Comment faire un picoballon : 16 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Qu'est-ce qu'un picoballon et pourquoi voudrais-je le construire ?! Je vous entends demander. Laissez-moi expliquer. Vous savez probablement tous ce qu'est un HAB (High Altitude Balloon). C'est un tas de trucs électroniques bizarres connectés à un ballon. Il y a tellement de tutoriels concernant les HAB ici sur Instructables.

MAIS, et c'est un très gros MAIS, ce qu'ils ne vous disent pas la plupart du temps dans le didacticiel, c'est le coût du gaz de remplissage. Maintenant, vous pouvez construire un tracker HAB décent à moins de 50 €, mais s'il pèse 200 g (ce qui est une estimation assez optimiste avec les batteries, les appareils photo, etc.), l'hélium pour remplir le ballon peut vous coûter 200 € ou plus, ce qui est juste trop pour de nombreux fabricants comme moi.

Ainsi, comme vous pouvez le deviner, les picoballons résolvent ce problème en n'étant tout simplement pas encombrants et lourds. Picoballoon est juste un mot pour un HAB léger. Lumière, qu'est-ce que j'entends par lumière ? En général, les picoballons pèsent moins de 20g. Maintenant, imaginez qu'un processeur, un émetteur, un PCB, un GPS, des antennes, un panneau solaire et aussi une batterie avec une masse identique à une tasse à café jetable ou une cuillère. N'est-ce pas fou ?

Une autre raison (outre le coût) pour laquelle vous voudriez le construire est sa portée et son endurance. Classic HAB peut voler jusqu'à 4 heures et parcourir jusqu'à 200 km. Un picoballon, quant à lui, peut voler jusqu'à quelques mois et parcourir jusqu'à des dizaines de milliers de kilomètres. Un Polonais a fait faire plusieurs fois le tour du monde avec son picoballon. Cela signifie bien sûr aussi que vous ne reverrez plus jamais votre Picoballoon après l'avoir lancé. C'est pourquoi vous souhaitez transmettre toutes les données nécessaires et bien sûr maintenir les coûts aussi bas que possible.

Remarque: Ce projet est une collaboration avec MatejHantabal. N'oubliez pas de consulter également son profil

ATTENTION: Il s'agit d'un projet de niveau avancé difficile à réaliser mais aussi très amusant. Tout, de la conception de circuits imprimés au SMD en passant par le soudage, sera expliqué ici. Cela dit, mettons-nous au travail

MISE À JOUR: Nous avons dû retirer le module GPS à la dernière minute en raison de sa grande consommation électrique. Cela peut probablement être corrigé, mais nous n'avons pas eu le temps pour cela. Je vais le laisser dans l'instructable mais attention, ce n'est pas testé. Vous pouvez toujours obtenir l'emplacement à partir des métadonnées TTN, vous ne devriez donc pas vous en soucier

Étape 1: Le principe

Ainsi, lors de la construction d'un appareil comme celui-ci, il existe de nombreuses variantes et choix, mais chaque tracker a besoin d'un émetteur et d'une alimentation. La plupart des trackers incluront probablement ces composants:

- un panneau solaire

- une batterie (lipo ou supercondensateur)

- un processeur/microcontrôleur

- un module GPS

- un/des capteur(s) (température, humidité, pression, UV, rayonnement solaire…)

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

Comme vous pouvez le voir, il existe de nombreux capteurs et émetteurs que vous pouvez utiliser. Les capteurs que vous utilisez dépendent de vous. Cela n'a pas vraiment d'importance mais les plus courants sont les capteurs de température et de pression. La sélection d'un émetteur est cependant beaucoup plus difficile. Chaque technologie a des avantages et des inconvénients. Je ne vais pas le détailler ici car ce serait une très longue discussion. Ce qui est important c'est que j'ai choisi LoRaWAN et je pense que c'est le meilleur (car je n'ai pas encore eu l'occasion de tester les autres). Je sais que LoRaWAN a probablement la meilleure couverture. Vous pouvez me corriger dans les commentaires.

