Little Investigator of Fluorescence Emission Οδηγός Αναφοράς Προόδου Pre CDR

Transcript

1 Little Investigator of Fluorescence Emission Οδηγός Αναφοράς Προόδου Pre CDR CanSat in Greece #launching_your_dreams

2 ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΟΥ PROJECT Η μεγαλύτερη πρόκληση που αντιμετωπίσαμε μέχρι τώρα, αφορά την υλοποίηση του επιστημονικού μέρους της δευτερεύουσας αποστολής. Ενώ αρχικά είχαμε σχεδιάσει τη χρήση φασματογράφου για τη μελέτη της χλωρίδας, και στην ιδανική περίπτωση την πλήρη φασματική απεικόνισή της, αποδείχτηκε πολύ σύντομα ότι υπήρχαν δύο μεγάλα προβλήματα: α) Δεν υπήρχε κανένας φασματογράφος τόσο μικρός ώστε να χωράει στο Can Sat μας. β) Ακόμα και αυτοί που είχαν σχετικά μικρό μέγεθος και θα μπορούσαν (πιθανόν) μετά από αρκετή προσπάθεια και τροποποιήσεις να χωρέσουν στις απαιτούμενες διαστάσεις, είχαν απαγορευτικό κόστος, πολύ μεγαλύτερο από το συνολικό budget της αποστολής μας. Μετά από αρκετή έρευνα, καταλήξαμε σε μια λύση η οποία είναι όχι μόνο εφικτή, αλλά και υλοποιεί τους ιδανικούς στόχους της επιστημονικής αποστολής (που δεν μπορούσαν να επιτευχθούν με το φασματογράφο), δηλαδή την πλήρη φασματική απεικόνιση της χλωρίδας του εδάφους μέσω ψηφιακής κάμερας. Για το λόγο αυτό επιλέξαμε την Mobius Actioncam για την απεικόνιση του εδάφους. Επίσης, εντοπίσαμε κατάλληλα φίλτρα με χαρακτηριστική διαπερατότητα σε ορισμένες περιοχές του φάσματος, και συγκεκριμένα στο NI (Near Infrared) και στο B (Blue). Στη συνέχεια εντοπίσαμε το κατάλληλο λογισμικό που μετατρέπει τις αποκτηθείσες εικόνες σε NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) το οποίο μας δίνει απ ευθείας την εικόνα της υγείας των φυτών και του λεγόμενου vegetation stress με τον πιο παραστατικό τρόπο, το οποίο είναι και ένας από τους σημαντικότερους στόχους της δευτερεύουσας αποστολής. Επίσης, στην πορεία διαπιστώθηκε ότι το Arduino mega δεν χωράει στο cansat οπότε επελέγη αρχικά το uno και στη συνέχεια το micro, το οποίο είναι ακόμα μικρότερο αλλά έχει τις ίδιες δυνατότητες με το uno. Εικόνα 1. Αεροφωτογραφία από το διαδίκτυο (αριστερά). Απεικόνιση στο υπέρυθρο (κέντρο). Επεξεργασία NDVI από την ομάδα μας (δεξιά). CanSat in Greece #launching_your_dreams

3 ΛΙΣΤΑ ΚΑΘΗΚΟΝΤΩΝ Ηλεκτρονικά - Προγραμματισμός Επικοινωνίες Αγορά Συνδέσεις Προγραμματισμός Επιτυχής δοκιμή GPS Αγορά Συνδέσεις Προγραμματισμός Επιτυχής δοκιμή Θερμόμετρο Αγορά Συνδέσεις Προγραμματισμός Επιτυχής δοκιμή Μαγνητόμετρο Αγορά Συνδέσεις Προγραμματισμός Επιτυχής δοκιμή Αισθητήρας CO 2 Αγορά Συνδέσεις CanSat in Greece #launching_your_dreams

