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逐梦“太空” 自制一个带回收功能的火箭！ |
本帖最后由 RRoy 于 2021-9-3 02:21 编辑  马斯克造火箭，贝佐斯乘坐自家的火箭上天，我们怎么可以落后？ 今天就给大家带来一个自制的火箭项目。 在这个项目中，我们将建造一个带有自动降落伞弹射机制的水火箭，以及一个数据传输系统，这样我们就可以在空中监测火箭的方向（根据加速度计和陀螺仪数据估计）。 水火箭是一种模型火箭，它使用压力室（通常是一个PET瓶，也就是碳酸饮料瓶）内的水和压缩空气作为推力发动机。火箭的运行可以用牛顿第三定律来解释，压缩室中的水被压缩空气抛出，因为它试图释放压力释放积累的势能，所以在相反的方向会产生一个推动火箭的力。   ▲ 效果演示 冷知识： 材料火箭机身
电子部分
工具
步骤一：降落伞制作  计算瓶子的半径 如(1)所示，测量周长，然后应用公式r=c/(2*pi) 来计算半径，在我们的例子中，半径是60毫米。 根据这些信息，在纸板上标出2个半径为瓶子半径减去1毫米的圆（在我们的例子中是59毫米），并将其剪下，如（2）和（3）所示。 对每个圆，按（4）所示画线。 为此，我们首先画出一条穿过圆心的线，这条线将被称为线1； 在线1的一端测量40毫米，然后画一条与圆的边界相接触的垂直线，这条线将被称为线2； 在线1的另一端测量20毫米，画一个点； 现在在该点和线2的两端之间各画一条虚线，这条虚线的长度记为L。 步骤二  根据上述测量值（L），在纸板上画一个高110毫米，宽（L）×4毫米的长方形，每隔（L）毫米划一条垂直线（5）； 切开大的长方形，在中间切线，切成两个大小相同的长方形，如(6)所示； 对于每一个长方形纸板，通过标记线切割纸板的顶层，以便我们可以折叠它们； 在其中一个圆圈的标记线上涂上热熔胶，并将其中一个折叠的长方形纸板粘起来，然后将另一个长方形纸板粘在前一个长方形纸板的后面以加固它； 我们需要为扎带开孔，所以在距离长方形两端约15毫米处标出一条线，并在这条线上画出4个高约3毫米、宽约5毫米的长方形，如（9）所示，它们之间的距离大约相等； 将另一个圆粘在上面； 切断小矩形，并测试一下扎带是否能穿过小孔。 步骤三  在火箭顶部的降落伞弹射系统的空腔中，如（11）所示，在距离瓶子底部约50毫米处划出一个圆圈，并切开它，这就成了一个没有底部的瓶子。 把用硬纸板做的支架放在这个瓶子里。 支架在里面，在瓶子上标出一个矩形，覆盖支架的正面（支架的正面是我们为扎带打孔的那一面，或者是空间最大的那一面），这个矩形在每个水平端应该有20毫米的额外空间。 现在取下纸板支架，用切割机切割矩形，如(12)、(13)和(14)所示，小心地将矩形从瓶子里切出来，因为这部分以后将用于固定里面的降落伞。 然后在长方形的一端上开个洞，用橡皮筋穿过，如（15）所示，最后用胶带把长方形固定在瓶子的右边（就是把瓶子竖起来的时候），这样就可以当一个盖子了，如（16）所示。 步骤四  从背面看纸板支架，在右侧标记一个长方形，大约在中心位置标记伺服电机底部的尺寸，对于我们使用的那个电机（SG90），尺寸是22毫米高，12毫米宽，如（18）所示。 现在切开这个长方形的小孔，插入电机。 如(19)和(20)所示，用螺钉或热熔胶把电机固定在支架上。 PS: 如果纸板有点薄，螺丝可能会不起作用，对螺丝用力过猛也会导致安装松动，在这种情况下，热胶更容易、更安全。 在纸板支架的左侧，开一个小孔，让电机的电线通过，尽量靠右放，如（19）所示。 步骤五  接下来我们将要制作降落伞“弹簧”，并把它固定在纸板箱上。 如(21)所示，从一个未使用的瓶子上剪下一个230毫米×96毫米的矩形（用卷尺测量）作为降落伞“弹簧”。 在剪下来的正方形塑料片的每个短端，在离边界约10毫米处划一条线，将标记线与纸板支架两端的孔的边缘对齐（在纸板支架的背面），并在每个孔上做一个标记，如（22）所示。 用切割器或电烙铁在每个标记的矩形上打一个孔。 如（23）所示，用扎带将“弹簧”固定在纸板支架上。如（24）所示，必要时用钳子将扎带穿过（如果“弹簧”碍事，你也可以将它弯曲）。 将纸板插入瓶中，使“弹簧”位于孔的一侧； 为了把纸板支架推入，可能需要先把“弹簧”推到支架上，然后再把支架推到瓶子里面去； 在电机的顶部画一个长方形，并把它剪下来，这个孔是橡皮筋穿过的地方，它将被连接到电机上，保持盖子关闭，降落伞被压缩在“弹簧”上。 在下面GIF里，你可以看到如何将降落伞放入火箭内部。  