Manual Cansat RUE AEMa

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  • 7/25/2019 Manual Cansat RUE AEMa

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    Agencia Espacial Mexicana

    CANSAT

    Aplicado a una Misin

    aNeXO 02ImplementaciOn y Operacion

    CanSat Kit aem-Unam/rue

    ImplementaciOn y Operacion

    CanSat Kit aem-Unam/rue

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    CanSat Short Course Manual

    Kit CanSat AEM-UNAM/RUE

    Kit CanSat AEM- UNAM/RUE(2013 2014)

    Objetivo:

    El principal objetivo de esta colaboracin entre la UNAM/RUE yla AEM, es la implementacin de cursos basados en proyectos,dirigidos a la enseanza de ingeniera de sistemas espaciales,entre profesores de educacin superior de Mxico. El presentedocumento describe el desarrollo de un pico-satlite tipo CanSat.

    CONTENIDO:

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    INDEX

    1 Introduccin.

    2 Definicin de la misin

    3 Requisitos del sistema

    3.1 Requisitos Funcionales 3.2 Requisitos Operacionales

    4 Segmento de vuelo .

    5.1 Carga til (PL) 5.2 Subsistema de plataforma (Bus) 5.3 Subsistema de transmisin y comunicaciones (telemetra) 5.4 Subsistema de alimentacin elctrica 5.5 Subsistema de administracin de datos y computadora de vuelo

    (Command and Data Handling C&DH) 5.6 Subsistema de soporte mecnico y estructura de contencin 5.7 Estacin terrena

    5 Vida de la misin

    6 Restricciones

    7 Entregables

    8 Detalle tcnico

    9.1 Componentes electrnicos y sensores 9.2 Especificaciones y requerimientos

    9.3 Diagramas de la PCB9.4 Programa de control9.5 Metodologa de ensamblado9.6 Metodologa de soldado9.7 Integracin del CanSat9.8 Resultados esperados

    9 Resultados

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    Introduccin

    1. Introduccin

    Satlite:Cuerpo que gira alrededor de otro cuerpo de masa preponderante y cuyo mo-vimiento esta principalmente determinado, de modo permanente, por la atraccin de esteltimo. Los satlites construidos por el hombre se pueden utilizar para:

    Comunicaciones. Observacin de la tierra. Navegacin. Astronoma. Fsica espacial. Militar. Prueba de tecnologa.

    CanSat:Es una simulacin de un satlite real, integrado dentro del volumen y forma deuna lata de refresco. El desafo para los estudiantes es incorporar todos los subsistemasprincipales que se encuentran en un satlite, tales como, el generador de potencia, senso-res, y sistemas de comunicacin dentro de un volumen mnimo. El CANSAT se lanza desdeuna altura de varios kilmetros mediante algn dispositivo, y es el momento en que laparte fundamental de la competencia y la misin empiezan: llevar a cabo un experimentocientfico y lograr un aterrizaje adecuado.

    El CANSAT ofrece una oportunidad nica para los estudiantes de tener una experienciaprctica de un proyecto espacial real. Los estudiantes son responsables de todos los aspec-tos: seleccionar los objetivos de la misin, disear el CANSAT, integrar los componentes,probarlos, preparar el lanzamiento y analizar los datos recibidos.

    Defincin de la Misin

    2. Definicin de la misin

    El diseo de todo el sistema CanSat se encuentra basado en la definicin de la misin queste desarrollar. Para esto y considerando el hecho de que el CanSat ser lanzado a unadeterminada altura, se define la medicin de parmetros atmosfricos bsicos as comode posicin: temperatura, presin, altura y ubicacin. Estos parmetros sern medidos du-rante el desarrollo de toda la misin, es decir, desde el lanzamiento hasta el descenso yposterior a ste para efectos de verificacin de funcionamiento post-aterrizaje. Con estocomo diseo de la misin se plantea cumplir con los siguientes objetivos:

    1.EL CanSat deber transmitir datos de temperatura y presin as como calcularla altura durante el trayecto de vuelo.

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    Requisitos del Sistema

    3.1 Requisitos funcionales

    Para cumplir con los requisitos de la misin y los objetivos anteriores, el CanSat debercontar con elementos que permitan medir las siguientes variables y parmetros:

    a) Temperatura ambiente.b) Presin baromtrica.c) Ubicacin en la localidad mediante GPS (latitud, longitud y altura).

