Создание подводной лодки на 3D принтере, или как я провёл это лето

Почти 15 лет прошло с тех пор, как свет увидела очередная игра серии «Автоугонщик» - Grand Theft Auto V. Помнится, как в далёких нулевых, будучи детьми, мы в прямом смысле проживали жизни Томми Версетти, а потом и Карла Джонсона, предпочитая это как партам, так и подъездам. Наверное, поэтому, решив собирать автономный необитаемый подводный аппарат, первым делом в голову мне пришла подводная лодка из GTA. В этом цикле статей я расскажу о том, как моделировал, печатал и писал код для модели подводной лодки из той самой игры.

Здравствуйте! Меня зовут Михаил, в основном я учу детей робототехнике. Ну а в свободное время сам потихоньку клепаю разных роботов. Последние пару лет я всерьёз увлекся подводной робототехникой, где в категории «Программирование подводных аппаратов» мои ученики добились серьёзных успехов, заняв второе место в международных соревнованиях. А вот сборкой своего робота мы никогда не занимались, хотя очень хотелось.

Этой весной я подумал, что откладывать больше некуда, и засел за проектирование. Во многом к этому подтолкнули в BestFilament, где ребята в рамках своей компании амбассадоров подарили мне 10 кг пластика, что развязало руки. Забегая вперед скажу, что на этот проект я потратил порядка 5 кг, учитывая все переделки и неудачные, так скажем, дубли. То есть, те моменты, когда спустя сутки печати, принтер переставал работать, или отрывало деталь, или что-то еще. Наверное, каждый печатник с этим сталкивался. Так что большое спасибо BestFilament за моё счастливое лето!

Идея

К процессу создания лодки я подошёл несколько подкованным теоретически: я прошёл курс от наших западных партнёров по созданию робота, а также изучил отечественный опыт, исследовав образовательных роботов MUR Middle AUV и Океаники. Цель моего проекта, в первую очередь, попробовать свои силы и сделать устройство, способное передвигаться под водой. Это позволит позже с учениками собрать аналогичный аппарат для выступления на соревнованиях.

Собрав все свои знания, я набросал функциональную схему. Так вся электроника будет находиться в герметичной акриловой трубе диаметром 110 мм. Такой подход совершенно не оригинален и имеет ряд преимуществ:

1. Труба может выдержать бОльшее давление воды из-за своей симметричной формы;
2. Акриловая труба герметичная, в отличие от печатного корпуса. Требуется создание только двух торцевых заглушек, не пропускающих влагу.
3. Опыт польских студентов показывает, что подобная труба выдерживает погружение более чем на 100 м. Хотя я не планирую опускать лодку максимум на 2-3 м.
4. Такую трубу можно, как ни странно, найти на Авито, где свою продукцию выставляют различные предприятия. А можно заменить пластиковой сантехнической трубой (привет Гайверу), что сильно уменьшит бюджет проекта.

Зная длину и диаметр трубы можно сразу прикинуть вес, который можно будет разместить на лодке (включая материалы и компоненты самого устройства) для достижения нулевой плавучести. Уже не помню точных чисел, но у меня тогда получилось что-то около 2 кг.

За пределами герметичной камеры будут находиться:

1. Задний ходовой движитель;
2. Средство маневрирования в виде заднего плавника;
3. Осветительные прожектора;
4. Пластиковый корпус;
5. Разъём подключения кабеля к ПК и зарядки;
6. Разъём включения аппарата;
7. Поплавки;

Поплавки изначально я хотел просто забить каким-нибудь пеноплексом для дополнительной плавучести. Но позже решил встроить в них по два шприца в каждый. Эти шприцы будут играть роль балластных цистерн: при перемещении поршня шприца они должны наполняться водой, увеличивая вес лодки, тем самым утягивая её на дно, либо выталкивая на поверхность. Также ими можно будет регулировать крен и дифферент: если набирать воду только в задние шприцы, корма опуститься вниз, и можно идти по диагонали к поверхности.

Такой подход тоже не уникален. На просторах Интернета вы сможете найти ролики с самодельными лодками, использующими этот принцип. Похожим образом, к слову, функционируют и настоящие субмарины. Отличием данного проекта от всего, что я видел ранее, является то, что балластные цистерны находятся за пределами герметичной камеры. Обычно шприц расположен внутри, где его поршень посредством реечной передачи перемещает обычный мотор постоянного тока. Мне же очень хотелось расположить их в поплавках, что позволит более рационально использовать пространство.

Поэтому я закупил два перистальтических насоса: по одному на носовые и кормовые цистерны. Эти насосы расположены внутри герметичной камеры, а со шприцами связаны силиконовыми трубками. Они забирают воду из-за борта и накачивают её в шприцы. Неочевидным для меня был тот факт, что продавец на Озон указывает внутренний диаметр трубок, и, конечно, я сначала заказал не тот размер. Зато теперь умный алгоритм подкидывает запчасти для самогонных аппаратов, считая, что я строю именно его.

Конечно, перед установкой насосов я протестировал эту систему в ванной и с удовлетворением заметил, что мощности вполне хватает. Вода накачивается довольно медленно, зато уверенно. А низкая скорость мне даже на руку: в условиях большой инертности под водой она должна позволить мне более плавно регулировать положение аппарата.

