做一个可实现软着陆的“火箭” ，逐梦太空！
时间：2021-09-16 14:03:44
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[导读]大家好，我是张巧龙，今天给大家带来一个自制的“火箭”项目。在这个项目中，我们将建造一个带有自动降落伞弹射机制的水火箭，以及一个数据传输系统，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...
大家好，我是张巧龙，今天给大家带来一个自制的“火箭”项目。在这个项目中，我们将建造一个带有自动降落伞弹射机制的水火箭，以及一个数据传输系统，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。
▲ 效果演示
切开大的长方形，在中间切线，切成两个大小相同的长方形，如(6)所示；对于每一个长方形纸板，通过标记线切割纸板的顶层，以便我们可以折叠它们；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，并在这条线上画出4个高约3毫米、宽约5毫米的长方形，如（9）所示，它们之间的距离大约相等；将另一个圆粘在上面；切断小矩形，并测试一下扎带是否能穿过小孔。
把用硬纸板做的支架放在这个瓶子里。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。
现在切开这个长方形的小孔，插入电机。如(19)和(20)所示，用螺钉或热熔胶把电机固定在支架上。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。用切割器或电烙铁在每个标记的矩形上打一个孔。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）。将纸板插入瓶中，使“弹簧”位于孔的一侧；为了把纸板支架推入，可能需要先把“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。在下面GIF里，你可以看到如何将降落伞放入火箭内部。
我们在电路板上为无线电模块放置了一些母头，并使用长的公头到母头的电缆连接它。
对于伺服电机，我们放了一些公头。稳压器用于为NRF24L01 提供电源，因为我们发现Arduino的3.3V输出不能提供足够的电压，程序有时会失败。你可以使用任何你想要的方法连接元件，但请记住纸板支架内的空间是有限的。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（可能需要推动“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。
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）。我们用胶带将无线电模块固定住，用双面胶带将充电宝固定住，并用胶带加固。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
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。
▲ 效果演示
冷知识：
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。具质轻、透明度高、耐冲击不易碎裂等特性；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，有对人体有害的物质融出。
材料
火箭机身
- 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，因为它必须能够承受高压力）
- 4x Balsa木板 200 * 25mm
- 8x 螺钉
- 1x 喷漆
- 1x 橡皮筋
- 1x 降落伞（我们用了一把旧伞，在布的每个尖端都系上了绳子）
- 1x PC板 250 * 250mm
电子部分
- 4根扎带
- 纸板
- 1个面包板
- 1x 加速器（我们使用MPU6050，它有一个加速器和陀螺仪）
- 2个Arduino板（我们使用了Arduino nano和Arduino mega）
- 1个3.3V电压调节器（我们使用LM317可调电压调节器）如果使用LM317的电压调节器电路，则还需要：
- 1x 电阻器(390欧姆)
- 1x 电阻器(240欧姆)
- 1x 伺服电机 (我们使用的是普通的SG90)
- 2x NRF24L01 模块
- 1x 电池，为电路板供电（我们使用了一个充电宝）。将充电宝连接到电路板需要：
- 1x USB-A连接器
- 母头和公头
- 胶带
- 双面胶带
- 热熔胶
工具
- 热熔胶枪
- 剪刀
- 记号笔
- 电烙铁
- 镊子
- 测量带
- 订书机
- 水火箭发射器（我们在这个说明中没有解释如何制作火箭发射器，但你可以查看这篇水火箭的文章，自己制作一个http://aircommandrockets.com/rocket_launcher.htm）
步骤一：降落伞制作
计算瓶子的半径
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。对每个圆，按（4）所示画线。为此，我们首先画出一条穿过圆心的线，这条线将被称为线1；在线1的一端测量40毫米，然后画一条与圆的边界相接触的垂直线，这条线将被称为线2；在线1的另一端测量20毫米，画一个点；现在在该点和线2的两端之间各画一条虚线，这条虚线的长度记为L。步骤二
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（5）；切开大的长方形，在中间切线，切成两个大小相同的长方形，如(6)所示；对于每一个长方形纸板，通过标记线切割纸板的顶层，以便我们可以折叠它们；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，并在这条线上画出4个高约3毫米、宽约5毫米的长方形，如（9）所示，它们之间的距离大约相等；将另一个圆粘在上面；切断小矩形，并测试一下扎带是否能穿过小孔。
步骤三
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。把用硬纸板做的支架放在这个瓶子里。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。
步骤四
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，对于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。现在切开这个长方形的小孔，插入电机。如(19)和(20)所示，用螺钉或热熔胶把电机固定在支架上。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。
步骤五
接下来我们将要制作降落伞“弹簧”，并把它固定在纸板箱上。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。用切割器或电烙铁在每个标记的矩形上打一个孔。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）。将纸板插入瓶中，使“弹簧”位于孔的一侧；为了把纸板支架推入，可能需要先把“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。在下面GIF里，你可以看到如何将降落伞放入火箭内部。
步骤六 电子部分
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、一个无线电模块NRF240L01 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，并使用长的公头到母头的电缆连接它。
对于伺服电机，我们放了一些公头。稳压器用于为NRF24L01 提供电源，因为我们发现Arduino的3.3V输出不能提供足够的电压，程序有时会失败。你可以使用任何你想要的方法连接元件，但请记住纸板支架内的空间是有限的。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（可能需要推动“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。
步骤7
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。将电源和无线电模块（NRF24L01 ）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）。我们用胶带将无线电模块固定住，用双面胶带将充电宝固定住，并用胶带加固。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
rocket.ino上传到Arduino上，用下面的测试程序检查程序的运行情况。/*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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