Makecourse: The Lonely Boat: 11 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Αυτό το διδακτικό δημιουργήθηκε για να εκπληρώσει την απαίτηση έργου του Makecourse στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Φλόριντα (www.makecourse.com).

Είστε νέοι στον σχεδιασμό του Arduino, την τρισδιάστατη εκτύπωση και τον υπολογιστή (CAD); Αυτό το έργο είναι ένας πολύ καλός τρόπος για να μάθετε όλα τα βασικά πίσω από αυτά τα θέματα και προσφέρει χώρο στη δημιουργικότητά σας να το κάνετε δικό σας! Διαθέτει πολλά μοντέλα CAD για τη δομή του σκάφους, μια εισαγωγή σε αυτόνομα συστήματα και εισάγει την έννοια της στεγανοποίησης τρισδιάστατων εκτυπώσεων!

Βήμα 1: Λίστα υλικών

Για να ξεκινήσετε το έργο, πρέπει πρώτα να ξέρετε με τι θα συνεργαστείτε! Ακολουθούν τα υλικά που πρέπει να έχετε πριν ξεκινήσετε:

• 1x μικροελεγκτής Arduino Uno R3 και καλώδιο USB (Amazon Link)
• 1x χειριστήριο μοτέρ L298N (Amazon Link)
• 4x (2 είναι αντίγραφα ασφαλείας) DC κινητήρες 3-6V (Amazon Link)
• 2x 28BYJ-48 Stepper μοτέρ και μονάδες ULN2003 (Amazon Link)
• 1x Φορητός φορτιστής τηλεφώνου για ισχύ (Εδώ είναι αυτός που χρησιμοποίησα, είναι λίγο μεγάλος όμως. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έναν άλλο αν προτιμάτε: Amazon Link)
• 1x υπερηχητικός αισθητήρας HCSR04 (Αυτός ο σύνδεσμος έχει μερικές πρόσθετες λειτουργίες με μερικά καλώδια βραχυκυκλωτήρων: Amazon Link)
• 3x πακέτα καλωδίων Jumper (αρσενικό-θηλυκό, αρσενικό-αρσενικό, θηλυκό-θηλυκό. Amazon Link)
• 1x δοχείο Flex Seal (16 ουγκιές, Amazon Link)
• 1x ταινία ζωγράφου (Amazon Link)
• 1x γυαλόχαρτο Fine Grit (περίπου 300 είναι καλό)
• Λίγα ξυλάκια και βουρτσάκια για εφαρμογή ελαστικής σφράγισης

• Πρόσβαση σε τρισδιάστατη εκτύπωση. (Ακολουθεί ένας σχετικά φθηνός και αποτελεσματικός τρισδιάστατος εκτυπωτής - Amazon Link)

  • Κόκκινο νήμα για τρισδιάστατη εκτύπωση (Amazon Link
  • Μαύρο νήμα για τρισδιάστατη εκτύπωση (Amazon Link)

Μη διστάσετε να προσθέσετε οποιοδήποτε υλικό θα βρείτε για την έκδοση του έργου σας!

Βήμα 2: Ανταλλακτικά και σχεδιασμός με 3D εκτύπωση

Το πρώτο μέρος αυτού του έργου είναι η δημιουργία ενός μηχανικού συστήματος για να λειτουργήσει. Αυτό θα περιλαμβάνει πολλά μέρη, συμπεριλαμβανομένης της γάστρας, του καπακιού, των πτερυγίων, των αξόνων για τους κινητήρες στα πτερύγια, μια βάση για τον αισθητήρα και τον άξονα στον οποίο η βάση του αισθητήρα κάθεται.

