Makecourse: de eenzame boot: 11 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Deze instructable is gemaakt om te voldoen aan de projectvereiste van de Makecourse aan de University of South Florida (www.makecourse.com).

Nieuw bij Arduino's, 3D-printen en computer-aided design (CAD)? Dit project is een geweldige manier om alle basisprincipes achter deze onderwerpen te leren en biedt ruimte voor je creativiteit om het je eigen te maken! Het bevat veel CAD-modellering voor de structuur van de boot, een introductie tot autonome systemen en introduceert het concept van het waterdicht maken van 3D-prints!

Stap 1: Materialenlijst

Om aan het project te beginnen, moet je eerst weten waar je mee aan de slag gaat! Dit zijn de materialen die u moet hebben voordat u begint:

• 1x Arduino Uno R3 microcontroller en USB-kabel (Amazon Link)
• 1x L298N motorcontroller (Amazon Link)
• 4x (2 zijn back-ups) DC-motoren 3-6V (Amazon Link)
• 2x 28BYJ-48 Stappenmotoren en ULN2003 modules (Amazon Link)
• 1x draagbare telefoonoplader voor stroom (hier is degene die ik heb gebruikt, hij is echter een beetje groot. Je kunt desgewenst een andere gebruiken: Amazon Link)
• 1x Ultrasone HCSR04-sensor (Deze link heeft een paar extra's met enkele jumperdraden: Amazon Link)
• 3x pakjes jumperdraden (mannelijk-vrouwelijk, mannelijk-mannelijk, vrouwelijk-vrouwelijk. Amazon Link)
• 1x blikje Flex Seal (16-oz, Amazon Link)
• 1x schilderstape (Amazon Link)
• 1x fijn schuurpapier (ongeveer 300 is goed)
• Een paar ijslollystokjes en borstels voor het aanbrengen van flex seal

• Toegang tot 3D-printen. (Hier is een relatief goedkope en effectieve 3D-printer - Amazon Link)

  • Rood filament voor 3D-printen (Amazon Link
  • Zwart filament voor 3D-printen (Amazon Link)

Voel je vrij om alle materialen toe te voegen die je bedenkt voor jouw versie van het project!

Stap 2: 3D-geprinte onderdelen en ontwerp

Het eerste deel van dit project is het creëren van een mechanisch systeem waarin het kan werken. Dit omvat veel onderdelen, waaronder de romp, het deksel, de peddels, de assen voor de motoren tot de peddels, een houder voor de sensor en de as waarop de sensorbevestiging zit.

De componenten worden ontworpen in SolidWorks en samengevoegd tot een assembly. Alle onderdeelbestanden en de assembly zijn in een zipbestand geplaatst, dat u aan het einde van deze stap kunt vinden. Merk op dat SolidWorks niet de enige CAD-software is die u kunt gebruiken, aangezien veel programma's zoals Inventor en Fusion360 voor CAD kunnen worden gebruikt. U kunt er SolidWorks-onderdelen in importeren.

Het is belangrijk op te merken dat de assen die de peddels vasthouden concentrisch zijn met de gaten in de romp om te voorkomen dat de as verbuigt en deze recht uit de boot gaat.

Alles aan dit project is 3D geprint (exclusief elektrische componenten), dus afmetingen zijn belangrijk. Ik gaf toleranties van ongeveer 0,01 inch op onderdelen, om ervoor te zorgen dat alles bij elkaar past (een beetje als een losse pasvorm). Er was minder tolerantie voor de assen die naar de motor gingen, zodat ze goed passen. De peddels zijn stevig op de as gemonteerd, zodat wanneer de motoren worden ingeschakeld, de peddels bewegen en de boot voortstuwen.

Bij het bekijken van de CAD ziet u platforms voor elektrische componenten. Dit is om de componenten in hun platform te laten "ploffen" om te voorkomen dat ze bewegen.

De grootste prints zijn de romp en het deksel, dus houd hier rekening mee bij het ontwerpen. Mogelijk moet u het in delen splitsen, omdat het te groot zou zijn om in één keer af te drukken.

Stap 3: Besturingscircuit

Hier bespreken we het elektrische circuit dat de boot bestuurt. Ik heb een schema van Fritzing, een handige software die je hier kunt downloaden. Het helpt bij het maken van elektrische schema's.

