Estabilidad

Abril 19th, 2011 by ranganok

Uno de los problemas que podemos encontrarnos durante el vuelo es estabilizar la carga. Sobretodo si queremos hacer algunas fotografías.

Algunas soluciones que nos podemos encontrar son las siguientes:

Sin embargo, creo que lo mejor es usar una combinación de todas las técnicas: péndulo hasta los dos enganches del picavet, y usar la IMU con algoritmos de estabilización y post-procesado.

Aplicaciones: Contador Geiger atmosférico

Marzo 5th, 2011 by ranganok

Uno de los sensores que podríamos poner, sería un contador geiger de esta forma se podría ver la variación de la cantidad de radiación (partículas alfa, beta y gamma) según nos movemos por la atmósfera:

Rayos cósmicos

Sería genial poder diferenciar entre esas partículas, pero para ello necesitaríamos una cámara de niebla porque no he encontrado ningún sensor que las identifique.

Lo malo es que el tubo sólo vale entorno a los 90$ y el contador entero ronda los 250$ el más barato ¿alguien que nos financie?. De todas formas tendríamos que hacer nosotros el contador (el tubo no) para cumplir con las bajas presiones, ya que el tubo se alimenta con unos 500V lo que si se usa el mismo circuito que en tierra es muy probable que salte la chispa y nos de, como mínimo, lecturas erróneas.

IMU v0.0.2 (alpha 2)

Febrero 23rd, 2011 by ranganok

Segunda versión de la IMU, se han añadido algunas cosas (señalización, etc.), se han corregido algunos errores y sobretodo se ha cambiado de micro. Ahora usaremos un ATmega1280.

El enlace: http://blogs.webdearde.com/nsdprobe/files/2011/02/IMUv002.pdf

El cambio al procesador ATmega1280, entre otras razones ha sido porque lo usa el Arduino Mega lo cual da juego a la hora de programar la sonda, ya que, a parte de los compiladores de ATmel, ahora se podrá hacer con el IDE del Arduino.

Sensores

Febrero 23rd, 2011 by ranganok

A parte de los sensores de posición y orientación que lleva la IMU la idea de la sonda es que lleve algunos sensores más que permitan medir datos atmosféricos, para ello hemos ideado una batería de pruebas que tenemos que recoger:

  • Iluminación: a parte de llevar una pequeña cámara (que nos dará información de a qué punto estamos mirando), podemos medir la radiación recibida en distintas longitudes de onda, usaremos los canales(con el pico de radiación entre paréntesis):
    • Rojo
    • Verde
    • Azul
    • IR cercano
    • UVA: también se podría medir UVB y UVC pero es más difícil de conseguir los sensores y para una primera sonda creemos que no es necesario.
    • IR térmico: es interesante medir la temperatura del objeto al que estamos apuntando (la Tierra por ejemplo), tambien podríamos usar un array de sensores (8×8 a 32×32) y tener ua pequeña imagen térmica
    • Iluminación/Blanco (“clear”): es una combinación de los canales Rojo, Verde y Azul
  • Temperatura: a parte de medir la temperatura interna para comprobrar el correcto funcionmiento de la sonda y calibrar las medidas de los sensores, podemos hacer una medida directa de la temperatura externa
  • Presión:A parte de obtener la altura barométrica (y la altura real si se tiene un barómetro en tierra), se puede hacer una medida de la presión atmosférica
  • Humedad relativa
  • Concentración de Gases: se puede medir distintos gases, sin embargo para esta medida no hemos encontrado todavía ningún sensor que mida los gases y cumpla con las condiciones de la sonda (excepto CO2).

¿Se os ocurre alguna medida más?

Aplicaciones: Medida de datos atmosféricos

Febrero 18th, 2011 by ranganok

He visto la siguiente noticia, donde unos científicos quieren hacer una medida del viento a 100m para realizar pronósticos más precisos para predecir el comportamiento de los generadores eólicos. La sonda es una buena manera de hacerlo, ya hemos visto que se puede anclar muy fácilmente la sonda al suelo y además esta ya envíará parte de los datos que nos (presión atmosférica, humedad y temperatura), así que sólo nos queda saber la dirección y velocidad del viento.