Τα εξαρτήματα σχεδιάζονται στο SolidWorks και συναρμολογούνται σε ένα συγκρότημα. Όλα τα αρχεία εξαρτημάτων και η συναρμολόγηση έχουν τοποθετηθεί σε ένα αρχείο zip, το οποίο μπορείτε να βρείτε στο τέλος αυτού του βήματος. Σημειώστε ότι το SolidWorks δεν είναι το μόνο λογισμικό CAD που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε, καθώς πολλά προγράμματα όπως το Inventor και το Fusion360 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για CAD. Θα μπορούσατε να εισαγάγετε μέρη του SolidWorks σε αυτά.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι οι άξονες που συγκρατούν τα πτερύγια είναι ομόκεντροι με τις τρύπες στο κύτος για να αποτρέψουν την κάμψη του άξονα και να τον βγουν κατευθείαν από το σκάφος.

Όλα σε αυτό το έργο είναι τυπωμένα σε 3D (εξαιρούνται τα ηλεκτρικά εξαρτήματα), επομένως οι διαστάσεις είναι σημαντικές. Έδωσα ανοχές περίπου 0,01 ίντσες στα μέρη, για να εξασφαλίσω ότι όλα ταιριάζουν μεταξύ τους (κάπως σαν χαλαρή εφαρμογή). Υπήρχε λιγότερη ανοχή για τους άξονες που πηγαίνουν στον κινητήρα, ώστε να μπορούν να ταιριάζουν άνετα. Τα πτερύγια είναι σφιχτά προσαρμοσμένα στον άξονα, έτσι ώστε όταν ενεργοποιούνται οι κινητήρες, τα πτερύγια να κινούνται και να προωθούν το σκάφος.

Κατά την προβολή του CAD, θα παρατηρήσετε πλατφόρμες για ηλεκτρικά εξαρτήματα. Αυτό γίνεται για να "σκάσουν" τα εξαρτήματα στην πλατφόρμα τους για να τους εμποδίσουν να κινούνται.

Οι μεγαλύτερες εκτυπώσεις είναι η γάστρα και το καπάκι, οπότε φροντίστε να το έχετε αυτό κατά νου όταν σχεδιάζετε. Σως χρειαστεί να το χωρίσετε σε μέρη, καθώς θα ήταν πολύ μεγάλο για εκτύπωση ταυτόχρονα.

Βήμα 3: Κύκλωμα ελέγχου

Εδώ θα συζητήσουμε το ηλεκτρικό κύκλωμα που ελέγχει το σκάφος. Έχω ένα σχηματικό από το Fritzing, το οποίο είναι ένα χρήσιμο λογισμικό που μπορείτε να κατεβάσετε εδώ. Βοηθά στη δημιουργία ηλεκτρικών σχημάτων.

Δεν είναι όλα τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται σε αυτό το έργο στο Fritzing, οπότε αντικαθίστανται. Ο μαύρος φωτοαισθητήρας αντιπροσωπεύει τον αισθητήρα HCSR04 και η μικρή μισή γέφυρα είναι ο ελεγκτής κινητήρα L298N.

Τα HCSR04 και L298N συνδέονται με τις ράγες τροφοδοσίας στο breadboard, οι οποίες με τη σειρά τους συνδέονται με την πλευρά τροφοδοσίας του Arduino (στις ακίδες 5V και στη γείωση). Οι ακίδες ηχώ και σκανδάλης του HCSR04 πηγαίνουν στις ακίδες 12 και 13 του Arduino, αντίστοιχα.

Οι ακίδες ενεργοποίησης (αυτή η ταχύτητα ελέγχου) για το L298 συνδέονται με τις ακίδες 10 και 11 (Ενεργοποίηση A/Motor A) και 5 και 6 (ENB/Motor B). Η ισχύς και η ισχύς για τους κινητήρες συνδέονται στη συνέχεια με θύρες στο L298N.

Το Arduino θα λάβει φυσικά ενέργεια από τον φορητό φορτιστή του τηλεφώνου μας. Όταν το κύκλωμα είναι ενεργοποιημένο, οι κινητήρες ρυθμίζονται στη μέγιστη ταχύτητα σε κατεύθυνση που υπαγορεύει ο αισθητήρας εγγύτητας. Αυτό θα καλυφθεί στο τμήμα κωδικοποίησης. Αυτό θα μετακινήσει το σκάφος.

