Teaching/PS/2016

Studienprojekt: Planung und Start einer Stratosphären-Sonde

Unser Motto: Studenten fliegen ins All1'''

1 Strenggenommen kommen wir nicht ganz dorthin, weil der Weltraum erst bei 100 km Höhe beginnt, wir aber maximal 36 km Höhe erreichen werden. Die Erdkrümmung kann man dort aber schon sehen. Siehe auch die Kritik auf http://www.thespacereview.com/article/1726/1.

News

  • Der Starttermin muss wegen ungünstiger Windprognosen verschoben werden. Ein neuer Termin wird hier rechtzeitig angekündigt.
  • Es gibt nun eine Übersichtsseite mit allen wichtigen Informationen für die Funkamateure und die allgemeine Öffentlichkeit

Überblick

Privatwirtschaftliche Ansätze für Flüge in das Weltall haben in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. Im vorliegenden Studienprojekt werden wir eine eigene Sonde konzipieren, bauen und tatsächlich starten, die bis in ca. 36,000 m Höhe aufsteigen und damit die Stratosphäre erreichen soll. Die Sonde wird auf einem kommerziellen Wetterballon basieren und auf ihrem Flug Daten wie Position, Höhe, Luftdruck, Temperatur und Luftfeuchte messen sowie hochauflösende Bilder mit einer digitalen Kamera aufzeichnen. Am Ende des Flugs soll die Sonde an einem Fallschirm zur Erde zurückkehren. Anschließend werden wir die gewonnenen Daten mit modernen Software-Werkzeugen auswerten, grafisch darstellen und mit vorher aufgestellten Hypothesen vergleichen.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/83/Picture_taken_at_aprox._100%2C000_feet_above_Oregon_by_Justin_Hamel_and_Chris_Thompson.jpg Aufnahme in ca. 30000 m Höhe über dem US-Bundesstaat Oregon (Bildnachweis: Justin Hamel und Chris Thompson)

Lernziele des Studienprojektes

  • Projektmanagement
  • Grundlagen experimenteller Forschung
    • Definition von Forschungsfragen
    • Wahl einer Untersuchungsmethode
    • Datenerhebung und Auswertung
  • Rechtliche Probleme privater und kommerzieller Höhenforschung in Deutschland
  • Technische Grundlagen von Wetterballons als Höhensonden
  • Entwurf, Bau und Test einer Datenerfassungskomponente
  • Grundagen der Telemetrie
  • Vorhersage, Ortung und Bergung der Nutzlast
  • Datenauswertung mit Python

Teilnahmevoraussetzungen

Das Studienprojekt ist sowohl für WOW als auch WIINF geeignet. Gäste aus anderen Studiengängen (insbesondere LRT und Informatik) können auf Anfrage gerne mitwirken.
Hinweis: Die Natur dieses Studienprojektes erfordert es, dass Teilnehmer ein hohes Maß an Arbeitseinsatz und Eigeninitative mitbringen. Empfehlenswert sind ferner Interesse und Vorkenntnisse in Physik, Informatik und Elektrotechnik. Wir streben ein interdisziplinäres Team an, sodass auch Teilnehmer mit einem Interessensschwerpunkt im öffentlichen Recht, quantitativen Methoden oder im Projektmanagement geeignete Aufgaben finden werden; allerdings muss die Gruppe auch an technischen Fragestellungen arbeiten; natürlich unter Anleitung der Professur.

In anderen Worten: Nerds, Hackers & Makers welcome!

Materialien

Teilnehmer

Wir haben mit der Arbeit an diesem Projekt im WT 2016 begonnen. Die technische Komplexität der angestrebten Lösung ist im Laufe der Arbeit allerdings so angewachsen, dass wir die Sonde nicht fertigstellen und starten konnten. Seit dem WT 2018 arbeitet ein neues Team an der Finalisierung der Sonde, der Planung und Durchführung des Starts und des Data-Science-Workflows für die Auswertung der Daten.

Team 2016 (Entwurf, Planung und Bau der Hardware)

  1. Bleschick, Philipp Paul (Lead: "Flight")
  2. Büscher, Norman (Lead: "Recovery")
  3. Lambert, Patrick Gilbert (Lead "Legal and Project Office")
  4. Lehmann, Robert (Lead "Sensor and Telemetry")
  5. Ruof, Kevin Kay Helmut (Lead: "Ground Control")

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Team 2018 (Fertigstellung, Start und Datenanalyse)

  1. Ketteler, Luca
  2. Müller, Michael
  3. Pulvirenti, Justin
  4. Schulz, Maximilian
  5. Selinka, Benedikt

Ablauf und Logistik

Allgemeines

  • WT2016: wöchentliche Treffen der Projektgruppe entweder donnerstags, 8:30 - 11:00 oder mittwochs, 14:00 - 16:00 im Gruppenraum 36/1134 (nach Absprache).
  • Das nächste Treffen findet am Montag, den 6.6.2016 von 15:30 - 18:00 statt.
  • Ein Schlüssel für den Gruppenraum ist im Dekanat hinterlegt.

