Samouczek akcelerometru CubeSat: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Kubasat to rodzaj zminiaturyzowanego satelity do badań kosmicznych, który składa się z wielokrotności jednostek sześciennych 10x10x10 cm i masy nie większej niż 1,33 kilograma na jednostkę. Cubesats umożliwiają wysyłanie dużej ilości satelitów w kosmos i pozwalają właścicielowi na pełną kontrolę nad maszyną bez względu na to, gdzie się znajdują. Cubesaty są również bardziej przystępne cenowo niż jakiekolwiek inne obecne prototypy. Ostatecznie satelity ułatwiają zanurzenie się w kosmos i rozpowszechniają wiedzę o tym, jak wygląda nasza planeta i wszechświat.

Arduino to platforma lub rodzaj komputera, używana do budowania projektów elektronicznych. Arduino składa się zarówno z programowalnej płytki drukowanej, jak i oprogramowania działającego na komputerze, używanego do pisania i przesyłania kodu komputerowego na płytkę.

Na potrzeby tego projektu nasz zespół mógł wybrać dowolny czujnik, który chciał wykryć dowolny aspekt budowy Marsa. Zdecydowaliśmy się na akcelerometr, czyli urządzenie elektromechaniczne służące do pomiaru sił przyspieszenia.

Aby wszystkie te urządzenia działały razem, musieliśmy przymocować akcelerometr do płytki stykowej Arduino i podłączyć oba do wnętrza sześcianu, aby upewnić się, że wytrzymuje symulację lotu i test wstrząsów. Ta instrukcja obejmie sposób, w jaki to osiągnęliśmy, oraz dane, które zebraliśmy z Arduino.

Krok 1: Ustal cele (Alex)

Naszym głównym celem w tym projekcie było użycie akcelerometru (nie martw się, wyjaśnimy, co to jest później) umieszczonego w CubeSat, aby zmierzyć przyspieszenie grawitacyjne na Marsie. Mieliśmy zbudować CubeSata i przetestować jego wytrzymałość na różne sposoby. Najtrudniejszą częścią wyznaczania celów i planowania było uświadomienie sobie, jak bezpiecznie przechowywać Arduino i akcelerometr w CubeSat. Aby to zrobić, musieliśmy wymyślić dobry projekt CubeSata, upewnić się, że ma wymiary 10x10x10cm i waży mniej niż 1,3 kilograma.

Uznaliśmy, że klocki Lego w rzeczywistości okażą się trwałe, a także łatwe do zbudowania. Lego to także coś, co ktoś mógł już mieć, a nie my wydając pieniądze na jakiekolwiek materiały budowlane. Na szczęście proces wymyślania projektu nie trwał długo, o czym przekonacie się w następnym kroku.

Krok 2: Zaprojektuj Cubesat

Do tego konkretnego sześcianu użyliśmy klocków lego ze względu na ich łatwość budowania, mocowanie i trwałość. Kostka musi mieć wymiary 10x10x10 cm i ważyć mniej niż 1,33 kg (3 funty) na U. Klocki Lego ułatwiają uzyskanie dokładnie 10x10x10 cm przy użyciu dwóch podstaw Lego do podłogi i pokrywy sześcianu. Być może będziesz musiał przepiłować bazy Lego, aby uzyskać je dokładnie tak, jak chcesz. Wewnątrz cubesat będziesz miał arduino, płytkę stykową, baterię i uchwyt na kartę SD, wszystkie przymocowane do ścian za pomocą dowolnego kleju. Użyliśmy taśmy klejącej, aby żadne kawałki nie poluzowały się w środku. Do przymocowania sześcianu do orbitera użyliśmy sznurka, gumek i zamka błyskawicznego. Gumki muszą być owinięte wokół kostki jak wstążka owinięta wokół prezentu. Sznurek jest następnie przywiązywany do środka gumki na pokrywie. Następnie sznurek jest zapętlony przez opaskę na suwak, który jest następnie zaczepiany do orbitera.

Krok 3: Zbuduj Arduino

Naszym celem dla tego CubeSata, jak wspomnieliśmy wcześniej, było określenie przyspieszenia grawitacyjnego na Marsie za pomocą akcelerometru. Akcelerometry to układy scalone lub moduły służące do pomiaru przyspieszenia obiektu, do którego są przymocowane. W tym projekcie nauczyłem się podstaw kodowania i okablowania. Użyłem mpu 6050, który służy jako urządzenie elektromechaniczne, które mierzy siły przyspieszenia. Wyczuwając wielkość przyspieszenia dynamicznego, możesz analizować sposób poruszania się urządzenia na osiach X, Y i Z. Innymi słowy, możesz stwierdzić, czy porusza się w górę i w dół, czy z boku na bok; akcelerometr i jakiś kod mogą z łatwością dostarczyć ci dane do określenia tych informacji. Im bardziej czuły czujnik, tym dokładniejsze i bardziej szczegółowe będą dane. Oznacza to, że dla danej zmiany przyspieszenia nastąpi większa zmiana sygnału.

