+7 (3822) 609-826
РОБО
Лодка с дистанционным управлением на Arduino и радиочастотных модулях
Подробный гид по подводной робототехнике для школ и наставников: как новые Национальные проекты России развивают беспилотные технологии и судостроение.
Создаем лодку на Arduino с турбоускорением!
Этот кейс-лонгрид поможет школьникам и их наставникам освоить основы создания надводных роботов (на примере лодки с радиоуправлением), познакомит с практическими аспектами схемотехники и программирования, а также вдохновит на участие в инновационных проектах, связанных с водным транспортом.
Создаем лодку на Arduino с турбоускорением!
Этот кейс-лонгрид поможет школьникам и их наставникам освоить основы создания надводных роботов (на примере лодки с радиоуправлением), познакомит с практическими аспектами схемотехники и программирования, а также вдохновит на участие в инновационных проектах, связанных с водным транспортом.
О чём кейс?
Кейс позволит погрузиться в одно из ключевых направлений по разработке и созданию скоростной лодки, а именно — сборке лодки с нуля и программированию её с помощью Arduino IDE. В рамках кейса школьники смогут освоить основы создания надводных роботов, познакомятся с практическими аспектами схемотехники и программирования, а также получат идеи для участия в инновационных проектах, связанных с речным судоходным транспортом.
Кому полезен этот кейс?
Кейс будет интересен учащимся 12–17 лет, увлекающимся робототехникой и программированием, а также педагогам образовательных учреждений, руководителям STEM-кружков и технологических клубов, стремящимся приобщить подростков к надводной робототехнике и развить у них навыки конструирования, программирования и работы с электроникой через практическое задание по созданию скоростной радиоуправляемой лодки.
Проект включает сборку лодки с нуля, разработку корпуса, установку электронных компонентов и программирование управления с использованием Arduino IDE.
Кейс может быть использован для проведения уроков технологии, информатики или физики (включая профильные модули по робототехнике), занятий внеурочной деятельности, кружков по программированию и конструированию, а также в рамках дополнительного образования для подготовки к соревнованиям по робототехнике, инженерным хакатонам и профильным мероприятиям по надводной робототехнике.
Проект включает сборку лодки с нуля, разработку корпуса, установку электронных компонентов и программирование управления с использованием Arduino IDE.
Кейс может быть использован для проведения уроков технологии, информатики или физики (включая профильные модули по робототехнике), занятий внеурочной деятельности, кружков по программированию и конструированию, а также в рамках дополнительного образования для подготовки к соревнованиям по робототехнике, инженерным хакатонам и профильным мероприятиям по надводной робототехнике.
Тренды и инновации
О проекте по развитию надводной робототехники:
Для нашей страны, самой большой в мире, развитие транспортной системы – один из приоритетов. Эти задачи отражены в новых национальных проектах, таких как "Производство транспорта" и "Эффективная транспортная система". Цель данных проектов – сформировать и модернизировать инфраструктуру грузовых и пассажирских перевозок, повысить уровень комфорта, безопасности и эффективности транспорта.
Планируются к выпуску морские и речные суда, в том числе экологически чистые и беспилотные модели. По федеральному проекту "Производство судов и судового оборудования" создаются условия для увеличения объемов строительства судов и оборудования для них.
Развитие инженерного творчества молодежи, освоение ребятами основ надводной робототехники является основой для подготовки кадров в этом направлении.
Планируются к выпуску морские и речные суда, в том числе экологически чистые и беспилотные модели. По федеральному проекту "Производство судов и судового оборудования" создаются условия для увеличения объемов строительства судов и оборудования для них.
Развитие инженерного творчества молодежи, освоение ребятами основ надводной робототехники является основой для подготовки кадров в этом направлении.
О ключевых направлениях стратегии научно-технологического развития РФ:
Кейс по созданию скоростной радиоуправляемой лодки с использованием Arduino IDE отвечает ключевым направлениям Стратегии научно-технологического развития РФ: переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования.
Этот кейс погружает учащихся в мир современных технологий, которые формируют будущее речного и морского транспорта. Создание радиоуправляемой лодки с нуля позволяет не только освоить базовые навыки конструирования и программирования, но и понять, как теоретические знания применяются для решения реальных инженерных задач.
