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Author Topic: Brauche Hilfe - Arduino mit Geschwindigkeitsmessung für Rakete  (Read 1671 times)
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Hallo liebe Community,

ich würde gerne an einer Wasserrakete ein Arduino montieren, um damit die Geschwindigkeit zu messen. Ich dachte mir, dass sich das vielleicht mit einem Accelerometer/Beschleunigungssensor ausrechnen ließe. Es wäre gut, wenn ich die Daten in ein Diagramm mit einer Zeitachse bekommen könnte. Optional wäre, wenn ich in das gleiche Diagramm noch die Höhe bekommen könnte. Welcher Arduino und Acceleroter wäre denn dafür geeignet (und Höhenmesser, wenn möglich)? Wie speichere ich am besten die Daten und wie kann ich sie später auslesen?
Ich würde mich sehr über eure Hilfe freuen. smiley-grin

Mit freundlichen Grüßen
Carl Söhne
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Ein Besschleunigungsmesser mißt nur die Beschleunigung, nicht die Geschwindigkeit. Du kannst aus der Zeit und der Beschleunigung die Geschwindigkeit berechnen (v=integral a*t) Aus der Geschwindigkeit und der Zeit die Strecke.
Die Berechnung ist eher ungenau da sich Fehler summieren. Für die Höhenmesung kannst Du ja die "Wiedereintrittskurve" benutzen.

Ein Barometer als Höhenmesser halte ich als nicht brauchbar, da dieses den Luftdruck mißt und dieser von der Geometrie, Meßpunkt und Geschwindigkeit der Luft verfälscht wird.

Als Speichermeduim würde ich ein FRAM mit SPI vorschlagen.

Bedenke auch, daß der Arduino den "Aufschlag" bei der Landung überleben sollte.

Grüße Uwe
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Ich würde da einen ganz anderen Weg einschlagen. Du lässt den Arduino am Boden und nimmst eine Angelschnur, welche an der Rakete befestigt ist. Du kennst sicher das Prinzip wie eine Angelschnur von der Spule kommt. Diese Schnur lässt Du über eine leichtgängige Rolle laufen, an der Du Markierungen anbringst und über die Umdrehungen auf die Geschwindigkeit und Steighöhe schliessen kannst.

Der Gegenwiderstand der Apparatur dürfte geringer sein als einen Arduino mit Akku als Last mit hochzuschießen. smiley-wink
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Eine Kuh macht muuhh.
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Erst einmal Danke für eure Antworten.

Das mit der Speicherung mit FRAM mit SPI halte ich für eine gute Idee. smiley-grin
Du hast schon Recht, dass sich bei Berechnung der Geschwindigkeit über die Beschleunigung Fehler summieren werden. Leider sehe ich da aber keine andere Möglichkeit smiley-sad
Die Höhenmessung mit der "Wiedereintrittskurve" funktioniert leider auch nicht, da sich der Flug der Rakete nicht so wie ein Wurf nach oben verhält.
Mich würde jetzt wirklich helfen, wie ich die Daten Beschleunigungsmesser auf das Speichermedium bekomme und auslese, und zu wissen welchen Arduino und welchen Beschleunigungssensor ich mir dafür kaufen sollte.

Danke für alle eure Antworten und Vorschläge und Erklärungen smiley-grin
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Cloppenburg
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Da hier über Geschwindigkeit/Beschleunigungsmesser diskutiert wird, ich würde gern herausfinden wie schnell das Diabolo vom Luftgewehr fliegt. Gibt es solche Sensoren die 200m/s erkennen können und mit Arduino laufen?
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Nicht Mensch, nicht Tier: Programmierer halt...

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ich würde gerne an einer Wasserrakete ein Arduino montieren, um damit die Geschwindigkeit zu messen. Ich dachte mir, dass sich das vielleicht mit einem Accelerometer/Beschleunigungssensor ausrechnen ließe.

Wenn Dich insbesondere die Vertikalgeschwindigkeit/Steiggeschwindigkeit und die erreichte Gipfelhöhe interessieren, würde ich lieber einen Luftdrucksensor nehmen und in regelmäßigen Zeitabständen den Luftdruck messen und loggen.

