Moin!

Ich spiele schon lange mit dem Gedanken ein elektronisches Bergungssystem mit magnetischer Gipfelpunkterkennung zu entwickeln. Es gibt ja im Prinzip keinen Mangel an fertigen Systemen, aber die Herausforderung besteht für mich darin sowas selber zu entwickeln. Außerdem soll mein System explizit für den T1-Bereich geeignet sein und Elektronik und Mechanik in einem kompakten Gesamtsystem vereinen. Die Ideen dazu sind schon etliche Jahre alt, ich bin aber nie dazu gekommen es auch umzusetzen. In letzter Zeit wächst aber min Interesse wieder und vielleicht baue ich es diesmal ja wirklich. Daher poste ich hier im Folgenden eine Beschreibung was sich mir so vorstelle.


Elektronisches Bergungssystem mit Gipfelpunkterkennung

Nutzung für P1-Bereich und geeignet für Flüge frei von allen Genehmigungspflichten (in Deutschland).

Nach meinem Verständnis bedeutet dies
- Treibstoffmasse <20g
- Gesamtgewicht <250g
- Flughöhe <120m

Folglich muss das System sehr klein und leicht sein. Elektronik lässt sich gut miniaturisieren, der Limitierende Faktor sind aber zum Teil die Mechanik und insbesondere die Verkablung. Stecker, Kabel und die entsprechenden Zugangsmöglichkeiten nehmen am Ende mehr Platz in Anspruch und schränken das Design der Rakete stärker ein als die Platine selbst. Vorrangiges Ziel ist daher mit möglichst wenigen Steckverbindungen und mit nur einem Minimum an Kabeln auszukommen.

Um dies zu erreichen, muss das System weitgehend integriert sein, d.h. Sensorik, Elektronik, Mechanik, Software und operative Aspekte sollten zusammen entwickelt und aufeinander abgestimmt sein. Ein modularer Aufbau aus verfügbaren Komponenten würde wahrscheinlich durch die verschiedenen Konnektoren zu viel Platz benötigen.

Gleichzeitig soll der Einsatz einfach und unkompliziert sein, der Prep-Aufwand minimal. Insbesondere soll es tunlichst vermieden werden, dass man die halbe Rakete zerlegen muss um das Bergungssystem vorzubereiten und zu aktivieren. Nach Möglichkeit reicht ein simpler Zugang zur Elektronik-Bay, z.B. axial von vorne durch Trennen der Rakete an einem Kuppler, um alle nötigen Startvorbereitungen durchzuführen (insbesondere Akku anschließen und Startbereitschaft herstellen), aber auch um die Elektronik grundsätzlich ein- und auszubauen. Auf externe Bedienelemente soll nach Möglichkeit verzichtet werden, da diese den Verkabelungsaufwand erhöhen und das Raketendesign einschränken.


Daraus folgen zwei fundamental Design-Grundsätze:


1) Betrieb ohne externe Sicherungselemente

Nach Abschluss der Preparation soll das Bergungssystem jederzeit "Sicher" und "Scharf" sein. Ein unbeabsichtligtes Auslösen des Bergungssystems soll zuverlässig ausgeschlossen sein. Gleichzeitig soll aber auch kein "Scharfschalten" unmittelbar vor dem Flug notwendig sein, da dies wieder externe Bedienelemente erfordern würde. Auch soll für die Erkennung des Starts kein Abreißkontakt verwendet werden, da dies ebenfalls Verkabelung und Durchbrüche durch den Raketenkörper implizieren würde. Das Mittel der Wahl ist hier eine Erkennung des Startvorgangs und Scharfstellung über eine Beschleunigungsmessung, also ein rein inertialer Betrieb ohne externe Informationen.

Nach dem Einschalten des Bergungssystems soll es lange, mindestens jedoch eine Stunde, in Bereitschaft bleiben können (im Zustand "Sicher" und "Scharf"), ohne dass weitere Aktionen nötig wären um final Startbereitschaft herzustellen. Während dieser Zeit soll es möglich sein die Rakete zu lagern, auf der Rampe zu montieren und dort bis zum Start zu verweilen. Zum Launch muss dann nur das Triebwerk gezündet werden, sonst nichts.


2) Auswurf des Fallschirmsystems über Servomechanik

Der Auswurf des Fallschirmsystems soll über einen Servo und nicht über eine Pyro-Ausstoßladung erfolgen. Eine Servomechanik benötigt kein Verbrauchsmaterial, was grundsätzlich attraktiv ist. Es erübrigt aber auch einen Austausch der Pyrosätze, was die Handhabung vereinfacht, das Prepping auf ein Minimum reduziert, gleichzeitig aber auch wider Verkabelung einspart, denn jeder Zünder braucht Klemmen mit denen er ausgetauscht werden kann und zusätzlich braucht man einen Zugang. Daher soll der Fallschirm seitlich aus einer Klappe ausgeworfen werden, die über eine Servomechanik verriegelt bzw. freigegeben wird.

