Χτίζοντας ένα αυτόνομο σκάφος (ArduPilot Rover): 10 βήματα (με εικόνες)

2025 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2025-01-13 06:57

Έργα Fusion 360 »

Ξέρεις τι είναι ωραίο; Μη επανδρωμένα αυτόνομα οχήματα. Είναι τόσο δροσερά στην πραγματικότητα που εμείς (οι uni συνάδελφοί μου και εγώ) ξεκινήσαμε να φτιάχνουμε ένα μόνοι μας το 2018. Αυτός είναι και ο λόγος που ξεκίνησα φέτος για να το τελειώσω επιτέλους στον ελεύθερο χρόνο μου.

Σε αυτό το Instructable θέλω να μοιραστώ αυτό το έργο μαζί σας και να σας κάνω να φτιάξετε το δικό σας αυτόνομο όχημα. Έφτιαξα επίσης ένα μικρό βίντεο YouTube που χαράζει την επιφάνεια του έργου και σας δίνει μια γρήγορη περιγραφή όλων των ατυχημάτων στην πορεία. Αυτό το Instructable είναι ο σχετικός οδηγός που εξηγεί πώς λειτουργεί αυτό το πράγμα.

Σε ποιους απευθύνεται και πώς να το διαβάσετε

Αυτό το Instructable έχει δύο σκοπούς. Πρώτα απ 'όλα, θέλω να μοιραστώ όσα έχτισα και έμαθα και να σας ενδιαφέρω να κατασκευάσετε αυτοκινούμενα οχήματα. Ο δευτερεύων σκοπός είναι η τεκμηρίωση του έργου και των περισσότερων λεπτομερειών του, έτσι ώστε η επόμενη φοιτητική ομάδα στο παλιό μου πανεπιστήμιο, που επιλέγει το έργο να γνωρίζει τι συμβαίνει.

Εάν είστε εδώ μόνο για διασκέδαση, μπορείτε να αγνοήσετε λεπτομέρειες όπως λίστες παραμέτρων και ακριβή διαγράμματα καλωδίωσης. Θα προσπαθήσω να διατηρήσω τα βήματα πολύ γενικά στην αρχή, ώστε να μπορούν να εφαρμοστούν σε οποιοδήποτε σκάφος ArduPilot RC και να βάλω τις λεπτομέρειες στο τέλος.

Το έργο ολοκληρώθηκε σε δύο μέρη και το Instructable ακολουθεί την ίδια δομή. Θα αναφερθώ στο πρώτο μέρος ως "μυς" καθώς περιλαμβάνει όλα τα ηλεκτρονικά ισχύος και το κύτος των σκαφών. Στη συνέχεια, θα πάω πάνω από το "Brain", το οποίο είναι ένα μικρό κουτί στην κορυφή του σκάφους, που περιέχει τον κύριο ελεγκτή και όλα τα είδη πομπού του δέκτη.

Η προέλευση του Kenterprise

Εντάξει, εδώ είναι το παρασκήνιο αυτού του έργου, αν δεν το έχετε ακούσει ήδη στο βίντεο. Αυτό το έργο ξεκίνησε το 2018 όταν ήμουν ακόμα στο πανεπιστήμιο. Βρισκόμασταν στο τέλος του 4ου εξαμήνου και πήγαμε προς το 5ο. Στο πανεπιστήμιό μας μπορείτε να κάνετε ένα ομαδικό έργο για περίπου 6 μήνες. Μπορείτε είτε να επιλέξετε από μια λίστα προετοιμασμένων έργων (καλή πιθανότητα καλής βαθμολογίας) είτε να ξεκινήσετε το δικό σας έργο (κανείς δεν το έκανε ποτέ στο παρελθόν εν γνώσει μου). Παίρνετε επίσης 12 πόντους για αυτό το έργο, το οποίο αξίζει όσο η πτυχιακή εργασία. Αυτός ο τρόπος αποτυχίας μπορεί πραγματικά να κάνει τη διαφορά στη συνολική βαθμολογία σας.

Φυσικά αποφάσισα να ξεκινήσω ένα έργο από την αρχή και βρήκα 4 φτωχές ψυχές να με ακολουθούν σε αυτό το ταξίδι σε μια φωτιά σκουπιδιών μιας ομάδας έργου. Ξεκινήσαμε με το ελάχιστο απαιτούμενο μέγεθος ομάδας 5 ατόμων, αλλά 2 από εμάς αργότερα φύγαμε. Μας δόθηκαν επίσης 1500 €, ΑΛΛΑ δεν μας επιτρεπόταν να τα ξοδέψουμε σε κανένα από τα υπέροχα κινέζικα διαδικτυακά καταστήματα που διαθέτουν πάντα τα πιο πρόσφατα και καλύτερα ηλεκτρονικά είδη. Αντίθετα, δεσμευτήκαμε με παλιούς καλούς γερμανικούς προμηθευτές ηλεκτρονικών ειδών. Spoiler: Είναι κάπως αδύνατο να πάρεις εξαρτήματα σκάφους που οδηγούν με αυτόν τον τρόπο.

Η αρχική ιδέα

Όταν σκεφτήκαμε μια ιδέα για το έργο, σκεφτήκαμε να κάνουμε κάτι που σχετίζεται με drone επειδή τα drones είναι απλώς το πιο ωραίο πράγμα από ποτέ. Ωστόσο, τα κανονικά ιπτάμενα drones είναι ήδη ένα πράγμα και θέλαμε να δημιουργήσουμε κάτι πιο καινοτόμο. Έτσι αποφασίσαμε να φτιάξουμε ένα σκάφος με drone. Πήραμε αυτήν την ιδέα λόγω μιας κοντινής λίμνης.

