การสร้างเรือขับเคลื่อนด้วยตนเอง (ArduPilot Rover): 10 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

โครงการฟิวชั่น 360 »

คุณรู้ว่าอะไรเจ๋ง? ยานยนต์ไร้คนขับ. พวกเขาเจ๋งจริง ๆ ที่เรา (เพื่อนร่วมงานในมหาวิทยาลัยของฉันและฉัน) เริ่มสร้างมันขึ้นมาเองในปี 2018 นั่นคือเหตุผลที่ฉันตั้งเป้าไว้ในปีนี้เพื่อทำมันให้เสร็จในเวลาว่างในที่สุด

ในคำแนะนำนี้ ฉันต้องการแบ่งปันโครงการนี้กับคุณและนำคุณไปสู่การสร้างยานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยตนเองของคุณเอง ฉันยังสร้างวิดีโอ YouTube เล็กๆ น้อยๆ ที่ขีดข่วนพื้นผิวของโปรเจ็กต์ และให้ข้อมูลสรุปสั้นๆ เกี่ยวกับอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นระหว่างทาง คำแนะนำนี้เป็นคู่มือที่มีความสัมพันธ์กันซึ่งอธิบายว่าสิ่งนี้ทำงานอย่างไร

คู่มือนี้เหมาะสำหรับใครและอ่านอย่างไร

คำแนะนำนี้มีจุดประสงค์สองประการ ก่อนอื่น ฉันต้องการแบ่งปันสิ่งที่ฉันได้สร้างและเรียนรู้ และทำให้พวกคุณสนใจที่จะสร้างยานพาหนะที่ขับด้วยตนเอง จุดประสงค์รองคือการจัดทำเอกสารโครงการและรายละเอียดส่วนใหญ่เพื่อให้กลุ่มนักศึกษาต่อไปที่มหาวิทยาลัยเก่าของฉันที่รับโครงงานรู้ว่าเกิดอะไรขึ้น

หากคุณมาที่นี่เพื่อความสนุกสนาน คุณไม่ต้องสนใจรายละเอียด เช่น รายการพารามิเตอร์และไดอะแกรมการเดินสายที่แม่นยำ ฉันจะพยายามรักษาขั้นตอนทั่วไปเอาไว้ในตอนเริ่มต้น เพื่อให้สามารถนำไปใช้กับเรือ ArduPilot RC และใส่รายละเอียดในตอนท้าย

โครงการเสร็จสิ้นในสองส่วนและ Instructable เป็นไปตามโครงสร้างเดียวกัน ฉันจะพูดถึงส่วนแรกว่า "กล้ามเนื้อ" เพราะมันรวมเอาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและตัวเรือทั้งหมด จากนั้นฉันจะไปที่ "สมอง" ซึ่งเป็นกล่องเล็ก ๆ ที่อยู่บนเรือซึ่งมีตัวควบคุมหลักและตัวรับส่งสัญญาณทั้งหมด

ต้นกำเนิดของ Kenterprise

เอาล่ะ นี่คือเบื้องหลังของโปรเจ็กต์นี้ หากคุณยังไม่เคยได้ยินในวิดีโอ โครงการนี้เริ่มต้นในปี 2018 ตอนที่ฉันยังเรียนอยู่ในมหาวิทยาลัย เราอยู่ปลายภาคเรียนที่ 4 กำลังจะเข้าสู่ปีที่ 5 ที่มหาวิทยาลัยของเรา คุณต้องทำโปรเจ็กต์แบบทีมเป็นเวลาประมาณ 6 เดือน คุณสามารถเลือกจากรายการของโครงการที่เตรียมไว้ (โอกาสดีที่เกรดดี) หรือเริ่มโครงการของคุณเอง (ไม่เคยมีใครทำมาก่อนตามความรู้ของฉัน) คุณยังได้รับคะแนนเครดิต 12 คะแนนสำหรับโครงการนี้ ซึ่งทำให้คุ้มค่าเท่ากับวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาตรี ความล้มเหลวด้วยวิธีนี้สามารถสร้างความแตกต่างให้กับเกรดโดยรวมของคุณได้

แน่นอน ฉันตัดสินใจเริ่มโครงการตั้งแต่เริ่มต้น และพบวิญญาณที่น่าสงสาร 4 คนตามฉันในการเดินทางครั้งนี้ไปสู่กองขยะของโครงการทีม เราเริ่มต้นด้วยขนาดทีมขั้นต่ำที่ต้องการคือ 5 คน แต่เราเหลือ 2 คนในภายหลัง เรายังได้รับเงิน 1,500 ยูโร แต่เราไม่ได้รับอนุญาตให้ใช้จ่ายในเว็บช็อปจีนที่น่ารักซึ่งมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใหม่ล่าสุดและดีที่สุดเสมอ แต่เราถูกผูกมัดกับซัพพลายเออร์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สัญชาติเยอรมันที่ดี สปอยเลอร์: เป็นไปไม่ได้เลยที่จะได้ส่วนประกอบเรือที่ขับด้วยตัวเองด้วยวิธีนี้

ความคิดเดิม

เมื่อเราคิดไอเดียสำหรับโปรเจ็กต์นี้ เราเคยคิดที่จะทำบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับโดรน เพราะโดรนเป็นสิ่งที่เจ๋งที่สุดที่เคยมีมา อย่างไรก็ตาม โดรนที่บินได้ปกติก็เป็นสิ่งหนึ่งอยู่แล้ว และเราต้องการสร้างสิ่งที่แปลกใหม่กว่านี้ ดังนั้นเราจึงตัดสินใจสร้างเรือโดรน เราได้รับแนวคิดนี้เนื่องจากทะเลสาบที่อยู่ใกล้เคียง