Durch den Verzicht auf Pyrotechnik wird auch der Aspekt "Sicher" und "Scharf" wesentlich unkritischer. Im Zweifelsfall einer Fehlauslösung geht halt die Fallschirmklappe auf, aber das Bergungssystem stellt grundsätzlich kein Gefährdungspotential dar, was bei Pyro-Ausstoßladungen der Fall wäre. Auch ist bzgl. Spengstoffgesetzgebung nichts zu beachten und es befindet sich kein Gefahrstoff in der Rakete, abgesehen vom Treibsatz.

Für die Maßstäbe einer T1-Rakete kann ein Servo schon relativ schwer sein, allerdings benötigt fast jede Rakete aus Stabilitätsgründen etwas Ballast in der Spitze. Solange der Servo also weit vorne untergebracht ist, ersetzt er nur das Trimmgewicht und erhöht de-facto das Abfluggewicht nicht maßgeblich.


Weitere Aspekte:

- Zentrale Datenverarbeitung des Systems mittels Mikrocontroller der ATMega 328 Familie
- Starterkennung durch Beschleunigungssensor
- Gipfelpunkterkennung über Magnetfeldmessung
- zusätzliches Timer-Backup für Fallschirmauswurf und Unterdrückung einer frühzeitigen Auslösung
- Datenaufzeichnung aller Messdaten in internem Speicher zur System-Entwicklung, Evaluierung und Fehleranalyse
- hohes Maß an Sicherheit durch wohldefinierte Messprinzipien und geeignete (Teil-)Redundanzen, sowie klare Identifizierung von möglichen single-point failures
- Stromversorgung mittels einem 3.7V LiPoly Akkus
- weitere Zusatzfunktionen falls sich dies mit vertretbarem Aufwand integrieren lassen, insbesondere ein barometrischer Höhenmesser zur Flughöhenbestimmung (reine Sensorfunktion, keine Verwendung zur Gipfelpunkterkennung vorgesehen) und herausgeführte Schnittstellen für den Anschluss zukünftiger Erweiterungsmodule


Ich habe mittlerweile ein recht ausgereiftes Konzept wie sich ein System realisieren lässt das diese Anforderungen entspricht und vielleicht finde ich über Ostern etwas Zeit um endlich Hardware herzustellen.

Alles Gute

Schmidti

Moin Schmidti,

ein schönes Projekt hast Du Dir ausgesucht.
Meine Erfahrungen beschränken sich aber auf den Dentamag. Das war so ein Nachbau Projekt mit KMZ51 Magnetfeld Dingstabums.
Meine Rampe wurde extra aus nicht magnetischen Materialien gebaut, damit die Modelle nicht schon beim Start den Fallschirm geschmissen haben.
Ich bleib dran und schaue mal wie es bei Dir weiter geht.

Gruß Ralf

Da könnte man ja in der SW die Signale erst ab einer bestimmten Mindesthöhe berücksichtigen, um mit normalen Rampen zu fliegen. Setzt dann doch wieder eine barometrische Messung voraus; alternativ ab einer gewissen Mindestgeschwindigkeit, damit beim Start nichts passiert.

Gruß Achim

Geändert von AchimO am 29. März 2024 um 23:41

Klingt spannend. Da les ich interessiert mit.

Klingt super! Bin gespannt wie Du das umsetzt.

Die Servos sind vom Gewicht her nicht das Problem, die kleinsten liegen bei unter 2 g.

Oliver

Vielen Dank für die Kommentare!

Ja, der Dentamag ist natürlich Inspiration und Vorbild für mein Projekt. Ich erinnere mich daran vor Ewigkeiten einen sehr langen Thread verfolgt zu haben. Das Projekt fand ich schon damals ziemlich cool, auch wie er gemeinschaftlich in einem Forum entwickelt wurde. Und natürlich hat der Dentamag auch gezeigt, dass magnetische Gipfelpunkterkennung grundsätzlich funktioniert, solang man ein paar Details beachtet.

Auf der anderen Seite ist beim Dentamag noch alles analog. Schön einfach zu verstehen und zugänglich, aber heutzutage sind digitale 3-Achsen Magnetometer und Mikrocontroller verfügbar und bieten mehr Möglichkeiten. Die Einstiegshürde dafür ist natürlich hoch, aber sobald man einmal mit Mikrocontrollern vertraut ist wird vieles wesntlich einfacher, z.B. komplexe Bergungssequenzen oder diverse Timer lassen sich durch ein paar Zeilen Software realisieren, denn einen Takt hat man eh.

Störungen des Magnetfelds durch die Rampe oder andere Gegenstände sind natürlich ein Problem auf das man achten muss. Wenn man auf Eisen/Stahl verzichtet, ist das aber machbar. Außerdem will ich den Start ja eh über eine Beschleuningungsmessung detektieren, folglich ist es einfach die magnetische Gipfelpunkterkennung erst mit einer gewissen Verzögerung nach dem Start zu aktivieren. Solange der Treibsatz noch brennt, macht es meiner Ansicht nach eh wenig Sinn den Fallschirm zu aktivieren, der geht nur kaputt. Daher würde ich die Aktivierung des
Bergungssystems bis zum erwarteten Brennschluss unterdrücken. Bis dahin hat man auch Störeffekte durch die Rampe weit hinter sich gelassen. Gleichzeitig kann man genau so einfach einen Backup-Timer integrieren, der eine gewisse Zeit nach dem erwarteten Gipfelpunkt den Fallschirm auslöst, falls der Magnetfeldsensor es bis dahin nicht getan hat.