Η λίμνη καλύπτει μια έκταση 12χλμ^2 και έχει ως επί το πλείστον μόλις 1,5μ βάθος. Αυτό σημαίνει ότι θερμαίνεται τον καλοκαιρινό μήνα, ενώ υπάρχει και λιγότερο νερό σε αυτό. Ξέρετε ποια μορφή ζωής αγαπά τα ζεστά νερά: τα κυανοβακτήρια, που επίσης αναφέρονται ως μπλε άλγη στη Γερμανία. Υπό τις κατάλληλες συνθήκες αυτά τα πράγματα μπορούν να αναπαραχθούν σε χρόνο μηδέν και να καλύψουν μεγάλες περιοχές παράγοντας τοξίνες που μπορούν να βλάψουν ανθρώπους και ζώα εξίσου. Ο σκοπός του σκάφους ήταν να σαρώνει τακτικά την επιφάνεια της λίμνης και να μετρά τη συγκέντρωση της άλγης. Στη συνέχεια, τα συλλεγόμενα δεδομένα μπορούν να εκτυπωθούν σε έναν θερμικό χάρτη για να κατανοήσουν υπό ποιες συνθήκες δημιουργείται η άλγεα και επίσης να εκδίδουν προειδοποιήσεις σε πραγματικό χρόνο σε ντόπιους και τουρίστες.

Ένας άλλος σπόιλερ: Δεν μπορέσαμε ποτέ να φτιάξουμε ένα συγκρότημα μέτρησης για το μπλε άλγεα και να το τοποθετήσουμε σε μια βάρκα, καθώς αυτά τα συγκροτήματα είναι πολύ δαπανηρά και συνήθως στεγάζονται σε ένα ράφι 1mx1mx2m σε ένα πλοίο, το οποίο είναι μη πρακτικό μέγεθος για 1m μήκος σκάφος. Ο νέος στόχος είναι να δημιουργηθούν αυτόματα και φθηνά χάρτες βάθους από τη λίμνη για να μπορέσει ο τοπικός βιολόγος να δει πώς αλλάζει η κοίτη της λίμνης με την πάροδο του χρόνου. Αυτή τη στιγμή η σάρωση είναι πολύ δαπανηρή λόγω της απαραίτητης χειρωνακτικής εργασίας.

Μια σπείρα προς τα κάτω

Επιστροφή στην ιστορία. Στους δύο πρώτους μήνες της συλλογής των βασικών γνώσεων και του σχεδιασμού εξετάσαμε τι θα χρειαζόταν ένα τέτοιο σκάφος: μια γάστρα, ένα ηλεκτροκίνητο τρένο, δυνατότητες αυτοεξυπηρέτησης, η δυνατότητα ελέγχου του διαδικτύου,…. Τότε ήταν που αποφάσισα ότι πρέπει να κατασκευάζουμε σχεδόν τα πάντα μόνοι μας, με έμφαση στην αυτόνομη οδήγηση. Αυτή ήταν μια κακή ιδέα, μια ιδέα που ήταν σχεδόν καταδικασμένη να αποτύχει και μαντέψτε τι έκανε; Ακριβώς, 6 μήνες αργότερα είχαμε ρίξει τον χρόνο και τον ιδρώτα μας σε ένα τεράστιο σκάφος RC, το Kenterprise (Infographic στην εικόνα 4). Στο δρόμο δυσκολευτήκαμε με περιορισμένα χρήματα, χωρίς διαθέσιμα ηλεκτρονικά και κακή διαχείριση ομάδας, για τα οποία αναλαμβάνω το μεγαλύτερο μέρος της ευθύνης.

Thereταν λοιπόν, το Kenterprise, ένα αυτόνομο όχημα μέτρησης που δεν ήταν ούτε αυτόνομο ούτε μετρούσε τίποτα. Δεν είναι μεγάλη επιτυχία όπως μπορείτε να δείτε. Weήσαμε στη σχάρα κατά την τελική μας παρουσίαση. Ευτυχώς ο καθηγητής μας αναγνώρισε το έργο που ακούσαμε και μας έδωσε έναν βαθμό εντάξει, χειρότερο από οποιαδήποτε άλλη ομάδα έργου τα τελευταία χρόνια, αλλά εντάξει.

Η αναβάθμιση 2020

Θα θεωρούσα το να αποκαλέσω αυτό το φοιτητικό έργο ως απόλυτη φωτιά σκουπιδιών, αλλά όπως λέει η παλιά παροιμία: "τα σημάδια μιας φωτιάς σκουπιδιών σε κάνουν πιο δυνατό". Αυτή η εμπειρία με βοήθησε πραγματικά να κλιμακώσω κατάλληλα τους στόχους μου και να παραμείνω συγκεντρωμένος σε όλα τα επόμενα έργα μου. Ακόμα μου αρέσει ακόμα η ιδέα ενός μη επανδρωμένου οχήματος που μπορεί να βοηθήσει τους βιολόγους να κάνουν έρευνες στη λίμνη και τη γενική έκκληση της κατασκευής ενός αυτοκινούμενου σκάφους. Αυτός είναι ο λόγος που τώρα, ένα χρόνο αργότερα, ήθελα να το τελειώσω χρησιμοποιώντας τις πρόσφατα αποκτηθείσες γνώσεις μου για FPV drone, το όμορφο Open Source Project ArduPilot και τη δύναμη των φτηνών ηλεκτρονικών ιστότοπων.

Ο στόχος δεν ήταν να το μετατρέψουμε σε ένα πλήρες σκάφος μέτρησης, αλλά να θέσουμε σε λειτουργία όλα τα συστήματα και να εγκαταστήσουμε έναν αυτόματο πιλότο. Δεν χρειάζεται να είναι τέλειο. Justθελα απλώς να δω αυτό το σκάφος να οδηγεί ως απόδειξη της ιδέας.

Στη συνέχεια, θα περάσω το αυτόνομο σκάφος WORKING στο πανεπιστήμιο για μελλοντικά έργα όπως η χαρτογράφηση του βυθού. Παρεμπιπτόντως, δεν ήμουν μόνος. Ο φίλος μου Ammar, ο οποίος ήταν επίσης στην ομάδα του έργου το 2018 με βοήθησε να δοκιμάσω το σκάφος.

