Cómo hacer un picobalón: 16 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

¿Qué es un picoglobo y por qué querría construirlo? Te escucho preguntar. Dejame explicar. Probablemente todos sepan lo que es un HAB (Globo de gran altitud). Es un montón de aparatos electrónicos extraños conectados a un globo. Hay tantos tutoriales sobre HAB aquí en Instructables.

PERO, y eso es muy importante, PERO lo que no le dicen la mayoría de las veces en el tutorial es el costo del gas de llenado. Ahora, puede construir un rastreador HAB decente por menos de 50 €, pero si pesa 200 g (lo cual es una suposición bastante optimista con las baterías, cámaras, etc.), el helio para llenar el globo puede costarle 200 € o más, que es demasiado para muchos fabricantes como yo.

Entonces, como puede adivinar, los picobalones resuelven este problema simplemente no siendo voluminosos y pesados. Picoballoon es solo una palabra para un HAB ligero. Luz, ¿a qué me refiero con luz? En general, los picoglobos pesan menos de 20 g. Ahora, imagínense que un procesador, transmisor, PCB, GPS, antenas, un panel solar y también una batería con una masa igual a una taza de café desechable o una cuchara. ¿No es una locura?

Otra razón (aparte del costo) por la que querría construir esto es su alcance y resistencia. El HAB clásico puede volar hasta 4 horas y viajar hasta 200 km. Un Picoballoon, por otro lado, puede volar hasta un par de meses y viajar hasta decenas de miles de kilómetros. Un polaco consiguió que su picoglobo volara alrededor del mundo varias veces. Por supuesto, esto también significa que nunca volverá a ver su Picoballoon después de iniciarlo. Es por eso que desea transmitir todos los datos necesarios y, por supuesto, mantener los costos lo más bajos posible.

Nota: Este proyecto es una colaboración con MatejHantabal. Asegúrate de revisar también su perfil

ADVERTENCIA: Este es un proyecto de nivel avanzado difícil de hacer pero también muy divertido. Todo, desde el diseño de PCB hasta SMD y soldadura, se explicará aquí. Dicho esto, pongámonos manos a la obra

ACTUALIZACIÓN: Tuvimos que quitar el módulo GPS en el último minuto debido a su gran consumo de energía. Probablemente se pueda arreglar, pero no tuvimos tiempo para eso. Lo dejaré en el instructable, pero ten cuidado de que no esté probado. Aún puede obtener la ubicación de los metadatos TTN, por lo que no debe preocuparse por eso

Paso 1: el principio

Entonces, al construir un dispositivo como este, hay muchas variaciones y opciones, pero cada rastreador necesita un transmisor y una fuente de alimentación. La mayoría de los rastreadores probablemente incluirán estos componentes:

- un panel solar

- una batería (lipo o supercondensador)

- un procesador / microcontrolador

- un módulo GPS

- un sensor / es (temperatura, humedad, presión, UV, radiación solar …)

- un transmisor (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Como puede ver, hay muchos sensores y transmisores que puede utilizar. Los sensores que use depende de usted. Realmente no importa, pero los más comunes son los sensores de temperatura y presión. Sin embargo, seleccionar un transmisor es mucho más difícil. Cada tecnología tiene sus pros y sus contras. No lo desglosaré aquí porque sería una discusión muy larga. Lo importante es que elegí LoRaWAN y creo que es el mejor (porque todavía no tuve la oportunidad de probar los demás). Sin embargo, sé que LoRaWAN tiene probablemente la mejor cobertura. Puedes corregirme en los comentarios.

Paso 2: piezas necesarias

Entonces, necesitará estas cosas para este proyecto:

Pluma de Adafruit 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (no usamos esto al final)

Sensor de temperatura / humedad / presión BME280

2xSupercondensador 4.7F 2.7V

Panel solar con salida 5V

PCB personalizados

Si lo está iniciando usted mismo, también necesita esto:

Al menos 0,1 m3 de helio (búsqueda: "tanque de helio para 15 globos") comprado localmente

Globo de lámina autosellante Qualatex de 36"

Coste estimado del proyecto: 80 € (solo el rastreador) / 100 € (incluye globo y helio)

Paso 3: herramientas recomendadas

Estas herramientas pueden resultar útiles:

pelacables

soldador

Soldador SMD

alicates

destornilladores

pistola de pegamento

multimetro

microscopio

pistola de aire caliente

También necesitará pasta de soldar.

