Электрический самокат на Arduino

С наплывом электрических скейтбордов и самокатов, которые заполонили, казалось бы, каждый город, я начал думать, что можно было бы купить что-нибудь для себя. В настоящее время очень доступно приобрести скутер, такой как версия Xiaomi Mi, примерно за 400 долларов, а также множество стартапов с потрясающим дизайном. Вместо этого я решил, что попытаюсь создать свой собственный с нуля. Не столько для того, чтобы сэкономить деньги, сколько для того, чтобы получить опыт создания чего-то своего.

РИСУНОК 1. Самокат в сборе.

Этот проект начался в начале лета 2019 года, когда у меня появилась идея, и продолжался шесть месяцев, пока я закончил всю электронику и код. Хотя это был очень трудоемкий проект, мне нравилась каждая секунда процесса, и я с удовольствием показывал людям этот проект. Все, что мне сейчас нужно, это шлем! Основная цель этой статьи — показать мой дизайн и производственный процесс, чтобы вы могли учиться на том, что я построил. Я постарался предоставить как можно больше информации о моем дизайне в максимально сжатой форме. Сборка электрического скутера начинается с двух ключевых компонентов: рамы скутера и двигателя. Существует два основных типа моторных приводов для самокатов: ременный/редукторный привод или прямой привод, например мотор-втулка. Я выбрал бесщеточный ступичный двигатель, который был разработан для использования на стандартном ховерборде. Основная причина, по которой я выбрал этот двигатель, заключается в его непревзойденном соотношении мощности и стоимости. Поскольку ховерборды производились массово, стоимость двигателя была на порядки меньше, чем я мог найти где угодно. Кроме того, было относительно просто сконструировать крепление, которое могло бы удерживать двигатель на поворотной оси. Я хотел, чтобы двигатель был впереди, чтобы задний дисковый тормоз с ручным управлением работал. Этот ручной тормоз чрезвычайно важен для электрического скутера в районе с большими холмами и опасным движением. Самой большой механической проблемой, которую нужно было решить, была конструкция колесной арки. Поскольку я решил использовать двигатель-втулку, крепление двигателя должно было выдерживать вес пользователя в дополнение к крутящему моменту двигателя, ускоряющегося и вращающегося. При покупке скутер имел слабое колесо в сборе, которое было нелегко модифицировать для поддержки моторизованного колеса. На рис. 2 показано, как колесо в сборе вырезается из шестигранного профиля.

РИСУНОК 2. Сборка оригинального колеса, вырезанная ленточной пилой.

Затем я использовал большой кусок алюминия и сконструировал раму, удерживающую двигатель. Он зажимается четырьмя крепежными болтами и небольшим штоком со сквозными отверстиями. Я использовал Autodesk Inventor для создания детали (которая включена в файлы для загрузки). Эта конструкция состоит из двух частей: основной Г-образной части, которая соединяет привод руля с двигателем, и другой части, которая крепит двигатель к основанию четырьмя болтами 10-32. Я смог использовать CAM в Fusion 360 и станок с ЧПУ, чтобы сделать основную деталь, с дополнительным ручным фрезерованием и нарезанием резьбы для окончательной обработки. Наконец, я использовал ручную фрезу, чтобы вырезать базовый зажим и добавил сквозные отверстия для болтов. На рисунках 3-6 показана CAD-модель узла колеса в дополнение к процессу сборки колеса. В основании скутера есть две направляющие, поддерживающие вес водителя, которые я также использовал для надежного удержания двух аккумуляторов LiPo. Поскольку батареи LiPo очень нестабильны и подвержены как повреждению водой, так и проколу, я добавил металлическую крышку, чтобы защитить батареи от каждого из этих факторов.

РИСУНОК 3. CAD сборки колеса с ЧПУ.

РИСУНОК 4. Завершенный узел колеса с ЧПУ с прикрепленным шестигранником.

РИСУНОК 5. Крупный план крепления двигателя.

РИСУНОК 6. Окончательная сборка переднего колеса.

Для этого я отрезал кусок алюминия толщиной 1/16 дюйма и согнул его по длине с помощью гибочного станка и ацетиленовой горелки, чтобы уменьшить нагрузку на металл при изгибе. При обычном использовании дно, скорее всего, поцарапается (см . рис. 7 ), но металлическая крышка пока без проблем принимает на себя все повреждения.