Проект демонстрирует практическое применение школьных дисциплин: физики (движение по воде, электрические цепи), информатики (программирование Arduino) и технологии (схемотехника и конструирование) при создании функционального устройства.
Этот кейс погружает учащихся в мир современных технологий, которые формируют будущее речного и морского транспорта. Создание радиоуправляемой лодки с нуля позволяет не только освоить базовые навыки конструирования и программирования, но и понять, как теоретические знания применяются для решения реальных инженерных задач.
Проект демонстрирует практическое применение школьных дисциплин: физики (движение по воде, электрические цепи), информатики (программирование Arduino) и технологии (схемотехника и конструирование) при создании функционального устройства.
Как включиться школьникам?
Рынок «Технет»
Одним из ключевых направлений Национальной технологической инициативы является рынок "Технет", ориентированный на развитие передовых производственных технологий. Это включает робототехнику, автоматизацию и встраиваемые системы для создания конкурентоспособной продукции.
Школьники могут присоединиться к рынку "Технет" уже сегодня через участие в Национальной технологической олимпиаде. Для учащихся 8-11 классов доступны профили: "Интеллектуальные робототехнические системы" и "Автономные транспортные системы".
Наш кейс предоставляет фундаментальные знания по конструированию и программированию в Arduino IDE, необходимые для разработки радиоуправляемой лодки и решения инженерных задач.
[Ссылка на дополнительную информацию о рынке "Технет"]
Школьники могут присоединиться к рынку "Технет" уже сегодня через участие в Национальной технологической олимпиаде. Для учащихся 8-11 классов доступны профили: "Интеллектуальные робототехнические системы" и "Автономные транспортные системы".
Наш кейс предоставляет фундаментальные знания по конструированию и программированию в Arduino IDE, необходимые для разработки радиоуправляемой лодки и решения инженерных задач.
[Ссылка на дополнительную информацию о рынке "Технет"]
Сайт
Структура кейса
Кейс состоит из подробного описания задания по созданию прототипа скоростной лодки, содержит этапы выполнения с иллюстрациями и дополнительные материалы.
Для работы над кейсом понадобится
Внешний вид необходимых для проекта компонентов показан на следующих рисунках:
Плата Arduino Pro Mini
Передатчик и приемник на 433 МГц
Микросхемы HT12A и HT12D.
Кнопки - 4 шт.
Резисторы 47 кОм и 1 МОм
Драйвер двигателей L293d
Батарейка на 9 В – 2 шт.
Регулятор напряжения 7805
Электродвигатели постоянного тока – 2 шт.
Пропеллеры для двигателей (можно самодельные) – 2 шт
Конденсатор 1 мкФ – 2 шт.
Common PCB (печатная плата)
Какие школьные предметы нужны?
- Физика
- Гидродинамика: Расчет сопротивления воды, формы корпуса для максимальной скорости и устойчивости.
- Механика: Равновесие сил (плавучесть, вес, тяга двигателя), распределение нагрузки.
- Электротехника: Работа двигателей, схем питания, закон Ома для расчета электронных компонентов..
- Математика
- Геометрия и тригонометрия: Расчет углов наклона винта, формы корпуса, траектории движения.
- Алгебра и статистика: Оптимизация режимов работы двигателя, анализ данных тестовых заплывов.
- Информатика
- Программирование (Arduino/C++): Написание кода для управления двигателями, датчиками, системой навигации.
- Моделирование: Использование ПО (например, CAD) для проектирования корпуса и электронных схем.
- Технология
- Конструирование: Сборка корпуса (выбор материалов, обработка, герметизация).
- Схемотехника: Пайка электронных компонентов, разводка проводов, подключение датчиков.
Полезные материалы
Arduino ide - программная среда для написания, компиляции и загрузки скетчей (программ) на микроконтроллерные платы Arduino
Ход работы
Давайте разбираться с процессом сборки!