En tierra y parados, medir la dirección y velocidad del viento sería relativamente fácil de hacer, sin embargo en una sonda colgada de un globo que se mueve y gira en varios ejes hay alguna complicación más… El hecho de utilizar giroscopios y acelerómetros, repartir correctamente los sensores por la superficie, utilizar formas aerodinámicas que impidan el giro libre y repartir el peso correctamente nos ayudará a recoger los datos de una forma ordenada y que luego sea fácilmente procesable.

Por ejemplo si la carcasa es en forma de gota de agua (o el perfil de un ala de avión) la brújula digital nos podría servir como veleta, ya que la forma de la carcasa haría que la sonda girará en direción del viento. Para medir la velocidad del mismo podemos mirar la inclinación de la sonda o realizar la medida por resistencias o hilos calientes o directamente con un anemómetro de aspas.

IMU v0.0.1 (alpha 1)

Febrero 17th, 2011 by ranganok

Primera versión de desarrollo de la IMU. En cuanto tengamos una beta la subiremos en formato KiCAD o EAGLE:

IMU v0.0.1 (alpha 1)

Definición del proyecto

Febrero 17th, 2011 by ranganok

Nos hemos dado cuenta que habíamos empezado a trabajar ya en el desarrollo de la sonda y todavía no habíamos publicado una defición del proyecto en condiciones.

El proyecto NSd trata de construir una sonda meteorológica (sub-espacial) que mida parámetros de la atmósfera y pueda realizar fotografías de gran altitud. Constará de dos partes bien diferenciadas, la sonda propiamente dicha (encargada de la recogida y transmisión de los datos) y la estación de tierra (encargado de la recepción de datos y el procesado y presentación de los mismos).

Sonda
A su vez la sonda constará de 3 partes diferenciadas:
- La IMU (Unidad Inercial)
- Los sensores
- La parte de radiofrecuencia

IMU
La unidad inercial es el cuerpo de la sonda, se encarga de recoger los datos de posición y orientación de la sonda para contextualizar el resto de datos proporcionados por los sensores. Constará de:
- Un procesador.
- Un giroscopio (3 ejes).
- Un acelerómetro (3 ejes).
- Un magnetómetro (3 ejes).
- Un altímetro barométrico.
- Un GPS.
- Un sistema de almacenamiento.
De esta forma tendremos una medida muy completa y exacta de la posición y orientación de la sonda en todo momento. Además dado que queremos un sistema compacto el mismo procesador que tenga la IMU nos podrá servir para recoger los datos del resto de sensores y para transmitir la información a la estación de tierra.

Sensores
Los sensores irán repartidos en una o varias PCBs dependiendo de la necesidad de espacio que ocupen o de la posición en la que hayan de ir. Nosotros hemos escogido unos sensores para medida atmosférica, sin embargo el diseño podría tener otros sensores dependiendo del uso que se vaya a dar (ver la sección de aplicaciones):
- Una cámara (QVGA-VGA) a color
- Sensores de luz para los siguientes canales: rojo, verde, azul, ultravioleta (UV a 400-410nm), Infrarrojo cercano (IR a 850nm), Infrarrojo térmico (IR a )
- Humedad relativa
- Temperatura interna y externa.
- Gases: CO, CO2, O3

Radiofrecuencia
Como ya explicamos antes queremos enviar imágenes/vídeo y los datos de las medidas a la estación de tierra, para ello queremos emplear dos frecuencias:
- Imágen/Video + Datos → 868MHz
- Datos en formato APRS(1200bps) → 145,800 Mhz 144,8MHz
El empleo de estas frecuencias es debido a que son en la banda de uso libre: 868MHz es para uso de dispositivos de “corto alcance” y 145,8MHz 144,8MHz es de servicio de radioaficionado (1), si transmitimos en protocolo APRS podríamos conseguir que los aficionados de la zona de vuelo pudieran seguir la evolución de la sonda.

