VRSAT

Το VRSAT ολοκληρώθηκε από την ομάδα Coconut Robotics και συμμετείχε στον πανελλήνιο διαγωνισμό διαστημικής CanSat in Greece 2023.

Το CanSat της ομάδας εκτοξεύθηκε, μετέδωσε δεδομένα στον επίγειο σταθμό, κατέβηκε με αλεξίπτωτο και ανακτήθηκε άθικτο και λειτουργικό. Η ομάδα ανέπτυξε επίσης ένα σύστημα τρισδιάστατης και εικονικής αναπαράστασης της πτήσης με βάση τα πραγματικά δεδομένα τηλεμετρίας.

Το έργο διακρίθηκε με το βραβείο “Most Professional Team”. Η συμμετοχή στον τελικό και η διάκριση παρουσιάζονται αναλυτικά σε ξεχωριστή ανάρτηση.

Τι είναι ένα CanSat

Ένα CanSat είναι ένα εκπαιδευτικό σύστημα που προσομοιώνει βασικές λειτουργίες μιας διαστημικής αποστολής μέσα σε μια κατασκευή με διαστάσεις περίπου όσο ένα κουτί αναψυκτικού.

Δεν πρόκειται για δορυφόρο που τίθεται σε τροχιά γύρω από τη Γη. Το CanSat μεταφέρεται με πύραυλο σε ύψος περίπου ενός χιλιομέτρου, απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα και κατεβαίνει με αλεξίπτωτο. Κατά την κάθοδό του συλλέγει και μεταδίδει δεδομένα, εκτελώντας μια βασική αποστολή που ορίζεται από τον διαγωνισμό και μια δευτερεύουσα αποστολή που σχεδιάζει κάθε ομάδα.

Για τους Coconut Robotics, η πρόκληση δεν ήταν μόνο να κατασκευάσει ένα CanSat που θα ολοκλήρωνε με ασφάλεια την πτήση του. Η ομάδα ήθελε επίσης να επιτρέψει στους θεατές να δουν την πραγματική πορεία και τον προσανατολισμό του μέσα από ένα διαδικτυακό τρισδιάστατο και VR περιβάλλον.

Η βασική αποστολή

Κατά την κάθοδό του, το CanSat έπρεπε να καταγράφει, να αποθηκεύει και να μεταδίδει στον επίγειο σταθμό βασικά δεδομένα τουλάχιστον μία φορά ανά δευτερόλεπτο.

Η βασική αποστολή περιλάμβανε:

• τη μέτρηση της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας,
• τη μέτρηση της βαρομετρικής πίεσης,
• την καταγραφή γεωγραφικών συντεταγμένων,
• την αποθήκευση των δεδομένων σε κάρτα SD,
• την ασύρματη μετάδοσή τους στον σταθμό βάσης,
• την ενεργοποίηση βομβητή μετά την προσγείωση, ώστε να διευκολυνθεί ο εντοπισμός και η ανάκτηση του CanSat.

Το υψόμετρο δεν μετριόταν απευθείας από τον αισθητήρα πίεσης. Υπολογιζόταν κατά προσέγγιση από τη βαρομετρική πίεση, με βάση μια τιμή αναφοράς.

Η επιστημονική αποστολή

Η δευτερεύουσα αποστολή του VRSAT ήταν η αναπαράσταση:

• της γεωγραφικής πορείας του CanSat,
• του υψομέτρου του,
• της κλίσης και του προσανατολισμού του,
• της κίνησης και των αναταράξεων κατά την κάθοδο,
• της στιγμής της προσγείωσης.

Η ομάδα χρησιμοποίησε μια μονάδα αδρανειακών μετρήσεων για την καταγραφή της επιτάχυνσης, της γωνιακής ταχύτητας και του προσανατολισμού στους τρεις άξονες. Τα δεδομένα αυτά, μαζί με τις συντεταγμένες GPS και την εκτίμηση του υψομέτρου, μπορούσαν να μεταφερθούν σε ένα ψηφιακό μοντέλο που αναπαριστούσε την πορεία και την περιστροφή του CanSat.