Musiałem podłączyć arduino, które było już podłączone do akcelerometru, do uchwytu karty SD, który będzie przechowywał dane otrzymane podczas testu w locie, abyśmy mogli następnie przesłać je do komputera. W ten sposób możemy wyświetlić pomiary osi X, Y i Z, aby zobaczyć, gdzie w powietrzu znajdował się sześcian. Na załączonych zdjęciach można zobaczyć jak podłączyć arduino do akcelerometru i płytki stykowej.

Krok 4: Testy latania i wibracji (Alex)

Aby zapewnić trwałość sześcianu, musieliśmy poddać go serii testów, które symulowały środowisko, przez które zostanie przepuszczony, w kosmosie. Pierwszy test, przez który musieliśmy postawić sześcian, nazywał się test w locie. Musieliśmy podłączyć arduino do urządzenia zwanego orbiterem i zasymulować jego tor lotu wokół czerwonej planety. Próbowaliśmy wielu metod mocowania sześcianu, ale w końcu udało nam się ułożyć na podwójnej gumce, która była owinięta wokół sześcianu. Następnie do gumek przyczepiono sznurek.

Test w locie nie od razu zakończył się sukcesem, ponieważ przy pierwszej próbie część taśmy zaczęła się odklejać. Następnie przełączyliśmy projekty na opcję gumki, o której mowa w poprzednim akapicie. Chociaż przy naszej drugiej próbie byliśmy w stanie sprawić, że młode leciało z wymaganą prędkością przez 30 sekund, bez żadnych problemów.

Następnym testem był test wibracyjny, który luźno symulował podróżowanie sześcianu przez atmosferę planety. Musieliśmy postawić kostkę na stole wibracyjnym i podkręcić do pewnego stopnia moc. Następnie sześcian musiał pozostać nietknięty przez co najmniej 30 sekund na tym poziomie mocy. Na szczęście dla nas udało nam się przejść wszystkie aspekty testu za pierwszym razem. Teraz pozostało tylko ostateczne zbieranie danych i testy.

Krok 5: Interpretacja danych

Dzięki danym, które otrzymaliśmy po wykonaniu końcowego testu, możesz zobaczyć, gdzie sześcian przemieścił się na osi X, Y i Z, i określić przyspieszenie, dzieląc przemieszczenie przez czas. Daje to średnią prędkość. Teraz, dopóki obiekt równomiernie przyspiesza, wystarczy pomnożyć średnią prędkość przez 2, aby uzyskać prędkość końcową. Aby znaleźć przyspieszenie, bierzesz prędkość końcową i dzielisz ją przez czas.

Krok 6: Wniosek

Ostatecznym celem naszego projektu było określenie przyspieszenia grawitacji wokół Marsa. Na podstawie danych zebranych za pomocą Arduino można stwierdzić, że przyspieszenie grawitacyjne podczas orbitowania Marsa pozostaje stałe. Dodatkowo podczas podróży wokół Marsa kierunek orbity ciągle się zmienia.

Ogólnie rzecz biorąc, największymi wyjątkami naszego zespołu były nasze postępy w biegłości w czytaniu i pisaniu kodu, nasze zrozumienie nowej technologii w czołówce eksploracji kosmosu oraz nasza znajomość wewnętrznych mechanizmów i wielu zastosowań Arduino.

Po drugie, przez cały czas trwania projektu nasz zespół nie tylko poznał wyżej wymienione koncepcje technologii i fizyki, ale także nabył umiejętności zarządzania projektami. Niektóre z tych umiejętności obejmują dotrzymywanie terminów, dostosowywanie się do niedopatrzeń projektowych i nieprzewidzianych problemów oraz przeprowadzanie codziennych spotkań standup, aby zapewnić naszej grupie odpowiedzialność, a co za tym idzie, utrzymać wszystkich na dobrej drodze do osiągnięcia naszych celów.

Podsumowując, nasz zespół spełnił wszystkie wymagania dotyczące testów i danych, a także nauczył się bezcennych umiejętności z zakresu fizyki i zarządzania zespołem, które możemy wykorzystać w przyszłych działaniach w szkole i w każdym zawodzie zorientowanym na pracę grupową.