Termine

  • 14.01.2016, 8:30 - 11:00: Kick-off-Meeting, Raum 36/1134
  • 21.01.2016, 8:30 - 10:00 Einführung in die Literaturarbeit, Raum 36/1134
  • 03.02.2016, 14:00 - 16:00 Themenvergabe und Zitationsrichtlinien, Raum 36/1134
  • 03.02.2016: Bearbeitungsbeginn für die Literaturarbeit
  • 02.03.2016: Abgabetermin für die Literatur (per eMail) bis 23:59:59 Hawai Standard Time
  • 17.-30.6.2016: Geplanter Start der Sonde
  • 31.07.2016: Abgabetermin für den Abschlussbericht

Informationen zur Literaturarbeit

Materialien

  • Umfang: 5 Seiten gemäß Formatvorlage.
  • Vorlage (Word) (Deutsch)
  • Vorlage (Word) (English)
  • Hinweise zur Anfertigung von wissenschaftlichen Arbeiten (Folien): PDF
  • Wissenschaftliches Arbeiten: Zitation und Umgang mit Quellen (Folien): PDF

Themen

2016

  1. Physikalische Grundlagen von Wetterballons (Büscher, Norman)
  2. Rechtliche Aspekte beim Start von Wetterballons (Lambert, Patrick)
    • Öffentlich-Rechtliche Probleme
      • Auch: Luftbildaufnahmen
    • Privatrechtliche Probleme
      • Auch: Recht von Personen an Bildaufnahmen; Bilder von privatem Grund; Betretungsrecht bei der Bergung
  3. Stabilisierung und Lageregelung der Nutzlast eines Wetterballons (Bleschick, Philipp Paul)
  4. Autonome Datenerfassung mit Kleinstcomputern (Lehmann, Robert)
  5. Planung des Starts eines Wetterballons (Ruof, Kevin)

2018

tbd

Agenda und Termin für das nächste Treffen

  • Termin: Startbesprechung: 30.8.2016, 12:00 - 15:00 Raum 36/1134 (Gruppenraum)
  • Aufgaben: Siehe Protokoll in Dropbox