Ένας αισθητήρας δύναμης είχε τοποθετηθεί στο κάτω μέρος της κατασκευής, ώστε να καταγράψει την πίεση που θα δεχόταν κατά την επαφή με το έδαφος. Ο συγκεκριμένος αισθητήρας μπορούσε να δώσει ένδειξη για τη δύναμη επαφής κατά την προσγείωση· δεν μπορούσε από μόνος του να μετρήσει τη συνολική αεροδυναμική αντίσταση που ασκούνταν στο CanSat κατά την πτήση.

Ο σχεδιασμός του CanSat

Η μηχανολογική σχεδίαση πραγματοποιήθηκε στο Fusion 360.

Το εξωτερικό κέλυφος είχε κυλινδρική μορφή, με διαστάσεις που ακολουθούσαν τις προδιαγραφές του διαγωνισμού. Αποτελούνταν από δύο κατακόρυφα τμήματα, τα οποία ενώνονταν με βίδες και παξιμάδια.

Στο εσωτερικό σχεδιάστηκαν ειδικές θέσεις για:

• τις ηλεκτρονικές πλακέτες,
• τις μπαταρίες,
• την κεραία GPS,
• τον διακόπτη λειτουργίας,
• τα καλώδια και τα επιμέρους εξαρτήματα.

Δημιουργήθηκαν αρκετές δοκιμαστικές εκτυπώσεις. Για τις πρώτες εκδοχές χρησιμοποιήθηκε PLA, ενώ για την τελική κατασκευή επιλέχθηκε ABS, ώστε το περίβλημα να παρουσιάζει μεγαλύτερη μηχανική και θερμική αντοχή.

Οι ηλεκτρονικές πλακέτες

Για να χωρέσουν τα ηλεκτρονικά μέσα στον περιορισμένο χώρο, η ομάδα σχεδίασε στο EasyEDA τέσσερις κυκλικές πλακέτες PCB.

Τα βασικά εξαρτήματα του συστήματος περιλάμβαναν:

• Arduino Nano ως κεντρική μονάδα ελέγχου,
• BMP280 για πίεση και θερμοκρασία,
• μονάδα GPS για τις γεωγραφικές συντεταγμένες,
• MPU-9250 με επιταχυνσιόμετρο, γυροσκόπιο και μαγνητόμετρο,
• αισθητήρα δύναμης FSR,
• πομποδέκτη LoRa για την τηλεμετρία,
• αναγνώστη κάρτας SD,
• βομβητή για την ανάκτηση,
• μπαταρίες για την τροφοδοσία.

Οι πλακέτες σχεδιάστηκαν ώστε να τοποθετούνται σε διαδοχικά επίπεδα μέσα στο κέλυφος, αξιοποιώντας όσο το δυνατόν καλύτερα τον διαθέσιμο χώρο. Η κατασκευή των PCB υποστηρίχθηκε από την εταιρεία Link2Dot.

Τηλεμετρία και επίγειος σταθμός

Κατά την πτήση, το CanSat μετέδιδε πακέτα δεδομένων μέσω LoRa στον επίγειο σταθμό.

Ο σταθμός βάσης λάμβανε τις μετρήσεις και τις αποθήκευε για μεταγενέστερη επεξεργασία. Ο αρχικός σχεδιασμός προέβλεπε επίσης τη μεταφορά των δεδομένων σε διαδικτυακή βάση, ώστε να μπορούν να αξιοποιηθούν από τις εφαρμογές τρισδιάστατης αναπαράστασης.

Το σύστημα είχε σχεδιαστεί ώστε να υποστηρίζει δύο τρόπους λειτουργίας:

• ζωντανή αναπαράσταση, καθώς λαμβάνονταν νέα δεδομένα,
• αναπαραγωγή της καταγεγραμμένης πτήσης, μετά την επιστροφή και την επεξεργασία των δεδομένων.

Η δεύτερη δυνατότητα ήταν ιδιαίτερα σημαντική, καθώς επέτρεπε στην ομάδα να επαναλάβει την πτήση, να εξετάσει συγκεκριμένα σημεία της διαδρομής και να χρησιμοποιήσει την εφαρμογή για παρουσιάσεις και εκπαιδευτικές δραστηριότητες.

Η εφαρμογή εικονικής πραγματικότητας

Το VR μέρος του συστήματος δημιουργήθηκε με HTML, JavaScript και A-Frame.