Наверное, у вас возник закономерный вопрос: а как эти шприцы будут вести себя под водой? Ответ прост: «Я не знаю». Проверим этот момент эмпирически. Пока же меня всё устраивает. Не хватает только какого-нибудь датчика положения поршня. В принципе, его можно реализовать, например, датчиком Холла, что потребует выводить наружу дополнительно 12 проводов, чего делать нет никакого желания. Думаю, что смогу обойтись просто гироскопом внутри корпуса.

К слову, об электронике внутри. Помимо насосов планирую установить гироскоп/акселерометр MPU 5060, Arduino Nano и Raspberry Pi с камерой. Raspberry нужна для обработки изображения с камеры и передачи по Ethernet на компьютер, расположенный на берегу. Arduino будет управляться микрокомпьютером и в основном нужна, для увеличения количества ШИМ-портов. ШИМ здесь будет управлять насосами, ходовым движителем и рулевым сервомотором. Также планирую изменять яркость свечения прожекторов, для чего по совету всё тех же поляков с канала CPS Drone закупил драйверы светодиодов. Вся схема будет питаться аккумуляторной сборкой 3S2Р из банок типа 18650. Я специально установил аккумуляторы внутри, поскольку в будущем хочу использовать аппарат в автономном режиме.

Проектирование

Вооружившись знаниями, изложенными выше, я запустил Fusion 360 GTA. Мне же нужно было поплавать на этой лодке, чтобы наделать скриншотов во всех проекциях. Задача эта заняла, наверное, неделю. Что-то сильно меня зацепила эта игра. К слову, в будущем я заметил, что лодка чисто с технической точки зрения сделана странно. Например, задний плавник в игре не работает и нарисован чисто для красоты. К нему даже не подходят никакие тяги.

Я довольно часто сталкиваюсь с тем, что художники создают модели без учета их реального применения. Помню, как когда-то мы с однокурсниками любили смотреть выпускные работы кафедры дизайна (не знаю, как она правильно называлась) и соревновались, кто найдёт больше причин неработоспособности их концептов. Зато я могу сделать рабочее, но весьма уродливое устройство. Как говорил Лис у Экзюпери, «Нет в мире совершенства».

Сейчас же я столкнулся с интересной задачей: было довольно много нюансов, которые нужно было решить, не изменяя внешнего вида. Самая сложная из них была связана со средством маневрирования. Изначально было очевидно, что мне не удастся сделать незаметными тяги к рулю. Также я никак не мог придумать, как расположить рулевой мотор: если ставить его внутри герметичной камеры, то как вывести вал наружу? Можно сделать магнитную муфту, но я уже тогда понимал, что торцевые заглушки будут довольно толстыми. К тому же, конусообразная кормовая часть накладывала кучу ограничений на расположение компонентов. В итоге я вывел сервомотор наружу, о чём расскажу в следующий раз.

Еще одним барьером на пути к субмарине Тревора стала необходимость размещения выключателя и разъёма подключения ПК. Эти элементы я заказал из Китая точно такие же, как используются в MUR Middle AUV. С разъёмом вообще не думал, поскольку к нему у меня под рукой имеется кабель нулевой плавучести, ну а альтернативу такому выключателю я вообще не нашёл. Работает он следующим образом: при вращении ручки внутри закручивается по резьбе винт, который замыкает контакты. Хотелось, конечно, хотя бы разъём красиво встроить на место люка в верхней части аппарата, но мне бы вряд ли удалось добиться герметичности в том месте. Поэтому оба элемента установлены в задней торцевой заглушке, которая для герметичности будет залита внутри эпоксидной смолой. Но об этом я также расскажу в статье про сборку. Я очень волновался, зная, что при таком размещении будет сложно пальцами подлезть к выключателю и запустить лодку. Но, забегая вперед, скажу, приноровиться можно.

Большие сложности у меня вызвало производство торцевых заглушек. И здесь мне очень пригодился опыт польских ребят. Если в двух словах, то герметичности печатных изделий добиться очень трудно в виду их послойного производства. Поэтому было бы идеально изготавливать корпус литьём или печатью на фотополимерном принтере. Можно также обработать готовую деталь, например, дихлорметаном, что также повлияет на внешний вид.

Мои торцевые заглушки, как и польские, имеют двойные стенки, пространство между которыми заполнено эпоксидной смолой. И здесь я пошёл дальше, поскольку в моих находится, например, лобовое стекло, чего у поляков нет. А через заднюю заглушку проходит порядка 12 проводов, с которыми также пришлось повозиться, так как ребята выводят провода вбок, а мне пришлось делать сквозное отверстие, чтобы не нарушать внешний вид. Из-за этого пришлось сначала заклеивать провода, а потом заливать смолой, чтобы она попросту не вытекла. Более подробно об этом я также расскажу, когда буду всё это дело собирать.

На этом этапе меня уже начало смущать обилие различных элементов и устройств аппарата. Чует моё сердце, что штука получится впечатляющая как по размерам, так и по массе. И чтобы иметь некоторый динамический диапазон изменения плавучести, в корпусе я оставил ниши, которые в будущем планирую заполнить пеноплексом. Также я заранее понаделал отверстий для слива воды во всех горизонтальных плоскостях, чтобы потом не трясти субмариной во все стороны, вытряхивая остатки влаги.

Итак, когда общая концепция аппарата была готова, я с огромным энтузиазмом приступил к сборке. Как же я был молод и наивен эти два месяца назад. Тем не менее, проект, на мой взгляд, выходит весьма занимательным. Если вы считаете также, то подписывайтесь на мой телеграмм-канал и ловите лучи робототехники!