Χωρίς άλλη καθυστέρηση, ας μπούμε σε αυτό

Βήμα 1: Μύες: η γάστρα

Η γάστρα είναι το μεγαλύτερο μέρος του σκάφους. Όχι μόνο λόγω των τεράστιων διαστάσεών του (100cm*80cm) αλλά και επειδή χρειάστηκε πολύς χρόνος για να κατασκευαστεί αυτή η προσαρμοσμένη δομή. Αν το έκανα ξανά, σίγουρα θα πήγαινα για τα μέρη του ραφιού. Ένα σκάφος RC εκτός ράφι δεν ήταν δυστυχώς στις κάρτες για εμάς, καθώς αυτά τα σκάφη έχουν πολύ περιορισμένη ικανότητα ωφέλιμου φορτίου. Κάτι σαν bodyboard ή σανίδα του σερφ ή απλά δύο σωλήνες PVC από το κατάστημα υλικού θα ήταν μια πολύ απλούστερη λύση που μπορώ μόνο να συστήσω.

Τέλος πάντων, η γάστρα μας ξεκίνησε με ένα τρισδιάστατο μοντέλο στο Fusion 360. Έφτιαξα ένα πολύ λεπτομερές μοντέλο και πέρασα από πολλαπλές επαναλήψεις προτού αρχίσουμε να το κατασκευάζουμε. Φρόντισα να δώσω σε κάθε στοιχείο του μοντέλου τα κατάλληλα βάρη και μάλιστα διαμόρφωσα το εσωτερικό. Αυτό μου επέτρεψε να γνωρίζω το κατά προσέγγιση βάρος του σκάφους πριν το κατασκευάσω. Έκανα επίσης μερικές βαθμονομήσεις πλευστότητας εισάγοντας μια "γραμμή νερού", κόβοντας το όχημα με αυτό και υπολογίζοντας τον όγκο που ήταν υποβρύχιος. Το σκάφος είναι καταμαράν καθώς αυτό το είδος οχήματος υπόσχεται υψηλότερη σταθερότητα, στη συνέχεια ένα σκάφος με ένα κύτος.

Μετά από πολλές ώρες μοντελοποίησης ξεκινήσαμε να ζωντανεύουμε το σκάφος κόβοντας το βασικό σχήμα των δύο σκαφών από πλάκες πολυστερίνης. Στη συνέχεια κόπηκαν σε σχήμα, γέμισαν τρύπες και εκτελέσαμε πολύ λείανση. Η γέφυρα που συνδέει τα δύο κύτη είναι απλώς ένα μεγάλο ξύλινο κουτί.

Καλύψαμε τα πάντα με 3 στρώματα από γυαλί από ίνες. Αυτό το βήμα χρειάστηκε περίπου 3 εβδομάδες και περιελάμβανε ημέρες χειροκίνητης λείανσης για να αποκτήσετε μια αξιοπρεπώς λεία επιφάνεια (το 0/10 δεν θα το συνιστούσα). Μετά το βάψαμε σε ένα ωραίο κίτρινο και προσθέσαμε το όνομα "Kenterprise". Το όνομα είναι ένας συνδυασμός της γερμανικής λέξης "kentern" που μεταφράζεται σε βύθιση και του διαστημοπλοίου Star Trek "USS Enterprise". Όλοι πιστεύαμε ότι αυτό το όνομα είναι απολύτως κατάλληλο για το τερατώδες που δημιουργήσαμε.

Βήμα 2: Μύες: Σύστημα πρόωσης

Ένα σκάφος χωρίς κινητήρες ή πανιά έχει τα οδηγικά χαρακτηριστικά ενός τεμαχίου παρασυρόμενου ξύλου. Επομένως έπρεπε να προσθέσουμε ένα σύστημα πρόωσης στο άδειο κύτος.

Θα ήθελα να σας δώσω ένα άλλο σπόιλερ: Οι κινητήρες που επιλέγουμε είναι πολύ ισχυροί. Θα περιγράψω την τρέχουσα λύση και τις αδυναμίες της και θα προτείνω επίσης ένα εναλλακτικό σύστημα πρόωσης.

Η τρέχουσα λύση

Δεν ξέραμε πραγματικά πόση ώθηση χρειαζόταν το σκάφος, οπότε πήραμε δύο από αυτά τα μοτέρ αγωνιστικών σκαφών. Καθένα από αυτά προορίζεται να τροφοδοτήσει ένα αγωνιστικό σκάφος RC μήκους 1 μέτρου και το αντίστοιχο ηλεκτρονικό χειριστήριο ταχύτητας (ESC) μπορεί να αποδίδει συνεχώς 90Α (αυτή η κατανάλωση θα εξαντλήσει μια μεγάλη μπαταρία αυτοκινήτου σε μία ώρα).

Απαιτούν επίσης ψύξη με νερό. Συνήθως συνδέετε απλώς το ESC και το μοτέρ με κάποια σωλήνωση, βάζετε την είσοδο στο μπροστινό μέρος του σκάφους και τοποθετείτε την έξοδο μπροστά από την προπέλα. Με αυτόν τον τρόπο η προπέλα τραβά το νερό της λίμνης μέσω του συστήματος ψύξης. Ωστόσο, η εν λόγω λίμνη δεν είναι πάντα καθαρή και αυτή η λύση μπορεί να φράξει το σύστημα ψύξης και να προκαλέσει βλάβη στον κινητήρα ενώ βρίσκεστε στη λίμνη. Γι 'αυτό αποφασίσαμε να πάμε για έναν εσωτερικό βρόχο ψύξης που αντλεί το νερό μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας στην κορυφή του κύτους (εικόνα 3).