Módulo de recuperación
Suele ser interesante tener un canal de comunicaciones auxiliar para localizar la sonda en caso de perder el canal principal. Habíamos pensado en utilizar un módem GSM para enviar la posición una vez en tierra para recuperar la sonda. Para que fuera totalmente auxiliar debería funcionar de forma autónoma por lo que sería implementar una PCB independiente con:
- Un microcontrolador.
- GPS.
- Módem GSM.
- Alimentación independiente.
Sin embargo este módulo no es totalmente imprescindible, ya que tenemos el canal ARPS, por lo que podríamos no usarlo en caso que no tuvieramos tiempo de implementarlo todo.

Estación de tierra
La estación de tierra se encarga de recoger, procesar y presentar los datos. Dado que la sonda lleva un sistema de almacenamiento no es imprescindible hacerlo todo en tiempo real y podríamos espaciar las recepciones para reducir el ancho de banda y, por lo tanto, reducir las interferencias y el ruido (para aumentar la distancia de envío). La estación estará compuesta por:
- Sistema de posicionamiento.
- Sensorización en tierra.
- Recepción de la señal.
- Sistema de procesado y presentación.

Sistema de posicionamiento
El sistema de posicionamiento será un GPS, con ello podremos saber el recorrido del equipo de seguimiento de la sonda, en caso que esta vuele libre; o afinar la posición de la sonda a un error pequeño, en caso que esté fijada.

Sensorización en tierra
Es muy interesante conocer la presión barométrica en tierra, de esta forma se puede conocer la altura real de la sonda (y no sólo la altura barométrica) y así corregir el error del GPS. Sin embargo los sensores no se tienen porque limitar a eso; se podría tener, por ejemplo, una estación meteorológica completa.

Receptores de la señal
Es lo más importante de la estación de tierra, los receptores de los datos de la sonda nos permitirán saber la posición en cada momento y por lo tanto podremos recuperarla.

Sistema de procesado y presentación
Básicamente es un PC en el que se representarán los datos recibidos (tablas, hojas de cálculo, gráficos, mapas, etc.) y se procesarán (altura real en función de la barométrica, iluminación dependiendo del apuntamiento, etc.).

Si cuidamos un poco el diseño podemos reutilizar algunas PCBs (IMU como sistema de posicionamiento del equipo de tierra, etc.) por lo que bajaremos el precio.


(1) Fuente: Cuadro Nacional de Atribucción de Frecuencias.

EDITADO: Los servicios de radioaficionado no son de transmisión libre, sino que están sujetos a una licencia.

Aplicaciones: Fotografía aerea

Enero 28th, 2011 by ranganok

Una de las posibles aplicaciones que tendrá la sonda es la de poder realizar fotografías aéreas geoposicionadas.

Con la estación base fijada en una posición durante bastante tiempo (>30min) se puede fijar la posición GPS de la sonda con bastante exactitud (<10cm), además el acelerómetro y los giroscópios el ángulo de apunte de la cámara y los movimientos que esta tenga. A partir de aquí se podrían hacer fotos de alta resolución a un bajo coste, incluso juntar varias fotos para realizar una de larga exposición (con los datos de los giroscópios y los acelerómetros se podría corregir las desviaciones por software).

Para elevar el conjunto (la cámara y la IMU) sólo nos hace falta un globo de helio y para anclarla y dirigirla nada más sencillo como una caña de pescar: “Skyfishing” with a GoPro HERO and 30 Helium Balloons from Tom Guilmette on Vimeo.

Android in Space

Diciembre 27th, 2010 by ranganok

Una forma más o menos sencilla de tener una sonda es usar un móvil de última generación, estos disponen de GPS, GSM/GPRS/3G, Acelerómetros y/o giroscopios, cámaras con posibilidad de grabar vídeo (a veces incluso HD), etc.