4 Προγραμματισμός Επιτυχής δοκιμή Αισθητήρας O 3 Αγορά Συνδέσεις Προγραμματισμός Επιτυχής δοκιμή Camera Αγορά Συνδέσεις Προγραμματισμός Επιτυχής δοκιμή Αλεξίπτωτο Μελέτη Φυσικής Done Done Τύποι Μελέτη υλικών Μελέτη σχήματος Κατασκευή Α τύπος Β τύπος Γ τύπος Δοκιμές 10 m με το χέρι 50 m με drone 100 m με drone CanSat in Greece #launching_your_dreams

5 Δομή Κατασκευή Περίβλημα Αγορά - Κατασκευή Συναρμολόγηση Δοκιμή αντοχής Διαμερίσματα Αγορά Συνδέσεις Δοκιμή αντοχής 3D printing Δοκιμή 3D printer Κατασκευή Δοκιμές αντοχής Αγορά Συνδέσεις Προγραμματισμός Επιτυχής δοκιμή Done Υλοποίηση Επιστημονικής αποστολής Done Καθορισμός επιστημονικών στόχων Done Done Τύποι Μελέτη υλικών Done Μελέτη σχετικών papers Done Σχεδιασμός τεχνικής υλοποίησης επιστημονικών στόχων Done Hardware CanSat in Greece #launching_your_dreams

6 Done Done Software Ηλεκτρονικά Χορηγίες Επιλογή Εταιριών Αποστολή Αιτήσεων Θετικές απαντήσεις Υλικά DataLogic (Πλήρες) Θετικές απαντήσεις Χρήματα REDEPLAN (500 ) Προώθηση Social Ιστοσελίδα Facebook Twitter Youtube Instagram Γραπτός Τύπος specific task specific task specific task Τηλεόραση specific task specific task specific task Ραδιόφωνο CanSat in Greece #launching_your_dreams

7 specific task specific task specific task CanSat in Greece #launching_your_dreams

8 ΑΝΑΦΟΡΑ ΣΧΕΔΙΟΥ CanSat in Greece #launching_your_dreams

9 Περιεχόμενα 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οργάνωση της ομάδας και ρόλοι των μελών Στόχοι της αποστολής 10 2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ CANSAT Επισκόπηση αποστολής 13 Ενδεικτικό σχηματικό διάγραμμα: Μηχανολογικό/κατασκευαστικό σχέδιο Ηλεκτρολογικό σχέδιο Λογισμικό Σύστημα ανάκτησης Εξοπλισμός σταθμού βάσης 18 3 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ PROJECT Χρονικό πλάνο της προετοιμασίας του CanSat Απαιτούμενοι πόροι Κόστος Εξωτερική υποστήριξη Πλάνο δοκιμών 19 4 ΠΛΑΝΟ ΠΡΟΩΘΗΣΗΣ 20 5 ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ 21 CanSat in Greece #launching_your_dreams

10 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Οργάνωση της ομάδας και ρόλοι των μελών Υπεύθυνος καθηγητής: Δρ. Σωτήρης Τσαντίλας, Μαθηματικός Αστροφυσικός Μέλη: Δημήτρης Καφετζής: Αρχηγός, Υπεύθυνος Ηλεκτρονικών. Ενδιαφέροντα: Ηλεκτρονικά, Προγραμματισμός, Μαθηματικά, Φυσική. Σταμάτης Σέττας: Υπεύθυνος Προγραμματιμού. Ενδιαφέροντα: Ηλεκτρονικά, Προγραμματισμός, Μαθηματικά, Φυσική. Αποστόλης Μέξας: Υπεύθυνος Ανάλυσης Δεδομένων. Ενδιαφέροντα: Μαθηματικά, Φυσική. Λουκία Πραματευτάκη: Υπεύθυνη τηλεμετρίας Ενδιαφέροντα: Σκάκι, Προγραμματισμός, Μαθηματικά, Φυσική. Ριγκέλς Ράπαϊ: Υπεύθυνος αλεξιπτώτου Ενδιαφέροντα: Μαθηματικά, Φυσική, Η/Υ Αναστάσης Βατίστας: Υπεύθυνος Δομής και Κατασκευής Ενδιαφέροντα: Μαθηματικά, Φυσική, Η/Υ Ελένη Παπαδάκη: Υπεύθυνη Προώθησης Ενδιαφέροντα: Μαθηματικά, Φυσική, Η/Υ Οι εργασίες για το CanSat μας θα πραγματοποιούνται σε ήδη προγραμματισμένες εβδομαδιαίες συναντήσεις, στα πλαίσια του Ομίλου Αριστείας Προγραμματισμού και Διαστημικής στον οποίο συμμετέχουμε και γίνεται κάθε Τετάρτη 2-4 μ.μ. Αυτό είναι το μίνιμουμ του χρόνου που θα διατεθεί. Έχουμε προβλέψει και έκτακτες συναντήσεις εντός των Σαββατοκύριακων. Επομένως, μέχρι τον Απρίλιο υπολογίζουμε να διαθέσουμε ώρες. 1.2 Στόχοι της αποστολής Περιγραφή δευτερεύουσας αποστολής Η αποστολή του δορυφόρου μας αφορά την ανίχνευση της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης μέσω του φαινομένου photosynthetic fluorescence. Επίσης, ανιχνεύονται και τα αέρια O 3 (Όζον) και CO 2 CanSat in Greece #launching_your_dreams

