fischertechnik & Weltraum

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fischertechnik & Weltraum

Beitragvon chehr » 11 Mär 2017, 17:16

Bisher gibt es über dieses Thema von fischertechnik viel zu wenig, obwohl fischertechnik dafür schon sehr gut geeignet ist. Dank fischertechnik 3D Drucker und der TXT community firmware lassen sich die fehlenden Komponenten selbst entwickeln bzw programmieren.

Zunächst zu den typischen Eigenschaften von Satelliten bzw. Weltraumfahrzeuge. Sie sammeln Daten, die zunächst Onboard in einem Speicher abgelegt werden und wenn Kontakt zur Bodenstation besteht, werden sie kabellos vom Weltraum zur Bodenstationen elektronisch übertragen.
Der Enwicklungsaufwand bzgl diesem Thema ist nicht unerheblich da auch grenzenlose Möglichkeiten. Mitzumachen ist erwünscht falls Interesse besteht. Der Thread hier ist auch gedacht für Anregungen und um über den Fortschritt zu berichten. Vielleicht kommt ja mal ein spezieller fischertechnik „Space“ oder Satellite“ Kasten raus, aber natürlich nur wenn es eine Nachfrage gibt.
Nun zurück zum Thema:
Da leider kein direkter Sichtkontakt zu den Satelliten bzw. Weltraumfahrzeuge besteht, ist die einzige Verbindung über Telemetrie (TM) und Telecomands (TC).

Typische TC sind:
• Positionsänderung
• Geschwindigkeitsänderung
• Ein- bzw Ausschalten von Instrumente
• Ein- bzw Ausschalten von Antriebssystem (z.B Ionentriebwerk)
• Und noch viel mehr

Typische TM sind:
• Aktuelle Position
• Aktuelle Geschwindigkeit
• Ladezustand der Batterie
• Temperaturen an verschieden Positionen (z.B. Batterie, Tank, Struktur, CPU)
• Und noch viel mehr

Autonomie und Fehlerbehandlungen sind fester Bestandteil der Software.
Der eigentliche Zweck der Missionen sind aber je nach Mission z.B. die Umwelt-, Astronomie-, Wetterdaten. Dazu benötigt man Instrumente.

Typische Instrumente sind:
• Kamera (z.B auf Hubble oder GAIA)
• Spektrometer (z.B. NIRSpec auf „James Webb Space Teleskope“ JWST)
• Radar (z.B. TerraSAR oder METOP SG)
• Mikrowellen (auf METOP SG)
• Magnetometer (z.B. auf BepiColombo)
• Und noch viele mehr

Also hier der Plan für den Entwicklungsablauf abgeleitet von einem üblichen Ablauf in der Raumfahrt (etwas vereinfacht und angepasst an das Thema hier…)

Phase A
Entwicklung neuer Technologien
• Marktrecherche, welche Sensoren sind verfügbar
• Programmieren der Treiber für Sensoren die man dann am TX bzw TXT verwenden kann. Die Sensoren repräsentieren Instrumente oder werden für TM Daten benötigt
• Sensor Verschaltung und entsprechende Gehäuse, damit man die Sensoren in den fischertechnik Modelle anbauen kann
• Data logger auf SD-Karte oder in der Cloud am TXT mit der community firmware
• Breadboard Erstellung und Tests

Phase B
• Missionsdefinition z.B. Umweltsatellit, Wettersatellit, Wissenschaftsmission, Marsrover, …
• Auswahl der Sensoren, Aktuatoren
• Konzepterstellung

Phase C
• Bauen des eigentlichen fischertechnik Modells

Phase D
• Testen des fischertechnik Modells und ggf Fehler beseitigen

Phase E
• Raketenstartvorbereitung und Start

Dann natürlich den Betrieb des Modells. Da eine Reparatur nach dem Raketenstart nicht möglich ist muss das Model nun sicher funktionieren. Die einzige Verbindung ist nun via TC. Da wir wahrscheinlich nie zu diesem Punkt kommen, wird die letzte erreichte Phase D sein. Somit entfällt auch Phase E, welche auch schwierig ist, und im Prinzip auch nicht Notwendig da Phase D genug Spaß mit sich bringt.
Zuletzt geändert von chehr am 18 Mär 2017, 08:49, insgesamt 2-mal geändert.
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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon chehr » 11 Mär 2017, 17:18

Hier Details zu Phase A:
Markt Recherche:
Hier eine Auswahl von untersuchten Sensoren bzw Platinen in folgender Tabelle:
Sensorliste.png
Sensorliste

