Подводный буксировщик своими руками
кадр из фильма «Акванавты»
Предыстория
Пересматривал я один из любимых советских фильмов детства — Акаванавты. Ностальгия по молодости, потрясающие (на те времена) сцены подводных съемок (после этого фильма пошел в секцию подводного плавания)…
И вот на моменте, где ГлавныйГерой (советский акванавт Соболев) плывет на подводном буксировщике я вспомнил, что в ту детскую пору я много чего пытался придумать для подобного «подводного передвижения». Нечто принципиально подобное делали, конечно, для боевых пловцов, начиная со второй мировой, но это всё-таки не для простых людей. И вспомнил, что видел в продаже более простые «подводные скутеры», «подводные буксировщики» — игрушки, ставшие возможными и доступными для гражданских лиц только в нынешнее время.
А сколько стоит такой буксировщик? Я посмотрел — от 40 до 100 тыр. Для редкого развлечения («лето в Челябинске короткое и малоснежное», да еще не каждый погожий день пвыпадает на выходные) — мне показалось дороговато. А можно сделать такой девайс самостоятельно? (как обычно ноют старички типа меня -«а вот мы!, а вот в наше время! сами себе игрушки делали!». Детство в советские времена было знаменательно тем, что изрядная доля делалась своими руками (отливка солдатиков из свинца, тачки на подшипниках, пайка усилителей и цветомузык, даже в секции подводного плавания моноласты и удлинненки себе делали сами), по тем самым советским «дендрофекальными технологиям».
Конечно, сейчас возможностей больше, нам помогают трудолюбивые китайцы. Да и технологии шагнули вперед (тот большой цилиндр на КДПВ — это, вообще-то, просто фонарик, а не буксировщик — о том, что в таком объеме можно разместить аккумулятор значимой ёмкости даже мыслей не возникало). Поэтому было решено попробовать сделать себе такую игрушку своими руками.
История
Детские идеи типа «коллекторного двигателя в самостоятельно сделанном герметичном корпусе» были отвергнуты из-за большого количества «механических работ» (в основном пугала герметизация вала — дейдвуд хорош только без погружения на глубину). Понятно, что в связи с развитием разного моделизма — наверняка сделаны уже готовые приводы, работающие под водой. Раз они сделаны — значит, выпускаются в Китае. Бегло прошерстив Алиэкспресс, нашел несколько моделей движителей для водных моделей, уже изначально изготовленных для работы в воде. Отобрал те, которые по указанным продавцами параметрам — должны тянуть лежащего на воде человека. Посоветовался тут, на хабре в теме https://habr.com/ru/articles/730966/ , с разбирающимся в теме гребных винтов человеком — он отнесся к движителям несколько скептически (сказал, что слишком оборотистые, и на низких скоростях КПД будет очень низкий).
Тем не менее, было решено сделать модель, чтобы оценить работоспособность идеи — благо по оценкам выходило недорого, а применить как минимум половину запчастей в случае фиаско всегда найдется куда.
Итого, на алиэкспрессе были закуплены:
Два «подруливающих устройства» (комплект, с правым и левым вращением винтов) типа »подводная струйная лодка 4 лезвия CW CCW двигатель подруливающего устройства для DIy Rc робот-приманка гнездо лодка подводная лодка мотор»®
Два контроллера управления бесколлекторными двигателями (далее — ESC, «electronic speed controller»).
LiPo аккумулятор 5s 6000 мАч.
Зарядник iMAX B6 (давно хотел прикупить, да повода не было.)
Заявленные производителем параметры движителя:
Напряжение питания: 12–24В
Ток — до 20А
Мощность — до 200Вт
Диаметр пропеллера — 60 мм
Максимальная тяга — 3.6 кг.
»подводная струйная лодка 4 лезвия CW CCW двигатель подруливающего устройства для DIy Rc робот-приманка гнездо лодка подводная лодка мотор»®
Как казалось, для экспериментов должно хватить… Но я не учел (ибо никогда этим не интересовался), что ESC нынче умные — не только управляются ШИМом, но и требуют определенной последовательности сигналов для старта (об этом ниже).
Был бы нужен для управления только ШИМ — сделал бы генератор на 555-ом. Но нужно при включении питания давать контроллеру «минимум» и «максимум» диапазона регулирования.
Значит, понадобиться какой-нибудь контроллер. Взял из хлама первый попавшийся, пригодный для непосредственного применения — это оказался stm32 (на китайской же плате, известной как BluePill). Совершенно непринципиально — можно применить хоть ардуину, хоть ESP8266/32 (думаю, что и упоминавшегося недавно на Хабре процессора из электронных сигарет тоже будет достаточно. Но под него нужно плату городить).