Über den Luftdruck kannst Du Dir mit einer geeigneten Luftdruckformel die dazugehörende Höhe ausrechnen, und aus der Höhendifferenz zwischen zwei Meßpunkten und der bekannten Zeitdauer zwischen zwei Meßpunkten ergibt sich dann auch die (Vertikal)Geschwindigkeit zwischen zwei Messpunkten.
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jurs, wird der Luftdrucksensor durch die Bewegung in der Luft die um die Flasche herum fließt nicht beeinflußt?
Grüße Uwe
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@uwe, @jurs: Die Summe aus statischem u. dynamischem Druck ist in einem Strömungssystem immer gleich. Das geht soweit, dass der statische Druck negativ wird, wenn der dynamische steigt. (siehe "Kavitation") Druckmessung allein bringt also nix, weil Du niemals nur den statischen Druck messen kannst (außer in Ruhelage)

Flugzeuge messen die Fluggeschwindigkeit mittels Staurohr. https://de.wikipedia.org/wiki/Pitotrohr

Ich würde (je nach Form der Rakete) zur Höhenberechnung Beschleunigungswerte und Zeit heranziehen: Wenn alle Beschleunigungen 0 (=oberer Totpunkt), dann Zeitmessung beginnen bis Bodenaufschlag, dann aus Freifallformel Höhe ableiten.

@skorpi: Miss doch die Geschossenergie und nicht die Geschwindigkeit, ist einfacher. Auf ein (ballistisches) Pendel bekannter Masse schießen, Auslenkung messen, Diabolo (oder was auch immer) wiegen, Geschwindigkeit ausrechnen.

Grüße Helmuth

Nachtag:                                    m                     v                       E
6 mm Airsoftkugel (6 mm BB)    ~0,12 - 0,85 g    ~70 - 100 m/s    ~0,3 - 4,25 J
4,5 mm Diabolo (Luftgewehr)    ~0,5 g              ~90 - 360 m/s    ~2 - 50 J

200 m/s wird knapp...

@ccaarrll: "Die Höhenmessung mit der "Wiedereintrittskurve" funktioniert leider auch nicht, da sich der Flug der Rakete nicht so wie ein Wurf nach oben verhält."
Warum nicht???
Alternativ Bestimmung der Wurfparabel = 45 Grad Abschusswinkel und Entfernung des Aufschlagortes zum Startpunkt messen. Ganz ohne Mikrocontroller...

« Last Edit: May 13, 2013, 12:26:30 am by Helmuth » Logged

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@uwe, @jurs: Die Summe aus statischem u. dynamischem Druck ist in einem Strömungssystem immer gleich. Das geht soweit, dass der statische Druck negativ wird, wenn der dynamische steigt. (siehe "Kavitation") Druckmessung allein bringt also nix, weil Du niemals nur den statischen Druck messen kannst (außer in Ruhelage)
Helmut, diese 2 Aussagen von Dir verstehe ich nicht.
Ich verstehe unter Statischem Druck den Druckanteil der durch das Gewischt der Luftsäule oberhalb uns erzeugt wird.
Der dynamische Druck ist jener Druckanteil der durch die fließende Luft erzeugt wird. Je nach Strömungsverhältnissen, Geometrie, Geschwindigkeit des angeströmten Körpers und Montageposition und Orientierung des Sensors ist dieser Druck verschieden.
Der dynamische Anteil kann negativ werden sogar soweit daß ein Unterdruck entsteht sodaß die Summe mit dem Statischen Druck und der Druckverluste ein flüssiges Medium kurzzeitig verdampfen läßt (Kavitation).

Aus meinem Verständis ist weder die summe aus Statischen und dynamischen Druck konstant noch ändert sich der Statische Druck in Funktion des dynamischen Druckes.

Der resultierende Druck eines dynamischen Systems (fließendes Medium) ist die Summe aus statischen Druck, dynamischen Druck uns Druckverluste.

Grüße Uwe
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@uwe, @jurs: Die Summe aus statischem u. dynamischem Druck ist in einem Strömungssystem immer gleich. Das geht soweit, dass der statische Druck negativ wird, wenn der dynamische steigt.

Der absolute Luftdruck (Atmosphäre unter Normbedingungen = 1013 hPa) am Erdboden kann maximal auf Null fallen (Atmosphäre unter Weltraumbedingungen = 0 hPa). Einen "negativen Luftdruck" gibt es gar nicht.

