Blog

2022
Jan
10

Bericht 04.01.2022 bis 09.01.2022

In der vergangenen Woche, ausgehend von Dienstag dem 4. Januar bis Sonntag dem 9. Januar, lagen unsere Schwerpunkte bei der Fertigstellung von Struktur, Platine und Hauptsoftware der Sonde. Hierzu haben wir uns zum Teil in Präsenz getroffen, während wir an anderen Tagen einzeln von Zuhause aus gearbeitet haben. Durch die Verwendung unseres GitHub Repository’s und einigen Kommunikationsprogrammen konnten wir uns dabei dennoch gut organisieren. Die Fertigstellung des CanSat’s gelang uns leider nicht wie geplant vor Ende der Ferien, da sich u.a. einige Bestellungen wichtiger Komponenten verzögerten.

Was die Struktur anbelangt, hatten wir die Möglichkeit die benötigten Metallteile für Deckel- und Bodenplatte der Sonde zu fertigen. Als Material haben wir für diese Aluminium gewählt, da es die benötigte Stabilität gewährleistet ohne dabei zu schwer ins Gewicht der Sonde zu fallen. Außerdem hatte sich die Verwendung von Aluminium in der Hülle bereits in vorherigen Projekten bewiesen. Beim Entwerfen eines finalen Strukturdesigns gab es zudem erhebliche Fortschritte: Nicht nur ist die Anordnung der Sensorik und Platzierung der Platine im unteren Teil des CanSat’s vollständig ausgearbeitet, sondern auch für die Befestigung des Pumpsystems insbesondere der Gassammelbeutel an der Außenhülle haben wir nun eine geeignete Lösung finden können. Insgesamt können wir die Planung der Struktur bald final abschließen und uns der Konstruktion des Gesamtsystems widmen.

3D Modell der Sonde ohne
Außenhülle der oberen Segmente

In der Abbildung sind in grau Aluminiumteile wie der kürzlich gefräste Deckel oder die drei Gewindestangen zu sehen, welche die einzelnen Segmente der Sonde zusammenhalten.

Unmittelbar unter dem Deckel befindet sich in blau das Pumpsystem, bestehend aus drei Zwei-Wege-Ventilen und der Luftpumpe selbst.

Über dem orangenem Segment ganz unten, welches die Außenhülle des unteren Bereichs darstellt, befindet sich ebenfalls in blau die Platine samt Mikrocontroller. Auf der rechten Seite des orangenen Bereichs befindet sich der An-Aus-Schalter. Die Sensorik sowie die Außenhülle des oberen Bereiches der Sonde sind zur Übersicht nicht in dieser Abbildung enthalten.

Metallteil in Bearbeitung
Drehmaschine
Deckelplatte aus Aluminium

Auch die Planung eines vorläufigen Platinenkonzepts, das auf die strukturellen und technischen Anforderungen unseres CanSat’s optimiert ist, konnte zu Beginn der Woche abgeschlossen werden. Eine kostengünstige Möglichkeit diese von einem professionellen Unternehmen drucken zu lassen ist bereits auch schon in Aussicht. Dabei warten wir jedoch noch auf die Expertise eines Fachkundigen, um unser Design noch einmal überprüfen zu lassen.

3D Modell der Platine während der Planung

Nachdem wir bei der Kalibrierung unserer Sensoren im Dezember feststellen mussten, dass die Ansprechzeiten unseres Temperatursensors nicht unseren Erwartungen entsprach, haben wir frühzeitig einen anderen Sensortyp bestellt und diesen in dieser Woche zum Laufen gebracht. Während wir zuvor länger als eine Minute gebraucht haben, damit Temperaturschwankungen von mehreren Grad Celsius auf eine Dezimalstelle genau angezeigt werden, geschieht dies mit dem neuen Sensor beinahe direkt binnen weniger Millisekunden.

Zuletzt haben wir damit begonnen, die Einzelprogramme der verschiedenen Komponenten nun im Hauptprogramm der Software zusammenzuführen und in den wesentlichen Programmfluss einzuarbeiten. Hierfür werden in naher Zukunft noch einige Tests anfallen, welche auf die Ermittlung einiger Zeitwerte für das Ansteuern des Pumpsystems abzielen.

2022
Jan
4

Untersützung durch MediSense

Für unsere Sekundärmission benötigen wir drei Gassammelbeutel, in die wir die verschiedenen Luftproben pumpen können. Damit wir möglichst unverfälschte Ergebnisse erhalten, müssen die Beutel belastbar und steril sein, daher eignen sich besonders Gassammelbeutel für den Laborbedarf.

