آموزش ساخت: سیستم راکت لانچر بسازید
آموزش ساخت: سیستم راکت لانچر بسازید
در این ساختنی طرز ساخت یک سیستم راکت لانچر یا همان پرتاب کننده موشک را میآموزید. این آموزش شامل تمام ابزار و قطعات تکمیلی مانیتورینگ و کنترل نظیر لوله پرتاب، بادسنج و سیستم شلیک هم میشود. این ساختنی کمیپیچیده است و ساختن آن برای افرادی که با الکترونیک و چنین دستگاههایی آشنایی ندارند سخت خواهد بود. با این ساختنی میتوانید یک راکت لانچر با تمام متعلقات بسازید و دیگر لازم نیست دنبال قطعات جانبی برای راکت لانچر بگردید.
دقت کنید که در ساخت این راکت لانچر از پرینتر سه بعدی استفاده شده است. اگر به پرینتر سه بعدی دسترسی ندارید، ساخت این راکت لانچر زمان بیشتری میبرد.
در ویدیوی زیر میتوانید این ساختنی و قسمتهای مختلف کنترل آن را ببینید.
گام اول: لوله هوا را بسازید
وسایل موردنیاز
پی وی سی:
- تیوب ۵ در ۵ سانتیمتری، به طول ۱۵ سانتیمتر
- درپوش ۵ در ۵ سانتیمتری
- سه راه ۲٫۵ در ۵ سانتیمتری
- کاهنده ۲٫۵ در ۵ سانتیمتری به ۲٫۵ سانتیمتری
- کاهنده ۲٫۵ در ۲٫۵ سانتیمتری به ۱٫۵ سانتیمتری
- مغزی ۲٫۵ در ۲٫۵ سانتیمتری
- تیوب ۲٫۵ در ۲٫۵ سانتیمتری، به طول ۵۰ سانتیمتر
- تیوب ۲٫۵ در ۱٫۵ سانتیمتری، به طول ۵۰ سانتیمتری
سایر موارد:
- ۱ سوپاپ تایر
- ۱ پیچ نایلونی یا لوله اتصال فلزی
- ۱ سوپاپ مغناطیسی ۲۴v AC 125Ma
- ۱ لوله با قطر داخلی ۱٫۶ میلیمتری و قطر خارجی ۴٫۸ میلیمتری
- نوار تفلون
- تیوب سیلیکونی (برای چسباندن قطعات در صورت لزوم)
تمام این وسایل را میتوان در ابزار فروشیها پیدا کرد. توصیه میکنیم تعدادی درپوش اضافی بخرید که اگر هنگام دریل کردن آنها را خراب کردید به مشکل برنخورید.
ابتدا باید روی یکی از درب پوشها را سوراخ کنیم تا سوپاپ تایر و اتصالات لوله را در آن قرار دهیم.
برای سوراخ سوپاپ قطر وسط را اندازه بگیرید و یک مته کوچک تر انتخاب کنید؛ مثلاً اگر قطر ۱۵ میلیمتر است یک مته ۱۲٫۵ میلیمتری بردارید تا سوپاپ کاملاً سفت باشد و از نشتی هوا جلوگیری شود.
لوله ای که ما استفاده کرده ایم، ۱٫۶ میلیمتر قطر داخلی و ۴٫۸ میلیمتر قطر خارجی دارد. بنابراین یک سوراخ با قطر ۴ میلیمتر برای آن مناسب است. اگر نتوانستید اتصالات مناسب را پیدا کنید میتوانید با استفاده از از یک پیچ نایلونی M4 و یک مته ۱٫۵ میلیمتری خودتان اتصال مناسب را بسازید. داخل پیچ یک سوراخ ایجاد کنید تا هوا جریان یابد.
توصیه میکنیم شیارهایی را روی درپوش ایجاد کنید تا بتوانید پیچ فلزی را روی آن پیچ کنید. ما اینکار را به یک مته ۳٫۳ میلیمتری انجام دادیم و سرپوش را برای یک پیچ M4 شیار زدیم.
پیچ نایلونی را داخل شیار قرار دهید و کمیسیلیکون اطراف سر پیچ بزنید و شروع به پیچاندن آن کنید. در حین پیچاندن میبینید که سیلیکون از لای درپوش بیرون میزند. این سیلیکونها را با دست تان پخش کنید و نگذارید مسیر حرکت پیچ را مسدود کند.