Aufgaben

Erledigt

  • DONE Präsentation "Einführung ins Projektmanagement" (Ruof) [PDF]
  • DONE Präsentation "Effektive Meetings" und Vorlage für Protokoll (Büscher)
  • DONE Raspberry Pi: Basic Setup, LED, Temperatursensor einlesen und in Datei schreiben (Lehmann)
  • DONE Präsentation "Ablauf des Genehmigungsverfahrens" (Lambert)
  • DONE Gerüst für Abschlussbericht in Google Docs anlegen (Stolz)
  • DONE: Gantt-Diagramm Gesamtprojekt: Überblick: Aktivitäten, Meilensteine und Abhängigkeiten (Lambert/Ruof)
  • DONE: Analyze von "Pi in the Sky" (Büscher)
  • DONE: Klären mit DFS: Radarreflektor nötig? Bauform? (Lambert)
  • DONE: Klären mit Meterologen oder anderen Projektgruppen: Günstige Monate, günstige Tageszeit? (Lambert)
  • DONE: Klären mit DFS: Wo sind Zonen, die wir beim Start/Landung meiden müssen? (Lambert)
  • DONE: Preise und Lieferzeiten für alle Sensoren ermitteln (Bleschick)
  • DONE: Kühlschranktest: Messreihe + Auswertung (Lehmann)
  • DONE: Tabelle Komponenten mit Gewicht und Stromverbrauch (Schätzung, tatsächlich) - Excel-Template + Daten - Dropbox
    • Kamera, Rechner, Gehäuse, Fallschirm,.…
  • DONE: Bericht und Empfehlung und Internetrecherche: Sensorauswahl GPS, Luftdruck, Temperatur, Luftfeuchte, Kompass, Gyroskop/Accelerometer (Bleschick)
  • DONE: Tool für Backup der microSD-Karte
  • DONE: Power Management Raspberry installieren (Taster + Software + automatisch starten)
  • DONE: SSH-Zugang absichern
  • DONE: LED und Sensor + Taster
  • DONE: Teamfoto (alle)
  • DONE: Projektplan
  • DONE: Ballonmodell auswählen
  • DONE: Energieversorgung konzipiert
  • DONE: Startort und Startdatum festlegen
  • DONE: Grobplanung der Sonde: Komponenten + Gewicht + Energie
  • DONE: Dropbox (read-only) für alle Projektmaterialien
  • DONE: Kostenplan: Komponenten + Preise
  • DONE: Sensorauswahl: Tabelle Anforderungen + Datenblätter: Gemessene Größe, minimaler Messwert, maximaler Messwert, minimale Betriebstemperatur, maximale Betriebstemperatur, minimaler Umgebungsdruck, Genauigkeit, Versorgungsspannung, Stromverbrauch mittel, Stromverbrauch Peak, Schnittstelle, Kosten, Gewicht, Einbauposition (innen/außen)
  • DONE: Sensorauswahl: Tabellen Kandidaten mit aktuellen Werten
  • DONE: Sensorauswahl: Datenblätter in Literaturverzeichnis aufnehmen.
  • DONE: Sensorauswahl: Telefonate / Email Einsatzempfehlung und Eignung für alle Sensoren
  • DONE: Projektplanung initial
    • Projektziele (Lambert/Ruof)
    • Rahmenbedingungen (Lambert/Ruof)
    • Meilensteine definieren (Lambert/Ruof)
    • Gantt-Diagramm: Genehmigungsverfahren inklusive Dienstrecht (Reise / Bergung) (Lambert)
    • Gantt-Diagramm: Beschaffung zentraler Komponenten: Ballonhülle, Gas (Bleschick)
    • Gantt-Diagramm: Konstruktion und Test der Sonde (Büscher)
  • DONE: Git / Github für alle Komponenten (Hepp/Stolz)
  • DONE: Präsentation: APRS
  • DONE: Prüfen, ob Spezialschnur erforderlich: https://www.stratoflights.com/shop/spezialschnur/: Ja, Schnur darf maximal eine Bruchlast von 230 N haben, sonst wird der Ballon gemäß DVO 923/2012 Anlage 2 Ziffer 1.1 als "schwer" klassifiziert.
  • DONE: Detailproblem: Antenne VHF Verfolgerfahrzeug; Diamond NR770HB SCHWARZ Duoband-Strahler PL
  • DONE: Detailproblem: Trocknungsmittel + Auffangen von Kondenswasser: Elektronik sitzt auf Stützen, saugfähiges Material am Boden (Haushaltsschwamm o.ä.). Von Trocknungsmittel (Silicagel) sehen wir ab, weil dies auch Feuchtigkeit speichern und in größerer Höhe / bei sinkender Temperatur wieder abgeben könnte.
  • DONE: Detailproblem: Antenne - Bauart: Dipol, Monopol, Groundplane: Abstrahlcharakteristik, Gain, Polarisation: Wir haben eine 1/4-Lambda-Groundplane aus Hülsen für Modellbau-Bowdenzüge mit innenliegender Kupferlitze 0,75 mm2 gebaut. Die Antenne wird unten an der Sonde sitzen. Der Einfluss der Hülsen als Dielektrikum auf die Antenne wird bei der Abstimmung noch berücksichtigt. Die Radiale liegen aus konstruktiven Gründen rechtwinklig zum Strahler. Ggfls. müssen noch Maßnahmen zur Anpassung der Impedanz vorgesehen werden.
  • DONE: Anzahl, Art und Position der Kameras entscheiden: Wir verwenden drei Raspberry-Pi-A+-Module mit Raspberry-Kameras am CSI-Port, dies vom Gewicht und Stromverbrauch her eine günstige Lösung darstellt. Zwei der Raspberries sind reine "Slave"-Module, die nur Videos aufzeichnen, wenn sie per GPIO gestartet werden. Zur Zeitsynchronisierung und Einblendung der GPS-Daten wir die TX-Leitung des GPS auf alle drei Raspberries verteilt, ggfls. mit einer nicht-invertierenden Puffer-/Treiberschaltung. Eine Kamera mit Weitwinkel-Optik schaut zum Horizont, die beiden anderen nach oben (Fallschirm und Ballon) und nach unten (Luftbild, Start). Für SSTV steht nur die Kamera zum Horizont zur Verfügung.
  • DONE: Detailproblem: Exposition Kamera - 40 ... -60 Grad; Sichtfenster + Silikon oder offen lassen (Beschlagen vs. Beschädigung): Wir werden die Kameras direkt von innen an eine Öffnung in der Styroporhülle setzen und keine Zwischenwand (z.B. optisches Glas) einsetzen. Das Risiko des Beschlagens ist größer als das Risiko, dass die Linsen oder Elektronik Schaden nehmen. Außerdem wird die zurückgesetzte Position hinter einem Kragen aus 30 mm Styropor einen Teil der Kälte zurückhalten.
  • DONE: Batterien in Luftpolsterfolie? Nein, da diese in großer Höhe platzen könnte.
  • CLOSED: Design GPS-Antenne, siehe auch https://www.u-blox.com/sites/default/files/products/documents/GPS-Antenna_AppNote_%28GPS-X-08014%29.pdf?utm_source=en%2Fimages%2Fdownloads%2FProduct_Docs%2FGPS_Antennas_ApplicationNote%28GPS-X-08014%29.pdf
  • CLOSED: Detailproblem: Serielle Schnittstelle für Überwachung bei Start: Wir haben ohnehin keine UART-Schnitstelle mehr frei. Wir verlassen uns auf APRS und Status-LEDs sowie Tests.
  • DONE: OS Raspian Jessie Lite neu aufgesetzt, I2C und 1-Wire konfiguriert
  • DONE Pegel des GPS-Moduls ausgemessen (NEO 6 in China-Verpackung): Vcc 3.3 - 5 V; Vtop TX: 3.34 V. Man kann dieses Modul also risikolos direkt (ohne Pegelwandler) an die UART-Schnittstelle des Raspberry Pi anschließen (der nur 3.3 V, kein TTL verträgt).
  • DONE: Tiefpassfilter vermessen und abgestimmt (LPF 1 + LPF 2)
  • DONE: Antenne abgestimmt (auf Frequenz) und angepasst (an Impedanz), und SMA-Kabel vermessen
  • DONE: Besichtigung der Amateurfunkstation der UniBwM
  • DONE: Raspian Jessie konfigurieren, updaten

check this - https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?t=97314

siehe http://www.raspberrypi-spy.co.uk/wp-content/uploads/2013/05/Raspberry-Pi-Camera-Module-Diagram.pdf

  • DONE: Wasserschutz: Ring um Antenne, Schwammtuchstücke
  • DONE: Sockel für Board bauen + einkleben + dort Löcher bohren M3,2
  • DONE: Tischtennisball an Antennenspitze festkleben
  • DONE: UART2: auf Kamera-2-Platte schrauben
  • DONE: LPF mit Bügel befestigt
  • DONE: PP-Träger für autonome Kameramodule montiert
  • DONE: Voltmeter montiert
  • DONE: Kameramodule 2 und 3 testweise montiert

