé teszi a felszíni körülmények részleteinek, például a nagyobb élő formák és a folyadékok jelenlétének megismerését. Az adatok földi állomásra továbbításával azonosítani lehet, hogy az emberek számára biztonságos-e, életre alkalmasak-e a környezet, az élőlények, a terep- és az időjárási viszonyok.
• Időközönkénti fotók készítése és feldolgozása a lehetséges életformák, időjárás, hőmérséklet-változások vizualizálásához, valamint adatok továbbítása a földi állomásra, az észlelt mozgások okainak értékelése, mozgó tárgyak azonosítása.

Megvalósítás

Az egész projekt szinte végig egy feszített tempójú menetelés volt, a vége kifejezetten versenyfutás. A kezdeti álmodozást mi mentorok a leghamarabb próbáltuk megfelelő mederbe terelni egy projektszemléletű tervezés és kivitelezés felé. Készítettünk Roadmap-et, elemeztük a Requirements-listát, a csapat tagjai kiosztották maguk között képességek szerint a feladatokat, és nagyon jó projektmanagementet hajtottak végre az OPL listával és a Gantt Charttal. Volt Risk Managment és készült BOM lista, amik mind fontos kellékei egy jól átgondolt fejlesztési projektnek. Emellett a diákok igazán ügyesen kerestek támogató cégeket, ugyanis számos kiinduló információra volt szüksége a csapatnak főleg a rádiókommunikáció terén. Ha egy csapat – ahogy mi is – teljesen nulláról kezdi a tervezést nagyon sok a kísérletezés és a tapasztalatszerzés amellett is, hogy az internetről nagyon sok hasznos információt lehet összegyűjteni.

Mi fér bele egy kólásdobozba?

A feladat nehézsége abban is rejlik, hogy nagyon nehéz belezsúfolni „mindent” egy kólásdoboz méretbe, márpedig súlyban 350 g alatt, műholdköltségben pedig 500 EUR alatt kellett maradni.

Egységek és részegységek sematikus ábrája

 
Sok 3D nyomtatás és számtalan iteratív termékfejlesztési lépés után az utolsó napokban sikerült csak a meglehetősen komplex belső szerkezetet összeépíteni, ami a tesztek alapján nem tört össze és minden olyan funkcióval bírt, amit elterveztünk. Hátránya talán egyetlen volt, hogy nehezen karbantartható, azaz javításokat vagy nem, vagy bizonyos kompromisszummal tudtunk csak végrehajtani rajta.

A lesiklóernyő-tervező szoftver

Az irányított landolással ugyan már próbálkoztak csapatok korábban is, de igazából senkinek sem sikerült. Mi a siklóernyő-tervezésre és -tesztelésre különösen nagy hangsúlyt fektettünk. Ezen a területen nekünk mentoroknak ugyan volt tapasztalatunk, de így is összesen 19 ernyőt próbáltunk ki, és elég nehezen jutottunk el a végső mérethez és formához. A kontrollált, irányított leszállás nagyon nagy kihívást jelentő feladatnak bizonyult.

Az ernyővezérlő mechanika

A kameraforgató mechanika

A siklóernyő irányíthatósága

A repülés kontrollálására egy szervomotort használtunk, amelyik vagy a bal vagy a jobb oldali „brake” zsinórokat húzgálta. A középső álláson való zsinóráthaladást szenzor érzékelte. Ez egy helytakarékos megoldás lett. A csapat természetesen még nem tanult a suliban a kontrollrendszerekről, így a szóba jöhető alapmódszereket, azaz a PID és a fuzzy kontrollt elmagyaráztuk nekik. Alapvetően az aktuátornál jobb, bal és közép állapotokat különböztettünk meg, és egy Fuzzy szabályozás tűnt a legígéretesebbnek. Valójában a végén nem maradt annyi időnk, hogy finomhangoljuk a kontrollrendszerünket, de egy alapmegoldást implementáltunk. A műholdfellövést 5 héttel a fellövés tervezett időpontja előtt 10 nappal előrébb hozta a Magyar Honvédség, így az utolsó napjainkban nem tudtunk a kontrollrendszer csiszolásán dolgozni, mert voltak égetőbb teendőink.

