\documentclass[12pt,a4paper,twoside]{article}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[czech]{babel}
\usepackage[colorlinks=true,unicode]{hyperref}
\usepackage{graphicx}
\usepackage{fancyhdr}
\usepackage{fullpage}
\usepackage[top=5cm, bottom=10cm, left=2.5cm, right=2.5cm]{geometry}

% vzdy trash aux files potom latex, bibtex zprava.cs.aux, potom makeglossaries zprava.cs.glo (z command line) potom latex
\usepackage[nonumberlist,toc,numberedsection=autolabel,shortcuts]{glossaries} % list of acronyms
\makeglossaries

\input{glossaries}

\textwidth 16cm \textheight 20cm
\topmargin 0cm 
\oddsidemargin 0cm
\pagestyle{fancy}
\addtolength{\headsep}{30 pt}
\addtolength{\footskip}{50 pt}

\setlength{\headheight}{17pt}

\fancyfoot{}
\fancyfoot[L]
{\raisebox{-0.75cm}{\includegraphics[width=1.5cm]{./img/datamatrix.png}} \tiny{ \begin{tabular}{c}
 pomiceva \\ 
 kakonjak \\
 hanuson1 \\
 poskozby \\
 jichapav \\
 \end{tabular}}
}
\fancyfoot[C] {\thepage}
\fancyfoot[R] {\raisebox{-0.75cm}{\includegraphics[height=1.0cm]{./img/Logo_UST.png}}}


\begin{document}
\title{Technická zpráva - Automatický vypouštěč meteobalónů ABL01A}
\author{Eva Pomíchalová, Jakub Kákona (kaklik@mlab.cz),\\ Ondřej Hanus, Pavel Jícha, Zbyněk Poskočil}
\maketitle

\begin{figure} [h!]
\begin{center}
\includegraphics [width=160mm] {./img/box.JPG} 
\end{center}
\end{figure}

\thispagestyle{fancy}
\newpage
\begin{abstract}
\input{abstrakt.txt}
\end{abstract}
\newpage



\tableofcontents
\newpage

\section{Automaticky vypouštěný sondážní balon}

Účelem vývoje celého systému je plná automatizace procesu vypuštění balónu a jeho začlenění do složitější sítě měřících přístrojů. 

\subsection{Cíle konstrukce systému}

Jde o inovativní přístroj, který může být využit v několika aplikacích  vyžadujících přesná meteorologická měření sondou přímo v místě události.

\subsubsection{Síť pro detekci dopadu meteorů}

\begin{figure}
  \centering
  \includegraphics[width=15cm, height=9cm]{img/SchemaCeleSite.png}
  \caption{Schéma celé sítě}
  \label{fig:blokcelasit}
\end{figure}

Celý systém by měl být robotizovaným doplňkem sítě
\href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:rmds}{radiových detektorů meteorů}, případně pak i
její vizuální varianty (video pozorování a bolidové kamery).

Účel zařízení je zpřesnit odhad trajektorie temné dráhy meteoritu v
atmosféře zavedením korekcí na proudění vzduchových mas během letu. A
tím v důsledku zmenšit plochu dopadové elipsy meteoritu na zemský povrch.

Údaje o proudech v atmosféře budou získány balónovou sondou vypuštěnou
bezprostředně po detekci průletu bolidu atmosférou. Místo vypuštění
balónové sondy by mělo být zvoleno automaticky na základě odhadu dráhy
meteoru a známých souřadnic balónových sil v síti.

Důležitou součástí systému je plně robotizovaná vypouštěcí stanice
(balónové silo), která umožní vypuštění sondy ze známých souřadnic bez
zásahu lidské obsluhy. Vedlejším produktem takového vývoje bude zařízení
schopné v budoucnu automatizovat i vypouštění klasických
meteorologických
\href{http://en.wikipedia.org/wiki/Radiosonde}{radiosond}.

\subsubsection{Automatické vypouštění meteorologických radiosond}

Meteorologické sondy jsou dnes prakticky výhradně vypouštěny ručně nafouknutím balonu vodíkem, jeho uvázáním na na sondu a vypuštěním. Již dříve však bylo učiněno několik pokusů o automatizaci tohoto procesu \cite{automacic_balloon_launcher}. Avšak zatím žádný nedosáhl praktického nasazení. Což je pravděpodobně způsobeno komplikovaností procesu a zajištěním spolehlivosti tohoto řešení.  Náročnost úlohy se podstatně zjednodušuje v případě, že vypouštěcí systém bude konstruován na jednorázové použití, jako je tomu v případě aplikace v síti  pro detekci dopadu meteorů. 

V jiných meteorologických aplikacích může být přínosem jednak absence obsluhy a tím i možnost umístění přístroje do odlehlých oblastí. Ale i možnost mít měřící přístroj připravený pro některou speciální meteorologickou událost.

\section{Pozemní vypouštěcí box}

Pozemní stanici balónové sítě tvoří kompaktní krabice obsahující
techniku potřebnou k vypuštění balónové sondy. Zařízení je
konstruováno tak, aby bylo schopné vydržet řádově několik roků v
pohotovostním režimu, a čekat na příkaz k vypouštění sondy.