DONE: * Gehäuse für Sonde entwerfen und bauen

    • Anforderungen
      • Stoßschutz (ggfls. Luftpolsterfolie -> nicht wg. Berstgefahr)
      • Feuchteschutz (Elektronik auf Sockeln, Schwammtuch am Boden ca. 1cm hoch)
    • Kurzeinführung Technisches Zeichnen (Sichten, Bemaßung, Beschriftung, ...)
    • Positionen für Kamera / Kameras und Sensoren festlegen
    • Materialwahl (Styropor oder Styrodur), Festigkeit, Gewichtsberechnung
      • Wir haben Styropor d=30 mm gewählt
    • Prototyp bauen
    • Inhalte wie in Komponentenliste, insbesondere
      • 1 -3 RBPi A+ mit 1 - 3 Kameras
      • Batteriehalter 8 x Mignon (Reichelt lang)
      • 2 Spannungsregler - 5 x 2 x 3 cm3
      • Soundmodem (Adapter Soundkarte-Transceiver)
      • VHF-Sender / Transceiver mit Tiefpass
    • Antenne (Groundplane mit Bowdenzughalterungen; Tischtennisball an Spitze zum Schutz vor Verletzungen)
      • Sockel zur Fixierung des Strahlers - Lötstelle dort ist kritischer Schwachpunkt, besonders bei Aufprall)

  • DONE: Präsentation: Messfehler - Grundlagen und Maßnahmen

  • DONE: Präsentation: SSTV

  • DONE: Sondenkörper mit geeignetem Lack orange ansprühen

  • DONE: UniBwM-Amateurfunkstation besichtigen: Termin, Durchführung

  • DONE: Detailproblem: Antennenanpassung: LPF 160..180 MHz, SWR-Messung, Gain

  • DONE: Detailproblem: Sondengehäuse konstruieren, bauen und testen

    • Anforderungen: leicht, dämmend, ohne größere Gaseinschlüsse, stabil
    • Styrodur(R) oder Styropor(R)
    • Form: Würfelform oder Kugelform; Würfel ist kompakter und dadurch hebt sich der Vorteil einer Tropfen- oder Kugelform vermutlich wieder auf
    • Befestigung am Ballon: rotationstolerant!

  • DONE: Detailproblem: Wärmequelle? Vermutlich nicht nötig, da Abwärme von Elektronik + Dämmung

  • DONE: Detailproblem: NF-Ankoppung DRA818-Raspberry:

    • Audio intern oder USB?
    • Über Trenntrafo oder Kondensator / Spannungsteiler?
    • Gelöst mit Trennkondensatoren und Trimpoti (Modulationsgrad noch justieren)
  • Beschaffung essentieller Komponenten
    • DONE: Vorgespräch
    • DONE: Materialanforderung ausfüllen
    • DONE: Angebote anfordern
    • DONE: Warten auf Angebot
    • DONE: Dann offizielle Materialforderung
    • DONE: Materialanforderung Helium (Termin 31.8.2016, 8:00)
  • Versicherung, z.B. http://www.versicherungen-werner-hahn.de/wetterballon-versicherung.html (Hepp)
  • DONE: Anträge für Genehmigungen verfassen
    • DONE: Antrag Luftfahrtamt
    • DONE: Genehmigung UniBwM
    • DONE: Genehmigung Amateurfunk / Bundesnetzagentur Nutzung oder Zuteilung Amateurfunk-Rufzeichen für technisch-experimentelle Zwecke gem § 16 Abs. 2 AFuV
      • DONE: Telefonat ASt. Mühlheim
      • DONE: Klubrufzeichen UniBwM verwenden?
      • DONE Antrag: Merkmale: Frequenzen, Modulationsart, Betriebsart, Leistung, Antenne, Einsatzort und Terminfenster (2- 8 Wochen)
      • Ggfls. Formular hier
    • DONE: Genehmigung DFS
      • Für leichte Ballons in unserer Startzone nicht mehr erforderlich.

Offen

Priorität

    • Detailplanung Startort und Startzeit
      • Uhrzeit für Start: So, dass wenig Thermik im Sinkflug
      • Flugroute mit verschiedenen Annahmen
      • Hochspannungsleistungen
      • Verkehrswege (BAB + Eisenbahn)
      • Startphase: Steigrate bei verschiedenen Bodenwinden (alle Windrichtungen wg. Bodenwinden) -> Karte mit Umkreis
      • Digipeater in Flugphase
  • Gehäuse für Sonde entwerfen und bauen
    • Maßstäbliche Zeichnung mit Aussparungen für Kameras 1, 2 und 3, Antenne
    • Sockel für Trägerplatte einkleben
    • Schwammtücher am Boden befestigen (Stecknadeln)
    • Beschriftung finalisieren und montieren: Handynr. Rufzeichen, Finderlohn, Eigentumshinweis, wissenschaftlich-technisches Experiment
    • Öffnungen und Passringe Kameras 1 - 3 anbringen
    • Temperatursensoren extern und Luftfeuchte extern montieren
    • GPS montieren
    • Halterungen Fallschirm
    • Prototyp oder Nachbau mechanisch testen
      • Zug
      • Druck
      • Torsion
      • Treppensturz
      • Freier Fall aus 10 m Höhe mit 700 g Ballast im Innern
  • Sonden-Hardware finalisieren
    • Übersichtsplan
    • Schaltpläne für Komponenten
      • Energieversorgung
      • Sensorik / Raspberry-Hat
      • Transmitter-/HF-Teil mit Soundmodem
  • Sonden-Software finalisieren
    • Funktionen
      • Initialisierung inklusive GPS in "High Altitude"-Modus versetzen
      • Selbsttest (alle Sensoren liefern gültige Werte; Energieversorgung, Bildaufnahmen valide)
      • Datenerfassung
      • Powermanagement
      • Video- und Bildaufnahmen
      • APRS
      • SSTV
    • Entwicklung
    • Test
    • Freigabe und Freeze
  • Hard- und Software für Überwachung von Start, Flug und Landung
    • APRS per VHF-Transceiver und Fahrzeugantenne mit einfacher Visualisierung
    • "Mission Control"-Webapplikation, die alle aktuellen Daten von aprs.fi, SSTV und Direktempfang darstellt

