793347f9dc1e0dc0c8704b9fa17f751cbab7906a
[fw/altos] / doc / telemetrum.xsl
1 <?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
2 <!DOCTYPE book PUBLIC "-//OASIS//DTD DocBook XML V4.5//EN"
3   "/usr/share/xml/docbook/schema/dtd/4.5/docbookx.dtd">
4 <book>
5   <bookinfo>
6     <author>
7       <firstname>Bdale</firstname>
8       <surname>Garbee</surname>
9     </author>
10     <author>
11       <firstname>Keith</firstname>
12       <surname>Packard</surname>
13     </author>
14     <copyright>
15       <year>2010</year>
16       <holder>Bdale Garbee and Keith Packard</holder>
17     </copyright>
18     <title>TeleMetrum</title>
19     <subtitle>Owner's Manual for the TeleMetrum System</subtitle>
20     <legalnotice>
21       <para>
22         This document is released under the terms of the 
23         <ulink url="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/">
24           Creative Commons ShareAlike 3.0
25         </ulink>
26         license.
27       </para>
28     </legalnotice>
29     <revhistory>
30       <revision>
31         <revnumber>0.1</revnumber>
32         <date>30 March 2010</date>
33         <revremark>Initial content</revremark>
34       </revision>
35     </revhistory>
36   </bookinfo>
37   <chapter>
38     <title>Introduction and Overview</title>
39     <para>
40       Welcome to the Altus Metrum community!  Our circuits and software reflect
41       our passion for both hobby rocketry and Free Software.  We hope their
42       capabilities and performance will delight you in every way, but by
43       releasing all of our hardware and software designs under open licenses,
44       we also hope to empower you to take as active a role in our collective
45       future as you wish!
46     </para>
47     <para>
48       The focal point of our community is TeleMetrum, a dual deploy altimeter 
49       with fully integrated GPS and radio telemetry as standard features, and
50       a "companion interface" that will support optional capabilities in the 
51       future.
52     </para>
53     <para>    
54       Complementing TeleMetrum is TeleDongle, a USB to RF interface for 
55       communicating with TeleMetrum.  Combined with your choice of antenna and 
56       notebook computer, TeleDongle and our associated user interface software
57       form a complete ground station capable of logging and displaying in-flight
58       telemetry, aiding rocket recovery, then processing and archiving flight
59       data for analysis and review.
60     </para>
61   </chapter>
62   <chapter>
63     <title>Specifications</title>
64     <itemizedlist>
65       <listitem>
66         <para>
67           Recording altimeter for model rocketry.
68         </para>
69       </listitem>
70       <listitem>
71         <para>
72           Supports dual deployment (can fire 2 ejection charges).
73         </para>
74       </listitem>
75       <listitem>
76         <para>
77           70cm ham-band transceiver for telemetry downlink.
78         </para>
79       </listitem>
80       <listitem>
81         <para>
82           Barometric pressure sensor good to 45k feet MSL.
83         </para>
84       </listitem>
85       <listitem>
86         <para>
87           1-axis high-g accelerometer for motor characterization, capable of 
88           +/- 50g using default part.
89         </para>
90       </listitem>
91       <listitem>
92         <para>
93           On-board, integrated GPS receiver with 5hz update rate capability.
94         </para>
95       </listitem>
96       <listitem>
97         <para>
98           On-board 1 megabyte non-volatile memory for flight data storage.
99         </para>
100       </listitem>
101       <listitem>
102         <para>
103           USB interface for battery charging, configuration, and data recovery.
104         </para>
105       </listitem>
106       <listitem>
107         <para>
108           Fully integrated support for LiPo rechargeable batteries.
109         </para>
110       </listitem>
111       <listitem>
112         <para>
113           Uses LiPo to fire e-matches, support for optional separate pyro 
114           battery if needed.
115         </para>
116       </listitem>
117       <listitem>
118         <para>
119           2.75 x 1 inch board designed to fit inside 29mm airframe coupler tube.
120         </para>
121       </listitem>
122     </itemizedlist>
123   </chapter>
124   <chapter>
125     <title>Handling Precautions</title>
126     <para>
127       TeleMetrum is a sophisticated electronic device.  When handled gently and
128       properly installed in an airframe, it will deliver extraordinary results.