Paso 4: Adafruit Feather 32U4

Nos costó mucho seleccionar el microcontrolador adecuado para el globo. La Adafruit Feather resultó ser la mejor para el trabajo. Se ajusta a todos los criterios requeridos:

1) Tiene todos los pines necesarios: SDA / SCL, RX / TX, digital, analógico

2) Tiene el transmisor RFM95 LoRa.

3) Es ligero. Su masa es de solo 5,5 g.

4) Tiene un consumo de energía muy bajo mientras está en modo de suspensión (solo 30uA).

Debido a esto, creemos que Adafruit Feather es el mejor microcontrolador para el trabajo.

Paso 5: Diseño y fabricación de PCB

Siento mucho lo que te voy a decir. Necesitaremos hacer un PCB personalizado. Va a ser difícil y frustrante, pero es necesario, así que comencemos. Además, para comprender correctamente el siguiente texto, debe leer esta increíble clase de diseño de PCB de Instructables.

Entonces, al principio necesitarás hacer un esquema. Hice tanto el esquema como la placa en el software de diseño EAGLE PCB de Autodesk. ¡Es gratis, así que descárgalo!

Fue la primera vez que diseñé una PCB y puedo decirles que se trata de aprender a usar la interfaz Eagle. Diseñé mi primera tabla en 6 horas, pero mi segunda tabla me llevó menos de una hora. Aquí está el resultado. Un esquema bastante bonito y un tablero, diría yo.

Cuando tenga el archivo de la placa listo, debe crear los archivos gerber y enviarlos al fabricante. Pedí mis placas de jlcpcb.com pero puede elegir cualquier otro fabricante que desee. Configuré el grosor de la PCB en 0,8 mm en lugar del estándar de 1,6 mm porque la placa debe ser liviana. Puede ver mi configuración para JLC PCB en la captura de pantalla.

Si no desea descargar Eagle, puede descargar "Ferdinand 1.0.zip" y cargarlo en JLC PCB.

Cuando pida los PCB, siéntese cómodamente en su silla y espere dos semanas a que lleguen. Entonces podemos continuar.

Nota: Puede notar que el esquema es un poco diferente del tablero real. Eso es porque noté que el BME280 IC desnudo es demasiado difícil de soldar, así que cambié el esquema por una ruptura

Paso 6: soldadura SMD

Otro anuncio triste: la soldadura SMD no es fácil. Ahora realmente, está jodidamente duro. Que el señor te acompañe. Pero este tutorial debería ayudar. Puede soldar utilizando un soldador y una mecha de soldadura, o una pasta de soldar y una pistola de aire caliente. Ninguno de estos métodos fue lo suficientemente conveniente para mí. Pero deberías hacerlo en una hora.

Coloque los componentes de acuerdo con la serigrafía en el PCB o de acuerdo con el esquema.

Paso 7: soldadura

Una vez realizada la soldadura SMD, el resto del trabajo de soldadura es básicamente pan comido. Casi. Probablemente haya soldado antes y espero que quiera volver a soldar. Solo necesitas soldar el Adafruit Feather, las antenas, el panel solar y los supercondensadores. Bastante sencillo, diría yo.

Coloque los componentes de acuerdo con la serigrafía en el PCB o de acuerdo con el esquema.

Paso 8: rastreador completo

Así es como debería verse el rastreador completo. Extraño. Bonito. Interesante. Esas son las palabras que me vienen a la mente de inmediato. Ahora solo necesita flashear el código y probar si está funcionando.

Paso 9: Configuración de TTN

The Things Network es una red LoRaWAN comunitaria centrada en una ciudad global. Con más de 6887 puertas de enlace (receptores) en funcionamiento, es la red de IoT global más grande del mundo. Utiliza el protocolo de comunicación LoRa (Long Range) que generalmente se encuentra en las frecuencias 868 (Europa, Rusia) o en 915MHz (EE. UU., India). Es más utilizado por dispositivos IoT que envían mensajes cortos en ciudades. Solo puede enviar hasta 51 bytes, pero puede obtener fácilmente un rango de 2 km a 15 km. Eso es ideal para sensores simples u otros dispositivos de IoT. Y lo mejor de todo, es gratis.

Ahora, 2-15 ciertamente no es suficiente, pero si llega a un terreno más alto, debería tener una mejor conexión. Y nuestro globo estará muy alto. A 10 km sobre el nivel del mar, deberíamos obtener una conexión de 100 km. Un amigo lanzó un HAB con LoRa a 31 km en el aire y consiguió un ping a 450 km de distancia. Entonces, eso es bastante razonable.