11 ενώ παράλληλα μελετάται και το μαγνητικό πεδίο. Βέβαια, ως προαπαιτούμενα, μετρώνται η θερμοκρασία, η ατμοσφαιρική πίεση ενώ καθορίζεται και η θέση του δορυφόρου μέσω GPS. Η ανίχνευση και καταγραφή του photosynthetic fluorescence μπορεί να αξιοποιηθεί για τη μελέτη της χλωρίδας στον πλανήτη μας. Ιδιαίτερα, ο διαφορετικός τρόπος φθορισμού των φυτών κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης μπορεί να αποκαλύψει την ποιότητα των φυτών και ιδιαίτερα αυτό που ονομάζεται vegetation under stress που δεν είναι πάντοτε ορατό με γυμνό μάτι. Επιπλέον, η ύπαρξη Όζοντος και ισχυρού μαγνητικού πεδίου, είναι δύο πολύ σημαντικοί παράγοντες που εξασφαλίζουν τη διατήρηση της ζωής, αφού την προστατεύουν από επιβλαβείς ακτινοβολίες και από τον αστρικό άνεμο. Ο ίδιος λοιπόν δορυφόρος θα μπορούσε να ανιχνεύσει ενδεχόμενη διαδικασία φωτοσύνθεσης σε άλλους πλανήτες, αλλά και τις πιθανότητες ύπαρξης ευνοϊκού και προστατευμένου από ακτινοβολίες περιβάλλοντος. Η δορυφορική μελέτη του ενεργειακού ισοζυγίου κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης των φυτών, αποτελεί καινοτομία, ακόμα και για τις αποστολές της ESA αφού η πρώτη αποστολή (FLEX) σχετική με το φαινόμενο αυτό θα εκτοξευθεί το Επίσης, καινοτομία αποτελεί και το γεγονός ότι η αποστολή αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί με δύο τρόπους: α) Στη Γη, για τη δορυφορική μελέτη της χλωρίδας β) Σε άλλους πλανήτες για την ανίχνευση χλωρίδας, αλλά και της βιωσιμότητας του περιβάλλοντος. Ο φθορισμός της χλωροφύλλης, είναι η ακτινοβολία που επανεκπέμπεται από μόρια χλωροφύλλης κατά την επιστροφή τους από τη διεγερμένη στη μη-διεγερμένη κατάσταση και χρησιμοποιείται ως δείκτης για τη φωτοσυνθετική μετατροπή της ενέργειας στα φυτά. Η ανίχνευσή του (σε άλλους πλανήτες) μας αποκαλύπτει την ύπαρξη διαδικασίας φωτοσύνθεσης, ενώ οι τιμές του (στη Γη), την ποιότητα αυτής της διαδικασίας και άρα την υγεία των φυτών. Επίσης, το μαγνητικό πεδίο και το όζον αποτελούν τις δύο σημαντικότερες ομπρέλες προστασίας για τη ζωή σε οποιοδήποτε πλανήτη. Για την επίτευξη της δευτερεύουσας αποστολής θα τοποθετηθεί στον δορυφόρο μας μία (τουλάχιστον) ψηφιακή κάμερα, ένας αισθητήρας όζοντος, ένας αισθητήρας CO 2 και ένα Μαγνητόμετρο τριπλού άξονα. Εκτός από την ένταση του μαγνητικού πεδίου, ο τύπος του μαγνητόμετρου μας δίνει τη δυνατότητα να βρούμε και τη διεύθυνση των μαγνητικών δυναμικών γραμμών. Έτσι, η τυχόν οργανωμένη δομή των μαγνητικών γραμμών δείχνει την ύπαρξη πόλων στον πλανήτη και είναι πολύ σημαντική για τη βιωσιμότητα της ζωής. Για παράδειγμα, στον Άρη υπάρχουν ασθενή τοπικά μαγνητικά πεδία, αλλά όχι πλανητικό δίπολο με αποτέλεσμα να μην παρέχεται ικανοποιητική προστασία από τον ηλιακό άνεμο. Η σάρωση του εδάφους θα γίνεται με ψηφιακή κάμερα, ή οποία θα έχει τροποποιηθεί με ειδικό τρόπο από την ομάδα μας. Με τη χρήση ειδικών φίλτρων θα μπορεί όχι μόνο να καταγράφει εικόνες στο υπέρυθρο, αλλά και να δημιουργεί εικόνες NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) που οπτικοποιούν με τον πιο χαρακτηριστικό και τρόπο την υγεία της βλάστησης. Επομένως, παρόλο που αρχικά στοχεύαμε στην φασματική ανίχνευση, το τελικό project ελπίζουμε να πετύχει κάτι ακόμα πιο σημαντικό, την πλήρη φασματική απεικόνιση. Η (αναμενόμενη για τη Γη) ταυτόχρονη ανίχνευση φωτοσυνθετικού φθορισμού, όζοντος, διοξειδίου του άνθρακα και ισχυρού μαγνητικού πεδίου θα σήμαινε την ύπαρξη (τουλάχιστον) χλωρίδας, αλλά και προστατευμένων συνθηκών σε άλλο πλανήτη, κάνοντάς τον σχετικά κατάλληλο για αποίκιση. Λόγο του μικρού μεγέθους του δορυφόρου, και με δεδομένο ότι στο άμεσο μέλλον (αν όχι ήδη) όλα τα συγκεκριμένα κυκλώματα και οι αντίστοιχοι ανιχνευτές θα μπορούν να χωρέσουν σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα λίγων χιλιοστών, ο δορυφόρος θα μπορούσε να αποτελεί ένα nanocraft κατάλληλο ακόμα και για διαστρικά ταξίδια χρησιμοποιώντας Ηλιακά Ιστία. Για παράδειγμα, θα μπορούσε κινούμενο με τη βοήθεια της ηλιακής ακτινοβολίας και μόνο, να φτάσει στον Άλφα Κενταύρου σε μία γενιά. Στην περίπτωση της τηλεπισκόπισης της Γης όμως, η αξία είναι ακόμα πιο CanSat in Greece #launching_your_dreams

