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Agencia Espacial Mexicana

Aplicado a una Misión

CANSAT

aNeXO 02

ImplementaciOn ImplementaciOn y y Operacion Operacion CanSat CanSat Kit Kit aem-Unam/rue aem-Unam/rue

CanSat Short Course Manual

Kit CanSat AEM-UNAM/RUE Kit CanSat AEM- UNAM/RUE (2013 – 2014)

Objetivo: El principal objetivo de esta colaboración entre la UNAM/RUE y la AEM, es la implementación de cursos basados en proyectos, dirigidos a la enseñanza de ingeniería de sistemas espaciales, entre profesores de educación superior de México. El presente documento describe el desarrollo de un pico-satélite tipo CanSat.

CONTENIDO:

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INDEX

1 Introducción. 2 Definición de la misión 3 Requisitos del sistema

3.1 Requisitos Funcionales 3.2 Requisitos Operacionales

4 Segmento de vuelo .

5.1 Carga útil (PL) 5.2 Subsistema de plataforma (Bus) 5.3 Subsistema de transmisión y comunicaciones (telemetría) 5.4 Subsistema de alimentación eléctrica 5.5 Subsistema de administración de datos y computadora de vuelo (Command and Data Handling ó C&DH) 5.6 Subsistema de soporte mecánico y estructura de contención 5.7 Estación terrena

5 Vida de la misión 6 Restricciones 7 Entregables 8 Detalle técnico

9.1 Componentes electrónicos y sensores 9.2 Especificaciones y requerimientos 9.3 Diagramas de la PCB 9.4 Programa de control 9.5 Metodología de ensamblado 9.6 Metodología de soldado 9.7 Integración del CanSat 9.8 Resultados esperados

9 Resultados

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Kit CanSat aeM- Unam / rue

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CanSat Short Course Manual Introducción 1. Introducción Satélite: Cuerpo que gira alrededor de otro cuerpo de masa preponderante y cuyo movimiento esta principalmente determinado, de modo permanente, por la atracción de este último. Los satélites construidos por el hombre se pueden utilizar para:

• Comunicaciones. • Observación de la tierra. • Navegación. • Astronomía. • Física espacial. • Militar. • Prueba de tecnología.

CanSat: Es una simulación de un satélite real, integrado dentro del volumen y forma de una lata de refresco. El desafío para los estudiantes es incorporar todos los subsistemas principales que se encuentran en un satélite, tales como, el generador de potencia, sensores, y sistemas de comunicación dentro de un volumen mínimo. El CANSAT se lanza desde una altura de varios kilómetros mediante algún dispositivo, y es el momento en que la parte fundamental de la competencia y la misión empiezan: llevar a cabo un experimento científico y lograr un aterrizaje adecuado. El CANSAT ofrece una oportunidad única para los estudiantes de tener una experiencia práctica de un proyecto espacial real. Los estudiantes son responsables de todos los aspectos: seleccionar los objetivos de la misión, diseñar el CANSAT, integrar los componentes, probarlos, preparar el lanzamiento y analizar los datos recibidos.

Definción de la Misión 2. Definición de la misión El diseño de todo el sistema CanSat se encuentra basado en la definición de la misión que éste desarrollará. Para esto y considerando el hecho de que el CanSat será lanzado a una determinada altura, se define la medición de parámetros atmosféricos básicos así como de posición: temperatura, presión, altura y ubicación. Estos parámetros serán medidos durante el desarrollo de toda la misión, es decir, desde el lanzamiento hasta el descenso y posterior a éste para efectos de verificación de funcionamiento post-aterrizaje. Con esto como diseño de la misión se plantea cumplir con los siguientes objetivos: 1. EL CanSat deberá transmitir datos de temperatura y presión así como calcular la altura durante el trayecto de vuelo. 6

Agencia Espacial Mexicana 2. La misión deberá será completada con al menos un objetivo científico, el cual puede derivarse de la medición de parámetros como los anteriores u otros de forma indirecta, así como de cualquier otro que permita el hardware del CanSat en cuestión. 3. La caída del CanSat deberá ser completada para transmitir máximo desde 4 km de altitud sobre el nivel del piso.