Configurar el TTN debería ser fácil. Solo necesita crear una cuenta con su correo electrónico y luego debe registrar el dispositivo. Al principio, debes crear una aplicación. Una aplicación es la página de inicio completa del proyecto. Desde aquí puede cambiar el código del decodificador, ver los datos entrantes y agregar / eliminar dispositivos. Simplemente elija un nombre y estará listo para comenzar. Una vez hecho esto, deberá registrar un dispositivo en la aplicación. Debe ingresar la dirección MAC de Adafruit Feather (con la Feather en el paquete). Luego, debe establecer el método de activación en ABP y debe deshabilitar las comprobaciones del contador de cuadros. Su dispositivo ahora debería estar registrado en la aplicación. Copie la dirección del dispositivo, la clave de sesión de red y la clave de sesión de la aplicación. Los necesitará en el siguiente paso.

Para obtener una explicación más completa, visite este tutorial.

Paso 10: codificación

El Adafruit Feather 32U4 tiene un procesador AVR ATmega32U4. Eso significa que no tiene un chip separado para la comunicación USB (como Arduino UNO), el chip está incluido en el procesador. Eso significa que cargar a Adafruit Feather puede ser un poco más difícil en comparación con una placa Arduino típica, pero funciona con Arduino IDE, por lo que si sigue este tutorial debería estar bien.

Una vez que haya configurado el IDE de Arduino y haya cargado con éxito el boceto "parpadeante", puede pasar al código real. Descarga "LoRa_Test.ino". Cambie la dirección del dispositivo, la clave de sesión de red y la clave de sesión de la aplicación según corresponda. Sube el boceto. Salir afuera. Apunte la antena al centro de la ciudad o en la dirección de la puerta de enlace más cercana. Ahora debería ver aparecer datos en la consola TTN. Si no es así, comente a continuación. No quiero poner todo lo que podría haber sucedido aquí, no sé si el servidor Instructables podría manejar tal cantidad de texto.

Hacia adelante. Si el boceto anterior funciona, puede descargar "Ferdinand_1.0.ino" y cambiar las cosas que se suponía que debía cambiar en el boceto anterior. Ahora pruébelo de nuevo.

Si obtiene algunos datos HEX aleatorios en la consola TTN, no se preocupe, se supone que debe hacer eso. Todos los valores están codificados en HEX. Necesitará un código de decodificador diferente. Descarga "decoder.txt". Copie su contenido. Ahora ve a la consola TTN. Vaya a su aplicación / formatos de carga útil / decodificador. Ahora elimine el código del decodificador original y pegue el suyo. Ahora debería ver todas las lecturas allí.

Paso 11: Prueba

Ahora bien, esta debería ser la parte más larga del proyecto. Pruebas. Pruebas en todo tipo de condiciones. En condiciones de calor extremo, estrés y con una luz fuerte (o afuera al sol) para imitar las condiciones allí arriba. Esto debería llevar al menos una semana para que no haya sorpresas en cuanto al comportamiento del rastreador. Pero ese es un mundo ideal y no tuvimos ese tiempo porque el rastreador fue construido para una competencia. Hicimos algunos cambios de último minuto (literalmente, como 40 minutos antes del lanzamiento), por lo que no sabíamos qué esperar. Eso no es bueno. Pero ya sabes, todavía ganamos la competencia.

Probablemente necesitará hacer esta parte afuera porque el sol no brilla adentro y porque LoRa no tendrá la mejor recepción en su oficina.

Paso 12: Algunas fórmulas originales

Los picobalones son muy sensibles. No puede simplemente llenarlos con helio y lanzarlos. Realmente no les gusta eso. Dejame explicar. Si la fuerza de flotación es demasiado baja, el globo no se elevará (obviamente). PERO, y este es el problema, si la fuerza de flotación es demasiado alta, el globo volará demasiado alto, las fuerzas sobre el globo serán demasiado grandes y estallará y caerá al suelo. Esa es la razón principal por la que realmente desea hacer estos cálculos.

Si sabe un poco de física, no debería tener problemas para comprender las fórmulas anteriores. Hay algunas variables que debe ingresar en la fórmula. Esto incluye: constante del gas de llenado, temperatura termodinámica, presión, masa de la sonda y masa del globo. Si sigue este tutorial y usa el mismo globo (microfoil Qualatex 36 ) y el mismo gas de llenado (helio), lo único que realmente diferirá es la masa de la sonda.

Estas fórmulas deberían proporcionarle: el volumen de helio necesario para llenar el globo, la velocidad a la que se eleva el globo, la altitud a la que vuela el globo y también el peso de sustentación libre. Todos estos son valores muy útiles. La velocidad de subida es importante para que el globo no golpee obstáculos porque es demasiado lento y es muy bueno saber qué tan alto volará el globo. Pero el más importante de ellos es probablemente el ascensor libre. La elevación libre es necesaria cuando llene el globo en el paso 14.

