Makecourse: เรือโดดเดี่ยว: 11 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:05

คำแนะนำนี้สร้างขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการของโครงการ Makecourse ที่มหาวิทยาลัยเซาท์ฟลอริดา (www.makecourse.com)

ยังใหม่กับ Arduino, การพิมพ์ 3 มิติ และการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) หรือไม่ โปรเจ็กต์นี้เป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมในการเรียนรู้พื้นฐานเบื้องหลังหัวข้อเหล่านี้ และมีพื้นที่สำหรับความคิดสร้างสรรค์ของคุณที่จะทำให้เป็นของคุณเอง! มีการสร้างแบบจำลอง CAD จำนวนมากสำหรับโครงสร้างของเรือ บทนำเกี่ยวกับระบบอัตโนมัติ และแนะนำแนวคิดของการพิมพ์ 3 มิติแบบกันน้ำ!

ขั้นตอนที่ 1: รายการวัสดุ

ในการเริ่มโครงการ คุณต้องรู้ก่อนว่าจะใช้ทำอะไร! นี่คือเอกสารที่คุณควรมีก่อนเริ่ม:

• 1x Arduino Uno R3 ไมโครคอนโทรลเลอร์และสาย USB (Amazon Link)
• 1x L298N ตัวควบคุมมอเตอร์ (Amazon Link)
• 4x (2 ตัวสำรอง) มอเตอร์ DC 3-6V (Amazon Link)
• 2x 28BYJ-48 สเต็ปเปอร์มอเตอร์และโมดูล ULN2003 (Amazon Link)
• 1x ที่ชาร์จโทรศัพท์แบบพกพาสำหรับจ่ายไฟ (นี่คืออันที่ฉันใช้ แต่ค่อนข้างใหญ่ คุณสามารถใช้อันอื่นได้หากต้องการ: Amazon Link)
• เซ็นเซอร์ Ultrasonic HCSR04 1x (ลิงก์นี้มีสิ่งพิเศษบางอย่างที่มาพร้อมกับสายจัมเปอร์: Amazon Link)
• สายจัมเปอร์แพ็ค 3 เส้น (ชาย-หญิง ชาย-ชาย หญิง-หญิง Amazon Link)
• 1x กระป๋อง Flex Seal (16 ออนซ์, Amazon Link)
• 1x เทปจิตรกร (Amazon Link)
• 1x Fine Grit กระดาษทราย (ประมาณ 300 เป็นสิ่งที่ดี)
• ไอติมแท่งและแปรงสองสามอันสำหรับติดเฟล็กซ์ซีล

• เข้าถึงการพิมพ์ 3 มิติ (นี่คือเครื่องพิมพ์ 3D ที่ค่อนข้างถูกและมีประสิทธิภาพ - Amazon Link)

  • เส้นใยสีแดงสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ (Amazon Link
  • เส้นใยสีดำสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ (Amazon Link)

อย่าลังเลที่จะเพิ่มวัสดุใด ๆ ที่คุณคิดขึ้นมาสำหรับเวอร์ชันของโปรเจ็กต์ของคุณ!

ขั้นตอนที่ 2: ชิ้นส่วนและการออกแบบที่พิมพ์ 3 มิติ

ส่วนแรกของโครงการนี้คือการสร้างระบบกลไกสำหรับการทำงาน ซึ่งจะรวมถึงชิ้นส่วนต่างๆ ซึ่งรวมถึงตัวถัง ฝา แป้นพาย เพลาสำหรับมอเตอร์จนถึงแป้นพาย ตัวยึดสำหรับเซ็นเซอร์ และเพลาที่ ติดตั้งเซ็นเซอร์อยู่