Ο χρήστης μπορούσε να παρακολουθεί την πτώση μέσα από ένα διαδικτυακό τρισδιάστατο περιβάλλον, στο οποίο ένα ψηφιακό μοντέλο του CanSat άλλαζε θέση, ύψος και προσανατολισμό σύμφωνα με τα δεδομένα της πραγματικής πτήσης.

Η επιλογή μιας εφαρμογής βασισμένης σε τεχνολογίες ιστού επέτρεπε την πρόσβαση μέσω browser από υπολογιστές και φορητές συσκευές και, όπου υπήρχε κατάλληλη υποστήριξη, από εξοπλισμό εικονικής πραγματικότητας.

Η ομάδα δεν μετέδιδε βίντεο 360° από το CanSat. Αντίθετα, ανακατασκεύαζε ψηφιακά την κίνηση, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα θέσης και προσανατολισμού που είχαν καταγραφεί από τους αισθητήρες. Αυτή η επιλογή περιόριζε σημαντικά τον όγκο των δεδομένων που έπρεπε να μεταδοθούν.

Η αναλυτική τρισδιάστατη διαδρομή

Παράλληλα με το VR περιβάλλον, αναπτύχθηκε δεύτερη εφαρμογή με τη βιβλιοθήκη CesiumJS.

Η εφαρμογή παρουσίαζε την πορεία πάνω σε τρισδιάστατο γεωγραφικό περιβάλλον και επέτρεπε πιο αναλυτική εξέταση της θέσης και του υψομέτρου του CanSat.

Τα δύο συστήματα είχαν διαφορετικό αλλά συμπληρωματικό ρόλο:

• το περιβάλλον A-Frame έδινε περισσότερο την εμπειρία της πτήσης σε πρώτο πρόσωπο,
• η εφαρμογή Cesium παρουσίαζε αναλυτικότερα τη γεωγραφική διαδρομή.

Η αρχιτεκτονική δεν ήταν συνδεδεμένη αποκλειστικά με το CanSat της Coconut Robotics. Μπορούσε να δεχθεί δεδομένα και από άλλη ομάδα, εφόσον αυτά περιλάμβαναν τις απαραίτητες πληροφορίες θέσης, υψομέτρου και προσανατολισμού.

Σχεδιασμός και δοκιμή του αλεξίπτωτου

Για την ασφαλή κάθοδο κατασκευάστηκε σταυροειδές αλεξίπτωτο από ελαφρύ ripstop nylon.

Η ομάδα υπολόγισε τις διαστάσεις του με βάση τη μάζα του CanSat, την επιθυμητή ταχύτητα καθόδου, την πυκνότητα του αέρα και έναν εκτιμώμενο συντελεστή οπισθέλκουσας.

Οι θεωρητικοί υπολογισμοί χρησιμοποιήθηκαν ως αφετηρία για την κατασκευή και τις δοκιμές. Η πραγματική ταχύτητα καθόδου μπορούσε να επηρεαστεί από παράγοντες όπως:

• η πραγματική μάζα της τελικής κατασκευής,
• η πλήρης ανάπτυξη του αλεξίπτωτου,
• ο άνεμος,
• η πυκνότητα του αέρα,
• η ταλάντωση και η περιστροφή του CanSat.

Η τελική πτήση επιβεβαίωσε ότι το αλεξίπτωτο άνοιξε και επέτρεψε την ασφαλή προσγείωση της κατασκευής.

Η εκτόξευση και η πτήση

Η τελική φάση του CanSat in Greece 2023 πραγματοποιήθηκε από τις 20 έως τις 23 Απριλίου 2023.

Μετά τις τελικές ρυθμίσεις και τον τεχνικό έλεγχο στο Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, η εκτόξευση πραγματοποιήθηκε στις 21 Απριλίου στο αεροδρόμιο Κάστρου Κωπαΐδας.

Το VRSAT:

• απελευθερώθηκε κανονικά από τον πύραυλο,
• συνδέθηκε με τον επίγειο σταθμό,
• μετέδωσε τα δεδομένα του,
• ανέπτυξε το αλεξίπτωτό του,
• προσγειώθηκε χωρίς σοβαρό πρόβλημα,
• εντοπίστηκε από την ομάδα ανάκτησης άθικτο και λειτουργικό.