Sonstige

  • Energieversorgung konstruieren, bauen, testen (Hepp/Stolz)
    • Anforderung und Dimensionierung
    • Schaltplan
    • Prototyp
    • Test
  • Bau des Sondenkörpers
    • Materialbeschaffung
    • Bau
    • Befestigung Komponenten klären
    • Beschriftung
  • Antenne planen und bauen und testen (unter Aufsicht)
  • Checkliste Startvorbereitung und Start
  • Detailproblem: Position und Einbau für Sensor für Außentemperatur klären (z.B. reflektierendes Rohr an Unterseite, aber Achtung: RF-Reflektionen)
    • Entwurf
    • Prototyp
    • Test an sonnigem Tag mit Wind oder Ventilator (hohe Einstrahlung vs. Konvektion)
  • Startbedarf: Windsack, Federkraftmesser 0 - 3 kg, Genauigkeit besser 10 g (für Befüllung), Briefwage für Sonde, Plane, Handschuhe, Windmesser, Trassierband + Pfosten, Campingtisch + Stühle
  • Tabelle Komponenten noch polieren: Endgültige Liste, Verbrauch eigene Spalten min, max, duty cycle, avg; Gewichte nachwiegen
  • Klären mit DFS: Seilstärke / 230 N? (Lambert) --> MH: Muss weniger als 230 N sein, sonst keine leichte Sonde mehr.
  • Raspberry Pi weiter (Lehmann)
  • ADC installieren, LDR + PTC/NTC, Luftdrucksensor + Meßergebnisse
    • Ein Python-Programm und eine Schaltung für Messung der Tastatur, Blinken, Schreiben in Datei mit Zeitstempel, Schleife, bis Taste gedrückt oder Rechner heruntergefahren
    • Python-Programm direkt über Namen starten (Rechte + Startzeile)
    • Programm direkt beim Booten des Rechners starten (dazu Skript schreiben + automatisch starten)
    • Ziel: Automatischer Start der Meßwerterfassung für alle Sensoren beim Einschalten, Zeitstempel, LED-Indikator, regelmäßiges Schließen der Datei, sicheres Power-Down per Taste
  • SSTV Pretest
  • APRS planen und implementieren (Hepp/Stolz)
  • Maßstäbliche Zeichnung der Sonde: Ballon, Seil, Reflektor, Nutzlast - Dropbox
    • Abstand zum Fallschirm noch klären und einzeichnen; Flügel weglassen
  • Projektplan aktualisieren (wöchentlich, Lambert/Ruof)
    • Aktivitäten hinzufügen / als erledigt markieren
    • Termine prüfen / aktualisieren
  • Startsimulation 2 Wochen vor Start
    • Checklisten durchgehen
    • Sonde in Betrieb nehmen
    • Empfang Telemetrie prüfen t >= 4 h
    • Auswertung aller Daten Video + Sensoren prüfen
    • Ortung mit GPS Tracker prüfen
  • Datenauswertung mit Matplotlib & IPython
    • Test mit Daten der Startsimulation
    • Final für Echtdaten nach Bergung

