Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
HELUPOWER
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity

tadtal 29 Lis 2015 19:35 7710 7
  • Niniejszy temat założony jest, aby przedstawić wykonany przeze mnie układ nadążny, który po zamocowaniu systemu antenowego posłuży do automatycznego śledzenia wybranego satelity z założeniem utrzymania wysokiej jakości komunikacji.

    Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity

    Założenia:
    Projekt skierowany głównie do komunikacji z satelitami pogodowymi. Urządzenie ma posiadać możliwość montażu max. 2 anten (2 różne pasma) oraz skierowanie ich w kierunku aktualnie przelatującego nad obserwatorem satelity zgodnie z dostarczonymi współrzędnymi horyzontalnymi. Urządzenie ma współpracować z oprogramowaniem ORBITRON, które na podstawie danych o orbicie wybranego satelity wyznacza jego chwilowe położenie.
    Samo urządzenie, nie tylko z systemem antenowym może być wykorzystane do "wycelowania" (np. teleskopu) w dowolny punkt na lokalnym niebie.

    Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity

    Orbitron:
    Istnieje kilka programów komputerowych umożliwiających wyznaczenie toru lotu wybranego satelity i sterowanie systemem antenowym oraz radiem. Programy te korzystają z danych o orbitach sztucznych satelitów, które są publikowane przez agencje rządowe oraz osoby prywatne. Orbitron jest to darmowa aplikacja napisana przez Sebastiana Stoffa, której głównym zadaniem jest symulacja położenia satelitów na orbicie Ziemskiej oraz ustalenie terminów ich przelotów nad wybranym terytorium.Aplikacja śledząca wyznacza położenie satelity w danej chwili. Dane są obliczane w czasie rzeczywistym i w miarę upływu czasu od momentu ostatniej aktualizacji danych rzeczywista i obliczona pozycja danego satelity różni się coraz bardziej. Program posiada możliwość udostępniania położenia obserwowanego satelity w czasie rzeczywistym lub symulowanym. Symulowanie przelotu konkretnego satelity w czasie umożliwia przygotowanie i przetestowanie sprzętu, i wybór odpowiedniego miejsca obserwacji.

    Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity

    Współrzędne horyzontalne:
    Współrzędne horyzontalne opisują chwilowe położenie ciała niebieskiego. W układzie tym położenie danego ciała niebieskiego określa się, podając dwie współrzędne: azymut astronomiczny i wysokość astronomiczną (elewację). Azymut astronomiczny jest to kąt dwuścienny zawarty pomiędzy płaszczyzną lokalnego południka a płaszczyzną koła wierzchołkowego przechodzącego przez dany obiekt. Azymut zmienia wartość w zakresie od 0° do 360°, zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. W astronomii odmierza się go od punktu południa, natomiast w geografii od punktu północy. Wysokość astronomiczna (elewacja) jest to kąt płaski zawarty pomiędzy płaszczyzną horyzontu astronomicznego a kierunkiem na dany obiekt. Wysokość zmienia się w zakresie (-90°, 90°). Ujemne wartości wysokości astronomicznej dotyczą obiektów znajdujących się pod linią horyzontu obserwatora. Układ współrzędnych horyzontalnych jest powiązany z Ziemią, a nie jak może sugerować zastępcza nazwa (układ współrzędnych astronomicznych) - z ciałami znajdującymi się na sklepieniu. Azymut oraz elewacja obserwowanego punktu na niebie zmienia się wraz ze zmianą położenia obserwowanego obiektu.

    Warto zaznaczyć, że omawiany układ jest definiowany przez horyzont lokalny. Z tego wynika, że obserwacja tego samego obiektu na niebie z różnych miejsc Ziemi w wyniku da różne wartości wysokości astronomicznej i azymutu. W praktyce omawiany układ często służy do określania wschodu i zachodu, ciał niebieskich. Gdy obserwowany obiekt ma wysokość równą zero, w przypadku gdy azymut wynosi ponad 180° - jest to zachód, a gdy azymut wynosi poniżej 180° - jest to wschód.

    Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity

    Komunikacja i sterowanie:
    System sterowania anteną odbiorczą składa się z dwóch podstawowych części: części sterownika elektronicznego, która bezpośrednio odbiera dane z komputera oraz z części mechanicznej umożliwiającej instalacje anteny i jej dowolne ustawienie względem obserwowanego obiektu. Komputer PC z programem Orbitron przesyła informacje przez port szeregowy (USB) na konwerter standardów USB/RS232. Z konwertera dane trafiają do mikroprocesora, gdzie następuje ich konwersja. Następnie po obliczeniu odpowiednich wartości, procesor wysyła sekwencję sterującą do sterownika silników krokowych, który bezpośrednio zasila silniki wprawiające w ruch część mechaniczną. W ten sposób realizowane jest ustawienie zamocowanej anteny w odpowiednim położeniu.

    Część elektroniczna:
    Sterowanie elektroniczne zostało podzielone na trzy podstawowe bloki. Sercem układu jest 8-bitowy mikrokontroler AVR, w którym zaimplementowane zostały wszystkie funkcje niezbędne do prawidłowego odbioru danych z komputera, obliczenia kroków silnika krokowego i wysyłania sekwencji sterujących. W formie pośrednika odbioru danych z komputera pracuje konwerter USB/RS232 oparty na układzie FT232, który przekształca dane oraz dopasowuje poziomy logiczne w formie odpowiedniej dla mikrokontrolera. Ostatnim blokiem sterownika elektronicznego jest układ mocy sterujący silnikami, zrealizowany na tranzystorach Darlingtona. Zastosowane silniki krokowe są silnikami unipolarnymi z 5 wyprowadzeniami. Każdy silnik posiada jedno wyprowadzenie wspólnego zasilania cewek. Silniki posiadają rozdzielczość 200 kroków, co daje obrót wirnika o 1,8° na jeden krok. Prąd znamionowy jednej cewki przy zasilaniu 11,8V wynosi 0,44A.

    Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity

    Część mechaniczna:
    Głównym założeniem przy wykonywaniu konstrukcji mechanicznej było uzyskanie jak największej stabilności urządzenia, tym samym zachowując precyzje mechanizmów obrotowych. Konstrukcja posiada możliwość sterowania obrotem w dwóch płaszczyznach - azymut i elewacja. Prototypowa wersja urządzenia posiadała elementy drewniane, które przy zastosowanym obciążeniu symulującym antenę nie były stabilne i wyginały się. Urządzenie w wersji finalnej składa się z następujących głównych elementów: trzpienia, do którego zostały przyspawane 3 nogi ułożyskowanej osi do sterowania azymutem osadzonej w trzpieniu i obrotowej podstawy z dwoma wspornikami, na których umocowana jest kolejna oś pozwalająca na sterowanie elewacją. W sąsiedztwie każdej z osi znajduje się mocowanie dla silnika krokowego, który bezpośrednio połączony z układem mocy, wykonuje obrót o określony kąt i poprzez przekładnię wprawia w ruch daną oś.

    Oś, której zadaniem jest sterowanie azymutem osadzona jest w łożysku, które z kolei zostało zamontowane w głównym trzpieniu urządzenia. W połowie osi na stałe przykręcone jest koło zębate, a na jej końcu przykręcona jest metalowa podstawa. Na podstawie znajdują się dwa wsporniki, na szczycie których w ułożyskowanych tulejach zamocowana jest druga oś przeznaczona do sterowania elewacją. Poniżej mocowania osi, z jednej strony znajduje się przymocowany silnik z przekładnią, po drugiej stronie znajduje się przeciwwaga silnika. W celu zwiększenia sztywności konstrukcji obydwa wsporniki zostały po środku spięte stalową szpilką. Do górnej osi przyspawana została blacha o grubości 3mm, która służy jako mocowanie podstawki pod anteny. W początkowej fazie planowania wspomniany płaskownik miał służyć jako bezpośrednie mocowanie anteny, jednak ostateczna wersja urządzenia doczekała się specjalnej podstawki umożliwiającej zamontowanie dwóch anten i ich swobodny ruch w obszarze nie narażonym na konflikt z urządzeniem, co umożliwia montaż w połowie jej długości. Taki montaż sprawia, że mocowanie dzieli antenę na dwie części, które są dla siebie przeciwwagami.

    Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity

    Program:
    Oprogramowanie zostało napisane w języku C w środowisku programistycznym AVR STUDIO. Program został podzielony na 3 główne części: odbieranie danych poprzez interfejs szeregowy mikrokontrolera, sprawdzanie zmian współrzędnych horyzontalnych obserwowanego obiektu oraz obsługa silników krokowych ustawiających antenę w potrzebnym położeniu.

    Podsumowanie:
    Przedstawiony system sterowania anteny może być ciągle rozwijany. Podczas prac i testów narodziło się sporo pomysłów. Ważnym usprawnieniem byłby z pewnością statyw wyposażony w urządzenia nawigacyjne, pozwalający na szybkie i bezbłędne ustawienie urządzenia. Ustawienie urządzenia względem kierunków świata mogłoby również zostać zautomatyzowane za pomocą cyfrowego kompasu dostarczającego sterownikowi informacji na temat aktualnego położenia. Takie rozwiązanie nie wymagałoby od użytkownika ustawienia układu nadążnego w określonej pozycji i dodatkowo mogłoby pełnić funkcję automatycznej korekcji azymutu. Należałoby jednak sprawdzić, jaki wpływ na igłę magnetyczną ma metalowa konstrukcja. Urządzenie z założenia ma pracować w terenie, dlatego kolejną innowacją mogłoby być zastosowanie cyfrowego żyroskopu, który korygował by błędy ustawienia górnej osi wynikające z nierówności terenu. Zastosowanie takiego układu mogłoby również posłużyć do sprawdzenia i ewentualnej korekcji elewacji. Sterownik elektroniczny nie wykorzystuje wszystkich pinów mikrokontrolera, dlatego zaprojektowana płytka posiada udogodniony dostęp do nieużywanych wyjść układu. W kontekście rozwoju pracy ma to duże znaczenie, gdyż w przyszłości będzie można sterownik wzbogacić na przykład o wyświetlacz prezentujący podstawowe informacje lub klawiaturę obsługującą dodane funkcje.


    Filmy z testów:

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    tadtal napisał 59 postów o ocenie 16, pomógł 2 razy. Mieszka w mieście Poznań. Jest z nami od 2005 roku.
  • HELUPOWER
  • #2
    Krzysztof Kamienski
    Poziom 43  
    Zupełnie fajne urządzonko, ale dwie uwagi. Pierwsza -zastosował bym silniki prądu stałego z komutatorem i enkoderem, czyli servomotory, zamiast tych krokowców, zmiejszyło by to ilość kół zębatych w przekładniach(teraz jesteś zdany na maksimum ćwierćkrok silnika + (dlaczego sterujesz pełnym krokiem?) współczynnik redukcji przekładni, tam tylko na dokładność enkodera). Po drugie w osi horyzontalnej zastosował bym jednak slizgacze, a nie wiązkę przewodów, która w końcu się ukręci.
  • HELUPOWER
  • #3
    djkomprez
    Poziom 21  
    Fajna konstrukcja ... naprawdę gratuluje pomysłu;)

    Kilka uwag :

    - to co kolega wspomniał powyżej o kablu to żadne ślizgacze ...
    w profesjonalnym sprzęcie astronomicznym (taki posiadam) takie rozwiązanie jest wykonane na zasadzie konektorów telefonicznych RJ-11 oraz kabla telefonicznego
    takiego samego jak przy słuchawkach (sprężynujący)

    - 1/4 kroku na silniku krokowym ? osobiście softwarowo mam zrobione 1/16 kroku w swoim napędzie typu ATM ...

    - faktycznie koła zębate zastąpił bym przekładnią paskową z zębami...wystarczyły by 2 koła + pasek.
  • #4
    seg
    Poziom 12  
    Cytat:
    - to co kolega wspomniał powyżej o kablu to żadne ślizgacze ...
    w profesjonalnym sprzęcie astronomicznym (taki posiadam) takie rozwiązanie jest wykonane na zasadzie konektorów telefonicznych RJ-11 oraz kabla telefonicznego
    takiego samego jak przy słuchawkach (sprężynujący)


    RJ to masz do kontrolera lub silników podłączone. Nie zrozumiałeś o którym przewodzie mowa.
  • #5
    seba_x
    Poziom 31  
    Jakiś czas temu myślałem na tym ale nie mogłem sobie poradzić z odbiorem współrzędnych z Orbitrona. Czy mógłbyś wyjaśnić konkretnie jak to robisz ?
  • #6
    tadtal
    Poziom 11  
    Witam

    Cytat:
    zastosował bym silniki prądu stałego z komutatorem i enkoderem, czyli servomotory, zamiast tych krokowców, zmiejszyło by to ilość kół zębatych w przekładniach(teraz jesteś zdany na maksimum ćwierćkrok silnika + (dlaczego sterujesz pełnym krokiem?) współczynnik redukcji przekładni, tam tylko na dokładność enkodera). Po drugie w osi horyzontalnej zastosował bym jednak slizgacze, a nie wiązkę przewodów, która w końcu się ukręci.