Την επόμενη ημέρα, η ομάδα επεξεργάστηκε τα δεδομένα της πτήσης και δοκίμασε το σύστημα αναπαράστασης. Παράλληλα, συνεργάστηκε με την ομάδα V-SPACE, η οποία παραχώρησε τα δικά της δεδομένα, ώστε να αναπαρασταθεί και η δική της πτήση στο περιβάλλον VR. Η δοκιμή αυτή έδειξε ότι η εφαρμογή μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και με δεδομένα διαφορετικού CanSat.

Διάκριση στον διαγωνισμό

Από τις 20 ομάδες που είχαν αρχικά περάσει την πρώτη φάση, επτά ολοκλήρωσαν την απαιτητική διαδικασία και συμμετείχαν στην τελική φάση.

Η Coconut Robotics παρουσίασε το CanSat, τα δεδομένα της πτήσης και το σύστημα τρισδιάστατης και εικονικής αναπαράστασης στην κριτική επιτροπή και διακρίθηκε με το βραβείο:

Most Professional Team

Η αναλυτική εμπειρία από τον τεχνικό έλεγχο, την εκτόξευση, την ανάκτηση, την επεξεργασία των δεδομένων και την τελική βράβευση παρουσιάζεται σε ξεχωριστή ανάρτηση στην κατηγορία «Διακρίσεις».

Διαβάστε εδώ το άρθρο για τη συμμετοχή και τη διάκριση στον CanSat in Greece 2023

Τι έμαθε η ομάδα

Το VRSAT ήταν ένα από τα πιο σύνθετα έργα της Coconut Robotics, καθώς απαίτησε τον συνδυασμό πολλών διαφορετικών πεδίων:

• ηλεκτρονική και σχεδιασμό PCB,
• προγραμματισμό μικροελεγκτών,
• ασύρματη μετάδοση δεδομένων,
• αισθητήρες και τηλεμετρία,
• τρισδιάστατο μηχανολογικό σχεδιασμό,
• τρισδιάστατη εκτύπωση,
• κατασκευή και δοκιμή αλεξίπτωτου,
• ανάπτυξη εφαρμογών ιστού,
• τρισδιάστατη γεωγραφική απεικόνιση,
• εικονική πραγματικότητα,
• επεξεργασία και παρουσίαση δεδομένων,
• οργάνωση μιας πολύμηνης τεχνικής αποστολής.

Η ομάδα δεν κατασκεύασε απλώς μια συσκευή που έπρεπε να επιβιώσει από την πτήση. Ανέπτυξε μια πλήρη αλυσίδα: από τη συλλογή των μετρήσεων μέσα στο CanSat έως τη μετάδοση, την αποθήκευση, την επεξεργασία και την οπτική αναπαράστασή τους.

Κατάσταση των ψηφιακών εφαρμογών

Οι εφαρμογές VRSAT σήμερα

Οι εφαρμογές A-Frame και CesiumJS που δημιουργήθηκαν για την αναπαράσταση των πτήσεων φιλοξενούνταν στην πλατφόρμα Glitch.

Η Glitch τερμάτισε τη φιλοξενία εφαρμογών στις 8 Ιουλίου 2025 και οι παλαιοί σύνδεσμοι δεν λειτουργούν πλέον. Καθώς δεν είχε διατηρηθεί ανεξάρτητο αντίγραφο των συγκεκριμένων έργων, οι ζωντανές εφαρμογές και ο πηγαίος κώδικάς τους δεν είναι σήμερα διαθέσιμα.

Η παρούσα ανάρτηση, οι φωτογραφίες, οι περιγραφές και το υπόλοιπο υλικό της ομάδας διατηρούνται ως τεκμηρίωση των εφαρμογών που αναπτύχθηκαν και παρουσιάστηκαν στον διαγωνισμό.

Ευχαριστίες

Η πραγματοποίηση του έργου υποστηρίχθηκε από το Πειραματικό Δημοτικό Σχολείο Φλώρινας, τον Πόλο Εκπαιδευτικής Καινοτομίας Φλώρινας, την εταιρεία Link2Dot και τον Chris Siakos, ο οποίος κάλυψε σημαντικό μέρος του εξοπλισμού και των εξόδων της συμμετοχής στην Αθήνα.

Δείτε περισσότερες πληροφορίες για το έργο στην ιστοσελίδα της ομάδας