Kleinere Aufgaben

  • Checklisten formattieren +Klemmbretter für Start + Partnercheck-Felder/Notiz (einer fragt/dokumentiert, ein anderer prüft)
  • Checklisten: Alles unter Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License veröffentlichen: Text, Logo hinzufügen, Google Doc read-only mit Autorenangabe, Sicherstellen, dass keine Texte von anderen übernommen wurden; Links zu Projektseite hinzufügen.
  • Detailproblem: Daten in FAT-Partition (nicht ext4) schreiben, damit man sie direkt auf OSX- oder Windows-Rechner lesen kann.
  • Detailproblem: Redundanz vorsehen und dokumentieren und Risikoabschätzung: Power, Fallschirm, Ortung
  • Detailproblem: Sensoren Temperatur-Analog, Zellspannung, Stromverbrauch kalibrieren
  • Detailproblem: Validieren, dass die tatsächlich verwendeten SD-Karten und USB-Sticks eine ausreichende Bandbreite für die Video- und Datenströme haben. Dabei muss man auch beachten, dass dies 1. von der Klasse der SD-Card (z.B. Class 4, 6 oder 10), 2. von der Framerate, 3. der Kodierung/Kompression und 4. eventuell auch von dem Videosignal abhängt.
    • Siehe auch diese Tabelle mit gemessenen Raten für verschiedene Fabrikate.
    • Prüfen im tatsächlichen Betrieb mit tatsächlichen Auflösungen und Framerates und mit den tatsächlichen USB-Sticks.
  • Detailproblem: Speicherbedarf berechnen für Videos, Standbilder, Daten, Logdatei
    • Für Videos kleine Tabelle, welchen Speichervebrauch wir pro Minute Flugzeit bei verschiedenen Auflösungen und Frameraten haben.
  • Detailproblem: Sollen / müssen sich die Kameras abschalten, wenn die Sonde gelandet ist? Sobald wir im Bergemodus sind, sollten wir Energie sparen und außerdem könnte der Speicherplatz ausgehen, wenn wir mehrere Stunden suchen. (Lösungsidee: Bei vollem Speicher muss sich die Kamera sowieso ausschalten; das andere Herunterfahren sollte dann meine Management-Komponente regeln - sie kann Deine Kameras ja per GPIO herunterfahren).
  • Detailproblem: Prüfen, dass Spannung an Testpunkten TP1 and TP2 am RBPi auch unter Last nie unter 4.75V fällt, um Probleme mit SD-Karten zu vermeiden.
  • Detailproblem: Mit SDR prüfen, dass keine Störungen im Bereich der GPS-Frequenz 1.57542 GHz (L1 signal) durch Transceiver (sowohl APRS- als auch SSTV-Frequenz), Raspberry Pis und Stromversorgung (Wandler).
  • Detailproblem: GPS in simulierter großer Höhe testen (UniBwM)
  • Detailproblem: Evtl. Fuchsjadsmodus in Sendepausen, wenn Höhe < 750 m ü NN (erleichtert Ortung im Maisfeld), SSTV mit 50 % Duty Cycle aber eigentlich auch okay
  • Detailproblem: Verkraftet DRA818V den Duty Cycle durch SSTV (36 sec pro Minute bei einem Bild pro Minute)?
  • Detailproblem: Flaschenwagen
  • Detailproblem: Druckminderer und Anschlußschlauch/Stutzen
  • Bedarf für Start: Plane, Windmesser, Kraftmesser oder Taragewichte (für Faktor 1.5), Tisch + Stühle, Antenne, Verfolgerfahrzeuge
  • Schulung und Checkliste Handhabung Druckgasflaschen
  • Prepaid-SIM-Karten für Tracker und Bodenstation beschaffen
  • Übergang Druckminderer-Ballon klären - kurzes Schlauchstück oder spezielle Füllvorrichtung?
  • Befüllen und Abbinden des Ballons klären, besonders: Knotenart; Abstand zum Fallschirm (Verwicklung vermeiden), siehe auch S. 19 in http://www.vaisala.de/Vaisala%20Documents/User%20Guides%20and%20Quick%20Ref%20Guides/Vaisala%20Radiosonde%20RS92-SGP%20Benutzerhandbuch_M210295DE-J.pdf.
  • Fallschirm: Sinkgeschwindigkeit berechnen, z.B. http://descentratecalculator.onlinetesting.net/
  • Auswahl der Füllmenge: Regel und Vorgehensweise (z.B. bis Auftrieb 150 % der Nutzlast), aber begründet + Meßinstrumente. Eine hohe anfängliche Steigrate minimiert das Risiko, die Landesgrenzen zu verlassen.
  • Detailproblem: SSTV aus Bundeswehrgelände?
  • Detailproblem: SSTV-Frequenz und Duty Cycle im 2m-Band, siehe auch https://www.darc.de/uploads/media/Bandplan_2m_Stand_10_2009_04.pdf
  • Detailproblem: Interface und Poll-Rate für 9 degrees of freedom sensor LSM9DS1 - i2c collisions vs use separate SPI interface just for this sensor
  • Detailproblem: Befüllen des Ballons:
  • Detailproblem: Beschriftung Sonde - vgl. auch http://www.dwd.de/DE/service/lexikon/begriffe/R/Radiosonde_pdf.pdf?__blob=publicationFile&v=5
  • Detailproblem: Test / project memory consumption: RAM and SD card and USB sticks and throughput vs. video data
  • Detailproblem: Check Totex Balloon Burst Estimator – Steve Randall
  • Detailproblem: Fallschirm / Sinkrate berechnen, http://descentratecalculator.onlinetesting.net/
  • Detailproblem: Dienstreiseantrag + Fahrzeug mit Gastransport
  • Detailproblem: Routine für Video-Aufzeichnung HD-Video + HQ Still Image + SSTV Bild mit Beschriftung
  • Detailproblem: Einschalter für Stromversorgung - Erschütterungsfest
  • Detailproblem: Fehlerabfang Software: Speicher voll, nicht verfügbar, Sensor-Timeout, ...
  • Detailproblem: Prüfen "Nutzlast: mehr als 500g Nutzlast sind genehmigungs- und versicherungspflichtig" - stimmt das noch?
  • Detailproblem: Vereisung und Beschlagen der Linse, vermutlich abhängig vom Wetter
  • Detailproblem: Gewicht S.USV-Modul erfragen / wiegen
  • Detailproblem: PATH-Konfiguration für APRS, vermutlich WIDE 2-1, siehe http://www.arhab.org/aprs
  • Detailproblem: Nahfeldversorgung mit APRS Digipeater ausreichend ?
  • Detailproblem: Batterien in Halter gut fixieren (Gummiband oder Panzertape), USB-Kabel an RBPi fixieren + Schlaufe zur Entlastung
  • Detailproblem: Erwärmung Batteriehalter bei hohem Entladestrom? Prüfen!
  • Detailproblem: APRSMap auf Rechner installieren, mit Karten für DE/AT versehen und Empfang testen
  • Detailproblem: Evtl. Haupt-Rechner und Kameramodule auf PiCore migrieren oder Raspian auf USB-Stick mit kleiner Bootpartition. Bei PiCore könnte dann auch die USV wegfallen, wenn der Rechner nach Spannungseinbruch in jedem Fall sicher wieder hochfährt.
  • Detailproblem: Sensoren liefern Daten in unterschiedlichen Intervallen; sie sollten daher in unterschiedlicher Häufigkeit ausgelesen, gespeichert und übertragen werden. Z.B. benötigen wir für die Accelerometer- und Gyroscope-Daten eine hohe Abfragerate, für die Batterietemperatur nur eine geringe.
    • Abfragerate für jeden Sensor ermitteln
    • In Software berücksichtigen
    • Bei Telemetrie bedenken
  • Detailproblem: Man kann evtl. die Bootpartition auf der SD-Card als read-only konfigurieren, um Probleme (korrumpierte SD-Card durch Spannungsschwankungen etc. zu minimieren). Vielleicht aber auch nicht nötig.
  • Öffentlichkeitsarbeit