ทะเลสาบครอบคลุมพื้นที่ 12 กม.^2 และส่วนใหญ่ลึกเพียง 1.5 เมตร ซึ่งหมายความว่าจะร้อนขึ้นในเดือนฤดูร้อนในขณะที่ยังมีน้ำน้อยอยู่ด้วย คุณรู้ไหมว่าสิ่งมีชีวิตชนิดใดชอบน้ำอุ่น: ไซยาโนแบคทีเรีย หรือที่เรียกกันว่าสาหร่ายสีน้ำเงินในประเทศเยอรมนี ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม สิ่งเหล่านี้สามารถสืบพันธุ์ได้ในเวลาไม่นานและครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ในขณะที่ผลิตสารพิษที่สามารถทำร้ายมนุษย์และสัตว์ได้ จุดประสงค์ของเรือคือการกวาดพื้นผิวของทะเลสาบอย่างสม่ำเสมอและวัดความเข้มข้นของสาหร่าย จากนั้น ข้อมูลที่รวบรวมได้สามารถพิมพ์ไปยังแผนที่ความร้อนเพื่อทำความเข้าใจว่าภายใต้สถานการณ์ใดที่สาหร่ายเริ่มก่อตัวขึ้น และยังออกคำเตือนแบบเรียลไทม์แก่คนในท้องถิ่นและนักท่องเที่ยว

สปอยเลอร์อื่น: เราไม่สามารถสร้างชุดวัดสำหรับสาหร่ายสีน้ำเงินและประกอบเข้ากับเรือได้ เนื่องจากส่วนประกอบดังกล่าวมีราคาแพงมาก และมักจะจัดวางในชั้นวางขนาด 1mx1mx2m บนเรือซึ่งมีขนาดที่ยาวไม่ถึง 1 เมตร เรือ. จุดสนใจใหม่คือการสร้างแผนที่ความลึกโดยอัตโนมัติและราคาถูกเพื่อให้นักชีววิทยาในพื้นที่เห็นว่าก้นทะเลสาบเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป ขณะนี้การสแกนมีค่าใช้จ่ายสูงมากเนื่องจากต้องใช้แรงงานคนที่จำเป็น

เกลียวลง

กลับมาที่เรื่อง ในช่วงสองเดือนแรกของการรวบรวมความรู้พื้นฐานและการวางแผน เราได้พิจารณาถึงสิ่งที่เรือดังกล่าวต้องการ: ตัวเรือ รถไฟขับเคลื่อนไฟฟ้า ความสามารถในการขับเคลื่อนด้วยตนเอง ความสามารถในการควบคุมอินเทอร์เน็ต …. นั่นคือตอนที่ฉันตัดสินใจว่าเราควรสร้างเกือบทุกอย่างด้วยตัวเราเองโดยมุ่งเน้นที่การขับขี่แบบอัตโนมัติ นี่เป็นความคิดที่ไม่ดี เป็นความคิดที่ค่อนข้างจะล้มเหลวและคาดเดาว่ามันทำอะไร? 6 เดือนต่อมา เราได้ทุ่มเทเวลาและเหงื่อของเราไปกับเรือ RC ลำใหญ่ Kenterprise (อินโฟกราฟิกในภาพที่ 4) ระหว่างทางที่เราต้องดิ้นรนกับเงินที่จำกัด ไม่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และการจัดการทีมที่ไม่ดี ซึ่งฉันรับผิดชอบส่วนใหญ่

ดังนั้น จึงมี Kenterprise ซึ่งเป็นยานเกราะวัดอัตโนมัติที่ไม่ได้วัดด้วยตนเองหรือวัดอะไรเลย ไม่ค่อยประสบความสำเร็จอย่างที่คุณเห็น พวกเราถูกย่างระหว่างการนำเสนอครั้งสุดท้าย โชคดีที่อาจารย์ของเรารับทราบงานที่ได้ยินของเราและยังคงให้เกรดเรา ok แย่กว่ากลุ่มโครงการอื่น ๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่ก็โอเค

การอัพเกรดปี 2020

ฉันคิดว่าจะเรียกโปรเจ็กต์ของนักเรียนคนนี้ว่าเป็นกองไฟที่ทิ้งขยะ แต่อย่างที่คนโบราณว่าไว้: "รอยแผลเป็นจากกองขยะทำให้คุณแข็งแกร่งขึ้น" ประสบการณ์นี้ช่วยให้ฉันปรับขนาดเป้าหมายได้อย่างเหมาะสมและจดจ่อกับโครงการต่อไปนี้ทั้งหมด ฉันยังชอบแนวคิดเรื่องยานพาหนะไร้คนขับที่สามารถช่วยให้นักชีววิทยาสำรวจทะเลสาบและการสร้างเรือที่ขับด้วยตนเองได้ นั่นคือเหตุผลที่ตอนนี้ หนึ่งปีให้หลัง ฉันต้องการที่จะทำมันให้เสร็จโดยใช้ความรู้เรื่องโดรน FPV ที่เพิ่งได้รับ, โครงการโอเพ่นซอร์ส ArduPilot ที่สวยงาม และพลังของไซต์อิเล็กทรอนิกส์ราคาถูก

เป้าหมายไม่ใช่เพื่อเปลี่ยนเป็นเรือวัดที่เต็มเปี่ยม แต่เพื่อให้ระบบทั้งหมดทำงานและติดตั้งระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติ ไม่จำเป็นต้องสมบูรณ์แบบ ฉันแค่อยากเห็นเรือลำนี้ขับเองเป็นเครื่องพิสูจน์แนวคิด

จากนั้นฉันจะส่งต่อเรือขับเคลื่อนอัตโนมัติของ WORKING ไปยังมหาวิทยาลัยสำหรับโครงการในอนาคต เช่น การทำแผนที่ก้นทะเล โดยวิธีการที่ฉันไม่ได้อยู่คนเดียว เพื่อนของฉัน Ammar ซึ่งอยู่ในกลุ่มโครงการในปี 2018 ช่วยฉันในการทดสอบเรือ