    Ahora, el desempeo del sistema deber ser capaz de medir temperaturas y presiones enun rango que vara en un rango de -10C a 50C y presiones que van del nivel del mar aun altura mxima de 6000 m sobre el nivel del mar (considerando una altura de ~2200 mpara la ciudad de Mxico y el requisito mximo de 4 km). As mismo, para determinar laubicacin, el dispositivo a utilizar deber operar en el rango de parmetros anteriormenteexpuesto.

    Para esto, ser necesario contar con las siguientes partes, tanto para la carga til comopara la etapa que permita medir los parmetros previstos en la misin:

    Sensores: medicin de las variables y parmetros de la misin. Computadora de vuelo: para la gestin de los datos recolectados por lossensores y comunicaciones. Sistema de alimentacin elctrica. Antenas y trans-receptores para comunicarse desde el segmento de vuelocon la estacin terrena.

    3.1 Requisitos operacionales

    El sistema deber tener una operacin mediante la cual se registre la telemetra durante

    todo el desarrollo de la misin, la cual ser recibida en la estacin terrena de manera co-rrecta desde el despegue y hasta el aterrizaje de la misin, con lo cual se definir comoexitosa la misma.

    Definido lo anterior, el CanSat deber contar con los siguientes subsistemas que desem-pearan las funciones mediante las cuales la misin se llevar a cabo, en dos seccionesprincipales: Segmento de vuelo y Estacin terrena.

    2.La misin deber ser completada con al menos un objetivo cientfico, el cualpuede derivarse de la medicin de parmetros como los anteriores u otros deforma indirecta, as como de cualquier otro que permita el hardware del CanSaten cuestin.

    3.La cada del CanSat deber ser completada para transmitir mximo desde 4 km

    de altitud sobre el nivel del piso.

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    4.3 Subsistema de transmisin y comunicaciones (telemetra)

    Este sistema se conforma de la antena o antenas de transmisin y recepcin (telemetray comandos), as como de las etapas encargadas de codificar y enviar las seales de radio.Para el caso en cuestin se conforma de un transreceptor y una antena de tipoRPSMA de 900 MHz que conectar con la computadora de vuela, la cual enviar la infor-macin de los sensores a transmistirse.)

    4.4 Subsistema de alimentacin elctrica

    Este subsistema se encarga de proporcionar la alimentacin a todos los dems subsiste-mas del CanSat como lo son la computadora de vuelo, el transmisor, los sensores y el re-ceptor GPS. Se conforma de una batera de 9V alcalina que representa la fuente de energa,as como de las etapas de regulacin de tensin y potencia que permitirn operar a todoslos circuitos.

    4.5 Subsistema de administracin de datos y computadora de vuelo

    (Command and Data Handling C&DH)

    Este es el sistema encargado de administrar toda la informacin de los diferentes senso-res/actuadores que contiene tanto la parte de la plataforma (Bus) como de la carga til(Payload). Consiste en un subsistema que maneja directamente el bus fsico por dondecirculan los datos de los diferentes subsistemas, as como el software asociado a ste.Por la simplicidad del diseo de un CanSat, la computadora de vuelo forma parte de estesubsistema (software de control) y no requiere un tratamiento por separado, aunque enmisiones de mayor complejidad, es comn tratar a la computadora de vuelo de maneraindependiente.

    4.6 Subsistema de soporte mecnico y estructura de contencin

    Este subsistema se conforma de la estructura mecnica de contencin y de toda la plata-forma y carga til del CanSat. Consiste en la lata misma y las adecuaciones realizadas parapermitir alojar convenientemente y manera segura a todas las etapas de los diferentessubsistemas. Un diseo correcto, as como un desempeo favorable garantizarn en buenamedida la seguridad y vida de la misin.

    Es importante mencionar que todos los subsistemas mencionados sern tratados en deta-lle en las siguientes secciones.

    4.7 Estacin terrena

    Sistema donde se recibe la telemetra para su almacenamiento y despliegue. Consiste de:

    Trans-receptor, conformado por una antena y el dispositivo que deco-difica la seal de radiofrecuencia.

