Le 24 juin 2022 a eu lieu la fête de l’école maternelle de la Boulnaye de Saint Malo. A cette occasion, j’ai mis en place une animation pour les enfants avec des bateaux radiocommandés construits avec une imprimante 3D.
L’électronique s’inspire largement du montage des voitures télécommandés en démonstration par l’atelier de la Flibuste lors de la fête de la Science 2018 : deux moteurs DC 9V commandés par un pilote L293D relié à un Arduino nano. Le signal radio utilise les modules NRF24L01.
Les enfants étaient trop jeunes (de 3 à 5 ans) pour participer au montage, on sollicite plutôt leur coordination entre l’action avec la télécommande et la réaction du mouvement du bateau. Pour cela les bateaux doivent être sufisemment simple à prendre en (petite) main.
Il y en avait 4 (+1 de secours) dans l’eau et les enfants prenaient chacun leur tour pour prendre les télécommandes. Après une rapide explication, ils arrivaient très bien à se débrouiller seul. On avait mis des « bouées » sous la forme de bouteille d’eau pour faire une parcours, et des balles de couleur flottaient à la surface, les enfants devaient les « attraper » entre les coques et les amener au centre de la piscine pour les jeter dans un seau.
La télécommande est composé uniquement de 2 joysticks double axe mais seul le signal axe vertical est pris en compte. Chacun controle un moteur qui peut prendre 3 états : marche arrière, repos, marche avant.
Dans le code, une sortie PWM de l’arduino est configuré pour régler la puissance de rotation. Dans une petite piscine, les bateaux n’ont pas besoin d’être à plein régime et ils sont plus maniables. De plus comparé à une voiture, les frottements sont moindres dans l’eau et cela nécessite moins de puissance.
Design du modèle 3D
Les catamarans ont plusieurs avantages dans ce projet :
- deux coques sur un plan d’eau calme sont plus stables qu’une seule
- la plateforme/cabine est assez vaste pour accueillir batteries et cartes électroniques
- cette même plateforme au dessus de la ligne de flottaison garantit que l’électronique ne soit pas en contact direct avec l’eau
- il est possible de séparer l’ensemble en pièces plus petites, plus rapidement imprimables en 3D
Pour la propulsion, chaque moteur se trouve dans une coque et l’axe et relié à une roue à aubes. C’est le moyen le plus rapide à tester et installer. Car avec une hélice sous la/les coque(s), l’eau finit toujours par rentrer par le tube de propulsion, et le système de gouvernail utilise normalement un servo.
Les pièces ont toutes été dessinées sous FreeCAD. Les coques ont un compartiment moteur au milieu, à l’avant et à l’arrière, deux volumes servent de réserve de flottabilité et seul un trou au niveau du pont est dessiné pour y accéder.Au dessus se fixe la plateforme, dessiné pour recevoir au plus juste les batteries et l’electronique. Deux passages à l’abri de l’eau sont ajoutés pour les cables de commande des moteurs. Sous le toit se fixe le PCB et un interrupteur pour allumer le bateau.
La plateforme se fixe aux coques avec 8 écrous M3, en Nylon de préférence (ça ne rouille pas!), dans des inserts laitons de 4,2 mm de diamètre.
Le télécommandes utilisent des petits cartons recyclés. Toute boite peut faire l’affaire, il faut s’assurer que l’épaisseur soit suffisante pour tenir les joysticks et la pression exercée dessus par les doigts.
Montage
| Pièce | Qté | Coût (04/2022) |
| Arduino nano | 1 | 6.8€ |
| Module NRF24L01 | 1 | 1.8€ |
| Joystick | 2 | 2€ |
| Régulateur de tension | 1 | 0.75€ |
| Boitier 2 piles AAA | 1 | 0.65€ |
| Condensateur électrolytique 10µF | 1 | ~0€ |
| Interrupteur SPST | 1 | 0.15€ |
| Entretoise M2x10mm | 8 | ~0€ |
| Ecrou M2 | 16 | ~0€ |
| Fils Dupont femelle | ~0€ | |
| Boite en carton | 1 | 0€! |
| Pièce | Qté | Coût (04/2022) |
| Arduino Nano | 1 | 6.8€ |
| Module NRF24L01 | 1 | 1.8€ |
| Régulateur de tension 5V | 1 | 0.75€ |
| Driver L293D | 1 | 0.8€ |
| Boitier 2 piles AAA | 1 | 0.65€ |
| Connecteur pile 9V | 1 | 0.15€ |
| Interrupteur DPDT | 1 | 0.35€ |
| Condensateur électrolytique 10µF | 1 | ~0€ |
| Moteur DC 9V | 2 | 3.06€ |
| Prise male femelle PHx2 2mm | 4 | ~0€ |
| Connecteurs pin femelle et males 2.54mm | ~0€ | |
| PCB commandé (optionnel) | 1 | 1.2€ |
| Socket DIP16 | 1 | 0.1€ |
| Vis Nylon M3 | 8 | 0.2€ |
| Inserts laiton 4.2mm diam M3 | 8 | 0.2€ |
| Vis M2 autotaraudeuse | 2 | ~0€ |
| Ecrou M2 | 2 | ~0€ |
| PLA | <100g | ~2€ |
| PETG translucid | ~225g | ~4.8# |
Pour s’assurer que le montage électronique sera fiable sur tous les modèles, et pour m’épargner de longues heures de soudures, je suis passé par un fabricant de prototype de PCB. Le principe :
- avec un logiciel de prototypage (ici Kicad), on dessine le shéma du circuit, puis on l’exporte vers le module PCB. Chaque composant du circuit a une empreinte qui fournit l’espace et les connecteurs qu’il prend comme objet réel
- Dans le module PCB, on configure la taille de la carte, le placement des composants, le chemin des connections sur leur couche…
- le fichier PCB (ex. format gerber) est envoyé à une société qui se charge de réaliser la PCB. Je suis passé par le site jlcpcb.com, mais beaucoup d’autres fabriquants chinois existent.
Les cartes arrivent au bout de 10-15 jours normalement, il reste alors à souder les composants dessus. Pour garantir un changement facile de composant s’il venait à être HS, j’ai soudé des connecteurs et sockets directement sur la carte. Le composant est alors juste inséré et peut être remplacé rapidement.
Evolution du projet
Ce projet peut être adapté à différents publics selon l’objectif désiré :
- Montage électronique avec soudure des composants sur le PCB
- Apprentissage de l’impression 3D
- Programmation de l’Arduino
- ou même mise en application de concepts physique (cinétique, mécanique et principes d’archimède,…)
L’idée principale c’est tout de même de s’amuser ensemble! Un plan d’eau calme est simplement nécessaire.
Liens vers le fichiers du projet
Tous les fichiers sont open source sous licence et libre d’accès.
- Code Arduino (Projet PlatformIO):
- Fichiers Kicad (optionnel, une carte PCB vierge fera tout aussi bien l’affaire):
- Modèles 3D et projets FreeCAD:
[à ajouter sur thingiverse]
