Ардуино радиоуправляемая модель лодки своими руками

Этап 1. изготовление основы

Необходимо взять две бутылки и склеить их между собой. Для этого пригодится пистолет с горячим клеем. Чтоб конструкция была прочной, сверху следует приклеить две деревянные палочки от мороженого (можно использовать лопатки для кофе).

Важно! В работе с клеевым пистолетом стоит выбирать именно горячий клей, а не цементный. Второй предназначен только для строительства домов.

Как всё начиналось

Всех приветствую. Я Максим и хочу поделиться информацией о том, как собирал радиоуправляемую подводную лодку без каких-либо знаний об электронике в начале своего пути.

Сам я по образованию художник анимации и компьютерной графики — программированием или электроникой никогда не занимался. У меня имелся только небольшой запас знаний о пайке, которые передал мне мой дед, когда я еще был школьником начальных классов.

Всю жизнь меня интересовала тема подводных исследований, началось всё тогда же, в детстве, с Ж.И. Кусто, а закончилось разработкой игры про подледные океаны Европы. Но, впрочем, сейчас не об этом.

Лодка на пульте управления: что необходимо для сборки?

Сконструировать простейшую лодку на пульте управления можно без дорогого двигателя, электронных деталей и других запчастей.Для того, чтоб игрушечный водный транспорт пришел в действие, достаточно найти простой двигатель. Можно перебрать старые игрушки, где таковой имеется.

Самая сложная деталь, которая понадобится — это электроника. Но и здесь, если проверить непригодные игрушки, можно легко ее найти.

Многие в качестве корпуса будущего транспорта используют пластиковые детали от обычных игрушечных лодок. В нашем случае используются обычные пластиковые бутылки. Чтоб не увеличилась грузоподъемность водного судна, которая, в принципе, и не нужна, можно использовать небольшие бутылки.

Список необходимых материалов, используемых в создании судна:

Из инструментов пригодится:

Начало работ над подлодкой и первые неудачи

Сначала я нашел человека, разбирающегося в подводных лодках не понаслышке, он помогал мне с теорией и тестами.

Далее я сразу приступил писать свой первый код для Arduino. Это был код для управления двумя двигателями подлодки. Два потенциометра: левый управляет общей мощностью двигателей, а правый поворотом подлодки (уменьшает мощность у одного из двигателей, в зависимости от положения потенциометра).

Учитывая, что я еще неделю назад не знал как работают потенциометры, то восторг мой был неописуем. Не останавливаясь на достигнутом я пошел в строительный магазин и в аптеку. В строительном набрал разных полипропиленовых труб, муфт и хомутов, а в аптеке я взял несколько шприцев Жане.

Трубы, соответственно, пошли на корпус подводной лодки, а шприцы на модуль изменения плавучести. Как раз модуль изменения плавучести и оказался самой проблемной частью для меня.

1 модель

Для начала решил выбрать тип корпуса: катамаран. За основу взял данную картинку:

По данной картинке был сделан набросок 3D модели, для того чтобы из нее сделать выкройку в одной замечательной программе pepakura designer:

Но конечно программа не смогла сделать нормальную выкройку по моим слишком криволинейным поверхностям. Пока шло мое обучение, какие все-таки должны быть 3D модели, решил делать без чертежей «на глаз»:

И собственно сама ардуина (самодельная) с драйвером на SI9986:

2 модель

В принципе я был доволен, но стало ясно что моторы требуется менять на один мощный, а направлением управлять рулем.

3 модель

Данную модель я не собрал до конца, но научился делать 3D модели для получения выкроек, а также узнал что такое шпангоуты и их назначение.

По данной модели была сделана выкройка:

Также узнал о отличной замене потолочной плитки: подкладка под ламинат.

У подкладки ряд плюсов по сравнению с потолочкой:

1. Размер листов: 1000 х 500 мм.
2. Различная толщина, я купил толщиной 3 и 5 мм, но использую пока только 5 мм.
3. Отсутствие различного профиля и картинок.
4. Хорошая прочность за счет большей толщины (для 5 мм).

А в остальном очень похожи:

1. Малый вес.
2. Не боятся воды.
3. Низкая цена и доступность.

Клей использовал Титан, но затем перешел на термоклей, с которым сборка ускорилась в несколько раз.