همانطور که در تصویرهای بالا میبینید، قطعات را به هم وصل کنید و شیارها را با نوار تفلون بپوشانید تا هیچ راهی برای خروج هوا باقی نماند.
قطعه پمپ هوا را روی دستگاه فشار هوا قرار دهید و کل قطعه را داخل یک سطل آب بگذارید و دنبال حبابهای هوا بگردید. اگر توانستید حبابهای هوا را ببینید باید نوار تفلون بیشتری دور شیارها اضافه کنید و به آنها سیلیکون بزنید.
چند ساعت صبر کنید تا سیلیکون خشک شود و دوباره این آزمایش را تکرار کنید.
گام دوم: قاب لوله هوا را بسازید
برای ساخت قاب از پروفیلهای ۳۰ میلیمتری استفاده کنید و برندی را انتخاب کنید که نصب قطعات روی آن آسان باشد.
پروفیلهای موردنیاز:
- ۲ در ۵۰ سانتیمتر طول
- ۴ در ۴۰ سانتیمتر طول
قطعات قاب را مطابق تصویر به هم پیچ کنید. میتوانید از پیچهای M6 و مهرههای سه طرفه استفاده کنید.
برای اتصال تیوب به قاب از یک گیره که با پرینتر سه بعدی ساخته شده استفاده کرده ایم. میتوانید شکل این قطعه را اینجا ببینید. وقتی این قطعه را پرینت کردید یا ساختید میتوانید با استفاده از آن و پیچهای M4 و مهرههای سه طرفه تیوب را به قاب وصل کنید.
قطعه بعدی که با استفاده از پرینتر سه بعدی ساخته شده است برای اتصال موتور به تیوب با سیم و به منظور حرکت دادن آن ساخته شده است. در گامهای بعدی درباره این قطعه بیشتر توضیح خواهیم داد اما میتوانید شکل این قطعه را اینجا ببینید.
گام سوم: باد سنج – پرینت سه بعدی
بادسنج وسیله ای برای اندازه گیری سرعت باد است.
ما در محاسبات مان به سرعت باد نیاز داریم تا پیش بینی کنیم که راکت به کجا برخورد خواهد کرد.
وسایل موردنیاز:
- ۱ میله اهرم با قطر ۶ میلیمتر و طول ۲۲ سانتیمتر
- ۱ یاتاقان ۶۸۶ZZ
- ۱ یاتاقان ۶۹۶ZZ
- ۲ واشر کلیپ
- ۲ حسگر اثرهال (مدل بست US1881 یا سوئیچ OH090U)
- ۶ آهنربای گرد (۵ میلیمتر قطر – ۳ میلیمتر طول)
- پیچ و مهره M3
میتوانید از هر نوع یاتاقان دیگری هم استفاده کنید اما در آنصورت باید مدل را تغییر دهید.
باید با استفاده از ماشین تراش، روی میله تراشهایی ایجاد کنید تا واشر کلیپها را روی میله قرار دهید و به این ترتیب از افتادن یا حرکت کردن محور در حالت افقی جلوگیری کنید. اگر به ماشین تراش دسترسی ندارید میتوانید قبل یا بعد از اتصال یاتاقانها یک توپی روی میله بچسبانید.
در این آدرس میتوانید تمام فایلهای مورنیاز برای پرینت ساخت بادسنج را پیدا کنید. اگر به پرینتر سه بعدی دسترسی ندارید میتوانید با استفاده از همین طرحها خودتان قطعات را بسازید.
بعد از پرینت یا ساخت قطعات، آنها را نطابق تصویر بالا به هم وصل کنید.
ترتیب آهنرباها در این قسمت از سازه به حسگر اثرهالی که انتخاب کرده اید، بستگی دارد. اگر از حسگر مدل بست استفاده کرده اید باید قطبهای مخالف هر جفت از آهنرباها را روبروی هم قرار دهید (N S N S N S) زیرا حسگر مدل بست موقعیتش را با توجه به قطبی که احساس کند تغییر میدهد.