    Sistema de conversin y comunicacin con PC, que permite obtener lainformacin, as como enviar comandos (si bien esta caracterstica noser requerida) que se reciben por la antena y el transreceptor.

    PC con software de despliegue y anlisis de datos.

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    Vida de la misin

    5 Vida de la misin

    Finalmente, se considera la vida de la misin, la cual consistir en al menos 1 lanzamientoexitoso, lo que se traduce en recuperacin del CanSat despus del cumplimiento de la mi-sin y su reutilizacin al cambiar nicamente la lata, dependiendo de las condiciones delaterrizaje, por lo que los subsistemas al interior debern poder operarse nuevamente alreacondicionar nicamente la estructura mecnica ( de ser necesario).

    Restricciones

    6 Restricciones

    Las restricciones para la creacin del prototipo se encuentran marcadas por los siguientesparmetros:

    Costo: el costo total del sistema debe ser lo ms bajo posible con la intencinde volverlo accesible y permitir una creacin en serie del dispositivo.Por este motivo, el lpimite fijado de costo es de $3,000.00.

    Las restricciones para la creacin del prototipo se encuentran marcadas por los siguientesparmetros:

    Costo: el costo total del sistema debe ser lo ms bajo posible con la intencinde volverlo accesible y permitir una creacin en serie del dispositivo. Por estemotivo, el lpimite fijado de costo es de $3,000.00.

    Tiempo de desarrollo: el tiempo requerido para desarrollar el prototipo finaldebe ser de al menos 1 mes, partiendo de que se dispone ya de una primerversin trabajada (herencia de diseo).

    Acceso a componentes: todos los componentes utilizados para el desarrollodel prototipo debern ser encontrados con los distribuidores nacionales, conla intencin de cumplir con los dos puntos anteriores y garantizar la reali-zacin del prototipo. Es importante sealar que no se puede utilizar ningn

    componente explosivo o peligroso de ningn tipo. Espacio: el espacio de contencin del segmento de vuelo deber apegarsea los lineamientos CanSat, es decir, se deber contener todo en una lata de355ml. La antena para comunicacin puede colocarse por fuera de la lata, sinembargo, su dimensin mxima debe ser menor que la dimensin ms grandede la lata.

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    Masa: aunque la limitante de espacio para todo el CanSat es de 355ml, seespecifica un lmite de masa de 370gr con la intencin de permitir un despe-gue con menos dificultades, cualquiera que sea el vehculo/mecanismo utili-zado para este fin.

    Paracadas: no se utilizar paracadas, por lo que un buen diseo para re-sistencia a impacto deber ser considerado. Esto con la intencin de crear undispositivo resistente a impactos.

    Banda de comunicacin: se utilizar una banda de comunicacin ISM de 900MHz (Industrial, Scientific and Medical), que es una banda reservada interna-cionalmente para uso no comercial de radiofrecuencia, conforme a regulacinde la ITU (International Telecommunications Union). Esto con la finalidad deevitar interferencias.

    Entregables

    7 Entregables

    Los entregables que se debern proporcionar junto con este manual son los que a conti-nuacin se describen:

    Descripcin tcnica del desarrollo y diseo completo del CanSat contenidaen el presente manual (seccin de vuelo).

    Diagramas de operacin.

    Prototipo CanSat.

    El presente manual se basar en la creacin y elaboracin del segmento de vuelo, dejandopara el usuario la elaboracin del software de la estacin terrena para la recepcin de te-lemetra.

    El segmento de vuelo se podr elaborar de manera completa con todas las partes, etapasy subsistemas, as como pruebas que lo conforman, que posteriormente se describirn adetalle.

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    Detalles tcnicos

    8.1 Componentes electrnicos y sensores

    En la siguiente tabla se muestran los componentes que conforman a este CanSat.