步骤六 电子部分    电子装置主要由Arduino Nano、MPU6090加速器+陀螺仪、设置为3.3V的LM317稳压电路、一个充电宝、一个无线电模块NRF240L01+和一个伺服电机组成，下面的原理图rocket.pdf显示了连接图。  我们在电路板上为无线电模块放置了一些母头，并使用长的公头到母头的电缆连接它。 对于伺服电机，我们放了一些公头。 稳压器用于为NRF24L01+提供电源，因为我们发现Arduino的3.3V输出不能提供足够的电压，程序有时会失败。 你可以使用任何你想要的方法连接元件，但请记住纸板支架内的空间是有限的。 要把电路板安装到纸板支架上，首先，把它从瓶子里拿出来（1），把电路板放在纸板支架的左侧上面，并在左上角和右下角做标记，如（2）所示。取出电路板，在每个角上标记并切出2个相距约10毫米的小矩形，如（3）所示。 对于每一对孔，从纸板支架的背面把一条小线穿过孔（可能需要推动“弹簧”使线穿过），用线将线路板固定在纸板上，如图（4）。 在最后一张图片上，我们展示了固定其中一个角的结果，电线的一端穿过纸板上的一个孔，然后我们扭动它，使它保持在原位。 步骤7  在电路板的顶部，如(5)所示，在纸板支架上标记并切割一个大约10 * 30毫米的矩形。将电源和无线电模块（NRF24L01+）的电缆穿过该孔。 然后将电源线连接到充电宝，将NRF24L01+连接到电路板，如（6）和（7）所示。最后将元件固定在纸板上（8）。 我们用胶带将无线电模块固定住，用双面胶带将充电宝固定住，并用胶带加固。 请记住，为了使纸板支架适合于瓶内，它上面的元件不应越过圆圈的边界，所以要把所有东西放在圆圈内。 在把纸板支架放进瓶子里之前，把程序rocket.ino上传到Arduino上，用下面的测试程序检查程序的运行情况。 /* Requires the following libraries: RF24 by TMRh20, Avamander MPU6050 by Electronic Cats Connections: Shown in the schematic */ #include <SPI.h> #include "RF24.h" // Radio Transmitter - NRF24L01+ RF24 radio(7, 8); // using pin 7 for the CE pin, and pin 8 for the CSN pin uint8_t rocketAddress[] = "ROCKT"; const int payloadSize = 12; // * union{ struct { int16_t acc[3]; int16_t gyr[3]; } raw; char bytes[payloadSize]; } data; // Sensor - Accelerometer and Gyroscope - MPU6050 #include "I2Cdev.h" #include "MPU6050.h" #include "Wire.h" MPU6050 accelgyro; #define THRESHOLD 1000 // Actuator - Servomotor #include <Servo.h> Servo servo; #define START_ANGLE 110 #define END_ANGLE 30 void setup() { Serial.begin(115200); Serial.println("Started"); // Configure Radio Transmitter - NRF24 if (!radio.begin()) { Serial.println(F("Radio hardware not responding")); while (1) {}; // hold in infinite loop } if (radio.isChipConnected()){ Serial.println("NRF24L01 connection successful"); } else{ Serial.println("NRF24L01 connection failed"); while (1) {}; } radio.setPALevel(RF24_PA_LOW); radio.setAutoAck(false); radio.setDataRate(RF24_250KBPS); // This