mirror of
https://github.com/CopterExpress/clover.git
synced 2026-05-26 21:19:35 +00:00
183 lines
23 KiB
Markdown
183 lines
23 KiB
Markdown
# «Copter For Space» (C4S) – принимаем данные со спутника на Клевер
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/logo_c4s.jpg">
|
||
|
||
[CopterHack-2022](copterhack2022.md), **команда Space clowns**.
|
||
|
||
## Информация о команде
|
||
|
||
Состав команды:
|
||
|
||
* Илья Холодилов, https://t.me/ilyazxz, TeamLead, программист-инженер.
|
||
* Вячеслав Демьяненко, https://t.me/SlavikYD, инженер-программист.
|
||
* Андрей Пивоваров, https://t.me/DedAndrew, программист.
|
||
* Ярослав Мухатдинов, https://t.me/Euenot2, инженер-конструктор.
|
||
* Тимур Малышкин, https://t.me/Timur_Malyshkin, аналитик космических снимков и геопространственных данных (декодирование и постобработка данных), TechWriter.
|
||
|
||
## Видео о проекте
|
||
|
||
[](https://youtu.be/g4s14v2qtwU)
|
||
|
||
## Описание проекта
|
||
|
||
Создание инженерного конструктора станции приёма данных L-диапазона с метеорологических спутников на базе «Clover-4.2».
|
||
|
||
Наша цель - сделать конструктор доступнее, чтобы вовлечь как можно больше школьников в прикладные исследования в областях летающей робототехники, программирования, а также метеорологии.
|
||
|
||
### Идея проекта
|
||
|
||
#### Аперитив
|
||
|
||
Однажды пятеро джентльменов, любуясь туманными горами Кабардино-Балкарии, решили проверить дерзкую, не имеющую аналогов в мире идею. А что если вместо программируемой руки-манипулятора или тяжёлой тросово-опорной конструкции, для переноса облучателя над фокальной плоскостью комплекса приёма космической информации использовать дрон или же сеть дронов?
|
||
|
||
Прежде чем начать повествование об инновационной разработке, Вы, дорогой читатель, должны понимать основной принцип работы станций приёма космических данных. Предлагаем Вам ознакомиться с обучающими вебинарами (https://youtu.be/adclrJgpJWg), где на примере комплекса «Link To Space», разработанного инженерной компанией «LoReTT», описываются основные аспекты приёма, декодирования, обработки, постобработки, а также анализа космических снимков.
|
||
|
||
#### Шоу начинается
|
||
|
||
В далёком 1963-м году, в 15-ти километрах от маленького пуэрто-риканского городка Аресибо, была открыта одноимённая радиообсерватория. В 1974 году именно оттуда было отправлено легендарное «Послание Аресибо», адресованное внеземным цивилизациям. Помимо этого, данная радиообсерватория принимала активное участие в изучении дальнего космоса. В 2020-ом году, из-за усталости конструкции, лопнул один из тросов, удерживающих облучатель, что повлекло за собой разрушение не только облучателя, но и, частично, «зеркала» приёмного комплекса. На восстановление комплекса уйдут годы и миллионы долларов, поэтому Корнеллский университет и Научный фонд США – главные операторы обсерватории, - сочли нецелесообразным восстановление объекта. Кто знает, может быть, США могли бы совершить ещё не одно открытие в области изучения космоса.
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/arecibo_c4s.jpg">
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/arecibo_broken_c4s.jpg">
|
||
|
||
Но давайте немного отыграем ситуацию назад. А что если вместо программируемой руки-манипулятора или тяжёлой тросово-опорной конструкции, для переноса облучателя над фокальной плоскостью комплекса приёма космической информации использовать дрон или же сеть дронов? А если это возможно, то почему бы не создать инженерный конструктор для школьных технологических кружков?