РИСУНОК 7. Крупный план металлической рамы, защищающей батареи.

Я широко использовал 3D-печать как на стадии прототипа, так и в конечном продукте. Наиболее очевидной частью является электрическая коробка, с помощью которой пользователь может легко заряжать аккумуляторы LiPo. В этом блоке есть главный выключатель питания, делитель напряжения для Arduino для считывания напряжения батареи (поскольку максимальное аналоговое напряжение составляет 5 В, а контроллер работает от 12 В LiPo) и разъемы для зарядки LiPo. Чтобы зарядить этот скутер, пользователь снимает переднюю панель (прикрепленную винтами M3), отсоединяет разъемы XT-60 от основного питания и просто подключает их к зарядному устройству LiPo. Кроме того, корпус ЖК-экрана, корпус Arduino Nano, механизм складывания и гидроизоляционные элементы разработаны и напечатаны для этого самоката на 3D-принтере. Все файлы САПР доступны для загрузки для использования в вашем собственном скутере. На рис. 8 показана электрическая коробка и контроллер, подключенные к раме скутера. Чтобы прикрепить контроллер, я просверлил и нарезал два отверстия в раме и прикрутил контроллер двумя болтами 10-32. Электрическая коробка была соединена с помощью одного болта и стяжки.

РИСУНОК 8. CAD рамы скутера с контроллером и электрической коробкой.

 Этот метод крепления работает очень хорошо, обе коробки надежно закреплены. Я не хотел слишком сильно уменьшать прочность самоката, поэтому я выбрал как можно меньше отверстий в самокате. Позже в сборке я заметил, что езда на скутере может быть очень неудобной, так как обе мои ноги не могут удобно разместиться на маленькой платформе. Вероятно, это связано с тем, что инженеры спроектировали самокат таким образом, чтобы пользователь ставил одну ногу на раму, а другой толкал самокат вперед. Чтобы исправить это, я знал, что у меня есть два варианта: добавить металлическую пластину сверху или отрезать основную раму и приварить новую. К сожалению, у меня не было доступа к сварочному аппарату, поэтому пришлось использовать первый вариант. Мне удалось найти четвертьдюймовую алюминиевую пластину, которая была достаточно большой, чтобы покрыть платформу. Я использовал ленточнопильный станок и шлифовальный станок, чтобы отрезать пластину по длине, а также добавил прорезь для механизма складывания, как показано на рис. 9 .

РИСУНОК 9. Самокат с дополнительной платформой для стояния.

 Последней крупной модификацией этого скутера стал руль. Рули, которые поставлялись со скутером, были так близко друг к другу, что им было очень неустойчиво и трудно управлять, особенно на высокой скорости. Чтобы исправить это, я купил алюминиевую ложу диаметром один дюйм и использовал токарный станок, чтобы уменьшить диаметр, пока она не войдет в раму. Наконец, я просверлил и нарезал два отверстия для крепежных винтов 10-32, чтобы закрепить новый стержень на исходной раме. С более длинным рулем на скутере было намного удобнее ездить, и он чувствовал себя более устойчивым на поворотах. Одной из ключевых тем, которые я преследовал во всех разработанных мной компонентах, было обеспечение водонепроницаемости всей системы. Хотя было бы неразумно ездить на нем в сильный дождь, вся основная электроника должна быть водонепроницаемой. Основная проблема с водой - это аккумуляторы, которые находятся под скутером. Чтобы заключить батареи, как упоминалось ранее, я согнул алюминиевый лист для защиты ходовой части, а также распечатал на 3D-принтере детали с прорезями для защиты проводов кабельных вводов, чтобы позволить проводам проходить. Как показано на рис. 10 , есть три различных слота для прокладки кабеля : основной источник питания; управление батареями LiPo; и датчики температуры аккумулятора. Эти пазы снабжены нейлоновыми кабельными вводами, которые водонепроницаемы и очень просты в использовании.

РИСУНОК 10. Фотография готовой ходовой части скутера.