Negativ werden können allenfalls Differenzdrücke, d.h. wenn Du zwei verschiedene Drücke ermittelst, etwa einen statischen und einen dynamischen, daraus eine Differenz bildest, dann kann der Differenzdruck zwischen zwei Drücken negativ werden. Der absolute Luftdruck ist immer größer oder gleich Null.

(siehe "Kavitation")

Kavitation ist ein Effekt, der ausschließlich in strömenden Flüssigkeiten auftritt, jedoch nicht in Gasen wie z.B. Luft. Kavitation hat mit Luftdruckmessung absolut nichts zu tun.

Flugzeuge messen die Fluggeschwindigkeit mittels Staurohr. https://de.wikipedia.org/wiki/Pitotrohr

Und Flugzeuge messen die Flughöhe mit einem barometrischen Höhenmesser.
http://de.wikipedia.org/wiki/Barometrische_H%C3%B6henmessung_in_der_Luftfahrt
So what?

Druckmessung allein bringt also nix, weil Du niemals nur den statischen Druck messen kannst (außer in Ruhelage)

Den statischen Luftdruck mißt man "in ruhendem Medium".
Den dynamischen Luftdruck mißt man "in sich bewegendem Medium".
D.h. ein Sensor zur Messung des barometrischen Luftdrucks in einem Luftfahrzeug muß nicht außen am Luftfahrzeug angebracht werden, wo die Luft strömt, sondern der Sensor muß im Gehäuse des Luftfahrzeugs angebracht sein, wo die Luft in Ruhe ist. Dazu muß zwischen dem Platz des Sensors im Luftfahrzeug eine Verbindung zur Außenluft an solcher Stelle bestehen, wo weder eine Drucküberhöhung (Staurohreffekt) noch eine Druckverminderung (Tragflächeneffekt) durch die Strömung auftritt, sondern wo an der Außenhaut auch im Flug neutrale Druckverhältnisse herrschen.
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Wenn das zu vermessende Versuchsobjekt sich nicht in völliger Ruhe
relativ zum umgebenden Medium befindet, hat der gemessene Druck immer
eine dynamische Komponente, welche das Versuchsergbnis verfälscht. Bei
einer Rakete im Flug wird das also schwierig, außer im oberen Totpunkt
bei senkrechtem Schuss.

Für alle anderen Fälle gilt http://de.wikipedia.org/wiki/Druck_%28Physik%29#Druck_in_str.C3.B6menden_Medien

Ergänzend dazu auch das Gesetz von Bernoulli:

http://de.wikipedia.org/wiki/Str%C3%B6mung_nach_Bernoulli_und_Venturi#Gesetz_von_Bernoulli

In strömenden Medien ist die Summe aus dyn. und stat. Druck immer
konstant (ohne Reibungsverluste). Muss ja auch, sonst wäre der
Energieerhaltungssatz verletzt.

Die Variante, nur den stat. Druck durch gute mechanische Abschirmung im
Flugzeug zu messen, wird sich in einer kleinen Rakete wegen Platzmangel
nicht umsetzten lassen. Bei jeder nichtlaminaren Stömung entstehen
irgendwo Wirbel, welche an den Verbindungslöchern saugen oder drücken.

Kavitation gibt es natürlich nur in Flüssigkeiten, ich brachte das
Beispiel zur Illustration des Phänomens.

Einen negativen Absolutdruck gibt es in der Tat nicht, aber einen sog.
Unterdruck als Bezeichnung für eine kleineren Druck als den zugrunde
liegende Bezugsdruck.

Kavitation: Dynamischer Druck wird so stark, dass er größer als
statischer Druck (Luftdruck + Wassertiefe) ist -> Summe wird negativ =
Unterdruck im Wasser = Gas perlt aus.

