Подводный буксировщик своими руками

Предыстория

Пересматривал я один из любимых советских фильмов детства - "Акванавты". Ностальгия по молодости, потрясающие (на те времена) сцены подводных съемок (после этого фильма пошел в секцию подводного плавания)....

И вот на моменте, где ГлавныйГерой (советский акванавт Соболев) плывет на подводном буксировщике я вспомнил, что в ту детскую пору я много чего пытался придумать для подобного "подводного передвижения". Нечто принципиально подобное делали, конечно, для боевых пловцов, начиная со второй мировой, но это всё-таки не для простых людей. И вспомнил, что видел в продаже более простые "подводные скутеры", "подводные буксировщики" - игрушки, ставшие возможными и доступными для гражданских лиц только в нынешнее время.

А сколько стоит такой буксировщик? Я посмотрел - от 40 до 100 тыр. Для редкого развлечения ("лето в Челябинске короткое и малоснежное", да еще не каждый погожий день выпадает на выходные) - мне показалось дороговато. А можно сделать такой девайс самостоятельно? (как обычно ноют старички типа меня -"а вот мы! а вот в наше время! сами себе игрушки делали!". Детство в советские времена было знаменательно тем, что изрядная доля делалась своими руками (отливка солдатиков из свинца, тачки на подшипниках, пайка усилителей и цветомузык, даже в секции подводного плавания моноласты и удлинненки себе делали сами), по тем самым советским "дендрофекальными технологиям".

Конечно, сейчас возможностей больше, нам помогают трудолюбивые китайцы. Да и технологии шагнули вперед (тот большой цилиндр на КДПВ - это, вообще-то, просто фонарик , а не буксировщик - о том, что в таком объеме можно разместить аккумулятор значимой ёмкости даже мыслей не возникало). Поэтому было решено попробовать сделать себе такую игрушку своими руками.

История

Детские идеи типа "коллекторного двигателя в самостоятельно сделанном герметичном корпусе" были отвергнуты из-за большого количества "механических работ" (в основном пугала герметизация вала - дейдвуд хорош только без погружения на глубину). Понятно, что в связи с развитием разного моделизма - наверняка сделаны уже готовые приводы, работающие под водой. Раз они сделаны - значит, выпускаются в Китае. Бегло прошерстив Алиэкспресс, нашел несколько моделей движителей для водных моделей, уже изначально изготовленных для работы в воде. Отобрал те, которые по указанным продавцами параметрам - должны тянуть лежащего на воде человека. Посоветовался тут, на хабре в теме https://habr.com/ru/articles/730966/ , с разбирающимся в теме гребных винтов человеком - он отнесся к движителям несколько скептически (сказал, что слишком оборотистые, и на низких скоростях КПД будет очень низкий).
Тем не менее, было решено сделать модель, чтобы оценить работоспособность идеи - благо по оценкам выходило недорого, а применить как минимум половину запчастей в случае фиаско всегда найдется куда.

Итого, на алиэкспрессе были закуплены:

1. Два "подруливающих устройства" (комплект, с правым и левым вращением винтов) типа "подводная струйная лодка 4 лезвия CW CCW двигатель подруливающего устройства для DIy Rc робот-приманка гнездо лодка подводная лодка мотор"®

2. Два контроллера управления бесколлекторными двигателями (далее - ESC, "electronic speed controller").

3. LiPo аккумулятор 5s 6000 мАч.

4. Зарядник iMAX B6 (давно хотел прикупить, да повода не было.)

Заявленные производителем параметры движителя:

• Напряжение питания: 12-24В

• Ток - до 20А

• Мощность - до 200Вт

• Диаметр пропеллера - 60 мм

• Максимальная тяга - 3.6 кг.

Как казалось, для экспериментов должно хватить... Но я не учел (ибо никогда этим не интересовался), что ESC нынче умные - не только управляются ШИМом, но и требуют определенной последовательности сигналов для старта (об этом ниже).

Был бы нужен для управления только ШИМ - сделал бы генератор на 555-ом.. Но нужно при включении питания давать контроллеру "минимум" и "максимум" диапазона регулирования.

Значит, понадобиться какой-нибудь контроллер. Взял из хлама первый попавшийся, пригодный для непосредственного применения - это оказался stm32 (на китайской же плате, известной как BluePill). Совершенно непринципиально - можно применить хоть ардуину, хоть ESP8266/32 (думаю, что и упоминавшегося недавно на Хабре процессора из электронных сигарет тоже будет достаточно. Но под него нужно плату городить).

