איך להכין פיקובלון: 16 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

מהו פיקובלון ולמה שארצה לבנות אותו ?! אני שומע אותך שואל. הרשה לי להסביר. כולכם בוודאי יודעים מהו HAB (בלון בגובה רב). זו חבורה של דברים אלקטרוניים מוזרים המחוברים לבלון. יש כל כך הרבה הדרכות בנושא HABs כאן על Instructables.

אבל, וזה מאוד גדול אבל מה שהם לא אומרים לך ברוב הפעמים במדריך הוא עלות גז המילוי. עכשיו, אתה יכול לבנות גשש HAB הגון מתחת ל 50 €, אבל אם הוא שוקל 200 גרם (שזה ניחוש די אופטימי עם הסוללות, המצלמות וכו ') ההליום למילוי הבלון יכול לעלות לך 200 € או יותר, וזה פשוט יותר מדי עבור יצרנים רבים כמוני.

אז, כפי שאתה יכול לנחש, פיקובלונים פותרים את הבעיה הזו פשוט על ידי לא להיות מגושמים וכבדים. Picoballoon היא רק מילה עבור HAB קל. אור, למה אני מתכוון באור? באופן כללי, פיקובלונים קלים יותר מ -20 גרם. עכשיו, רק תארו לעצמכם כי מעבד, משדר, PCB, GPS, אנטנות, פאנל סולארי וגם סוללה במסה זהה לכוס קפה חד פעמית או כפית. זה לא סתם מטורף?

סיבה נוספת (מלבד העלות) מדוע תרצה לבנות זאת היא הטווח והסיבולת שלה. HAB קלאסי יכול לטוס עד 4 שעות ולנסוע עד 200 ק מ. פיקובלון לעומת זאת, יכול לעוף עד כמה חודשים ולנסוע עד עשרות אלפי קילומטרים. בחור פולני אחד קיבל את הפיקובלון שלו לטוס מסביב לכדור הארץ מספר פעמים. זה כמובן גם אומר שלעולם לא תראה את הפיקובלון שלך שוב לאחר השקתו. לכן אתה רוצה להעביר את כל הנתונים הדרושים וכמובן לשמור על העלויות הנמוכות ככל האפשר.

הערה: פרויקט זה הוא שיתוף פעולה עם MatejHantabal. הקפד לבדוק גם את הפרופיל שלו

אזהרה: זהו פרויקט מתקדם ברמה קשה אך גם מהנה מאוד. הכל, החל מעיצוב PCB ועד SMD ועד הלחמה, יוסבר כאן. עם זאת, בואו נתחיל לעבוד

עדכון: היינו צריכים להסיר את מודול ה- GPS ברגע האחרון בגלל צריכת החשמל הגדולה שלו. כנראה שאפשר לתקן אבל לא היה לנו זמן לזה. אשאיר את זה בהנחיה, אך היזהר שזה לא נבדק. אתה עדיין יכול לקבל מיקום ממטא נתונים של TTN, כך שאתה לא צריך לדאוג לגבי זה

שלב 1: העיקרון

לכן, כאשר בונים מכשיר כזה, יש הרבה וריאציות ובחירות אבל כל עוקב צריך משדר ואספקת חשמל. סביר להניח שרוב המעקב יכלול את הרכיבים הבאים:

- פאנל סולארי

- סוללה (ליפו או קבלים -על)

- מעבד/מיקרו -בקר

- מודול GPS

- חיישן/ים (טמפרטורה, לחות, לחץ, UV, קרינת שמש …)

- משדר (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

כפי שאתה יכול לראות, ישנם חיישנים ומשדרים רבים שניתן להשתמש בהם. אילו חיישנים אתה משתמש תלוי בך. זה לא ממש משנה אבל הנפוצים ביותר הם חיישני הטמפרטורה והלחץ. בחירת משדר היא הרבה יותר קשה. לכל טכנולוגיה יש יתרונות וחסרונות. אני לא אחלק את זה כאן כי זה יהיה דיון ארוך מאוד. מה שחשוב הוא שבחרתי ב- LoRaWAN ואני חושב שזה הכי טוב (כי עדיין לא הייתה לי הזדמנות לבדוק את האחרים). אני יודע של- LoRaWAN כנראה יש את הכיסוי הטוב ביותר. אתה מוזמן לתקן אותי בתגובות.