Βήμα 4: Κωδικός Arduino

Τώρα φτάνουμε στο μυστηριώδες τι κάνει αυτό το έργο να δουλέψει: τον κώδικα! Έχω επισυνάψει ένα αρχείο zip που περιέχει τον κώδικα για αυτό το έργο, το οποίο μπορείτε να βρείτε στο τέλος αυτού του βήματος. Σχολιάζεται πλήρως για να το κοιτάξετε!

- Ο κώδικας που γράφτηκε για το Arduino γράφεται σε ένα πρόγραμμα γνωστό ως περιβάλλον ανάπτυξης ολοκληρωμένου Arduino (IDE). Είναι κάτι που πρέπει να κατεβάσετε από την επίσημη ιστοσελίδα του Arduino, που μπορείτε να βρείτε εδώ. Το IDE είναι γραμμένο στις γλώσσες προγραμματισμού C/C ++.

Ο κωδικός που γράφτηκε και αποθηκεύτηκε μέσω του IDE είναι γνωστός ως σκίτσο. Περιλαμβάνονται στα σκίτσα και τα αρχεία τάξεων και βιβλιοθήκες που μπορείτε να συμπεριλάβετε από το διαδίκτυο ή από αυτά που δημιουργήσατε μόνοι σας. Λεπτομερείς εξηγήσεις για αυτά και τον τρόπο προγραμματισμού στο Arduino μπορείτε να βρείτε εδώ.

- Όπως φαίνεται στην αρχή αυτού του βήματος, έχω ένα βίντεο στο YouTube που περνά από το κύριο σκίτσο του έργου, μπορείτε να το δείτε εδώ! Αυτό θα περάσει από το κύριο σκίτσο και τις λειτουργίες του.

- Τώρα θα περιηγηθώ σύντομα στη βιβλιοθήκη που δημιούργησα για τον έλεγχο του αισθητήρα εγγύτητας. Η βιβλιοθήκη διευκολύνει τη λήψη δεδομένων από τον αισθητήρα με λιγότερες γραμμές κώδικα στο κύριο σκίτσο μου.

Το αρχείο.h (HCSR04.h) είναι αυτό που παραθέτει τις συναρτήσεις και τις μεταβλητές που θα χρησιμοποιήσουμε σε αυτήν τη βιβλιοθήκη και ορίζει ποιος μπορεί να έχει πρόσβαση σε αυτές. Ξεκινάμε με έναν κατασκευαστή, ο οποίος είναι μια γραμμή κώδικα που ορίζει ένα αντικείμενο (στην περίπτωσή μας, τον "HCSR04ProxSensor" που χρησιμοποιούμε) που διατηρεί τιμές που εισάγουμε στις παρενθέσεις. Αυτές οι τιμές θα είναι οι καρφίτσες ηχώ και σκανδάλης που χρησιμοποιούμε, οι οποίες θα είναι συνδεδεμένες με το αντικείμενο αισθητήρα που δημιουργούμε (το οποίο μπορεί να ονομαστεί όπως μας αρέσει συμπεριλαμβάνοντας "HCSR04ProxSensor NameOfOurObject"). Τα πράγματα μέσα στον ορισμό "δημόσιο" μπορούν να έχουν πρόσβαση με οτιδήποτε, τόσο μέσα στη βιβλιοθήκη όσο και έξω (όπως το κύριο σκίτσο μας). Εδώ θα απαριθμήσουμε τις λειτουργίες μας που καλούμε στο κύριο σκίτσο. Στο "ιδιωτικό" αποθηκεύουμε τις μεταβλητές που κάνουν τη βιβλιοθήκη να λειτουργεί. Αυτές οι μεταβλητές μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο από τις συναρτήσεις της βιβλιοθήκης μας. Είναι βασικά ένας τρόπος για τις λειτουργίες μας να παρακολουθούν τις μεταβλητές και τις τιμές που σχετίζονται με κάθε αντικείμενο αισθητήρα που δημιουργούμε.