ส่วนประกอบได้รับการออกแบบใน SolidWorks และประกอบเข้าด้วยกันเป็นชุดประกอบ ไฟล์ชิ้นส่วนและแอสเซมบลีทั้งหมดถูกใส่ลงในไฟล์ zip ซึ่งสามารถพบได้ที่ส่วนท้ายของขั้นตอนนี้ โปรดทราบว่า SolidWorks ไม่ใช่ซอฟต์แวร์ CAD เดียวที่คุณสามารถใช้ได้ เนื่องจากสามารถใช้โปรแกรมต่างๆ เช่น Inventor และ Fusion360 สำหรับ CAD ได้ คุณสามารถนำเข้าชิ้นส่วน SolidWorks เข้าไปได้

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าเพลาที่ยึดไม้พายนั้นมีศูนย์กลางอยู่ที่รูบนตัวถังเพื่อป้องกันไม่ให้เพลางอและปล่อยให้หลุดออกจากเรือโดยตรง

ทุกอย่างในโครงการนี้เป็นการพิมพ์ 3 มิติ (ไม่รวมอุปกรณ์ไฟฟ้า) ดังนั้นมิติข้อมูลจึงมีความสำคัญ ฉันให้ค่าความคลาดเคลื่อนของชิ้นส่วนประมาณ 0.01 นิ้ว เพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างลงตัว (เหมือนหลวมพอดี) มีความทนทานน้อยกว่าสำหรับเพลาที่ไปยังมอเตอร์ เพื่อให้สามารถใส่ได้พอดี แป้นพายติดตั้งอย่างแน่นหนากับเพลาเพื่อที่ว่าเมื่อติดตั้งมอเตอร์แล้ว แป้นพายจะเคลื่อนและขับเคลื่อนเรือ

เมื่อดู CAD คุณจะสังเกตเห็นแพลตฟอร์มสำหรับส่วนประกอบทางไฟฟ้า ทั้งนี้เพื่อให้ส่วนประกอบ "ปรากฏขึ้น" ลงในแพลตฟอร์มเพื่อป้องกันไม่ให้เคลื่อนที่ไปมา

ภาพพิมพ์ที่ใหญ่ที่สุดคือตัวถังและฝาปิด ดังนั้นโปรดคำนึงถึงสิ่งนี้เมื่อออกแบบ คุณอาจต้องแยกเป็นส่วนๆ เนื่องจากจะใหญ่เกินไปที่จะพิมพ์ในคราวเดียว

ขั้นตอนที่ 3: วงจรควบคุม

ในที่นี้เราจะพูดถึงวงจรไฟฟ้าที่ควบคุมเรือ ฉันมีแผนผังจาก Fritzing ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์ที่มีประโยชน์ซึ่งคุณสามารถดาวน์โหลดได้ที่นี่ ช่วยในการสร้างแผนผังทางไฟฟ้า

ไม่ใช่ส่วนประกอบทั้งหมดที่ใช้ในโครงการนี้อยู่ใน Fritzing ดังนั้นจึงถูกแทนที่ โฟโตเซนเซอร์สีดำแสดงถึงเซนเซอร์ HCSR04 และฮาล์ฟบริดจ์ขนาดเล็กคือตัวควบคุมมอเตอร์ L298N

HCSR04 และ L298N เชื่อมต่อกับรางจ่ายไฟบนเขียงหั่นขนมซึ่งเชื่อมต่อกับด้านพลังงานของ Arduino (บน 5V และพินกราวด์) หมุดสะท้อนและทริกเกอร์ของ HCSR04 ไปที่พิน 12 และ 13 บน Arduino ตามลำดับ

หมุดเปิดใช้งาน (ที่ควบคุมความเร็ว) สำหรับ L298 เชื่อมต่อกับหมุด 10 และ 11 (เปิดใช้งาน A/มอเตอร์ A) และ 5 และ 6 (ENB/มอเตอร์ B) พลังงานและกราวด์สำหรับมอเตอร์จะเชื่อมต่อกับพอร์ตบน L298N

แน่นอนว่า Arduino จะได้รับพลังงานจากเครื่องชาร์จโทรศัพท์พกพาของเรา เมื่อเปิดวงจร มอเตอร์จะถูกตั้งค่าที่ความเร็วสูงสุดในทิศทางที่กำหนดโดยเซ็นเซอร์ความใกล้ชิดของเรา สิ่งนี้จะครอบคลุมในส่วนการเข้ารหัส นี้จะย้ายเรือ

