Hướng dẫn gia tốc kế CubeSat: 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Vệ tinh hình khối là một loại vệ tinh thu nhỏ dùng cho nghiên cứu vũ trụ, được tạo thành từ bội số của các đơn vị khối 10x10x10 cm và khối lượng không quá 1,33 kg trên một đơn vị. Cubesats cho phép gửi một lượng lớn vệ tinh lên vũ trụ và cho phép chủ sở hữu kiểm soát hoàn toàn cỗ máy cho dù chúng ở đâu trên trái đất. Cubesats cũng có giá cả phải chăng hơn bất kỳ nguyên mẫu hiện tại nào khác. Cuối cùng, các khối lập phương tạo điều kiện cho việc đắm chìm vào không gian và truyền bá kiến thức về hành tinh và vũ trụ của chúng ta trông như thế nào.

Arduino là một nền tảng, hoặc máy tính, được sử dụng để xây dựng các dự án điện tử. Arduino bao gồm cả bảng mạch lập trình và một phần mềm, chạy trên máy tính của bạn, được sử dụng để viết và tải mã máy tính lên bảng.

Đối với dự án này, nhóm của chúng tôi được phép chọn bất kỳ cảm biến nào mà chúng tôi muốn phát hiện bất kỳ khía cạnh nào đó trong cấu tạo của sao Hỏa. Chúng tôi quyết định sử dụng một gia tốc kế, hoặc một thiết bị cơ điện dùng để đo lực gia tốc.

Để làm cho tất cả các thiết bị này hoạt động cùng nhau, chúng tôi phải gắn gia tốc kế vào bảng mạch của Arduino và gắn cả hai vào bên trong của khối lập phương và đảm bảo rằng nó chịu được mô phỏng bay và thử nghiệm rung lắc. Tài liệu hướng dẫn này sẽ trình bày cách chúng tôi thực hiện điều này và dữ liệu chúng tôi thu thập được từ Arduino.

Bước 1: Thiết lập mục tiêu (Alex)

Mục tiêu chính của chúng tôi cho dự án này là sử dụng một gia tốc kế (đừng lo lắng, chúng tôi sẽ giải thích điều này sau) được đặt trong một CubeSat, để đo gia tốc do trọng lực trên sao Hỏa. Chúng tôi đã chế tạo một CubeSat và kiểm tra độ bền của nó theo nhiều cách khác nhau. Phần khó nhất của việc lập mục tiêu và lập kế hoạch, là nhận ra cách chứa Arduino và gia tốc kế trong CubeSat, một cách an toàn. Để làm được điều này, chúng tôi phải đưa ra một thiết kế CubeSat tốt, đảm bảo nó có kích thước 10x10x10cm và đảm bảo nó nặng dưới 1,3 kg.

Chúng tôi xác định rằng Legos, trên thực tế sẽ chứng tỏ độ bền và cũng dễ xây dựng. Legos cũng là thứ mà ai đó đã có thể có, thay vì chúng tôi chi tiền cho bất kỳ vật liệu xây dựng nào. May mắn thay, quá trình đưa ra một thiết kế không mất nhiều thời gian, như bạn sẽ thấy trong bước tiếp theo.

Bước 2: Thiết kế Cubesat

Đối với khối lập phương cụ thể này, chúng tôi đã sử dụng legos để dễ dàng xây dựng, gắn kết và độ bền của chúng. Khối lập phương phải có kích thước 10x10x10 cm và nặng dưới 1,33 kg (3 lbs) mỗi U. Legos giúp dễ dàng có chính xác 10x10x10 cm trong khi sử dụng hai đế Lego cho sàn và nắp của khối lập phương. Bạn có thể phải cưa các căn cứ Lego để có được chúng chính xác theo cách bạn muốn. Bên trong khối lập phương, bạn sẽ có arduino, breadboard, pin và giá đỡ thẻ SD được gắn vào tường bằng bất kỳ chất kết dính nào bạn muốn. Chúng tôi đã sử dụng băng keo để đảm bảo không có miếng nào bị lỏng bên trong. Để gắn khối lập phương vào quỹ đạo, chúng tôi đã sử dụng dây, dây chun và dây buộc zip. Các dây cao su phải được quấn quanh khối lập phương như thể dây ruy băng quấn quanh một món quà. Sau đó, dây được buộc vào tâm của dây chun trên nắp. Sau đó, dây được vòng qua một dây buộc zip sau đó được nối vào quỹ đạo.

Bước 3: Xây dựng Arduino

Mục tiêu của chúng tôi đối với CubeSat này, như đã nói trước đây, là xác định gia tốc do trọng lực trên sao Hỏa bằng gia tốc kế. Gia tốc kế là mạch tích hợp hoặc mô-đun được sử dụng để đo gia tốc của một vật thể mà chúng được gắn vào. Trong dự án này, tôi đã học những điều cơ bản về mã hóa và đấu dây. Tôi đã sử dụng mpu 6050 được sử dụng như một thiết bị cơ điện sẽ đo lực gia tốc. Bằng cách cảm nhận mức độ gia tốc động, bạn có thể phân tích cách thiết bị đang di chuyển trên trục X, Y và Z. Nói cách khác, bạn có thể biết nó đang di chuyển lên xuống hay sang hai bên; gia tốc kế và một số mã có thể dễ dàng cung cấp cho bạn dữ liệu để xác định thông tin đó. Cảm biến càng nhạy thì dữ liệu càng chính xác và chi tiết. Điều này có nghĩa là đối với một thay đổi nhất định về gia tốc, sẽ có một sự thay đổi lớn hơn trong tín hiệu.