เพื่อไม่ให้เป็นการเสียเวลา เรามาเข้าเรื่องกันเถอะ

ขั้นตอนที่ 1: กล้ามเนื้อ: ลำตัว

ตัวเรือเป็นส่วนที่ใหญ่ที่สุดของเรือ ไม่เพียงเพราะขนาดใหญ่ (100 ซม.*80 ซม.) แต่ยังเป็นเพราะต้องใช้เวลามากในการสร้างโครงสร้างแบบกำหนดเองนี้ ถ้าฉันจะทำอีกครั้งฉันจะไปหาชิ้นส่วนของชั้นวางอย่างแน่นอน เรือ RC นอกชั้นวางนั้นโชคไม่ดีที่ไม่ได้อยู่ในการ์ดสำหรับเรา เนื่องจากเรือเหล่านั้นมีความสามารถในการบรรทุกที่จำกัดมาก บางอย่าง เช่น บอดี้บอร์ด กระดานโต้คลื่น หรือท่อพีวีซีสองสามท่อจากร้านฮาร์ดแวร์ จะเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ง่ายกว่ามากที่ฉันสามารถแนะนำได้เท่านั้น

อย่างไรก็ตาม ตัวถังของเราเริ่มต้นด้วยโมเดล 3 มิติใน Fusion 360 ฉันสร้างแบบจำลองที่มีรายละเอียดมากและผ่านการทำซ้ำหลายครั้งก่อนที่เราจะเริ่มสร้างมันจริงๆ ฉันแน่ใจว่าได้ให้น้ำหนักที่เหมาะสมแก่ส่วนประกอบแต่ละชิ้นในแบบจำลองและแม้กระทั่งสร้างแบบจำลองภายในด้วย ทำให้ทราบน้ำหนักเรือโดยประมาณก่อนสร้าง ฉันยังทำการสอบเทียบการลอยตัวด้วยการใส่ "ท่อน้ำ" ตัดรถด้วยมัน และคำนวณปริมาตรที่อยู่ใต้น้ำ เรือลำนี้เป็นเรือคาตามารันเนื่องจากยานพาหนะประเภทนี้ให้ความเสถียรที่สูงขึ้น จากนั้นเป็นเรือลำเดียว

หลังจากใช้เวลาสร้างแบบจำลองหลายชั่วโมง เราก็เริ่มทำให้เรือมีชีวิตด้วยการตัดรูปทรงพื้นฐานของเปลือกทั้งสองออกจากแผ่นโพลีสไตรีน จากนั้นพวกเขาก็ตัดให้เป็นรูปร่าง เจาะรู และเราก็ทำการขัดเป็นจำนวนมาก สะพานที่เชื่อมระหว่างลำเรือทั้งสองนั้นเป็นเพียงกล่องไม้ขนาดใหญ่

เราปูทุกอย่างด้วยไฟเบอร์กลาส 3 ชั้น ขั้นตอนนี้ใช้เวลาประมาณ 3 สัปดาห์และใช้เวลาหลายวันในการขัดด้วยมือเพื่อให้ได้พื้นผิวที่เรียบพอเหมาะ (ไม่แนะนำ 0/10) หลังจากนั้นเราทาสีด้วยสีเหลืองสวยงามและเพิ่มชื่อ "Kenterprise" ชื่อนี้เป็นการรวมกันของคำว่า "kentern" ในภาษาเยอรมันซึ่งแปลว่าจมและยานอวกาศ Star Trek "USS Enterprise" เราทุกคนคิดว่าชื่อนี้เหมาะสมอย่างยิ่งกับความชั่วร้ายที่เราสร้างขึ้น

ขั้นตอนที่ 2: กล้ามเนื้อ: ระบบขับเคลื่อน

เรือที่ไม่มีมอเตอร์หรือใบเรือมีลักษณะการขับของเศษไม้ที่ลอย ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องเพิ่มระบบขับเคลื่อนให้กับตัวถังเปล่า

ฉันอยากจะสปอยล์คุณอีกครั้ง: มอเตอร์ที่เราเลือกนั้นทรงพลังเกินไป ฉันจะอธิบายวิธีแก้ปัญหาในปัจจุบันและเป็นข้อบกพร่องและยังเสนอระบบขับเคลื่อนทางเลือกอีกด้วย

ทางออกปัจจุบัน

เราไม่รู้จริงๆ ว่าเรือต้องใช้แรงขับมากแค่ไหน เราจึงได้มอเตอร์เรือแข่งสองตัวนี้มาเอง แต่ละตัวมีไว้เพื่อขับเคลื่อนเรือแข่ง RC ยาว 1 ม. และตัวควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์ (ESC) ที่สอดคล้องกันสามารถส่ง 90A ได้อย่างต่อเนื่อง (การบริโภคนี้จะทำให้แบตเตอรี่รถยนต์ขนาดใหญ่หมดภายในหนึ่งชั่วโมง)

พวกเขายังต้องการระบายความร้อนด้วยน้ำ โดยปกติ คุณเพียงแค่เชื่อมต่อ ESC และมอเตอร์กับท่อบาง ๆ ใส่ทางเข้าที่ด้านหน้าของเรือ และวางทางออกไว้ด้านหน้าใบพัด วิธีนี้ใบพัดจะดึงน้ำในทะเลสาบผ่านระบบทำความเย็น อย่างไรก็ตาม ทะเลสาบที่เป็นปัญหานั้นไม่ได้สะอาดเสมอไป และวิธีแก้ปัญหานี้อาจอุดตันระบบทำความเย็นและทำให้มอเตอร์ขัดข้องขณะอยู่ในทะเลสาบ นั่นเป็นเหตุผลที่เราตัดสินใจเลือกใช้วงจรระบายความร้อนภายในที่สูบน้ำผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ด้านบนของตัวถัง (ภาพที่ 3)