12 χειροπιαστή και άμεση αφού θα μας δώσει και την επιπλέον πληροφορία της ποιότητας της βλάστησης, αλλά και του vegetation stress που δεν μπορεί να ανιχνευθεί με άλλο τρόπο, πριν αυτό γίνει καταστροφικά εμφανές Στόχοι δευτερεύουσας αποστολής Α. Η ψηφιακή καταγραφή των εικόνων NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) της χλωρίδας του εδάφους. Β. Η καταγραφή του τοπικού μαγνητικού πεδίου. Γ. Η Καταγραφή του επιπέδου του όζοντος. Δ. Η καταγραφή του CO 2 Η αποστολή θα θεωρηθεί επιτυχής στην περίπτωση επίτευξης του (Α) στόχου και οποιονδήποτε από τους υπόλοιπους τρεις Αναμενόμενα αποτελέσματα δευτερεύουσας αποστολής Α. Αξιολόγηση της υγείας των φυτών στην περιοχή μελέτης Β. Αξιολόγηση του τοπικού μαγνητικού πεδίου. Είναι ισχυρό; Είναι οργανωμένο; Οφείλεται σε γενικότερο πλανητικό δίπολο ή σε τοπικά μαγνητικά πετρώματα; Γ. Αξιολόγηση της ποσότητας όζοντος και της προστασίας που μπορεί να προσφέρει. Δ. Αξιολόγηση της ποσότητας CO Αναμενόμενες μετρήσεις δεδομένα δευτερεύουσας αποστολής Α. Τουλάχιστον 15 ψηφιακές φωτογραφίες ικανοποιητικής ποιότητας της χλωρίδας. Β. Μέτρηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Καταγραφή του προσανατολισμού του. Γ. Καθ ύψος (ή μετά την προσγείωση) μέτρηση του O 3. Δ. Καθ ύψος (ή μετά την προσγείωση) μέτρηση του CO 2. CanSat in Greece #launching_your_dreams