\subsection{Potřebné parametry}

Vypouštěcí box musí být konstruovaný tak, aby jeho součásti měly vysokou spolehlivost umožnil snadné připojení do sítě, umožňoval zároveň příjem telemetrie z vypuštěných sond.  

\subsection{Elektronika pozemní stanice}

Většina řídící elektroniky je složena z modulů
\href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}

Komunikace s řídícím systémem sítě stanic je aktuálně řešena terminálem na RS232 tvořeného modulem \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/RS232SINGLE01A}{RS232SINGLE01A} respektive jeho \gls{USB} variantou \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/USB232R01B}{USB232R01B}. Další možnosti připojení jsou následující: 

\begin{itemize}
\item Ethernet - modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/ETH01A}{ETH01A} 
\item Konvertor z \gls{TTL} na sběrnici \gls{CAN} \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLCAN01B}{TTLCAN01B} 
\item Konvertor z \gls{TTL} na sběrnici RS485. \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLRS48501A}{TTLRS48501A} 
\item \gls{GSM} výhodné pro odlehlé oblasti a odesílání informací o poruchách.
\item \gls{USB} - je přímo osazeno na použitém řídícím modulu a lze jej použít jako servisní terminál a k aktualizaci firmwaru pomocí bootloaderu. 
\end{itemize}

Jako hlavní řídící \gls{MCU} této jednotky byl vybrán \gls{ARM} STM32F103R8T v modulu
\href{/doku.php?id=cs:stm32f10xrxt}{STM32F10xRxT01A}. Firmware je pak dále popsán v kapitole \ref{Box_firmware}.


\subsubsection{Napájení elektronických subsystémů}

Ve vývojové fázi funkčního vzoru je napájení systému řešeno PC ATX zdrojem, ze kterého jsou využity +5 V a +12 V větve. Toto řešení se neukázalo jako příliš optimální vzhledem ke špatné spolehlivosti PC zdrojů při provozu s nízkou zátěží v dalším prototypu bude proto ATX zdroj pravděpodobně nahrazen jiným spínaným zdrojem určeným pro tento druh aplikace. 

Výhodným řešením by také mohlo být využití fotovoltaických článků, které by v případě umístění na odsuvné střeše bylo možné využít k detekci zakrytí střechy.


\subsection{Mechanická konstrukce}

Základem prototypu vypouštěče je polypropylenová krabice o rozměrech 57x39x42 cm, z obchodního řetězce IKEA. Bočnice a střecha jsou vyřezány z dutinkového polykarbonátu (má dobrý poměr hmotnosti a pevnosti). Výsledné uspořádání je vidět na obrázku \ref{fig:box} a bylo takto navrženo za účelem snadného a spolehlivého otevírání střechy.

\begin{figure}[hbtp]
 \centering
 \includegraphics[width=10cm]{./img/domecek.JPG}
 \caption{Konstrukční díly pozemního vypouštěcího boxu}
\label{fig:box}
\end{figure}

Bočnice mají tvar obdélníku zkombinovaného s přesahujícím rovnoramenným troj\-úhelníkem. Obdélníková část bočnic je přišroubována ke krabici a na trojúhelníkové části je položena střecha, složená ze dvou desek. V produkční verzi by měla být konstrukce spodní části řešena polyfúzně svařovanou plastovou bednou z \gls{PE} desek. Krabice musí být dostatečně utěsněna, aby nebyla zajímavá pro hlodavce a další havěť. Rozměry by měly být upraveny tak, aby umožnila vypouštění i současných profesionálních balónových sond. Boční profil krabice by pravděpodobně mohl být modifikován do trojúhelníku, což by umožnilo lepší kontrolu nad odpadávajícími díly střechy. Šikmé stěny přes které by se měla sesouvat střecha by navíc mohly být pokryty fotovoltaickými články, které by v zavřeném vyčkávacím stavu sloužily k výrobě elektrické energie pro napájení stanice a při otevření střechy by posloužily, jako zpětná vazba sesunutí desek. 


\subsubsection{Akční členy}

Většina akčních členů je konstruována s důrazem na maximální spolehlivost. Konstrukce akčních členů je převzata z kosmických technologií používaných na družicích Magion, proto jsou použity pružiny s přepalovacími PES pojistkami\footnote{silonové vlákno, nebo stuha přepalovaná výkonovým rezistorem} Při testování byly zkoušeny různé plastické materiály a jako nejlepší se jeví polyesterové vázací pásky. Viz obrázek~\ref{fig:odpalovac} Ke spínání proudu do topných rezistorů je využit modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/NFET4X01B}{NFET4X01B} Nejdříve byl vyroben prototyp odpalování pružiny pro otevírání víka pozemní vypouštěcí stanice. Na kterém byla demonstrována funkčnost takového řešení. Tento pokus nejlépe ilustruje \href{http://www.mlab.cz/redmine/attachments/download/3/video-2013-03-09-23-43-33.mp4}{dokumentační video}.

