让我们荡起双桨 《航空模型》介绍 设计制作一艘电动划桨模型船

丹顶鹤

让我们荡起双桨   《航空模型》介绍 设计制作一艘电动划桨模型船

            

    在杂志中蓝底白字，内容又多，实在阅读困难！作者是我的好朋友，我将他当初发给我的征求意见稿，用大字附在后面（3--5楼），便于有兴趣的模友学习参考。

丹顶鹤

                               
    请欣赏 遥控划桨小船 水中航行视频

丹顶鹤

让我们荡起双桨

    “让我们荡起双桨，小船儿推开波浪，海面倒映着美丽的白塔，四周环绕着绿树红墙......”(图一)

        

    幼年时期看过一部电影--《祖国花朵》。如今已愈半百，少先队员在北海白塔下泛舟高唱《让我们荡起双桨》的场景，至今仍会浮现在我脑海中。

    划桨，是种情怀。

     

    前些年，偶然看到了一个视频，电机驱动的机械划桨机构，瞬间激起了我的好奇，继而又激发了热情。(图二)

        

    研究过程中发现，该划桨机构取自于80年代的一本日本模型杂志（也曾经刊登在《模型世界-遥控技术》2010年第三期）。它的缺点也很明显：

    1、更多的偏重于机械部件，加工难度较大；

    2、双侧桨没有微差速（下文讲述微差速的概念），只能单侧静止；

    3、划桨轨迹和人类真实划桨动作轨迹区别很大（图三），效率低。

        

    划桨效率其实和两点直接相关：桨片在水下持续有效做功的距离L，以及桨片以一定速度和轨迹相对于水和船体行进方向的有效矢量速度V1。如图所示，人类划桨动作较上图的机械划桨动作更具效率。假设划桨速度相同，两者均在水平面下的最低点瞬间实现最大效率，而入水的一刹那，机械划桨椭圆轨迹的切线与水平面夹角过大，导致矢量速度V1过小；（图四）

        

    1、在这个不进则退的时代，单靠机械来驱动总感觉是在止步不前，自动化控制和编程是方向，在模型领域也必将成为潮流。

    2018年，我开始了四舵机划桨控制器的设计和制作。

    整体思路是这样的：用接收机的两个通道实现划桨频率（油门）和差速（方向）动作，用一片ArduinoUNO读取两个通道的PWM后，解析成为两个关键数值，依据预先制定好的动作数学模型进行运算，再生成四个PWM给四个舵机，实现自动划桨。也就是说，操控者只需要提供速度和转向的“想法”，其余的交给“控制器”来完成。

    首先要制定划桨动作的数学模型。（这也是最艰难的一步）

    人类大脑是一部超级生物计算机，实现划桨动作时甚至可以不必思考。例如转向：单侧桨入水静止，以提高阻力，另一侧仍进行划桨动作，实现“差速转向”。当退出差速时，不动的那一侧桨在等待另一侧桨，直到双侧桨同角度时，再共同动作，实现差速动作的退出。这一气呵成的复杂连贯动作，在人类大脑中却有若“公理”般不假思索。前面提到的微差速，也就是双侧桨的频率和行程略有不同，貌似不常用，其实更多出现在划桨动作中：当行船方向与目的方向只有几度的夹角时，人类完全不必将一侧桨插入水中，那个动作只有大幅度转弯时才会使用，对于小角度的航向纠正更多的是减小一侧桨的行程，或者稍稍降低一侧桨的动作频率，这就是微差速。也曾经看到用到过双侧同频率反向划桨，原地掉头，实现如坦克一样的“超信地转”（图五）......看似简单的动作数学模型，远比主观意识上的“理解”要复杂很多。

        

    当你试图了解一个简单事物的本质时，会发现越深入，越困难。

    经过令人崩溃的一段时间的思索后，数学模型建立了。

    编程亦随之完成。

    机械部分：各连杆长度对于输出动作轨迹的形状弥足重要!（图六）需要注意的是，四个舵机在完成预定动作配合的同时，相互之间的作用力也同时存在，舵机在“受力”。调节各连杆的长度使它们在有效做功的同时，尽可能避免它们的“搏斗”，使其在一个相对和谐稳定的状态下工作。

丹顶鹤

        

