Cratos CanSat

Missione primaria

Requisito di gara: misurare pressione e temperatura dell’aria e trasmetterle alla stazione di terra con frequenza minima di 1 campione al secondo.

Catena dati

Sensore integrato → Arduino Nano 33 BLE → APC220 → Ricevitore a terra → GNU Octave

• MCU unica con BMP integrato — meno cablaggio e ingombro
• Downlink APC220 verso la ground station del team
• Firmware: campionamento, framing, invio periodico ≥ 1 Hz

MCU / sensori

Arduino Nano 33 BLE

Telemetria

Modulo radio APC220

Vincolo

≥ 1 Hz per P e T fino al recupero del payload

Immagini hardware — missione primaria

Fig. 1 Arduino Nano 33 BLE

Fig. 2 APC220 · downlink

Missione secondaria

Acquisizione dello spettro radio nella banda 10 kHz – 100 kHz (sotto la risonanza dell’antenna ~120 kHz). Segnale debole → catena analogica su 4 PCB → ADC Teensy 4.1 → microSD → analisi FFT in GNU Octave.

Obiettivi scientifici

Cattura e classificazione di emissioni elettromagnetiche in volo, con focus su:

• Whistler — onde elettromagnetiche audiofrequenza generate da scariche nell’atmosfera terrestre
• Burst radio — impulsi e transitori nel dominio tempo/frequenza
• Emissioni antropogeniche — contributo umano allo spettro radio (RF artificiale) da confrontare con il fondo naturale

Catena segnale

Antenna deployata → PCB1 → PCB2 → PCB3 → protezione → ADC Teensy → microSD

Antenna

• Solenoide: 200 m di filo AWG30 avvolto 100 volte intorno al corpo del CanSat
• Vano inferiore; deploy in volo con servomotore a quota target
• Logging binario su SD per throughput e integrità temporale

Acquisizione

Teensy 4.1

Memoria

Modulo microSD 3,3 V + Kingston 32 GB

Deploy

Servomotore · meccanismo antenna

Immagini hardware — missione secondaria

Fig. 3 Teensy 4.1

Fig. 4 Logging su SD

Fig. 5 Attuatore deploy antenna

Struttura e CAD

Progetto meccanico in Fusion 360: struttura stampata in 3D con miscela di PLA e PETG. Vano superiore (paracadute / occhiello), stack PCB centrale, base per alimentazione e deploy antenna. La sezione mostra quattro PCB, doppio pacco batterie e il meccanismo superiore.

Render CAD e sezione

Fig. 6 Assonometria — shell e stack

Fig. 7 Base — geometria inferiore

Fig. 8 Sezione — PCB, CR2, vano antenna

Alimentazione · batterie sostituibili

Il regolamento richiede batterie facilmente sostituibili senza smontare tutto il satellite. Cratos usa celle CR2 — niente LiPo per vincoli di gara; buon compromesso capacità e volume.

Posizionamento

Due moduli batteria simmetrici nella base (coppie di celle per modulo), laterali allo stack PCB nella sezione, separati dal volume elettronico centrale.

Sostituzione dal fondo

• Base aperta — inserti sinistra/destra rimovibili senza aprire il corpo superiore
• Base chiusa — configurazione pre-volo con master switch, USB e LED; le celle si cambiano estraendo gli inserti dal basso
• Procedura: spegnimento master → estrazione inserti → sostituzione CR2 → re-inserimento → controllo tensione

Viste CAD — batterie e base

Fig. 9 Vista laterale — pacchi batteria

Fig. 10 Base aperta — moduli estraibili

Fig. 11 Base chiusa — master, USB, LED

PCB4 distribuisce le rail ai sottosistemi; interruttori master sul base (requisito ESERO).

Architettura PCB (×4)

Schede circolari per il diametro lattina. Flusso segnale VLF: PCB1 → PCB2 → PCB3; alimentazione su PCB4 dedicata.

Panoramica stack PCB

Fig. 12 Stack — vista laterale

Fig. 13 Impilamento meccanico

PCB1 — preamplificazione e passa-alto

Primo stadio: guadagno iniziale e passa-alto (ordine 2) sotto 10 kHz. Connettore antenna in silkscreen.

Fig. 14a Layout

Fig. 14b Schema

PCB2 — integrazione e passa-basso

Integratore (×10) e passa-basso ordine 5 fino a 100 kHz — anti-aliasing prima dell’ADC.

