Pi-katapult: 7 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

Elk jaar op de laatste zaterdag van oktober organiseert het Historisch Museum van Cantigny een wedstrijd voor amateurkatapulten. Dit is een geweldige wedstrijd waarbij alle nieuwkomers een katapult kunnen bouwen en afvuren terwijl ze strijden in maximaal 3 verschillende categorieën: afstand, schotgroepering en nauwkeurigheid. Bezoek voor meer informatie over de wedstrijd hun website op https://www.fdmuseum.org/event/cantigny-catapult-c… Voor de wedstrijd van dit jaar heeft mijn team, de Pi Throwers, besloten om een Raspberry Pi te gebruiken om te helpen met de laat een deel van onze worp los.

In ons ontwerp hebben we een set sensoren die worden bewaakt door een Raspberry Pi Zero Wireless. Nadat de katapult is ingeschakeld en aan de ontgrendeling is getrokken, bepaalt de Raspberry Pi wanneer de honkbal wordt losgelaten. Met behulp van dit eenvoudige proces waren we in staat om op de tweede plaats te komen met een afstand van 186 voet.

Deze Instructable bespreekt het ontwerp, de ontwikkeling en de implementatie van de Raspberry Pi-controller en bijbehorende elektronica. Hoewel ik de bouw van de katapult van dit jaar niet behandel, zoek na het begin van het nieuwe jaar naar een instructable over het ontwerp en de bouw van de katapult van volgend jaar.

Gewoon voor de lol heb ik een video bijgevoegd van ons schot van 186 voet. Ik hoop dat je ervan geniet.

Ik wil ook mijn teamgenoten dit jaar bedanken: Steven Bob en Gus Menoudakis.

Stap 1: Algemeen ontwerp

Tijdens de wedstrijd van vorig jaar hadden we behoorlijk wat moeite om consistente releases voor onze katapult te krijgen. Omdat ik een grote nerd was, besloot ik volgens mijn vrouw mijn vaardigheden met elektronica en de extreem lage kosten van een Raspberry Pi Zero ($ 5) te gebruiken om computerbesturing toe te voegen.

Hier is het algemene proces van het afvuren van de katapult. Zet eerst de Pi aan. Ten tweede, maak verbinding met de draadloze hotspot van de Pi met mijn iPhone en start mijn Catapult-app. Wind vervolgens de katapult op en stel de release in. Laad de katapult en stel de trekker in. Bewapen de katapult met de app. Wanneer je klaar bent om de katapult af te vuren, trek je aan de ontgrendeling. Nu laat de Pi, met behulp van de ingebouwde sensoren, de trekker op het juiste moment los en wordt de bal losgelaten.

Stap 2: Raspberry Pi Zero Setup

Er zijn drie hoofdstappen nodig om de Raspberry Pi in te stellen voor gebruik in de katapult. De eerste is om verbindingen toe te voegen aan de powerpads aan de achterkant van de Pi. De tweede is om de Pi in te stellen als een hotspot. De laatste stap is het ontwikkelen van een programma in Python dat zal communiceren met de controle-app, de sensoren zal lezen en de katapult zal afvuren wanneer dat nodig is.

Stroomaansluitingen

1. Steek je soldeerbout aan.
2. Pak een set 16-18 gauge draad voor de stroomaansluiting. Ik gebruik altijd rode draad voor de positieve verbinding. Ik gebruik ook draad met een connector aan het ene uiteinde, zodat ik de den van de katapult kan verwijderen.
3. Strip een kleine hoeveelheid draad en vertin de uiteinden.
4. Soldeer de pads waar u de stroom gaat aansluiten. Ik weet de padnummers niet, maar op de afbeelding heb ik aangegeven welke pads ik moet gebruiken.
5. Soldeer de draden aan de Pi. Ik vind dat deze stap eenvoudig is als je de Pi vastzet en een draad over de te solderen pad houdt. Vervolgens breng ik de soldeerbout op de draad aan terwijl ik op de pad druk. Zodra u het soldeer op de draad voelt smelten, laat u de druk los.
6. Herhaal met de tweede draad.
7. Controleer op eventuele korte broeken. Er is kortsluiting als de draden of het soldeer van beide pads elkaar raken. Als dit gebeurt, verwarm dan het soldeersel, verwijder de draden en probeer het opnieuw.

Hotspot

Hoewel ik alle stappen zou kunnen doorlopen om een hotspot in te stellen, zijn er anderen die het beter hebben gedaan. Ik heb een aantal sites opgesomd met stapsgewijze instructies.