U tohoto prototypu bylo zjištěno, že doba přepalování je poměrně dlouhá, v důsledku nízkého topného výkonu rezistoru (47 $\Omega$ @ 12 V) což nebylo vhodné. Bylo to důsledkem snahy zachovat cermetový rezistor pro opakované použití. V dalším experimentu byl rezistor nahrazen \href{http://www.tme.eu/cz/details/m0.4w-10r/metalizovane-rezistory-tht-04w/royal-ohm/mff04ff0100a5/#}{miniaturní verzí} s odporem 10 $\Omega$, avšak v tomto případě došlo při napájení 12 V k okamžitému přepálení odporu bez poškození zajišťovacího pásku. Při použití 5 V napájení již odpor vydržel a zároveň k přepálení zajišťovacího pásku došlo do 3 s.     

\begin{figure}[hbtp]
 \centering
 \includegraphics[width=10cm]{img/odpalovac2.jpg}
 \caption{Testovací prototyp zajišťovacího mechanismu}
\label{fig:odpalovac}
\end{figure}

\subsubsection{Otevírání střechy pozemní stanice}

Během návrhu optimální konstrukce pozemního vypouštěcí\-ho boxu bylo uvažováno něko\-lik metod otevírání krabice, na konec byla vybrána sedlová střecha složena ze dvou desek, které mohou vlastní vahou sklouznout po bočnicích. 

Tyto střešní desky, které se z důvodu vodotěsnosti navzájem překrývají, jsou uvnitř ve vrcholu střechy spojeny páskou. Při přetavení pásky rezistorem, se spustí vlivem gravitační síly po bočnicích na zem.

Při jednom z testovacích odpalů bylo zjištěno, že u tohoto řešení pro otevření střechy hrozí sesunutí pásku či silonu mimo rezistor. Tomuto bylo zabráněno vložením plastového dílu navrženého přímo pro tyto účely a vyrobeného pomocí 3D tiskárny. Tento článek fixuje pásek na rezistoru viz obrázek \ref{fig:3Dtiskarna}.

\begin{figure}[hbtp]
 \centering
 \includegraphics[width=10cm]{img/vodiciClanek.jpg}
 \caption{Vodící článek pro vázací balíkový pásek (stuhu)}
\label{fig:3Dtiskarna}
\end{figure}

Sedlová střecha byla zvolena na základě následujících kritérií:


Dalším možným řešením otevírání střechy jsou panty. Tyto panty by držely střešní desky v zavřené poloze a po přepálení pásky rezistorem by se tyto desky vyklopily do stran, jak je znázorněno na obrázku \ref{fig:oteviraniStrechy}. Pohyb, který by střešní desky musely vykonat, by byl zajištěn pružinami. Nejvhodnějším řešením je použití zkrutné pružinu u každého pantu.

\begin{figure}[hbtp]
 \centering
 \includegraphics[width=16cm]{img/otevirani_strechy2.jpg}
 \caption{Otevírání střechy}
\label{fig:oteviraniStrechy}
\end{figure}

\subsubsection{Uzavírací mechanismus balónu}

Jako uzavírací a vypouštěcí systém balónu je použito odporové svařování. Toto svařování je umístěno v lisovacím mechanismu, který má za úkol stisknout nohavici balónu, jež přivádí nosný plyn do balónu. V poslední fázi činnosti tohoto mechanismu je nohavice příčně přetavena. Tím dojde k uzavření přívodu do balónu a zároveň k odpoutání balónu od uzavíracího systému. K uvolnění balónu je potřeba dostatečný vztlak, jenž přetrhne natavený materiál a uzavřený balón pak začne stoupat.

Lis je tvořen pohyblivou přítlačnou plochou a pevnou zarážkou s odporovým drátem.\footnote{KANTHAL 0,7 x 0,1 mm: R = 20,81 $\Omega/m$ od firmy ELCHEMCO spol. s.r.o.} Přítlačná plocha je schopna posuvného pohybu po kolejnicích s přírazem k pevné zarážce. O přítlak se starají dvě pružiny umístěné na kolejnicích za plošinou, jak je vidět na obrázku \ref{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}.

Pro snadnější rozevírání lisu a jeho spuštění je použit naviják, který přitahuje přítlač\-nou plošinu. Po dostatečném rozevření lisu, je naviják zajištěn páskou, která je vedena přes rezistor. Lis je aktivován tak, že rezistor přetaví pásku, zajišťující naviják. Naviják se uvolní a pružiny sevřou lis.

Na pevné zarážce je natažen odporový drát, který má za úkol přetavit nohavici stisknutou lisem. Aby nedošlo k příliš rychlému přetavení nohavice, je přes odporový drát přetažen pauzovací papír. Pro lepší účinnost systému je pauzovacím papírem potažena i přítlačná plošina. Pauzovací papír se postará o lepší rozložení tepla a zároveň brání přitavení nohavice k lisu. V dalších experimentech by bylo zajímavé vyzkoušet použití papíru na pečení.