Τώρα μεταβαίνουμε στο αρχείο "HCSR04.cpp". Εδώ ορίζουμε πραγματικά τις συναρτήσεις και τις μεταβλητές μας και πώς λειτουργούν. Είναι παρόμοιο με το αν γράφατε τον κώδικα στο κύριο σκίτσο σας. Σημειώστε ότι οι συναρτήσεις πρέπει να καθορίζονται για αυτό που επιστρέφουν. Για "readSensor ()", θα επιστρέψει έναν αριθμό (ως float), οπότε ορίζουμε σήμανση της συνάρτησης με "float HCSR04ProxSensor:: readSensor ()". Σημειώστε ότι πρέπει να συμπεριλάβουμε το "HCSR04ProxSensor::", το όνομα του αντικειμένου που σχετίζεται με αυτήν τη συνάρτηση. Ορίζουμε τις καρφίτσες μας χρησιμοποιώντας τον κατασκευαστή μας, βρίσκουμε την απόσταση ενός αντικειμένου χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση "readSensor ()" και λαμβάνουμε την τελευταία τιμή ανάγνωσής μας με τη συνάρτηση "getLastValue ()".

Βήμα 5: Εκτύπωση 3D όλων των εξαρτημάτων και συναρμολόγησης

Μόλις εκτυπωθούν τα δύο κομμάτια της γάστρας, μπορείτε να τα κολλήσετε με ταινία ζωγραφικής. Αυτό πρέπει να το κρατήσει ενωμένο. Στη συνέχεια, μπορείτε να συναρμολογήσετε όλα τα άλλα μέρη κανονικά με βάση το σχεδιασμό CAD.

Οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές λειτουργούν με κωδικό g, τον οποίο μπορείτε να λάβετε χρησιμοποιώντας ένα λογισμικό κοπής που συνοδεύει τον εκτυπωτή. Αυτό το λογισμικό θα λάβει. Οι δημοφιλείς τεμαχιστές εκτύπωσης 3D περιλαμβάνουν Cura, FlashPrint και πολλά άλλα!

Κατά την εκτύπωση 3D, είναι σημαντικό να γνωρίζετε ότι χρειάζεται πολύς χρόνος, οπότε φροντίστε να σχεδιάσετε ανάλογα. Για να αποφύγετε τους μεγάλους χρόνους εκτύπωσης και τα βαρύτερα μέρη, μπορείτε να εκτυπώσετε με πλήρωση περίπου 10%. Λάβετε υπόψη ότι μια υψηλότερη πλήρωση θα βοηθήσει στο να μην εισβάλει το νερό στην εκτύπωση, καθώς θα υπάρχουν λιγότεροι πόροι, αλλά αυτό θα κάνει τα μέρη βαρύτερα και θα διαρκέσει περισσότερο.

Σχεδόν όλες οι εκτυπώσεις 3D δεν είναι κατάλληλες για νερό, οπότε πρέπει να τις στεγανοποιήσουμε. Σε αυτό το έργο, επέλεξα την εφαρμογή Flex Seal, καθώς είναι αρκετά απλό και λειτουργεί εξαιρετικά καλά για να κρατήσει το νερό από την εκτύπωση.

Βήμα 6: Στεγανοποίηση της εκτύπωσης

Η στεγανοποίηση αυτής της εκτύπωσης είναι σημαντική, καθώς δεν θέλετε να καταστραφούν τα ακριβά ηλεκτρονικά σας!

Για αρχή, θα τρίψουμε το εξωτερικό και το κάτω μέρος της γάστρας. Αυτό γίνεται για να δημιουργηθούν αυλακώσεις για να εισχωρήσει η εύκαμπτη σφραγίδα, παρέχοντας καλύτερη προστασία. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε γυαλόχαρτο με υψηλή άμμο/λεπτό γυαλόχαρτο. Προσέξτε να μην τρίψετε πολύ, μερικές πινελιές πρέπει να είναι εντάξει.