Мотор, руль и вал были куплены магазинные, запчасти от магазинного радиоуправляемого катера. К тому же я научился вплавлять латунные гайки в пластик, и проблемы крепежа двигателя больше не было.

Данный мотор очень прожорлив, и имеет огромный пусковой ток, около 10 А, может и выше. Поэтому я решил сделать драйвер двигателя проще: из 1 полевого транзистора, отказался от заднего хода и упростил разработку платы.

Была разработана, разведена и изготовлена плата управления, состоящая из самодельной ардуины на Atmega328P, радио модуля NRf24L01, драйвера полевого транзистора, нескольких стабилизаторов напряжения. Также плата была протестирована:

Осталось проверить плату с «большим» мотором, и установить в плату, установить сервопривод с обвесом, продумать герметизацию крышки катера и можно будет испытывать на воде.

И конечно делюсь выкройками катеров, с различными габаритами, для желающих собрать:

Катер_v3.1_450х173х85

Катер_v3.1_590х227х112

Катер_v3.1_750х288х142

Продолжение:

Сделал небольшое видео, показывающее все основные этапы сборки катера

Антенна

В качестве антенны я решил использовать esp8266 и управлять подлодкой через смартфон по Wi-Fi. Только вот у китайцев есть большое разнообразие модулей на базе ESP8266, я приобрел три разных, но смог подключить и прошить только один из них —

ESP-01

Корпус

С корпусом была интересная задача — сделать герметичное соединение, которое бы легко разбиралось. Задачу не выполнил, пришлось всё заклеивать намертво. Когда шприц набирает воду — создается давление внутри корпуса и все наши крепления просто выдавливало.

Да, антенна у нас подключается при помощи кабеля и находится в надводном положении, гарантируя надежную связь. Но об антенне чуть позже.

Корпус состоит из полипропиленовых труб 50мм и муфт. Места соединений замазаны герметичной пастой, а сверху, для прочности, залиты термоклеем. В торец вывели носик шприца, герметичный разъем, тумблер включения и два провода для прожекторов. Прожекторы закреплены на носовой затопляемой части, такая конструкция позволила сместить центр тяжести ближе к центру подлодки.

Модуль изменения плавучести

Задачи у этого модуля достаточно простые, набирать воду и выдавливать её обратно по команде. И встал вопрос — как толкать поршень шприца, имея горсть сервоприводов, моторчиков и набор шестерней? Вот так точно толкать не стоит:

Это был первый опыт взаимодействия с шестернями и прочими мелочами. Кстати, я смог переделать сервопривод sg90 под вращение на 360°: сточил фиксатор на главной шестерне, который крутил потенциометр, а сам вал потенциометра приклеил в нулевом положении, чтобы случайно не вращался даже со стёсанным ограничителем.

Это всё равно не помогло решить задачу — я не смог надежно зафиксировать шестерню, взаимодействующую с зубчатой рейкой. Полученный

инженерный

опыт помог мне со второго раза осилить модуль изменения плавучести: я взял более мощную серву, толстую шпильку с резьбой и гайку, которую закрепил на поршне. В этот раз не стал возиться с модификацией сервопривода, решил, что проще использовать внешний драйвер и подключиться напрямую к мотору сервы.

На поршне был размещен лазерный дальномер, чтобы я мог определять в режиме реального времени — в каком он сейчас положении. Ну и опираясь на эти данные о расстоянии, я прописал блокировку поршня, когда он находится в крайних позициях. Возможно, есть и более простые методы определения положения поршня, но я случайно нашел у китайцев очень дешевый модуль — дальномер

VL53L0X

и решил использовать именно его. В итоге остался очень доволен, библиотека простая, работает как надо, советую. Точность в замкнутом пространстве шприца у него где-то 5мм, в принципе, мне этого было достаточно.

При тестировании возникла еще одна проблема — поршень сильно приклеивается к стенкам шприца. Не знаю с чем связано, но для старта движения поршня требуется прикладывать значительное усилие, после начального застревания дальше идет нормально. Перепробовали почти все виды смазок — многие из них сделали только хуже. Именно по этой причине пришлось добавлять алюминиевый каркас для модуля.

Мозги подлодки

Это самая интересная для меня часть. Когда начинал прорабатывать схему, то еще не знал как работают, например, конденсаторы и для чего они нужны. Очень радовался, когда при выключении питания — светодиод на Arduino медленно тускнел за счет ёмкого конденсатора.

