Project: Versnellingsmeter voor waterraket

Omdat helemaal géén posts ook maar zo leeg staat, heb ik alvast dit stuk geschreven. Begin 2015 heb ik samen met een vriend voor ons profielwerkstuk (VWO) onderzoek gedaan naar de vlucht van een waterraket. We hadden nauwkeurige gegevens van de versnelling van de raket nodig om een best wel nauwkeurige vluchtsimulator te kunnen modelleren, dus heb ik hiervoor een stukje elektronica in elkaar gezet.

De zogenaamde ‘logger’ moet aan de volgende eisen voldoen:

  • Minimaal 200 metingen per seconde verrichten;
  • Hoge versnellingen (+/- 16 g) kunnen meten;
  • Lichtgewicht en stevig zijn om een vlucht te kunnen overleven.

Hiervoor heb ik de volgende stukjes elektronica gebruikt:

  • Arduino Due;
  • Analog Devices ADXL345 accelerometer;
  • Adafruit Data Logging Shield;
  • 4GB SD-kaart;
  • LiPo-accu voor de energievoorziening.

Ik heb gekozen voor de Arduino Due omdat deze een snelle processor heeft die dus ook veel gegevens kan verwerken. Voor de opslag van gegevens heb ik gekozen voor een Adafruit Data Logging Shield in combinatie met een normale SD-kaart. De versnelling zelf wordt gemeten met een ADXL345-versnellingsmeter van Analog Devices die een maximale versnelling van 16 g kan meten.

Ten eerste moest de Due compitabel worden gemaakt met het Data Logging Shield, dit is standaard namelijk niet het geval. Hiervoor hoeven echter maar drie extra verbindingen voor worden gemaakt, die ik met normale ‘jumper wires’ heb gemaakt. Ook heb ik twee rijen headers op het Data Logging Shield gesoldeerd die horizontaal met elkaar verbonden zijn om gemakkelijk draadjes te kunnen plaatsen. Dit wordt later duidelijk.

Due met Data Logging Shield

Hier zijn de volgende verbindingen met draadjes gemaakt:

  • Pin 11 naar ICSP pin 4
  • Pin 12 naar ICSP pin 1
  • Pin 13 naar ICSP pin 3

Vervolgens kon de sensor zelf worden geplaatst en konden de verbindingen daarvoor worden gemaakt. Het eindresultaat van de hardware ziet er als volgt uit:

versnellingsmeter_2

versnellingsmeter_1

Twee draadjes zijn voor +5V en GND, de andere twee zijn voor communicatie die via I2C (TWI) verloopt.

Als laatste moest nog de software voor het hele systeem worden geschreven. Deze is hier te downloaden. Er zijn opmerkingen toegevoegd om de code begrijpelijker te maken. Zodra het systeem opgestart wordt gaat de sensor gegevens verzamelen en wegschrijven naar de SD-kaart. Later kan het gegenereerde CSV-bestand naar een computer worden gekopieerd om visualisaties van gegevens te maken.

Na een vlucht met deze logger uitgevoerd te hebben zijn de gegevens dus geanalyseerd en gevisualiseerd. De raket had een inhoud van 1,5 L, werd gevuld met 500mL water en werd gelanceerd op een druk van 8 bar. De volledige acceleratiegrafiek ziet er zo uit:

Acceleratiegrafiek (volledig)

De sensor stopte met de verzameling van gegevens toen de raket neerkwam. Hieruit kan worden afgeleid dat de vlucht grofweg zo’n 6,6 seconden duurde. Daarnaast kunnen we zien dat de voortstuwing slechts zo’n 0,25 seconden duurt en de maximale versnelling (exclusief pieken) op ongeveer 110 m/s^2 ligt!

Als we specifiek de acceleratie in de voortstuwingsfase bekijken zien de gegevens er zo uit:

Acceleratiegrafiek ingezoomd

Conclusie: door een vlucht met dit stukje elektronica aan boord uit te voeren hebben we veel handige gegevens verzameld. Deze gegevens zijn bijvoorbeeld erg handig om te vergelijken met de versnellingsgegevens die een vluchtsimulator berekent, om zo te controleren of de simulatie betrouwbaar is.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.