|
||
|
||
### Использование платформы Клевер
|
||
|
||
В качестве устройства для переноса облучателя над фокальной плоскостью был выбран «Clover 4 Code». Выбор Клевера – не случаен. Данный дрон имеет широкий спектр выполняемых задач, возможности для модификации и самостоятельной доработки под конкретные цели. Поскольку предполагается перенос массивного модуля электроники с облучателем, мы поставили на Клевер более мощные моторы и аккумулятор увеличенной ёмкости, установили улучшенные винты. Скорректировав PID-ы, Клевер без проблем взлетал и выполнял полётное задание с подвешенным на него оборудованием.
|
||
|
||
#### От идеи до практической реализации
|
||
|
||
Первым делом наши инженеры создали модели блока электроники, облучателя, опор коптера. Нельзя не отметить факт перераспределения ударной нагрузки на ножки в 3-х направлениях, что повышает срок службы оборудования, а также «выживаемость» дрона в случае аварийной посадки.
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/drone_c4s.jpg">
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/antennac4s.jpg">
|
||
|
||
Блок электроники включает в себя всю необходимую аппаратуру для приёма и записи сигнала со спутника: SDR-приёмник, малошумящий усилитель (МШУ), блок питания МШУ, микрокомпьютер «Raspberry-Pi 4», облучатель.
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/module_c4s.jpg">
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/module2_c4s.jpg">
|
||
|
||
Следующим шагом стало написание программной части. Было создано ПО для автономного полёта и записи принимаемого сигнала. Запись сигнала осуществлялась на Raspberry.
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/code_c4s.png">
|
||
|
||
https://github.com/petayyyy/Lorett/ (ссылка на наш репозиторий).
|
||
|
||
Итак, в чём же новизна нашей разработки? Вместо роботизированного манипулятора, облучатель над «тарелкой» переносит дрон. Клевер взлетает и начинает полёт по заранее рассчитанной траектории приёма спутниковых данных (траектория рассчитывается на основе орбитальных параметров конкретного космического аппарата). Координаты пролёта спутника конвертируются в координаты маркеров, которые закреплены над плоскостью тарелки на радиопрозрачном баннере. Ориентируясь по ArUco-маркерам, Клевер пролетает по заданной траектории, принимая сигнал со спутника на облучатель и записывая его через SDR в память микрокомпьютера. По завершению пролёта, дрон совершает посадку. Для визуализации принципа действия дрона, предлагаем Вам взглянуть на фрагмент симуляции:
|
||
|
||
https://youtu.be/tWtlljBtSvw
|
||
|
||
После посадки дрона, мы переносим принятый сигнал на рабочий ноутбук, где приступаем к демодулированию и декодированию. Затем, можно начинать постобработку и анализ полученных данных. С помощью тематического ПО и анализа спутниковых снимков в разных цветовых каналах мы можем «вытащить» из них следующие данные: температура воды и подстилающей поверхности/верхней границы облаков, тип подстилающей поверхности, альбедо поверхности, тип облаков, водозапас облаков. Полученные данные помогут составить точный прогноз погоды для территории, с которой был принят сигнал.
|
||
|
||
Примеры обработанных снимков:
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/pic1_c4s.jpg">
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/pic2_c4s.jpg">
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/pic3_c4s.jpg">
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/pic4_c4s.jpg">
|
||
|
||
Пример снимка без обработки:
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/shot_c4s.jpg">
|
||
|
||
#### Взлёт разрешён
|
||
|
||
Положив рядом жгут, много перевязочного материала, пустырник, мы преступили к испытаниям. Полёты проходили в разных местах нашей Родины, а также в разные сезоны. Первая серия полётов была в Нальчике (Кабардино-Балкарская Республика) на образовательной программе ОЦ «Сириус» в марте 2021 года. Горный ветер не щадил никого, ни уши испытателей, ни Клевер. Было много сомнений насчёт практической применяемости нашей новинки, но в конечном счёте, мы приняли сигнал. Результат декодирования произвёл эффект разорвавшейся бомбы. На экране ноутбука появилась полоска, шириной в несколько пикселей, которую смог воспринять HRPT-Reader (ПО для постобработки). Данное изображение было возможно просмотреть в разных цветовых каналах. Это могло значить только одно – при более «плавном» перемещении дрона, мы имеем все шансы получить идеальное изображение, как со станции «Link2Space».