שלב 2: חלקים נחוצים

אז תצטרך את הדברים הבאים לפרויקט הזה:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (לא השתמשנו בזה בסוף)

חיישן טמפרטורה/לחות/לחץ BME280

2xCapacitor 4.7F 2.7V

פאנל סולארי עם תפוקה 5V

PCB מותאם אישית

אם אתה משיק בעצמך, אתה גם צריך את זה:

לפחות 0.1 מ"ק הליום (חיפוש: "מיכל הליום ל -15 בלונים") ברכישה מקומית

בלון נייר כסף באיטום עצמי בגודל 36 אינץ '

עלות פרויקט משוערת: 80 € (רק הגשש) / 100 € (כולל בלון והליום)

שלב 3: כלים מומלצים

כלים אלה יכולים להועיל:

חשפן חוט

מלחם

ברזל הלחמה SMD

צְבָת

מברגים

אקדח דבק

מולטימטר

מִיקרוֹסקוֹפּ

אקדח אוויר חם

תזדקק גם למשחת הלחמה.

שלב 4: נוצת Adafruit 32U4

התקשינו לבחור את המיקרו -בקר הנכון לבלון. נוצת Adafruit יצאה הטובה ביותר לתפקיד. הוא מתאים לכל הקריטריונים הנדרשים:

1) יש לו את כל הסיכות הדרושות: SDA/SCL, RX/TX, דיגיטלי, אנלוגי

2) יש לו משדר RFM95 LoRa.

3) זה קל משקל. המסה שלו היא 5.5 גרם בלבד.

4) יש לו צריכת חשמל נמוכה מאוד במצב שינה (30uA בלבד).

בגלל זה, אנו חושבים כי נוצת Adafruit היא המיקרו -בקר הטוב ביותר לתפקיד.

שלב 5: עיצוב וייצור PCB

אני באמת מצטער על מה שאני הולך להגיד לך. נצטרך ליצור PCB מותאם אישית. זה יהיה קשה ומתסכל, אבל זה הכרחי, אז בואו נתחיל. כמו כן, כדי להבין את הטקסט הבא כראוי, עליך לקרוא את שיעור עיצוב ה- PCB המדהים הזה של Instructables.

אז בהתחלה תצטרך לעשות סכמטי. הכנתי הן את הסכימה והן את הלוח בתוכנת עיצוב EAGLE PCB של Autodesk. זה בחינם, אז הורד אותו!

זו הייתה הפעם הראשונה שלי בעיצוב PCB ואני יכול להגיד לך שהכל קשור לנתק את ממשק הנשר. תכננתי את הלוח הראשון שלי תוך 6 שעות, אבל הלוח השני שלי לקח לי פחות משעה. הנה התוצאה. סכמטי די נחמד ולוח הייתי אומר.

כאשר קובץ הלוח מוכן, עליך ליצור את קבצי הגרבר ולשלוח אותם ליצרן. הזמנתי את הלוחות שלי מ- jlcpcb.com אבל אתה יכול לבחור כל יצרן אחר שאתה אוהב. הגדרתי את עובי ה- PCB ל -0.8 מ"מ במקום 1.6 מ"מ הסטנדרטיים כי הלוח צריך להיות קל. אתה יכול לראות את ההגדרות שלי ל- JLC PCB בצילום המסך.

אם אתה לא רוצה להוריד את Eagle, אתה יכול פשוט להוריד את "Ferdinand 1.0.zip" ולהעלות אותו ל- JLC PCB.

כאשר אתה מזמין את ה- PCB, פשוט התיישב בנוחות בכיסא שלך והמתן שבועיים עד שהם יגיעו. ואז נוכל להמשיך.

הערה: אתה יכול להבחין שהסכימה קצת שונה מהלוח בפועל. הסיבה לכך היא ששמתי לב שה- BME280 IC החשוף קשה מדי להלחמה ולכן שיניתי את הסכימה לפריצה

שלב 6: הלחמה SMD

הכרזה עצובה נוספת: הלחמת SMD אינה קלה. עכשיו באמת, זה משתגע. שהאדון יהיה איתך. אבל הדרכה זו אמורה לעזור. אתה יכול להלחם או באמצעות מגהץ ופתיל הלחמה, או משחת הלחמה ואקדח אוויר חם. אף אחת מהשיטות הללו לא הייתה נוחה לי מספיק. אבל אתה צריך לעשות את זה תוך שעה.