Requisitos del Sistema 3.1 Requisitos funcionales Para cumplir con los requisitos de la misión y los objetivos anteriores, el CanSat deberá contar con elementos que permitan medir las siguientes variables y parámetros: a) Temperatura ambiente. b) Presión barométrica. c) Ubicación en la localidad mediante GPS (latitud, longitud y altura). Ahora, el desempeño del sistema deberá ser capaz de medir temperaturas y presiones en un rango que varía en un rango de -10°C a 50°C y presiones que van del nivel del mar a un altura máxima de 6000 m sobre el nivel del mar (considerando una altura de ~2200 m para la ciudad de México y el requisito máximo de 4 km). Así mismo, para determinar la ubicación, el dispositivo a utilizar deberá operar en el rango de parámetros anteriormente expuesto. Para esto, será necesario contar con las siguientes partes, tanto para la carga útil como para la etapa que permita medir los parámetros previstos en la misión: • Sensores: medición de las variables y parámetros de la misión. • Computadora de vuelo: para la gestión de los datos recolectados por los sensores y comunicaciones. • Sistema de alimentación eléctrica. • Antenas y trans-receptores para comunicarse desde el segmento de vuelo con la estación terrena. 3.1 Requisitos operacionales El sistema deberá tener una operación mediante la cual se registre la telemetría durante todo el desarrollo de la misión, la cual será recibida en la estación terrena de manera correcta desde el despegue y hasta el aterrizaje de la misión, con lo cual se definirá como exitosa la misma. Definido lo anterior, el CanSat deberá contar con los siguientes subsistemas que desempeñaran las funciones mediante las cuales la misión se llevará a cabo, en dos secciones principales: Segmento de vuelo y Estación terrena.

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CanSat Short Course Manual Segmento de Vuelo 4. Segmento de vuelo • Carga útil a base de sensores (PL). • Subsistema de transmisión y comunicaciones. • Subsistema de alimentación eléctrica. • Subsistema de administración de datos y computadora de vuelo. • Subsistema de soporte mecánico y estructura de contención. Cada uno de los subsistemas anteriormente enlistados, se agrupan en dos secciones principales: la plataforma (Bus) y la carga útil (Payload ó PL). A continuación se especifica más sobre cada subsistema del segmento de vuelo. 4.1 Carga útil (PL) La carga útil se refiere al conjunto de sensores, experimentos, procesos y todo aquello que sea parte del sistema encargado de realizar la misión, es decir, aquella parte que vuela y se apoya en los demás subsistemas del segmento de vuelo o nave espacial y que desarrolla el objetivo de la misión. En sistemas espaciales se tiene por ejemplo, en los satélites de comunicaciones, que la carga útil corresponde a las antenas, amplificadores, guías de onda, alimentadores, filtros, cable coaxial, polarizadores, convertidores de frecuencia, switches, matrices de interconexión y demás elementos que reciben y envían las señales de RF en el satélite. Otro ejemplo de carga útil es por ejemplo, en los telescopios espaciales, la óptica y sensores donde se forma la imagen y los elementos encargados de procesarla; otro tipo de carga útil consiste en los robots exploradores (rovers) y su carga de experimentos que realizarán la misión para la que son diseñados. En el caso del CanSat en cuestión, este subsistema estará conformado por los sensores de presión, temperatura y receptor GPS, los cuales se encargarán de hacer las mediciones respectivas. 4.2 Subsistema de plataforma (Bus) La plataforma satelital se refiere a la estructura que da soporte con elementos de apoyo para la realización de la función a la que es destinado un CanSat. Se compone por una serie de subsistemas especializados en una tarea específica como los son el subsistema eléctrico, el cual se encarga de proporcionar la energía para alimentar a todas las funciones y elementos del CanSat; el subsistema de comunicaciones, el cual realiza las funciones de envío de telemetría; el subsistema de manejo de datos (C&DH Command and Data Handling) el cual se encarga de organizar la información recibida de los diferentes sensores de apoyo a la misión; la computadora de vuelo; la estructura de contención, entre otros. A diferencia de la carga útil, la plataforma puede contener sensores que son utilizados, no para la realización de la misión, sino para permitir que la carga útil opere adecuadamente y la misión pueda llevarse a cabo.