Προς το παρόν το σκάφος έχει δύο μπουκάλια νερού ως δεξαμενές και χωρίς εναλλάκτη θερμότητας. Οι δεξαμενές απλώς αυξάνουν τη θερμική μάζα, οπότε οι κινητήρες χρειάζονται πολύ περισσότερο χρόνο για να ζεσταθούν.

Ο άξονας του κινητήρα συνδέεται με το στήριγμα μέσω δύο γενικών αρθρώσεων, ενός άξονα και ενός λεγόμενου αυλακωτού σωλήνα, που προορίζεται να κρατήσει το νερό έξω. Μπορείτε να δείτε μια πλευρική άποψη αυτής της διάταξης στη δεύτερη εικόνα. Ο κινητήρας είναι τοποθετημένος υπό γωνία με βάση εκτύπωσης 3D και εκτυπώνονται επίσης τα στηρίγματα (επειδή έσπασα τα παλιά). Wasμουν πολύ έκπληκτος όταν έμαθα ότι αυτά τα στηρίγματα μπορούν να αντέξουν τις δυνάμεις των κινητήρων. Για να υποστηρίξω τη δύναμή τους, έκανα τις λεπίδες πάχους 2mm και τις εκτύπωσα με 100% γέμισμα. Ο σχεδιασμός και η εκτύπωση των στηριγμάτων είναι στην πραγματικότητα μια πολύ καλή ευκαιρία για να δοκιμάσετε διαφορετικά είδη στηρίξεων και να βρείτε το πιο αποτελεσματικό. Επισυνάπτω τα τρισδιάστατα μοντέλα των στηριγμάτων μου.

Μια πιθανή Εναλλακτική

Οι δοκιμές έδειξαν ότι το σκάφος χρειάζεται μόνο το 10-20% του εύρους του γκαζιού για να κινηθεί αργά (με ταχύτητα 1m/s). Πηγαίνοντας κατευθείαν στο 100% γκάζι προκαλεί μια τεράστια ακίδα ρεύματος, που απενεργοποιεί εντελώς ολόκληρο το σκάφος. Επίσης, η απαίτηση ενός συστήματος ψύξης είναι αρκετά ενοχλητική.

Μια καλύτερη λύση θα μπορούσε να είναι τα λεγόμενα thrusters. Ένα προωθητικό έχει τον κινητήρα απευθείας συνδεδεμένο με την προπέλα. Στη συνέχεια ολόκληρο το συγκρότημα βυθίζεται και επομένως ψύχεται. Εδώ είναι ένας σύνδεσμος προς ένα μικρό προωθητήριο με το αντίστοιχο ESC. Αυτό μπορεί να παρέχει ένα μέγιστο ρεύμα 30 A, το οποίο φαίνεται σαν ένα πιο κατάλληλο μέγεθος. Πιθανότατα θα δημιουργήσει μικρότερες αιχμές ρεύματος και το γκάζι δεν χρειάζεται να είναι τόσο περιορισμένο.

Βήμα 3: Μύες: Διεύθυνση

Η πρόωση είναι δροσερή, αλλά ένα σκάφος πρέπει επίσης να στρίψει. Υπάρχουν πολλοί τρόποι για να το πετύχετε. Οι δύο πιο συνηθισμένες λύσεις είναι το Rudders και η διαφορική ώση.

Ο Rudders φαινόταν μια προφανής λύση, οπότε το πήγαμε. Μοντελοποίησα ένα συγκρότημα πηδαλίου στο Fusion και εκτύπωσα 3D τα πηδάλια, τους μεντεσέδες και μια βάση σερβο. Για τα servos επιλέγουμε δύο μεγάλα Servos 25 κιλών για να βεβαιωθούμε ότι τα σχετικά μεγάλα πηδάλια ήταν σε θέση να αντέξουν την έλξη του νερού. Στη συνέχεια, το σερβιτόρο τοποθετήθηκε μέσα στο κύτος και συνδέθηκε με το πηδάλιο εξωτερικά μέσω μιας τρύπας χρησιμοποιώντας λεπτά σύρματα. Επισυνάπτω ένα βίντεο με τα πηδάλια σε δράση. Είναι πολύ ευχάριστο να βλέπεις αυτό το μηχανικό συγκρότημα να κινείται.

Παρόλο που τα πηδάλια έδειχναν υπέροχα, οι πρώτες δοκιμές οδήγησαν στην αποκάλυψη ότι η ακτίνα στροφής μαζί τους είναι περίπου 10 μέτρα, κάτι που είναι απλώς τρομερό. Επιπλέον, τα πηδάλια τείνουν να αποσυνδέονται από τα servos, καθιστώντας το σκάφος ανίκανο να κατευθύνει. Το τελευταίο αδύναμο σημείο είναι η τρύπα για αυτά τα καλώδια. Αυτή η τρύπα ήταν τόσο κοντά στο νερό, ώστε η αναστροφή του έκανε να βυθιστεί, πλημμυρίζοντας επομένως το εσωτερικό του κύτους.

Αντί να προσπαθώ να διορθώσω αυτά τα ζητήματα, αφαίρεσα τα πηδάλια όλα μαζί, έκλεισα τις τρύπες και πήγα για μια διαφορική λύση ώσης. Με διαφορική ώση, οι δύο κινητήρες στρίβουν προς την αντίθετη κατεύθυνση για να κάνουν το όχημα να στρίψει. Καθώς το σκάφος είναι σχεδόν τόσο φαρδύ όσο και κοντό και οι κινητήρες τοποθετούνται πολύ μακριά από το κέντρο, αυτό επιτρέπει τη στροφή επί τόπου. Απαιτεί μόνο λίγη εργασία διαμόρφωσης (προγραμματισμός των ESC και του κύριου ελεγκτή). Λάβετε υπόψη ότι ένα σκάφος που χρησιμοποιεί διαφορική ώθηση θα κινείται σε κύκλους εάν ένας από τους κινητήρες αποτύχει. Mightσως να το έζησα μία ή δύο φορές λόγω του τρέχοντος προβλήματος ακίδων που περιγράφεται στο προηγούμενο βήμα.