Stand 01.01.2017
Breadboard:
„Breadboard“ ist die übliche Nomenklatur für einen Prototyp in der Raumfahrt an dem man neue Technologien ausprobiert. Hier in diesem Fall war die Fragestellung, ob der TX/TXT mehrere Sensoren gleichzeitig betreiben und auslesen kann und wie hoch dann die Sampling Rate ist. Viele Sensoren lassen sich am I2C Bus gleichzeitig betreiben, solange die Adresse unterschiedlich ist. Der I2C Bus bringt ein entscheidender Vorteil verglichen mit der Analogübertragung, und zwar haben die meisten Sensoren einen viel größeren Funktionsumfang. Man kann zum Beispiel die Sensor Settings einstellen, mehrere Sensoren an einem Bus betreiben, die Sensordaten sind in der Regel schon kalibriert und man belegt kein Analog oder Digitaleingang am TX/TXT.

Ein Bild vom Breadboard ist hier:
Breadboard.jpg
Breadboard


Die ROBOPro Ausgabe mit diesem Breadboard sieht dann folgendermaßen aus.
TXT.png
ROBO Pro Breadboard Testergebnisse


Ein Bild vom entsprechende ROBO Pro Programm:
siehe nächster Beitrag (man kann pro Beitrag max 3 Bilder hinzufügen..)

Ergebnis:
• Der parallelbetrieb mehrerer Sensoren am I2C Bus funktioniert gut
• Eine eigene Spannungsversorgung ist am TX notwendig, am TXT sowieso.
• ROBO Pro kann max 20 Kanäle abspeichern und auch nur im online Modus
• Sensordaten lassen sich nicht via ROBO Pro auf der SD-Karte speichern
• Erreichte Samplingrate zwischen 1 und 10 Hz (hängt von den Sensortypen und den Kanälen ab) – lässt sich aber noch optimieren.

Notwendige Weiterentwicklung:
• Miniaturisierung des Aufbaus
• Gehäuse und Spannungsversorgung für die Sensoren welches kompatible zu den fischertechnik Maße ist.
• Speichern der Sensordaten auf der SD-Karte (mit der community firmware)
• Übertragung der Sensordaten von der SD-Karte via WIFI TCP/IP auf ein PC bzw in eine Cloud
• Aufhebung der Beschränkung von 20 Kanäle


Ausblick:
• Miniaturisierung des Aufbaus
• Gehäuse und Spannungsversorgung für die Sensoren welches kompatible zu den fischertechnik Maße ist.
• Lesson Learn
• Speichern der Sensordaten auf der SD-Karte (mit der community firmware) -> wird noch etwas dauern. Bisher habe ich das nur auf einem mbed Microcontroller implementiert
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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon MasterOfGizmo » 13 Mär 2017, 14:13

Besonders innovativ finde ich den Ansatz, Raumschiffe per GPS zu steuern ... :D
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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon Karl » 13 Mär 2017, 14:51

Hallo,
und ich dachte, zukunftsträchtig wird alles übers "Smartphone" gesteuert. GPS und TXT sind doch nur Hilfsmittel.
Mit einem freundlichen Gruss aus dem Ruhrgebiet
Karl

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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon chehr » 13 Mär 2017, 19:26

MasterOfGizmo hat geschrieben:Besonders innovativ finde ich den Ansatz, Raumschiffe per GPS zu steuern ... :D

Ja eine coole Sache....
Der GPS Sensor ist eher für das autonome fahren gedacht für z.B. eines Rovers o.ä. Klar, momentan ist ein GPS Signal auf dem Mars nicht verfügbar. Aber wer es genau nimmt, kann das GSP Signal für Testzwecke verwenden und das autonome Fahren via Quaternions implementieren, und dann via GPS Signal verifizieren, das funktioniert dann auch in der Phase D.
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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon chehr » 15 Mär 2017, 22:06

Miniaturisierung des Aufbaus
Ziele der Sensormodule sind:
• Kompakte Bauweise.
• Mechanisch und elektrisch kompatible mit fischertechnik.
• Durchschleifen der Power und I2C Bus Signale für die Erweiterung mit weiteren Sensormodulen.
• Eigener Spannungsregler mit 9V Eingangsspannung vom TX / TXT.
• Verwendung von marktüblichen Standartsensormodule.

Das erste Sensormodul (SM1) besteht aus zwei BOSCH Sensoren BNO055 und BME280 und einem Spannungsregler AMS1117.