1. Первый шаг
Сборка конструкции передающей части проекта:
Припаиваем все компоненты передающей части проекта к печатной плате (common PCB). Помните: поскольку мы работаем с радиомодулями, возможны нежелательные помехи между различными частями схемы. Поэтому старайтесь располагать компоненты максимально близко друг к другу.
Для подключения платы Arduino и передающего радиомодуля используем коннекторы типа "мама". Все компоненты схемы рекомендуется соединять с помощью печатных дорожек платы, а не соединительных проводов.
К передающему радиомодулю подключаем небольшой отрезок провода - он будет выполнять роль антенны, что увеличит дальность связи.
Важно! Перед подключением платы Arduino и передающего радиомодуля обязательно проверьте напряжение на выходе регулятора LM7805.
Для подключения платы Arduino и передающего радиомодуля используем коннекторы типа "мама". Все компоненты схемы рекомендуется соединять с помощью печатных дорожек платы, а не соединительных проводов.
К передающему радиомодулю подключаем небольшой отрезок провода - он будет выполнять роль антенны, что увеличит дальность связи.
Важно! Перед подключением платы Arduino и передающего радиомодуля обязательно проверьте напряжение на выходе регулятора LM7805.
Нижняя часть печатной платы передающей части нашего проекта показана на следующем рисунке
2. Второй шаг
Сборка корпуса передающей части проекта:
Для пульта дистанционного управления (ДУ) лодкой необходимо подобрать подходящий корпус - вы можете изготовить его по своему усмотрению. В нашем случае для изготовления корпуса пульта ДУ используются листы MDF толщиной 4 мм. Также можно применять клееную фанеру, пенопластовый лист или картон.
Из выбранного материала вырезаем две пластины размером 10×5 см. На них размечаем расположение кнопок:
Из выбранного материала вырезаем две пластины размером 10×5 см. На них размечаем расположение кнопок:
- Кнопки управления "вправо-влево" размещаем с левой стороны
- Кнопки "вперед-назад" - с правой стороны
- Стандартная кнопка (pushbutton) имеет 4 контакта - по два с каждой стороны
- Один контакт кнопки подключаем к плате Arduino
- Второй контакт соединяем с общим проводом (ground)
После этого мы помещаем основную плату нашего пульта ДУ между двумя листами MDF и скрепливаем эти листы между собой с помощью длинных болтов.
3. Третий шаг
Сборка конструкции приемной части проекта:
При сборке приемной части важно учитывать два ключевых фактора:
1. Вес и габариты - поскольку устройство размещается на лодке, увеличение массы негативно скажется на:
В нашем проекте контакт 8 драйвера двигателей L293D был подключен специально для работы с двигателями, рассчитанными на напряжение 5 В.
При сборке приемной части важно учитывать два ключевых фактора:
1. Вес и габариты - поскольку устройство размещается на лодке, увеличение массы негативно скажется на:
- Плавучести конструкции;
- Скорости движения;
- Все компоненты рекомендуется паять на печатной плате минимального размера;
- Следует максимально избегать использования соединительных проводов;
В нашем проекте контакт 8 драйвера двигателей L293D был подключен специально для работы с двигателями, рассчитанными на напряжение 5 В.
4. Четвертый шаг
Сборка корпуса приемной части проекта:
В ходе испытаний различных материалов для корпуса наилучшие результаты показал термопластичный пенополистирола (thermocol). Для изготовления корпуса необходимо взять лист материала толщиной 3 см, разместить сверху печатную плату приемной части проекта, обвести контуры для создания углубления под электронные компоненты и аккуратно вырезать отмеченную область.
В качестве альтернативы можно использовать готовую игрушечную лодку или другие материалы по вашему выбору.
В качестве альтернативы можно использовать готовую игрушечную лодку или другие материалы по вашему выбору.
5. Пятый шаг
Двигатели и пропеллеры для лодки
При проектировании важно учитывать вес компонентов системы, поэтому рекомендуем использовать компактные электродвигатели постоянного тока типа N20, рассчитанные на напряжение 5 В. Эти двигатели обладают оптимальным сочетанием малых габаритов и незначительной массы.