نقش حسگر در این سازه به این شکل است که با عبور آهنرباها از مقابل آن وقفههایی را ایجاد میکند که ما با استفاده از آنها به سرعت باد پی میبریم.
مرحله بعدی این است که با استفاده از تناوب وقفههای دستگاه به سرعت باد پی ببریم. برای اینکار باید از یک تونل باد استفاده کنید. به این ترتیب که در سرعتهای مختلف باد تعداد وقفهها در ثانیه را اندازه گیری میکنید و از تمام دادههای این آزمایش یک چند جمله ای میسازید که اگر تعداد وقفهها در ثانیه را به آن بدهید، حدود سرعت باد را برایتان تخمین بزند.
برای بادسنجی که ما ساخته ایم، چند جمله ای بصورت زیر است:
از آنجاییکه هر پرینت با پرینت دیگر فرق میکند و ممکن است شما بخواهید خودتان قطعات را بسازید، احتمالاً این چند جمله ای برای دادههای بادسنج شما پاسخ دقیقی ارائه نمیدهد اما میتوان مقدار تقریبی را مشخص کند. با این بادسنج میتوان سرعتهای ۰٫۶ تا ۱۷٫۵ مایل بر ساعت را اندازه گیری کرد.
در ویدیوی زیر میتوانید آزمایش بادسنج در تونل باد را ببینید.
گام چهارم: لامپ چشمک زن – پرینت سه بعدی
لامپهای چشمک زن همیشه مفید هستند. میتوانید آنها را دور یک حلقه بپیچید تا در شب قابل دیدن باشند و یا حتی به عنوان علامت آماده بودن دستگاه برای شلیک استفاده کنید تا اطرافیان بتوانند قبل از شلیک از آن فاصله بگیرند.
وسایل موردنیاز:
۱ موتور DC استاندارد
۱ یاتاقان ۶۰۸ZZ
۱ پیچ و مهره M3
۱ چراغ LED
فویل آلومینیومیو چسب (چسب سفید بهتر است)
میتوانید طرح تمام قطعات را در این لینک پیدا کنید. همانطور که قبلاً گفتیم اگر به پرینتر سه بعدی دسترسی ندارد از این طرحها برای ساخت دستی قطعات استفاده کنید.
چرخ دنده (motor) کوچک را با دست یا یک گیره روی محور موتور جای دهید. حالا به یک رفلکتور یا منعکس کننده برای بازتاب نور نیاز داریم. یک قطعه کوچک از فویل آلومینیومیبه اندازه بخش داخلی چرخ دنده bering ببرید. داخل چرخ دنده را چسب بزنید و فویل را به آرامیبه چرخ دنده بچسبانید.
بعد از اینکه چسب خشک شد قسمت اضافی فویل را با یک چاقوی نازک ببرید.
چرخ دنده را روی یاتاقان قرار دهید و سپس هر دو را روی پایه (base) بگذارید.
توصیه میکنیم چرخ دنده bering را با رشته مات پرینت کنید یا بسازید تا نور به طرف دیگر نفوذ نکند.
قسمت آخر پرینت یا ساخت درپوش با رشته شفاف است. میتوانید کمیفویل آلومینیومیهم روی بالای سرپوش قرار دهید.
میتوانید در این ویدیو نتیجه ساخت چراغ چشمک زن را ببینید.
گام پنجم: راکتها – پرینت سه بعدی
حالا باید راکتهایی که درون لوله قرار میگیرند را پرینت کنید یا بسازید.
در این لینک میتوانید تمام فایلهای موردنیاز برای ساخت راکتهایی که متناسب لوله پرتاب هستند را ببینید. راکتهایی که برای این لانچر استفاده میشوند، با راکتهای معمولی فرق دارند پس حتماً تمام قطعات (از جمله rocket-led و tracer-bullet) را بسازید.
وسایل موردنیاز:
- چسب اپوکسی
- چراغهای LED
- سیمهای الکترونیکی
- شرینک حرارتی
- باتری سکه ای
- باتری LiPo کوچک
اگر پرینتر شما نمیتواند اشیای بلند را پرینت کند، باید پرینت را در چند مرحله انجام دهید.