מקם את הרכיבים על פי מסך המשי במחשב הלוח או על פי הסכימה.

שלב 7: הלחמה

לאחר סיום הלחמת ה- SMD, שאר עבודת ההלחמה היא בעצם חתיכת עוגה. כִּמעַט. כנראה הלחמת בעבר ואני מקווה שתרצה להלחם שוב. אתה רק צריך להלחם את נוצת Adafruit, האנטנות, הפאנל הסולארי ומעלי העל. די פשוט הייתי אומר.

מקם את הרכיבים על פי מסך המשי במחשב הלוח או על פי הסכימה.

שלב 8: מעקב מלא

כך צריך להיראות הגשש המלא. מְשׁוּנֶה. נֶחְמָד. מעניין. אלה המילים שעולות לי לראש מיד. עכשיו אתה רק צריך להבהב את הקוד ולבדוק אם הוא עובד.

שלב 9: הגדרת TTN

רשת הדברים הינה רשת LoRaWAN קהילתית העולמית שבמרכז העיר. עם יותר מ- 6887 שערים (מקלטים) הפועלים היא רשת ה- IoT העולמית הגדולה בעולם. הוא משתמש בפרוטוקול התקשורת LoRa (Long Range) הכללי בתדרים 868 (אירופה, רוסיה) או במהירות 915MHz (ארה"ב, הודו). הוא נמצא בשימוש נרחב ביותר על ידי מכשירי IoT ששולחים הודעות קצרות בערים. אתה יכול לשלוח עד 51 בתים בלבד, אך תוכל להגיע בקלות לטווח שבין 2 ק"מ ל -15 ק"מ. זה אידיאלי עבור חיישנים פשוטים או התקני IoT אחרים. והכי חשוב שזה בחינם.

עכשיו, 2-15 בהחלט לא מספיק, אבל אם אתה מגיע לקרקע גבוהה יותר, אמור להיות לך חיבור טוב יותר. והבלון שלנו יהיה גבוה מאוד. במרחק של 10 ק"מ מעל פני הים, אנו אמורים לקבל חיבור מ -100 ק"מ. חבר השיק HAB עם LoRa 31 ק"מ באוויר והוא הגיע לפינג 450 ק"מ משם. אז זה די הגיוני.

הגדרת ה- TTN אמורה להיות קלה. אתה רק צריך ליצור חשבון עם הדוא ל שלך ואז אתה צריך לרשום את המכשיר. בהתחלה, עליך ליצור יישום. יישום הוא כל דף הבית של הפרויקט. מכאן תוכל לשנות את קוד המפענח, להציג את הנתונים הנכנסים ולהוסיף/להסיר מכשירים. פשוט בחר שם ואתה מוכן לצאת לדרך. לאחר שתעשה זאת, יהיה עליך לרשום מכשיר ביישום. עליך להזין את כתובת ה- MAC של נוצה Adafruit (עם הנוצה באריזה). לאחר מכן עליך להגדיר את שיטת ההפעלה ל- ABP וכדאי להשבית בדיקות נגד מסגרות. המכשיר שלך אמור להיות רשום כעת ביישום. העתק את כתובת המכשיר, את מפתח הפעלת הרשת ואת מפתח הפעלת האפליקציה. תזדקק להם בשלב הבא.

להסבר בריא יותר, בקר במדריך זה.

שלב 10: קידוד

ל- Adafruit Feather 32U4 יש מעבד ATmega32U4 AVR. זה אומר שאין לו שבב נפרד לתקשורת USB (כמו Arduino UNO), השבב כלול במעבד. זה אומר שהעלאה ל- Adafruit Feather יכולה להיות קצת יותר קשה בהשוואה ללוח Arduino טיפוסי, אבל זה עובד עם Arduino IDE כך שאם תעקוב אחר הדרכה זו אמורה להיות בסדר.

לאחר שהגדרת את ה- IDE של Arduino והעברת את הסקיצה "למצמץ" בהצלחה תוכל לעבור אל הקוד האמיתי. הורד את "LoRa_Test.ino". שנה את כתובת המכשיר, מפתח הפעלת הרשת ומפתח הפעלת האפליקציה בהתאם. העלה את המערכון. לצאת החוצה. כוון את האנטנה למרכז העיר או לכיוון השער הקרוב ביותר. כעת אתה אמור לראות נתונים צצים במסוף TTN. אם לא, הגיבו למטה. אני לא רוצה לשים את כל מה שיכול היה לקרות כאן, אני לא יודע אם השרת Instructables יכול להתמודד עם כמות טקסט כזו.