    电路搭建：无论是空模海模，每个“模友”都拥有大量的3S，2S电池，那么就以它作为能量来源。Arduino UNO体积太大，改用Arduino Nano，她也是宽电压，计划是用一片DC-DC给她和接收机供电，再用另一片DC-DC给四个舵机供电，这个想法是避免四个舵机的功率过大导致Nano欠压复位。后来发现完全没有必要，四个舵机的一起动作的电流只有2A-3A，改用一片4A的大功率DC-DC模块完全能够稳定工作。航灯控制器独立于它们工作，直接从电池取电，读取接收机的另一个通道，那个通道用一个二段开关来映射。（图七）

   

现在该是船体了。划桨船的特性决定其往往都是选择阻力小，灵活性高的船体，因为编程时已经编入了正反两个方向划桨的动作，所以采用“两头尖”的船体形态。

这救生艇从未被忽视，那天，她救了705人。她就是泰坦尼克号的救生艇。长度30英尺，宽度9英尺6英寸，高4英尺6英寸（10*2.9*1.37米）（图八）。

   

    船体开始建模（图九-图十一），模型化过程借助了3个软件，提供给大家参考，

    Solidworks

    geomagic studio

    AutoCAD。

     

    这是一个很便捷的过程，solidworks建模后使用geomagic studio切出各截面，将截面导入到AutoCAD进行输出用以对板材进行激光切割。（图十二）

        

    制作后的船体为860mm接近1/10的比例。（图十三）

        

    最不容忽视的就是配重（压舱），为的是得到一个姿态稳定的船体，其用意很好理解，船体姿态的稳定性直接关系到两侧桨的入水深度，如有横向晃动，往往会导致一侧桨片离水，不能有效做功。（图十四）

        

    压舱只能实测（图十五），经过反复压舱测试，得到了一个针对该船体的最佳压舱重量：2.8千克，虽出乎意料之外但也不难理解原设计者的用意：功能，更大的容量，意味着更多的救人。

        

    这里说下压舱物的选择，船体内部龙骨、肋骨纵横交错，单靠固态重物压舱会导致两个缺陷，一是压舱不均匀，导致船体失衡，二是重心偏高，遇侧风浪后会导致左右摇摆，失去稳定性。所以决定采用以流态石膏填充龙骨、肋骨分格部位，待固化后晾干即可。

    船体外部遍图环氧树脂防水后喷漆。

    总装没有太大的困难，要点是避免一切机械干涉发生的可能，同时，故意弱化个别安装部位的强度，一旦桨杆受外力较大时，可有效分解，保护舵机和船体不受伤害。

丹顶鹤

    首航的效果总体令人满意。船体前进方向有些许偏移，可以通过调整各连杆的长度来解决。（配视频链接二维码）

   

    低视角的像真度测试视频。（配视频链接二维码）

     

    小孩子也能轻松上手，操控自如。（配视频链接二维码）

     

    首航成功后非常兴奋，“独乐乐不如众乐乐”，分享给模友后，很多模友提出了改进的意见和建议，有些建议非常令人惊喜，正所谓“没有交流就没有提高”。今年4月下旬，“模友”们组织了一场遥控划桨船的趣味竞赛，触线返航，绕标，竞速，大家都从这场比赛中获得了乐趣，也为未来的模型运动增添了一种新的比赛载体和比赛形式。比赛中天津老一辈航模人满怀热情的参与以及对遥控划桨船的肯定使我备受鼓舞。（配视频链接二维码，配图）

     

    王培才老师说：“《祖国花朵》的小演员们和我是同龄人，那个泛舟于北海的画面是新时代少年儿童的真实写照，也是生长在新中国孩子们幸福生活的一隅。”

    “创新”的过程是艰辛的，结果是喜悦的。

    在此，特别感谢王培才、陈康生二位老师的认同与支持!

     

兜兜爸

这个船有套材么

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兜兜爸 发表于 2021-9-2 15:55
这个船有套材么

有，闲鱼上有

guangfu

“在杂志中蓝底白字，内容又多，实阅读困难！作者是我的好朋友，我将他当初发给我的征求意见稿，用大字附在后面（3--5楼），便于有兴趣的模友学习参考。”

老版主补充的内容很清晰，更便于学习。