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4.3 Subsistema de transmisión y comunicaciones (telemetría) Este sistema se conforma de la antena o antenas de transmisión y recepción (telemetría y comandos), así como de las etapas encargadas de codificar y enviar las señales de radio. Para el caso en cuestión se conforma de un transreceptor y una antena de tipo RPSMA de 900 MHz que conectará con la computadora de vuela, la cual enviará la información de los sensores a transmistirse.) 4.4 Subsistema de alimentación eléctrica Este subsistema se encarga de proporcionar la alimentación a todos los demás subsistemas del CanSat como lo son la computadora de vuelo, el transmisor, los sensores y el receptor GPS. Se conforma de una batería de 9V alcalina que representa la fuente de energía, así como de las etapas de regulación de tensión y potencia que permitirán operar a todos los circuitos. 4.5 Subsistema de administración de datos y computadora de vuelo (Command and Data Handling ó C&DH) Este es el sistema encargado de administrar toda la información de los diferentes sensores/actuadores que contiene tanto la parte de la plataforma (Bus) como de la carga útil (Payload). Consiste en un subsistema que maneja directamente el “bus” físico por donde circulan los datos de los diferentes subsistemas, así como el software asociado a éste. Por la simplicidad del diseño de un CanSat, la computadora de vuelo forma parte de este subsistema (software de control) y no requiere un tratamiento por separado, aunque en misiones de mayor complejidad, es común tratar a la computadora de vuelo de manera independiente. 4.6 Subsistema de soporte mecánico y estructura de contención Este subsistema se conforma de la estructura mecánica de contención y de toda la plataforma y carga útil del CanSat. Consiste en la lata misma y las adecuaciones realizadas para permitir alojar convenientemente y manera segura a todas las etapas de los diferentes subsistemas. Un diseño correcto, así como un desempeño favorable garantizarán en buena medida la seguridad y vida de la misión. Es importante mencionar que todos los subsistemas mencionados serán tratados en detalle en las siguientes secciones. 4.7 Estación terrena Sistema donde se recibe la telemetría para su almacenamiento y despliegue. Consiste de: • Trans-receptor, conformado por una antena y el dispositivo que decodifica la señal de radiofrecuencia. • Sistema de conversión y comunicación con PC, que permite obtener la información, así como enviar comandos (si bien esta característica no será requerida) que se reciben por la antena y el transreceptor. • PC con software de despliegue y análisis de datos. 9

CanSat Short Course Manual Vida de la misión 5 Vida de la misión Finalmente, se considera la vida de la misión, la cual consistirá en al menos 1 lanzamiento exitoso, lo que se traduce en recuperación del CanSat después del cumplimiento de la misión y su reutilización al cambiar únicamente la lata, dependiendo de las condiciones del aterrizaje, por lo que los subsistemas al interior deberán poder operarse nuevamente al reacondicionar únicamente la estructura mecánica ( de ser necesario).

Restricciones 6 Restricciones Las restricciones para la creación del prototipo se encuentran marcadas por los siguientes parámetros: • Costo: el costo total del sistema debe ser lo más bajo posible con la intención de volverlo accesible y permitir una creación en serie del dispositivo. Por este motivo, el lpimite fijado de costo es de $3,000.00. Las restricciones para la creación del prototipo se encuentran marcadas por los siguientes parámetros: • Costo: el costo total del sistema debe ser lo más bajo posible con la intención de volverlo accesible y permitir una creación en serie del dispositivo. Por este motivo, el lpimite fijado de costo es de $3,000.00. • Tiempo de desarrollo: el tiempo requerido para desarrollar el prototipo final debe ser de al menos 1 mes, partiendo de que se dispone ya de una primer versión trabajada (herencia de diseño). • Acceso a componentes: todos los componentes utilizados para el desarrollo del prototipo deberán ser encontrados con los distribuidores nacionales, con la intención de cumplir con los dos puntos anteriores y garantizar la realización del prototipo. Es importante señalar que no se puede utilizar ningún componente explosivo o peligroso de ningún tipo. • Espacio: el espacio de contención del segmento de vuelo deberá apegarse a los lineamientos CanSat, es decir, se deberá contener todo en una lata de 355ml. La antena para comunicación puede colocarse por fuera de la lata, sin embargo, su dimensión máxima debe ser menor que la dimensión más grande de la lata.

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• Masa: aunque la limitante de espacio para todo el CanSat es de 355ml, se especifica un límite de masa de 370gr con la intención de permitir un despegue con menos dificultades, cualquiera que sea el vehículo/mecanismo utilizado para este fin. • Paracaídas: no se utilizará paracaídas, por lo que un buen diseño para resistencia a impacto deberá ser considerado. Esto con la intención de crear un dispositivo resistente a impactos. • Banda de comunicación: se utilizará una banda de comunicación ISM de 900 MHz (Industrial, Scientific and Medical), que es una banda reservada internacionalmente para uso no comercial de radiofrecuencia, conforme a regulación de la ITU (International Telecommunications Union). Esto con la finalidad de evitar interferencias.