ממשיך הלאה. אם המערכון הקודם עובד, תוכל להוריד את "Ferdinand_1.0.ino" ולשנות את הדברים שהיית אמור לשנות במערכון הקודם. עכשיו בדוק זאת שוב.

אם אתה מקבל כמה נתוני HEX אקראיים במסוף TTN, אל תדאג, הוא אמור לעשות זאת. כל הערכים מקודדים ב- HEX. אתה צריך קוד מפענח אחר. הורד "decoder.txt". העתק את תוכנו. כעת עבור למסוף TTN. עבור אל תבניות היישום/מטען/מפענח שלך. כעת הסר את קוד המפענח המקורי והדבק אותו שלך. כעת אתה אמור לראות את כל הקריאות שם.

שלב 11: בדיקה

כעת זה אמור להיות החלק הארוך ביותר בפרויקט. בדיקה. בדיקה בכל מיני תנאים. בחום קיצוני, לחץ ועם אור חזק (או בחוץ על השמש) לחקות את התנאים שם למעלה. זה אמור לקחת לפחות שבוע, כך שלא יהיו הפתעות מבחינת התנהגות הגשש. אבל זה עולם אידיאלי ולא היה לנו זמן כי הגשש נבנה לתחרות. ביצענו כמה שינויים של הרגע האחרון (ממש כמו 40 דקות לפני ההשקה) כך שלא ידענו למה לצפות. זה לא טוב. אבל אתה יודע, עדיין ניצחנו בתחרות.

סביר להניח שתצטרך לבצע את החלק הזה בחוץ מכיוון שהשמש לא זורחת בפנים ומכיוון של- LoRa לא תהיה הקבלה הטובה ביותר במשרד שלך.

שלב 12: כמה נוסחאות פאנקיות

פיקובלונים רגישים מאוד. אתה לא יכול פשוט למלא אותם בהליום ולהפעיל אותם. הם ממש לא אוהבים את זה. הרשה לי להסביר. אם כוח הציפה נמוך מדי הבלון לא יקום (ברור). אבל, וזה המלכוד, אם כוח הצפה גבוה מדי, הבלון יעוף גבוה מדי, הכוחות על הבלון יהיו גדולים מדי והוא יקפוץ ויפול על הקרקע. זו הסיבה העיקרית לכך שאתה באמת רוצה לבצע את החישובים האלה.

אם אתה יודע קצת את הפיזיקה, לא אמורה להיות לך בעיה להבין את הנוסחאות למעלה. יש כמה משתנים שעליך להזין בנוסחה. זה כולל: מילוי קבוע של גז, טמפרטורה תרמודינמית, לחץ, מסת החללית ומסת הבלון. אם תעקבו אחר הדרכה זו ותשתמשו באותו בלון (Qualatex microfoil 36 ) ובאותו גז מילוי (הליום) הדבר היחיד שבעצם ישתנה הוא מסת החללית.

נוסחאות אלה אמורות לתת לך: נפח ההליום הדרוש למילוי הבלון, המהירות שבה הבלון עולה, הגובה בו הבלון טס וגם משקל ההרמה החופשית. כל אלה הם ערכים שימושיים מאוד. מהירות העלייה חשובה כדי שהבלון לא יפגע במכשולים מכיוון שהוא איטי מדי וממש נחמד לדעת עד כמה הבלון יטוס. אבל החשוב שבהם הוא כנראה המעלית החופשית. ההרמה החופשית נדרשת כאשר אתה ממלא את הבלון בשלב 14.

תודה ל- TomasTT7 על העזרה בנוסחאות. בדוק את הבלוג שלו כאן.

שלב 13: סיכונים

אז הגשש שלך עובד. החרא הזה שעבדת עליו במשך חודשיים באמת עובד! מזל טוב.

אז בואו נסקור אילו סיכונים ילדכם יכול לחקור באוויר:

1) לא תהיה מספיק אור שמש לפגוע בפאנל הסולארי. קבלים העל יתנקזו. הבדיקה תפסיק לפעול.

2) הבדיקה תצא מחוץ לטווח ולא יתקבלו נתונים.

3) משבי רוח חזקים יהרסו את החללית.

4) החללית תעבור בסערה במהלך העלייה וגשם יקצר את המעגל.