Pro správnou funkci lisu je důležitá poloha, ve které doléhá přítlačná plošina k zarážce. Přítlačná plošina musí doléhat tak, aby její horní hrana byla v zákrytu s horní hranou odporového drátu. Pokud by plošina byla posunuta výše, došlo by sice k přetavení, ale balón by se nedokázal vlastní silou odpoutat od systému, protože by byl stále držen lisem. Pokud by plošina byla posunuta níže, nedošlo by k správnému uzavření a odpoutání balónu. Při správném nastavení plošina doléhá přesně na hraně odporového drátu, dojde k uzavření balónu a jeho následnému odpoutání. Správné nastavení je znázorněno na obrázku \ref{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}.

\begin{figure}[hbtp]
 \centering
 \includegraphics[width=15cm]{./img/uzaviraci_mechanismus.jpg}
 \caption{Nákres uzavíracího mechanismu balónu}
\label{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}
\end{figure}

\subsubsection{Napouštěcí systém balónu}

Pneumatika napouštěče balónu řeší problém dávkování nosného plynu do balónu. Pro experimenty s funkčním vzorem přístroje bylo jako nosný plyn vybráno helium (bezpečný inertní plyn). 

Pro dávkování nosného plynu do balónu byly uvažovány dva koncepty.

\begin{enumerate}
\item Použití jednorázové plynové kartuše naplněné právě potřebným množstvím plynu. 
\item Použití opakovaně plnitelné tlakové lahve 
\end{enumerate}

\paragraph{Tlaková nádoba}

Pro první případ uvažující jednorázovou plynovou náplň byla vybrána tlaková nádoba zobrazena na obrázku \ref{fig:helium}. Její původní plánované využití je pro miniautogeny a je plněna tlakem 100 bar. Výhodou je výstupní šroubení M10x1 a uzavírání tlačným kuželovým ventilem, který by mělo být možné uvolňovat šroubovacím mechanismem. Například s pružně uloženým trnem.

\begin{figure}
 \centering
 \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{img/Kartuse_s_heliem.png}
 \caption{Konstrukce ventilu plynové kartuše s héliem}
\label{fig:helium}
\end{figure}

V originálním uspořádání je tlačný kuželový ventil otevírán redukčním ventilem, který je vidět na obrázku \ref{fig:ventil_autogen}. Ten kromě kuželu a přítlačné pružiny obsahuje ještě i zpětný ventil s hadičníkem, který lze z těla redukčního ventilu odšroubovat. 


\begin{figure}
 \centering
 \includegraphics[width=10cm]{img/Redukcni_ventil.png}
 \caption{Redukční ventil}
\label{fig:ventil_autogen}
\end{figure}

Pro konstrukci prototypu napouštěče balónu bylo potřeba opakovaně experimentovat s procesem napouštění a problém opakovaného naplnění plynové kartuše a otevírání kuželového ventilu se nepodařilo z časových důvodů vhodně vyřešit. Z toho důvodu byla použita opakovatelně plnitelná tlaková nádoba v kombinaci s klasickým redukčním ventilem na kyslík. Helium je pak dávkováno elektromagnetickým ventilem \ref{fig:elmag_ventil}. 


\begin{figure}
 \centering
 \includegraphics[width=10cm]{img/Lahev_helium.jpg}
 \caption{Znovuplnitelná lahev na technické plyny}
\label{fig:refillable_gas_cilinder}
\end{figure}

\begin{figure}
 \centering
 \includegraphics[width=10cm]{img/redukcni_ventil_vodik.jpeg}
 \caption{Redukční ventil na vodík - tento ventil byl pořízen s očekáváním lepších parametrů, než ventil kyslíkový, má však ale levý závit. (Jako všechny ventily pro hořlavé plyny splňující normu)}
\label{fig:redukcni_ventil_vodik}
\end{figure}

\begin{figure}
 \centering
 \includegraphics[width=10cm]{./img/redukcni-ventil-autogen-kyslik.jpg}
 \caption{Redukční ventil na kyslík sloužící jako náhrada za vodíkový redukční ventil s levým závitem}
\label{fig:redukcni_ventil_kyslik}
\end{figure}

\begin{figure}
 \centering
 \includegraphics[width=10cm]{img/elektromagneticky_ventil.jpg}
 \caption{Elektromagnetický dávkovací ventil}
\label{fig:elmag_ventil}
\end{figure}

Toto uspořádání má značnou nevýhodu. Helium je pod stálým tlakem ve značném objemu aparatury. Vlivem netěsností a difuze skrz materiály s nízkou hustotou, jako jsou například hadice, nebo pryžová těsnění helium postupně uniká. Toto chování bylo demonstrováno při zkouškách prototypu natlakováním asi 1m dlouhé hadice s průměrem 6 mm přes redukční ventil na jejím druhém konci pak byl připojený manometr, na kterém bylo možné sledovat klesání tlaku v hadici. Tlak z původních 0,4 MPa klesl během několika desítek minut na 0,2 MPa. Dále přes noc klesl až k nule. Hadice byla k regulačnímu ventilu a manometru připojena kvalitními nástrčnými šroubeními pro technické plyny se závity těsněnými teflonovou páskou. 

Je tedy zřejmé, že systém se stále otevřenou tlakovou lahví a regulačním ventilem nemůže být použit v produkční verzi zařízení, neboť nelze zaručit trvanlivost náplně v tlakové nádobě po delší dobu.  


\subsection{Diagnostika stavu systému}

\begin{itemize}
\item
  Kontrola úspěšného startu (měření vztlaku balónu)
\item
  Měření teplot, tlaku plynové náplně, průtoku média do balónu.
\item
  Vlhkost uvnitř krabice (průsak a ztráta vodotěsnosti proražením, nebo netěsností střechy)
\end{itemize}

\subsubsection{Meteorologická data}

Základní meteorologické veličiny nutné pro rozhodnutí o startu jsou měřeny lokálně (teplota, tlak, relativní vlhkost, směr rychlost větru) automatickou meteostanicí  \href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:aws}{AWS01B} a lokálně zaznamenávány společně s údaji z \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A} (pozice stanice a přesný čas) logu a reportu o průběhu startu. 

