Avionik – HRKULES

Eine Platine

HRKULES ist der Flugrechner: eine einzige Platine für Sensorik, Regelung, Bergungsauslösung, Datenaufzeichnung und Funk. Ein RP2040 liest IMU und Barometer aus, fusioniert sie in einem Kalman-Filter zur Höhenschätzung, führt den Zustandsautomaten und beide Regelkreise aus, zeichnet jeden Flugzyklus im internen Flash auf und steuert die Gimbal-Servos sowie den Pyrokanal an. Alles läuft in einem festen 200-Hz-Takt; jeder Zyklus, der sein Zeitfenster überschreitet, wird gezählt. Dritte Platinenrevision, entworfen in KiCad.

Ein fester 200-Hz-Takt

Der gesamte Flugrechner läuft nach einem festen Takt: 200 Durchläufe pro Sekunde. Jeder Durchlauf liest die Sensoren, lässt den Zustandsautomaten entscheiden, aktualisiert den Schätzer, führt die Regelkreise aus und protokolliert den Zyklus; die Telemetrie geht mit niedrigerer Rate hinaus. Die Schleife wartet auf ihren Zeitschlitz und schaltet den Takt um eine feste Periode weiter, sodass die Rate nicht driften kann, und jeder Durchlauf, der seinen Zeitschlitz überschreitet, wird gezählt. Nach einer Überschreitung synchronisiert sie sich neu, statt hintereinander aufzuholen, denn ein Schub von Durchläufen würde alles verfälschen, was über die Zeit integriert.

Telemetrie

Der Funktreiber ist direkt gegen die Registerbeschreibung des RFM95W programmiert, nicht gegen eine Bibliothek. Die Telemetrie besteht aus einem kompakten Paket, 50-mal pro Sekunde: Zeitstempel, Zustand, Höhe, drei Lagewinkel, Gesamtbeschleunigung, Temperatur, Akkuspannung, ein Fehlerwort, ein Filter-Innovationswert, ein Flag-Byte, ein Sequenzzähler und ein Versionsbyte. Die Paketgröße wird beim Bau der Firmware geprüft: Ein geändertes Layout lässt den Build scheitern, statt den Downlink zu verfälschen. Den Paketverlust leitet die Bodenstation aus dem Sequenzzähler ab.

Aufzeichnung

Jeder Zyklus des Flugs wird in einen Flash-Baustein auf der Platine geschrieben. Nach der Landung wird das Protokoll auf die SD-Karte kopiert, sodass nichts verloren geht, wenn der Akku abgezogen wird, und die Daten sich direkt im Data Viewer öffnen lassen. Liegt beim nächsten Einschalten noch ein Protokoll auf dem Baustein, wird es zuerst auf die Karte kopiert.

Konfiguration am Startplatz

Parameter werden beim Start aus einer Konfigurationsdatei auf der SD-Karte gelesen und sind nicht fest einkompiliert. So lässt sich die Rakete an der Startrampe ohne Toolchain nachjustieren. Jeder Wert wird gegen einen zulässigen Flugbereich geprüft; eine fehlende Datei, ein unbekannter Schlüssel oder ein Tippfehler lassen den einkompilierten Standardwert unverändert.

Fehler und Startsperre

Fehler werden zweifach erfasst: die aktuell anstehenden und alle, die seit dem Start aufgetreten sind. Ein Fehler, der nur zeitweise auftritt, bleibt in der aktuellen Anzeige unsichtbar – dafür gibt es die Speicherung. Fällt beim Start ein flugkritisches Subsystem aus, startet die Hauptschleife gar nicht erst und die Status-LED blinkt: Die Rakete bleibt am Boden, statt mit unzuverlässigen Daten zu fliegen.

Technische Daten

Revision

V3  (V1 → V3)

MCU

RP2040 @ 133 MHz · Arduino-Nano-RP2040-Connect-Modul

IMU

MPU6050 – 6 Achsen

Barometer

BMP180

Zustandsschätzung

Kalman-Filter aus Barometer und Beschleunigungssensor

Hauptschleife

200 Hz, fester Takt

Funk

RFM95W · 433-MHz-Band

Speicher

W25Q-Flash (Flugdaten) · SD (Konfiguration, Kopie nach dem Flug)

Ausgänge

2 Servokanäle (Gimbal) · 1 Pyrokanal

Telemetrie

kompaktes, versioniertes Paket · 50 Hz