做一個可實現(xiàn)軟著陸的“火箭” ，逐夢太空！
時間：2021-09-16 14:03:44
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[導讀]大家好，我是張巧龍，今天給大家?guī)硪粋€自制的“火箭”項目。在這個項目中，我們將建造一個帶有自動降落傘彈射機制的水火箭，以及一個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，這樣我們就可以監(jiān)測火箭在空中時候的方向（根據(jù)加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)估計）。水火箭是一種模型火箭，它使用壓力室（通常是一個PET瓶，也就是碳酸飲...
大家好，我是張巧龍，今天給大家?guī)硪粋€自制的“火箭”項目。在這個項目中，我們將建造一個帶有自動降落傘彈射機制的水火箭，以及一個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，這樣我們就可以監(jiān)測火箭在空中時候的方向（根據(jù)加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)估計）。
水火箭是一種模型火箭，它使用壓力室（通常是一個PET瓶，也就是碳酸飲料瓶）內的水和壓縮空氣作為推力發(fā)動機。火箭的運行可以用牛頓第三定律來解釋，壓縮室中的水被壓縮空氣拋出，因為它試圖釋放壓力釋放積累的勢能，所以在相反的方向會產生一個推動火箭的力。
▲? 效果演示
切開大的長方形，在中間切線，切成兩個大小相同的長方形，如(6)所示；對于每一個長方形紙板，通過標記線切割紙板的頂層，以便我們可以折疊它們；在其中一個圓圈的標記線上涂上熱熔膠，并將其中一個折疊的長方形紙板粘起來，然后將另一個長方形紙板粘在前一個長方形紙板的后面以加固它；我們需要為扎帶開孔，所以在距離長方形兩端約15毫米處標出一條線，并在這條線上畫出4個高約3毫米、寬約5毫米的長方形，如（9）所示，它們之間的距離大約相等；將另一個圓粘在上面；切斷小矩形，并測試一下扎帶是否能穿過小孔。
把用硬紙板做的支架放在這個瓶子里。支架在里面，在瓶子上標出一個矩形，覆蓋支架的正面（支架的正面是我們?yōu)樵鷰Т蚩椎哪且幻?，或者是空間最大的那一面），這個矩形在每個水平端應該有20毫米的額外空間。現(xiàn)在取下紙板支架，用切割機切割矩形，如(12)、(13)和(14)所示，小心地將矩形從瓶子里切出來，因為這部分以后將用于固定里面的降落傘。然后在長方形的一端上開個洞，用橡皮筋穿過，如（15）所示，最后用膠帶把長方形固定在瓶子的右邊（就是把瓶子豎起來的時候），這樣就可以當一個蓋子了，如（16）所示。
現(xiàn)在切開這個長方形的小孔，插入電機。如(19)和(20)所示，用螺釘或熱熔膠把電機固定在支架上。PS: 如果紙板有點薄，螺絲可能會不起作用，對螺絲用力過猛也會導致安裝松動，在這種情況下，熱膠更容易、更安全。在紙板支架的左側，開一個小孔，讓電機的電線通過，盡量靠右放，如（19）所示。
如(21)所示，從一個未使用的瓶子上剪下一個230毫米×96毫米的矩形（用卷尺測量）作為降落傘“彈簧”。在剪下來的正方形塑料片的每個短端，在離邊界約10毫米處劃一條線，將標記線與紙板支架兩端的孔的邊緣對齊（在紙板支架的背面），并在每個孔上做一個標記，如（22）所示。用切割器或電烙鐵在每個標記的矩形上打一個孔。如（23）所示，用扎帶將“彈簧”固定在紙板支架上。如（24）所示，必要時用鉗子將扎帶穿過（如果“彈簧”礙事，你也可以將它彎曲）。將紙板插入瓶中，使“彈簧”位于孔的一側；為了把紙板支架推入，可能需要先把“彈簧”推到支架上，然后再把支架推到瓶子里面去；在電機的頂部畫一個長方形，并把它剪下來，這個孔是橡皮筋穿過的地方，它將被連接到電機上，保持蓋子關閉，降落傘被壓縮在“彈簧”上。在下面GIF里，你可以看到如何將降落傘放入火箭內部。
我們在電路板上為無線電模塊放置了一些母頭，并使用長的公頭到母頭的電纜連接它。
對于伺服電機，我們放了一些公頭。穩(wěn)壓器用于為NRF24L01 提供電源，因為我們發(fā)現(xiàn)Arduino的3.3V輸出不能提供足夠的電壓，程序有時會失敗。你可以使用任何你想要的方法連接元件，但請記住紙板支架內的空間是有限的。要把電路板安裝到紙板支架上，首先，把它從瓶子里拿出來（1），把電路板放在紙板支架的左側上面，并在左上角和右下角做標記，如（2）所示。取出電路板，在每個角上標記并切出2個相距約10毫米的小矩形，如（3）所示。對于每一對孔，從紙板支架的背面把一條小線穿過孔（可能需要推動“彈簧”使線穿過），用線將線路板固定在紙板上，如圖（4）。在最后一張圖片上，我們展示了固定其中一個角的結果，電線的一端穿過紙板上的一個孔，然后我們扭動它，使它保持在原位。
然后將電源線連接到充電寶，將NRF24L01 連接到電路板，如（6）和（7）所示。最后將元件固定在紙板上（8）。我們用膠帶將無線電模塊固定住，用雙面膠帶將充電寶固定住，并用膠帶加固。請記住，為了使紙板支架適合于瓶內，它上面的元件不應越過圓圈的邊界，所以要把所有東西放在圓圈內。在把紙板支架放進瓶子里之前，把程序
??Requires?the?following?libraries:
??RF24?by?TMRh20,?Avamander
??MPU6050?by?Electronic?Cats
??Connections:
????Shown?in?the?schematic
*/
#include?