node sends data radio.openWritingPipe(rocketAddress); // Configure Sensor - Accelerometer and Gyroscope - MPU6050 Wire.begin(); accelgyro.initialize(); if(accelgyro.testConnection()){ Serial.println("MPU6050 connection successful"); } else{ Serial.println("MPU6050 connection failed"); while (1) {}; } // Configure Actuator - Servo servo.attach(3); servo.write(START_ANGLE); // Wait for devices to be ready delay(500); } void loop() { // Get sensor data accelgyro.getMotion6(&data.raw.acc[0], &data.raw.acc[1], &data.raw.acc[2], &data.raw.gyr[0], &data.raw.gyr[1], &data.raw.gyr[2]); // Send sensor data radio.writeFast(data.bytes, payloadSize); // Detect if there's free fall and eject the parachute accordingly float mag = sqrt(sq((float)data.raw.acc[0]) + sq((float)data.raw.acc[1]) + sq((float)data.raw.acc[2])); if (mag < THRESHOLD){ servo.write(END_ANGLE); } Serial.println(""); } 注意，我们需要安装多个库，这些库可以通过库管理器轻松地安装在Arduino IDE上，这些库是：
测试程序 将纸板支架从一个小的位置落在一个光滑的表面上，看看电机是否改变了位置，之后重启Arduino，重新做几次实验，以确定电机每次都会移动，因为这是一个展开降落伞的电机。 如果电机不动，增加rocket.ino中的阈值[ #define THRESHOLD 1000 ]到1500，再测试一次，如果有必要，你可以进一步增加它。 如果电机在纸板支架没有被放下时改变了位置，将rocket.ino里面[ #define THRESHOLD 1000 ]中的阈值减少到500，然后测试它在被放下时是否能正常工作。 电机必须在垂直位置启动，当下降时，支撑物必须顺时针移动到水平位置，如（9）所示，如果不是这样，就有必要设置起始和结束角度。 为此，上传程序test.ino，并通过Arduino的串行监视器（设置为115200波特），写一个0到180之间的数字，这样电机就会保持在垂直位置，当找到一个值时，在rocket.ino中更新这个值[ #define START_ANGLE 110 ] // Actuator - Servomotor #include <Servo.h> Servo servo; void setup() { Serial.begin(115200); Serial.println("Started"); servo.attach(3); servo.write(90); } void loop() { if(Serial.available()){ int val = Serial.parseInt(); servo.write(val); Serial.print("Angle: "); Serial.println(val); } } 然后，输入一个值，使电机从垂直位置顺时针移动到水平位置，当找到一个值时，在rocket.ino中更新这个值[ #define END_ANGLE 30 ]。 注意，如果无法找到合适的值，你可能需要重新定位伺服臂。 最后，经过测试，将纸板支架插入瓶中，结果如（10）所示。 你可能想知道，当电子装置在瓶子里时，我们如何打开它们，为此，在接下来的一个步骤中，我们将开一个孔，以便我们可以随意连接/断开电源线。 