На деле же они в схеме пригодились для сглаживания пиков, возникающих в цепи из-за работы коллекторных моторов. Также они нужны для подключения стабилизатора напряжения.

Аккумулятор у нас из двух ячеек, соответственно 8.4 В напряжение идет на моторы, а 5 В после стабилизатора — на Arduino и прочие датчики. Полноразмерная схема (кликабельно):

Сначала многое не получалось только по той причине, что собирал всё на макетной плате. Никак не мог понять почему не работает та или иная часть схемы. В итоге всё начал паять и положительные результаты тестов не заставили себя ждать.

Одна из интересных проблем возникла и с дальномером. Библиотека у него хорошая, но вот если установить режим точности на средний или высокий, то будет тормозиться весь скетч и управление выйдет с пингом в 2000 мс минимум. Из-за этого дальномер у нас в режиме FAST, но его точности все равно хватает для наших задач.

Следующее, с чем я столкнулся, это кабель-менеджмент. Диаметр корпуса 50 мм. Кажется, что этого много, пока не начинаешь пытаться разместить всё внутри. Я использовал прям чрезмерно жирные кабели, предназначенные для аудио, что меня сильно подвело. Хотелось именно медные, так как удобно их паять, и чтобы не переламывались, как, например, алюминиевые. В следующий раз на поиски хороших проводов уделю больше времени.

Далее сложности возникли только с антенной.

Моторы

С двигательной системой я остановился на самом простом решении и взял готовые подводные моторы. До этого опробовал вариант с мотором внутри корпуса. Заказал дейдвудную трубку в наборе с валом и винтами, но по мере изучения вопроса выяснилось, что для моих целей нужна целая система: сложный сальник, фланцы и т.д.

В будущем планирую использовать только подводные моторы, скорее всего бесколлекторные. На данный момент используются вот такие, коллекторные:

Управляю ими используя ШИМ. Продавец говорит, что они на 8 метров глубины максимум, что, опять же, накладывает некоторые ограничения сразу.

Пошаговый процесс сборки игрушечной лодки

Собрать игрушечную лодку на пульте управления можно всего за несколько шагов.

Тестирование

Тестирование проводили на заброшенном карьере с относительно чистой водой. Для тестов нужно было закрепить камеру и настроить подлодке дифферент (вместе с базовой нейтральной плавучестью).

Первую задачу решили просто установкой нужного винта под крепление камеры. Чтобы избежать вращений камеры — добавили немного пластилина.

Дифферент правили мешочком, который оказалось удобно зацеплять за хомут, а уже хомут можно легко перемещать вдоль подлодки. Количеством гаек в мешочке мы настроили нейтральную плавучесть, а дальше уже быстро подобрали положения хомута, чтобы подлодка не клевала носом.

Решение о таком варианте было принято уже перед самой поездкой на карьер, просто напросто не оставалось времени сделать автоматическую систему правки дифферента. Её, в теории, очень легко сделать перемещением груза по резьбовой шпильке. В следующей подлодке опробую именно такой вариант. Вот, пожалуй, и вся подлодка.

Я записал два видеоролика, где более подробно рассказываю о сборке и показываю кадры, которые удалось снять под водой. Приятного просмотра:

Надеюсь, что материал был интересным. Далее будут эксперименты над камерой давления (для проверки герметичности аппаратов) и тесты подводных вёсел. По ним так же подготовлю материал в виде статьи, но уже с графиками и сравнениями тех или иных решений.

Управление и прошивка

Управление осуществляется через интерфейс со смартфона. Интерфейс составил из готовых модулей прямо на сайте, получил исходный код интерфейса, а дальше осталось просто привязать различные элементы интерфейса к действиям внутри прошивки.

Перед получением исходного кода интерфейса, нужно указать в настройках тип модуля беспроводной связи, с которым будет взаимодействовать Arduino. Прошиваем только саму Arduino — с Wi-Fi модулем дальше общение идет автоматическое через AT-команды. Создается точка доступа, подключаетесь к ней со смартфона и управляете через заранее установленное приложение. Интерфейс приходит от Arduino, он зашит в прошивку и распознается уже самим приложением в смартфоне.

Это был мой самый первый код, я прямо тут его оставлять не буду, поскольку там используются только базовые навыки программирования и базовая математика. Были и сложные для меня моменты — я никак не смог с первого раза сделать обычную логическую операцию — чтобы сервопривод шприца при определенных значениях блокировался на движение в одну сторону.