สำหรับตอนนี้เรือมีขวดน้ำสองขวดเป็นอ่างเก็บน้ำและไม่มีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน อ่างเก็บน้ำเพียงแค่เพิ่มมวลความร้อน ดังนั้นมอเตอร์จึงใช้เวลานานขึ้นในการทำให้ร้อนขึ้น

เพลามอเตอร์เชื่อมต่อกับเสาผ่านข้อต่อสากลสองข้อ ได้แก่ แกนเพลาและท่อที่เรียกว่าสเติร์น ซึ่งออกแบบมาเพื่อไม่ให้น้ำไหลออก คุณสามารถดูมุมมองด้านข้างของแอสเซมบลีนี้ได้ในภาพที่สอง มอเตอร์ถูกติดตั้งในมุมพร้อมกับแท่นพิมพ์ 3 มิติและอุปกรณ์ประกอบฉากก็ถูกพิมพ์เช่นกัน (เพราะฉันทำอันเก่าพัง) ฉันค่อนข้างแปลกใจที่รู้ว่าอุปกรณ์ประกอบฉากเหล่านี้สามารถทนต่อแรงของมอเตอร์ได้ เพื่อรองรับความแข็งแรงของใบมีด ฉันทำใบมีดหนา 2 มม. และพิมพ์ด้วยวัสดุเติม 100% การออกแบบและการพิมพ์อุปกรณ์ประกอบฉากเป็นโอกาสที่ดีในการลองใช้อุปกรณ์ประกอบฉากประเภทต่างๆ และค้นหาอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด ฉันแนบโมเดล 3 มิติของอุปกรณ์ประกอบฉากของฉัน

ทางเลือกที่เป็นไปได้

การทดสอบพบว่าเรือต้องการเพียง 10-20% ของช่วงปีกผีเสื้อเพื่อเคลื่อนที่ช้าๆ (ที่ 1m/s) การขับตรงไปที่คันเร่ง 100% ทำให้เกิดกระแสน้ำพุ่งสูงอย่างมหาศาล ซึ่งทำให้เรือทั้งลำหยุดทำงานโดยสมบูรณ์ ความต้องการของระบบระบายความร้อนนั้นค่อนข้างน่ารำคาญ

ทางออกที่ดีกว่านี้เรียกว่าตัวขับดัน ตัวขับดันมีมอเตอร์เชื่อมต่อโดยตรงกับใบพัด การประกอบทั้งหมดจะจมอยู่ใต้น้ำและทำให้เย็นลง นี่คือลิงค์ไปยังเครื่องขับดันขนาดเล็กที่มี ESC ที่สอดคล้องกัน ซึ่งสามารถให้กระแสสูงสุด 30 A ซึ่งดูเหมือนขนาดที่เหมาะสมกว่า มันอาจจะสร้างกระแสแหลมที่เล็กลงและคันเร่งไม่จำเป็นต้องถูกจำกัดมากนัก

ขั้นตอนที่ 3: กล้ามเนื้อ: การบังคับเลี้ยว

แรงขับเย็นแต่เรือก็ต้องเลี้ยวด้วย มีหลายวิธีในการบรรลุเป้าหมายนั้น วิธีแก้ปัญหาที่พบบ่อยที่สุดสองวิธีคือหางเสือและแรงขับส่วนต่าง

หางเสือดูเหมือนจะเป็นทางออกที่ชัดเจน ดังนั้นเราจึงดำเนินการต่อไป ฉันจำลองการประกอบหางเสือใน Fusion และ 3D พิมพ์หางเสือ บานพับ และเมาท์เซอร์โว สำหรับเซอร์โว เราเลือกเซอร์โวขนาดใหญ่ 25 กก. สองตัวเพื่อให้แน่ใจว่าหางเสือที่ค่อนข้างใหญ่สามารถทนต่อแรงลากของน้ำได้ จากนั้นเซอร์โวถูกวางตำแหน่งไว้ภายในตัวถังและเชื่อมต่อกับหางเสือด้านนอกผ่านรูโดยใช้สายไฟเส้นเล็ก ฉันได้แนบวิดีโอแสดงการทำงานของหางเสือ เป็นเรื่องที่น่ายินดีมากที่ได้เห็นการเคลื่อนไหวประกอบกลไกนี้

แม้ว่าหางเสือจะดูดีมาก แต่ในการทดลองขับครั้งแรกพบว่ารัศมีวงเลี้ยวอยู่ที่ประมาณ 10 เมตร ซึ่งถือว่าแย่มาก นอกจากนี้ หางเสือยังมีแนวโน้มที่จะตัดการเชื่อมต่อจากเซอร์โว ทำให้เรือไม่สามารถบังคับทิศทางได้ จุดอ่อนสุดท้ายคือรูสำหรับสายไฟเหล่านั้น รูนี้อยู่ใกล้กับน้ำมาก จนเกิดการพลิกกลับเป็นเหตุให้จมอยู่ใต้น้ำ จึงท่วมภายในตัวเรือ

แทนที่จะพยายามแก้ไขปัญหาเหล่านั้น ฉันถอดหางเสือทั้งหมดออก ปิดรูและไปหาวิธีแก้ปัญหาแบบดิฟเฟอเรนเชียล ด้วยแรงขับที่แตกต่างกัน มอเตอร์ทั้งสองจะหมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามเพื่อให้รถเลี้ยว เนื่องจากเรือเกือบจะกว้างพอๆ กับที่สั้น และมอเตอร์อยู่ในตำแหน่งที่อยู่ห่างจากศูนย์กลาง ซึ่งช่วยให้สามารถเลี้ยวตรงจุดนั้นได้ ต้องใช้การกำหนดค่าเพียงเล็กน้อยเท่านั้น (การเขียนโปรแกรม ESC และตัวควบคุมหลัก) โปรดทราบว่าเรือที่ใช้แรงขับส่วนต่างจะแล่นเป็นวงกลมหากมอเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งไม่ทำงาน ฉันอาจเคยประสบมาแล้วครั้งหรือสองครั้งเนื่องจากปัญหาการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในปัจจุบันที่อธิบายไว้ในขั้นตอนก่อนหน้านี้