Étape 2: Pièces nécessaires

Vous aurez donc besoin de ces éléments pour ce projet:

Plume d'Adafruit 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Nous ne l'avons pas utilisé à la fin)

Capteur de température/humidité/pression BME280

2xSupercondensateur 4.7F 2.7V

Panneau solaire avec sortie 5V

PCB personnalisés

Si vous lancez vous-même, vous avez également besoin de ceci:

Au moins 0,1m3 d'hélium (recherche: "réservoir d'hélium pour 15 ballons") acheté localement

Ballon en aluminium auto-scellant Qualatex 36"

Coût estimé du projet: 80€ (uniquement le tracker) / 100€ (y compris ballon et hélium)

Étape 3: Outils recommandés

Ces outils pourraient être utiles:

pince à dénuder

fer à souder

fer à souder CMS

pinces

tournevis

pistolet à colle

multimètre

microscope

pistolet à air chaud

Vous aurez également besoin de pâte à souder.

Étape 4: Plume d'Adafruit 32U4

Nous avons eu du mal à sélectionner le bon microcontrôleur pour le ballon. La plume Adafruit s'est avérée la meilleure pour le travail. Il répond à tous les critères requis:

1) Il a toutes les broches nécessaires: SDA/SCL, RX/TX, numérique, analogique

2) Il a l'émetteur RFM95 LoRa.

3) C'est léger. Sa masse n'est que de 5,5 g.

4) Il a une très faible consommation d'énergie en mode veille (seulement 30 uA).

Pour cette raison, nous pensons que l'Adafruit Feather est le meilleur microcontrôleur pour le travail.

Étape 5: Conception et fabrication de circuits imprimés

Je suis vraiment désolé pour ce que je vais vous dire. Nous allons devoir faire un PCB personnalisé. Cela va être difficile et frustrant, mais c'est nécessaire, alors commençons. De plus, pour bien comprendre le texte suivant, vous devriez lire ce cours de conception de PCB génial par Instructables.

Donc, dans un premier temps, vous devrez faire un schéma. J'ai réalisé à la fois le schéma et la carte dans le logiciel de conception de circuits imprimés EAGLE d'Autodesk. C'est gratuit, alors téléchargez-le !

C'était la première fois que je concevais un PCB et je peux vous dire qu'il s'agit de maîtriser l'interface Eagle. J'ai conçu ma première planche en 6 heures, mais ma deuxième planche m'a pris moins d'une heure. Voici le résultat. Un joli schéma et une planche je dirais.

Lorsque vous avez le fichier de carte prêt, vous devez créer les fichiers gerber et les envoyer au fabricant. J'ai commandé mes planches sur jlcpcb.com mais vous pouvez choisir n'importe quel autre fabricant que vous aimez. J'ai réglé l'épaisseur du PCB à 0,8 mm au lieu de 1,6 mm standard car la carte doit être légère. Vous pouvez voir mes paramètres pour JLC PCB dans la capture d'écran.

Si vous ne souhaitez pas télécharger Eagle, vous pouvez simplement télécharger "Ferdinand 1.0.zip" et le télécharger sur JLC PCB.

Lorsque vous commandez les PCB, asseyez-vous confortablement dans votre fauteuil et attendez deux semaines qu'ils arrivent. Ensuite, nous pouvons continuer.

Remarque: Vous pouvez remarquer que le schéma est un peu différent de la carte réelle. C'est parce que j'ai remarqué que le CI BME280 nu est trop difficile à souder, j'ai donc changé le schéma pour une cassure

Étape 6: Soudage CMS

Autre triste annonce: la soudure SMD n'est pas facile. Maintenant, vraiment, c'est vraiment dur. Que le seigneur soit avec vous. Mais ce tutoriel devrait vous aider. Vous pouvez souder soit à l'aide d'un fer à souder et d'une mèche à souder, soit d'une pâte à souder et d'un pistolet à air chaud. Aucune de ces méthodes n'était assez pratique pour moi. Mais vous devriez le faire en une heure.

Placer les composants soit selon la sérigraphie sur le PCB soit selon le schéma.