13 2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ CANSAT 2.1 Επισκόπηση αποστολής Θα σχεδιαστεί και θα κατασκευαστεί ένα CanSat το οποίο θα εκτοξευθεί με τη βοήθεια πυραύλου σε υψόμετρο 1000 μέτρων και στη συνέχεια θα διαχωριστεί από αυτόν. Θα προσγειωθεί με τη βοήθεια αλεξιπτώτου τέτοιου ώστε να έχει ταχύτητα καθόδου μεταξύ 6 και 11 μέτρων ανά sec. Κατά τη διάρκεια της καθόδου, θα καταγράφει τη θέση του, τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, την ατμοσφαιρική πίεση και τα στοιχεία του μαγνητικού πεδίου ανά 1-2 sec. Επίσης θα λαμβάνει φωτογραφίες NDVI του εδάφους μέσω ειδικά τροποποιημένης ψηφιακής φωτογραφικής μηχανής και ειδικών φίλτρων ώστε να καταγραφεί η υγεία της τοπικής χλωρίδας. Ανάλογα με τον τύπο και τις δυνατότητες των αισθητήρων CO 2 και Ο 3 που θα χρησιμοποιηθούν, θα λαμβάνονται μετρήσεις, είτε από αέρος ανά 1-2 sec, είτε μετά την προσεδάφιση του δορυφόρου. Τα υλικά που θα χρησιμοποιηθούν: Αισθητήρας Διοξειδίου του άνθρακα (MG811) Αισθητήρας Όζοντος (MQ131) 2xMobius mini Action Cam Αισθητήρας Μαγνητικού Πεδίου (MAG3110) Arduino UNO 16M 5V Mini USB Nano V3.0 ATmega328 Micro-controller CH340 For Arduino+Cable Αισθητήρας GPS (NEO-6M) Αισθητήρας Θερμοκρασίας (LM35DZ) Αισθητήρας Ατμοσφαιρικής Πίεσης (BMP180) Πακέτο των 20 Αντιστάσεων 1K Ohm Op-Amp (Through-Hole) - LM358 Πακέτο των 20 Αντιστάσεων 2.2K Ohm Πακέτο των 20 Αντιστάσεων 4.7K Ohm Πακέτο των 50 10K Ohm 0.25W 1/4W Power ±5% 3x Μπαταρίες Ιόντων Λιθίου 3.500mAh 3.7V Κύκλωμα επικοινωνίας (RFM59) 4.33MHz Transiver&Receiver Φως LED κεραία YAGI CanSat in Greece #launching_your_dreams