129       However, like all electronic devices, there are some precautions you
130       must take.
131     </para>
132     <para>
133       The Lithium Polymer rechargeable batteries used with TeleMetrum have an 
134       extraordinary power density.  This is great because we can fly with
135       much less battery mass than if we used alkaline batteries or previous
136       generation rechargeable batteries... but if they are punctured 
137       or their leads are allowed to short, they can and will release their 
138       energy very rapidly!
139       Thus we recommend that you take some care when handling our batteries 
140       and consider giving them some extra protection in your airframe.  We 
141       often wrap them in suitable scraps of closed-cell packing foam before 
142       strapping them down, for example.
143     </para>
144     <para>
145       The TeleMetrum barometric sensor is sensitive to sunlight.  In normal 
146       mounting situations, it and all of the other surface mount components 
147       are "down" towards whatever the underlying mounting surface is, so
148       this is not normally a problem.  Please consider this, though, when
149       designing an installation, for example, in a 29mm airframe's see-through
150       plastic payload bay.
151     </para>
152     <para>
153       The TeleMetrum barometric sensor sampling port must be able to "breathe",
154       both by not being covered by foam or tape or other materials that might
155       directly block the hole on the top of the sensor, but also by having a
156       suitable static vent to outside air.  
157     </para>
158     <para>
159       As with all other rocketry electronics, TeleMetrum must be protected 
160       from exposure to corrosive motor exhaust and ejection charge gasses.
161     </para>
162   </chapter>
163   <chapter>
164     <title>Hardware Overview</title>
165     <para>
166       TeleMetrum is a 1 inch by 2.75 inch circuit board.  It was designed to
167       fit inside coupler for 29mm airframe tubing, but using it in a tube that
168       small in diameter may require some creativity in mounting and wiring 
169       to succeed!  The default 1/4
170       wave UHF wire antenna attached to the center of the nose-cone end of
171       the board is about 7 inches long, and wiring for a power switch and
172       the e-matches for apogee and main ejection charges depart from the 
173       fin can end of the board.  Given all this, an ideal "simple" avionics 
174       bay for TeleMetrum should have at least 10 inches of interior length.
175     </para>
176     <para>
177       A typical TeleMetrum installation using the on-board GPS antenna and
178       default wire UHF antenna involves attaching only a suitable
179       Lithium Polymer battery, a single pole switch for power on/off, and 
180       two pairs of wires connecting e-matches for the apogee and main ejection
181       charges.  
182     </para>
183     <para>
184       By default, we use the unregulated output of the LiPo battery directly
185       to fire ejection charges.  This works marvelously with standard e-matches
186       from companies like [insert company and product names for e-matches we've
187       tried and like] and with Quest Q2G2 igniters.  However, if you
188       want or need to use a separate pyro battery, you can do so by adding
189       a second 2mm connector to position B2 on the board and cutting the
190       thick pcb trace connecting the LiPo battery to the pyro circuit between
191       the two silk screen marks on the surface mount side of the board shown
192       here [insert photo]
193     </para>
194     <para>
195       We offer two choices of pyro and power switch connector, or you can 
196       choose neither and solder wires directly to the board.  All three choices
197       are reasonable depending on the constraints of your airframe.  Our
198       favorite option when there is sufficient room above the board is to use
199       the Tyco pin header with polarization and locking.  If you choose this
200       option, you crimp individual wires for the power switch and e-matches
201       into a mating connector, and installing and removing the TeleMetrum
202       board from an airframe is as easy as plugging or unplugging two 
203       connectors.  If the airframe will not support this much height or if
204       you want to be able to directly attach e-match leads to the board, we
205       offer a screw terminal block.  This is very similar to what most other
206       altimeter vendors provide by default and so may be the most familiar
207       option.  You'll need a very small straight blade screwdriver to connect
208       and disconnect the board in this case, such as you might find in a
209       jeweler's screwdriver set.  Finally, you can forego both options and
210       solder wires directly to the board, which may be the best choice for
211       minimum diameter and/or minimum mass designs. 