Lo único que les haría falta es una transmisión radio con mayor alcance que la red móvil y ya trendríamos practicamente toda la sonda (exceptuando los sensores, claro). Y esto es lo que han hecho algunos ingenieros de Google, han cogido varios telefonos Nexus Galaxy S y los han puesto en 7 sondas. El resultado se puede ver en las imágenes y vídeos que ha grabado al efecto:

- blog: Android in Spaaace!

- Imágenes: Android in Space

Nos enteramos de la noticia gracias a este post de Abadía Digital.

Vídeo

Diciembre 23rd, 2010 by ranganok

Una de las posibilidades que tiene la sonda es grabar vídeo desde las alturas.

Tener un vídeo del vuelo a la vez que los datos que va recogiendo la sonda nos puede dar una perspectiva mejor de lo que está pasando en cada momento. Sin embargo se nos plantea un problema, transmitir vídeo implica una gran cantidad de datos a transmitir por lo que o tenemos un ancho de banda importante (incompatible con la legislación de las frecuencias ISM).

Para distancias cortas (<1km) no tenemos tanto problema, podemos usar alguna de las frecuencias de ISM que se reservan para datos en banda ancha (en 868MHz serían desde 869.7MHz a 870MHz), estas frecuencias tienen el inconveniente de que tienen muy limitada la potencia a la que se puede transmitir (5mW de potencia radiada aparente (1)), pero tenemos una disponibilidad del 100% del canal (300kHz), aunque tendremos más posibilidades de sufrir interferencias.

Para largas distancias, al necesitar mayor potencia de transmisión, nos tendríamos que situar en la banda de 869.4MHz a 869.65MHz que nos permite una transmisión de hasta 500mW (de PRA) pero solo un 10% de tiempo de ocupación del canal, por lo que tendremos que:
1.- reducir el tamaño del vídeo,
2.- reducir la velocidad de reproducción (fps)
3.- y/o comprimir el vídeo.

Reducir el tamaño del vídeo es relativamente fácil, lo único que necesitamos es que un sensor que capte distintos tamaños o descartar parte de la imágen para quedarnos con un tamaño menor (siempre que el sensor nos envíe los datos en RAW).

Reducir la velocidad de reproducción tambien es fácil (relativamente), sólo necesitamos descartar los frames intermedios. Aquí tenemos un problema ¿cuántas imágenes por segundo necesitaremos?, si utilizamos el vídeo para controlar un aparato (por ejemplo un cóptero) nos interesará tener tiempo real (25-30fps), sin embargo si sólo queremos tener una panorámica del entorno podremos transmitir con mucha menos frecuencia (1-2fps).

Comprimir el vídeo resulta más complicado que las anteriores, para esto necesitaremos un hardware independiente que nos haga el trabajo (existen drivers para sensores de cámara que ya lo hacen automáticamente) o un hardware bastante más potente que el que usamos (un PLD o FPGA, o un procesador ARM9 por ejemplo), sin embargo esto suele chocar con las necesidades de bajo consumo que tenemos. Si la frecuencia de envío es pequeña (1-2fps) podemos comprimir las imágenes como independientes (.jpg) que reduce los requerimientos de hardware para hacerlo, sin embargo no es la mejor opción.

Otra solución es no transmitir el vídeo, sino registrarlo para realizar el post-procesado, de esta forma podríamos tener un vídeo en alta calidad que sincronizaríamos a posteriori con los datos recibidos. Para ello únicamente tenemos que poder interactuar con la cámara que utilicemos, una opción que hace sistemasorp en este post.

De todas formas transmitir vídeo no excluye una segunda cámara registrando todo el viaje.


(1) La potencia radiada aparente es aquella potencia con la que habría que alimentar una antena dipolo λ/2 para que, en un punto determinado del espacio, crease la misma intensidad de campo que un transmisor determinado, con ambas antenas dirigidas en la dirección de máxima radiación. (PRA (dBm) = Pt(dBm) + Gd (dBi) – 2.15dB)