    - Do serwomotorów jeszczę (mam nadzieję) dojdę w przyszłych projektach ale jak narazie wziąłem na stół "krokowce". Nie ukrywam, że była to pierwsza moja obsługa silników krokowych w jakimkolwiek projekcie. Przy testach z prawdziwymi antenami nie zauważyłem gubienia kroków.

    - Sterowanie jest półkrokowe.

    - Kabel nie ukręci się bo programowo kontroluję obroty osi azymutu w zakresie tylko jednego obrotu. Ale trzeba przyznać, że ślizgacze byłyby tutaj bardziej bezpieczne.

    Cytat:
    - 1/4 kroku na silniku krokowym ? osobiście softwarowo mam zrobione 1/16 kroku w swoim napędzie typu ATM ...


    - faktycznie 1/2 kroku to absolutne minimum, przy pełnym kroku wszystko drży i jest wysoce niestabilne. W mikrokontrolerze może i dałoby się zaimplementować większy podział kroku ale korzystniej byłoby zastosować dedykowany sterownik chociażby L297 czy znane układy Toshiby. Jednak pół kroku w zupełności wystarcza :)

    Cytat:
    Jakiś czas temu myślałem na tym ale nie mogłem sobie poradzić z odbiorem współrzędnych z Orbitrona. Czy mógłbyś wyjaśnić konkretnie jak to robisz ?


    Ogólnodostępnym klientem DDE do zastosowań radioamatorskich jest "WispDDE", który komunikuje sie z Orbitronem i umożliwia sterowanie rotorem oraz radiem. Przed wybraniem odpowiedniej pozycji w okienku "Sterownik" należy zainstalować odpowiednie pliki, o braku których (przy pierwszym uruchomieniu aplikacji) użytkownik zostanie poinformowany. Po uruchomieniu "WispDDE" można przystąpić do konfiguracji transmisji szeregowej określając parametry takie jak port, prędkość transmisji, parzystość, znaki stopu oraz protokół w jakim będą transmitowane informacje. Dostępne są protokoły : GS-232, FDD Track, CI-V, IF-100, TrakBox, EASYCOMM-I, RC2800PX. Ja wykorzystałem EASYCOMM-I. W protokole wyróżniamy 6 rodzajów danych, są to : azymut, elewacja, częstotliwość łącza w górę, częstotliwość łącza w dół oraz tryby modulacji dla tych częstotliwości. Bezpośrednio przed każdą nadaną wartością występuje komenda identyfikująca rodzaj danych. Algorytm odczytu sprowadza się do zinterpretowania konkretnego znaku ASCII i uaktualnienie przechowywanych danych.

    Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity Układ nadążny do automatycznego śledzenia wybranego satelity

    Jak widać w oknie terminala - wartości ujemne dla elewacji, czyli kiedy obserwowany obiekt jest poniżej linii horyzontu, interpretowane są jako wartość 0 stopni.
  • #7
    hummer130
    Poziom 11  
    Witam autora oraz czytających. Mam male pytanko. Projekt super; czegoś takiego szukałem i myslę nad czymś takim. Jakie anteny udźwignie ten mechanizm?...
  • #8
    blue_17
    Poziom 32  
    Super projekt gratuluję bo włożyłeś mnóstwo pracy.

    Ja widzę twój układ do fotografowania flar irydium, gdzie na stojaku byłby aparat a kontroler by wyzwalał migawkę.

    Niewiem czy to dobry pomysł ale bym sugerował zastosować moduł GPS do ustawiania urządzenia oraz kompas cyfrowy.

    Czy twój układ i oprogramowanie umożliwia odbiór map pogody i ich wizualizację na PC bo może jakieś radio SDR ?

    Pozdrawiam