212     </para>
213     <para>
214       For most airframes, the integrated GPS antenna and wire UHF antenna are
215       a great combination.  However, if you are installing in a carbon-fiber
216       electronics bay which is opaque to RF signals, you may need to use 
217       off-board external antennas instead.  In this case, you can order
218       TeleMetrum with an SMA connector for the UHF antenna connection, and
219       you can unplug the integrated GPS antenna and select an appropriate 
220       off-board GPS antenna with cable terminating in a U.FL connector.
221     </para>
222   </chapter>
223   <chapter>
224     <title>Operation</title>
225     <section>
226       <title>Firmware Modes </title>
227 <para>
228         The AltOS firmware build for TeleMetrum has two fundamental modes,
229         "idle" and "flight".  Which of these modes the firmware operates in
230         is determined by the orientation of the rocket (well, actually the
231         board, of course...) at the time power is switched on.  If the rocket
232         is "nose up", then TeleMetrum assumes it's on a rail or rod being
233         prepared for launch, so the firmware chooses flight mode.  However,
234         if the rocket is more or less horizontal, the firmware instead enters
235         idle mode.
236 </para>
237 <para>
238         In flight mode, TeleMetrum turns on the GPS system, engages the flight
239         state machine, goes into transmit-only mode on the RF link sending 
240         telemetry, and waits for launch to be detected.  Flight mode is
241         indicated by an audible "di-dah-dah-dit" on the beeper, followed by
242         beeps indicating the state of the pyrotechnic igniter continuity.
243         One beep indicates [FIXME] apogee continuity, two beeps indicate
244         main continuity, three beeps indicate both apogee and main continuity,
245         and one longer "brap" sound indicates no continuity.  For a dual
246         deploy flight, make sure you're getting three beeps before launching!
247         For apogee-only or motor eject flights, do what makes sense.
248 </para>
249 <para>
250         In idle mode, the normal flight state machine is disengaged, and thus
251         no ejection charges will fire.  TeleMetrum also listens on the RF
252         link when in idle mode for packet mode requests sent from TeleDongle.
253         Commands can thus be issues to a TeleMetrum in idle mode over either
254         USB or the RF link equivalently.
255         Idle mode is useful for configuring TeleMetrum, for extracting data 
256         from the on-board storage chip after flight, and for ground testing
257         pyro charges.
258 </para>
259 <para>
260         One "neat trick" of particular value when TeleMetrum is used with very
261         large airframes, is that you can power the board up while the rocket
262         is horizontal, such that it comes up in idle mode.  Then you can 
263         raise the airframe to launch position, use a TeleDongle to open
264         a packet connection, and issue a 'reset' command which will cause
265         TeleMetrum to reboot, realize it's now nose-up, and thus choose
266         flight mode.  This is much safer than standing on the top step of a
267         rickety step-ladder or hanging off the side of a launch tower with
268         a screw-driver trying to turn on your avionics before installing
269         igniters!
270 </para>
271     </section>
272     <section>
273       <title>GPS </title>
274 <para>
275         TeleMetrum includes a complete GPS receiver.  See a later section for
276         a brief explanation of how GPS works that will help you understand
277         the information in the telemetry stream.  The bottom line is that
278         the TeleMetrum GPS receiver needs to lock onto at least four 
279         satellites to obtain a solid 3 dimensional position fix and know 
280         what time it is!
281 </para>
282 <para>
283         TeleMetrum provides backup power to the GPS chip any time a LiPo
284         battery is connected.  This allows the receiver to "warm start" on
285         the launch rail much faster than if every power-on were a "cold start"
286         for the GPS receiver.  In typical operations, powering up TeleMetrum
287         on the flight line in idle mode while performing final airframe
288         preparation will be sufficient to allow the GPS receiver to cold
289         start and acquire lock.  Then the board can be powered down during
290         RSO review and installation on a launch rod or rail.  When the board
291         is turned back on, the GPS system should lock very quickly, typically
292         long before igniter installation and return to the flight line are
293         complete.
294 </para>
295     </section>
296     <section>
297       <title>Ground Testing </title>
298         <para>
299         An important aspect of preparing a rocket using electronic deployment
300         for flight is ground testing the recovery system.  Thanks
301         to the bi-directional RF link central to the Altus Metrum system, 
302         this can be accomplished in a TeleMetrum-equipped rocket without as
303         much work as you may be accustomed to with other systems.  It can
304         even be fun!