Βήμα 4: Μύες: Μπαταρία

Μου φαίνεται ότι τα RC Components, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται σε αυτό το σκάφος, μπορούν να τροφοδοτηθούν με σχεδόν οτιδήποτε, από μπαταρία ρολογιού μέχρι τον πυρηνικό σταθμό. Προφανώς αυτό είναι λίγο υπερβολή, αλλά έχουν αρκετά μεγάλο εύρος τάσης. Αυτό το εύρος δεν είναι γραμμένο στα φύλλα δεδομένων, τουλάχιστον όχι σε Volt. Είναι κρυμμένο στην αξιολόγηση S. Αυτή η βαθμολογία περιγράφει πόσες μπαταρίες σε σειρά μπορεί να χειριστεί. Στις περισσότερες περιπτώσεις αναφέρεται σε κύτταρα πολυμερούς λιθίου (LiPo). Αυτά έχουν τάση 4,2V όταν φορτίζονται πλήρως και τάση περίπου 3V όταν είναι άδεια.

Οι κινητήρες σκαφών ισχυρίζονται ότι είναι σε θέση να χειριστούν 2s έως 6s που μεταφράζεται σε εύρος τάσης 6V μέχρι 25.2V. Αν και δεν θα εμπιστευόμουν πάντα το ανώτερο όριο, καθώς είναι γνωστό ότι ορισμένοι κατασκευαστές τοποθετούν εξαρτήματα στις σανίδες τους που μπορούν να αντέξουν μόνο χαμηλότερες τάσεις.

Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει μεγάλη ποικιλία χρήσιμων μπαταριών εφόσον μπορούν να αποδώσουν το απαιτούμενο ρεύμα. Και πραγματικά πέρασα μερικές διαφορετικές μπαταρίες πριν φτιάξω μια κατάλληλη. Εδώ είναι μια γρήγορη περιγραφή των τριών επαναλήψεων μπαταρίας που πέρασε το σκάφος (μέχρι στιγμής).

1. Μπαταρία LiPo

Όταν σχεδιάζαμε το σκάφος δεν είχαμε ιδέα πόση ενέργεια θα κατανάλωνε. Για την πρώτη μπαταρία επιλέγουμε να κατασκευάσουμε ένα πακέτο από τις γνωστές κυψέλες ιόντων λιθίου 18650. Τα συγκολλήσαμε σε ένα πακέτο 4S 10P χρησιμοποιώντας λωρίδες νικελίου. Αυτό το πακέτο έχει εύρος τάσης από 12V έως 16.8V. Κάθε κυψέλη έχει 2200mAh και βαθμολογείται με μέγιστο ρυθμό εκφόρτισης 2C (αρκετά αδύναμο) άρα 2*2200mA. Καθώς υπάρχουν 10 κύτταρα παράλληλα, μπορεί να αποδώσει ρεύματα αιχμής μόλις 44Α και έχει χωρητικότητα 22Ah. Εξοπλίσαμε επίσης τη συσκευασία με έναν πίνακα διαχείρισης μπαταριών (περισσότερα για το BMS αργότερα) που φροντίζει για την εξισορρόπηση φόρτισης και περιορίζει το ρεύμα στα 20Α.

Κατά τη δοκιμή του σκάφους αποδείχθηκε ότι 20Α μέγιστου ρεύματος είναι πολύ μικρότερο από ό, τι καταναλώνουν οι κινητήρες και το BMS έκοβε συνεχώς την ισχύ αν δεν προσέχαμε με το μπαστούνι. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αποφάσισα να γεφυρώσω το BMS και να συνδέσω την μπαταρία κατευθείαν στους κινητήρες για να αποκτήσω τα πλήρη 44Αμπέρ. Κακή ιδέα!!! Ενώ οι μπαταρίες κατάφεραν να αποδώσουν ελαφρώς περισσότερη ισχύ, οι λωρίδες νικελίου, που συνδέουν τα κύτταρα δεν μπορούν να το χειριστούν. Μία από τις συνδέσεις έλιωσε και προκάλεσε το ξύλινο εσωτερικό του σκάφους να βγάλει καπνό.

Ναι, έτσι αυτή η μπαταρία δεν ήταν πραγματικά κατάλληλη.

2. Μπαταρία αυτοκινήτου

Για την απόδειξη της ιδέας μου για το 2020, αποφάσισα να χρησιμοποιήσω μια μεγαλύτερη μπαταρία. Ωστόσο, δεν ήθελα να ξοδέψω επιπλέον χρήματα, οπότε χρησιμοποίησα μια παλιά μπαταρία αυτοκινήτου. Οι μπαταρίες αυτοκινήτων δεν προορίζονται να αποφορτιστούν πλήρως και να φορτιστούν, πρέπει πάντα να διατηρούνται σε πλήρη φόρτιση και να χρησιμοποιούνται μόνο για βραχυκύκλωμα ρεύματος για εκκίνηση ενός κινητήρα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ονομάζονται μπαταρίες εκκίνησης. Η χρήση τους ως μπαταρία για ένα όχημα RC μειώνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής τους. Υπάρχει ένας άλλος τύπος μπαταρίας μολύβδου που συχνά έχει τον ίδιο παράγοντα μορφής και είναι ειδικά σχεδιασμένος για να αποφορτίζεται και να φορτίζεται πολλές φορές που ονομάζεται μπαταρία βαθύς κύκλου.

Γνώριζα καλά τις σύντομες εξορμήσεις της μπαταρίας μου, αλλά ήθελα να δοκιμάσω γρήγορα το σκάφος και έτσι κι αλλιώς η μπαταρία ήταν παλιά. Λοιπόν, επέζησε 3 κύκλους. Τώρα η τάση πέφτει από 12V σε 5V όποτε χτυπάω το γκάζι.