Контроллер нужно питать, а для этого нужно 5 В. Аккумулятор дает 18.8В. А ESC я купил без выхода питания для электроники (без т.н. BEC — Battery eliminator circuit).
Поэтому пришлось покопаться в залежах, и найти еще и step-down преобразователь.
Плюсуем к необходимым запчастям:
BluePill (stm32f103)
stepDown 2–24В→5В 2А .
Прочитал про программирование и управления ESC. Решил, что программировать/перепрограммировать ESC не буду, оставлю заводские настройки. Набросал код для включения/управления ESC (типовая ардуиновсая библиотека для управления сервоприводами). Собранный на коленке макет прототипа показал, что он работает, успешно инициирует и запускает двигатели. Что ж, можно собирать прототип.
Исходя из размеров «заводских» буксировщиков, в качестве основы был взят оставшийся от ремонта кусок ламината длиной 500 и шириной 200 мм. Из него вырезано «нечто стреловидное». За остальным пришлось идти в хозмаг.
В хозмаге были куплены:
Труба канализационная D110 длиной 0.15 м
Муфта ремонтная D110
Заглушка D110 — 2 штуки
Кронштейн монтажный D110 — 2 штуки
Отвод D40 45 градусов — 2 шт
Заглушка D40 — 2 штуки
Ну и всё равно пришлось ехать в магазин радиодеталей. Там куплено:
Разъемы XT60 — 1 пара
Разъемы XT30 — 2 пары
Разъемы Цанга-Банан 3.5 — 6 шт.
кабельные гермовводы — 2 шт
кнопка без фиксации.
Можно приступать к сборке.
Механическая часть:
1.1. Для того, чтобы ламинат в воде не сразу умер, а прожил хотя бы пару недель — пиленые торцы и отверстия были промазаны эпоксидкой, а затем он был оклеен в 1 слой стеклопаутинкой.
1.2. По центру привернуты кронштейны для 110 канализационной трубы.
1.3. По краям — отверстия для крепления двигателей.
1.4. Посередине каждой стороны привернуты заглушки D40, на них поставлены (и закреплены саморезами) отводы 45 — получились своего рода рукоятки.
1.5. В одну из рукояток врезана кнопка. Обычная, негерметичная кнопка. Из расчета, что «пару недель в пресной воде она проработает».
1.6. Труба 110 заглушена с одной стороны заглушкой. На нее надета реммуфта, которая с другой стороны тоже закрывается заглушкой. В трубе просверлены 2 отверстия, в которые закреплены гермовводы. В результате получили бюджетный гермоотсек для аккумулятора и электроники. Заветы Алекса Гайвера живут и торжествуют!Электрическая часть
2.1. К проводам от двигателей от припаяны цанговые разъемы. провода заведены в бокс через гермовводы, и подключены к ESC.
2.2. От входного разъема питания (XT60) питание раскинуто на 2 разъема XT30, от которых уже на ESC, и от входного же разъема на преобразователь 20В→5В
2.3. От преобразователя запитан контроллер, управляющий ESC.
2.4. C контроллера — ШИМ идет на управляющие входы ESC.
2.5. Кнопка управления — просто на одну из ног контроллера.Никакого выключателя питания не предусмотрено, отключение производится путем ручного рассоединения входного разъема (отключения аккумулятора).
Софт. Набросан в ArduinoIDE.
Программмно ESC не настраивался, все параметры (напряжение выключения, тип выключения, тип старта, тип торможения) оставлены по умолчанию, поэтому управление максимально простое и тупое:
3.1. При включении питания — контроллер инициализирует ESC, подавая с него сначала ШИМ с максимальной скважностью, затем — с минимальной (т.е. показывает ESC те пределы, в которых будет регулирование). Затем просто ждет нажатия кнопки.
3.2. При нажатии кнопки — начинает подавать на ESC ШИМ, плавно увеличивая скважность с минимальной до максимальной в течение 2 секунд (соответственно, плавно нарастают обороты двигателей). При отпускании кнопки — замолкает, стопоря двигатели.
Приводить код смысла не вижу.
Аккумулятор размещен в получившемся гермоотсеке, поджат снизу площадкой из ЭППС, с боков — вспененным ППЭ (первое, что попалось под руку). ESC и контроллер с импульсником размещены над аккумулятором. Просто лежат — места там достаточно, аккумулятор не гуляет, всё изолировано.
