Makecourse: The Lonely Boat: 11 Steps

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Tento instruktážní dokument byl vytvořen v rámci splnění projektového požadavku Makecourse na University of South Florida (www.makecourse.com).

Jste noví v Arduinu, 3D tisku a počítačem podporovaném designu (CAD)? Tento projekt je skvělý způsob, jak se naučit všechny základy těchto témat, a nabízí prostor pro vaši kreativitu, aby se stal vaším vlastním! Obsahuje spoustu CAD modelování struktury lodi, úvod do autonomních systémů a zavádí koncept hydroizolačních 3D tisků!

Krok 1: Seznam materiálů

Abyste mohli projekt zahájit, musíte nejprve vědět, s čím budete pracovat! Zde jsou materiály, které byste měli mít, než začnete:

• 1x mikrokontrolér Arduino Uno R3 a kabel USB (Amazon Link)
• 1x ovladač motoru L298N (Amazon Link)
• 4x (2 jsou zálohy) DC motory 3-6V (Amazon Link)
• 2x 28BYJ-48 krokové motory a moduly ULN2003 (Amazon Link)
• 1x Přenosná nabíječka telefonu pro napájení (Zde je ta, kterou jsem použil, je však trochu velká. V případě potřeby můžete použít jinou: Amazon Link)
• 1x ultrazvukový senzor HCSR04 (Tento odkaz obsahuje několik doplňků s propojovacími kabely: Amazon Link)
• 3x balení propojovacích vodičů (samec-samice, samec-samec, samice-samice. Amazon Link)
• 1x plechovka Flex Seal (16 oz, Amazon Link)
• 1x Malířská páska (Amazon Link)
• 1x brusný papír s jemnou zrnitostí (dobrý je kolem 300)
• Několik nanuků a štětců pro aplikaci flexe

• Přístup k 3D tisku. (Tady je relativně levná a účinná 3D tiskárna - Amazon Link)

  • Červené vlákno pro 3D tisk (Amazon Link
  • Černý filament pro 3D tisk (Amazon Link)

Neváhejte přidat jakékoli materiály, které pro svou verzi projektu vymyslíte!

Krok 2: 3D-vytištěné díly a design

První částí tohoto projektu je vytvoření mechanického systému, ve kterém bude fungovat. To by zahrnovalo mnoho částí, včetně trupu, víka, pádel, náprav pro motory k pádlům, držáku senzoru a nápravy, na které držák senzoru sedí.

Komponenty jsou navrženy v SolidWorks a sestaveny do sestavy. Všechny soubory součástí a sestava byly vloženy do souboru zip, který najdete na konci tohoto kroku. Všimněte si, že SolidWorks není jediným softwarem CAD, který můžete použít, protože pro CAD lze použít mnoho programů jako Inventor a Fusion360. Můžete do nich importovat součásti SolidWorks.

Je důležité si uvědomit, že nápravy, které drží pádla, jsou soustředné s otvory na trupu, aby se zabránilo ohnutí nápravy a jejímu vyletění přímo z lodi.

Všechno na tomto projektu je 3D vytištěno (kromě elektrických komponent), takže rozměry jsou důležité. Na díly jsem dal tolerance kolem 0,01 palce, aby bylo zajištěno, že vše do sebe zapadá (něco jako volné uchycení). Nápravy přicházející k motoru měly menší toleranci, aby se mohly pohodlně přizpůsobit. Lopatky jsou pevně připevněny k nápravě, takže když jsou motory zapnuté, pádla se pohybují a pohánějí loď.

Při prohlížení CAD si všimnete platforem pro elektrické komponenty. Důvodem je, aby součásti „vyskočily“na jejich platformu, aby se zabránilo jejich pohybu.

Největší potisky jsou trup a víko, proto na to při navrhování pamatujte. Možná ho budete muset rozdělit na části, protože by byl příliš velký na tisk najednou.

Krok 3: Ovládací obvod

Zde budeme diskutovat o elektrickém obvodu, který řídí loď. Mám schéma z Fritzing, což je užitečný software, který si můžete stáhnout zde. Pomáhá při vytváření elektrických schémat.