305         </para>
306         <para>
307         Just prep the rocket for flight, then power up TeleMetrum while the
308         airframe is horizontal.  This will cause the firmware to go into 
309         "idle" mode, in which the normal flight state machine is disabled and
310         charges will not fire without manual command.  Then, establish an
311         RF packet connection from a TeleDongle-equipped computer using the 
312         P command from a safe distance.  You can now command TeleMetrum to
313         fire the apogee or main charges to complete your testing.
314         </para>
315     </section>
316     <section>
317       <title>Radio Link </title>
318       <para>
319         The chip our boards are based on incorporates an RF transceiver, but
320         it's not a full duplex system... each end can only be transmitting or
321         receiving at any given moment.  So we have to decide how to manage the
322         link...
323       </para>
324       <para>
325         By design, TeleMetrum firmware listens for an RF connection when
326         it's in "idle mode" (turned on while the rocket is horizontal), which
327         allows us to use the RF link to configure the rocket, do things like
328         ejection tests, and extract data after a flight without having to 
329         crack open the airframe.  However, when the board is in "flight 
330         mode" (turned on when the rocket is vertical) the TeleMetrum only 
331         transmits and doesn't listen at all.  That's because we want to put 
332         ultimate priority on event detection and getting telemetry out of 
333         the rocket and out over
334         the RF link in case the rocket crashes and we aren't able to extract
335         data later... 
336       </para>
337       <para>
338         We don't use a 'normal packet radio' mode because they're just too
339         inefficient.  GFSK is just FSK with the baseband pulses passed through a
340         Gaussian filter before they go into the modulator to limit the
341         transmitted bandwidth.  When combined with the hardware forward error
342         correction support in the cc1111 chip, this allows us to have a very
343         robust 38.4 kilobit data link with only 10 milliwatts of transmit power,
344         a whip antenna in the rocket, and a hand-held Yagi on the ground.  We've
345         had a test flight above 12k AGL with good reception, and my calculations
346         say we should be good to 40k AGL or more with just a 5-element yagi on
347         the ground.  I expect to push 30k with a 54mm minimum airframe I'm
348         working on now, so we'll hopefully have further practical confirmation
349         of our link margin in a few months.
350       </para>
351       <para>
352         Placeholder.
353       </para>
354     </section>
355   </chapter>
356   <chapter>
357     <title>Using Altus Metrum Products</title>
358     <section>
359       <title>Being Legal</title>
360       <para>
361         First off, in the US, you need an [amateur radio license](../Radio) or 
362         other authorization to legally operate the radio transmitters that are part
363         of our products.
364       </para>
365       <section>
366         <title>In the Rocket</title>
367         <para>
368           In the rocket itself, you just need a [TeleMetrum](../TeleMetrum) board and 
369           a LiPo rechargeable battery.  An 860mAh battery weighs less than a 9V 
370           alkaline battery, and will run a [TeleMetrum](../TeleMetrum) for hours.
371         </para>
372         <para>
373           By default, we ship TeleMetrum with a simple wire antenna.  If your 
374           electronics bay or the airframe it resides within is made of carbon fiber, 
375           which is opaque to RF signals, you may choose to have an SMA connector 
376           installed so that you can run a coaxial cable to an antenna mounted 
377           elsewhere in the rocket.
378         </para>
379       </section>
380       <section>
381         <title>On the Ground</title>
382         <para>
383           To receive the data stream from the rocket, you need an antenna and short 
384           feedline connected to one of our [TeleDongle](../TeleDongle) units.  The
385           TeleDongle in turn plugs directly into the USB port on a notebook 
386           computer.  Because TeleDongle looks like a simple serial port, your computer
387           does not require special device drivers... just plug it in.
388         </para>
389         <para>
390           Right now, all of our application software is written for Linux.  However, 
391           because we understand that many people run Windows or MacOS, we are working 
392           on a new ground station program written in Java that should work on all
393           operating systems.
