,这样我们就可以监测火箭在空中时候的方向(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。
PET:Polyethylene Terephthalate(聚对苯二甲酸乙二醇酯)
矿泉水瓶用的塑料就是聚对苯二甲酸乙二醇酯,翻转矿泉水的瓶子,可以看见下面有个小小的符号,三角形中写了数字“1”,这是最常见的塑料材质之一,绝大多数的矿泉水、饮料瓶采用这种材料。
耐热至70℃,只适合装暖饮或冻饮,装高温液体、或加热则易变形,有对身体有害的物质融出。
3个PET瓶,3L大小(重要的是,至少有一个瓶子是用来储存苏打水的,因为它一定要能承受高压力)
2个Arduino板(个人会使用了Arduino nano和Arduino mega)
1x 电池,为电路板供电(个人会使用了一个充电宝)。将充电宝连接到电路板需要:
水火箭发射器(我们在这个说明中没有解释怎么来制作火箭发射器,但你能查看这篇水火箭的文章,自己制作一个
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。
根据这一些信息,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。
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);
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)所示,它们之间的距离大约相等;
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
为了把纸板支架推入,在大多数情况下要先把“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。
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+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,并使用长的到母头的电缆连接它。
稳压器用于为NRF24L01+提供电源,因为我们得知Arduino的3.3V输出不能提供足够的电压,程序有时会失败。
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(在大多数情况下要推动“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。
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+)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)。
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,把程序上传到Arduino上,用下面的测试程序检查程序的运行情况。
注意,我们应该安装多个库,这些库可以通过库管理器轻松地安装在Arduino IDE上,这些库是:
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 ]
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 ]。
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。
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。
注意,我们要安设一个库,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,这样我们就能够最终靠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。
如果我们没接收到数据,请检查串行监视器上是否有打印的错误,假如没有,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。
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)。
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)。
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。
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。
在视频中,你能够正常的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。
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。
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
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。
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。