Entregables 7 Entregables Los entregables que se deberán proporcionar junto con este manual son los que a continuación se describen: • Descripción técnica del desarrollo y diseño completo del CanSat contenida en el presente manual (sección de vuelo). • Diagramas de operación. • Prototipo CanSat. El presente manual se basará en la creación y elaboración del segmento de vuelo, dejando para el usuario la elaboración del software de la estación terrena para la recepción de telemetría. El segmento de vuelo se podrá elaborar de manera completa con todas las partes, etapas y subsistemas, así como pruebas que lo conforman, que posteriormente se describirán a detalle.

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CanSat Short Course Manual Detalles técnicos 8.1 Componentes electrónicos y sensores En la siguiente tabla se muestran los componentes que conforman a este CanSat. Lista detallada de componentes electrónicos y sensores:

Cantidad

Descripción

No. Parte

1

Bornera chica para circuito impreso. 2 terminales.

TRTM-02

1

Regulador de voltaje 5 Volts, 1 Ampere.

KA7805

1

Regulador de voltaje 3.3 Volts. 1 Ampere.

KA78R33

1

Capacitor electrolítico 0.33 μF a 50V.

CE-.33/50

1

Capacitor electrolítico 100 μF a 25V

CE-100/25V-TEAPO

1

Capacitor cerámico 0.1 μF a 50V.

CC-.1/50V

1

Capacitor electrolítico 1 μF a 50 V.

CE-1/50V

1

Capacitor cerámico 0.01 μF a 50 V.

CC-.01/50V

1

Tira con 36 terminales 1 línea.

Header-1

1

Resistencia de carbón de ¼ Watt 1.8 kΩ.

RC-1k8/1/4

1

Resistencia de carbón de ¼ Watt 2.7 kΩ.

RC-2k7/1/4

1

Resistencia de carbón de ¼ Watt 5.6 kΩ.

RC-5k6/1/4

3

Resistencias de carbón de ¼ Watt 10 kΩ.

RC-10k/1/4

1

Base para circuito integrado angosta.

28PA

1

Microcontrolador PIC18F2520.

PIC18F2520-I/SP

1

Mosfet canal n 100 mA/50V

2SK669

1

Módulo GPS-TTL con antena

LR9552-TTL

1

Sensor de presión absoluta

MPX4115A

1

Sensor de temperatura de precisión.

LM335Z

1

Convertidor USB a serial

BOB-00718

4

Sockets para XBee. 10 pines, 2 mm.

SP-PRT08272

2

Tiras de 10 jumpers de 20 cm hembra-hembra.

SHT-062

2

Antena tamaño reducido 916 MHz RPSMA

ANT-916-CW-RH

2

Xbee Pro HP

XBP9B-DMST-002

Restricciones

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8.2 Especificaciones y requerimientos Las dimensiones y forma del CanSat corresponden a las equivalentes del cilindro de una lata de refresco de 355 ml. La antena de telecomunicación se coloca fuera de dicho cilindro y su dimensión máxima es menor que la dimensión más grande de la lata. No contiene componentes peligrosos o explosivos. El peso máximo del CanSat ensamblado, incluyendo la batería y la antena, no es mayor a 370 gramos. No deberá tener paracaídas. Banda de frecuencia de operación: 902-928 MHz La telecomunicación del CanSat es unidireccional, no debe recibir comandos, sólo debe transmitir información. El CanSat deberá resistir el impacto de aterrizaje. 8.3 Diagramas de la PCB El CanSat se diseñó en subsistemas que comprenden la parte de generador de potencia, sensores, sistema de comunicación y computadora de vuelo, por lo que para cada subsistema se diseñó un circuito individual. A continuación se muestran los diagramas eléctricos con su correspondiente diagrama de circuito impreso (PCB). En los diagramas de PCB se muestra sólo la capa de cobre. En la Figura 1 se muestra el subsistema de comunicaciones; en la Figura 2 el subsistema de sensores y en la Figura 3 el circuito principal donde se encuentra la microcomputadora que es la encargada de procesar la información de los demás subsistemas, incluyendo el GPS.

Figura 1. Subsistema de comunicación inalámbrica. Esquemático y PCB correspondiente 13

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Figura 2. Subsistema de Sensores. Esquemático y PCB correspondiente

Figura 3. Computadora de Vuelo. Esquemático y PCB correspondiente El sistema de GPS no necesita de un PCB ya que el circuito de la computadora principal, que se muestra en la Figura 3, cuenta con los conectores necesarios para que se enchufe directamente. 8.4 Programa de control El CanSat se controla desde el microprocesador, éste se encarga de procesar digitalmente la información de todos los subsistemas y de mandar esta información procesada al sistema de comunicación inalámbrica. Esto se logra grabando en el microprocesador un programa de control que realice los algoritmos necesarios para llevar a cabo la misión del CanSat. En el siguiente diagrama de flujo se muestra de manera general el programa de control que se graba en el microprocesador

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Agencia Espacial Mexicana INICIO Seleccionar y guardar datos útiles del GPS (latitud, longitud, altitud y número de satélites) Leer y guardar valor del sensor de temperatura

Leer y guardar valor del sensor de presión

Procesamiento de los datos anteriores Enviar la información procesada al sistema de comunicación inalámbrica Figura 4. Diagrama de flujo general del programa de control del CanSat.