سیم کافی برای همه LEDها از قطعه پایه تا بالای راکت ببرید و کمیاز آن را اضافه نگهدارید تا لحیم کردن آن آسان تر شود. چراغها را به قطعه پایه لحیم کنید و سیمها را از سوراخهای روی بدنه عبور دهید. اگر سوراخها را با دقت و به اندازه درست نکرده باشید، این قسمت کار کمیدشوار میشود. سعی کنید از سیم محکم استفاده کنید تا پلاستیک اضافی روی بدنه باقی نماند.
کانکتور باتری را در قسمت بالای راکت لحیم کنید تا در صرت لزوم بتوانید براحتی آن را جدا کنید.
بهتر است به هر یک از LEDها یک مقاومت هم اضافه کنید تا عمر باتری افزایش یابد. برای LEDهای آبی و با یک باتری LiPo 3.7 ولتی به یک مقاومت ۲۲ اهمینیاز خواهید داشت.
وقتی این قطعه را آماده کردید، روی قطعه پایه و بدنه راکت چسب اپوکسی بزنید و سپس آنها را به هم بچسبانید. قسمت سر راکت را باید پیچ کنید پس احتیاجی به چسب زدن آن قطعه نیست.
قطعه نوک راکت آسانترین قسمت ساخت راکت است. این قطعه فقط از دو جزء ساخته میشود و روی قطعه اصلی سوار میشود. در وسط این قطعه باید باتری سلولی را قرار دهید و پایههای LED را روی قطبهای باتری بگذارید. قطعه پایه و قطعه پایینی را هم به هم پیچ کنید تا نوک راکت آماده شود.
بعد از ساخت راکتها باید یکی از آنها را در تونل باد آزمایش کنید تا ضریب درگ آنها مشخص شود و بتوانید از آن در محاسبات تان استفاده کنید.
ضریب درگ راکتی که ما امتحان کردیم ۰٫۰۴۸۱ بود. این مقدار به ضریب درگ سایر راکتهای مشابه هم نزدیک است.
گام ششم: سرعت سنج راکت
یکی از مهمترین اطلاعاتی که نیاز دارید، میزان سرعت اولیه راکت است. میتوانید این میزان را با فرمولهای مخصوص این کار انجام دهید اما بهتر است خودتان آن را اندازه بگیرید. به همین خاطر ما یک دستگاه ساده برای اندازه گیری سرعت اولیه راکت ساختیم.
برای ساختن سرعت سنج به دو لیزر . دو فوتوترانزیستور نیاز داریم. با خروج راکت از غلاف، از میان دو لیزر عبور میکند و برای کسری از ثانیه نور را میشکند. اگر فاصله بین دو لیزر را بدانیم، این زمان برای اندازه گیری سرعت راکت کافی است.
وسایل موردنیاز:
- ۲ لیزر دیودی (بیشتر از ۵mW)
- ۲ فوتوتراتزیستور یا فوتوسل
- ۲ مقاومت ۸۲۰ اهمی
- ۲ مقاومت ۱٫۲ کیلواهمی
- ۵ پیچ و مهره M4
فایلهای موردنیاز برای پرینت یا ساخت قطعات سرعت سنج را در این آدرس پیدا کنید.
از یک رشته مات استفاده کنید تا نور بیرون با نور لیزرها تداخل نیابد. باید سوراخهای کوچکی را روی قطعه هولدر فوتوترانزیستور ایجاد کنید تا پایههای فوتوترانزیستور درون آن قرار بگیرد.
قطعات را با پیچ به هم ببندید و غلاف را وسط پایه سرعت سنج قرار دهید و آن را با پیچ و مهره محکم کنید.
در گام بعدی تنظیمات الکترونیکی این راکت لانچر را میآموزید؛ با مدار آشنا میشوید و کدهای آردوینو را میبینید.
گام هفتم: سنسورهای فشار را آماده کنید
ما از سنسور ASDXACX100PAAA5 استفاده کردیم که کانکتورهایی با قطر ۲٫۳ میلیمتر دارد. برای اتصال این سنسور به اتاقک فشار از لوله ای با قطر داخلی ۱٫۶ و قطر خارجی ۴٫۸ میلیمتر استفاده شده است.
هنگام انتخاب لوله یا شلنگی که برای اتصال سنسور استفاده میکنید باید به این نکته توجه کنید که لولههای نازکتر از این زیر فشار ۷۰-۶۰ psi پاره میشوند.