 Наконец, я использовал Dynaflex 230 для полной гидроизоляции батарей, которые видны по краям на рис. 10 . Затем эти провода проходят к основной электрической коробке, в которой используются те же кабельные сальники, что и в электрической коробке, и они герметизируются с помощью термоусадочной трубки. Наконец, каждое проводное соединение имеет больше кремния в каждом соединении, чтобы гарантировать отсутствие утечек. Как только я выбрал колесо для ховерборда в качестве мотора, я остановился на контроллере, показанном на рис. 11 , потому что он работал с моим бесколлекторным мотором и был очень недорогим. Батареи было немного сложнее подобрать.

РИСУНОК 11. Крупный план контроллера, установленного на самокате.

Поскольку почти во всех скутерах и велосипедах используются литий-ионные аккумуляторы, я подумал, что они будут для меня лучшим вариантом. Причина, по которой они так широко используются, заключается в их превосходной емкости хранения, зарядных характеристиках, и они могут быть разработаны практически для любого форм-фактора. Хотя я провел серьезное исследование конструкции рюкзака для моего скутера, я понял, что у меня нет средств на покупку аппарата для точечной сварки, который используется при сборке этих рюкзаков. В будущем я был бы заинтересован в создании другого скутера или аналогичного проекта, в котором я использую батареи 18650 вместо стандартных батарей LiPo, используемых в этой сборке. Чтобы найти допустимые размеры для моих аккумуляторов, я провел ряд измерений штангенциркулем и сделал очень простую модель с помощью Autodesk Inventor, как показано на рисунке 12 . Имея в руках эти размеры, я смог подобрать аккумуляторы, чтобы они подходили под основную раму скутера.

РИСУНОК 12. Простая САПР скутера с аккумулятором (оранжевым цветом). 

У меня было 43 мм для ширины батарей, с немного большим пространством, чтобы батареи поместились, не ударяясь о землю. Выбранные батареи были 6S и имели время автономной работы 4000 мАч, что немного меньше, чем я надеялся. В целом, основная электрическая схема этого скутера была довольно проста в разработке. Как показано на рисунке 13 , у меня есть две батареи LiPo, соединенные последовательно, которые питают контроллер и двигатель.  Контроллер считывает показания потенциометра дроссельной заслонки, установленного на руле, для установки скорости двигателя. Кроме того, я добавил кнопку круиз-контроля, также установленную на руле рядом с тормозом. Двигатель управляется трехфазным питанием с тремя датчиками Холла, которые все выводят на контроллер.

РИСУНОК 13. Схема силового драйвера скутера.

 Теперь, когда у меня была основная конструкция скутера, казалось, что его очень легко подключить и ездить. Этого, к сожалению, не было. Подключить батареи и датчики температуры оказалось на удивление сложно, чтобы разместить их в отведенном мне пространстве. На этом этапе процесса сборки я завершил проектирование ходовой части и электрической коробки, которая была смонтирована, как вы можете видеть в окончательном проекте на Рисунке 1 . Я начал с размещения своих датчиков температуры с лишним кабелем через сальниковые соединения в основании, в дополнение к зарядным кабелям LiPo (всего 26 кабелей). Наконец, я взял два разъема XT-60 и проложил кабели к блоку управления. Эту процедуру подключения можно увидеть на рис. 14 , на котором показана первоначальная прокладка кабеля в секции батареи.

РИСУНОК 14. Подключение батарей к основанию рамы.

 Затем я поместил батареи LiPo в раму, которая плотно прилегает, и начал подключать различные штекеры. После значительных проблем с размещением батарей и разъемов в отведенной комнате я понял, что мне нужно что-то изменить, чтобы все поместилось, не оказывая значительного давления на кабели. Я заметил, что разъемы XT-60 занимают много места, поэтому я решил их убрать и сделать прямые паяные соединения. Я бы не рекомендовал удалять разъемы, но это было проще, чем переделывать корпус. Я отключал каждый из разъемов по одному кабелю за раз, стараясь не допустить короткого замыкания. Я использовал обширную термоусадочную трубку и изоленту, чтобы убедиться, что они хорошо изолированы. Как видно на рис. 15 , вся проводка на основании была проложена и закреплена термоусадочной трубкой.

РИСУНОК 15. Окончательный аккумуляторный блок перед термоусадочной пленкой.

Затем я поместил обмотанную лентой систему в термоусадочную трубку и медленно усадил всю систему, пока она не стала такой, как на рис. 16 . После этого я в последний раз надел металлический лист и затянул все болты локтайтом, чтобы сделать их постоянными.