RaspberryPi.org

Frillip.com

Python-programma

Een Python-programma wordt gebruikt om de configuratie en het afvuren van de katapult te besturen. Het onderstaande programma wordt uitgevoerd op de Pi en stelt u in staat de katapult te configureren en te besturen. Dit programma wordt toegevoegd aan de lokale gebruikersdirectory en wordt elke keer uitgevoerd als de Pi wordt opgestart door een item toe te voegen in /etc/rc.local. Dit programma stelt een netwerkserver in waarmee ik verbinding maak met behulp van een app die is ontwikkeld voor mijn iPhone. U kunt ook telnet gebruiken en verbinding maken met poort 9999 op de Pi. U kunt dan tekstopdrachten gebruiken voor hetzelfde effect als mijn app.

Node-Red-programma

Als aanvulling op het Python-programma heb ik een Node-Red-programma gemaakt met vergelijkbare functionaliteit, maar het maakt gebruik van een webinterface. Aangezien Rasbian, het aanbevolen besturingssysteem voor de Raspberry Pi, Node-Red als onderdeel van de installatie bevat, dacht ik dat dit een goede toevoeging zou kunnen zijn. Kopieer de inhoud van het catapult.json-bestand naar uw klembord, open Node-Red op de Pi die u voor uw katapult wilt gebruiken, selecteer Importeren->Clipboard in het menu aan de rechterkant en plak de code daar. Nu hoef je alleen nog maar de code te implementeren en verbinding te maken met het IP-adres van je Pi voor de gebruikersinterface. In mijn geval is het https://192.168.1.103/:1880/ui/#/0, uw IP-adres zal zeer.

Stap 3: Bedrading van de onderdelen

Hoewel het eruit ziet als een puinhoop, is de feitelijke bedrading van het systeem vrij eenvoudig. Het slecht uitgevoerde PowerPoint-schema toont alle verbindingen. De benodigde onderdelen staan hieronder vermeld.

Onderdelen lijst

1. Raspberry Pi Nul Draadloos - $ 5
2. 16 GB micro SD-kaart - $ 8-10
3. Uxcell DC12V 25N Force 2-Draden Pull Push Solenoid, Elektromagneet, 10 mm Actuator - $ 18
4. eBoot 6-pack LM2596 DC naar DC Buck-converter 3,0-40V naar 1,5-35V voeding Step-down-module - $ 2
5. Floureon 2-packs 3S 11.1V 1500mAh 35C RC Lipo-batterij met XT60-stekker voor RC-auto, Skylark m4-fpv250, Mini Shredder 200, Qav250, Vortex, drone en FPV (2,91 x 1,46 x 1,08 inch) - $ 27
6. Tuimelschakelaar - $ 2-10 per schakelaar, ik had een oude die ik gebruikte
7. Finware 6 paar XT60 XT-60 mannelijke vrouwelijke kogelconnectoren Stekkers met krimpkous voor RC Lipo-batterij - $ 7,50
8. Cylewet 15-delige reed-schakelaar met vergulde kabel normaal open (N/O) magnetische inductieschakelaar elektromagnetisch voor Arduino (pak van 15) CYT1065 - $ 10
9. Tolako 5v relaismodule voor Arduino ARM PIC AVR MCU 5V indicatielampje LED 1-kanaals relaismodule Werkt met officiële Arduino-boards - $ 6. Je zou een relais kunnen krijgen dat werkt op 3.3v en de NPN-transistor omzeilt, dat zou ik hebben gedaan als ik de juiste had besteld om mee te beginnen.
10. 100 x 2N2222 NPN TO-92 In kunststof ingekapselde vermogenstransistors 75V 600mA - $2
11. Draad en diverse onderdelen - dit omvat enkele 20 mm magneten.

Verbindingen

Zoals je kunt zien aan mijn vreselijke elektronicadiagram, zijn de aansluitingen voor de elektronica vrij eenvoudig. Je vraagt je misschien af waarom er een NPN-transistor in wordt gegooid, het heeft te maken met het relais dat op 5 volt werkt en de Pi op 3,3v. Ja, er zijn 5V-pinnen op de Pi, maar deze zijn niet bedoeld om verbinding te maken met de GPIO-pinnen. Vraag me hoe ik weet…

Hoe u de componenten met elkaar verbindt, is uw keuze. Ik heb oude RC-servoconnectoren gebruikt omdat ze de juiste afstand hebben om te gebruiken voor de GPIO-pinnen op de Raspberry Pi en ik heb er een grote verzameling van. Je kunt het soldeer naar de gaten / pinnen op de Pi richten als je wilt. Je moet er alleen voor zorgen dat de verbindingen veilig zijn en waarschijnlijk niet scheiden tijdens het gewelddadige proces dat een katapultlancering is.

Stap 4: Gedrukte onderdelen

Er zijn drie items die ik moest afdrukken voor dit project en ze staan hieronder vermeld.