ขั้นตอนที่ 4: กล้ามเนื้อ: แบตเตอรี่

สำหรับฉัน ดูเหมือนว่า RC Components เช่นที่ใช้ในเรือลำนี้ สามารถขับเคลื่อนด้วยอะไรก็ได้ ตั้งแต่แบตเตอรี่นาฬิกาไปจนถึงโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เห็นได้ชัดว่านี่เป็นการพูดเกินจริงเล็กน้อย แต่มีช่วงแรงดันไฟฟ้าค่อนข้างกว้าง ช่วงนี้ไม่ได้เขียนลงในแผ่นข้อมูล อย่างน้อยก็ไม่ใช่ในหน่วยโวลต์ มันถูกซ่อนอยู่ในเรท S การให้คะแนนนี้อธิบายจำนวนเซลล์แบตเตอรี่ในซีรีย์ที่สามารถรองรับได้ ในกรณีส่วนใหญ่จะหมายถึงเซลล์ลิเธียมโพลิเมอร์ (LiPo) มีแรงดันไฟฟ้า 4.2V เมื่อชาร์จเต็มและแรงดันไฟฟ้าประมาณ 3V เมื่อว่างเปล่า

มอเตอร์ของเรืออ้างว่าสามารถรองรับ 2s ถึง 6s ซึ่งแปลเป็นช่วงแรงดันไฟฟ้า 6V ไปจนถึง 25.2V แม้ว่าฉันจะไม่เชื่อถือขีดจำกัดบนเสมอไป เนื่องจากผู้ผลิตบางรายทราบดีว่าวางส่วนประกอบบนบอร์ดของตนที่สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเท่านั้น

ซึ่งหมายความว่ามีแบตเตอรี่ที่ใช้งานได้หลากหลายตราบเท่าที่สามารถจ่ายกระแสไฟได้ตามต้องการ และฉันได้ใช้แบตเตอรี่หลายก้อนก่อนที่จะสร้างแบตเตอรี่ที่เหมาะสม ต่อไปนี้คือข้อมูลสรุปสั้นๆ ของการวนซ้ำของแบตเตอรี่สามครั้งที่เรือแล่นผ่าน (จนถึงตอนนี้)

1. ชุดแบตเตอรี่ LiPo

เมื่อเราวางแผนเรือ เราไม่รู้ว่าเรือจะกินพลังงานมากแค่ไหน สำหรับแบตเตอรี่ก้อนแรก เราเลือกที่จะสร้างชุดเซลล์ลิเธียมไอออน 18650 ที่รู้จักกันดี เราบัดกรีพวกมันเป็นแพ็ค 4S 10P โดยใช้แถบนิกเกิล ชุดนี้มีช่วงแรงดันไฟฟ้า 12V ถึง 16.8V แต่ละเซลล์มี 2200mAh และได้รับการจัดอันดับที่อัตราการคายประจุสูงสุด 2C (ค่อนข้างอ่อน) ดังนั้น 2*2200mA เนื่องจากมีเซลล์ 10 เซลล์ขนานกันจึงสามารถส่งกระแสสูงสุดได้เพียง 44A และมีความจุ 22Ah นอกจากนี้เรายังติดตั้งบอร์ดการจัดการแบตเตอรี่ (เพิ่มเติมเกี่ยวกับ BMS ในภายหลัง) ที่ดูแลการปรับสมดุลของประจุและจำกัดกระแสไฟไว้ที่ 20A

เมื่อทำการทดสอบเรือ ปรากฏว่ากระแสสูงสุด 20A นั้นน้อยกว่าที่มอเตอร์ใช้ไป และ BMS ก็ตัดกำลังอย่างต่อเนื่องหากเราไม่ระวังคันเร่ง นั่นคือเหตุผลที่ฉันตัดสินใจเชื่อม BMS และเชื่อมต่อแบตเตอรี่กับมอเตอร์โดยตรงเพื่อรับ 44Amps เต็ม ไอเดียแย่!!! ในขณะที่แบตเตอรี่สามารถจ่ายพลังงานได้มากกว่าเล็กน้อย แต่แถบนิกเกิลที่เชื่อมต่อกับเซลล์ไม่สามารถจัดการได้ รอยต่อจุดหนึ่งหลอมละลายและทำให้ภายในเรือทำด้วยไม้ทำให้เกิดควัน

ใช่ แบตเตอรี่นี้ไม่เหมาะจริงๆ

2. แบตเตอรี่รถยนต์

สำหรับการพิสูจน์แนวคิดปี 2020 ของฉัน ฉันตัดสินใจใช้แบตเตอรี่ที่ใหญ่ขึ้น อย่างไรก็ตาม ฉันไม่ต้องการใช้เงินพิเศษใดๆ ดังนั้นฉันจึงใช้แบตเตอรี่รถยนต์เก่า แบตเตอรี่รถยนต์ไม่ได้มีไว้เพื่อให้คายประจุจนเต็มและชาร์จใหม่ได้ แต่ควรเก็บไว้ที่การชาร์จจนเต็มเสมอและใช้สำหรับกระแสไฟลัดวงจรเพื่อสตาร์ทเครื่องยนต์เท่านั้น นั่นคือเหตุผลที่เรียกว่าแบตเตอรี่สตาร์ท การใช้แบตเตอรี่เหล่านี้เป็นแบตเตอรี่สำหรับรถ RC ช่วยลดอายุการใช้งานได้อย่างมาก มีแบตเตอรี่ตะกั่วอีกประเภทหนึ่งที่มักจะมีฟอร์มแฟกเตอร์เหมือนกันและได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อให้คายประจุและชาร์จใหม่ได้หลายครั้ง ซึ่งเรียกว่าแบตเตอรี่ Deep Cycle