Контроллер нужно питать, а для этого нужно 5 В. Аккумулятор дает 18.8В. А ESC я купил без выхода питания для электроники (без т.н. BEC - Battery eliminator circuit).

Поэтому пришлось покопаться в залежах, и найти еще и step-down преобразователь.

Плюсуем к необходимым запчастям:

1. BluePill (stm32f103)

2. stepDown 2-24В->5В 2А .

Прочитал про программирование и управления ESC. Решил, что программировать/перепрограммировать ESC не буду, оставлю заводские настройки. Набросал код для включения/управления ESC (типовая ардуиновсая библиотека для управления сервоприводами). Собранный на коленке макет прототипа показал, что он работает, успешно инициирует и запускает двигатели. Что ж, можно собирать прототип.

Исходя из размеров "заводских" буксировщиков, в качестве основы был взят оставшийся от ремонта кусок ламината длиной 500 и шириной 200 мм. Из него вырезано "нечто стреловидное". За остальным пришлось идти в хозмаг.

В хозмаге были куплены:

1. Труба канализационная D110 длиной 0.15м

2. Муфта ремонтная D110

3. Заглушка D110 - 2 штуки

4. Кронштейн монтажный D110 - 2 штуки

5. Отвод D40 45градусов - 2 шт

6. Заглушка D40 - 2 штуки

Ну и всё равно пришлось ехать в магазин радиодеталей. Там куплено:

1. Разъемы XT60 - 1 пара

2. Разъемы XT30 - 2 пары

3. Разъемы Цанга-Банан 3.5 - 6 шт.

4. кабельные гермовводы - 2 шт

5. кнопка без фиксации.

Можно приступать к сборке.

1. Механическая часть:
   1.1. Для того, чтобы ламинат в воде не сразу умер, а прожил хотя бы пару недель - пиленые торцы и отверстия были промазаны эпоксидкой, а затем он был оклеен в 1 слой стеклопаутинкой.
   1.2. По центру привернуты кронштейны для 110 канализационной трубы.
   1.3. По краям - отверстия для крепления двигателей.
   1.4. Посередине каждой стороны привернуты заглушки D40, на них поставлены (и закреплены саморезами) отводы 45 - получились своего рода рукоятки.
   1.5. В одну из рукояток врезана кнопка. Обычная, негерметичная кнопка. Из расчета, что "пару недель в пресной воде она проработает".
   1.6. Труба 110 заглушена с одной стороны заглушкой. На нее надета реммуфта, которая с другой стороны тоже закрывается заглушкой. В трубе просверлены 2 отверстия, в которые закреплены гермовводы. В результате получили бюджетный гермоотсек для аккумулятора и электроники. Заветы Алекса Гайвера живут и торжествуют!

2. Электрическая часть
   2.1. К проводам от двигателей от припаяны цанговые разъемы. провода заведены в бокс через гермовводы, и подключены к ESC.
   2.2. От входного разъема питания (XT60) питание раскинуто на 2 разъема XT30, от которых уже на ESC, и от входного же разъема на преобразователь 20В->5В
   2.3. От преобразователя запитан контроллер, управляющий ESC.
   2.4. C контроллера - ШИМ идет на управляющие входы ESC.
   2.5. Кнопка управления - просто на одну из ног контроллера.

   Никакого выключателя питания не предусмотрено, отключение производится путем ручного рассоединения входного разъема (отключения аккумулятора).

3. Софт. Набросан в ArduinoIDE.
   Программно ESC не настраивался, все параметры (напряжение выключения, тип выключения, тип старта, тип торможения) оставлены по умолчанию, поэтому управление максимально простое и тупое:
   3.1. При включении питания - контроллер инициализирует ESC, подавая с него сначала ШИМ с максимальной скважностью, затем - с минимальной (т.е. показывает ESC те пределы, в которых будет регулирование). Затем просто ждет нажатия кнопки.
   3.2. При нажатии кнопки - начинает подавать на ESC ШИМ, плавно увеличивая скважность с минимальной до максимальной в течение 2 секунд (соответственно, плавно нарастают обороты двигателей). При отпускании кнопки - замолкает, стопоря двигатели.
   Приводить код смысла не вижу.

Аккумулятор размещен в получившемся гермоотсеке, поджат снизу площадкой из ЭППС, с боков - вспененным ППЭ (первое, что попалось под руку). ESC и контроллер с импульсником размещены над аккумулятором. Просто лежат - места там достаточно, аккумулятор не гуляет, всё изолировано.