Wir sind sehr dankbar, dass die niederländische Firma MediSense für uns die Mindestbestellmenge von zehn auf sechs Beutel reduziert hat. Dadurch konnten wir ihre Tedlar Bags mit Polypropylen Ventil für unseren CanSat verwenden. Vielen herzlichen Dank für Ihren Support!

2022
Jan
4

Bericht 03.01.2022

Nach einer etwas längeren Pause im Dezember haben wir uns nun am Montag wieder in Präsenz getroffen, um in der kommenden Woche weiter an unserer Sonde zu arbeiten und diese weitestgehend fertig zu stellen. Im Schwerpunkt heute stand dabei vor allem das Löten eines ersten Prototyps für unsere Platine. Auf dieser sollen der Mikrocontroller und ein Großteil der Verkabelung platzsparend untergebracht werden. Da parallel jedoch noch an der Verschaltung für das Pumpsystem gearbeitet wurde und es Schwierigkeiten mit dem Lötequipment gab, verzögert sich die Fertigstellung der Platine.

Des weiteren konnten wir heute die kürzlich bestellten Gassammelbeutel in Verbindung mit dem Pumpsystem testen. Dank der Unterstützung von MediSense war es uns möglich diese speziellen mit Polypropylen beschichteten Gassammelbeutel auch als Privatpersonen und in kleinerer Stückzahl zu erhalten. Da es essentiell für eine präzise Analyse der Luftproben ist, dass diese steril sind, haben wir hierfür zunächst drei Beutel zu Testzwecken ausgewählt und entsprechend markiert. Beim Start der Sonde verwenden wir dann die restlichen, völlig unbenutzten und noch sterilen Beutel.

Testen des Pumpsystems

Zudem haben wir direkt experimentell ausprobiert, wie die Gassammelbeutel an der Außenhülle angebracht werden müssen, damit sie sich beim Aufpumpen möglichst einfach entfalten können. Dabei bestand die größte Schwierigkeit darin, nicht die in den Anforderungen beschriebenen Maximalmaße zu überschreiten. Eine Lösung für das Problem fanden wir in der Verwendung von dünnen Gummibändern, welche die Gassammelbeutel im ungefüllten Zustand an der Außenhülle fixieren und beim Befüllen von diesen abrutschen. Da die Beutel beim Testen allerdings nicht ideal an der Hülle anlagen und uns für die Testversuche bisher nur ein 3D-gedruckter Testzylinder zur Verfügung stand, werden wir das Konzept noch etwas optimieren müssen.

Wie bereits im letzten Bericht erwähnt, sind uns einige Fehler im Selbsttestprogramm der Sensoren aufgefallen. So zum Beispiel war geplant, dass das Auslesen eines Sensors bei Überschreiten einer gewissen Zeitdauer abgebrochen werden soll, um zu verhindern, dass sich bei einem Wackelkontakt das ganze Programm aufhängt. Zwar konnten wir eine solche Zeitüberschreitung bisher detektieren, um die Funktion zum Auslesen des Sensors aber abbrechen zu können haben wir bislang keine Lösung gefunden.

2021
Dez
2

Bericht 02.12.2021

Dank der Unterstützung unseres Projektbetreuers und Physiklehrers Herr Dr. Schmidt konnten wir heute die in den vergangenen Wochen programmierten Sensoren mit genaueren Messgeräten für Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur unserer Schule abgleichen. Dafür haben wir mehrere Messreihen durchgeführt, in denen wir die Daten von unseren Sensoren parallel zum jeweiligen Messgerät des überprüften Wertes ausgelesen haben. Anschließend haben wir für jeden ausgelesenen Sensor einen Durchschnittswert berechnet und diesen mit dem des genaueren Messinstrument als Richtwert verglichen. Bei größeren Abweichungen vom ermittelten Richtwert können wir nur einen entsprechenden Faktor in der Software für den jeweiligen Sensor verwenden, um die erhaltenen Werte an die des genaueren Messgeräts anzugleichen und so gleichzeitig alle unsere Sensoren aufeinander abzustimmen.

Da wir heute aufgrund des regnerischen Wetters in Baden-Württemberg eine hohe relative Luftfeuchtigkeit von knapp 85% draußen messen konnten, die sich von der inneren Luftfeuchtigkeit im Schulgebäude mit ca. 35% abhob, war kein weiterer Versuchsaufbau nötig um mehrere Messreihen mit unterschiedlichen Werten zu erhalten. Auch die Kalibrierung der Temperatursensoren ließ sich bei den frostigen Außentemperaturen von 6° C leicht bewerkstelligen.