ฉันตระหนักดีถึงความสั้นของแบตเตอรี่ของฉัน แต่ฉันต้องการทดสอบเรืออย่างรวดเร็วและแบตเตอรี่ก็เก่าอยู่ดี ก็รอดมาได้ 3 รอบ ตอนนี้แรงดันไฟลดลงจาก 12V เป็น 5V ทุกครั้งที่ฉันเหยียบคันเร่ง

3. ชุดแบตเตอรี่ LiFePo4

"ครั้งที่สามเป็นเสน่ห์" คือสิ่งที่พวกเขาพูด เนื่องจากฉันยังไม่อยากใช้เงินของตัวเอง ฉันจึงขอความช่วยเหลือจากมหาวิทยาลัย แน่นอนว่าพวกเขามีแบตเตอรี่ในฝันของฉันมาโดยตลอด Uni ของเรามีส่วนร่วมในการแข่งขัน "Formula Student Electic" ดังนั้นจึงมีรถแข่งไฟฟ้า ก่อนหน้านี้ทีมแข่งรถได้เปลี่ยนจากเซลล์ LiFePo4 เป็นเซลล์ LiPo 18650 เนื่องจากมีน้ำหนักเบากว่า พวกมันจึงมีเซลล์ LiFePo4 ที่ใช้แล้วหลายเซลล์ที่ไม่ต้องการอีกต่อไป

เซลล์เหล่านั้นแตกต่างจากเซลล์ LiPo หรือ LiIon ในช่วงแรงดันไฟฟ้า มีแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยที่ 3.2V และมีตั้งแต่ 2.5V ถึง 3.65V ฉันประกอบเซลล์ 60Ah จำนวน 3 เซลล์เป็นชุด 3S แพ็คนี้สามารถส่งกระแสสูงสุด 3C aka 180A และมีแรงดันไฟสูงสุดเพียง 11V ฉันตัดสินใจที่จะใช้แรงดันไฟฟ้าของระบบที่ต่ำกว่าเพื่อลดกระแสของมอเตอร์ ในที่สุดชุดนี้ก็อนุญาตให้ฉันขับเรือได้นานกว่า 5 นาทีและทดสอบความสามารถในการขับด้วยตนเอง

คำพูดเกี่ยวกับการชาร์จแบตเตอรี่และความปลอดภัย

แบตเตอรี่เน้นพลังงาน พลังงานสามารถเปลี่ยนเป็นความร้อนได้ และหากความร้อนนี้ทำให้เกิดไฟจากแบตเตอรี่ แสดงว่าคุณมีปัญหาในมือ นั่นเป็นเหตุผลที่คุณควรปฏิบัติต่อแบตเตอรี่ด้วยความเคารพและเตรียมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เหมาะสม

เซลล์แบตเตอรี่มี 3 วิธีในการตาย

1. การคายประจุให้ต่ำกว่าระดับแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำ (การตายเย็น)
2. การชาร์จไฟเกินพิกัดสูงสุด (อาจทำให้เกิดการบวม ไฟไหม้ และการระเบิด)
3. วาดกระแสหรือลัดวงจรมากเกินไป (ดังนั้นฉันต้องอธิบายจริงๆว่าทำไมสิ่งนี้ถึงไม่ดี)

ระบบจัดการแบตเตอรี่ป้องกันสิ่งเหล่านั้นทั้งหมด นั่นคือเหตุผลที่คุณควรใช้

ขั้นตอนที่ 5: กล้ามเนื้อ: การเดินสายไฟ

สายไฟสำหรับส่วนกล้ามเนื้อแสดงในภาพแรก ด้านล่างมีแบตเตอรี่ซึ่งควรจะหลอมรวมกับฟิวส์ที่เหมาะสม (ตอนนี้ไม่มีแล้ว) ฉันเพิ่มผู้ติดต่อภายนอกสองรายเพื่อเชื่อมต่อที่ชาร์จ จะเป็นความคิดที่ดีที่จะแทนที่ด้วยคอนเน็กเตอร์ XT60 ที่เหมาะสม

จากนั้นเราก็มีสวิตช์แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ที่เชื่อมต่อส่วนที่เหลือของระบบกับแบตเตอรี่ สวิตซ์นี้มีกุญแจจริงๆ บอกเลย หมุนแล้วเห็นเรือมีชีวิต

สมองเชื่อมต่อกับกราวด์แบตเตอรีในขณะที่ ESC และเซอร์โวถูกคั่นด้วยตัวต้านทานแบบแบ่ง ซึ่งช่วยให้สามารถวัดกระแสผ่านจุดเชื่อมต่อสีส้มเล็กๆ ได้ เนื่องจากจะทำให้แรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน shunt เล็กน้อยส่วนที่เหลือของสายไฟเป็นเพียงสีแดงถึงสีแดงและสีดำเป็นสีดำ เนื่องจากไม่ได้ใช้เซอร์โวอีกต่อไป จึงสามารถเพิกเฉยได้ ปั๊มทำความเย็นเป็นส่วนประกอบเดียวของเรือที่ต้องการไฟ 12V พอดี และดูเหมือนว่าจะทำงานได้ไม่ดีหากแรงดันไฟฟ้าสูงหรือต่ำกว่านั้น ดังนั้นพวกเขาจึงจำเป็นต้องมีเครื่องปรับลมหากแรงดันแบตเตอรี่สูงกว่า 12V หรือตัวแปลงแบบสเต็ปอัพหากต่ำกว่านั้น

ด้วยการบังคับหางเสือสายสัญญาณ ESC ทั้งสองเส้นจะไปที่ช่องสัญญาณเดียวกันในสมอง อย่างไรก็ตาม ตอนนี้เรือใช้ความแตกต่างของแรงขับ aka การบังคับเลี้ยวแบบลื่นไถล ดังนั้น ESC แต่ละตัวจึงต้องมีช่องแยกของตัวเองและไม่จำเป็นต้องใช้เซอร์โวเลย