РИСУНОК 16. Термоусадочные батарейные блоки.

Как кратко обсуждалось ранее, я разработал электрическую коробку, которая находится рядом с контроллером двигателя. Схема этого простого блока показана на рисунке 17 .

РИСУНОК 17. Схема электрической коробки.

Чтобы зарядить каждую из батарей, я просто удаляю штекерные разъемы из блока управления и подключаю их к балансировочному зарядному устройству вместе с соответствующими балансировочными кабелями. Как упоминалось ранее, я хотел бы использовать литий-ионный аккумулятор, который сделал бы процесс зарядки намного проще и плавнее. Поскольку у меня было только одно зарядное устройство, мне пришлось заряжать каждую батарею отдельно. При использовании скутера я втыкаю разъемы аккумулятора в разъемы-розетки, которые соединяют аккумуляторы последовательно. В моей первой конструкции у меня был стандартный кулисный переключатель, который был рассчитан на 10 А при 125 В переменного тока, что было значительно ниже моего энергопотребления (около 250 Вт против 125 Вт). Эти переключатели на самом деле предназначены только для переключения переменного тока, что намного проще сделать. К сожалению, через несколько дней использования, переключатель полностью сгорел. После долгих исследований я обнаружил, что любой переключатель постоянного тока будет слишком большим, чтобы поместиться внутри или рядом с блоком управления. Вместо этого я выбрал импровизированный переключатель с закороченным гнездовым разъемом XT-60, который использовался для замыкания или размыкания цепи. Хотя это, конечно, не самый чистый вариант переключения, он очень функционален и до сих пор не вызывал проблем. Оттуда я подключил контроллер к электрической коробке и двигателю, оставив достаточно места для вращения колеса. На этом движение скутера было завершено. Пришло время спроектировать ЖК-экран и сопутствующие датчики. Функциональность, которую я искал на своем ЖК-экране, заключалась в том, чтобы показывать напряжение батареи, приблизительный процент оставшегося заряда батареи, скорость и пройденные мили. Самым сложным из них было заставить работать измерение скорости. Для этого я подумал о подключении к датчикам Холла, которые использует контроллер, но я беспокоился, что это может помешать основному управлению. Вместо этого я решил использовать показания датчика Холла, когда неодимовый магнит, подключенный к колесу, проходил мимо датчика. Одна проблема с этой конструкцией заключается в том, насколько близко открытая электроника находилась к колесу, из-за чего вода могла разбрызгиваться.

Я разработал простую форму, в которую поместил электронику и эпоксидную смолу Dragon Skin 20, как показано на рисунке 18 .

РИСУНОК 18. Водонепроницаемый датчик Холла.

Я оставил эпоксидную смолу на модуле синего цвета, что позволяет мне настроить чувствительность датчика. На рис. 19 показан корпус экрана, предназначенный для размещения ЖК-экрана 20x4 символов и соединяющийся с рулем с помощью винтов.

РИСУНОК 19. CAD-модель корпуса ЖК-экрана.

Кроме того, я построил простую коробку для Arduino Nano и связанной с ней проводки ( рис. 20 ). И в корпусе корпуса, и в корпусе экрана использовалось стандартное оборудование M3, включая нагревательные вставки, которые вплавлялись в детали с помощью паяльника.

РИСУНОК 20. CAD небольшой электрической коробки для Arduino Nano.

Наконец, я припаял все разъемы к Nano и разместил микроконтроллер на небольшой макетной плате. Затем я добавил гнездовые разъемы вокруг Arduino с шестью разъемами питания и шестью разъемами заземления сбоку. На рис. 21 показана коробка-прототип, подключаемая для испытаний.

РИСУНОК 21. Прототип коробки Arduino Nano.

 Я использовал обжимные соединения для подключения каждого устройства к макетной плате на случай, если в будущем возникнут проблемы с проводкой. Чтобы измерить напряжение батареи, я добавил делитель напряжения в электрическую коробку с резисторами 47 кОм и 4,7 кОм последовательно с Arduino, подключенным к резистору 4,7 кОм. Назначение делителя связано с тем, что Arduino работает от 5 В и, таким образом, может измерять максимум 5 В. Схема делит напряжение батареи почти точно на 10, что делает его читаемым для Arduino. Схема Nano показана на рисунке 22 .