Messreihe drinnen mit allen Sensoren
Messreihe draußen mit allen Sensoren

Für den Luftdruck jedoch haben wir auf die Verwendung einer Vakuumglocke gesetzt, um so weitere Werte neben den 968 hPa auf Höhe unserer Schule zu erhalten. Hierfür blieb uns jedoch noch nicht ausreichend Zeit, sodass wir die Kalibrierung des Luftdrucksensors in naher Zeit noch vervollständigen werden.

Luftdruckmessung unter der Vakuumglocke

Des weiteren sind uns bei den heutigen Versuchsreihen Fehler im Programm zum Überprüfen der einzelnen Komponenten aufgefallen, welche wir in den kommenden Wochen beheben werden.

2021
Nov
21

Bericht 21.11.2021

Nachdem wir die ersten 2 Wochen nach den Herbstferien halbwegs überlebt haben, geht es an diesem Sonntag so richtig ans Pumpen. In der Zwischenzeit ist nämlich das Testequipment für unser System zum Sammeln der Luftproben angekommen.

Um unser Konzept zum Sammeln der Luft zu testen, haben wir eine Luftpumpe zusammen mit schaltbaren Ventilen und einem Rückschlagventil, sowie einige Meter Schlauch bestellt.

Der erste Test galt der Pumpe selbst, wozu wir einen Luftballon direkt an unsere Luftpumpe gebunden haben.

Hier sind die letzten Momente unseres Testsubjekts zu sehen

Da wir jedoch drei Luftproben aus verschiedenen Höhen sammeln wollen, haben wir noch einiges zu tun: Zuerst muss unsere Sonde selbständig die Flughöhe berechnen, um dann die jeweiligen Pumpvorgänge auszulösen. Da wir weder den Platz, noch freies Gewicht für drei Pumpen haben, verbinden wir unsere Behälter über drei schaltbare 2-Weg Ventile. Einen verbrannten Transistor später konnten wir das erste Ventil zuverlässig ansteuern:

Da wir bei allen Bauabschnitten immer versuchen alle möglichen Fehlerquellen aufzudecken, haben wir mit unserem ersten Ventil einige Experimente durchgeführt. Dabei ist uns unter anderem Aufgefallen, dass der Umschaltvorgang fehlschlägt, wenn einer der beiden Ausgänge unter Druck steht, weshalb wir die Konfiguration entsprechend anpassen konnten und somit einen kritischen Fehler vermieden haben.

Parallel haben wir unseren Motortreiber konfiguriert. Damit unser Motor nicht von Anfang bis Ende durcharbeitet, benötigen wir diesen, da der Arduino weder die benötigte Spannung, noch die notwendige Stromstärke für einen Motor liefern kann. Indem wir dem Treiber einfache Signale senden, kann dieser unter anderen, ähnlich wie ein Transistor, den Motor mit ein- und ausschaltbarem Strom versorgen.

Wer unseren Entwicklungsblog schon etwas verfolgt, weiß vielleicht dass wir bei der Programmierung unserer Sensoren ein größeres Entwicklungsboard namens Arduino Uno verwendet haben, da dies durch die großen Pins perfekt zum Entwickeln ist. Dieses Board würde in unserem CanSat allerdings zu viel Platz benötigen, weshalb wir in unserer Sonde einen kleineren Arduino mit einer anderen Chip-Architektur verwenden.

Größenvergleich der beiden Mikrocontroller

Möglicherweise war es ein Fehler nicht gleich mit dieser Architektur zu beginnen, da uns nun aufgefallen ist, dass eine von uns verwendete Library, was quasi ein Treiber für einen Sensor ist, nicht mit dem neuen Chip funktioniert. Das Umschreiben des Codes hat einen ganzen Vormittag an Arbeit gekostet, was vermeidbar gewesen wäre.

Nachdem alle Sensoren auch mit dem neuen Chip liefen, haben wir den Code, welcher alle Messungen auf unsere zwei redundanten SD Karten speichert genau unter die Lupe genommen, da davon die gesamte Primärmission abhängig ist. Als uns aufgefallen ist, dass das Abspeichern der Dateien scheitert, wenn bereits Dateien auf den Speicherkarten vorhanden sind, konnten wir eine weitere Fehlerquelle eliminieren.

Das Programmieren von unseren Sensoren und Abläufen ist somit schon bald abgeschlossen, dennoch werden wir kontinuierlich Tests durchführen und entsprechend Optimierungen zum Erhöhen der Zuverlässigkeit durchführen.