    Lista detallada de componentes electrnicos y sensores:

    Cantidad Descripcin No. Parte

    1 Bornera chica para circuito impreso. 2 terminales. TRTM-02

    1 Regulador de voltaje 5 Volts, 1 Ampere. KA7805

    1 Regulador de voltaje 3.3 Volts. 1 Ampere. KA78R33

    1 Capacitor electroltico 0.33 F a 50V. CE-.33/50

    1 Capacitor electroltico 100 F a 25V CE-100/25V-TEAPO1 Capacitor cermico 0.1 F a 50V. CC-.1/50V

    1 Capacitor electroltico 1 F a 50 V. CE-1/50V

    1 Capacitor cermico 0.01 F a 50 V. CC-.01/50V

    1 Tira con 36 terminales 1 lnea. Header-1

    1 Resistencia de carbn de Watt 1.8 k. RC-1k8/1/4

    1 Resistencia de carbn de Watt 2.7 k. RC-2k7/1/4

    1 Resistencia de carbn de Watt 5.6 k. RC-5k6/1/4

    3 Resistencias de carbn de Watt 10 k. RC-10k/1/4

    1 Base para circuito integrado angosta. 28PA

    1 Microcontrolador PIC18F2520. PIC18F2520-I/SP1 Mosfet canal n 100 mA/50V 2SK669

    1 Mdulo GPS-TTL con antena LR9552-TTL

    1 Sensor de presin absoluta MPX4115A

    1 Sensor de temperatura de precisin. LM335Z

    1 Convertidor USB a serial BOB-00718

    4 Sockets para XBee. 10 pines, 2 mm. SP-PRT08272

    2 Tiras de 10 jumpers de 20 cm hembra-hembra. SHT-062

    2 Antena tamao reducido 916 MHz RPSMA ANT-916-CW-RH

    2 Xbee Pro HP XBP9B-DMST-002

    Restricciones

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    8.2 Especificaciones y requerimientos

    Las dimensiones y forma del CanSat corresponden a las equivalentes del cilindro de unalata de refresco de 355 ml.

    La antena de telecomunicacin se coloca fuera de dicho cilindro y su dimensin mxima esmenor que la dimensin ms grande de la lata.

    No contiene componentes peligrosos o explosivos.

    El peso mximo del CanSat ensamblado, incluyendo la batera y la antena, no es mayor a370 gramos.

    No deber tener paracadas.

    Banda de frecuencia de operacin: 902-928 MHz

    La telecomunicacin del CanSat es unidireccional, no debe recibir comandos, slo debetransmitir informacin.

    El CanSat deber resistir el impacto de aterrizaje.

    8.3 Diagramas de la PCB

    El CanSat se dise en subsistemas que comprenden la parte de generador de potencia,sensores, sistema de comunicacin y computadora de vuelo, por lo que para cada subsis-tema se dise un circuito individual.

    A continuacin se muestran los diagramas elctricos con su correspondiente diagrama decircuito impreso (PCB). En los diagramas de PCB se muestra slo la capa de cobre.

    En la Figura 1 se muestra el subsistema de comunicaciones; en la Figura 2 el subsistema desensores y en la Figura 3 el circuito principal donde se encuentra la microcomputadora quees la encargada de procesar la informacin de los dems subsistemas, incluyendo el GPS.

    Figura 1. Subsistema de comunicacin inalmbrica. Esquemtico y PCB correspondiente

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    El sistema de GPS no necesita de un PCB ya que el circuito de la computadora principal,que se muestra en la Figura 3, cuenta con los conectores necesarios para que se enchufedirectamente.

    Figura 2. Subsistema de Sensores. Esquemtico y PCB correspondiente

    Figura 3. Computadora de Vuelo. Esquemtico y PCB correspondiente

    8.4 Programa de control

    El CanSat se controla desde el microprocesador, ste se encarga de procesar digitalmentela informacin de todos los subsistemas y de mandar esta informacin procesada al siste-

    ma de comunicacin inalmbrica.

    Esto se logra grabando en el microprocesador un programa de control que realice los algo-ritmos necesarios para llevar a cabo la misin del CanSat.

    En el siguiente diagrama de flujo se muestra de manera general el programa de control quese graba en el microprocesador

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    Figura 4. Diagrama de flujo general del programa de control del CanSat.

    8.5 Metodologa de ensamblado

    Se recomienda ensamblar lossubsistemas del CanSat en unaestacin de trabajo adecuada ybien equipada.

    Una de las capas del PCB, llama-da Silk Screen, es de gran utili-dad al momento de ensamblar elCanSat.

    En ella se muestran los smbolosde los componentes, por lo queal ensamblar slo se deben colo-car los componentes como estacapa lo indica.