Tôi phải nối dây arduino, vốn đã được nối với máy đo gia tốc, tới giá đỡ thẻ SD, nơi sẽ lưu trữ dữ liệu nhận được trong quá trình bay thử để sau đó chúng tôi có thể tải nó lên máy tính. Bằng cách này, chúng ta có thể xem các số đo của trục X, Y và Z để biết vị trí của khối lập phương trong không khí. ou có thể xem trong hình ảnh đính kèm cách đấu dây arduino với gia tốc kế và breadboard.

Bước 4: Kiểm tra độ rung và bay (Alex)

Để đảm bảo độ bền của khối lập phương, chúng tôi phải trải qua một loạt các bài kiểm tra, mô phỏng môi trường mà nó sẽ được đưa qua, trong không gian.. Chúng tôi phải kết nối arduino với một thiết bị gọi là tàu quỹ đạo và mô phỏng đường bay của nó quanh hành tinh đỏ. Chúng tôi đã thử nhiều phương pháp gắn sat khối lập phương, nhưng cuối cùng chúng tôi đã có thể cố định trên một sợi dây cao su kép quấn quanh khối lập phương. Một sợi dây sau đó được gắn vào các dây cao su.

Chuyến bay thử nghiệm không thành công ngay lập tức, vì trong lần thử đầu tiên của chúng tôi, một số cuộn băng bắt đầu bị bung ra. Sau đó, chúng tôi chuyển thiết kế sang tùy chọn dây cao su được đề cập trong đoạn trước. Mặc dù trong lần thử thứ hai, chúng tôi đã có thể cho chú hổ con bay ở tốc độ cần thiết, trong 30 giây, mà không có bất kỳ sự cố nào xảy ra.

Thử nghiệm tiếp theo là thử nghiệm rung động, nó sẽ mô phỏng một cách lỏng lẻo khối lập phương đang di chuyển qua bầu khí quyển của một hành tinh. Chúng tôi phải đặt khối lập phương lên bàn rung và tăng công suất lên một mức độ nhất định. Khối lập phương ngồi sau đó phải ở trạng thái nguyên vẹn trong ít nhất 30 giây ở mức công suất này. May mắn cho chúng tôi, chúng tôi đã có thể vượt qua tất cả các khía cạnh của bài kiểm tra trong lần thử đầu tiên. Bây giờ tất cả những gì còn lại là thu thập dữ liệu và thử nghiệm cuối cùng.

Bước 5: Diễn giải dữ liệu

Với dữ liệu chúng tôi nhận được sau khi thực hiện bài kiểm tra cuối cùng, bạn có thể thấy vị trí mà khối lập phương di chuyển trên trục X, Y và Z và xác định gia tốc bằng cách chia độ dịch chuyển của bạn cho thời gian. Điều này cung cấp cho bạn vận tốc trung bình. Bây giờ, miễn là vật thể đang tăng tốc đều, bạn chỉ cần nhân vận tốc trung bình với 2 để có vận tốc cuối cùng. Để tìm gia tốc, bạn lấy vận tốc cuối cùng và chia nó cho thời gian.

Bước 6: Kết luận

Mục tiêu cuối cùng của dự án của chúng tôi là xác định gia tốc trọng trường xung quanh sao Hỏa. Thông qua dữ liệu thu thập được bằng Arduino, có thể xác định rằng gia tốc trọng trường khi quay quanh sao Hỏa không đổi. Ngoài ra, trong khi du hành quanh sao Hỏa, hướng của quỹ đạo liên tục thay đổi.

Nhìn chung, điểm rút ra lớn nhất của nhóm chúng tôi là sự phát triển của chúng tôi trong khả năng đọc và viết mã thành thạo, hiểu biết của chúng tôi về một công nghệ mới trong khám phá không gian và sự quen thuộc của chúng tôi với hoạt động bên trong và nhiều cách sử dụng của Arduino.

Thứ hai, trong suốt dự án, nhóm của chúng tôi không chỉ học các khái niệm công nghệ và vật lý đã nói ở trên, mà chúng tôi còn học các kỹ năng quản lý dự án. Một số kỹ năng này bao gồm thời hạn họp, điều chỉnh sơ bộ thiết kế và các vấn đề không lường trước được, đồng thời tiến hành các cuộc họp kiểm tra hàng ngày để nhóm của chúng ta có trách nhiệm giải trình, đồng thời giúp mọi người đi đúng hướng để đạt được mục tiêu của chúng ta.

Tóm lại, nhóm của chúng tôi đã đáp ứng mọi yêu cầu về kiểm tra và dữ liệu, cũng như học hỏi các kỹ năng vật lý và quản lý nhóm vô giá mà chúng tôi có thể thực hiện trong các nỗ lực trong tương lai ở trường học và trong bất kỳ nghề nào theo định hướng làm việc nhóm.