Ne všechny součásti použité v tomto projektu jsou ve Fritzing, takže jsou nahrazeny. Černý fotosenzor představuje snímač HCSR04 a malý poloviční můstek je ovladač motoru L298N.

HCSR04 a L298N jsou připojeny k napájecím lištám na prkénku, které jsou zase připojeny k napájecí straně Arduina (na 5V a zemnících pinech). Echo a spouštěcí piny HCSR04 jdou na piny 12 a 13 na Arduinu.

Aktivační kolíky (které řídí rychlost) pro L298 jsou připojeny k pinům 10 a 11 (povolení A/motor A) a 5 a 6 (ENB/motor B). Napájení a uzemnění motorů jsou poté připojeny k portům na L298N.

Arduino bude samozřejmě přijímat energii z naší přenosné nabíječky telefonů. Když je obvod zapnutý, motory jsou nastaveny na maximální rychlost ve směru diktovaném naším snímačem přiblížení. To bude zahrnuto v kódovací části. Tím se loď pohne.

Krok 4: Arduino kód

Nyní se dostáváme k tomu, co tento projekt funguje: kód! Připojil jsem zip soubor obsahující kód pro tento projekt, který najdete na konci tohoto kroku. Je plně komentováno, abyste se mohli podívat!

- Kód napsaný pro Arduino je napsán v programu známém jako integrované vývojové prostředí Arduino (IDE). Je to něco, co byste si měli stáhnout z oficiálních webových stránek Arduina, které najdete zde. IDE je napsáno v programovacích jazycích C/C ++.

Kód napsaný a uložený prostřednictvím IDE je znám jako skica. Zahrnuty do skic a třídních souborů a knihoven, které můžete zahrnout z online nebo z těch, které jste sami vytvořili. Jejich podrobné vysvětlení a programování v Arduinu najdete zde.

- Jak je vidět na začátku tohoto kroku, mám video z YouTube, které prochází hlavní skicu projektu, můžete se podívat zde! Tím projdete hlavní skicu a její funkce.

- Nyní krátce projdu knihovnu, kterou jsem vytvořil pro ovládání senzoru přiblížení. Knihovna usnadňuje získávání dat ze snímače s méně řádky kódu v mém hlavním náčrtu.

Soubor.h (HCSR04.h) uvádí seznam funkcí a proměnných, které budeme v této knihovně používat, a definuje, kdo k nim má přístup. Začneme konstruktorem, což je řádek kódu, který definuje objekt (v našem případě „HCSR04ProxSensor“, který používáme), který obsahuje hodnoty, které zadáme do závorek. Tyto hodnoty budou echo a spouštěcí piny, které používáme, které budou svázány s objektem senzoru, který vytvoříme (který může být pojmenován jakkoli se nám líbí, včetně „HCSR04ProxSensor NameOfOurObject“). K věcem v rámci „veřejné“definice může mít přístup cokoli, jak v knihovně, tak mimo ni (jako náš hlavní náčrt). Zde budeme vypisovat naše funkce, které nazýváme v hlavním náčrtu. Do „soukromého“ukládáme proměnné, díky nimž knihovna běží. Tyto proměnné jsou použitelné pouze funkcemi v naší knihovně. Je to v podstatě způsob, jakým naše funkce sledují, jaké proměnné a hodnoty jsou spojeny s každým objektem senzoru, který vytvoříme.

Nyní se přesuneme do souboru „HCSR04.cpp“. Tady vlastně definujeme naše funkce a proměnné a jak fungují. Je to podobné, jako kdybyste psali kód ve svém hlavním náčrtu. Všimněte si, že funkce by měly být specifikovány pro to, co vrací. Pro „readSensor ()“vrátí číslo (jako float), takže funkci definujeme pomocí „float HCSR04ProxSensor:: readSensor ()“. Všimněte si, že musíme zahrnout "HCSR04ProxSensor::", název objektu přidruženého k této funkci. Naše piny definujeme pomocí našeho konstruktoru, pomocí funkce „readSensor ()“zjistíme vzdálenost objektu a pomocí funkce „getLastValue ()“získáme naši poslední načtenou hodnotu.

