KANZAT

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GERARDO ANTONIO LIRA IBARRA*, LUIS ÁNGEL ÁVALOS DE LA CRUZ*, JOSÉ GUADALUPE NAVA ZAVALA*, DARÍO MANUEL ZÚÑIGA ROSALES* Y JOSÉ SANTOS TIENDA BAZALDÚA*

CIENCIA UANL / AÑO 19, No. 81, SEPTIEMBRE-OCTUBRE 2016

RESUMEN

Con la innovación en la tecnología enfocada en el estudio del espacio, surgieron los satélites artificiales clasificados en categorías. En una de ellas, en los llamados picosatélites, se encuentran unos dispositivos, de índole educativa, llamados cansat. Éstos buscan atraer a las personas con gusto por la ciencia y la tecnología, y darles una introducción de lo que implica una misión espacial en un satélite real. Integran diferentes elementos electrónicos, lenguajes de programación, sistemas de comunicaciones y estudios en la aerodinámica de los cuerpos que posibilitan su función educativa.

Palabras clave: satélites artificiales, picosatélites, cansat, misión espacial.

ABSTRACT

With innovation in technologies focused on the study of space, artificial satellites have come about that are classified into different categories. One of them is the Picosatellite which includes devices that are educational in nature called CanSat, seeking to attract people with interest in science and technology. It gives them an introduction to what a space mission in a real satellite is like, integrating different electronics, programming languages, communication systems and studies in the aerodynamics of the bodies that help perform an educational satellite.

Keywords: artificial satellites, picosatellite, CanSat, space mission.

En la actualidad, cuando hablamos de sistemas aeroespaciales es muy común pasar por alto los satélites, los cuales tienen una gran participación en el desarrollo tecnológico de las agencias espaciales, en industrias enfocadas a temas del espacio e incluso en instituciones educativas; los satélites pueden ser usados para un amplio número de propósitos, como la comunicación, monitoreo del clima, observación e investigación (Walker et al., 2010).

Los satélites cuentan con una clasificación, según su masa, la cual está relacionada directamente con los costos de lanzamiento y la órbita de operación. La categoría de menor masa es la de los picosatélites; es dentro de esta clasificación que fabricaremos un cansat.

¿QUÉ ES UN CANSAT?

El cansat es un dispositivo que consiste en simular el funcionamiento de un satélite artificial (Sánchez et al., 2016), los también llamados picosat tienen un tiempo de elaboración menor y su costo de fabricación es relativamente económico, a diferencia de sus homólogos de mayor tamaño, que requieren, además, de un personal altamente calificado para construirlos. Los cansat pueden ser elaborados con componentes electrónicos comerciales y necesitan una programación sencilla que puede realizarse desde una computadora personal (Carrasco y Vázquez, 2014). Éstos no son puestos en órbita, ya que pueden ser elevados y dejados caer desde diferentes alturas por diversos medios como cohetes, globos o multirrotores.

Igual que un satélite artificial, éstos cansats realizan una misión, que deben cumplir con ciertos requisitos: ser autónomos y transmitir información por telemetría hacia una estación terrena durante el descenso –que puede ser por medio de paracaídas o desplegables– (Nylund y Antonsen, 2015). Los datos que toma del medio, mientras cae, son recolectados por sensores y procesados a través de una pequeña computadora. El programa encargado de interpretar dichos datos, los envía a través de una señal de radio, que será recibida y decodificada por un elemento receptor en tierra, para finalmente darles una utilidad y cumplir con lo encomendado. Todo lo anterior debe estar confinado en una lata de refresco que no supere los 500 mL.

En recientes años, se han comenzado a realizar competencias en las que no sólo involucran lo antes ya mencionado, sino también se enfocan a realizar tareas específicas innovando en la forma de realizarlas, lo que pone a prueba la creatividad de los estudiantes para resolver un problema y sus habilidades en diferentes áreas.

Cabe aclarar que los satélites cansat no son un juguete, son herramientas tecnológicas que, si bien tienen fines educativos, no son fáciles de elaborar; requieren de mucho trabajo multidisciplinario, en el que se involucran áreas como electró- nica, programación, diseño aeronáutico y modelado matemá- tico, entre otras. Por esta razón, en la fabricación de un cansat se necesitan personas con diferentes disciplinas y la intervención de un asesor previamente capacitado en la confección de estos dispositivos.

MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

El cansat es el primer peldaño para alguien que quiere incursionar en la investigación y desarrollo satelital. Los miembros de este equipo participaron en el concurso en 2015, por lo que con la experiencia adquirida pretenden mejorar los resultados, corregir los errores, así como implementar nuevos componentes, con el fin de obtener un lugar en las posiciones finales entre las universidades participantes.

OBJETIVO DE LA MISIÓN

La misión principal de nuestro proyecto, al cual denominamos Kanzat, será de telemetría. Las variables medidas por los módulos encargados de tomar lectura serán procesadas por medio de un microcontrolador y enviadas a la estación terrena mediante antenas; en esta etapa, se desarrolló un código en lenguaje gráfico. Con ello se pretende un mejor seguimiento de la misión, así como ahorrar tiempo en la elaboración de gráficas y tablas que ayuden a la interpretación de la información recibida.

