Kann man Arduino wirklich für ein kleines Raumschiff verwenden?

Können Sie ein Raumschiff haben, das auf einem Arduino basiert? Sicher kannst du! ArduSat waren zwei Kickstarter-finanzierte CubeSats, die schließlich im November 2013 von der Internationalen Raumstation gestartet wurden. Wenn man darüber nachdenkt, übertrifft ein Arduino beispielsweise den über vierzig Jahre alten Apollo Guidance Computer mit Leichtigkeit

Alle Ihre Anforderungen sollten machbar sein, wenn es sich nur um eine Vorbeiflugmission handelt.

Bilder der Apollo-Landeplätze werden übrigens auch schon gemacht, etwa von der Clementine-Sonde .

Sie können, aber es wird unter einer Reihe von Problemen leiden. Diese Probleme können wahrscheinlich mit einem kurzfristigen Einsatz überwunden werden. Zu den Problemen gehören:

1. Strahlung- Verschlechterung der Langzeitwirkung der Elektronik.
2. Einzelereignis-Störungen – Dies ist wahrscheinlich die größte Gefahr, ein hochenergetischer kosmischer Strahleinschlag könnte einen leichten Umschwung verursachen und möglicherweise den laufenden Code auf unternehmenskritische Weise ändern.
3. Temperatur – Wenn die Temperatur nicht sorgfältig kontrolliert wird, kann es zu erheblichen Schäden kommen.
4. Vakuum - Wahrscheinlich kein großes Problem, könnte aber zu Ausgasungen führen, die langfristige Auswirkungen haben könnten.
5. Vibration – Teile können während des Starts vibriert werden.

Diese können wahrscheinlich meistens durch Hinzufügen eines zusätzlichen Schutzes für das Raumfahrzeug überwunden werden. Aber es gibt nichts Besonderes, was verhindern würde, dass ein Arduino zur Steuerung eines Raumfahrzeugs verwendet wird, insbesondere bei einer sehr kurzfristigen Mission. Es wurde in LEO demonstriert, aber die Strahlungseffekte werden bei einer Mission zum Mond schwerwiegender sein. Unterm Strich wäre es machbar, aber ich würde es nicht empfehlen.

Ich stimme Hohmannfans Antwort zu. Diese Antwort befasst sich mit dem umfassenderen Problem von Computern in Satelliten.

Wer braucht einen Computer? Ich glaube nicht, dass die Mission, die Sie in der Frage beschrieben haben, irgendetwas enthält, das tatsächlich einen "digitalen Computer" erfordert. Es mag den Anschein haben, als ob Bildverarbeitung und Navigation in Bezug auf Computer sehr anspruchsvoll sind, aber das liegt hauptsächlich daran, dass wir an die Vorstellung einer Welt gewöhnt sind, die durch High-Level-Software ermöglicht wird.

Ich denke, es ist ein guter Ausgangspunkt in Bezug auf die Systems-Engineering-Ausbildung, die beteiligten Prozesse tatsächlich zu durchlaufen und sich zu fragen, " was ist die grundlegendste Implementierung, die möglich ist? ", insbesondere im Hinblick auf " welche Entscheidungen müssen unbedingt an Bord genommen werden, sondern als per Bodenkommando? ". Designer von Missionen in den 60er bis 80er Jahren kamen oft auf die Seite "kein Computer erforderlich". Erst seit das Gewicht, die Leistung und die Kosten solcher Dinge gesunken sind, nehmen wir es als selbstverständlich hin.

Digital Alle logischen Entscheidungen, die auf einem Satelliten getroffen werden müssen, könnten im Prinzip durch diskrete Logikgatter getroffen werden. Es ist eine technische Beurteilung, wann die so geschaffene "digitale endliche Zustandsmaschine" so kompliziert geworden ist, dass sie besser durch eine CPU / Adressbus / Datenbus-Architektur ersetzt werden sollte.

Abgesehen davon ist es nicht offensichtlich, dass es eine klare Trennlinie zwischen diskreter Elektronik und einem "Computer" im modernen Sinne gibt. Dieser Artikel zu Pioneer 10 weist auf die Möglichkeiten dazwischen hin.

Ein Großteil der Berechnungen für die Mission wurde auf der Erde durchgeführt und an die Sonde übertragen, wo sie bis zu fünf Befehle der 222 möglichen Einträge von Bodenkontrollern im Speicher behalten konnte. Das Raumfahrzeug umfasste zwei Befehlsdecoder und eine Befehlsverteilungseinheit, eine sehr begrenzte Form von Prozessor, um Operationen auf dem Raumfahrzeug zu steuern.

Analog Darüber hinaus werden Entscheidungen über progressive Größen - Sensorausgänge und Regelkreise zunächst regelungstechnisch analysiert. Wie sie implementiert werden, ist wiederum eine Designentscheidung, und die alte Welt war voll von analogen Computerelementen.