ขั้นตอนที่ 6: สมอง: ส่วนประกอบ

สมองเป็นกล่องขนาดใหญ่ที่เต็มไปด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่น่าสนใจ หลายตัวสามารถพบได้ในโดรนแข่ง FPV และบางอันก็ถูกนำออกจากโดรนของฉันเอง ภาพแรกแสดงโมดูลอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด วางซ้อนกันอย่างประณีตโดยใช้ PCB แบบทองเหลือง นั่นเป็นไปได้เพราะส่วนประกอบ FPV มาในรูปแบบพิเศษที่เรียกว่าไซต์สแต็ก จากล่างขึ้นบนสแต็กของเรามีดังต่อไปนี้:

คณะกรรมการจำหน่ายไฟฟ้า (PDB)

สิ่งนี้ทำในสิ่งที่ชื่อบอกเป็นนัยและกระจายอำนาจ มีสายไฟสองเส้นจากแบตเตอรี่เข้ามาและมีแผ่นบัดกรีหลายแผ่นเพื่อเชื่อมต่อโมดูลต่างๆ กับแบตเตอรี่ PDB นี้ยังมีตัวควบคุม 12V และ 5V

ผู้ควบคุมการบิน (FC)

ผู้ควบคุมการบินใช้เฟิร์มแวร์ ArduPilot Rover มันทำสิ่งต่าง ๆ มันควบคุมตัวควบคุมมอเตอร์ผ่านเอาต์พุต PWM หลายตัว มันตรวจสอบแรงดันและกระแสของแบตเตอรี่ มันเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ต่าง ๆ และอุปกรณ์อินพุตและเอาต์พุต และยังมีไจโรสโคป คุณสามารถพูดได้ว่าโมดูลเล็กๆ นี้คือสมองที่แท้จริง

ตัวรับ RC

เครื่องรับเชื่อมต่อกับรีโมทคอนโทรล ในกรณีของฉันมันเป็นรีโมท FlySky สำหรับเครื่องบิน RC ที่มีสิบช่องสัญญาณและแม้กระทั่งสร้างการสื่อสารสองทางเพื่อให้รีโมทสามารถรับสัญญาณจากเครื่องรับได้เช่นกัน เป็นสัญญาณเอาท์พุตตรงไปยัง FC ผ่านสายเส้นเดียวโดยใช้โปรโตคอล I-bus ที่เรียกว่า

เครื่องส่งสัญญาณวิดีโอ (VTX)

กล่องสมองมีกล้องอะนาล็อกขนาดเล็ก สัญญาณวิดีโอของกล้องจะถูกส่งไปยัง FC ที่เพิ่มการแสดงผลบนหน้าจอ (OSD) ให้กับสตรีมวิดีโอซึ่งมีข้อมูล เช่น แรงดันแบตเตอรี่ จากนั้นจะถูกส่งต่อไปยัง VTX ซึ่งจะส่งสัญญาณไปยังเครื่องรับ 5.8GHz พิเศษที่ปลายอีกด้านหนึ่ง ส่วนนี้ไม่จำเป็นอย่างยิ่ง แต่เป็นการดีที่จะได้เห็นสิ่งที่เรือเห็น

ด้านบนของกล่องเป็นพวงของเสาอากาศ หนึ่งมาจาก VTX สองจาก RC Receiver อีกสองเสาอากาศเป็นส่วนประกอบต่อไปนี้

โมดูลโทรเลข

เสาอากาศ 433MHz เป็นของโมดูล telemetry เครื่องส่งสัญญาณขนาดเล็กนี้เป็นอุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุตที่เชื่อมต่อตัวควบคุมการบินกับสถานีภาคพื้นดิน (แล็ปท็อปที่มีดองเกิล USB 433MHz) การเชื่อมต่อนี้ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานเปลี่ยนพารามิเตอร์จากระยะไกลและรับข้อมูลจากเซ็นเซอร์ภายในและภายนอกได้ ลิงค์นี้ยังสามารถใช้เพื่อควบคุมเรือจากระยะไกลได้อีกด้วย

GPS และเข็มทิศ

ของกลมใหญ่บนเรือไม่ใช่เสาอากาศ มันเป็นอย่างนั้น แต่มันก็เป็นโมดูล GPS ทั้งหมดและโมดูลเข็มทิศด้วย นี่คือสิ่งที่ช่วยให้เรือรู้ตำแหน่ง ความเร็ว และทิศทางของเรือ

ด้วยการเติบโตของตลาดโดรน ทำให้มีส่วนประกอบหลากหลายให้เลือกสำหรับแต่ละโมดูล โอกาสที่คุณอาจต้องการเปลี่ยนมากที่สุดคือ FC หากคุณต้องการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์จำนวนมากขึ้นและต้องการอินพุตเพิ่มเติม มีตัวเลือกฮาร์ดแวร์ที่ทรงพลังกว่ามากมาย นี่คือรายชื่อ FC ทั้งหมดที่ ArduPilot รองรับ มีแม้กระทั่ง Raspberry Pi

และนี่คือรายการส่วนประกอบบางส่วนที่ฉันใช้:

• FC: รถโดยสาร F4 V3S Aliexpress
• ตัวรับ RC: Flysky FS-X8B Aliexpress
• ชุดส่งสัญญาณ Telemetry: 433MHz 500mW Aliexpress
• VTX: VT5803 Aliexpress
• GPS และเข็มทิศ: M8N Aliexpress
• สิ่งที่แนบมา: 200x200x100 มม. IP67 Aliexpress
• รีโมทคอนโทรล: FLYSKY FS-i6X Aliexpress
• เครื่องรับสัญญาณวิดีโอ: Skydroid 5, 8 Ghz Aliexpress