1. Elektronica koffer
2. Solenoïde behuizing:
3. Honkbal retentie arm

Ik heb de STL-bestanden opgenomen voor elk van de onderdelen die ik moest afdrukken. Bij het printen van de arm raad ik je aan om een vulgraad van 25-50% te gebruiken. Dit is om ervoor te zorgen dat de arm niet breekt door de spanningen waaraan hij wordt blootgesteld tijdens het afvuren.

Stap 5: Magneten en reed-schakelaars

Een van de belangrijkste ontwerpaspecten is het bepalen hoe je kunt zien waar de arm is tijdens het afvuren van de katapult. Er zijn een aantal verschillende opties, Hall-effectsensoren, reed-schakelaars en versnellingsmeters zijn er maar een paar. Oorspronkelijk was ik van plan om de Hall Effect-sensoren te gebruiken, maar ontdekte dat ze niet consistent werkten, dus schakelde ik over op reed-schakelaars. Als u ervoor kiest om reed-schakelaars te gebruiken, een woord van waarschuwing, moeten reed-schakelaars zo worden geplaatst dat ze loodrecht op de middelpuntvliedende kracht staan. Anders is het mogelijk dat de reed-schakelaars door de draaiende beweging van de arm geforceerd open/gesloten worden.

Zoals je in het diagram kunt zien, heb ik vier magneten en twee reed-schakelaars gebruikt. Elk van de magneten is 90 graden uit elkaar geplaatst. Dit, in combinatie met de 135 graden offset voor de reed-schakelaars, maakt 8 sensormetingen per omwenteling mogelijk. Met de sensor-offset zullen beide sensoren niet tegelijkertijd een magneet kruisen, wat ons dezelfde precisie geeft als het gebruik van een enkele reed-schakelaar en 8 magneten. In beide gevallen krijgt de Pi elke 45 graden dat de arm draait een enkele puls.

Elk van de magneten is ingebed in de basissteun voor de werparm. Ik gebruikte een 7/8 inch forstner-bit en boorde ongeveer 6 mm in om overeen te komen met de hoogte van de magneten die ik bij de hand had. Ik heb toen een beetje hete lijm in het gat gedaan en de magneten op hun plaats gedrukt. Elk van de magneten moet gelijk liggen met het oppervlak van de basis.

Voor de reed-schakelaars heb ik de schakelaars eerst verbonden met draden die ik later zou verbinden met de GPIO-pinnen van de Pi. Ik heb toen een gleuf geboord voor de reed-schakelaar aan de onderkant van de werparm. Deze sleuf moet zo groot zijn dat hij uw reed-schakelaar volledig omsluit. Vervolgens boorde ik een gat door de arm aan het uiteinde van de sleuf. Dit gat is hoe de draad en de reed-schakelaar door de arm worden geregen, dus het moet groot genoeg zijn om beide aan te kunnen. Vervolgens rijg ik de draadverbinding met de reed-schakelaar en lijm de reed-schakelaar in de gleuf die ervoor is gemaakt. Omdat ik hout gebruikte voor mijn werparm, vulde ik de ruimtes in de reed-schakelaargleuf met houtvuller. Dit was een manier om ervoor te zorgen dat de reed-schakelaar vastzit en niet over de basis kan wrijven.

Stap 6: Testen

Testen is een leuk proces. Het is waar je ergens naartoe gaat waar je geen mensen pijn doet of eigendommen beschadigt en kijkt of je spullen werken. Ik wou dat ik dat had gedaan. Bij onze eerste test gooi de arm te laat los en ik had een honkbalzeil over mijn busje, ongeveer 30 meter verderop. Na het aanpassen van de release timing, probeerden we het opnieuw. Deze keer raakte de honkbal mijn autoband en stuiterde terug naar ons. Ik heb mijn auto verplaatst.

Na nog een aantal pogingen gingen we naar de plaats waar het touw aan de arm was bevestigd, zodat de arm 90 graden linksom stopte van recht omhoog. Hierdoor konden we schoten vrijwel recht naar voren en in een hoek van 45 graden schieten. Veel beter. Nadat we de release hadden ingesteld, veranderden we het gewicht en pasten we de balstrop een paar keer aan om onze beste resultaten te krijgen.

Stap 7: Laatste gedachten

Ik wil graag alle mensen bedanken die hebben geholpen met de katapult van dit jaar. Steven Bob en Gus Menoudakis, mijn teamgenoten. Mijn vrouw, die elk jaar vraagt waarom ik een ander ontwerp voor een katapult moet bouwen. En Cantigny voor het hebben van de wedstrijd in de eerste plaats. Het is een knaller en zou echt een groter publiek moeten hebben.

Bedankt voor uw tijd en laat het me weten als u vragen heeft.