РИСУНОК 22. Общая схема Arduino, датчиков и ЖК-экрана.

Код для Arduino включен в загружаемые файлы. Я продолжу и объясню методы, которые я использовал при программировании этой системы. Самой сложной частью этой программы было заставить одометр и спидометр датчика Холла работать правильно с ограниченной тактовой частотой. Чтобы прочитать датчик Холла, я подключил выход ко второму цифровому выводу, который может запускать аппаратные прерывания. При каждом переднем фронте сигнала датчика Холла запускается прерывание и выполняется простая функция, показанная на рисунке 23 .

РИСУНОК 23. Функция увеличения аппаратного прерывания.

Эта функция увеличивает счетчик, который хранится в электрически стираемой программируемой постоянной памяти (EEPROM). EEPROM — это энергонезависимая память, что означает, что она стабильна, когда устройство не запитано. Доступ к этой памяти не так прост, как определение переменной в памяти; вам нужно отправить байт данных на определенный адрес памяти. К сожалению, поскольку Arduino использует восьмибитную архитектуру, система не сможет хранить показания одометра по одному адресу памяти. Чтобы решить эту проблему, я создал несколько базовых вспомогательных функций, которые записывают и считывают «длинную» переменную по четырем восьмибитным адресам памяти, как показано на рис. 24 .

РИСУНОК 24. Вспомогательная функция для записи в EEPROM.

Чтобы прочитать значение из памяти, я использовал оператор сдвига битов после чтения четырех байтов из памяти, как показано на рисунке 25 .

РИСУНОК 25. Метод побитового преобразования 4x восьмибитного целого числа в «длинную» переменную. Часть спидометра этой программы запускается TimerOne , который представляет собой 16-битный таймер, работающий на частоте 16 МГц. Я устанавливаю период таймера, чтобы запускать событие каждую четверть секунды, чтобы считать показания одометра, сравнить их с предыдущими показаниями, а затем рассчитать скорость. Программа вычисляет скорость путем преобразования изменения числа оборотов в расстояние. Я сделал массив из четырех самых последних скоростей и вывел среднее значение, чтобы сгладить данные для ЖК-экрана. Температурные датчики было очень легко настроить с помощью таблицы данных и базового аналогового считывания , как показано на рис. 26 .

РИСУНОК 26. Показания температуры батареи.

Кроме того, я считываю напряжение батареи очень похожим методом, но умножаю на 10 из-за схемы делителя напряжения. См . Рисунок 27 .

РИСУНОК 27. Показание напряжения LiPo.

Окончательная настройка заключалась в том, чтобы собрать все это вместе в одной программе и интегрировать ее с ЖК-дисплеем. Использование этого ЖК-экрана чрезвычайно просто благодаря включенным библиотекам. Мне пришлось провести несколько тестов на ЖК-дисплее, чтобы убедиться, что расположение пробега, скорости, температуры и напряжения не перекрываются и выглядят хорошо, как показано на рис. 28 .

РИСУНОК 28. Рабочий ЖК-экран.

В целом, этот проект был очень познавательным. Было интересно спроектировать весь блок, от механических компонентов до используемого аппаратного и программного обеспечения. Конечный продукт обладает удивительной силой; он может поднять меня с рюкзаком на любой холм, который может предложить Итака, штат Нью-Йорк. Меня порадовала и впечатлила мощность мотора-втулки. Кроме того, ЖК-экран очень чувствителен и точен при измерениях скорости и одометра. Хотя мне не удалось проверить запас хода на ровной дороге, я оцениваю его примерно в 6-8 миль без подзарядки, основываясь на предыдущих поездках. Это ниже, чем у многих скутеров на рынке, но я работал с очень ограниченным пространством под скутером и батареями LiPo. Я бы порекомендовал построить что-то подобное всем, кто может выделить время. Я записал большую часть времени, которое я потратил на это, и в общей сложности около 100 часов! В идеальном мире я бы приварил новую раму к существующему самокату. Это дало бы мне дополнительное пространство, чтобы удобно стоять и разместить всю электронику в большем пространстве.

ЗАГРУЗКИ

скачать