Einzelprobleme

Definition der Mission

  • Projektziele
    • Zwingend für Erfolg
      • Vorliegen aller Genehmigungen - OK
      • Beschaffung aller Teile und Materialien - OK
      • Bau und Test der Sonde
      • Start der Sonde und Erreichen einer Höhe > 20 km
      • Sichere Landung in günstigem Terrain innerhalb der Bundesrepublik Deutschland
      • Erfolgreiche Bergung
    • Wünschenswerte Ergebnisse
      • Maximale Flughöhe (> 35 km)
      • Minimale Flugdistanz, besonders im Sinkflug
      • Durchgehende Videoaufnahme mit Ton
      • Zeitgestempelte Daten
        1. Position (lat, long)
        2. Höhe
        3. Steig-/Sinkrate
        4. Luftdruck
        5. Luftfeuchte
        6. Außentemperatur
        7. Innentemperatur
        8. Batteriespannung
        9. Batterietemperatur
        10. Entladestrom
        11. Kompass
        12. Gyroskope X, Y, Z
        13. Accelerometer X, Y, Z
        14. evtl. GPS-NMEA-Rohdaten (z.B. Anzahl Sateliten)
      • Laufende Übertragung der Daten während der gesamten Flugdauer
      • Auswertung der Daten und Vergleich mit Hypothesen
        • Geschwindigkeit im Aufstieg und Fall
        • Ausrichtung der Sonde zum Erdmagnetfeld (Kompass)
        • Innentemperatur, Batterietemperatur, Stromverbrauch
        • Neigung und Schwingverhalten der Sonde
        • Ausbreitung der Funkwellen
    • Optionale Ergebnisse

Projektmanagement

Grobplanung der Sonde

  • Gewicht
    • Tabelle Bauteile und Komponenten
  • Form
    • Stabilisierung im Aufstieg (z.B. Flügel)
    • keine Angriffsfläche im Fall (spricht gegen Flügel und eine rechteckige Bauform aus Styropor)
  • Pendeln der Sonde am Ballon
    • Langes Seil - längere Schwingungsdauer (?) (aber auch: leichter zu bergen)
    • Kurzes Seil - Probleme beim Ausdehnen des Ballons (aber auch: geringeres Risiko für Kontakt mit Überlandleitung)

Auswahl des Ballons und der Füllung

Status: Ballon mit 1600g Tragkraft, Füllmenge abhängig vom Endgewicht der Sonde (800 - 1100 g) sowie der Windgeschwindigkeit und -richtung am Starttag - ca. 3 - 6 cbm

Wahl von Startort und -zeit

Status: Start vom Gelände der UniBwM zwischen 16. und 30.6.2016. Voraussetzung ist eine Windrichtung SSW bis W.

  • DONE: Auswahl des Startortes
  • DONE: Genehmigung des Eigentümers
  • PENDING: Risikoanalyse und Maßnahmen
    • Insbesondere auch Abbruchkriterien für den Start
  • DONE: Gespräch mit Meteorologen: Günstige Fenster und Faktoren (lang- bis mittelfristig)
  • Beispiel für Flugverlauf
    • https://www.youtube.com/watch?v=XSpIZ7Z7jMA
    • Hier fällt auf, dass der Ballon im Sinkflug noch sehr weit fliegt. Entweder war es sehr windig oder der Fallschirm zu groß dimensioniert, oder die Form der Sonde bot dem Wind viel Angriffsfläche.

Rechtliche Probleme und Risikomanagement

  • Luftfahrtrechtliche Genehmigung
    • Luftfahrbundesamt
    • Deutsche Flugsicherung
  • Amateurfunkrechtliche Genehmigung
  • Ordnungsamt
  • Bergung
    • Betretungsrecht
    • Naturschutz
  • Umweltrecht
  • Versicherung
  • Arbeitssicherheit
  • Rechtliche Probleme von Bild- und Tonaufnahmen aus der Luft

Arbeitsschutz und Sicherheit

  • Transport und Handhabung von technischen Gasen
  • Bergung der Sonde in großer Höhe (z.B. Bäume) und aus Gewässern
  • Nutzung von Kraftfahrzeugen

Energieversorgung

Status: Konzept fertig

Verbrauchsberechnung

  • Übersicht über Verbraucher
  • Verlaufsprognose (min, max, average)
  • Geeignete Akkus (auch: Maximalstrom, Einfluss der Temperatur

Überwachung, Sicherung und Redundanz

  • Zellspannung
  • Ströme zu Verbrauchern (gesamt, Raspberry 1, Rasberry 2, APRS-Bridge, HF-Komponente)
  • Zelltemperatur

Design

  • 8 x 1,5 V Lithium-Batterien Energizer, ca. 3500 mAh
    • relativ unempfindlich gegen hohe Entladeströme bis 1A, erlaubt bis 2,5 A, Spitze 4A
    • bis -40 Grad Celsius
    • 12V * 3,5Ah = 42 Wh
    • Gewicht: 8 x 15g = 120 g zzgl. Batteriehalter
  • Step-down-Wandler bis 3 A für Umwandlung in 5.2 V
    • Wirkungsgrad ca. 90 %
    • Ausnutzung der Batterien bis mindestens 0,75 V Zellspannung (6 V Batteriespannung gesamt)
  • Separater Regler für VHF-Transmitter (3.3 - 4.5 V, 1A), evtl. Siliziumdiode 3A oder LDO-Regler oder drei Zellen separat abgreifen oder separate Zellen 3 x AA oder zweiter Step-down-Wandler (vermutlich)
  • Überwachung der Batteriespannung mit ADC MCP 3204-CI/P (4 Kanal) mit Spannungsteiler
  • Messung des Entladestroms mit ACS712/714 + Opamp + ADC MCP 3204-CI/P
  • Batterietemperatur mit DS18B20
  • Redundanz mit http://www.s-usv.de/susv_pibasic.html (nur für Raspberry, nicht für VHF-Modul)