ขั้นตอนที่ 4: รหัส Arduino

ตอนนี้เรามาถึงจุดสำคัญของสิ่งที่ทำให้โครงการนี้ใช้งานได้: รหัส! ฉันได้แนบไฟล์ zip ที่มีรหัสสำหรับโครงการนี้ ซึ่งสามารถพบได้ที่ส่วนท้ายของขั้นตอนนี้ คอมเมนต์ไว้เต็มๆ ให้ชมกัน!

- โค้ดที่เขียนขึ้นสำหรับ Arduino ถูกเขียนขึ้นในโปรแกรมที่เรียกว่า Arduino integrated development environment (IDE) เป็นสิ่งที่คุณควรดาวน์โหลดจากเว็บไซต์ทางการของ Arduino ซึ่งสามารถพบได้ที่นี่ IDE เขียนด้วยภาษาการเขียนโปรแกรม C/C++

รหัสที่เขียนและบันทึกผ่าน IDE เรียกว่าภาพร่าง รวมอยู่ในไฟล์สเก็ตช์และคลาสและไลบรารีที่คุณสามารถรวมจากออนไลน์หรือที่คุณสร้างขึ้นเอง คำอธิบายโดยละเอียดของสิ่งเหล่านี้และวิธีการเขียนโปรแกรมใน Arduino สามารถพบได้ที่นี่

- ตามที่เห็นในตอนต้นของขั้นตอนนี้ ฉันมีวิดีโอ YouTube ที่กล่าวถึงภาพร่างหลักของโครงการ คุณสามารถตรวจสอบได้ที่นี่! สิ่งนี้จะครอบคลุมถึงร่างหลักและหน้าที่ของมัน

- ตอนนี้ฉันจะไปที่ห้องสมุดที่ฉันสร้างขึ้นเพื่อควบคุมเซ็นเซอร์ความใกล้ชิด ไลบรารีช่วยให้รับข้อมูลจากเซ็นเซอร์ได้ง่ายโดยใช้โค้ดน้อยลงในร่างหลักของฉัน

ไฟล์.h (HCSR04.h) คือสิ่งที่แสดงรายการฟังก์ชันและตัวแปรที่เราจะใช้ในไลบรารีนี้และกำหนดว่าใครสามารถเข้าถึงได้ เราเริ่มต้นด้วยตัวสร้าง ซึ่งเป็นบรรทัดของโค้ดที่กำหนดวัตถุ (ในกรณีของเราคือ "HCSR04ProxSensor" ที่เราใช้) ที่เก็บค่าที่เราป้อนในวงเล็บ ค่าเหล่านี้จะเป็นหมุดสะท้อนและทริกเกอร์ที่เราใช้ ซึ่งจะเชื่อมโยงกับวัตถุเซ็นเซอร์ที่เราสร้างขึ้น (ซึ่งสามารถตั้งชื่ออะไรก็ได้ที่เราชอบโดยใส่ "HCSR04ProxSensor NameOfOurObject") ทุกสิ่งที่อยู่ในคำจำกัดความ "สาธารณะ" สามารถเข้าถึงได้จากทุกสิ่ง ทั้งภายในห้องสมุดและภายนอก (เช่น ภาพร่างหลักของเรา) นี่คือที่ที่เราจะแสดงรายการฟังก์ชันของเราที่เราเรียกในร่างหลัก ใน "ส่วนตัว" เราเก็บตัวแปรที่ทำให้ไลบรารีทำงาน ตัวแปรเหล่านี้ใช้งานได้โดยฟังก์ชันภายในไลบรารีของเราเท่านั้น โดยพื้นฐานแล้วมันเป็นวิธีสำหรับฟังก์ชันของเราในการติดตามว่าตัวแปรและค่าใดที่เกี่ยวข้องกับวัตถุเซ็นเซอร์แต่ละตัวที่เราสร้างขึ้น