2021
Nov
4

Bericht 04.11.2021

Auch am Donnerstag haben wir uns erneut in Präsenz getroffen, um die Entwicklung unseres CanSat‘s voranzutreiben. Nachdem wir die Programmierung der einzelnen Sensoren nun abgeschlossen haben, ging es heute an die Software für die SD Module. Über diese werden die gesammelten Daten redundant auf zwei Mikro SD Karten mit jeweils 32GB Datenspeicher geschrieben. Durch die redundante Speicherung wird beim Auftreten eines Fehlers mit einem der Module gewährleistet, dass wir dennoch in der Lage sind, Daten vom anderen Datenträger nach der Mission zu erhalten und nicht mit leeren Händen auszugehen. Die Daten werden dabei pro SD Karte in fünf verschiedene Dateien für Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit sortiert und mit der jeweiligen Missionszeit versehen. Da wir einige Daten wie z.B. die Temperatur mehrfach über unterschiedlichen Sensormodule auslesen können, überlegen wir derzeit noch ob sich die erhöhte Messgenauigkeit durch mehrere unabhängige Messreihen in Anbetracht einer höheren Mikrocontrollerauslastung und eventuell geringerer Messfrequenz der anderen Sensoren lohnt. Dies können wir allerdings erst abwägen, nachdem wir das Gesamtsystem mit allen Sensoren und den SD Modulen getestet haben.

SD Module bei der Programmierung

Während ein Teil des Teams mit der Datenspeicherung beschäftigt war, informierten sich weitere Teammitglieder über die Zusammensetzung und Detektion von so genannten VOCs – gasförmigen Stoffen organischen Ursprungs in der Luft. Diese sind für unsere Sekundärmission von großer Relevanz, da wir unsere während der Startkampagne gesammelten Gasproben mit einem Protonen-Transfer-Massenspektrometer des KIT‘s auf diese analysieren werden.

Auch mit der Struktur unserer Sonde ging es voran und ein erstes CAD-Modell des untere Bereich der Hülle konnte konstruiert werden. In diesem offen gehalten Bereich sollen sich vor allem die Sensoren befinden, um so unmittelbar an der Umgebungsluft und nicht im inneren unseres CanSat‘s zu messen. Da wir die benötigten Komponenten des Pumpsystems für die Gassammelbeutel noch nicht erhalten haben, müssen mögliche Änderung an der Anordnung der Sensorik jedoch berücksichtigt werden.

2021
Nov
3

Bericht 03.11.2021

Am Vortag haben wir bereits drei von vier Sensoren erfolgreich zum Laufen gebracht, allerdings geben wir uns damit noch nicht zufrieden. Da eine Weltraummission hohe Anforderung an die Zuverlässigkeit der Sensoren stellt, haben wir vormittags gleich mehrere Schutzmechanismen zum Sicherstellen des Erfolgs eingebaut:

Bevor die Sonde gestartet wird, muss diese weit transportiert werden und auf die Trägerrakete geladen werden. Dabei können sowohl Sensoren als auch unsere Kabelverbindungen beschädigt werden. Damit die Sonde garantiert voll funktionsfähig startet, enthält jeder unserer Codes einen Selbsttest in der Initialisierung, was bei Problemen das Launch-Team warnt und somit den Start einer Fehlerhaften Sonde verhindert. Im angefügten Bild ist der Selbsttest für einen unserer Sensoren zu sehen, worin wir nebenan in Kommentaren den Ablauf vereinfacht erklären.

Selbsttest eines Sensors

Auch wenn unsere Sonde voll funktionsfähig startet, heißt das noch lange nicht, dass während des Fluges nichts passieren kann. Der Start der Rakete belastet die Konstruktion mit bis zu 20G, und wer nach einer Achterbahnfahrt schonmal Rückenschmerzen hatte weiß, wie viel Schaden auch nur 3G anrichten können. Um das Verhalten defekter Sensoren zu simulieren, haben wir die Verbindungen zu unseren Sensoren gezielt manipuliert und das Verhalten beobachtet. Tatsächlich konnten wir dabei mehrere Fälle ausmachen, in denen ein Defekt unser gesamtes Programm gestoppt hat, da es beispielsweise vergeblich auf die Antwort eines nicht vorhandenen Sensors gewartet hat. Durch das Hinzufügen von maximalen Wartezeiten auf Sensoren wird ein defekter Sensor übersprungen, damit alle anderen Systeme ungestört weiter laufen können.