#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?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(
水火箭是一種模型火箭，它使用壓力室（通常是一個PET瓶，也就是碳酸飲料瓶）內的水和壓縮空氣作為推力發(fā)動機。火箭的運行可以用牛頓第三定律來解釋，壓縮室中的水被壓縮空氣拋出，因為它試圖釋放壓力釋放積累的勢能，所以在相反的方向會產生一個推動火箭的力。
▲? 效果演示
冷知識：
PET：Polyethylene Terephthalate（聚對苯二甲酸乙二醇酯）礦泉水瓶用的塑料就是聚對苯二甲酸乙二醇酯，翻轉礦泉水的瓶子，可以看見下面有個小小的符號，三角形中寫了數(shù)字“1”，這是最常見的塑料材質之一，絕大多數(shù)的礦泉水、飲料瓶采用這種材料。具質輕、透明度高、耐沖擊不易碎裂等特性；耐熱至70℃，只適合裝暖飲或凍飲，裝高溫液體、或加熱則易變形，有對人體有害的物質融出。
材料
火箭機身
- 3個PET瓶，3L大?。ㄖ匾氖?，至少有一個瓶子是用來儲存蘇打水的，因為它必須能夠承受高壓力）
- 4x Balsa木板 200 * 25mm
- 8x 螺釘
- 1x 噴漆
- 1x 橡皮筋
- 1x 降落傘（我們用了一把舊傘，在布的每個尖端都系上了繩子）
- 1x PC板 250 * 250mm
電子部分
- 4根扎帶
- 紙板
- 1個面包板
- 1x 加速器（我們使用MPU6050，它有一個加速器和陀螺儀）
- 2個Arduino板（我們使用了Arduino nano和Arduino mega）
- 1個3.3V電壓調節(jié)器（我們使用LM317可調電壓調節(jié)器）如果使用LM317的電壓調節(jié)器電路，則還需要：
- 1x 電阻器(390歐姆)
- 1x 電阻器(240歐姆)
- 1x 伺服電機 (我們使用的是普通的SG90)
- 2x NRF24L01 模塊
- 1x 電池，為電路板供電（我們使用了一個充電寶）。將充電寶連接到電路板需要：
- 1x USB-A連接器
- 母頭和公頭
- 膠帶
- 雙面膠帶
- 熱熔膠
工具
- 熱熔膠槍
- 剪刀
- 記號筆
- 電烙鐵
- 鑷子
- 測量帶
- 訂書機
- 水火箭發(fā)射器（我們在這個說明中沒有解釋如何制作火箭發(fā)射器，但你可以查看這篇水火箭的文章，自己制作一個http://aircommandrockets.com/rocket_launcher.htm）
步驟一：降落傘制作
計算瓶子的半徑
如(1)所示，測量周長，然后應用公式r=c/(2*pi) 來計算半徑，在我們的例子中，半徑是60毫米。根據(jù)這些信息，在紙板上標出2個半徑為瓶子半徑減去1毫米的圓（在我們的例子中是59毫米），并將其剪下，如（2）和（3）所示。對每個圓，按（4）所示畫線。為此，我們首先畫出一條穿過圓心的線，這條線將被稱為線1；在線1的一端測量40毫米，然后畫一條與圓的邊界相接觸的垂直線，這條線將被稱為線2；在線1的另一端測量20毫米，畫一個點；現(xiàn)在在該點和線2的兩端之間各畫一條虛線，這條虛線的長度記為L。步驟二
根據(jù)上述測量值（L），在紙板上畫一個高110毫米，寬（L）×4毫米的長方形，每隔（L）毫米劃一條垂直線（5）；切開大的長方形，在中間切線，切成兩個大小相同的長方形，如(6)所示；對于每一個長方形紙板，通過標記線切割紙板的頂層，以便我們可以折疊它們；在其中一個圓圈的標記線上涂上熱熔膠，并將其中一個折疊的長方形紙板粘起來，然后將另一個長方形紙板粘在前一個長方形紙板的后面以加固它；我們需要為扎帶開孔，所以在距離長方形兩端約15毫米處標出一條線，并在這條線上畫出4個高約3毫米、寬約5毫米的長方形，如（9）所示，它們之間的距離大約相等；將另一個圓粘在上面；切斷小矩形，并測試一下扎帶是否能穿過小孔。
步驟三
在火箭頂部的降落傘彈射系統(tǒng)的空腔中，如（11）所示，在距離瓶子底部約50毫米處劃出一個圓圈，并切開它，這就成了一個沒有底部的瓶子。把用硬紙板做的支架放在這個瓶子里。支架在里面，在瓶子上標出一個矩形，覆蓋支架的正面（支架的正面是我們?yōu)樵鷰Т蚩椎哪且幻?，或者是空間最大的那一面），這個矩形在每個水平端應該有20毫米的額外空間。現(xiàn)在取下紙板支架，用切割機切割矩形，如(12)、(13)和(14)所示，小心地將矩形從瓶子里切出來，因為這部分以后將用于固定里面的降落傘。然后在長方形的一端上開個洞，用橡皮筋穿過，如（15）所示，最后用膠帶把長方形固定在瓶子的右邊（就是把瓶子豎起來的時候），這樣就可以當一個蓋子了，如（16）所示。