5) ציפוי קרח ייווצר על הלוח הסולארי. קבלים העל יתנקזו. הבדיקה תפסיק לפעול.

6) חלק מהגשושית יישבר תחת לחץ מכני.

7) חלק מהגשושית יישבר בתנאי חום ולחץ קיצוניים.

8) בין הבלון לאוויר ייווצר מטען אלקטרוסטטי שיוצר ניצוץ, שיזיק לחיישן.

9) הבדיקה תיפגע מברק.

10) החללית תיפגע ממטוס.

11) הבדיקה תיפגע מציפור.

12) חייזרים יחטפו את הגשוש שלך. יכול לקרות במיוחד אם הבלון יהיה מעל אזור 51.

שלב 14: השקה

אז זהו זה. זהו יום ה- D ואתה עומד להשיק את הפיקובלון האהוב שלך. תמיד טוב להכיר את השטח ואת כל המכשולים האפשריים. כמו כן עליך לעקוב כל הזמן אחר מזג האוויר (בעיקר מהירות הרוח והכיוון). כך אתה ממזער את הסיכוי שהציוד שלך בשווי 100 € ושני חודשים מזמנך יפגע בעץ או בקיר. זה יהיה עצוב.

הכנס צינור לבלון. קושרים את הבלון למשהו כבד עם ניילון. שים את הדבר הכבד בסולם. אפס את הסולם. אבטח את הקצה השני של הצינור במיכל הליום שלך. התחל לאט לאט לפתוח את השסתום. כעת אתה אמור לראות מספרים שליליים בסולם. עכשיו זה הזמן להשתמש בערך ההרמה החופשית שחישבת בשלב 12. סגור את השסתום כשהמספר השלילי מגיע למסת הבלון + הרמה חופשית. במקרה שלי זה היה 15 גרם + 2.4 גרם אז סגרתי את השסתום בדיוק -17.4 גרם בסולם. הסר את הצינור. הבלון אטום לעצמו, הוא צריך להיחתם אוטומטית. התירו את החפץ הכבד והחליפו אותו בעזרת החללית. עכשיו אתה מוכן להשקה.

צפה בסרטון לכל הפרטים.

שלב 15: קבלת הנתונים

אה, אני זוכר את ההרגשה שהייתה לנו אחרי ההשקה. המתח, התסכול, הרבה הורמונים. זה יעבוד? האם העבודה שלנו תהיה חסרת ערך? האם פשוט הוצאנו כל כך הרבה כסף על משהו שלא עובד? אלה סוג השאלות ששאלנו את עצמנו לאחר ההשקה.

למרבה המזל, החקירה הגיבה כ -20 דקות לאחר השיגור. ואז קיבלנו חבילה כל 10 דקות. ניתקנו קשר עם החללית בשעה 17:51:09 GMT. זה היה יכול להיות טוב יותר, אבל זה עדיין בסדר.

שלב 16: תוכניות נוספות

זה היה אחד הפרויקטים הקשים ביותר שלנו עד כה. לא הכל היה מושלם אבל זה בסדר, זה תמיד ככה. זה עדיין היה מוצלח מאוד. הגשש עבד ללא רבב. זה היה יכול לעשות את זה הרבה יותר זמן אבל זה לא משנה. והגענו למקום השני בתחרות הפיקובלון. עכשיו אולי תגידו שלהיות שני בתחרות עם 17 אנשים זו לא הצלחה כזאת אבל קחו בחשבון שזו תחרות הנדסה/בנייה למבוגרים. אנחנו בני 14. אלה שהתמודדנו איתם היו מבוגרים עם רקע הנדסי ואולי אפילו חלל ועם הרבה יותר ניסיון. אז כן, בסך הכל, הייתי אומר שזו הייתה הצלחה גדולה. קיבלנו 200 €, שזה בערך כפול מההוצאות שלנו.

אני בהחלט הולך לבנות גרסה 2.0. זה הולך להיות הרבה יותר טוב, עם רכיבים קטנים יותר (מעבד barebone, RFM95) וזה יהיה אמין יותר אז הישארו מעודכנים להוראה הבאה.

המטרה העיקרית שלנו כעת היא לזכות בתחרות אפילוג X. יצרנים עמיתים, אם אהבתם את ההנחיה הזו, אנא שקלו להצביע בעד זה. זה ממש יעזור לנו. תודה רבה רבה!

סגנית בתחרות אפילוג X