REQUERIMIENTOS DE LA MISIÓN

En la tabla I se describen los requerimientos generales de la misión Kanzat.

 

GESTIÓN DEL PROYECTO

La gestión del proyecto Kanzat se muestra distribuida conforme al organigrama de la fi gura 1.

Figura 1. Organigrama para la gestión del proyecto.

DESCRIPCIÓN FÍSICA Y ARQUITECTURA DEL PROYECTO

El proyecto Kanzat se compone de cuatro subsistemas y una cámara fotográfi ca en color, como se describe en la tabla II, todas las cantidades están expresadas en pesos mexicanos:

En las figuras 2 y 3 se muestran los subsistemas y el módulo de comunicación Xbee, antes de la integración. En la fi gura 4 se muestra el sistema integrado, listo para introducirlo en una lata.

Figura 2. Subsistemas del Kanzat con GSM,
ADXL1335 GY-61, GPS, DHT22 y BMP180.

 

Figura 3. Componentes electrónicos que constituyen el Kanzat: arduino micro,
arduino promini con regulador y elevador de voltaje, cámara TTL Linkspire y
tarjeta XBee con lector para tarjeta SD.

Figura 4. Integración
del sistema Kanzat.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En etapa de pruebas se realizó una serie de cálculos que demuestran el funcionamiento del paracaídas, el cual fue lanzado desde una altura aproximada de 9 m en el interior de un edificio, como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Prueba de despliegue del paracaídas.

La ecuación del movimiento en el instante en que se abre el paracaídas se puede expresar de la siguiente manera.

Donde k es la constante de proporcionalidad según la forma del paracaídas; g es la gravedad terrestre (9.81 m/s2 ); v es la velocidad de descenso y m la masa total del sistema.

Para resolver la ecuación 1 integramos para obtener la velocidad (v) en cualquier momento (t). Las condiciones iniciales son v0 la velocidad de la partícula en el instante t0 cuando se abre el paracaídas.

Para resolver la integral se hace cambio v = zv1 . Ahora deshacemos el cambio y se despeja (v) en función del tiempo (t = t0 ) para obtener (2).

Podemos obtener la expresión de la posición de la partícula en función de la velocidad haciendo cambio de variable.

La ecuación del movimiento se transforma en:

que se puede integrar de forma inmediata.

La altitud a la cual se dejó caer en función de su velocidad de descenso v es:

Despejando v en la expresión anterior, obtenemos que la velocidad en la función de la posición x de la partícula sea:

Con la velocidad de la partícula se tiene un estimado del tiempo de vuelo, posible trayectoria a expensas de los cambios atmosféricos, así como de la fuerza con la que el cansat golpea contra el suelo.

Para nuestro Kanzat de masa 0.15 kg el paracaídas se abrió a los 0.55 segundos de dejarse caer, 3.3 segundos después tocó el suelo quedando en posición vertical desde una altura aproximada de 9 m. Hay que hacer la aclaración de que esta prueba se realizó en un cuarto cerrado, por lo que la velocidad de descenso cambió.

La prueba de integración de los sensores principales tuvimos que realizarla a nivel de suelo en un cuarto cerrado con calefacción, obteniendo con esto una serie de resultados muy satisfactorios, los cuales se muestran en la figura 6.

Figura 6. Resultados obtenidos de temperatura, humedad, presión y aceleración.

CONCLUSIONES

Hemos descrito la construcción y pruebas de funcionamiento de nuestro dispositivo Kanzat. En la realización de este proyecto nos encontramos con muchos problemas, los cuales, con paciencia y perseverancia, conseguimos resolver; la realización de un trabajo como éste es muy satisfactoria cuando personas de diferentes disciplinas colaboran en equipo.

De igual manera aprendimos cómo implementar sistemas de ingeniería en la realización de una tarea aeroespacial.

AGRADECIMIENTOS

Gracias a la ayuda provista por nuestros asesores, Bárbara Bermúdez Reyes y Ángel Colín, que creyeron en nosotros para realizar semejante tarea.

Agradecimientos especiales a nuestros familiares y amigos que nos acompañaron en momentos de arduo trabajo y supieron apoyarnos cuando más lo ocupábamos.

* Universidad Autónoma de Nuevo León.

Contacto: angel.colin@fcfm.uanl.mx

REFERENCIAS

Carrasco D., R., y Vázquez H., S. (2014). Nanosatélite basado en microcontroladores pic: cansat, 3er. Congreso Virtual, Microcontoladores y sus Aplicaciones, Cuba.

Nylund, A., y Antonsen, J. (2015). CanSat general introduction and educational advantages. Consultado el 15 de Agosto de 2016 en: https://www.narom.no/

Sánchez C., E., et al. (2016). Picosatélites educativos cansat: Primer Concurso Nacional en México. Celerinet, Año 4, Vol. VII, 20-28.

Twiggs, R., (1998). University Space System Symposium (USSS), Hawaii, USA.

Walker, R., et al. (2010). ESA Hands-on Space Education Project Activities for University Students: Attracting and Training the Next Generation of Space Engineers, IEEE EDUCON. Education Engineering. 1699-1708.