Первая обкатка (в ванне) показала два недостатка:

1. "Водоизмещение" гермоотсека оказалось больше, чем масса аккумулятора (точнее, чем всего девайса в сборе - ламинат, на удивление, обладал почти нулевой плавучестью. Моторы, из-за пластикового корпуса - тоже в воде были не сильно тяжелы). Обрезка трубы "по минимуму" не сильно помогла - водоизмещение все равно было слишком большим, и положительная плавучесть была около 400 грамм. Пришлось загрузить в трубу еще почти 400 граммов балласта (натурального железа - кусок уголка, кусок стального прутка - обрезанные до необходимой длины).

2. Вода всё-таки электропроводна сильнее ожидаемого. Поэтому погружение в воду (т.е. замыкание водой контактов кнопки) сразу воспринималось контроллером как "нажатие кнопки". Пришлось подтянуть кнопку на контроллере к питанию через резистор. Недостатки оказались "нефатальными", поэтому всё было исправлено вечером перед отъездом в кемпинг.

Результат

"Ходовые испытания" во время небольшого, но всё-таки отпуска, показали: ощущения интересные. Скорость хоть и небольшая, но сравнима с купальщиком-любителем. Я в ластах поплыву, конечно, быстрее, но это ж ногами двигать надо... ну а средний купальщик передвигается даже несколько медленнее.

Ныряния в глубину - забавны. Просто направляешь буксировщик в глубину, и он тебя туда неспешно, но уверенно утаскивает.

Глубину до 3 метров успешно переносит (на видео - нырки примерно до 2 метров, хотя прозрачность воды это несколько скрывает), хотя открыть его после этого довольно сложно (воздух при обжатии на глубине немного стравливается из "бочки", вода внутрь почти не попадает, поэтому давление в трубе после всплытия ниже атмосферного, и для открытия - хотя бы для отключения аккумулятора - приходится прилагать усилия как физические, так и привлекать идиомы "великого и могучего").

Время катания на полном заряде - около 20-30 минут, хотя "досуха" аккумулятор не высасывал ни разу. Детишки соседские лет десяти, попросившие "покататься", были в восторге. Мне, жене и сыну - просто понравилось.

Попробовали даже таскать с помощью этого буксировщика Supboard с человеком - тоже неплохо. Небыстро, но зато почти не нарушая окружающей тишины утреннего уральского озера...

Плавучесть получилась чуть положительная (граммов 50-80, наверное) - это позволяет просто отпустить девайс, и он всплывет самостоятельно. При передвижении под водой для предотвращения всплытия нужно его наклонять чуть вниз, на несколько градусов.

Тренчик (эластичный шнурок для пристегивания руки к буксировщику) купил, но как показала практика - нет необходимости.

Есть и недостатки - вода все-таки немного попадает вовнутрь. Основной способ попадания воды - через кабельные вводы (хотя провода, пропущеные через них, были предварительно обработаны герметиком). Видимо, нужно поставить мембрану-компенсатор.

Бюджет игрушки:

3200+2*700+4000 +(2000 зарядник)- алиэкспресс
400 - леруа
300 - проконтакт
200 - домашняя хламовня (по ценам алиэкспресса)
Итого:
9500 без учета iMAX'a

Выводы

Игрушка годная. Для конструкции выходного дня (особенно если есть дети младшего школьного возраста) - вполне подойдет. Ибо затраты времени на сборку всего на пару часов (а ожидание посылок с алиэкспресса - пару недель). К лету вполне можно успеть.

Из советов тем, кто вдруг решит повторить - один из ESC брать с BEC (выходом для питания электроники), это позволит отказаться от преобразователя напряжения. Ну и, наверное, покупать модели приводов с винтами большего диаметра - правда, они примерно вдвое дороже (и прожорливее).

На этот год запланирована новая модификация.

Запланированные отличия:

1. конструктив:
   1.1. алюминиевая рама (тоже "палки", только теперь - алюминиевые)
   1.2. Труба для гермоотсека D75 (оказалось, что есть такое в природе - но только под заказ). Это позволит не таскать с собой 400 граммов балласта, да и общий вес несколько снизится.
   1.3. "Печатные" рукоятки более эргономичной формы, нежели "отвод d40/45", и с клавишей плавной регулировки.

2. электроника:
   2.1. Включение-выключение питания твердотельным реле с управлением этим реле герконом (чтобы открывать гермоотсек как можно реже)
   2.2. Учет расхода батареи (INA229)
   2.3. Плавная регулировка хода (клавишей на основе датчика Холла).
   2.4. Если найдется время - некоторые эксперименты с дополнительной электронной начинкой (закуплена осенью, но даже еще не распакована).

Если у кого-то будут вопросы - попытаюсь ответить. Если будут советы - с удовольствием прочитаю.