Grüße Helmuth
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Quote
In strömenden Medien ist die Summe aus dyn. und stat. Druck immer
konstant (ohne Reibungsverluste). Muss ja auch, sonst wäre der
Energieerhaltungssatz verletzt.
Verwechselst Du nicht Medien in einem Rohr mit einem in Luft bewegten Körper.
Die Energie kommt von der Antriebs- bzw BewegungsEnergie des Körper. 
Grüße Uwe
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Ich würde (je nach Form der Rakete) zur Höhenberechnung Beschleunigungswerte und Zeit heranziehen: Wenn alle Beschleunigungen 0 (=oberer Totpunkt), dann Zeitmessung beginnen bis Bodenaufschlag, dann aus Freifallformel Höhe ableiten.
Sobald die Wasser-Rakete "ausgebrannt" ist, ist die Beschleunigung fast 0. Den "oberen Totpunkt" zu finden ist nicht so einfach von der Rakete aus, insbesondere, wenn sie nicht genau senkrecht fliegt und ihre Geschwindigkeit nie 0 ist. Die gemessene Beschleunigung im freien Flug ist immer durch ihre Geschwindigkeit und den davon abhängigen Luftwiderstand gegeben und bei einer "schönen" Rakete mit geringem Luftwiderstand ziemlich klein.

Auf welche Aufprall-Beschleunigungen ist eigentlich ein Arduino ausgelegt ? smiley-wink

Quote
Alternativ Bestimmung der Wurfparabel = 45 Grad Abschusswinkel und Entfernung des Aufschlagortes zum Startpunkt messen. Ganz ohne Mikrocontroller...
Mehrere entfernte Beobachter mit Stoppuhren und groben Winkelschätzungen liefern diskutable Daten, aber ein Weitschuss-Wettbewerb hat auch was...

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OHHHHH, Loits,

ich bin froh, bei Euch keine Physik Schüler gewesen zu sein....  smiley-mr-green

Wenn die Rakete fällt, dann wirkt ja nur die Schwerkraft. Daher könnte ich mir gut vorstellen das Beenden der Beschleunigung als Startimpuls für einen Timer zu nehmen. Die Fallzeit mit Aufschlagdetektion gibt dann berechenbare Rückschlüsse auf die Höhe.

Wäre die Erfassung des Flascheninnendrucks nicht auch eine Möglichkeit den Verlauf zu erfassen?

Dann noch das Pito Rohr, also statisch - differenzial erfassen.

Ein Problem sehe ich noch: Wie ist das Verhältnis von Nutzwert der erfassten Daten zum Gewicht des Loggers?

Von der Stabilität würde ich final auf eine Chip Lösung hinarbeiten, einige wenige Bauteile, nichts gestecktes, könnte funzen..

Greetz, Linpo
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العشب أخضر، أن الكرة مستديرة،

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Verwechselst Du nicht Medien in einem Rohr mit einem in Luft bewegten Körper.
Die Energie kommt von der Antriebs- bzw BewegungsEnergie des Körper.  
Grüße Uwe

Hallo Uwe,

Ein Körper, der nicht im Vakuum isoliert ist, ist immer von einem Medium umgeben, egal, was es ist und welchen Aggregatzustand dieses hat.

Die kinetische Energie der Rakete führt zu einer Wechselwirkung mit dem umgebenden Medium - also beinhaltet die Druckmessung einen variablen dynamischen Anteil, welcher nicht trivial herausrechenbar ist.

Diese Wechselwirkung ist die Ursache für bereits angesprochene "Umwandlung" von statischem in dynamischen Druck.

Ebenso wird ein Teil der kinetischen Energie in Reibungswärme umgewandelt - was allerdings bei Geschwindigkeiten weit unterhalb der Schallgeschwindigkeit nicht so gravierend ist.

Nur der Vollständigkeit halber: Der Luftwiderstand hängt bentscheidend vom cw-Wert der angeströmten Fläche ab. http://de.wikipedia.org/wiki/Str%C3%B6mungswiderstandskoeffizient#cw-Werte_von_typischen_K.C3.B6rperformen
Die Geschwindigkeit geht quadratisch in die Formel ein. In guter Näherung lautet sie aus dem Kopf:
F=0,5 * Cw-Wert * angeströmte Fläche * v² * Dichte der Luft

Fazit: Präzise Höhenbestimmung durch Messung des Luftdrucks nur bei relativ zum umgebenden Medium ruhendem Körper - also entweder am Boden oder im oberen Totpunkt - und beides nur bei Windstille.

Beste Grüße

Helmuth



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