Test

    • Batteriehalter für Strom geeignet? Es gibt im Netz Berichte, dass solche Mignonhalter schon bei 500 mA Entladestrom sehr heiß werden.
    • Batteriehalter - Federn - Kontaktwiderstand (bessere Halter wären besser ;-)
    • Ausgangsspannung, Stabilität unter Last (z.B. 1 A - 5 Ohm)
    • Ripple und Noise
      • Eventuell noch LC-Filterglied, zumindest für DRA818-Versorgung, siehe Abschnitt 9.1.6. im Datenblatt; Quote: "When observing output ripple with a scope, it is essential that a short, low inductance scope probe ground connection be used. Most scope probe manufacturers provide a special probe terminator which is soldered onto the regulator board, preferably at the output capacitor. This provides a very short scope ground, thus eliminating the problems associated with the 3-inch ground lead normally provided with the probe, and provides a much cleaner and more accurate picture of the ripple voltage waveform."
      • Siehe auch http://www.aimtec.com/site/Aimtec/files/documents/ApplicationNotes/a016e%20-%20reduction%20of%20output%20ripple%20&%20noise.pdf
    • Wirkungssgrad bei 100 mA, 500 mA, 1A, 2 A
    • HF Noise während APRS-Übertragung

Sensorik

Telemetrie

Sendeseite

Empfangsseite

  • Baofeng UV5R mit Soundmodem auf Laptop im Verfolgerfahrzeug
  • Antenne Fahrzeug Diamond NR770HB SCHWARZ Duoband-Strahler PL
  • SSTV-Empfang noch zu klären ("dual watch"-Modus funktioniert nicht, weil andere APRS-Stationen den SSTV-Empfang oft stören würden). Eventuell zweites Baofeng UV5R oder SDR; entweder Splitter oder zweite Antenne
  • Evtl. Empfang auch über Amateurfunkstation UniBwM
  • https://ukhas.org.uk/guides:sdr_tracker

Alternativen

Nur noch als Archiv:

Kamera

Status: 1 - 3 Raspberry-Kamera-Module HD; mehr als ein Modul erfordert aber zusätzliche Raspberries + USB-Sticks

  • Speicherung auf USB-Sticks wegen geringerem Risiko von Korrumption ggü. SDcard.
  • 1- 3 RBPi A+ + HD Weitwinkel-Module oder normale Kamera
  • Ziel:
    • 1 - 3 HD-Videos 1080p30
    • 2592 x 1944 pixel static images every 10-60 seconds
    • SSTV static image every minute, Robots 36 format (256 luma, 64/64 chroma × 240)

Supports , 720p60 and 640x480p60/90 video

  • Alternative 1:
    • 1 Raspberry Wide Angle Cam als Hauptkamera (160 Grad)
    • 1 Raspberry Cam normal (ca. 60 Grad) nach unten + extra Raspberry B+
    • 1 Raspberry Cam normal nach oben (besonders für Zerplatzen des Ballons) + extra Raspberry B+
  • Alternative 2: Zwei GoPro-Kameras (74 - 110 g mit Akku), aber: Laufzeit + Synchronisierung

Datenauswertung während und nach der Mission

Während der Mission

  • Direkt per aprs.fi
  • Und/oder eigene Mission-Control-Applikation auf Google App Engine
  • Und/oder eigener Empfang (Nachführung der Antenne!) und eigene APRS-Dekodierung

Nach der Mission

  • Anaconda mit IPython Notebooks und Matplotlib

Lage- oder Bildstabilisierung

Wir werden versuchen, OpenCV in Python verwenden, um dies im Rahmen der Nachbearbeitung zu lösen.

Teilproblem: Synchronisierung der Daten und Videos

Ein Ansatz ist es, die Zeitstempel für die individuellen Frames mitzuloggen

Oder auch:

Oder RBPis per Ethernet verbinden und dann diese Library nutzen:

Vermutlich ist es aber robuster, die Kameras unabhängig zu betreiben und nachträglich zu synchronisieren (denkbar wäre das Abfilmen einer Referenzzeitquelle und eines kurzen Tonimpulses (Händeklatschen). Damit ist allerdings nur die initiale Synchronisation gewährleistet, eventuelles Abdriften während der Aufnahme nicht. Das kann man aber über die Synchronisation der Systemzeiten der Raspberry Pis minimieren bzw. zumindest in den Metadaten mitloggen.

Ergebnisse

Pläne und Software

Berichte und Publikationen

  • Projektplan
  • Abschlussbericht
  • Datensätze

Bilder und Videos

Werden nach Abschluss des Projektes hier veröffentlicht.

Kontakt

Universität der Bundeswehr
Professur für Allgemeine BWL, insbesondere E-Business
Univ.-Prof. Dr. Martin Hepp
Werner-Heisenberg-Weg 39
D-85579 Neubiberg, Germany
Email: martin.hepp@unibw.de 
Phone: +49 89 6004-4217