Для обеспечения электромагнитной совместимости и снижения радиопомех необходимо параллельно подключить керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ к входным контактам каждого двигателя. Это стандартное решение для фильтрации высокочастотных помех в цепях двигателей постоянного тока.
Используемые двигатели N20 работают от напряжения 5 В и оснащаются керамическими конденсаторами 0,1 мкФ для подавления помех. Такое сочетание обеспечивает стабильную работу системы при минимальном влиянии на общий вес конструкции.
Для обеспечения электромагнитной совместимости и снижения радиопомех необходимо параллельно подключить керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ к входным контактам каждого двигателя. Это стандартное решение для фильтрации высокочастотных помех в цепях двигателей постоянного тока.
Используемые двигатели N20 работают от напряжения 5 В и оснащаются керамическими конденсаторами 0,1 мкФ для подавления помех. Такое сочетание обеспечивает стабильную работу системы при минимальном влиянии на общий вес конструкции.
Пропеллеры (воздушные винты) для лодки мы изготавливаем из листов пластмассы. Нужно вырезать из пластика необходимые полоски, согнуть их при помощи нагрева от свечи и проделать в них небольшое отверстие, чтобы закрепить их на осях двигателей.
6. Шестой шаг
Исходный код программы:
После сборки аппаратной части проекта можно загружать программу в плату Arduino и приступать к тестированию проекта.
Итоговый продукт
Перед тестированием проекта убедитесь: лодка стоит ровно на воде, вес не превышает допустимый, полярность двигателей подключена правильно, а пропеллеры изогнуты в нужную сторону.
Готовая лодка на Arduino с пультом управления выглядит вот так:
Готовая лодка на Arduino с пультом управления выглядит вот так:
Что дальше?
В ходе решения кейса "Лодка с дистанционным управлением на Arduino и радиочастотных модулях 433 МГц" можно участвовать в различных соревнованиях по робототехнике, судомоделированию, радиоуправляемым системам и инженерным проектам.
Банк идей
Посмотри образцы проектов, где ребята занимались робототехникой используя Arduino, например:
Первый запуск
Предлагаем вам провести тест-драйв вашей лодки и проанализировать результаты!
Организуйте водные испытания: проверьте управляемость, дальность связи и устойчивость лодки на волнах. После этого обсудите в команде, что получилось отлично, с какими трудностями столкнулись и как можно усовершенствовать конструкцию.
Такой анализ поможет вам глубже понять принципы работы радиоуправляемых систем и найти новые идеи для развития проекта!
Организуйте водные испытания: проверьте управляемость, дальность связи и устойчивость лодки на волнах. После этого обсудите в команде, что получилось отлично, с какими трудностями столкнулись и как можно усовершенствовать конструкцию.
Такой анализ поможет вам глубже понять принципы работы радиоуправляемых систем и найти новые идеи для развития проекта!
Вопросы для рефлексии
Уровень 1: Запоминание
- Какие основные компоненты используются в вашей радиоуправляемой лодки?
- Помните ли вы с помощью чего мы скрепили листы MDF между собой?
Уровень 2: Понимание
- Как вы объясните принцип работы системы управления лодкой с помощью Arduino и RF модуля?
- Почему важно учитывать водонепроницаемость корпуса при проектировании?
Уровень 3: Применение
- Какие датчики вы могли бы добавить для расширения функционала лодки (например, GPS, датчики качества воды)?
- Как можно адаптировать ваш проект для решения экологических задач (мониторинг водоёмов, сбор мусора)?
Уровень 4: Анализ
- Сравните преимущества и недостатки RF-модуля 433 МГц с альтернативами (Wi-Fi, Bluetooth, LoRa).
- Каким материалом вместо пенопласта можно доработать лодку?
Уровень 5: Синтез
- Предложите концепцию автономной лодки на базе вашего проекта. Какие технологии для этого нужны?
- Как можно использовать ваш опыт для создания других плавучих роботов (например, для подводных исследований)?
Уровень 6: Оценка
- Насколько эффективным оказалось ваше решение для управления лодкой? Что можно улучшить?
- Если бы вы начинали проект заново, какие изменения внесли бы в конструкцию или программный код?
Авторы