Étape 7: Souder

Une fois la soudure SMD terminée, le reste du travail de soudure est fondamentalement un jeu d'enfant. Presque. Vous avez probablement déjà soudé et j'espère que vous aurez envie de souder à nouveau. Il vous suffit de souder l'Adafruit Feather, les antennes, le panneau solaire et les supercondensateurs. Assez simple je dirais.

Placer les composants soit selon la sérigraphie sur le PCB soit selon le schéma.

Étape 8: Compléter le suivi

Voici à quoi devrait ressembler le tracker complet. Bizarre. Joli. Intéressant. Ce sont les mots qui me viennent tout de suite à l'esprit. Maintenant, il vous suffit de flasher le code et de tester s'il fonctionne.

Étape 9: Configuration TTN

The Things Network est un réseau LoRaWAN communautaire mondial centré sur la ville. Avec plus de 6887 passerelles (récepteurs) opérationnelles, il s'agit du plus grand réseau IoT mondial au monde. Il utilise le protocole de communication LoRa (Long Range) qui est généralement aux fréquences 868 (Europe, Russie) ou à 915MHz (USA, Inde). Il est le plus largement utilisé par les appareils IoT qui envoient des messages courts dans les villes. Vous ne pouvez envoyer que jusqu'à 51 octets, mais vous pouvez facilement obtenir une portée de 2 km à 15 km. C'est idéal pour les capteurs simples ou d'autres appareils IoT. Et le meilleur de tous, c'est gratuit.

Maintenant, 2-15 n'est certainement pas suffisant, mais si vous arrivez sur un terrain plus élevé, vous devriez avoir une meilleure connexion. Et notre ballon sera très haut. A 10km au dessus du niveau de la mer, on devrait avoir une connexion à partir de 100km. Un ami a lancé un HAB avec LoRa à 31 km dans les airs et il a reçu un ping à 450 km. Donc, c'est assez raisonnable.

La configuration du TTN devrait être facile. Il vous suffit de créer un compte avec votre adresse e-mail, puis d'enregistrer l'appareil. Dans un premier temps, vous devez créer une application. Une application est l'ensemble de la page d'accueil du projet. De là, vous pouvez modifier le code du décodeur, afficher les données entrantes et ajouter/supprimer des appareils. Choisissez simplement un nom et vous êtes prêt à partir. Après cela, vous devrez enregistrer un appareil dans l'application. Vous devez saisir l'adresse MAC du Adafruit Feather (avec le Feather dans l'emballage). Ensuite, vous devez définir la méthode d'activation sur ABP et vous devez désactiver les vérifications du compteur de trames. Votre appareil devrait maintenant être enregistré dans l'application. Copiez l'adresse de l'appareil, la clé de session réseau et la clé de session d'application. Vous en aurez besoin à l'étape suivante.

Pour une explication plus saine, visitez ce tutoriel.

Étape 10: Codage

L'Adafruit Feather 32U4 dispose d'un processeur AVR ATmega32U4. Cela signifie qu'il n'a pas de puce séparée pour la communication USB (comme Arduino UNO), la puce est incluse dans le processeur. Cela signifie que le téléchargement vers Adafruit Feather peut être un peu plus difficile par rapport à une carte Arduino typique, mais cela fonctionne avec Arduino IDE, donc si vous suivez ce didacticiel, cela devrait aller.

Après avoir configuré l'IDE Arduino et téléchargé avec succès l'esquisse "clignotement", vous pouvez passer au code réel. Téléchargez "LoRa_Test.ino". Modifiez l'adresse de l'appareil, la clé de session réseau et la clé de session d'application en conséquence. Téléchargez le croquis. Sors. Pointez l'antenne vers le centre-ville ou en direction de la passerelle la plus proche. Vous devriez maintenant voir des données apparaître sur la console TTN. Sinon, commentez ci-dessous. Je ne veux pas mettre tout ce qui aurait pu se passer ici, je ne sais pas si le serveur Instructables pourrait gérer une telle quantité de texte.