|
||
|
||
Принятая полоска:
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/string_c4s.jpg">
|
||
|
||
Видео тестовых полетов: https://youtu.be/xP1Ne3j95zU
|
||
|
||
Вторые полётные испытания, после частичной доработки дрона (установка более мощных моторов, новых пропеллеров, доработка ПО), прошли в подмосковной Кубинке, на конкурсе «ИнтЭРА», проходившего в рамках международного военно-технического форума «Армия-2021». Казалось бы, всё должно пройти гладко, но одновременно с нами, на полигоне Алабино (в радиусе 5 км от нас) проходили «Международные армейские игры», где соревновались, в том числе военные-связисты. И результат их работы мы целиком и полностью ощутили на себе. Их средства подавления сигналов различного рода работали безотказно, что даже при приёме мощнейшего метеоспутника (китайский FengYun) мы получали 9 Гб «белого шума».
|
||
|
||
Белый шум:
|
||
|
||
<img src="../assets/c4s/white_noise_c4s.jpg">
|
||
|
||
Видео с испытаний: https://youtu.be/k1ORpj3o-ew
|
||
|
||
#### Доработка проекта в рамках "CopterHack 2022"
|
||
|
||
### Модификация конструкции дрона
|
||
|
||
Были доработаны опоры "Клевера" таким образом, что блок электроники и облучатель стали лучше защищены в случае аварийной посадки дрона. Также был решен вопрос совместимости компонентов и подобрана их наилучшая конфигурация. Каждый компонент так и просится на свое место.
|
||
|
||
https://petayyyy.gitbook.io/copter-for-space/more/dev/3d-modeli-detalei - Ссылка на 3D-модели деталей
|
||
|
||
https://disk.yandex.ru/d/SrQ9xaMjKvO6vw - STL-файлы моделей
|
||
|
||
### Специальное оборудование
|
||
|
||
Приёмная часть состоит из облучателя L-диапазона (ряд металлизированных дисков разных размеров, закрепленных при помощи шпильки на некотором расстоянии друг от друга), малошумящего усилителя соответствующих частот, тройника смешения(специальное устройство, позволяющее подавать питание на МШУ и принимать сигнал по одному проводу) и Программируемого радиоприемника (airspy sdr).
|
||
|
||
МШУ (Малошумящий усилитель) – устройство, входящее в состав базовой станции (БС) и используемое для повышения чувствительности приемника в восходящем направлении UL (Uplink).
|
||
|
||
Software-defined radio/SDR (рус.Программно определяемая радиосистема) — радиопередатчик и/или радиоприёмник, использующий технологию, позволяющую с помощью программного обеспечения устанавливать или изменять рабочие радиочастотные параметры, включая, в частности, диапазон частот, тип модуляции или выходную мощность, за исключением изменения рабочих параметров, используемых в ходе обычной предварительно определённой работы с предварительными установками радиоустройства, согласно той или иной спецификации или системы.
|
||
|
||
Блок питания МШУ - регуляция входного и выходного напряжений.
|
||
|
||
Облучатель − сосредоточенный элемент параболической антенны, находящийся в её фокусе (фазовом центре) или фокальной плоскости, формирующий диаграмму направленности и поляризацию антенны.
|
||
|
||
### Программное обеспечение
|
||
|
||
Основываясь на открытом программном коде был создан автоматический демодулятор-декодер (далее Д-Д), который мы назвали "SatDump". Позднее, возможности Д-Д были оптимизированы для Raspberry Pi с некоторыми дополнительными возможностями. Например - автоматическая демодуляция и декодирования данных с метеорологических спутников с возможностью просмотра спутниковых снимков в браузере.
|
||
|
||
https://github.com/petayyyy/Lorett// - исходный код
|
||
|
||
https://gitlab.com/lpmrfentazis/HRPTAutoDecoder - автодекодер.