Das folgende Bild zeigt das ausgedruckte Modul (schwarz) dargestellt. Hergestellt wurde er mit dem fischertechnik 3D Drucker. Es besteht aus einem Boden mit dem BNO055 Sensor und einem Deckel mit den BME280 und dem AMS1117. Das hellgrün dargestellte Modul ist das CAD Model vom Boden inklusive des BNO055 Sensormoduls.
Sensor.png
Sensormodul (SM1)


Im nächsten Bild ist der Innenaufbau dargestellt und auch die elektrische Verschaltung.
Sensor-BNO055-und-BME280.png
Sensormodul (SM1) innen


Folgende TM Daten mit diesem SM1 sind denkbar:
• Temperatur [BME280, BNO055]
• Luftfeuchtigkeit [BME280]
• Luftdruck [BME280]
• Wettervorhersage [BME280]
• Höhenmesser und Unterschied [BME280]
• Orientierung [BNO055]
• Geschwindigkeit [BNO055]
• Lage [BNO055]
• Magnetfeld [BNO055]
• Kompass [BNO055]
Der Spannungsregler [AMS1117] benötigt eine Versorgungsspannung zwischen 4,2V und 10 V und liefert dann an die beiden Sensorplatinen 3,3V bis max 800mA. Die Versorgungsspannung kann dann direkt vom TXT kommen, welcher 9V liefert.
Der BOSCH Sensor BNO055 ist ein intelligenter 9-achsen Sensor. Intelligent, da er einen 32-bit Cortex M0+ Mikrocontroller beinhaltet, welcher für die Sensor Fusion zuständig ist. Somit ist der Sensor ideal für autonomes fahren bzw Robotik da er eine Hochgenaue absolut Orientierung liefert und nicht weg driftet.

Anbei ein mögliche Implementierung der Sensorfusions Algorithmus.
Sensor Fusion Algorithm.png
Sensor Fusion Algorithm
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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon chehr » 15 Mär 2017, 22:34

Zur Abwechslung hier mal was über die Raumfahrt, z.B. ein Wissenschaftsmission die momentan beim Zusammenbauen und Testen ist.

Hier handelt es sich um BepiColombo. Eine Mission zum Merkur, dem Sonnen nächsten Planeten. Dort ist es ziemlich heiß. Der Flug dorthin dauert 7,5 Jahre. Dabei passiert er mehreren Planeten um abzubremsen.

Vollgepackt ist dieser "Mercury Planetary Orbiter" mit vielen Sensoren die alle gut verpackt sind.

BepiColombo_MPO_LSS__PAVO-5818_625.jpg
BepiColombo MPO in der LSS

Quelle: http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=49437
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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon chehr » 15 Mär 2017, 23:06

Das zweite Sensormodul (SM2) besteht aus zwei Platinen und zwar dem CRIUS NEO-6 V3.1 GPS Modul und einem Mikrokontroller Atmega 328P, welcher die UART Daten zum I2C Bus liefert.
GPS-Sensor-red.png
Sensormodul (SM2)


Das nächste Bild zeigt die beiden Sensormodule SM1 und SM2 angebaut an fischertechnik und elektrisch angeschlossen.
IMG_5626.png
SM1 und SM2


Lessons Learned:
Die beiden Module sind kompakt und lassen sich gut ins fischertechnik integrieren.
Bewährt hat sich eine farbliche Definition der Anschlussleitungen.
Ich verwende immer:
Orage: SCL
Rot: SDA
Braun: GND
Gelb VCC

Bzgl Anschlußbennennung auf dem Gehäuse muss ich mir noch was gutes einfallen lassen (eventuell eine Folie aufkleben)

Die Spannungsversorgung direkt im SM1 ist zwar sehr kompakt, hat aber den Nachteil das der Temperatursensor vom BME280 gleich 3 Grad mehr anzeigt bezogen auf den BNO055. Mit soviel Abwärme hätte ich nicht gerechnet, trotz 9V Eingangsspannung. Aber da es zwei Temperatursensoren im Gehäuse gibt, muß man halt nur den richtigen verwenden.

Anmerkung:
Der Spannungsregler im SM1 liefert 3.3V an die Sensoren, d.h. der Spannungsregler soll nur in Verbindung mit dem TXT angeschlossen werden. Beim TX sollte entweder die 5V Versorgungsspannung vom TX kommen oder man benötigt einen externe Spannungsquelle von 5V.
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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon Karl » 15 Mär 2017, 23:31

Hallo,
bei Fischertechnikern ist ja nichts unmöglich. Wie wäre es mal mit Punkt E klein anzufangen und zu üben.
Fehlstarts gehören doch dazu und somit auch auswertbare Daten.

Für den Anfang schon mal eine Anleitung für den Bau von ....
http://www.raketenmodellbau.org/reposit ... ?view=true

Dann nur noch optimieren bis bei irgendeiner FT-Convention in Zukunft der erste FT-Satellit einen
der nächsten Planeten unseres Systems ansteuert.