8.5 Metodología de ensamblado Se recomienda ensamblar los subsistemas del CanSat en una estación de trabajo adecuada y bien equipada. Una de las capas del PCB, llamada Silk Screen, es de gran utilidad al momento de ensamblar el CanSat. En ella se muestran los símbolos de los componentes, por lo que al ensamblar sólo se deben colocar los componentes como esta capa lo indica. En la Figura 5 se muestra esta capa que indica la correcta colocación de los componentes en el PCB.

Figura 5. Capa Top Silk del PCB del circuito que contiene al microprocesador 15

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En la Figura 6 se muestra la manera de ensamblar lo componentes en el PCB.

Figura 6. Fotografía del ensamble de algunos componentes en un PCB 8.6 Metodología de soldado Se recomienda colocar y soldar primero los componentes más pequeños y después continuar con los de mayor tamaño, esto es con la finalidad de facilitar el soldado de todo el sistema. Algunos componentes son más sensibles que otros a la aplicación de calor, sobre todo los circuitos integrados, por eso se debe tener especial cuidado al soldarlos. Es recomendable soldar en el menor tiempo posible cada uno de los pines de los componentes electrónicos. La temperatura del cautín no debe ser superior a los 300 ºC y tampoco se debe utilizar mucha soldadura por cada pad del PCB. Una vez soldados todos los componentes, hay que eliminar las partes sobrantes de los mismos con unas pinzas de corte. En la Figura 7 se muestra un circuito en el que ya se soldaron todos los componentes a la tarjeta PCB. Este procedimiento se repite para cada uno de los subsistemas para que posteriormente se realice la integración de éstos. 16

Figura 7. PCB terminado de soldar

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8.7 Integración del CanSat Cuando ya se tienen todos los subsistemas del CanSat soldados y ensamblados, se procede a integrarlos en un solo sistema que los contenga a todos, se conectan mediante jumpers, se realiza así ya que es una forma didáctica de integrar el CanSat y la enseñanza es uno de los objetivos primordiales de este desarrollo. Después se coloca dentro de un contenedor con forma y volumen de una lata de refresco de 355 ml En la Figura 8 se muestra el CanSat con todos sus subsistemas interconectados. Y en la Figura 9 se muestra dentro de la lata de refresco.

Figura 8. CanSat interconectado con todos los subsistemas

Figura 9. CanSat ensamblado en la lata de refresco 8.8 Resultados esperados Ya que está ensamblado todo el sistema, se realizaron pruebas de transmisión desde distancias aproximadas de 1 km. Obteniendo buenos resultados en la mayoría de estas. En la Figura 10 se puede observar el CanSat atado a un globo con helio el cual se subió a una altura aproximada de 500 metros, obteniendo buenos resultados de transmisión.

Figura 10. Prueba del CanSat con un globo con helio en Ciudad Universitaria 17

CanSat Short Course Manual Resultados 9 Resultados Los resultados del presente trabajo muestran el proceso de definición, diseño, elaboración, construcción y pruebas de un CanSat dentro de la metodología de diseño de una misión espacial. La creación de este prototipo tiene como finalidad el ayudar en el entendimiento y manejo de las diferentes etapas dentro de una misión espacial real. Para esto se desarrollo un prototipo capaz de desarrollar una misión científica y de ingeniería real con el uso de tecnología accesible pero capaz de reproducir las condiciones de vida de una misión. Para lograr lo anterior se realizaron las pruebas sobre el prototipo en cuestión y de las cuales se mencionan a continuación. En la Figura 11 y Figura 12 se muestran los resultados obtenidos de las pruebas realizadas del CanSat en las Islas, dentro de Ciudad Universitaria. En una de ellas se subió con un globo a 500 metros de altura aproximadamente y en la otra a 700 metros con un helicóptero de control remoto igualmente dentro de Ciudad Universitaria.

Figura 11. Resultados de la prueba de vuelo del 28 de octubre del 2013 en las Islas, CU

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Figura 12. Resultados de la prueba del 3 de diciembre de 2013 en las Islas, CU

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