Первая обкатка (в ванне) показала два недостатка:
«Водоизмещение» гермоотсека оказалось больше, чем масса аккумулятора (точнее, чем всего девайса в сборе — ламинат, на удивление, обладал почти нулевой плавучестью. Моторы, из-за пластикового корпуса — тоже в воде были не сильно тяжелы). Обрезка трубы «по минимуму» не сильно помогла — водоизмещение все равно было слишком большим, и положительная плавучесть была около 400 грамм. Пришлось загрузить в трубу еще почти 400 граммов балласта (натурального железа — кусок уголка, кусок стального прутка — обрезанные до необходимой длины).
Вода всё-таки электропроводна сильнее ожидаемого. Поэтому погружение в воду (т.е. замыкание водой контактов кнопки) сразу воспринималось контроллером как «нажатие кнопки». Пришлось подтянуть кнопку на контроллере к питанию через резистор. Недостатки оказались «нефатальными», поэтому всё было исправлено вечером перед отъездом в кемпинг.
Результат
Готовая игрушка
«Ходовые испытания» во время небольшого, но всё-таки отпуска, показали: ощущения интересные. Скорость хоть и небольшая, но сравнима с купальщиком-любителем. Я в ластах поплыву, конечно, быстрее, но это ж ногами двигать надо… ну, а средний купальщик передвигается даже несколько медленнее.
Ныряния в глубину — забавны. Просто направляешь буксировщик в глубину, и он тебя туда неспешно, но уверенно утаскивает.
Глубину до 3 метров успешно переносит (на видео — нырки примерно до 2 метров, хотя прозрачность воды это несколько скрывает), хотя открыть его после этого довольно сложно (воздух при обжатии на глубине немного стравливается из «бочки», вода внутрь почти не попадает, поэтому давление в трубе после всплытия ниже атмосферного, и для открытия — хотя бы для отключения аккумулятора — приходится прилагать усилия как физические, так и привлекать идеомы «великого и могучего»).
Время катания на полном заряде — около 20–30 минут, хотя «досуха» аккумулятор не высасывал ни разу. Детишки соседские лет десяти, попросившие «покататься», были в восторге. Мне, жене и сыну — просто понравилось.
Попробовали даже таскать с помощью этого буксировщика Supboard с человеком — тоже неплохо. Небыстро, но зато почти не нарушая окружающей тишины утреннего уральского озера…
Плавучесть получилась чуть положительная (граммов 50–80, наверное) — это позволяет просто отпустить девайс, и он всплывет самостоятельно. При передвижении под водой для предотвращения всплытия нужно его наклонять чуть вниз, на несколько градусов.
Тренчик (эластичный шнурок для пристегивания руки к буксировщику) купил, но как показала практика — нет необходимости.
Есть и недостатки — вода все-таки немного попадает вовнутрь. Основной способ попадания воды — через кабельные вводы (хотя провода, пропущеные через них, были предварительно обработаны герметиком). Видимо, нужно поставить мембрану-компенсатор.
Бюджет игрушки:
3200+2×700+4000 +(2000 зарядник)- алиэкспресс
400 — леруа
300 — проконтакт
200 — домашняя хламовня (по ценам алиэкспресса)
Итого:
9500 без учета iMAX’a
Выводы
Игрушка годная. Для конструкции выходного дня (особенно если есть дети младшего школьного возраста) — вполне подойдет. Ибо затраты времени на сборку всего на пару часов (а ожидание посылок с алиэкспресса — пару недель). К лету вполне можно успеть.
Из советов тем, кто вдруг решит повторить — один из ESC брать с BEC (выходом для питания электроники), это позволит отказаться от преобразователя напряжения. Ну и, наверное, покупать модели приводов с винтами большего диаметра — правда, они примерно вдвое дороже (и прожорливее).
На этот год запланирована новая модификация.
запланированные отличия:
конструктив:
1.1. алюминиевая рама (тоже «палки», только теперь — алюминиевые)
1.2. Труба для гермоотсека D75 (оказалось, что есть такое в природе -, но только под заказ). Это позволит не таскать с собой 400 граммов балласта, да и общий вес несколько снизится.
1.3. «Печатные» рукоятки более эргономичной формы, нежели «отвод d40/45», и с клавишей плавной регулировки.электроника:
2.1. Включение-выключение питания твердотельным реле с управлением этим реле герконом (чтобы открывать гермоотсек как можно реже)
2.2. Учет расхода батареи (INA229)
2.3. Плавная регулировка хода (клавишей на основе датчика Холла).
2.4. Если найдется время — некоторые эксперименты с дополнительной электронной начинкой (закуплена осенью, но даже еще не распакована).