\subsection{Firmware pozemní stanice}
\label{Box_firmware}

\subsubsection{Real-time operační systém}
Pro ovládání celého systému byl zvolen \gls{RTOS}. Ten byl zvolen především pro zjednušení programování vypouštěče, konkrétně nastavování periférií procesoru a řízení vícevláknové aplikace na něm běžící.\\
Jako \gls{RTOS} pro tuto aplikaci tak byl zvolen \href{http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php}{ChibiOS}, který splňuje standardní požadavky na \gls{RTOS} a navíc s ním byly v týmu zkušenosti při programování jiných aplikací pod procesory \gls{ARM} a ovládání modulů \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}.

\subsubsection{Funkce firmwaru}

Aplikaci pro ovládání odpalování je možné rozdělit na čtyři funkční bloky, které jsou realizovány pomocí vláken. Funkční diagram je zobrazen na obrázku \ref{fig:Diag_firmware}. V následujících odstavcích bude podrobněji rozebrána funkce jednotlivých vláken aplikace.

\paragraph{Blikání LED}
V tomto vlákně je realizované prosté blikání LED, které slouží pro signalizaci běhu programu. Mezi tím, kdy dioda svítí a nebo je vypnutá, je vlákno uspáno. Tím je vyřešeno jak časování, tak úspora prostředků procesoru.

\paragraph{Vypouštění} řeší kompletní sekvenci pro vypuštění balónu. Po spuštění a inicializaci proměnných spadne program do nekonečné smyčky, ve které je následně uspán a čeká na probuzení. To nastane ve třech případech:

\begin{enumerate}
\item Příjem příkazu pro odpal
\item Příjem příkazu pro zrušení odpalu
\item Probuzení od časovače
\end{enumerate}

\subparagraph{Příjem příkazu pro odpal}
Po příjmu příkazu, který zahajuje celou sekvenci odpalování se vypíše na terminál zpráva o zahájení vypouštění a sepne se pin, na kterém je připojen aktuátor, který otevírá víko krabice, ve které je balón uložen (v době vykonávání každého kroku je na terminál vypisována informace o tom, kolik procent z daného kroku je již vykonáno). Pomocí koncového spínače je snímána informace o tom, zda se střecha opravdu otevřela, pokud se tak nestalo, je celá sekvence ukončena. Pokud snímač 
indikuje otevření střechy, přistupuje se k dalším kroku.
Tím je otevření ventilu a následné zahájení napouštění balónu. Tento krok není v současné době nijak zpětnovazebně snímán - je dán pouze čas, kdy je ventil otevřen. Do budoucna by bylo vhodné použíti měření průtoku k získání informace, zda je balón opravdu napuštěn daným množstvím plynu.\\
Třetím krokem celé sekvence je přepálení plastové pojistky, která spouští tavící lis. Po pevně dané časové prodlevě, která by měla být dostačující pro přetavení, je pomocí koncového spínače zjištěno, zda se pojistka přetavila. Pokud ano, pokračuje se posledním krokem, pokud ne, dochází opět k přerušení odpalovací sekvence a návrat do výchozího stavu.\\
Posledním krokem je zatavení naplněného balónu. V tomto kroku je opět nadefinován čas, po který dochází k zatavování balónu pomocí odporového drátu. Po uplynutí nadefinované doby je balón zataven, na terminál je vypsána informace o ukončení vypouštění a všechny výstupy jsou v neaktivním stavu.

\subparagraph{Příjem příkazu pro zrušení odpalu} V případě příjmu zprávy, která přikazuje ukončení procesu odpalování, se deaktivují výstupy aktivní během vypouštění a uživatel je informován o úspěšném přerušení celé sekvence.

\subparagraph{Probuzení od časovače} Pro přesné časování během celého procesu odpalování je využito funkce časovače. Ten se v každém kroku odpalování sepne na určitou dobu, která je celočíselným násobkem celkové doby, jež se čeká v daném kroku. Tento postup byl zvolen z toho důvodu, aby mohla být průběžně aktualizována zpráva pro uživatele vyjadřující čas, který zbývá do ukončení daného úkolu.

\subparagraph{Příjem příkazu od uživatele}

Pro komunikaci s uživatelem je využito sériové linky. Ta se využívá jak pro informování uživatele o aktuálním stavu programu, tak zároveň k příjmu příkazů od uživatele. Celý algoritmus příjmu příkazu spočívá ve vyčítání znaků zadaných uživatelem znak za znakem až do té chvíle, kdy je stisknut ENTER a nebo je překročena maximální délka příkazu. Poté se buď zadaný příkaz dekóduje a následně provede a nebo je vypsána informace, že příkaz nebyl rozeznán.