3. Μπαταρία LiFePo4

«Η τρίτη φορά είναι γούρι» λένε. Καθώς ακόμα δεν ήθελα να ξοδέψω τα δικά μου χρήματα, ζήτησα βοήθεια από το πανεπιστήμιο. Σίγουρα είχαν όλη την μπαταρία των ονείρων μου. Η Uni μας λαμβάνει μέρος στον διαγωνισμό "Formula Student Electic" και επομένως διαθέτει ηλεκτρικό αγωνιστικό αυτοκίνητο. Η αγωνιστική ομάδα προηγουμένως άλλαξε από τα κελιά LiFePo4 σε 18650 κελιά LiPo καθώς είναι ελαφρύτερα. Έχουν λοιπόν μια συλλογή από πολλαπλά χρησιμοποιημένα κελιά LiFePo4 που δεν χρειάζονται πια.

Αυτά τα κύτταρα διαφέρουν από τα κύτταρα LiPo ή LiIon στο εύρος τάσης τους. Έχουν ονομαστική τάση 3,2V και κυμαίνεται από 2,5V έως 3,65V. Συγκέντρωσα 3 από αυτά τα κύτταρα 60Ah σε μια συσκευασία 3S. Αυτό το πακέτο μπορεί να προσφέρει μέγιστα ρεύματα 3C aka. 180A και έχει μέγιστη τάση μόλις 11V. Αποφάσισα να πάω για χαμηλότερη τάση συστήματος για να μειώσω το ρεύμα του κινητήρα. Αυτό το πακέτο μου επέτρεψε τελικά να οδηγήσω το σκάφος για περισσότερα από 5 λεπτά και να δοκιμάσω τις ικανότητες αυτο -οδήγησης.

Λίγα λόγια για τη φόρτιση της μπαταρίας και την ασφάλεια

Οι μπαταρίες συγκεντρώνουν ενέργεια. Η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα και αν αυτή η θερμότητα πάρει τη μορφή φωτιάς μπαταρίας, έχετε πρόβλημα στο χέρι σας. Γι 'αυτό πρέπει να αντιμετωπίζετε τις μπαταρίες με τον σεβασμό που τους αξίζει και να τις εξοπλίζετε με τα κατάλληλα ηλεκτρονικά.

Οι μπαταρίες έχουν 3 τρόπους να πεθάνουν.

1. Εκφόρτιση κάτω από την ελάχιστη ονομαστική τάση (ψυχρός θάνατος)
2. φόρτιση πάνω από τη μέγιστη ονομαστική τους τάση (μπορεί να προκαλέσει οίδημα, φωτιά και εκρήξεις)
3. αντλώντας πολύ ρεύμα ή βραχυκυκλώνοντάς τα (οπότε πρέπει πραγματικά να εξηγήσω γιατί αυτό μπορεί να είναι κακό)

Ένα σύστημα διαχείρισης μπαταριών αποτρέπει όλα αυτά τα πράγματα, γι 'αυτό πρέπει να τα χρησιμοποιήσετε.

Βήμα 5: Μύες: Καλωδίωση

Η καλωδίωση για το μυϊκό τμήμα εμφανίζεται στην πρώτη εικόνα. Στο κάτω μέρος έχουμε την μπαταρία που πρέπει να λιώσει με μια κατάλληλη ασφάλεια (αυτή τη στιγμή δεν υπάρχει). Πρόσθεσα δύο εξωτερικές επαφές για τη σύνδεση ενός φορτιστή. Θα ήταν καλή ιδέα να τα αντικαταστήσετε με μια κατάλληλη υποδοχή XT60.

Στη συνέχεια, έχουμε έναν μεγάλο διακόπτη μπαταρίας, ο οποίος συνδέει το υπόλοιπο σύστημα με την μπαταρία. Αυτός ο διακόπτης έχει ένα πραγματικό κλειδί και επιτρέψτε μου να σας πω, είναι τόσο ικανοποιητικό να το γυρίζετε και να βλέπετε το σκάφος να ζωντανεύει.

Ο εγκέφαλος συνδέεται με τις μπαταρίες στη γείωση, ενώ οι ESC και οι Servos χωρίζονται με αντίσταση διακλάδωσης. Αυτό επιτρέπει τη μέτρηση του ρεύματος μέσω της μικρής πορτοκαλί σύνδεσης καθώς προκαλεί μια μικρή πτώση τάσης πάνω από την αντίσταση διακλάδωσης. Η υπόλοιπη καλωδίωση είναι απλώς κόκκινη σε κόκκινη και μαύρη σε μαύρη. Καθώς τα servos δεν χρησιμοποιούνται πλέον, μπορούν απλά να αγνοηθούν. Οι αντλίες ψύξης είναι το μόνο συστατικό του σκάφους που απαιτεί ακριβώς 12V και δεν φαίνεται να λειτουργούν καλά εάν η τάση είναι υψηλότερη ή χαμηλότερη από αυτήν. Συνεπώς, χρειάζονται Ρυθμιστή εάν η τάση της μπαταρίας είναι πάνω από 12V ή ένας μετατροπέας ανύψωσης αν είναι κάτω από αυτήν.

Με το τιμόνι και τα δύο καλώδια σήματος ESC θα πηγαίνανε στο ίδιο κανάλι στον εγκέφαλο. Ωστόσο, το σκάφος χρησιμοποιεί τώρα διαφορική ώθηση. ολίσθηση, έτσι κάθε ESC πρέπει να έχει το δικό της ξεχωριστό κανάλι και τα servos δεν χρειάζονται καθόλου.