|
||
|
||
https://gitlab.com/lpmrfentazis/lorettorbital/-/blob/develop/lorettOrbital/orbital.py - библиотека “LoReTT Orbital” для расчёта расписания пролётов спутников и создания траектории перемещения облучателя дроном в фокальной плоскости “зеркала”
|
||
|
||
https://github.com/petayyyy/Lorett// - сборник ПО для функционирования комплекса-конструктора, описанного в "ГитБуке"
|
||
|
||
### Документация
|
||
|
||
Концепция конструктора подразумевает из себя возможность освоения обучающимися определенных компетенций в областях инжиниринга, программирования, радиотехники, летающей робототехники и работы с данными дистанционного зондирования Земли. Для комфортного освоения мы подготовили все необходимые учебные материалы:
|
||
|
||
https://disk.yandex.ru/i/hJjB1w0ekQ0Lug - руководство по эксплуатация комплекса.
|
||
|
||
https://petayyyy.gitbook.io/copter-for-space/ - инструкция по сборке, настройке и эксплуатации комплекса в удобном формате “ГитБука”.
|
||
|
||
https://disk.yandex.ru/d/WOpfbO74N2cmPQ - инструкция по демодуляции и декодированию сигнала с метеорологических спутников, а также анализу полученных космических снимков.
|
||
|
||
### Результаты
|
||
|
||
1. Подготовлен сборник подробной документации по работе с комплексом-конструктором.
|
||
2. Доработан конструктив дрона, улучшена “живучесть” и сбалансированность компонентов.
|
||
3. Проведены образовательные мероприятия на площадках в Гимназии МГУ и “ФизТех-Лицее им.Капицы”, в ходе которых обучающиеся произвели монтаж и настройку комплекса-конструктора, а также выполнили сеансы приема данных с метеоспутников. После образовательной программы в ФТЛ был создан “ГитБук” для удобства работы с учебными материалами.
|
||
4. Создано новое ПО для расчета расписания пролетов спутников и, в соответствии с параметрами ИСЗ, выбора оптимальной траектории движения дрона-манипулятора в фокальной плоскости “зеркала”. Разработан автоматический демодулятор-декодер “SatDump”.
|
||
|
||
#### Список дополнительных компонентов
|
||
|
||
Основные доп.компоненты:
|
||
|
||
* DIATONE MAMBA TOKA 2207.5/2450KV - моторы.
|
||
* HQProp DP6X4X3 PC (2 пары) - пропеллеры.
|
||
* ONBO 4200mAh 4S 35C Lipo Pack - аккумулятор.
|
||
|
||
Для более подробного ознакомления со списком компонентов и узнать, где приобрести данные комплектующие вы можете перейти в таблицу по ссылке ниже:
|
||
|
||
https://docs.google.com/spreadsheets/d/19Gwm3lu31WgYOmuQ6WVm2aCMhhrhTMLTLWVspxvzfWs/edit#gid=0
|
||
|
||
Для приобретения специального оборудования, свяжитесь с ИК "LoReTT", ввиду эксклюзивности данных компонентов.
|
||
|
||
Контакты: ООО "Лоретт", Россия, г. Москва, Инновационный центр "Сколково", Большой бульвар, 42, стр. 1, офис 334, 121205.
|
||
|
||
+7 (985) 727-7630.
|
||
|
||
contact@lorett.org.
|
||
|
||
#### Перспективы
|
||
|
||
Хочется отметить перспективы использования дрона или сети дронов для переноса облучателя на крупных приёмных комплексах. В будущем возможно использовать платформу Pelican. Данная конструкция значительно упростит обслуживание крупных антенн, а также снизит количество потенциальных узлов отказа.
|
||
|
||
Безусловно, работа школьников с конструктором развивает в них не только инженерно-технические компетенции, но и научно-исследовательские! Платформа “Clover” предоставляет широкий спектр возможностей для модификации, кто знает, может быть, найдётся Левша, который модифицирует исходный конструктор так, что нам и не снилось! Познание мира - в экспериментах. А команда “SpaceClowns”, совместно с компанией “LoReTT” поможет в формировании будущих “Кулибиных”.
|