Например, когда доходит до максимального набора воды — поршень должен остановиться на движение назад, но не должен блокироваться на движение вперед. И наоборот, когда вся вода выдавлена, поршень должен не идти вперед, но без проблем выполнять команды на обратный ход.

  if ((RemoteXY.button_1 == 1) && (RemoteXY.button_2 == 0) && (val_f < 100)) {
    pwm_UP = 1;
    pwm_DOWN = 0;
  }

  else if ((RemoteXY.button_1 == 0) && (RemoteXY.button_2 == 1) && (val_f > 25)) {
    pwm_UP = 0;
    pwm_DOWN = 1;
  }
  else {
    pwm_UP = 0;
    pwm_DOWN = 0;
  }

Вот такая логическая конструкция в итоге, где

RemoteXY.button_#

это кнопки в интерфейсе для погружения или всплытия.

Также, из сложного для меня в коде это фильтр значений дальномера (взял один из самых простейших в сети), ну и настройка значений для вольтметра. Фильтр был нужен из-за вышеупомянутого режима FAST у дальномера, входящие значения сильно прыгали и фильтр как раз помог с этим справиться.

А вот вольтметр пригодился для индикации разряда аккумуляторов. На Arduino есть референсный пин, и если на него подавать не больше 1.1 вольт, то Arduino сможет достаточно точно определять подаваемое напряжение на этот пин. 8.4 В после делителя напряжения конвертируем в 1.1 В.

Шаг 1. комплектующие

Для этого проекта нам понадобится не так уж много деталей.

Также нам понадобятся следующие приложения:

Шаг 2. создаем корпус катера или лодки

Обычно всё начинается тогда, когда хочется попробовать управлять моделью катера на радиоуправлении, но покупать подобную модель дорого или нет желания. Поэтому мы переходим к созданию корпуса. Мы нашли рисунки лодки в Интернете и решили сделать его из пены.

Думаем, что проблем с этим не возникнет, да и все любят разные внешние виды катеров и лодок – кто-то любит парусно-моторные, кто-то просто моторные.

Шаг 3. двигатель, штурвал, пропеллер

Следующим шагом мы сделали крепление для двигателя. Также мы сделали рулевое колесо и пропеллер. В конечном итоге их заменили купленные.

Как и написали выше – пропеллер и штурвал заменили купленные элементы.

В итоге мы получили такой результат:

Вал гребного винта с валом двигателя соединен с помощью муфты.

Шаг 4. принципиальная схема

Так как на следующем шаге мы будем размещать электронику на корпусе нам нужно собрать все электронные детали вместе.

Шаг 5. закрепляем электронику

После создания корпуса и крепления – переходим к закреплению всей электроники на корпусе внутри лодки.

Этап 2. установка рабочих двигателей

Для начала понадобится кусок фанеры. На доску нанести чертеж крыла и вырезать в двух экземплярах. Крылья из фанеры необходимы для дальнейшей установки моторчика. Если куска фанеры не нашлось, можно заменить его пенопластом, который и значительно легче фанеры.

Два крыла следует приклеить горячим клеем на верх бутылок. После того, как детали скрепились, на крылья аналогичным образом приклеить моторчики.

Этап 3. финишная сборка игрушечной лодки

Завершальным этапом станет сборка и установка электроники. Чтоб на деталь не попадали брызги воды при списке на воду, следует найти небольшую коробочку.

В нее разместить электронные детали и проводки. Коробочку клеевым пистолетом закрепляем на верхушку основания судна.

Аккумуляторы или батарейки стоит также спрятать под защитный короб (лучше использовать батареи 2200мАч). Также в цепь добавить выключатель, чтоб электроника не работала впустую и не разряжала аккумуляторы.

Этап 4. тест-драйв игрушечного судна

У крыльям необходимо установить воздушные винты и протестировать самодельный катер. Несмотря на свои габариты и вес, лодка выйдет весьма шустрой и быстрой.

Протестировать судно можно дома, в ванной, а лишь затем устраивать ему заплывы на озере.

На этом, игрушечная лодка на пульте управления из подручных средств готова. Собрать такую игрушку можно, не растрачивая семейный бюджет, ведь большинство материалов имеются у каждого в доме.