Passer à autre chose. Si l'esquisse précédente fonctionne, vous pouvez télécharger "Ferdinand_1.0.ino" et modifier les éléments que vous deviez modifier dans l'esquisse précédente. Maintenant, testez-le à nouveau.

Si vous obtenez des données HEX aléatoires sur la console TTN, ne vous inquiétez pas, c'est censé le faire. Toutes les valeurs sont encodées en HEX. Vous aurez besoin d'un code de décodeur différent. Téléchargez "decoder.txt". Copiez son contenu. Allez maintenant à la console TTN. Accédez à votre application/formats de charge utile/décodeur. Supprimez maintenant le code du décodeur d'origine et collez-le dans le vôtre. Vous devriez maintenant y voir toutes les lectures.

Étape 11: Tester

Maintenant, cela devrait être la partie la plus longue du projet. Essai. Test dans toutes sortes de conditions. En cas de chaleur extrême, de stress et avec une forte lumière (ou à l'extérieur au soleil) pour imiter les conditions là-haut. Cela devrait prendre au moins une semaine, il n'y aura donc pas de surprises en termes de comportement du tracker. Mais c'est un monde idéal et nous n'avons pas eu ce temps car le tracker a été construit pour une compétition. Nous avons fait quelques changements de dernière minute (littéralement comme 40 minutes avant le lancement) donc nous ne savions pas à quoi nous attendre. Ce n'est pas bon. Mais vous savez, nous avons quand même gagné la compétition.

Vous aurez probablement besoin de faire cette partie à l'extérieur car le soleil ne brille pas à l'intérieur et parce que le LoRa n'aura pas la meilleure réception dans votre bureau.

Étape 12: Quelques formules géniales

Les picoballons sont très sensibles. Vous ne pouvez pas simplement les remplir d'hélium et les lancer. Ils n'aiment vraiment pas ça. Laissez-moi expliquer. Si la force de flottabilité est trop faible, le ballon ne montera pas (évidemment). MAIS, et c'est le hic, si la force de flottabilité est trop élevée, le ballon volera trop haut, les forces sur le ballon seront trop grandes et il éclatera et tombera au sol. C'est la principale raison pour laquelle vous voulez vraiment faire ces calculs.

Si vous connaissez un peu la physique, vous ne devriez pas avoir de problème à comprendre les formules ci-dessus. Il y a certaines variables que vous devez entrer dans la formule. Cela comprend: la constante de gaz de remplissage, la température thermodynamique, la pression, la masse de la sonde et la masse du ballon. Si vous suivez ce tutoriel et utilisez le même ballon (Qualatex microfoil 36 ) et le même gaz de remplissage (hélium), la seule chose qui différera réellement est la masse de la sonde.

Ces formules devraient alors vous donner: le volume d'hélium nécessaire pour faire le plein du ballon, la vitesse à laquelle le ballon s'élève, l'altitude à laquelle vole le ballon ainsi que la masse libre. Ce sont toutes des valeurs très utiles. La vitesse de montée est importante pour que le ballon ne heurte pas d'obstacles car il est trop lent et c'est vraiment bien de savoir à quelle hauteur le ballon volera. Mais le plus important d'entre eux est probablement l'ascenseur gratuit. L'ascenseur gratuit est requis lorsque vous remplirez le ballon à l'étape 14.

Merci à TomasTT7 pour l'aide avec les formules. Découvrez son blog ici.

Étape 13: Risques

Ainsi, votre traqueur fonctionne. Cette merde sur laquelle tu as travaillé pendant deux mois marche vraiment ! Toutes nos félicitations.

Voyons donc les risques que votre enfant sonde peut rencontrer dans les airs:

1) Il n'y aura pas assez de soleil frappant le panneau solaire. Les supercondensateurs se videront. La sonde cessera de fonctionner.

2) La sonde sera hors de portée et aucune donnée ne sera reçue.

3) De fortes rafales de vent détruiront la sonde.

4) La sonde traversera un orage pendant l'ascension et la pluie court-circuitera le circuit.