\subparagraph{Příjem dat z GPS modulu}

Posledním vláknem využívaném ve firmwaru vypouštěče je vlákno, které se stará o příjem a dekódování NMEA zprávy posílané po sériové lince z GPS modulu 
\cite{GPS_ublox}. Každou vteřinu je vyčítána NMEA zpráva a z ní je vybrána GPRMC zpráva, ze které je následně získána informace o aktuálním čase, datu a poloze stanice. Tato informace slouží jednak pro přesné logování událostí a zároveň v budoucnu pro snadné lokalizování vypouštěcí stanice.

\subsubsection{Uživatelské rozhraní}

Při spuštění terminálu se po resetu programu procesoru vypíše úvodní zpráva s nápovědou, na kterých výstupních pinech procesoru jsou připojeny jednotlivé akční členy. Poté program přechází do pohotovostního režimu a čeká na příkaz od uživatele. Tyto příkazy jsou:

\begin{itemize}
\item odpal
\item zrus (nebo písmeno "s")
\item help
\item check
\end{itemize}

Příkaz \textbf{odpal} spustí vypouštěcí sekvenci probuzením daného vlákna pro vypouštění. Příkaz \textbf{zrus} zastaví vypouštěcí sekvenci, pokud byla zahájena a informuje o tom výpisem o ukončení vypouštění. Zároveň jde vypouštění zrušit okamžitě stisknutím "s" bez nutnosti potvrzovat příkaz enterem. Příkaz \textbf{help} vypíše stejnou úvodní zprávu jako po resetu programu. Poslední příkaz \textbf{check}, lze použít pro kontrolu stavu vypouštěče před začátkem vypouštění. Po zadání tohoto příkazu jsou na terminál vypsány informace o aktuálních stavech použitých senzorů. Lze tak například zkontrolovat, že střecha není zajištěna, nebo že je lis již spuštěn.

\begin{figure}[hbtp]
\centering
  \includegraphics[height=20.5cm]{./img/program_flow.png}
  \caption{Procesní diagram firmwaru pozemní stanice}
  \label{fig:Diag_firmware}
\end{figure}


\begin{figure}
\centering
  \includegraphics[width=10cm] {./img/Schema_ARM.png}
  \caption{Blokové schéma pozemního vypouštěcího boxu}
\label{fig:blokpozem}
\end{figure}


\section{Balónová sonda}

Hlavním úkolem meteorologické sondy je v případě použití systému ke zpřesnění dráhy dopadu meteoru změření směrů a rychlostí větru. Z tohoto hlediska jde proto o meteorologickou sondu označovanou jako \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Rawinsonde}{Rawinsonde}. Neletový prototyp sondy byl experimentálně sestaven z modulů stavebnice
\href{http://www.mlab.cz/Server/GenIndex/GenIndex.php?lang=cs\&path=/Modules}{MLAB}

\href{/doku.php?id=cs:atmegatq32}{ATmegaTQ3201A},
\href{/doku.php?id=cs:sdcard}{SDcard01B},
\href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A}.

\subsection{Potřebné parametry}

GPS na sondě by měla být udržovaná ve stavu FIX, aby pak nedocházelo ke zpoždění vypuštění v důsledku čekání na fix.

\subsubsection{Komunikace (Telemetrické údaje)}

\begin{itemize}
\item
  Primárním cílem je měření rychlosti a směru větru ve známých bodech.
\item
  GPS údaje 10Hz, textový výstup
  \href{http://en.wikipedia.org/wiki/NMEA\_0183}{NMEA}
\item
  další veličiny jako teploty, tlaky atd. jsou volitelné.
\item
  Radio maják a akustický maják
\item
  Radiový přenos telemetrie v pásmu 27-450 MHz: možnost bezlicenčních
  pásem (SVN: VO-R-16, VO-R-10)
\item
  Radiomoduly: \href{http://www.artbrno.cz}{http://www.artbrno.cz},
  \href{http://www.anaren.com}{http://www.anaren.com}
\end{itemize}
GPS je potřeba vybrat tak, aby fungovala i ve větších výškáchp což je omezeno směrnicí \href{http://en.wikipedia.org/wiki/CoCom#Legacyi}{CoCom}.

Při realizaci sondy se může stát, že \gls{UCL} bude zavrženo použití \gls{GPS} na palubě sondy a k měření pozice bude nutno využít jinou technologii. Například jednoduchý maják umístěný na sondě a Multilaterace \cite{TDOA} 

\subsubsection{Napájení sondy během letu}

\begin{itemize}
\item
  \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium\_battery}{Lithiový článek}
  (negeneruje teplo, minimální provozní teplota je -60 $^\circ$C)
\item
  Hořčíková baterie (generuje teplo pro temperování elektroniky)
\item
  \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Silver-oxide\_battery}{Stříbro-oxidový
  článek} Vydrží nižší provozní teploty a je ekologicky nezávadný.
\item
  Ideální by bylo použití
  \href{https://www.youtube.com/watch?feature=player\_embedded\&v=OtM6XJlynkk}{superkapacitorů}
\end{itemize}

Řešením problému s nízkou teplotou ve vyšších výškách by mohlo být
předehřátí sondy při startu.

Komunikace a napájení za letu nebylo v rámci této fáze projektu finálně vyřešeno.