لوله را روی حسگر سنسور فشار دهید و سر دیگر آن را به درپوش اتاقک فشار وصل کنید. این اتصال میتواند فشار ۴۰-۳۰ psi را تا قبل از پرتاب تحمل کند. برای اطمینان از محکم بودن اتصال، کمیسیم دور هر دو سر لوله بپیچید اما زیاد محکم نکشید که لوله پاره نشود.
گام هشتم: موتور را اضافه کنید
این موتور برای تنظیم زاویه پرتاب و لوله هوا استفاده میشود. ما از یک موتور استپر برای هل دادن و بیرون آوردن غلاف استفاده کردیم. موتوری که در تصویر میبینید یک موتور استپر NEMA17 42BYGH610 است؛ شما میتوانید از این موتور یا موتورهای قویتر استفاده کنید اما اگر از موتورهای ضعیف تر استفاده کنید غلاف بیرون نخواهد آمد و عملکرد راکت لانچر ناقص میماند.
فایلهای موردنیاز برای پرینت یا ساخت قطعات هولدر سیمها را در این آدرس پیدا کنید.
یک مهره M3 را روی هولدر قرار دهید و با یک پیچ کوچک آن را به محور موتور ببندید.
سیمها را از هولدر رد کنید و دور سولنئید بپیچید تا گشتاور را افزایش دهید و کار موتور را ساده تر کنید. میتوانید بین غلاف و قاب یک فنر بگذارید تا وقتی که زاویههای پایین تر را برای پرتاب راکت تنظیم میکنید موتور کشیده شود. اما اگر موتوری که استفاده میکنید خیلی قوی نیست از فنر استفاده نکنید.
گام نهم: الکترونیک
برای کنترل کل سیستم از یک برد Teensy 3.1 استفاده شده است. این برد یک میکروکنترلر قدرتمند با پردازنده ARM است که با آردوینو هم سازگار است.
سیستم برق
برای تامین انرژی کل قطعات الکترونیکی از سه باتری سلولی LiPo استفاده شده است. باید از قویترین باتری که در دسترس دارید، استفاده کنید. هرچه آمپ بیشتری داشته باشید بعد از روشن شدن سیستم، زمان بیشتری برای پرتاب راکت خواهید داشت. این سیستم به ۵ ولت برای برد و ۱۲ ولت برای سولنئید و موتور نیاز دارد. برای رسیدن به این میزان، از یک تنظیم کننده ولتاژ برای گرفتن خروجی ۵ ولتی استفاده میکنیم و دو خازن ۱۰۰uF هم به ورودی و خروجی اضافه میکنیم تا نویزها را کاهش دهیم.
حتماً یک هیت سینک یا خنک کننده استفاده کنید زیرا سیستم در حین کار بسیار گرم میشود.
سنسور فشار
سنسور ASDXACX100PAAA5 که قبلاً هم به آن اشاره شد، یک نوع سنسور مطلق است که خروجی آنالوگ مربوط به صفر ارائه میدهد. استفاده از آن در فضاهای باز که نیاز به خواندن ۱۴٫۷ psi داریم، بسیار آسان است. آسانترین راه هم برای اطمینان از اتصال درست آن و ترجمه خروجی آنالوگ آن به مقادیر psi همین است.
از آنجاییکه برد با ۳٫۳ ولت و سنسور با ۵ ولت کار میکند، باید از دو مقاومت ۱۰K و ۲۰K به عنوان تقسیم کننده ولتاژ استفاده کنیم. علاوه براین یک خازن ۲۲۰nF هم برای کاهش نویز استفاده کنید. سنسور را هم به پین A5 برد teensy وصل کنید.
بادسنج
همانطور که در قسمتهای قبل توضیح دادیم بادسنج این راکت لانچر یک حسگرهال ساده است که وقتی آهنربا از کنارش عبور میکند یک پالس تولید میکند. یک وقفه را به پین ۴ وصل کنید تا تمام تغییرات پین (افزایش یا کاهش) مشخص شود و تعداد وقفههای یک ثانیه هم محاسبه شود.
حسگرهال به یک مقاومت پول آپ نیاز دارد؛ بنابراین یک مقاومت ۲٫۴K بین سیگنال و ۵ ولتی وصل میشود.