ขั้นตอนที่ 7: สมอง: การเดินสายไฟ

สมองได้รับแรงดันไฟฟ้าจากแบตเตอรี่โดยตรง นอกจากนี้ยังได้รับแรงดันอนาล็อกจากการแบ่งกระแสและส่งสัญญาณควบคุมสำหรับมอเตอร์ทั้งสอง สิ่งเหล่านี้คือการเชื่อมต่อภายนอกที่สามารถเข้าถึงได้จากด้านนอกของกล่องสมอง

ข้างในดูซับซ้อนกว่ามาก นั่นเป็นเหตุผลที่ฉันสร้างไดอะแกรมการเดินสายเล็ก ๆ ในภาพแรก นี่แสดงการเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบต่าง ๆ ทั้งหมดที่ฉันอธิบายไว้ในขั้นตอนก่อนหน้า ฉันยังสร้างสายต่อสำหรับช่องสัญญาณเอาท์พุต PWM และพอร์ต USB สองสามเส้นและกำหนดเส้นทางไปที่ด้านหลังของกล่องหุ้ม (ดูรูปที่ 3)

ในการติดตั้งกองกับกล่อง ฉันใช้แผ่นฐานที่พิมพ์ 3 มิติ เนื่องจากส่วนประกอบต่างๆ (โดยเฉพาะ VTX) ทำให้เกิดความร้อน ฉันจึงติดพัดลมขนาด 40 มม. พร้อมอะแดปเตอร์พิมพ์ 3 มิติอีกตัวหนึ่ง ฉันเพิ่มพลาสติกสีดำ 4 ชิ้นที่ขอบเพื่อขันกล่องเข้ากับเรือโดยไม่จำเป็นต้องเปิดฝา มีการแนบไฟล์ STL สำหรับชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติทั้งหมด ฉันใช้อีพ็อกซี่และกาวร้อนเพื่อติดทุกอย่าง

ขั้นตอนที่ 8: สมอง: การตั้งค่า ArduPilot

Ardupilot Wiki อธิบายวิธีการตั้งค่ารถแลนด์โรเวอร์อย่างละเอียด นี่คือเอกสารของ Rover ฉันจะเกาพื้นผิวที่นี่เท่านั้น โดยพื้นฐานแล้วมีขั้นตอนต่อไปนี้เพื่อให้ ArduPilot Rover เริ่มทำงานหลังจากที่ทุกอย่างเชื่อมต่ออย่างถูกต้อง:

1. Flash ArduPilot Firmware to FC (เคล็ดลับ: คุณสามารถใช้ Betaflight ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์โดรน FPV ทั่วไปได้)
2. ติดตั้งซอฟต์แวร์ Ground Station เช่น Mission Planner และเชื่อมต่อบอร์ด (ดู UI ผู้วางแผนภารกิจในภาพที่ 1)

3. ตั้งค่าฮาร์ดแวร์เบื้องต้น

   • ปรับเทียบไจโรและเข็มทิศ
   • ปรับเทียบรีโมทคอนโทรล
   • ตั้งค่าช่องสัญญาณออก

4. ทำการตั้งค่าขั้นสูงเพิ่มเติมโดยไปที่รายการพารามิเตอร์ (ภาพที่ 2)

   • เซ็นเซอร์แรงดันและกระแส
   • การทำแผนที่ช่อง
   • ไฟ LED
5. ทดลองขับและปรับแต่งพารามิเตอร์สำหรับปีกผีเสื้อและพวงมาลัย (ภาพที่ 3)

และบูม คุณมีรถแลนด์โรเวอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเอง แน่นอนว่าขั้นตอนและการตั้งค่าทั้งหมดต้องใช้เวลา และสิ่งต่างๆ เช่น การปรับเทียบเข็มทิศอาจเป็นเรื่องที่น่าเบื่อหน่าย แต่ด้วยความช่วยเหลือจากเอกสาร ฟอรัม ArduPilot และบทช่วยสอนของ YouTube คุณก็จะไปถึงที่นั่นได้ในที่สุด

ArduPilot มอบสนามเด็กเล่นขั้นสูงที่มีพารามิเตอร์มากมายที่คุณสามารถใช้เพื่อสร้างยานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเองแทบทุกอย่างที่คุณนึกออก และหากคุณพลาดบางสิ่งไป คุณสามารถมีส่วนร่วมกับชุมชนเพื่อสร้างมันขึ้นมาได้ เนื่องจากโครงการที่ยอดเยี่ยมนี้เป็นโอเพ่นซอร์ส ฉันทำได้แค่สนับสนุนให้คุณลอง เพราะนี่อาจเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการเข้าสู่โลกของยานยนต์ไร้คนขับ แต่นี่เป็นเคล็ดลับเล็กๆ น้อยๆ สำหรับมือโปร: ลองกับยานพาหนะธรรมดาๆ ก่อนสร้างเรือ RC ขนาดยักษ์

ต่อไปนี้คือรายการการตั้งค่าขั้นสูงเล็กน้อยที่ฉันทำสำหรับการตั้งค่าฮาร์ดแวร์เฉพาะของฉัน:

• เปลี่ยนการแมปช่องใน RC MAP

  • สนาม 2->3
  • คันเร่ง 3->2
• ไฟ LED I2C RGB ที่เปิดใช้งาน
• ประเภทเฟรม = เรือ

• ตั้งค่าการบังคับเลี้ยวลื่นไถล

  • ช่อง 1 = ThrottleLeft
  • ช่อง 2 = ThrottleRight
• ช่อง 8 = FlightMode
• ช่อง 5 = อาวุธ/ปลดอาวุธ

• ตั้งค่าการตรวจสอบกระแสไฟและแบตเตอรี่

  • BATT_MONITOR=4
  • จากนั้นรีบูต BATT_VOLT_PIN 12
  • BATT_CURR_PIN 11
  • BATT_VOLT_MULT 11.0

ขั้นตอนที่ 9: สมอง: ตัวควบคุม LED แบบกำหนดเอง

รางวัลที่หนึ่งในการประกวด Make it Move 2020