\subsubsection{Konstrukce}
\label{konstrukce}

\begin{itemize}
\item
  Balón - \gls{PE} pytel (má vysokou životnost - pryž časem degraduje) \cite{PE_balony_mogul}
\item
  Možnost dálkového odpojení balónu od sondy (ukončení stoupání)
\item
  Prototyp plněný \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Helium}{heliem},
  ekologičtější. Další možností byl vodík, který lze vyrábět chemicky přímo během
  vypuštění sondy.
\item
  Splnění požadavků na bezpečnost provozu (letovou, majetkovou a
  personální)
\end{itemize}

\paragraph{Návrat sondy}

Vzhledem k nákladnosti vybavení sondy by bylo výhodné, kdyby existovala možnost jejího návratu. Existuje několik návrhů návratových zařízení \cite{Parafoil_Return_Vehicle}, existují také lovci radiosond, kteří by mohli pomoci s hledáním \cite{radiosondy_lovci_EU} , \cite{radiosondy_lovci_SK}

\subsubsection{Firmware}

\begin{itemize}
\item
  Záznam dat v gondole balónu  mikroSD karta
\end{itemize}

Toto řešení bylo zavrženo jako nevhodné z důvodu malé šance nalezení a návratu gondoly. Data bude nutné přenášet online na zem.

\begin{figure}
\centering
 \includegraphics[width=10cm]{img/Schema_ATmega.png}
 \caption{Blokové schéma balónové sondy}
\label{fig:balon_sonda}
\end{figure}

\subsubsection{Legislativní požadavky}

Pravidla pro lety volných balónů bez pilota jsou definovány v leteckých
předpisech L-2 Pravidla létaní, dodatek 5 a R.

\paragraph{Kategorie balónu}

Balón by měl spadat do kategorie B2, která je definována jako volný
balón s objemem menším než 3,25~$m^{3}$, přičemž žádný z rozměrů balónu
nepřekračuje 2~m. Rozměr 2~m je rozměr při jeho maximálním
naplnění/roztažení.

\paragraph{Povolení vypuštění}

Užitečné zatížení představují předměty a materiály, které by v případě
střetu s letadlem mohly způsobit poškození letadla (zejména prskavky,
svítící tyčinky, lámací světla, LED diody apod.) a jakékoliv zatížení o
hmotnosti přesahující 0,1 kg. Vzhledem k této definici bude nutné mít
pro provoz balónu povolení. Všechny informace ohledně letu (jako je
datum, čas, místo vypuštění, užitečné zatížení atp.) musí být zveřejněny
v Letecké informační příručce (AIP). Pro vypuštění ve zvláštních
případech, jako je mimořádné pozorování, je potřeba upozornit
prostřednictvím navigační výstrahy formou zprávy \gls{NOTAM}, která se musí
podat minimálně 24 hodin před vzletem balónu.

\paragraph{Materiály}

Balón nesmí být plněn hořlavými a výbušnými plyny s výjimkou povolení
\gls{UCL}. Omezení pro materiál antény ani baterií nejsou definovány. Materiál
balónu také není definován, ale při použití balónu o vysoké svítivosti
nebo zhotoveného z materiálů o velké světelné nebo radarové odrazivosti
musí být oznámeno vypuštění balónu nejbližšímu stanovišti letových provozních služeb.
Materiál (lano, provázek) spojující balón se sondou nesmí vydržet větší
sílu než 230~N.

\paragraph{Dostup}
Pro dostup nejsou právní omezení.

\paragraph{Místo vypuštění}

Omezení se týká všech Zakázaných, Nebezpečných a Omezených prostorů,
stejně jako dočasně aktivovaných prostorů v době jejich používaní, s
výjimkou kdy tak povolí \gls{UCL} nebo kdy je prostor vyhrazen pro let
předmětného balónu. Provoz balónu blízko hranic a letišť je
problematický, nedoporučuje se.

\paragraph{Řešení legislativních problémů}

\begin{itemize}
\item
  Navržení bezpečné sondy, která splní požadavky \gls{UCL} pro kategorii B2.
\item Řízené stoupání a aktivní zabránění vzniku kolize. Takový systém by mohl zároveň zjednodušit návrat sondy viz 
  \href{http://www.youtube.com/watch?v=rpBnurznFio}{zde})
\item Autodestrukce při hrozící srážce.
\end{itemize}

Bylo zvoleno první řešení, a to navržení bezpečné sondy spadající do kategorie B2. Finální systém bude muset být předložen k posouzení komisi na \gls{UCL}.

\subsection{Meteorologický balón}

Balón pro meteorologickou sondu je samostatný problém neboť sonda stoupá během letu do výšek až 30 km a dochází tak k namáhání balónu rychlou změnou teploty a nízkými teplotami (-60 $^\circ$).   Zároveň se přibližně 13x zvětší objem balónu.

Nosné meteorologické balóny jsou proto obvykle vyráběny z latexu. Jsou používány jako tlakové, což znamená, že nosný plyn je uvnitř pod stálým tlakem mírně větším, než je tlak okolního prostředí. Důvod jejich používání je pravděpodobně jednak historický a také důsledkem faktu, že jiné meteorologické balony se běžně komerčně nevyrábějí. Jejich rozměry a parametry jsou však pro toto využití nevyhovující, protože jejich hmotnosti se pohybují v rozsahu stovek gramů až jednotek kilogramů, přičemž nosnost je přibližně srovnatelná s jejich hmotností.  