步驟四
從背面看紙板支架，在右側標記一個長方形，大約在中心位置標記伺服電機底部的尺寸，對于我們使用的那個電機（SG90），尺寸是22毫米高，12毫米寬，如（18）所示。現(xiàn)在切開這個長方形的小孔，插入電機。如(19)和(20)所示，用螺釘或熱熔膠把電機固定在支架上。PS: 如果紙板有點薄，螺絲可能會不起作用，對螺絲用力過猛也會導致安裝松動，在這種情況下，熱膠更容易、更安全。在紙板支架的左側，開一個小孔，讓電機的電線通過，盡量靠右放，如（19）所示。
步驟五
接下來我們將要制作降落傘“彈簧”，并把它固定在紙板箱上。如(21)所示，從一個未使用的瓶子上剪下一個230毫米×96毫米的矩形（用卷尺測量）作為降落傘“彈簧”。在剪下來的正方形塑料片的每個短端，在離邊界約10毫米處劃一條線，將標記線與紙板支架兩端的孔的邊緣對齊（在紙板支架的背面），并在每個孔上做一個標記，如（22）所示。用切割器或電烙鐵在每個標記的矩形上打一個孔。如（23）所示，用扎帶將“彈簧”固定在紙板支架上。如（24）所示，必要時用鉗子將扎帶穿過（如果“彈簧”礙事，你也可以將它彎曲）。將紙板插入瓶中，使“彈簧”位于孔的一側；為了把紙板支架推入，可能需要先把“彈簧”推到支架上，然后再把支架推到瓶子里面去；在電機的頂部畫一個長方形，并把它剪下來，這個孔是橡皮筋穿過的地方，它將被連接到電機上，保持蓋子關閉，降落傘被壓縮在“彈簧”上。在下面GIF里，你可以看到如何將降落傘放入火箭內部。
步驟六 電子部分
電子裝置主要由Arduino Nano、MPU6090加速器 陀螺儀、設置為3.3V的LM317穩(wěn)壓電路、一個充電寶、一個無線電模塊NRF240L01 和一個伺服電機組成，下面的原理圖rocket.pdf顯示了連接圖。我們在電路板上為無線電模塊放置了一些母頭，并使用長的公頭到母頭的電纜連接它。
對于伺服電機，我們放了一些公頭。穩(wěn)壓器用于為NRF24L01 提供電源，因為我們發(fā)現(xiàn)Arduino的3.3V輸出不能提供足夠的電壓，程序有時會失敗。你可以使用任何你想要的方法連接元件，但請記住紙板支架內的空間是有限的。要把電路板安裝到紙板支架上，首先，把它從瓶子里拿出來（1），把電路板放在紙板支架的左側上面，并在左上角和右下角做標記，如（2）所示。取出電路板，在每個角上標記并切出2個相距約10毫米的小矩形，如（3）所示。對于每一對孔，從紙板支架的背面把一條小線穿過孔（可能需要推動“彈簧”使線穿過），用線將線路板固定在紙板上，如圖（4）。在最后一張圖片上，我們展示了固定其中一個角的結果，電線的一端穿過紙板上的一個孔，然后我們扭動它，使它保持在原位。
步驟7
在電路板的頂部，如(5)所示，在紙板支架上標記并切割一個大約10 * 30毫米的矩形。將電源和無線電模塊（NRF24L01 ）的電纜穿過該孔。然后將電源線連接到充電寶，將NRF24L01 連接到電路板，如（6）和（7）所示。最后將元件固定在紙板上（8）。我們用膠帶將無線電模塊固定住，用雙面膠帶將充電寶固定住，并用膠帶加固。請記住，為了使紙板支架適合于瓶內，它上面的元件不應越過圓圈的邊界，所以要把所有東西放在圓圈內。在把紙板支架放進瓶子里之前，把程序
rocket.ino上傳到Arduino上，用下面的測試程序檢查程序的運行情況。/*??Requires?the?following?libraries:
??RF24?by?TMRh20,?Avamander
??MPU6050?by?Electronic?Cats
??Connections:
????Shown?in?the?schematic
*/
#include?
#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?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(
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