Niet alle componenten die in dit project worden gebruikt, zijn in Fritzing, dus ze worden vervangen. De zwarte fotosensor vertegenwoordigt de HCSR04-sensor en de kleine halve brug is de L298N-motorcontroller.

De HCSR04 en L298N zijn verbonden met de stroomrails op het breadboard, die op hun beurt zijn verbonden met de stroomkant van de Arduino (op de 5V- en grondpinnen). De echo- en triggerpinnen van de HCSR04 gaan respectievelijk naar pin 12 en 13 op de Arduino.

De activeringspinnen (die de snelheid regelen) voor de L298 zijn verbonden met pinnen 10 en 11 (Enable A/Motor A) en 5 en 6 (ENB/Motor B). De voeding en aarding voor de motoren worden vervolgens aangesloten op poorten op de L298N.

De Arduino krijgt natuurlijk stroom van onze draagbare telefoonoplader. Wanneer het circuit is ingeschakeld, worden de motoren ingesteld op maximale snelheid in een richting die wordt bepaald door onze nabijheidssensor. Dit wordt behandeld in het codeergedeelte. Dit zal de boot verplaatsen.

Stap 4: Arduino-code

Nu komen we tot de kern van wat dit project doet werken: de code! Ik heb een zip-bestand bijgevoegd met de code voor dit project, dat u aan het einde van deze stap kunt vinden. Het is volledig becommentarieerd voor u om door te kijken!

- Code die voor Arduino is geschreven, is geschreven in een programma dat bekend staat als de Arduino Integrated Development Environment (IDE). Het is iets dat je moet downloaden van de officiële website van Arduino, die je hier kunt vinden. De IDE is geschreven in de programmeertalen C/C++.

Code geschreven en opgeslagen via de IDE staat bekend als een schets. Opgenomen in de schetsen en klassenbestanden en bibliotheken die u online kunt opnemen of die u zelf hebt gemaakt. Gedetailleerde uitleg hiervan en hoe te programmeren in Arduino vindt u hier.

- Zoals aan het begin van deze stap te zien is, heb ik een YouTube-video over de hoofdschets van het project, je kunt hem hier bekijken! Dit gaat over de hoofdschets en zijn functies.

- Ik zal nu kort de bibliotheek bespreken die ik heb gemaakt voor het besturen van de nabijheidssensor. De bibliotheek maakt het gemakkelijk om gegevens van de sensor te krijgen met minder regels code in mijn hoofdschets.

Het.h-bestand (HCSR04.h) bevat de functies en variabelen die we in deze bibliotheek zullen gebruiken en definieert wie er toegang toe heeft. We beginnen met een constructor, een regel code die een object definieert (in ons geval de "HCSR04ProxSensor" die we gebruiken) die waarden bevat die we tussen haakjes invoeren. Deze waarden zijn de echo- en trigger-pinnen die we gebruiken, die worden gekoppeld aan het sensorobject dat we maken (dat kan worden genoemd wat we willen door "HCSR04ProxSensor NameOfOurObject" op te nemen). Dingen binnen de "publieke" definitie kunnen door alles worden benaderd, zowel binnen de bibliotheek als daarbuiten (zoals onze hoofdschets). Hier zullen we onze functies vermelden die we in de hoofdschets aanroepen. In "private" slaan we de variabelen op die de bibliotheek laten draaien. Deze variabelen zijn alleen bruikbaar door de functies binnen onze bibliotheek. Het is in feite een manier voor onze functies om bij te houden welke variabelen en waarden zijn gekoppeld aan elk sensorobject dat we maken.

Nu gaan we naar het bestand "HCSR04.cpp". Hier definiëren we onze functies en variabelen en hoe ze werken. Het is vergelijkbaar met het schrijven van de code in uw hoofdschets. Merk op dat functies moeten worden gespecificeerd voor wat ze retourneren. Voor "readSensor()", zal het een getal retourneren (als een float), dus we definiëren markeer de functie met "float HCSR04ProxSensor::readSensor()". Merk op dat we "HCSR04ProxSensor::" moeten opnemen, de naam van het object dat aan deze functie is gekoppeld. We definiëren onze pinnen met behulp van onze constructor, vinden de afstand van een object met behulp van de functie "readSensor()" en krijgen onze laatste leeswaarde met de functie "getLastValue()".