Βήμα 6: Εγκέφαλος: Συστατικά

Ο εγκέφαλος είναι ένα μεγάλο κουτί γεμάτο ενδιαφέροντα ηλεκτρονικά. Πολλά από αυτά μπορούν να βρεθούν σε αγωνιστικά μη επανδρωμένα αεροσκάφη FPV, και μερικά από αυτά πραγματικά αφαιρέθηκαν από το δικό μου drone. Η πρώτη εικόνα δείχνει όλες τις ηλεκτρονικές ενότητες. Είναι στοιβαγμένα τακτοποιημένα το ένα πάνω στο άλλο χρησιμοποιώντας ορειχάλκινες εκκρεμότητες PCB. Αυτό είναι δυνατό επειδή τα στοιχεία FPV διατίθενται σε ειδικούς παράγοντες που αναφέρονται ως τοποθεσία στοίβας. Από κάτω προς τα πάνω η στοίβα μας περιέχει τα εξής:

Πίνακας Διανομής Ενέργειας (ΠΣΠ)

Αυτό το πράγμα κάνει ακριβώς αυτό που υποδηλώνει το όνομα και κατανέμει τη δύναμη. Δύο καλώδια από την μπαταρία μπαίνουν και προσφέρει πολλά μαξιλάρια συγκόλλησης για τη σύνδεση διαφορετικών μονάδων στην μπαταρία. Αυτό το PDB προσφέρει επίσης ρυθμιστή 12V και 5V.

Ελεγκτής πτήσης (FC)

Ο ελεγκτής πτήσης τρέχει το υλικολογισμικό ArduPilot Rover. Κάνει μια ποικιλία πραγμάτων. Ελέγχει τους ελεγκτές κινητήρα μέσω πολλών εξόδων PWM, παρακολουθεί την τάση και το ρεύμα της μπαταρίας, συνδέεται με τους διαφορετικούς αισθητήρες και συσκευές εισόδου και εξόδου και διαθέτει επίσης γυροσκόπιο. Θα μπορούσατε να πείτε ότι αυτή η μικρή ενότητα είναι ο πραγματικός εγκέφαλος.

Δέκτης RC

Ο δέκτης είναι συνδεδεμένος σε τηλεχειριστήριο. Στην περίπτωσή μου, είναι ένα τηλεχειριστήριο FlySky για αεροπλάνα RC που έχει δέκα κανάλια και δημιουργεί ακόμη και αμφίδρομη επικοινωνία, ώστε το τηλεχειριστήριο να μπορεί επίσης να λαμβάνει σήματα από τον δέκτη. Τα σήματα εξόδου πηγαίνουν κατευθείαν στο FC μέσω ενός μόνο καλωδίου χρησιμοποιώντας το λεγόμενο πρωτόκολλο I-bus.

Πομπός βίντεο (VTX)

Το κουτί του εγκεφάλου διαθέτει μια μικρή αναλογική κάμερα. Το σήμα βίντεο της κάμερας διαβιβάζεται στο FC που προσθέτει μια οθόνη στην οθόνη (OSD) στη ροή βίντεο, που περιέχει πληροφορίες όπως η τάση της μπαταρίας. Στη συνέχεια μεταβιβάζεται στο VTX το οποίο το μεταδίδει σε ειδικό δέκτη 5,8GHz στο άλλο άκρο. Αυτό το μέρος δεν είναι απολύτως απαραίτητο, αλλά είναι ωραίο να μπορείτε να δείτε αυτό που βλέπει το σκάφος.

Στην κορυφή του κουτιού υπάρχουν μια δέσμη κεραιών. Το ένα είναι από το VTX, δύο από το δέκτη RC. Οι άλλες δύο κεραίες είναι τα ακόλουθα στοιχεία.

Ενότητα τηλεμετρίας

Η κεραία 433MHz ανήκει σε μονάδα τηλεμετρίας. Αυτός ο μικρός πομπός είναι μια συσκευή εισόδου/εξόδου που συνδέει το χειριστήριο πτήσης με το σταθμό γείωσης (φορητό υπολογιστή με dongle USB 433MHz). Αυτή η σύνδεση επιτρέπει στον χειριστή να αλλάζει από απόσταση τις παραμέτρους και να λαμβάνει δεδομένα από τους εσωτερικούς και εξωτερικούς αισθητήρες. Αυτός ο σύνδεσμος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον απομακρυσμένο έλεγχο του σκάφους.

GPS και πυξίδα

Το μεγάλο στρογγυλό πράγμα στην κορυφή του σκάφους δεν είναι στην πραγματικότητα μια κεραία. Λοιπόν είναι κάπως, αλλά είναι επίσης μια ολόκληρη μονάδα GPS και μια μονάδα πυξίδας. Αυτό είναι που επιτρέπει στο σκάφος να γνωρίζει τη θέση, την ταχύτητα και τον προσανατολισμό του.

Χάρη στην ανάπτυξη της αγοράς μη επανδρωμένων αεροσκαφών υπάρχει μεγάλη ποικιλία εξαρτημάτων για να διαλέξετε για κάθε ενότητα. Το πιο πιθανό ότι μπορεί να θέλετε να αλλάξετε είναι το FC. Εάν θέλετε να συνδέσετε περισσότερους αισθητήρες και χρειάζεστε περισσότερες εισόδους, υπάρχει μια ποικιλία πιο ισχυρών επιλογών υλικού. Εδώ είναι μια λίστα με όλα τα FC που υποστηρίζει το ArduPilot, υπάρχει ακόμη και ένα βατόμουρο pi εκεί.

Και εδώ είναι μια μικρή λίστα με τα ακριβή συστατικά που χρησιμοποίησα:

• FC: Omnibus F4 V3S Aliexpress
• Δέκτης RC: Flysky FS-X8B Aliexpress
• Σετ πομπού τηλεμετρίας: 433MHz 500mW Aliexpress
• VTX: VT5803 Aliexpress
• GPS και πυξίδα: M8N Aliexpress
• Περίβλημα: 200x200x100 mm IP67 Aliexpress
• Τηλεχειριστήριο: FLYSKY FS-i6X Aliexpress
• Δέκτης βίντεο: Skydroid 5, 8 Ghz Aliexpress

Βήμα 7: Εγκέφαλος: Καλωδίωση

Ο εγκέφαλος παίρνει την τάση λειτουργίας του απευθείας από την μπαταρία. Παίρνει επίσης μια αναλογική τάση από την τρέχουσα διακλάδωση και εξάγει τα σήματα ελέγχου και για τους δύο κινητήρες. Αυτές είναι οι εξωτερικές συνδέσεις που είναι προσβάσιμες από το εξωτερικό του κουτιού του εγκεφάλου.