5) Une couche de glace se formera sur le panneau solaire. Les supercondensateurs se videront. La sonde cessera de fonctionner.

6) Une partie de la sonde se brisera sous la contrainte mécanique.

7) Une partie de la sonde se brisera dans des conditions de chaleur et de pression extrêmes.

8) Une charge électrostatique se formera entre le ballon et l'air formant une étincelle, ce qui endommagera la sonde.

9) La sonde sera touchée par la foudre.

10) La sonde sera touchée par un avion.

11) La sonde sera touchée par un oiseau.

12) Les extraterrestres détourneront votre sonde. Cela peut arriver surtout si le ballon est au-dessus de la zone 51.

Étape 14: Lancez-vous

Alors c'est tout. C'est le jour J et vous allez lancer votre picoballon adoré. Il est toujours bon de connaître le terrain et tous les obstacles possibles. Vous devez également surveiller en permanence la météo (principalement la vitesse et la direction du vent). De cette façon, vous minimisez les chances que vos 100 € d'équipement et 2 mois de votre temps heurtent un arbre ou un mur. Ce serait triste.

Insérez un tuyau dans le ballon. Attachez le ballon à quelque chose de lourd avec du nylon. Mettez la chose lourde sur une balance. Réinitialiser la balance. Fixez l'autre extrémité du tuyau sur votre réservoir d'hélium. Commencez à ouvrir lentement la vanne. Vous devriez maintenant voir des nombres négatifs sur l'échelle. Il est maintenant temps d'utiliser la valeur de levage libre que vous avez calculée à l'étape 12. Fermez la vanne lorsque le nombre négatif atteint la masse du ballon + levage libre. Dans mon cas, c'était 15 g + 2,4 g, j'ai donc fermé la valve à exactement -17,4 g sur la balance. Retirez le tuyau. Le ballon est auto-obturant, il devrait se sceller automatiquement. Détachez l'objet lourd et remplacez-le par la sonde. Vous êtes maintenant prêt à lancer.

Il suffit de regarder la vidéo pour tous les détails.

Étape 15: Réception des données

Ohh, je me souviens du sentiment que nous avons eu après le lancement. Le stress, la frustration, beaucoup d'hormones. Est-ce que ça marchera? Notre travail ne vaudra-t-il rien ? Avons-nous simplement dépensé autant d'argent pour quelque chose qui ne fonctionne pas ? C'est le genre de questions que nous nous posions après le lancement.

Heureusement, la sonde a répondu environ 20 minutes après le lancement. Et puis nous avons reçu un paquet toutes les 10 minutes. Nous avons perdu le contact avec la sonde à 17:51:09 GMT. Ça aurait pu être mieux, mais ça va quand même.

Étape 16: autres plans

Ce fut l'un de nos projets les plus difficiles à ce jour. Tout n'était pas parfait mais ça va, c'est toujours comme ça. C'était quand même très réussi. Le traqueur fonctionnait parfaitement. Cela aurait pu le faire pendant beaucoup plus longtemps, mais cela n'a pas d'importance. Et nous avons terminé deuxièmes au concours Picoballoon. Maintenant, vous pourriez dire qu'être deuxième dans un concours avec 17 personnes n'est pas un tel succès MAIS gardez à l'esprit qu'il s'agit d'un concours d'ingénierie/construction pour adultes. Nous avons 14 ans. Ceux avec qui nous étions en compétition étaient des adultes ayant une formation en ingénierie et peut-être même en aérospatiale et avec beaucoup plus d'expérience. Alors oui, dans l'ensemble, je dirais que c'était un gros succès. Nous avons eu 200€, soit environ le double de nos dépenses.

Je vais certainement construire une version 2.0. Ça va être beaucoup mieux, avec des composants plus petits (processeur barebone, RFM95) et ça va être plus fiable alors restez à l'écoute pour le prochain instructable.

Notre objectif principal est maintenant de gagner le concours Epilog X. Chers collègues, si vous avez aimé cette instructable, veuillez envisager de voter pour elle. Cela nous aiderait vraiment. Merci beaucoup !

Finaliste du concours Epilog X