Gracias a TomasTT7 por su ayuda con las fórmulas. Echa un vistazo a su blog aquí.

Paso 13: Riesgos

Entonces, tu rastreador funciona. ¡Ese pedazo de mierda en el que has trabajado durante dos meses realmente funciona! Felicidades.

Así que repasemos qué riesgos puede encontrar su hijo sonda en el aire:

1) No habrá suficiente luz solar en el panel solar. Los supercondensadores se agotarán. La sonda dejará de funcionar.

2) La sonda saldrá del rango y no se recibirán datos.

3) Las fuertes ráfagas de viento destruirán la sonda.

4) La sonda atravesará una tormenta durante el ascenso y la lluvia provocará un cortocircuito en el circuito.

5) Se formará una capa de hielo en el panel solar. Los supercondensadores se agotarán. La sonda dejará de funcionar.

6) Parte de la sonda se romperá bajo tensión mecánica.

7) Parte de la sonda se romperá bajo condiciones extremas de calor y presión.

8) Se formará una carga electrostática entre el globo y el aire formando una chispa que dañará la sonda.

9) La sonda será alcanzada por un rayo.

10) La sonda será alcanzada por un avión.

11) La sonda será golpeada por un pájaro.

12) Los extraterrestres secuestrarán tu sonda. Puede suceder especialmente si el globo estará por encima del área 51.

Paso 14: ¡Lanzamiento

Eso es todo. Es el día D y lanzarás tu querido picoglobo. Siempre es bueno conocer el terreno y todos los posibles obstáculos. También debes monitorear el clima (principalmente la velocidad y dirección del viento) constantemente. De esa manera, minimiza las posibilidades de que su equipo por valor de 100 € y 2 meses de su tiempo se golpee contra un árbol o una pared. Eso sería triste.

Inserta un tubo en el globo. Ata el globo a algo pesado con nailon. Pon la cosa pesada en una balanza. Reajuste la escala. Asegure el otro extremo de la tubería en su tanque de helio. Empiece a abrir lentamente la válvula. Ahora debería ver números negativos en la escala. Ahora es el momento de usar el valor de elevación libre que calculó en el paso 12. Cierre la válvula cuando el número negativo alcance la masa del globo + elevación libre. En mi caso era de 15g + 2,4g, así que cerré la válvula exactamente a -17,4g en la escala. Retire la tubería. El globo es autosellante, debería sellar automáticamente. Desate el objeto pesado y reemplácelo con la sonda. Ahora está listo para lanzar.

Solo mira el video para conocer todos los detalles.

Paso 15: recibir los datos

Oh, recuerdo la sensación que tuvimos después del lanzamiento. El estrés, la frustración, muchas hormonas. ¿Funcionará? ¿Nuestro trabajo será inútil? ¿Acabamos de gastar tanto dinero en algo que no funciona? Este es el tipo de preguntas que nos hicimos después del lanzamiento.

Afortunadamente, la sonda respondió unos 20 minutos después del lanzamiento. Y luego recibimos un paquete cada 10 minutos. Perdimos contacto con la sonda a las 17:51:09 GMT. Podría haber sido mejor, pero aún está bien.

Paso 16: planes adicionales

Este fue uno de nuestros proyectos más difíciles hasta la fecha. No todo fue perfecto pero está bien, siempre es así. Todavía tuvo mucho éxito. El rastreador funcionó a la perfección. Podría haber hecho eso por mucho más tiempo, pero eso no importa. Y terminamos segundos en la competencia de Picoballoon. Ahora podría decir que ser segundo en un concurso con 17 personas no es un éxito, PERO tenga en cuenta que este es un concurso de ingeniería / construcción para adultos. Tenemos 14 años. Con los que competíamos eran adultos con experiencia en ingeniería y posiblemente incluso aeroespacial y con mucha más experiencia. Así que sí, en general, diría que fue un gran éxito. Conseguimos 200 €, que era aproximadamente el doble de nuestros gastos.

Ciertamente voy a construir una versión 2.0. Será mucho mejor, con componentes más pequeños (procesador barebone, RFM95) y será más confiable, así que estad atentos para el próximo instructable.

Nuestro principal objetivo ahora es ganar el concurso Epilog X. Compañeros creadores, si les gustó este instructivo, consideren votar por él. Realmente nos ayudaría. ¡Muchas gracias!

Finalista en el concurso Epilog X