394         </para>
395         <para>
396           After the flight, you can use the RF link to extract the more detailed data 
397           logged in the rocket, or you can use a mini USB cable to plug into the 
398           TeleMetrum board directly.  Pulling out the data without having to open up
399           the rocket is pretty cool!  A USB cable is also how you charge the LiPo 
400           battery, so you'll want one of those anyway... the same cable used by lots 
401           of digital cameras and other modern electronic stuff will work fine.
402         </para>
403         <para>
404           If your rocket lands out of sight, you may enjoy having a hand-held GPS 
405           receiver, so that you can put in a waypoint for the last reported rocket 
406           position before touch-down.  This makes looking for your rocket a lot like 
407           Geo-Cacheing... just go to the waypoint and look around starting from there.
408         </para>
409         <para>
410           You may also enjoy having a ham radio "HT" that covers the 70cm band... you 
411           can use that with your antenna to direction-find the rocket on the ground 
412           the same way you can use a Walston or Beeline tracker.  This can be handy 
413           if the rocket is hiding in sage brush or a tree, or if the last GPS position 
414           doesn't get you close enough because the rocket dropped into a canyon, or 
415           the wind is blowing it across a dry lake bed, or something like that...  Keith
416           and Bdale both currently own and use the Yaesu VX-7R at launches.
417         </para>
418         <para>
419           So, to recap, on the ground the hardware you'll need includes:
420           <orderedlist inheritnum='inherit' numeration='arabic'>
421             <listitem> 
422               an antenna and feedline
423             </listitem>
424             <listitem> 
425               a TeleDongle
426             </listitem>
427             <listitem> 
428               a notebook computer
429             </listitem>
430             <listitem> 
431               optionally, a handheld GPS receiver
432             </listitem>
433             <listitem> 
434               optionally, an HT or receiver covering 435 Mhz
435             </listitem>
436           </orderedlist>
437         </para>
438         <para>
439           The best hand-held commercial directional antennas we've found for radio 
440           direction finding rockets are from 
441           <ulink url="http://www.arrowantennas.com/" >
442             Arrow Antennas.
443           </ulink>
444           The 440-3 and 440-5 are both good choices for finding a 
445           TeleMetrum-equipped rocket when used with a suitable 70cm HT.  
446         </para>
447       </section>
448       <section>
449         <title>Data Analysis</title>
450         <para>
451           Our software makes it easy to log the data from each flight, both the 
452           telemetry received over the RF link during the flight itself, and the more
453           complete data log recorded in the DataFlash memory on the TeleMetrum 
454           board.  Once this data is on your computer, our postflight tools make it
455           easy to quickly get to the numbers everyone wants, like apogee altitude, 
456           max acceleration, and max velocity.  You can also generate and view a 
457           standard set of plots showing the altitude, acceleration, and
458           velocity of the rocket during flight.  And you can even export a data file 
459           useable with Google Maps and Google Earth for visualizing the flight path 
460           in two or three dimensions!
461         </para>
462         <para>
463           Our ultimate goal is to emit a set of files for each flight that can be
464           published as a web page per flight, or just viewed on your local disk with 
465           a web browser.
466         </para>
467       </section>
468       <section>
469         <title>Future Plans</title>
470         <para>
471           In the future, we intend to offer "companion boards" for the rocket that will
472           plug in to TeleMetrum to collect additional data, provide more pyro channels,
473           and so forth.  A reference design for a companion board will be documented
474           soon, and will be compatible with open source Arduino programming tools.
475         </para>
476         <para>
477           We are also working on the design of a hand-held ground terminal that will
478           allow monitoring the rocket's status, collecting data during flight, and
479           logging data after flight without the need for a notebook computer on the
480           flight line.  Particularly since it is so difficult to read most notebook
481           screens in direct sunlight, we think this will be a great thing to have.
482         </para>
483         <para>
484           Because all of our work is open, both the hardware designs and the software,
485           if you have some great idea for an addition to the current Altus Metrum family,
486           feel free to dive in and help!  Or let us know what you'd like to see that 
487           we aren't already working on, and maybe we'll get excited about it too... 
488         </para>
489       </section>
490     </section>
491     <section>
492         <title>
493         How GPS Works
494         </title>
495         <para>
496         Placeholder.
497         </para>
498     </section>
499   </chapter>
500 </book>
501