ตอนนี้เราย้ายไปที่ไฟล์ "HCSR04.cpp" นี่คือที่ที่เรากำหนดฟังก์ชันและตัวแปรของเราจริง ๆ และวิธีการทำงาน คล้ายกับถ้าคุณกำลังเขียนโค้ดภายในร่างหลักของคุณ โปรดทราบว่าควรระบุฟังก์ชันสำหรับสิ่งที่พวกเขาส่งคืน สำหรับ "readSensor()" มันจะส่งคืนตัวเลข (เป็นทศนิยม) ดังนั้นเราจึงกำหนดฟังก์ชันด้วย "float HCSR04ProxSensor::readSensor()" โปรดทราบว่าเราต้องรวม "HCSR04ProxSensor::" ชื่อของวัตถุที่เกี่ยวข้องกับฟังก์ชันนี้ เรากำหนดพินของเราโดยใช้ตัวสร้างของเรา ค้นหาระยะทางของวัตถุโดยใช้ฟังก์ชัน "readSensor()" และรับค่าที่อ่านล่าสุดด้วยฟังก์ชัน "getLastValue()"

ขั้นตอนที่ 5: 3D-Print All Parts and Assembly

เมื่อพิมพ์ตัวถังทั้งสองชิ้นแล้ว คุณสามารถพันเทปเข้าด้วยกันด้วยเทปสำหรับจิตรกร นี้ควรจะถือไว้ด้วยกัน จากนั้นคุณสามารถประกอบชิ้นส่วนอื่นๆ ทั้งหมดได้ตามปกติตามการออกแบบ CAD ของเรา

เครื่องพิมพ์ 3 มิติทำงานบน g-code ซึ่งคุณจะได้รับจากการใช้ซอฟต์แวร์ตัวแบ่งส่วนข้อมูลที่มาพร้อมกับเครื่องพิมพ์ ซอฟต์แวร์นี้จะใช้ไฟล์.stl (ของส่วนที่คุณสร้างใน CAD) และแปลงเป็นโค้ดเพื่อให้เครื่องพิมพ์อ่าน (ส่วนขยายสำหรับไฟล์นี้จะแตกต่างกันไปตามเครื่องพิมพ์) ตัวแบ่งส่วนข้อมูลการพิมพ์ 3 มิติยอดนิยม ได้แก่ Cura, FlashPrint และอื่นๆ

เมื่อพิมพ์ 3 มิติ สิ่งสำคัญคือต้องรู้ว่าต้องใช้เวลามาก ดังนั้นต้องแน่ใจว่าได้วางแผนอย่างเหมาะสม เพื่อหลีกเลี่ยงเวลาในการพิมพ์ที่ยาวนานและชิ้นส่วนที่หนักกว่า คุณสามารถพิมพ์โดยเติมหมึกได้ประมาณ 10% โปรดทราบว่าการเติมที่สูงขึ้นจะช่วยไม่ให้น้ำเข้าไปแทรกแซงงานพิมพ์ เนื่องจากจะมีรูพรุนน้อยกว่า แต่สิ่งนี้จะทำให้ชิ้นส่วนหนักขึ้นและใช้เวลานานขึ้นด้วย

งานพิมพ์ 3 มิติทั้งหมดไม่เหมาะกับการใช้น้ำ ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องกันน้ำ ในโครงการนี้ ฉันเลือกใช้ Flex Seal เพราะมันค่อนข้างเรียบง่ายและทำงานได้ดีมากในการกันน้ำออกจากงานพิมพ์

ขั้นตอนที่ 6: ป้องกันการรั่วซึมของงานพิมพ์

การกันน้ำสำหรับงานพิมพ์นี้มีความสำคัญ เนื่องจากคุณไม่ต้องการให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ราคาแพงของคุณเสียหาย!