سولنئید
سولنئید یک سوپاپ الکتریکی بسیار ساده است با آماده شدن انرژی باز میشود. برای باز کردن سولنئید باید آن را به مستقیماً به رله و باتری وصل کنید. رله از طریق ترانزیستور به برد Teensy وصل میشود تا از اضافه بار پین Teensy (که قادر به تولید آمپهای زیادی نیست) جلوگیری کند. رله را به پین ۸ وصل کنید.
موتور استپر
موتور را به یک درایور وصل کنید. درایور را هم به پین ۲ و ۳ برد Teensy وصل کنید. درباره این قسمت در گام نرم افزار بیشتر توضیح خواهیم داد.
سرعت سنج
دو لیزر سرعت سنج را با مقاومتهای ۸۲۰ اهمیبه منبع تغذیه ۱۲ ولتی وصل کنید. فوتوترانزیستور را هم با یک مقاومت پول آپ ۱٫۲k به پین ۲۱ و ۲۲ برد وصل کنید.
فاصله بین فوتوترانزیستورها ۵ سانتیمتر است. برای بدست آوردن سرعت با واحد متر بر ثانیه باید فاصله را بر مقدار زمانی راکت برای عبور از این فاصله نیاز دارد، تقسیم کنید. برای بدست آوردن مقدار دقیق تر بهتر است واحد زمان را میکروثانیه قرار دهید.
ارتباط
برقراری ارتباط با این سیستم بصورت وایرلس است که با استفاده از یک ماژول بلوتوث یا XBee ایجاد میشود. این ماژول را به پینهای RX/TX برد وصل کنید.
کنترل و برقراری ارتباط بصورت وایرلس امن تر است زیرا با اینکار میتوانید راکت را از راه دور پرتاب کنید.
شماتیک مدارات الکترونیک راکت لانچر را از این لینک دریافت کنید.
گام دهم: نرم افزار
میتوانید مرجع نرم افزار را در این آدرس پیدا کنید.
- کنترلر: Teensy code
- Apollo.py: نسخه پایتون
- CSharp/Apollo: نسخه C#
کنترولر
در فایل config.h میتوانید تمام مقادیر آزمایش (شماره پینها، زمانها، فاصلهها و …) را پیدا کنید.
برای نوشتن پینهای RX/TX برد، باید از “Serial1″ استفاده میکردیم زیرا “Serial” برای سریال USB استفاده شده بود. اگر میخواهید اشکالات و پارازیتها را برطرف کنید مقادیر را به “HWSERIAL” تغییر دهید.
یکی دیگر از مقادیر مهم “PITCH_MOTOR_STEPS_PER_ANGLE” است؛ این مقدار را باید متناسب با درایور موتوری که استفاده میکنید، تغییر دهید. تنظیم فعلی برای این مقدار ۴۰۰ گام در هر ۹۰ درجه است.
پروتکل ارتباطی
کنترلر به رایانه
- Axx – بادسنج: وقفهها در ثانیه (int)
- Pxx – سنسور فشار: فشار در psi (شناور)
- Sxx – سرعت سنج: سرعت در متر بر ثانیه (شناور)
- AH – اولین نشانگر بالای سرعت سنج
- AL – اولین نشانگر پایین سرعت سنج
رایانه به کنترلر
- Rxx – بازکردن سولنئید برای xx میلی ثانیه (int)
- Cxx – درجه بندی زاویه لوله در درجه مناسب (شناور)
- Sxx – تنظیم زاویه لوله (شناور)
نشانگرهای AH و AL سرعت سنج این امکان را به شما میدهند که اگر پرههای راکت لیزرها را شکاند، فوتوترانزیستور را پایین تر بیاورید یا موقیعت راکت را تغییر دهید.
توصیه ما این است که سعی کنید خودتان این نرم افزار را توسعه دهید. میتوانید امکان محاسبه فاصله از فشار، زاویه، سرعت باد و جهت را به نرم افزار اضافه کنید.
حالا با این راکت لانچری که ساخته اید فقط کافی است هدف را روی نقشه مشخص کنید و فشار و زاویه مناسب را تنظیم کنید تا راکت به هدف بخورد.