Ich hab gestern mal ein Diagramm der finite-state Machine gemacht, dass den geplanten Ablauf darstellt



Die 2g Linear-Servos sind bekannt. Erstmal plane ich aber mit einem normalen 9g-Servo und einem Körperrohrinnendurchmesser von 40mm. Das passt zusammen und st definitiv P1-kompatibel.

Alles Gute und frohe Ostern

Schmidti

Oh ja, ich hatte mir auch mal einen Haufen HMC5883 (glaube ich) zugelegt, mit einem sehr ähnlichen Ziel. Bin bislang nicht dazu gekommen ;-)

Dein Vorgehen macht Sinn. Zwei Punkte wo Du aufpassen musst ist einmal die Kalibrierung des Sensors (die XYZ-Achsen des Gehäuses stimmen nicht immer mit denen des Sensors überein) und dass die Magnetfeldlinien der Erde in einem bestimmten Winkel zur Erdoberfläche stehen, nicht senkrecht oder parallel. Aber das hast Du bestimmt auch schon berücksichtigt.

Oliver

Ja, das ist bekannt, sonst würde ja auch kein normaler Kompass funktionieren. Bedeutet auch, dass man nur mit einem Magnetometer alleine die Lage relativ zur Vertikalen nie besser als etwa +/- 30 Grad (je nach Location ) bestimmen kann. Sollte aber reichen, solange die Rakete ordentlich fliegt und keine krasse Bogenlampe macht.

Ich hatte mich jetzt auf den LSM303DLHC eingeschossen, weil der gerade gut zu bekommen ist und Magnetometer + Beschleunigungssensor in einem Chip vereint. Hab damit auf einem Breakout-Board auch schon einiges rumexperimentiert, Genauigkeit und Empfindlichkeit auf Störfelder getestet, usw...

Mich kotzt nur gerade an, dass ich wohl beim Einlöten von diesem LGA-Chip wohl wieder (sic!) das Magnetometer beschädigt habe. Ich kann es auslesen, die Messwerte sind aber unphysikalisch. Der Beschleunigungssensor funktioniert hingegen einwandfrei. :-(

EDIT: Nö, alles gut, sobald man die Kondensatoren der richtigen Kapazität einsetzt. Einfach größere nehmen scheint wohl Probleme zu machen.

Geändert von Schmidti am 01. April 2024 um 17:13

So, alles mal wieder viel mehr Arbeit und langwieriger als geplant, musste mich wie so oft mit tausend Problemen in Hard- und Software rumschlagen, aber es gibt nun eine Platine



und ein paar Daten



von einmal Aufzug fahren.

Dafür, dass das der erst ernsthafte Test war, bin ich sehr zufrieden. Alle Messwerte sind realistisch. Man sieht klar das Anfahren und Stoppen des Fahrstuhls in den Beschleunigungen. Das Magnetfeld macht zwar komische Dinge im Fahrstuhlschacht, aber das war auch nicht anders zu erwarten und die Messwerte sind voll reproduzierbar. Luftdruckmessung funktioniert auch und die abgeleitete Höhe entspricht den Gegebenheiten. Das Rauschen in den diversen Messwerten entspricht auch den Erwartungen und ist für die geplante Aufgabe vollkommen ausreichend. Die Samplingrate kann man noch deutlich erhöhen. Ich hab noch nicht ausprobiert wie viel denn eigentlich geht. Also erstmal alles gut.

Der ganze Rest kommt dann irgendwann.
Beste Grüße

Schmidti

Hallo,

hab mal ein wenig weitergearbeitet.





Der Tubus ist natürlich erstmal ein Dummy, entspricht aber dem geplanten Körperrohr.





Kabel sind noch etwas lang, kann man kürzen.

Eigentlich hat bis jetzt fast alles mehr oder weniger so geklappt wie ursprünglich geplant, auch wenn vieles länger gedauert hat. Bei der Stromversorgung bin ich mir aber unsicher. Aktuell wird das ganze System aktiviert indem man den Stecker auf der Platine ansteckt, was aber etwas friemelig ist. Vielleicht wäre es doch ganz praktisch einen Hauptschalter der die Stromversorgung trennt/verbindet nach außen zu führen, dann müsste man die Rakete zum Preppen gar nicht mehr öffnen.

Stromversorgung ist natürlich relativ kritisch, eigentlich der einzige Single-Point Failure der einem wirklich den Tag versauen kann. Welche kleinen aber trotzdem zuverlässigen Schalter gibt es? Platz ist begrenzt, soetwas würde passen, aber kann man dem trauen?

Alles Gute
Schmidti