Parallel wurde vormittags auch noch der letzte Sensor programmiert, was bedeutet dass wir beginnen können, unseren Haupt-Code zu schreiben, welcher all unsere Programme kombiniert. Dies ist notwendig, da ein Microcontroller nicht mehrere Programme gleichzeitig unabhängig voneinander ausführen kann. Um es sehr vereinfacht dazustellen kann man sich den Haupt-Code als das Betriebssystem wie auf einem Computer vorstellen, welches es ermöglicht mehrere Programme gleichzeitig zu starten.

Im unten angefügten Foto des Haupt-Codes rufen wir die Funktionen in unseren individuellen Programmen für die Sensoren ab, welche dank exzellenter Kommunikation innerhalb des Teams alle nach dem gleichen Schema funktionieren und für hervorragende Übersichtlichkeit genormte Namen tragen. Nun haben wir uns daran gemacht, alle Sensoren gleichzeitig anzuschließen, wobei etwas Spaghetti-Kabelnara entstanden ist.

Hier wurden alle Sensoren zum ersten Mal vereint

Zu diesem Zeitpunkt haben sich unsere eingebauten Selbsttests bereits gelohnt, da uns der Controller gemeldet hat, dass der Temperatursensor nicht funktionsfähig ist. Einige Tests haben uns gezeigt, dass der Temperatursensor einwandfrei funktioniert wenn er isoliert läuft, worauf wir innerhalb von wenigen Minuten auf eine Interferenz der Codes am benutzten Anschluss schließen konnten. In sehr geringer Zeit konnten wir somit alle Sensoren in einem Code ansteuern, genau wie es auch in der Mission passiert. Was unser Programm nun noch vom endgültigen Code unterscheidet, ist dass wir alle Werte am Computer angezeigt bekommen, anstatt dass wir diese auf zwei redundanten Speicherkarten dokumentieren.

Haupt-Code. Links die gemessenen Werte, rechts unser Haupt-Programm

Bei genauerem Betrachten fällt außerdem auf, dass die Werte unserer vier Temperatursensoren nicht übereinstimmen. Sobald wir Zugang zu präzisen Messgeräten haben, können wir unsere Sensoren daran kalibrieren.

2021
Nov
2

Bericht 02.11.2021

Unser zweiter gemeinsamer Arbeitstag begann mit dem Aufbau eines 3D-Druckers, mit dem Teile der Außenhülle unserer Sonde gedruckt werden sollen.

Nebenbei begann ein Teil des Teams unsere Sensoren mit dem Rasperry Pi zu programmieren, wobei jedoch unerwartete Probleme auftauchten. Aus diesem Grund entschieden wir uns vom Raspberry Microcontroller zu einem Arduino zu wechseln, mit dem schon mehr Teammitglieder Erfahrungen im Programmieren gemacht hatten.

Neuer Arduino-Microcontroller

Nach diesem Wechsel fingen wir mit der Programmierung der meisten Sensoren an und erzielten teilweise schon sehr gute Auslese-Ergebnisse. Während einige Mitglieder mit dem Programmieren beschäftigt waren, arbeiteten andere weiter am 3D-Modell der Hülle und wir konnten zum Schluss auch schon das erste, zu Testzwecken ausgedruckte Teil betrachten.

3D-Drucker eines Teammitgliedes
Erste Druckversuche
2021
Nov
1

Bericht 01.11.2021

Am Montag dem 01.11.2021 trafen wir uns um gemeinsam die Planung unseres CanSat’s weiter voran zu bringen und Arbeitsaufträge aufzuteilen.
Zunächst packten wir alle angekommen Teile aus und sortierten sie.
Daraufhin gingen wir unsere Zweite Mission noch einmal durch und stellten einen detaillierten Plan für unser Ventil-System auf.
Da diese Teile aber noch nicht angekommen waren konnten wir daran noch nicht weiter arbeiten und keine Tests mit der Pumpe und den Ventilen durchführen.
Daher erstellten wir erstmal ein Github Repository um alle Aufgaben die erledigt werden konnten zu verteilen und zu organisieren.

Raspberry Pi pico

Während ein Teil des Teams die Microcontroller vorbereitete, damit die Sensoren getestet werden konnten, beschäftigten sich andere Teammitglieder genauer mit der Struktur unserer Sonde und konstruierten ein erstes Konzept für die Außenhülle, welche in eine Struktur aus mehreren Etagen aufgeteilt sein soll, damit Änderungen leichter und Materialsparender mit eingearbeitet werden können.

de_DEDeutsch