步骤八 站台   现在制作站台，这个只需要一块Arduino板和无线电模块，站台接收火箭的数据并将其发送到电脑上，以便我们查看。 连接很简单，所以我们不需要一个原理图。 连接：Arduino Board | NRF24L01+ Pin 7 | CE Pin 8 | CSN 3.3V | V+ GND | GND // For the following pins check a pinout of your board SCK | SCK MISO | MISO MOSI | MOSI 进行连接后，将程序station.ino上传到电路板上。 注意，我们需要安装一个库，它可以很容易地使用库管理器安装在Arduino IDE上，这个库是TMRh20，Avamander的RF24 为了测试我们是否能接收到数据，暂时把纸板支架从瓶子里拿出来，这样我们就可以通过把电源线连接到充电宝来打开它，在火箭电子设备打开的情况下，把站台连接到电脑上，在Arduino IDE上以115200波特打开串行显示器，如果数据被接收，你会看到火箭电子设备打开时出现随机字符。 如果我们没有接收到数据，请检查串行监视器上是否有打印的错误，如果没有，将火箭电子装置上的Arduino板连接到计算机上，检查串行监视器（以115200波特），看是否有打印的错误。如果与无线电模块或加速度计有连接错误，请检查板上的连接情况。 步骤九 机身  为了制作火箭的箭翼，如（1）和（2）所示，需要切割4块25毫米×200毫米的轻木板，按（3）和（4）所示的切割4块波纹塑料，最后用螺钉把两部分连接起来（5）。 步骤十  每块挡板应相互成90°，并用胶带固定在塑料瓶上（8）。 步骤十一  在充电宝的位置，也就是连接处，开一个孔，这样我们就可以断开和连接电源库，如（9）所示，然后用胶带盖住孔，不要影响火箭的空气动力学，如（10）所示（胶带用蓝色标出）。 将降落伞绳绑在瓶盖下，多打几个结，如（11）和（12）所示。 组装火箭时，将带箭翼的瓶底放在带电子器件的瓶底内（13），为了固定它的位置，在4个不同的点上互相等距离地贴上4块胶带，重要的是两个瓶子要平直，最后在连接处再贴上胶带，如（14）所示。 现在我们已经完成了火箭的大部分，如（15）所示。 步骤十二  对于火箭的顶部，取一张薄塑料板，标出两条180毫米的垂直线，如（16）所示。 在这两条线的两端之间画一个弧形。 在这两条线中的一条上画一个20毫米宽的长方形，然后剪出所得到的形状（17）。 如(18)所示，在2条垂直线相交的地方切出矩形的一角。 如图（19）所示，将该形状卷成圆锥体，并剪去尖端。 如图（20）所示，将其缠绕在降落伞绳上并将圆锥体钉在长方形上，用胶带加固圆锥体尖端的连接处（21）。最后用胶带将圆锥体粘在瓶子上，注意它是直的（22），胶带的用量视情况而定。 我们已经完成了我们的火箭！如（23）所示。 现在，如果你愿意，你还可以给它上色，好好装饰一番。 在视频中，你可以看到发射前的一般程序，即打开电子设备，检查电机是否在正确的位置，将折叠的降落伞放入火箭内，并将橡皮筋套在伺服臂上，关闭火箭的盖子。 我们还模拟了自由落体，看看降落伞是如何弹出的。 步骤十三 数据可视化 为了将站台收到的数据可视化，我们视频中展示了Processing的演示程序。 我们需要下载 Processing 3 下载所有附件中的.pde文件，并把它们放在一个名为rocket的文件夹中，然后打开rocket.pde 在运行之前，我们需要修改程序的第9行[ String serialPort = "COM7"; ]将串口更新为你的Arduino板的串口。 我们还需要安装一个库，Sketch > Import Library > Add Library。 要安装的库是Karsten Schmidt的ToxicLibs。 运行 你应该看到，当你移动火箭时，图形会有反应，一个长方形的棱镜会跟随（或至少是试图跟随）火箭的方向。 步骤十四 降落 最后，在发射前做一些简单的准备，给火箭装上大约1/3的水，把火箭放在水火箭发射器上，往里面打气，然后飞走！ 火箭在下落时应该自动展开降落伞，火箭的估计方向可以在Processing中直观地看到。 好了，抓紧时间动手了！ 原文链接：https://www.instructables.com/Wa ... nic-Systems-Design/ 项目作者: luisferniño 开源项目，转载请务必注明项目出处与原作者信息 |
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