Fig. 15a Layout

Fig. 15b Schema

PCB3 — doppia amplificazione ×5

Due stadi in cascata, 5× ciascuno (25× verso il convertitore).

Fig. 16a Layout

Fig. 16b Schema

PCB4 — distribuzione alimentazione

Rail DC per catena analogica, Teensy, Arduino e periferiche. Modulo TEL5-1211; master switch sulla base.

Fig. 17a Layout

Fig. 17b Schema

Distinta materiali (BOM)

Componenti acquistati per il progetto — prezzi unitari e totali di budget (CDR).

Validazione in laboratorio

Test della catena VLF con generatore di funzioni, oscilloscopio e analisi FFT in GNU Octave; diagramma di Bode (modulo e fase).

Grafici — spettrogramma, PSD, FFT e Bode (test in laboratorio)

Fig. 18 Analisi tempo-frequenza

Fig. 18b Spettrogramma normalizzato [dBV RMS]

Fig. 19 PSD (dB/Hz)

Fig. 20 FFT — spettro elettromagnetico (V)

Fig. 21 Diagramma di Bode

Risultati di volo

Analisi post-volo dalla telemetria a terra (LOG-Telemetry.csv, ~2 Hz). Il CanSat è stato issato con fune da un quadricottero fino a ~60 m, poi è disceso vicino al punto di lancio. Quota da barometria; moto orizzontale da dead reckoning IMU (oscillazione sulla fune).

Sintesi volo

Traiettoria 3D

Modello interattivo: quota Z da pressione; X/Y da IMU orizzontale filtrato (dead reckoning). All’apertura: traiettoria a fine volo; ▶ Play riproduce il volo e si ferma alla fine senza tornare all’inizio.

Interfaccia telemetria a terra

Durante il volo la ground station riceve i pacchetti via APC220 @ 9600 bps (porta seriale, es. COM6). Il firmware sul Nano 33 BLE invia pressione, temperatura e IMU a ~2 Hz; l’app web decodifica il frame, verifica il CRC e aggiorna dashboard e logger CSV.

La schermata Telemetria CanSat Cratos gestisce connessione, contatori RX/CRC, selezione sensori, registrazione su file e timer missione (T+). Il pannello CRATOS CREW HUD mostra in tempo reale barometria, quota, assetto (orizzonte artificiale), accelerometro, giroscopio, magnetometro e sensore acustico.

Grafici post-volo

Stessi dati elaborati offline da LOG-Telemetry.csv (baro, fusione velocità, pressione, temperatura, IMU grezzo, magnetometro).

LOG-Telemetry.csv
    │
    ├─► Filtra pressione valida (800–1100 hPa)
    ├─► P_ref = mediana(pressione) primi 6 s sul pad
    ├─► Quota da formula barometrica (zero al lancio)
    ├─► IMU: rimozione gravità e bias → accel. verticale lineare
    ├─► Filtro complementare: baro → quota, IMU → velocità verticale
    └─► 3D: Z = quota baro; X/Y = IMU orizzontale filtrato (oscillazione fune)

Team

Team Cratos — Liceo Scientifico Enrico Fermi, Padova. Partecipazione alla competizione CanSat ESERO Italia.

Stampa

Nordest News (18 maggio 2026): Cratos e PEPSISat selezionati da ESERO Italia per le finali nazionali CanSat all’Osservatorio Astrofisico di Torino.

Studenti

• Alessio Vettorato 5ª ASA CAD e progettazione · Sito web
• Alvise di Rienzo 4ª D Raccolta e analisi dati
• Matteo Pavarin 3ª D Project manager · Missione secondaria
• Filippo Masiero 3ª D Comunicazioni e media · Alimentazione
• Vittorio Marendon 2ª CSA Missione primaria · Comunicazioni e media

Docenti referenti

• Prof.ssa Elisa Corteggiani
• Prof. Massimo Nespolo

Ringraziamenti speciali

• Antonio Selmo Supporto tecnico — antenna e catena VLF
• Mirko Magarotto Supporto tecnico — test e validazione hardware
• LabTrek Fornitura componenti
• RobotStore Fornitura componenti

Documentazione

Critical Design Review del team Cratos: architettura, test, conformità al regolamento e budget.

Scarica TeamCratos_CriticalDesignReview.pdf