Gutes Gelingen und zukünftige Grüße auch vorab. :)
Mit einem freundlichen Gruss aus dem Ruhrgebiet
Karl

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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon chehr » 15 Mär 2017, 23:51

Hallo Karl,
da bin ich drüber weg...
Die Rakete ist nur das Mittel zum Zweck.

Für mich interessant sind die TM, TC, Sensordaten und das autonome Steuern von Roboter alles Merkmale der Raumfahrt.
Datenablage in einer Cloud oder Anzeige auf dem Tablet. Überwachen und steuern der Fahrzeuge via Tablet oder Handy.
chehr
 
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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon Karl » 15 Mär 2017, 23:59

Hallo,

habe es schon verstanden, mein letzter Beitrag war ja auch nicht ganz so ernst gemeint aber man weiß,
falls Roboter mal langweilig werden, gibts auch noch andere Betätigungsfelder. ;)

Trotzdem viel Spaß bei Deinen Experimenten und Ideen. :)
Mit einem freundlichen Gruss aus dem Ruhrgebiet
Karl

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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon chehr » 18 Mär 2017, 08:53

Hallo Karl,
ich habe mir gerade die verlinkte Anleitung zum Raketenbau angeschaut. Das ist doch schon eine super Grundlage, darin gibt es wertvolle Detailinformationen.

Ich mache dir ein Vorschlag: Du kümmerst dich um die Rakete, ich um den Satellit (die Nutzlast). ;)
Dann brauchen wir noch eine Uni, die sich um die Startvorbereitung inkl. Genehmigung kümmert.

Der berechnete mittlere Schub von 157N sollte reichen um ein fischertechnik Satellite in den Weltraum zu bringen. Wichtig ist das die Raketenmasse noch etwas reduziert wird, damit genügend Schub für die Nutzlast übrigbleibt.
Ich werde dann auch eine TXT Platine opfern. Die Funktion des Satelliten wird dann sein: Ein paar Bilder von der Erde, den Luftdruck und die Aufstiegs und Fallbeschleunigung des Satelliten.
Ein GPS Peilsender soll helfen die Nutzlast, nachdem sie wieder via Fallschirm zur Erde zurückgekommen ist, zu finden.

Toll wäre so eine Meldung wie: Erste Weltraumbilder von fischertechnik....oder fischertechnik im Weltall. ;)
chehr
 
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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon allsystemgmbh » 18 Mär 2017, 20:51

Hallo,

wie schnell doch die Zeit vergeht, das war schon alles einmal (siehe Club Nachrichten Nr. 6 April 1970 ab Seite 14)

https://ft-datenbank.de/web_document.ph ... c185b161d4

und Modelle zum Thema Weltraum gibt es ja auch immer wieder....
https://www.ftcommunity.de/suche.php?su ... tion=suche

und ganz was Spezielles
https://www.ftcommunity.de/suche.php?su ... tion=suche

Schöne Grüße
Roland
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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon DirkW » 19 Mär 2017, 12:14

Hallo zusammen,

Dutchbuilder hat 2011 sogar einen Apollo 11 Andock-Simulator gebaut.

Simulator.JPG

Apollo11

YouTube

Ein wirklich tolles und spannendes Modell. :)

Beste Grüße
Dirk
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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon geometer » 19 Mär 2017, 14:49

Noch etwas mehr in die Richtung, die chehr sich vorstellt, geht das Lunochod 1 von Dick von Wijngaarden. Einen ausführlichen Bericht darüber gab es in der letzten Ausgabe des Clubblatts des fischertechnik-Club-NL. Ein Video ist hier https://www.youtube.com/watch?v=bPNf2C6gexA.
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Re: fischertechnik & Weltraum

Beitragvon chehr » 01 Apr 2017, 18:29

Hallo Zusammen,
die gezeigten Modelle sind sehr beeindruckend, besonderes der "Apollo 11 Andock-Simulator" und das "Lunochod 1".

Meine Modelle werden sich hauptsächlich in zwei Merkmale unterscheiden:
- Autonomie
- TM, TC und Messdatenübertragung via Funk

Es wird zwei unterschiedliche Modelle geben.
1. Umweltsatellit
wie z.B. METOP Zweite Generation, siehe Film anbei.... https://youtu.be/bJfNG-jTyc8
Übrigens diese Satelliten haben GPS an Board damit man weiß wo die Daten aufgenommen wurden. Die Positionsgenauigkeit beträgt ca. 0,03m!
Diese Satelliten sind gerade in Entwicklung, under der Sart von Sat A wird frühestens in 2021 sein. Also habe ich noch etwas Zeit für die Umsetzung in fischertechnik.....
2. Rover
Wie z.B. Mars Curiosity, siehe Film anbei....https://youtu.be/FZYnIsLNz3c
Jedenfalls stark vereinfacht.
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