Βήμα 7: Τρίψτε το κύτος

Θα ξέρετε πότε πρέπει να σταματήσετε όταν δείτε ότι αρχίζουν να εμφανίζονται οι λευκές γραμμές.

Βήμα 8: Εφαρμόστε Flex Seal

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα ξυλάκι ή ένα πινέλο για να εφαρμόσετε την ελαστική σφράγιση. Φροντίστε να μην χάσετε κανένα σημείο και να είστε προσεκτικοί. Μπορείτε απλά να βυθίσετε το εργαλείο σας στο ανοιχτό δοχείο και να το τρίψετε στο κύτος.

Βήμα 9: Αφήστε το Flex Seal Sit

Τώρα περιμένουμε! Συνήθως χρειάζονται περίπου 3 ώρες για να στεγνώσει αρκετά η ελαστική σφράγιση, αλλά θα το άφηνα να καθίσει για 24 ώρες για να είμαι σίγουρος. Μπορείτε να εφαρμόσετε ένα άλλο στρώμα εύκαμπτης σφράγισης μόλις τελειώσει το στέγνωμα για να προστατέψετε ακόμη περισσότερο τη γάστρα, αλλά αυτό είναι λίγο υπερβολικό (1 στρώση λειτούργησε πολύ για μένα).

Βήμα 10: Συναρμολόγηση και δοκιμή

Τώρα που η σφράγιση κάμψης έχει τελειώσει, θα σας συνιστούσα να δοκιμάσετε τη γάστρα σε νερό πριν προσθέσετε τα ηλεκτρικά εξαρτήματα (αν η γάστρα δεν είναι αδιάβροχη, αυτό θα μπορούσε να προκαλέσει προβλήματα στο Arduino σας!). Απλώς πηγαίνετε στο νεροχύτη ή στην πισίνα σας και δείτε αν το σκάφος μπορεί να επιπλέει για περισσότερα από 5 λεπτά χωρίς διαρροές.

Μόλις βεβαιωθούμε ότι η γάστρα μας είναι αδιάβροχη, μπορούμε να αρχίσουμε να προσθέτουμε όλα μας τα μέρη! Βεβαιωθείτε ότι έχετε συνδέσει σωστά το Arduino, L298N και τα υπόλοιπα εξαρτήματα στις κατάλληλες ακίδες τους.

Προκειμένου να προσαρμοστούν τα καλώδια στους κινητήρες DC, κόλλησα τα αρσενικά καλώδια στα καλώδια του κινητήρα για να διασφαλίσω ότι παραμένουν αναμμένα. Η συγκόλληση είναι επίσης χρήσιμη για να βεβαιωθείτε ότι όλες οι συνδέσεις σας είναι ασφαλείς ή εάν πρέπει να κάνετε μακρύτερο καλώδιο. Εάν δεν έχετε κολλήσει ποτέ πριν, μπορείτε να μάθετε περισσότερα για αυτό εδώ!

Μόλις όλα είναι μαζί, τοποθετήστε όλα τα εξαρτήματα στο κύτος και κάντε μερικές δοκιμές! Θα θέλετε να ελέγξετε ότι ο αισθητήρας λειτουργεί όπως προορίζεται διαβάζοντας τιμές απόστασης στη σειριακή οθόνη, ελέγξτε ότι οι κινητήρες περιστρέφονται σωστά, τέτοια πράγματα.

Βήμα 11: Τελικό προϊόν

Και τώρα τελειώσατε! Ελέγξτε για τυχόν σφάλματα σε μια δοκιμαστική οδήγηση (δοκιμάστε να επιπλέουν το σκάφος και τη γάστρα πριν εφαρμόσετε ηλεκτρονικά) και είστε έτοιμοι!