Το εσωτερικό φαίνεται πολύ πιο μπερδεμένο. Γι 'αυτό έφτιαξα το μικρό διάγραμμα καλωδίωσης στην πρώτη εικόνα. Αυτό δείχνει τις συνδέσεις μεταξύ όλων των διαφορετικών στοιχείων που περιέγραψα στο προηγούμενο βήμα. Έφτιαξα επίσης δύο καλώδια επέκτασης για τα κανάλια εξόδου PWM και τη θύρα USB και τα οδήγησα στο πίσω μέρος του περιβλήματος (βλέπε εικόνα 3).

Για να τοποθετήσω τη στοίβα στο κουτί χρησιμοποίησα μια τρισδιάστατη εκτυπωμένη πλάκα βάσης. Καθώς τα εξαρτήματα (ειδικά το VTX) παράγουν θερμότητα, έβαλα επίσης έναν ανεμιστήρα 40 mm με έναν ακόμη τρισδιάστατο εκτυπωμένο προσαρμογέα. Πρόσθεσα 4 μαύρα πλαστικά κομμάτια στις άκρες για να βιδώσω το κουτί στο σκάφος χωρίς να χρειάζεται να ανοίξω το καπάκι. Επισυνάπτονται τα αρχεία STL για όλα τα μέρη εκτύπωσης 3D. Χρησιμοποίησα εποξειδική και κάποια ζεστή κόλλα για να κολλήσω τα πάντα.

Βήμα 8: Εγκέφαλος: Ρύθμιση ArduPilot

Το Ardupilot Wiki περιγράφει πώς να ρυθμίσετε ένα rover με μεγάλη λεπτομέρεια. Εδώ είναι η τεκμηρίωση του Rover. Εδώ θα χαράξω μόνο την επιφάνεια. Υπάρχουν βασικά τα ακόλουθα βήματα για να λειτουργήσει ένα ArduPilot Rover αφού όλα είναι σωστά συνδεδεμένα:

1. Flash ArduPilot Firmware to FC (Tipp: μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το Betaflight, ένα κοινό FPV drone λογισμικό, για αυτό)
2. Εγκαταστήστε ένα λογισμικό Ground Station όπως το Mission Planner και συνδέστε την πλακέτα (δείτε το περιβάλλον εργασίας χρήστη της αποστολής στην εικόνα 1)

3. Κάντε μια βασική ρύθμιση υλικού

   • βαθμονόμηση γυροσκόπιο και πυξίδα
   • βαθμονόμηση τηλεχειριστηρίου
   • ρύθμιση καναλιών εξόδου

4. Κάντε μια πιο προηγμένη ρύθμιση περνώντας από τη λίστα παραμέτρων (εικόνα 2)

   • αισθητήρα τάσης και ρεύματος
   • χαρτογράφηση καναλιού
   • LED
5. Κάντε μια δοκιμαστική κίνηση και ρυθμίστε τις παραμέτρους για το γκάζι και το τιμόνι (εικόνα 3)

Και μπουμ, έχεις ένα αυτόνομο ρόβερ. Φυσικά, όλα αυτά τα βήματα και οι ρυθμίσεις απαιτούν λίγο χρόνο και πράγματα όπως η βαθμονόμηση της πυξίδας μπορεί να είναι αρκετά κουραστικό, αλλά με τη βοήθεια των εγγράφων, των φόρουμ ArduPilot και των σεμιναρίων YouTube μπορείτε τελικά να φτάσετε εκεί.

Το ArduPilot σας δίνει μια προηγμένη παιδική χαρά με εκατοντάδες παραμέτρους που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για να δημιουργήσετε σχεδόν οποιοδήποτε αυτόνομο όχημα μπορείτε να σκεφτείτε. Και αν σας λείπει κάτι, μπορείτε να συνεργαστείτε με την κοινότητα για να το φτιάξετε καθώς αυτό το υπέροχο έργο είναι ανοιχτού κώδικα. Μπορώ μόνο να σας ενθαρρύνω να το δοκιμάσετε, καθώς αυτός είναι πιθανώς ο ευκολότερος τρόπος για να μπείτε στον κόσμο των αυτόνομων οχημάτων. Αλλά εδώ είναι μια μικρή επαγγελματική συμβουλή: Δοκιμάστε το με ένα απλό όχημα πριν φτιάξετε ένα γιγαντιαίο σκάφος RC.

Ακολουθεί μια μικρή λίστα με τις ρυθμίσεις για προχωρημένους που έκανα για τη συγκεκριμένη ρύθμιση υλικού:

• Αλλαγή χαρτογράφησης καναλιού στο RC MAP

  • Γήπεδο 2-> 3
  • Γκάζι 3-> 2
• Ενεργοποιημένες λυχνίες LED I2C RGB
• Τύπος πλαισίου = Βάρκα

• Ρύθμιση τιμονιού

  • Κανάλι 1 = ThrottleLeft
  • Κανάλι 2 = ThrottleRight
• Κανάλι 8 = FlightMode
• Κανάλι 5 = Οπλισμός/Αφοπλισμός

• Ρυθμίστε την τρέχουσα και την οθόνη μπαταρίας

  • BATT_MONITOR = 4
  • Στη συνέχεια επανεκκινήστε. BATT_VOLT_PIN 12
  • BATT_CURR_PIN 11
  • BATT_VOLT_MULT 11.0

Βήμα 9: Εγκέφαλος: Προσαρμοσμένος ελεγκτής LED

Πρώτο Βραβείο στον Διαγωνισμό Make it Move 2020