Mechanikai és elektronikai egységek összeállítási rajza

 
Az ernyő anyaga „ripstop nylon”, és egy ingyenesen letöltött siklóernyőtervező programot használtunk a tervekhez, majd a srácok varrták meg az ernyőt. Apróbetűs kiegészítő információként érdemes megjegyezni, hogy kb. 1,5 nap megvarrni egy siklóernyőt, ami nem kevés idő.

Rádiókommunikáció

Sokan Yagi antennát használtak, ezek jó antennák, csak jó irányba kell őket tartani, ami felhős időnél könnyen félremegy. Ha viszont GPS adatokra támaszkodunk, fontos tudni, hogy a rakétaindítás utáni gyorsulási sokk szinte az összes GPS chippet egy rövid időre vakká teszi, így könnyen elvesztjük a műholdunkat és a rádiójelet. A Yagi antenna hátránya még a nagy mérete is. Mindezek miatt J-Pole antennát választottunk, amely a 868 MHz frekvencián jól bevált nekünk. A rádiókommunikációra LoRa rádiómodulokat használtunk, és többlépcsős spreading factor váltással jól tudtuk kezelni a rossz vételből, illetve a dinamikusan változó vételi zavarokból, valamint más rádióforrások zavaraiból eredő adatvesztéseket. Olyan protokollt fejlesztettünk, amely minden mért adatot elküld, ha a repülés ideje alatt vannak rosszabb és jobb vételi ablakok.

A Ground Station

 
Amellett, hogy az antennával meg voltunk elégedve a tesztek során, egy 2 tengelyes mozgató mechanizmust fejlesztettünk, amely követi a CanSat repülését. Ennek több előnye volt: az antenna +6 db jelerősséget adott, ha a megfelelő irányban állt, továbbá a pontos CanSat-követés ugyanazon állványra szerelt NIR kamera alkalmazását tette lehetővé. Ez ugyan nem volt benne az eredeti vállalásunkban, de egy NIR (Near Infrared) kamerával sokkal jobban tudjuk vizuálisan észlelni a műholdunkat. A kamera a felhős / párás időben jobban átlát a levegőrétegeken. A CanSat pályáját modelleztük, tehát egy paraméterezhető trajektóriamodellt használtunk, amelyet az aktuálisan mért GPS adatokkal menet közben pontosítottunk. Ez abban segít, hogy rádiózavar esetén sem veszítjük el a műholdunkat.

Eredmények

Nagyon sokszor, mintegy 37 alkalommal volt repülési próba. Egy drónra kifejlesztettünk egy rádióvezérlésű kioldó szerkezetet. Az ernyő méretét és típusát sikerült nagyon jól kiválasztani és a tesztek végén szép siklórepülést hajtott végre a műholdunk, ám a valódi irányban tartásának a vezérlését idő hiányában nem tudtuk kifejleszteni. Ezzel együtt úgy gondoltuk, hogy a szép síklás és egy valamilyen irányba mozgatás is egyenlőre megteszi, hiszen a kitűzött repülés előtt 5 héttel bejelentett hír, miszerint 10 nappal előre hozzák a döntőt, nagyon nagy kihívás elé állította a csapatunkat. Ez többek között azzal a problémával is járt, hogy nem volt kapacitásunk egy második prototípus legyártására. Sajnos utólag kiderült, hogy ez végzetes momentum volt, ugyanis a működő műholdunk elkezdett kontakthibás lenni a versenyt megelőző éjszaka. Nagyon küzdöttünk a verseny napján, hogy kijavítsuk a hibát, de a mechanikai kialakítás nem kedvezett a javításnak, és nem sikerült a rádiót életre kelteni. Kénytelenek voltunk egy korai prototípust felküldeni amely csak SD kártyára mentette a mért adatokat. Ráadásul a nap végén került sor a kilövésre, ami után a műholdunkat a GPS koordináták nélkül a hirtelen besötétedés miatt nem lehetett megkeresni, így az feltehetően most is a lőtér valamelyik kis zugában pihenhet lemerült akkumulátorral. A csapatnak a kezdeti borús és csalódott hangulatát pár hét alatt sikerült levetkőznie és elkezdett új terveket szőni. A lelkesedés visszatért, tanulnak a hibákból és a következő alkalommal sokkal jobbak lesznek. Erre mérget veszek!

