Учебное пособие по акселерометру CubeSat: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Cubesat - это миниатюрный спутник для космических исследований, состоящий из множества кубических единиц 10x10x10 см и массой не более 1,33 кг на единицу. Cubesat позволяет отправлять в космос большое количество спутников и дает владельцу полный контроль над машиной, независимо от того, где на Земле он находится. Кубесаты также более доступны, чем любые другие существующие прототипы. В конечном итоге кубесаты облегчают погружение в космос и распространяют знания о том, как выглядит наша планета и вселенная.

Arduino - это платформа или своего рода компьютер, используемый для создания проектов электроники. Arduino состоит как из программируемой печатной платы, так и из программного обеспечения, которое работает на вашем компьютере и используется для записи и загрузки компьютерного кода на плату.

Для этого проекта нашей команде было разрешено выбрать любой датчик, который мы хотели обнаружить, чтобы обнаружить какой-либо определенный аспект состава Марса. Мы решили использовать акселерометр или электромеханическое устройство, используемое для измерения силы ускорения.

Чтобы все эти устройства работали вместе, нам пришлось прикрепить акселерометр к макетной плате Arduino и прикрепить оба к внутренней части Cubesat, и убедиться, что он выдержал симуляцию полета и тест на сотрясение. В этой инструкции будет рассказано, как мы это сделали, и данные, которые мы собрали с Arduino.

Шаг 1. Установите цели (Алекс)

Нашей основной целью в этом проекте было использование акселерометра (не волнуйтесь, мы объясним, что это такое позже), размещенного внутри CubeSat, для измерения ускорения свободного падения на Марсе. Мы должны были построить CubeSat и протестировать его на прочность различными способами. Самым сложным при постановке целей и планировании было понять, как безопасно разместить Arduino и акселерометр внутри CubeSat. Для этого нам нужно было придумать хороший дизайн CubeSat, убедиться, что он имеет размер 10x10x10 см и весить менее 1,3 кг.

Мы определили, что Lego на самом деле окажется прочным, а также простым в сборке. Лего были тем, что кто-то уже мог иметь, а не тратить деньги на какие-либо строительные материалы. К счастью, процесс создания дизайна не занял много времени, как вы увидите на следующем шаге.

Шаг 2: разработка Cubesat

В этом конкретном кубе мы использовали лего из-за простоты сборки, крепления и долговечности. Размер куба должен составлять 10х10х10 см, а вес - менее 1,33 кг (3 фунта) на единицу. Легко получить точный размер 10х10х10 см при использовании двух оснований Lego для пола и крышки кубика. Возможно, вам придется распилить основы Lego, чтобы получить их именно так, как вы хотите. Внутри Cubesat у вас будет ваш Arduino, макет, батарея и держатель SD-карты, прикрепленные к стенам с помощью любого клея, который вам нравится. Мы использовали изоленту, чтобы никакие детали не расшатались внутри. Чтобы прикрепить кубический спутник к орбитальному аппарату, мы использовали шнурок, резинки и стяжку. Резиновые ленты должны быть обернуты вокруг куба, как если бы лента оборачивалась вокруг подарка. Затем веревку привязывают к центру резиновой ленты на крышке. Затем шнур продевается через стяжку-молнию, которая затем прикрепляется к орбитальному аппарату.

Шаг 3: Создайте Arduino

Наша цель для этого CubeSat, как было сказано ранее, состояла в том, чтобы определить ускорение свободного падения на Марсе с помощью акселерометра. Акселерометры - это интегральные схемы или модули, используемые для измерения ускорения объекта, к которому они прикреплены. В этом проекте я изучил основы кодирования и монтажа. Я использовал MPU 6050, который используется как электромеханическое устройство, которое измеряет силы ускорения. Измеряя величину динамического ускорения, вы можете анализировать, как устройство перемещается по осям X, Y и Z. Другими словами, вы можете сказать, движется ли он вверх и вниз или из стороны в сторону; акселерометр и некоторый код могут легко предоставить вам данные для определения этой информации. Чем более чувствителен датчик, тем точнее и детальнее будут данные. Это означает, что для данного изменения ускорения будет большее изменение сигнала.

Мне пришлось подключить arduino, который уже был подключен к акселерометру, к держателю SD-карты, который будет хранить данные, полученные во время летных испытаний, чтобы мы могли затем загрузить их в компьютер. Таким образом, мы можем просматривать измерения по осям X, Y и Z, чтобы увидеть, где находился кубический спутник в воздухе. Вы можете увидеть на прикрепленных рисунках, как подключить Arduino к акселерометру и макетной плате.

Шаг 4: летные испытания и испытания на вибрацию (Алекс)

Чтобы убедиться в надежности куба, нам пришлось пройти серию тестов, имитирующих среду, в которой он будет находиться в космосе.. Нам пришлось подключить Arduino к устройству, называемому орбитальным аппаратом, и смоделировать его траекторию полета вокруг красной планеты. Мы испробовали несколько способов прикрепления кубического сиденья, но в конце концов мы остановились на двойной резиновой ленте, которая была обернута вокруг кубического сиденья. Затем к резиновым лентам прикрепили веревку.

Летные испытания не сразу увенчались успехом, так как с нашей первой попытки часть ленты начала отрываться. Затем мы переключили дизайны на вариант с резинкой, упомянутый в предыдущем абзаце. Хотя во второй попытке мы смогли заставить детеныша летать с требуемой скоростью в течение 30 секунд без каких-либо проблем.

Следующим испытанием было испытание на вибрацию, которое имитировало перемещение куба в атмосфере планеты. Пришлось поставить кубик на вибростол и до некоторой степени увеличить мощность. Затем сидящий куб должен был оставаться в тактическом состоянии не менее 30 секунд на этом уровне мощности. К счастью для нас, мы смогли пройти все аспекты теста с первой попытки. Теперь все, что осталось, - это окончательный сбор данных и тесты.

Шаг 5: интерпретация данных

С данными, которые мы получили после проведения финального теста, вы можете увидеть, куда двигался куб по осям X, Y и Z, и определить ускорение, разделив ваше смещение на время. Это дает вам среднюю скорость. Теперь, пока объект ускоряется равномерно, вам просто нужно умножить среднюю скорость на 2, чтобы получить окончательную скорость. Чтобы найти ускорение, вы берете конечную скорость и делите ее на время.

Шаг 6: Заключение

Конечной целью нашего проекта было определение ускорения свободного падения вокруг Марса. По данным, собранным с помощью Arduino, можно определить, что гравитационное ускорение при движении по орбите Марса остается постоянным. Кроме того, во время путешествия вокруг Марса направление орбиты постоянно меняется.

В целом, самыми важными выводами нашей команды стали рост нашей беглости в чтении и написании кода, наше понимание новой технологии на переднем крае освоения космоса, а также наше знакомство с внутренним устройством и множеством способов использования Arduino.

Во-вторых, на протяжении всего проекта наша команда не только изучила вышеупомянутые технологии и концепции физики, но и приобрела навыки управления проектами. Некоторые из этих навыков включают соблюдение сроков, корректировку с учетом недоработок в дизайне и непредвиденных проблем, а также проведение ежедневных встреч, чтобы обеспечить подотчетность нашей группы и, в свою очередь, удерживать всех на пути к достижению наших целей.

В заключение, наша команда выполнила все требования к тестированию и данным, а также изучила бесценные навыки физики и управления командой, которые мы можем применить в будущих усилиях в школе и в любой профессии, ориентированной на групповую работу.