14 Ενδεικτικό σχηματικό διάγραμμα: Θερμόμετρο Δέκτης Βαρόμετρο Μαγνητόμετρο Αισθητήρας CO 2 Μικροελεγκτής Σταθμός εδάφους Αισθητήρας O 3 Πομπός Ψηφιακή κάμερα GPS Κάρτα μνήμης SD CanSat in Greece #launching_your_dreams

15 2.2 Μηχανολογικό/κατασκευαστικό σχέδιο 2.3 Ηλεκτρολογικό σχέδιο (Αφορά μόνο την πρωτεύουσα αποστολή) CanSat in Greece #launching_your_dreams

16 CanSat in Greece #launching_your_dreams

17 2.4 Λογισμικό Flowchart CanSat in Greece #launching_your_dreams

18 2.5 Σύστημα ανάκτησης Μετά από σχετικές μελέτες, επελέγη η χρήση νάιλον από άποψη ελαφρότητας και ευκαμψίας με πιθανότερο υλικό το ripstop nylon. Μελετώνται τεχνικές εργονομικής αναδίπλωσης που ξετυλίγονται γρήγορα και βρίσκονται μέσα στα όρια διαστάσεων του διαγωνισμού. Έχοντας ένα βασικό πρωτότυπο, θα γίνει συνδυασμός με σπάγκο ή πετονιά και θα ξεκινήσουνν οι δοκιμαστικές ρίψεις. Οι πρώτες δοκιμές θα γίνουν με αλεξίπτωτο σταυροειδούς σχήματος. 2.6 Εξοπλισμός σταθμού βάσης CanSat in Greece #launching_your_dreams

19 3 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ PROJECT 3.1 Χρονικό πλάνο της προετοιμασίας του CanSat Έναρξη εργασιών Τετάρτη 8 Νοεμβρίου ΕΒΔΟΜΑΔΑ ΕΡΓΑΣΙΕΣ 1 η 2 η Σχεδιασμός - Έρευνα αγοράς Αγορά υλικών 3 η 10 η Κατασκευή - Λογισμικό 11 η 14 η Κατασκευή Δοκιμές Έλεγχος Λογισμικού και κατασκευής - Πτητικοί μηχανισμοί (αλεξίπτωτο κλπ) 14 η 18 η Κατασκευή Δοκιμές Έλεγχος αντοχής υλικών και Πτητικών μηχανισμών 19 η 20 η Γενικοί έλεγχοι Περιθώριο Ασφαλείας 3.2 Απαιτούμενοι πόροι Κόστος Το κόστος υπολογίζεται σε ευρώ. Δεν έχουν αγοραστεί ακόμα όλα τα υλικά Εξωτερική υποστήριξη Α. DataLogic. Χορηγία υλικών για ένα πλήρες cansat. Β. REDPLAN S.A. Χορηγία 500 ευρώ. 3.3 Πλάνο δοκιμών CanSat in Greece #launching_your_dreams

20 4 ΠΛΑΝΟ ΠΡΟΩΘΗΣΗΣ Προωθητικές δράσεις. Α. Website B. Facebood page. Γ. Instagram Δ.Twitter Ε. Youtube CanSat in Greece #launching_your_dreams

21 5 ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ Χαρακτηριστικά Ύψος του CanSat (mm) Μάζα του CanSat (g) Διάμετρος του CanSat (mm) Μήκος του συστήματος ανάκτησης (mm) Προγραμματισμένος χρόνος πτήσης (s) Υπολογισμένη ταχύτητα καθόδου (m/s) Χρησιμοποιούμενη Ραδιοσυχνότητα (hz) Ενεργειακή κατανάλωση (wh) Συνολικό κόστος ( ) Μέτρηση (μονάδα) 433 MHz Εκ μέρους της ομάδας επιβεβαιώνω ότι το CanSat μας πληροί όλες τις προδιαγραφές οι οποίες θεσπίστηκαν για τον διαγωνισμό CanSat in Greece 2018 στις επίσημες Οδηγίες Συμμετοχής. Υπογραφή, τόπος, ημερομηνία CanSat in Greece #launching_your_dreams