Umweltverträglichkeit Es gibt die Startumgebung und dann die natürliche Strahlung im Orbit. Letzteres umfasst ESD-Schäden (siehe hier ) sowie Strahlendosis- und Verschiebungsschäden. Eine interessante Anekdote ist, dass Computer mit zunehmend höherer Leistung, die physisch kleinere Gates und Umschaltzeiten verwenden, anfälliger für diese Effekte sind als ihre älteren Cousins. Wenn es um ESD geht, hilft die Abschirmung nicht, wenn sich periphere Teile der Schaltung auf der Haut des Raumfahrzeugs befinden. Die Designer müssen vorsichtig damit umgehen.

Übrigens danke @uhoh für den Link , das war interessant.

Es sollte möglich sein. Die ESA hat die Rad-Härte einiger Cousin-Prozessoren mit denen des Arduino getestet und sie haben sich als ziemlich gut erwiesen, zumindest für eine relativ kurze Mission. Einige aktuelle Dinge verwenden tatsächlich alte Chips mit 8051-Architektur.

Es wäre genug Rechenleistung für die Navigation vorhanden, vielleicht sogar genug, um aufgezeichnete gefälschte Bilder zu streamen.

Bearbeiten: Eine Powerpoint-Zusammenfassung der ESA-Ergebnisse finden Sie hier .

Schwerionenergebnis für ATMega128

Der ATMega128-AU16 hat ein akzeptables Verhalten für eine ISS-LEO-Umgebung.

SEL einmal in 481 Jahren

SEU einmal in 690 Jahren

Der AT90CAN128-AU16 ist für Weltraumanwendungen nicht akzeptabel.

Der Chip, der in vielen Arduinos verwendet wird, ist der ATMega328, der ein Cousin des ATMega128 ist.

Andere haben die Hardwareschwierigkeiten behandelt, aber ich möchte die Softwareschwierigkeiten erwähnen. Bei Prozessoren der Arduino-Klasse ist es schwierig, genügend Spielraum (CPU und Speicher) zu bekommen. Raumschiffe, an denen ich gearbeitet habe, haben eine Marge zwischen 50 % und 90 % benötigt, was bedeutet, dass Sie nur zwischen 50 % und 10 % des Prozessors nutzen können. Der Spielraum ist für Dinge wie Planbarkeit und Speicherbereinigung. Der andere Faktor ist, dass es einfach schwieriger (und daher teurer) ist, zuverlässige Software mit weniger Ressourcen zu schreiben. Es gibt eine feine Linie zwischen zu einfach (kann nicht alle Überprüfungen durchführen, die Sie wirklich tun sollten) und zu komplex (unmöglich zu testen), und das Arduino bevorzugt wahrscheinlich mehr von ersterem.

Sie brauchen nicht so viel Rechenleistung oder RAM, um den Weltraum zu erkunden. Der Arduino ist weitaus leistungsfähiger als die Prozessoren, die in der Vergangenheit in Raumfahrzeugen verwendet wurden. Das grundlegende Arduino hat 16 MHz und 256 KB Flash-Speicher. Sie können RAM oder Flash in erheblichen Mengen hinzufügen. Die im Apollo-Weltraumprogramm eingesetzten Computer kommen dem nicht nahe.

Galileos Prozessoren haben 8 MHz, während Spirit und Opportunity 20 MHz Prozessoren sind. Der Code auf diesen Sonden wurde hochoptimiert und speziell für den jeweiligen Zweck entwickelt, wodurch die verfügbaren Rechenressourcen sehr effizient genutzt werden.

Es ist durchaus machbar.

Aus rechnerischer Sicht ist es machbar, alle Algorithmen darin zu packen. Wie Sie zeigen, gibt es jedoch Probleme mit der Strahlungsabschirmung, aber integrierte Schaltkreise werden auch von der Temperatur beeinflusst, sodass auch eine ordnungsgemäße Wärmeisolierung berücksichtigt werden muss, da diese nicht definitiv für den Betrieb in "rauen" Umgebungen eingestuft sind.

Ich finde dieses Projekt extrem schwierig. Um detaillierte, qualitativ hochwertige Bilder von Apollo-Landeplätzen zu erhalten, benötigen Sie eine sehr niedrige Umlaufbahn um den Mond. Für ein detailreiches Bild muss der Abstand zwischen Raumfahrzeug und Landeplatz klein genug sein. Aber diese sehr niedrigen Mondumlaufbahnen sind aufgrund von Masken des Mondes nicht stabil. Um einen Absturz zu vermeiden, bräuchte das kleine Raumschiff ein ausgeklügeltes Antriebssystem und viel Treibstoff für die Bahnsteuerung. Die Navigation muss äußerst präzise sein, um eine Umlaufbahn über einen Landeplatz zu bekommen. Für die Navigation steht kein Mond-GPS zur Verfügung. Das Auffinden der Landeplätze erfordert eine komplexe und sehr schnelle Bildverarbeitung, um die Überreste einer Landung in einer Reihe von Bildern zu erkennen. Ich bezweifle, dass ein Arduino genug Rechenleistung hat, um diese Bildverarbeitung in Echtzeit durchzuführen.