Stap 5: 3D-print alle onderdelen en montage

Zodra de twee delen van de romp zijn afgedrukt, kunt u ze aan elkaar plakken met schilderstape. Dit zou het bij elkaar moeten houden. Vervolgens kunt u alle andere onderdelen gewoon monteren op basis van ons CAD-ontwerp.

3D-printers werken op g-code, die u kunt krijgen door de slicer-software te gebruiken die bij de printer wordt geleverd. Deze software neemt een.stl-bestand (van een onderdeel dat u in CAD hebt gemaakt) en zet het om in code die de printer kan lezen (de extensie voor dit bestand verschilt per printer). Populaire snijmachines voor 3D-printen zijn onder meer Cura, FlashPrint en meer!

Bij 3D-printen is het belangrijk om te weten dat het veel tijd kost, dus plan dienovereenkomstig. Om lange printtijden en zwaardere onderdelen te voorkomen, kun je printen met een vulling van circa 10%. Houd er rekening mee dat een hogere vulling helpt tegen het binnendringen van water in de print, omdat er minder poriën zijn, maar dit maakt de onderdelen ook zwaarder en duurt langer.

Ongeveer alle 3D-prints zijn niet goed geschikt voor water, dus we moeten ze waterdicht maken. In dit project heb ik gekozen voor het toepassen van Flex Seal, omdat het vrij eenvoudig is en buitengewoon goed werkt om water uit de afdruk te houden.

Stap 6: de afdruk waterdicht maken

Het waterdicht maken van deze print is belangrijk, omdat je niet wilt dat je dure elektronica beschadigd raakt!

Om te beginnen schuren we de buitenkant en onderkant van de romp. Dit is om groeven te creëren waar de flexibele afdichting in kan sijpelen, wat een betere bescherming biedt. U kunt wat hoge korrel / fijn schuurpapier gebruiken. Pas op dat je niet te veel schuurt, een paar slagen zou goed moeten zijn.

Stap 7: De romp schuren

Je weet wanneer je moet stoppen als je ziet dat de witte lijnen beginnen te verschijnen.

Stap 8: Flex Seal aanbrengen

Je kunt een ijslollystokje of kwastje gebruiken om de flex seal aan te brengen. Zorg ervoor dat u geen enkele plek overslaat en wees grondig. Je kunt je gereedschap gewoon in het open blikje dopen en het op de romp wrijven.

Stap 9: Laat de flexibele afdichting zitten

Nu wachten we! Normaal duurt het ongeveer 3 uur voordat de flexibele afdichting behoorlijk droog is, maar ik zou het voor de zekerheid 24 uur laten zitten. Je kunt nog een laag flex seal aanbrengen als het klaar is met drogen om de romp nog meer te beschermen, maar dit is een beetje overdreven (1 laag werkte prima voor mij).

Stap 10: Montage en testen

Nu de flexibele afdichting klaar is met drogen, raad ik aan de romp in water te testen voordat u de elektrische componenten toevoegt (als de romp NIET waterdicht is, kan dat problemen opleveren voor uw Arduino!). Neem het gewoon mee naar uw gootsteen of zwembad en kijk of de boot meer dan 5 minuten kan drijven zonder lekkage.

Zodra we ervoor hebben gezorgd dat onze romp waterdicht is, kunnen we beginnen met het toevoegen van al onze onderdelen! Zorg ervoor dat u de Arduino, L298N en de rest van de componenten correct aansluit op de juiste pinnen.

Om de draden op de DC-motoren te laten passen, heb ik de mannelijke draden aan de draden op de motor gesoldeerd om ervoor te zorgen dat ze aan blijven. Solderen is ook handig om ervoor te zorgen dat al uw verbindingen veilig zijn of als u een langere draad moet maken. Als je nog nooit hebt gesoldeerd, kun je er hier meer over leren!

Zodra alles in elkaar zit, plaatst u alle componenten in de romp en voert u wat tests uit! U wilt controleren of de sensor werkt zoals bedoeld door de afstandswaarden op de seriële monitor af te lezen, te controleren of de motoren correct draaien, dat soort dingen.

Stap 11: Eindproduct

En nu ben je klaar! Controleer op eventuele fouten in een proefrit (test de boot en de romp voordat u elektronica aanbrengt) en u bent klaar!