    En la Figura 5 se muestra estacapa que indica la correcta colo-cacin de los componentes enel PCB.

    INICIO

    Seleccionar y guardar datos tilesdel GPS (latitud, longitud, altitud y

    nmero de satlites)

    Leer y guardar valordel sensor de temperatura

    Leer y guardar valordel sensor de presin

    Procesamientode los datos anteriores

    Enviar la informacinprocesada al sistema de

    comunicacin inalmbrica

    Figura 5. Capa Top Silk del PCB del circuitoque contiene al microprocesador

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    8.6 Metodologa de soldado

    Se recomienda colocar y soldar primero loscomponentes ms pequeos y despus con-tinuar con los de mayor tamao, esto es con

    la finalidad de facilitar el soldado de todo elsistema.

    Algunos componentes son ms sensibles queotros a la aplicacin de calor, sobre todo loscircuitos integrados, por eso se debe tener es-pecial cuidado al soldarlos. Es recomendablesoldar en el menor tiempo posible cada unode los pines de los componentes electrnicos.La temperatura del cautn no debe ser supe-rior a los 300 C y tampoco se debe utilizarmucha soldadura por cada pad del PCB. Unavez soldados todos los componentes, hay queeliminar las partes sobrantes de los mismoscon unas pinzas de corte.

    En la Figura 7 se muestra un circuito en el queya se soldaron todos los componentes a latarjeta PCB. Este procedimiento se repite paracada uno de los subsistemas para que posterior-mente se realice la integracin de stos.

    En la Figura 6 se muestra la manera de ensamblar lo componentes en el PCB.

    Figura 6. Fotografa del ensamble de algunos componentes en un PCB

    Figura 7. PCB terminado de soldar

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    8.7 Integracin del CanSat

    Cuando ya se tienen todos los subsistemas delCanSat soldados y ensamblados, se procede aintegrarlos en un solo sistema que los conten-ga a todos, se conectan mediante jumpers, serealiza as ya que es una forma didctica deintegrar el CanSat y la enseanza es uno delos objetivos primordiales de este desarrollo.

    Despus se coloca dentro de un contenedorcon forma y volumen de una lata de refrescode 355 ml

    En la Figura 8 se muestra el CanSat con todossus subsistemas interconectados.

    Y en la Figura 9 se muestra dentro de la latade refresco.

    8.8 Resultados esperados

    Ya que est ensamblado todo el sistema, se

    realizaron pruebas de transmisin desde dis-tancias aproximadas de 1 km. Obteniendobuenos resultados en la mayora de estas.

    En la Figura 10 se puede observar el CanSatatado a un globo con helio el cual se subi auna altura aproximada de 500 metros, obte-niendo buenos resultados de transmisin.

    Figura 8. CanSat interconectadocon todos los subsistemas

    Figura 10. Prueba del CanSat con un globocon helio en Ciudad Universitaria

    Figura 9. CanSat ensamblado en la lata de refresco

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    Resultados

    9 Resultados

    Los resultados del presente trabajo muestran el proceso de definicin, diseo, elaboracin,construccin y pruebas de un CanSat dentro de la metodologa de diseo de una misinespacial.

    La creacin de este prototipo tiene como finalidad el ayudar en el entendimiento y manejode las diferentes etapas dentro de una misin espacial real. Para esto se desarrollo un pro-totipo capaz de desarrollar una misin cientfica y de ingeniera real con el uso de tecnolo-ga accesible pero capaz de reproducir las condiciones de vida de una misin.

    Para lograr lo anterior se realizaron las pruebas sobre el prototipo en cuestin y de las cua-les se mencionan a continuacin.

    En la Figura 11 y Figura 12 se muestran los resultados obtenidos de las pruebas realizadas

    del CanSat en las Islas, dentro de Ciudad Universitaria.

    En una de ellas se subi con un globo a 500 metros de altura aproximadamente y en laotra a 700 metros con un helicptero de control remoto igualmente dentro de CiudadUniversitaria.

    Figura 11. Resultados de la prueba de vuelo del 28 de octubre del 2013 en las Islas, CU

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    Figura 12. Resultados de la prueba del 3 de diciembre de 2013 en las Islas, CU