Meine Meinung: Sie könnten ein Arduino-Board verwenden, aber Sie müssten es so umbauen, dass es nicht RoHS-konform ist, dh Lötmittel aus einer Blei-Zinn-Legierung verwenden, konforme Beschichtungen verwenden und es vergießen. So wie es aussieht, ist die Raumfahrtelektronik ohnehin von der RoHS-Konformität ausgenommen.

Die Arduino-Platinen, die Sie von der Stange kaufen, sind RoHS-konform und verwenden bleifreie Lote, deren einziges Hauptstrukturmetall Zinn ist, das mit einer geringen Menge Silber legiert ist. Ein Problem dabei in einer Weltraumumgebung ist die hohe Anfälligkeit für das Wachstum von Zinnwhiskern von den Lötstellen, die Kurzschlüsse verursachen können, indem sie benachbarte Bahnen überbrücken. Zinn-Whisker wurden hier schon einmal als Frage gestellt. Der Bleigehalt verlangsamt das Wachstum der Barthaare und hemmt die Zinnpest.

Leider sind das Wachstum und die Ursachen dieser Schnurrhaare nicht gut verstanden, und die Missionsdauer spielt keine Rolle - sie können jederzeit auftreten.

So könnte Ihr COTS Arduino jederzeit auf die Fritz gehen.

Das ist etwas, was ich auch untersucht habe. Hier ist meine Idee:

Verwenden Sie ATMEGA328 (oder ATMEGA16A, falls robust genug) mit dreifacher Redundanz und verwenden Sie nur Durchgangslochkomponenten auf dem Protoboard. Wie an anderer Stelle hier erwähnt, verwenden Sie bleihaltiges Lötzinn. Die Abstimmungsschaltung für jeden digitalen Ausgang kann mit 4 Logikgattern aufgebaut werden. Ein Fehlerzähler und eine Watchdog-Schaltung zum Zurücksetzen einer fehlerhaft funktionierenden CPU können ebenfalls aus diskreten Logikchips aufgebaut werden. 4000er Serie sind das, was ich mir gerade anschaue. Fügen Sie Optoisolatoren hinzu, wo sie sinnvoll sind. Kupferband auf der Ober- und Unterseite jedes Chips könnte ein wenig helfen.

Wenn Sie fertig sind, beschichten Sie die gesamte Platine konform. Fügen Sie den empfindlichsten Komponenten eine dünne HF-Abschirmung aus Stahl hinzu. Verwenden Sie Epoxidharz unter der Abschirmung. Es gibt einige neue Forschungsergebnisse (sorry, ich habe keinen Link), die darauf hindeuten, dass Rost helfen könnte, bestimmte unerwünschte Partikel abzulenken. Wenn diese innere Abschirmung also rostig ist, könnte das helfen. Die Abschirmung sollte mit einer Art Schutz gegen plötzliche Spannungsspitzen an gemeinsame Masse angeschlossen werden.

Legen Sie das Ganze in eine gefräste/gegossene Aluminium-Projektbox mit mindestens ⅛" dicken Wänden. Verbindungen nach außen sollten GX-Luftfahrtverbinder verwenden. Verhindern Sie, dass sich Stahl und Aluminium berühren, indem Sie Kupfer oder Messing verwenden. Wie genau, hängt davon ab, wie Sie es hergestellt haben das Loch und wie viel Platz um ihn herum ist. Füllen Sie die gesamte Box mit Vergussmaterial. Schleifen Sie die Passflächen der Box und des Deckels für einen guten Kontakt ab, schrauben Sie sie fest und versiegeln Sie die Naht mit leitfähigem Klebeband.

Es mag etwas schwerer sein, als Sie möchten, aber all diese Methoden zusammen geben ihm eine Kampfchance zu überleben.

Bearbeiten:

• Wenn etwas wirklich geschäftskritisch ist, verwenden Sie mechanische Relais anstelle von MOSFETs.
• Vermeiden Sie Elektrolytkondensatoren wie die Pest. Vermeiden Sie auch Kondensatoren aus Polyester- und Nylonfolie. Monolithische Keramikkondensatoren sind „gut genug“, aber versuchen Sie im Allgemeinen, so wenig Kondensatoren wie möglich zu verwenden.