Miért éri meg gimnazistacsapatot támogatni?

Egy cég számára egy CanSat gimnazistacsapat támogatása számos előnnyel járhat, amelyek hozzájárulhatnak a cég hosszú távú sikeréhez és társadalmi felelősségvállalásához. Az alábbiakban bemutatok néhány indokot, hogy miért éri meg egy vállalatnak támogatni egy ilyen csapatot.
Tehetséggondozás és toborzás: A CanSat versenyen részt vevő gimnazistacsapatok a tudományos és műszaki területek ifjú tehetségeit képviselik. Az ilyen csapatok támogatásával egy cégnek lehetősége nyílik felfedezni, megtalálni a jövőbeli tehetségeket, akik a vállalat számára értékes erőforrást jelenthetnek. A támogatás hosszú távú kapcsolattal szolgálhat a cég számára a tehetséges diákok felkutatása és toborzása terén.
Innováció és kutatás-fejlesztés: A CanSat verseny résztvevői kreatív megoldásokat dolgoznak ki a valós űrkutatási kihívásokra. Egy cég számára ez a tehetséges diákokból álló csapat egyfajta kutatás-fejlesztési laboratóriumot jelenthet, ahol új ötletek és technológiák születhetnek. A cég támogatása révén a csapat hozzáférhet a vállalat szakértelméhez, eszközeihez és erőforrásaihoz, ami inspiráló és innovatív projektek kidolgozását eredményezheti. Ez a gyakorlati tapasztalat nemcsak a diákoknak, hanem a cégeknek is lehetőséget nyújt az új ötletek felfedezésére és bevezetésére.
Társadalmi felelősségvállalás és hírnév: A CanSat versenyen való részvétel egy vállalat számára lehetőséget kínál a társadalmi felelősségvállalásra. A diákok támogatása és mentorálása egy olyan kezdeményezés, amely hozzájárul a fiatalok oktatásához és tehetséggondozásához. Ez pozitív hatást gyakorolhat a cég hírnevére és megítélésére a közösségben. Az ilyen típusú támogatás és együttműködés lehetőséget nyújt a vállalat számára, hogy bemutassa az értékeit és elkötelezettségét a tudományos fejlődés és a fiatalok támogatása iránt.
Márkaépítés és piaci jelenlét: Egy CanSat gimnazistacsapat támogatása lehetőséget ad a cégnek, hogy növelje a láthatóságát és építse a márkáját a célcsoportok között. A versenyen való részvétel és a csapat eredményeinek nyomon követése lehetőséget ad a vállalatnak a fiatalokkal való kapcsolatfelvételre és az érdeklődés felkeltésére. Ez segíthet a cégnek piaci jelenlétét erősíteni, a fiatalok között népszerűvé válni, és potenciális vásárlókat és ügyfeleket vonzani.
Összességében egy cég számára támogatni egy CanSat gimnazistacsapatot stratégiai előnyökkel járhat. Az ilyen támogatás nemcsak a diákok és a közösség számára nyújt hasznot, hanem hozzájárulhat a vállalat hosszú távú sikeréhez, innovációjához és társadalmi felelősségvállalásához is.

Köszönjük az Elektromont, a BHE, a ChipCAD, a SANXO, a Microchip, a Magyar Elektronika folyóirat és a LEGO cégek támogatását.

Szerző: J. Tóth Sándor – SANXO-Systems Kft.

SANXO-Systems Kft.
1221 Budapest, Arany J. u. 87/B
Tel.: +36 30 327 1100
Mobil: +36 30 976 7539
Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.sanxo.eu