Krok 5: 3D tisk všech dílů a sestavy

Jakmile jsou vytištěny dva kusy trupu, můžete je slepit páskou malíře. Mělo by to držet pohromadě. Poté můžete sestavit všechny ostatní díly jako obvykle na základě našeho návrhu CAD.

3D tiskárny běží na g-kódu, který můžete získat pomocí softwaru kráječe, který je dodáván s tiskárnou. Tento software převezme soubor.stl (části, kterou jste vytvořili v CAD) a převede jej na kód, který si tiskárna přečte (přípona tohoto souboru se mezi tiskárnami liší). Mezi oblíbené kráječe 3D tisku patří Cura, FlashPrint a další!

Při 3D tisku je důležité vědět, že to zabere hodně času, proto podle toho naplánujte. Abyste se vyhnuli dlouhým dobám tisku a těžším částem, můžete tisknout s výplní kolem 10%. Vyšší výplň pomůže zabránit vniknutí vody do tisku, protože póry budou menší, ale také způsobí, že části budou těžší a budou trvat déle.

Asi všechny 3D výtisky nejsou vhodné pro vodu, takže je musíme vodotěsně izolovat. V tomto projektu jsem zvolil aplikaci Flex Seal, protože je velmi jednoduchá a funguje velmi dobře, aby se voda nedostala do tisku.

Krok 6: Vodotěsnost tisku

Hydroizolace tohoto tisku je důležitá, protože nechcete, aby se vaše drahá elektronika poškodila!

Pro začátek obrousíme vnější a spodní část trupu. Důvodem je vytvoření drážek, do kterých může proniknout pružné těsnění, a zajistit tak lepší ochranu. Můžete použít brusný papír s vysokou zrnitostí. Dávejte pozor, abyste příliš nebrousili, několik tahů by mělo být v pořádku.

Krok 7: Broušení trupu

Budete vědět, kdy přestat, až se začnou objevovat bílé čáry.

Krok 8: Použijte Flex Seal

K nanesení pružného těsnění můžete použít tyčinku nebo nanuk. Určitě nevynechejte žádná místa a buďte důkladní. Nástroj můžete jednoduše ponořit do otevřené plechovky a vtřít jej do trupu.

Krok 9: Nechte Flex Seal sedět

Nyní čekáme! Normálně trvá asi 3 hodiny, než se pružné těsnění dostatečně vysuší, ale pro jistotu bych ho nechal 24 hodin sedět. Po dokončení sušení můžete použít další vrstvu flexe, aby byl trup ještě více chráněn, ale to je trochu přehnané (1 vrstva se mi osvědčila).

Krok 10: Montáž a testování

Nyní, když pružné těsnění dokončilo sušení, doporučuji otestovat trup ve vodě před přidáním elektrických komponent (pokud trup NENÍ vodotěsný, mohlo by to způsobit problémy pro váš Arduino!). Jednoduše ho vezměte ke svému umyvadlu nebo bazénu a zjistěte, zda loď může plavat déle než 5 minut bez úniku.

Jakmile se ujistíme, že náš trup je vodotěsný, můžeme začít přidávat všechny naše díly! Ujistěte se, že jste Arduino, L298N a ostatní součásti správně zapojili na správné piny.

Aby byly vodiče přizpůsobeny stejnosměrným motorům, připájel jsem zástrčky k vodičům na motoru, abych zajistil, že zůstanou zapnuté. Pájení je také užitečné pro zajištění bezpečného spojení nebo v případě, že potřebujete delší vodič. Pokud jste nikdy předtím nepájili, můžete se o tom dozvědět více zde!

Jakmile je vše pohromadě, umístěte všechny součásti do trupu a proveďte nějaké testování! Budete chtít zkontrolovat, jak senzor funguje, jak bylo zamýšleno, načtením hodnot vzdálenosti na sériovém monitoru, zkontrolovat, zda se motory správně otáčí, a podobné věci.

Krok 11: Konečný produkt

A teď jste hotovi! Zkontrolujte, zda v testovací jízdě nejsou chyby (testujte plavidlo na lodi a trupu před použitím elektroniky) a máte hotovo!