\subsubsection{Svařování balónu}

Vzhledem k nestandardním požadavkům proto bylo potřeba si svařit vlastní balón z PE fólie. K tomu byl využit polotovar známý jako hadice. Na balonu jsou pak pouze dva svařované spoje na spodní a horní části. 



\subsubsection{Zpětný ventil}
Při jednom pokusu (původně neúspěšném) o nastavení nohavice pro nafukování a zatavování balónu se podařilo přijít na velice zajímavý, překvapivě jednoduchý a efektivní způsob řešení zpětného ventilu \ref{fig:ZpetVentilFoto}. Zatavovací mechanismus bude použit v každém případě, ale jako pojistku lze použít právě ventil popsaný v následujícím odstavci. 

V podstatě jde o přerušení nohavice a následné napojení „nasunutím“ jedné části do druhé (obrázek \ref{fig:ZpetVentil}). Pokud je spodní část nasunuta do vrchní (připojené k balónu) a upevněna například pomocí lepicí pásky, bude možné balón bez problémů napustit. Ovšem při pokusu balón vypustit se zjistí, že je to téměř nemožné. Ta část nohavice, které je nasunutá uvnitř, se vlivem opačného tlaku vzduchu (nebo jiného plynu) zdeformuje a zablokuje průchod. Tímto způsobem lze velice levně, jednoduše a efektivně vytvořit zpětný ventil, který by měl být pro účely autovypouštěče naprosto dostačující.

\begin{figure}
 \centering
 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentilFoto.JPG}
 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu - foto}
\label{fig:ZpetVentilFoto}
\end{figure}

\begin{figure}
 \centering
 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentil.png}
 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu}
\label{fig:ZpetVentil}
\end{figure}



\section{Řídící systém sítě}

\subsection{Zpracování dostupných dat}

\begin{itemize}
\item
  Odhad vektoru meteoru v atmosféře
\item Záznam dostupných meteorologických dat pro pozdější rekonstrukci meteorologické situace v průběhu události (družicové snímky, aktuálně měřené hodnoty ČHMÚ, radarové snímky)
\item
  Sběr dat z jednotlivých stanic
\item
  Výpočet vektoru a výškových profilů větru
\end{itemize}
\subsection{Rozhodovací proces}

Použití přesněji nedefinovaného skriptovacího jazyka pro popis procesu
\href{http://www.ros.org/wiki/}{ROS}

\begin{itemize}
\item
  Přidělení příkazu ke startu jednotlivým stanicím.
\item
  Přeplánování startu v důsledku neúspěšného vypuštění nebo zamítnutí
  stanicí.
\item
  Kontrola potenciálního narušení vzdušného prostoru a zakázaných zón na základě modelových předpovědí vycházejících z informací dostupných v době startu sondy.
\end{itemize}
\subsection{Správa systému}

\begin{itemize}
\item
  Registrace jednotlivých stanic a správa uživatelů v kooperaci s
  projektem \href{http://www.astrozor.cz/}{Astrozor}
\end{itemize}

V této fázi projektu nebyl Řídící systém podrobněji řešen, pouze počáteční návrhy.

\section{Výsledky projektu}

Byl vyvinut funkční vzor pozemní stanice automatického vypouštěče a demonstrován jeho fungující stav. Tento prototyp poslouží pro další experimenty a k dalšímu zdokonalení konstrukce. Na tomto projektu lze pokračovat i v dalších fázích. První nástin toho, co bude třeba vylepšit obsahuje následující kapitola. 

V průběhu vývoje nastalo několik technických problémů. Navrhovaná řešení jednotlivých problémů jsou uvedena v technické části vždy u příslušné kapitoly.

Co se týká organizačních problémů v týmu, tak největší obtíží bylo poměrně dlouhodobé onemocnění jednoho člena týmu a následné zranění dalšího člena týmu. Vše se nakonec s pomocí moderních technologií podařilo vyřešit a prototyp boxu byl úspěšně sestaven. Prodlevy v práci byly řešeny společnými víkendovými workshopy.

\subsection{Možnosti budoucího vývoje zařízení}

V produkční verzi zařízení bude potřeba zejména vylepšit mechanickou konstrukci vypouštěcího boxu tak, aby byla odolnější proti povětrnostním vlivům. 
Dále bude potřeba vylepšit firmware tak, aby časování sekvence fungovalo korektním způsobem.

\subsection{Doporučení pro další cvičení}
U tohoto konkrétního projektu byla největším nedostatkem výbava fakultních laboratoří. Balón byl svařován v dílně Fakulty strojní a finální box byl sestavován ve velice dobře vybavené \href{http://macgyver.sh.cvut.cz/}{bastlírně} bloku 9 na Strahově. Poděkování patří především provozovatelům právě této Strahovské dílny, která byla týmu k dispozici bez jakýchkoli komplikací včetně kompletního vybavení.

\bibliographystyle{ieeetr}
\bibliography{zprava.cs}
\addcontentsline{toc}{section}{Literatura}	

\printglossaries
\glsaddall

\vfill
Projekt byl realizován z prostředků firmy Universal Scientific Technologies s.r.o.  
 
\end{document}