ในการเริ่มต้น เราจะขัดด้านนอกและด้านล่างของตัวถัง นี่คือการสร้างร่องเพื่อให้ซีลโค้งซึมเข้าไป ให้การป้องกันที่ดียิ่งขึ้น คุณสามารถใช้กระดาษทรายละเอียดสูง ระวังอย่าขัดเยอะเกินไป สักสองสามจังหวะก็ไม่เป็นไร

ขั้นตอนที่ 7: ขัดตัวถัง

คุณจะรู้ว่าต้องหยุดเมื่อไรเมื่อเห็นเส้นสีขาวเริ่มปรากฏขึ้น

ขั้นตอนที่ 8: ใช้ Flex Seal

คุณสามารถใช้ไม้ไอติมหรือแปรงทากาวผนึก ไม่พลาดทุกจุดและทั่วถึง คุณสามารถจุ่มเครื่องมือของคุณลงในกระป๋องที่เปิดอยู่แล้วถูลงบนตัวถัง

ขั้นตอนที่ 9: ปล่อยให้ Flex Seal นั่ง

ตอนนี้เรารอ! ปกติจะใช้เวลาประมาณ 3 ชั่วโมงกว่าที่ซีลแบบยืดหยุ่นจะแห้งเล็กน้อย แต่ฉันจะปล่อยทิ้งไว้ 24 ชั่วโมงเพื่อให้แน่ใจ คุณสามารถใช้ชั้นเฟล็กซ์ซีลอีกชั้นหนึ่งได้เมื่อแห้งเสร็จเพื่อปกป้องตัวเรือให้ดียิ่งขึ้นไปอีก แต่นี่ใช้ทักษะมากเกินไปเล็กน้อย (ชั้น 1 ใช้ได้ดีสำหรับฉัน)

ขั้นตอนที่ 10: การประกอบและการทดสอบ

ตอนนี้เมื่อผนึกแบบยืดหยุ่นแห้งเสร็จแล้ว ฉันขอแนะนำให้ทดสอบตัวเรือในน้ำก่อนที่จะเพิ่มส่วนประกอบทางไฟฟ้า (หากตัวเรือไม่กันน้ำ ซึ่งอาจสร้างปัญหาให้กับ Arduino ของคุณได้!) แค่เอามันไปที่อ่างหรือสระว่ายน้ำของคุณและดูว่าเรือสามารถลอยได้นานกว่า 5 นาทีโดยไม่มีการรั่วไหล

เมื่อเราแน่ใจว่าตัวถังของเรากันน้ำแล้ว เราก็สามารถเริ่มเพิ่มชิ้นส่วนทั้งหมดของเราได้! ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ต่อ Arduino, L298N และส่วนประกอบที่เหลือเข้ากับหมุดที่ถูกต้อง

เพื่อให้ได้สายไฟที่พอดีกับมอเตอร์กระแสตรง ฉันจึงบัดกรีตะกั่วตัวผู้กับสายบนของมอเตอร์เพื่อให้แน่ใจว่ายังคงทำงานต่อไป การบัดกรียังมีประโยชน์ในการตรวจสอบให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อทั้งหมดของคุณปลอดภัยหรือหากคุณต้องการต่อสายที่ยาวขึ้น หากคุณไม่เคยบัดกรีมาก่อน คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมได้ที่นี่!

เมื่อทุกอย่างรวมกันแล้ว ให้วางส่วนประกอบทั้งหมดลงในตัวถังและทำการทดสอบ! คุณจะต้องตรวจสอบว่าเซ็นเซอร์ทำงานตามที่ตั้งใจไว้โดยการอ่านค่าระยะทางบนจอภาพแบบอนุกรม ตรวจสอบว่ามอเตอร์หมุนอย่างถูกต้อง สิ่งต่างๆ เช่นนั้น

ขั้นตอนที่ 11: ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

และตอนนี้คุณทำเสร็จแล้ว! ตรวจสอบข้อผิดพลาดใด ๆ ในการทดลองขับ (ทดสอบการลอยตัวเรือและตัวเรือก่อนใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์) และคุณพร้อมแล้ว!