Projektarbete rörelsesimulator (aka HORST Vegas)

Som de flesta säkert vet så ska man i 3:an på gymnasiet göra ett projektarbete, och detta är projekttråden för ett någorlunda stort projektarbete. Nu har vi (som tur är med tanke på att själva simulatorn ska vara klar veckan efter vårt sportlov) redan kommit ganska långt, så långt att detta första projekttrådsinlägg får ha en lite innehållsförteckning:

1: Om projektet
2: Teorin bakom simulatorn
3: Designen av simulatorn
4: Prototypbyggandet
5: Byggandet av själva simulatorn (nuvarande fas)
6: Övriga saker som görs (programmering m.m.)
7: Ordlista

1: Om projektet:
Detta projekt är som sagt projektarbetet för ett gäng gymnasieelever, närmare bestämt 4 sådana från naturprogrammet på Kärrtorps gymnasium. Vi har ganska länge tyckt att det skulle vara kul att bygga en rörelsesimulator, och när skolan hade en lokal ledig (vilket vi letat efter ett ganska bra tag utan att lyckas) bestämde vi oss föra köra på med projektet.

Namnet HORST står för (om någon av någon outgrundlig anledning skulle få för sig att undra det) Horst Omnidirectional Racing Simulation Technology, och Vegas är modellnamnet på den simulator vi nu bygger.

För den som vill se fler eller mer högupplösta bilder från projektet finns det ett galleri att besöka här

2: Teorin bakom simulatorn:
Konstruktionen ska kopplas till ett bilspel som heter Live For Speed ur vilket vi kommer att plocka ut siffror om acceleration, retardation, lutning mm. Detta för att kunna räkna ut hur simulatorn ska röra sig. Till en början tänker vi använda förhållandet mellan accelerationen och gravitationen i spelet och jämställa det med förhållandet mellan komposanterna till kraften som gravitationen utövar på föraren i stolen.

Förhållandet mellan komposant ett (k1) och komposant två (k2) ska alltså vara detsamma som det mellan accelerationskraften för bilen (a) och gravitationskraften (G). Om vi vet hur stor del av gravitationen som ska fördelas bakåt kan vi räkna ut vilken vinkel som simulatorn ska luta för att ge ungefär samma känsla. Vi måste sedan utveckla detta och anpassa det till det spelrum vi får i vår simulator, detta är endast en första approximation för att ge realism åt rörelserna.

3: Designen av simulatorn;
Redan långt innan vi bestämde oss för att bygga simulatorn funderade vi kring designen, och redan då strök vi alternativ som hydrauliskt eller pneumatiskt upphängd inre vagga av praktiska skäl. Det enda rimliga alternativet vi kom fram till var att göra två vaggor, upphängde så att de gav en frihetsgrad var. En tidig modell av simulatorn såg ut så här:

Nästa steg var att komma fram till hur vi skulle lyckas bygga ihop denna struktur. Efter att ha ratat alternativen PVC-rör med rörböjar samt aluminiumrör med rörböjar, båda till stor del på grund av priset, så föll valet på fyrkantsrör i aluminium med vinkeljärn att fästa ihop dem med. Det hela nitas ihop med poppnit av lagom storlek, vilket är både lätt att göra och ger god stabilitet. Modellen ser i dagsläget ut som följer:

För att få simulatorn att röra på sig valde vi att skaffa billiga skruvdragare. De vi fick tag på ger oss ett vridmoment på maxiamalt 15 Nm, vilket vi sedan växlar ned ca 20:1 och därmed får ett vridmoment på maximalt 300Nm. Denna nerväxling var länge ett problem men förhoppningsvis har det löst sig, vi har nämligen bestämt oss för att använda lite delar från gamla tvättmaskiner. Närmare bestämt är det remskivor och remmar från tvättmaskiner (de innehåller oftast ett stort remskivehjul och en axel med ett litet hjul på). Det kändes lite för smått men när vi gjorde lite tester så verkade det som om denna utväxling trots allt kommer att duga.

4: Prototypbyggandet:
För att vara på den säkra sidan med att alla mått var rätt byggdes en prototyp av inre vaggan i trä, detta för att vara säkra på att alla mått stämde (hur långt vi behövde till ratt/pedaler var t.ex. bara höftat). Inte så mycket mer att säga, så här kommer en bild på härligheten:

5: Byggandet av själva simulatorn:
Nu till vad det hela egentligen handlar om, själva byggloggen. Det hela började med en hög aluminium, närmare bestämt 15 meter 40*40*3 mm fyrkantsrör och 9 meter 50*50*3 mm fyrkantsrör. Något trångt blev det i lokalen, men det gick in (när vi väl tog dem genom fönstret.)

Nästa steg var att ge sig in på byggandet av den inre vaggan. Eftersom vi tidigare gjort en modell av denna del så skrev vi helt enkelt ut en bild med måtten på alla delarna, och en med hur de skulle sättas ihop.

Eftersom vi visste att dessa mått stämde (nästan i alla fall, vi fick ändra lite men mer om det senare) så satte vi sågen i de tunna aluminiumrören. För att få fina snitt användes en geringssåg och för att spara lite på bladet så smörjde/kylde vi med t-röd enligt konstens alla regler.

Hål borrades sedan i rören för att kunna nita ihop dem (ni får en bild på det, bara för att det ser så snyggt ut).

Det hela nitades ihop på insidan tills vi hade den ram som ligger ”överst” på inre vaggan, och sedan nitades vinkeljärn fast även på utsidan.

Enda problemet till denna punkt i byggandet (lite oroväckande att hitta första felet nästan innan man börjat) var att våra mycket högkvalitativa vinkeljärn inte riktigt ville vara 90 grader, men det var inget som lite våld inte kunde åtgärda.

Efter detta fortsatte byggandet med de U-lika skapelser som sticker ner från själva grundramen. Tyvärr saknas det bra översiktsbilder eftersom personen som hade kamera med sig precis hade köpt ett macroobjektiv och var högst ovillig att använda något annat att fota med.

Dock fortsatte arbetet med att nita samman den inre vaggan, och med två av de tre underliggande U-sektionerna installerade (och med en racingstol i) såg det helt plötsligt ut såhär:

Anledningen till att den sista U-sektionen inte satts på plats var att vi inte riktigt var säkra på var denna skulle sitta, eftersom detta berodde lite på var tyngdpunkten hamnade (vi ville undvika att behöva inse att axeln borde sitta mitt i en aluminiumbalk). För att ta reda på var tyngdpunkten befann sig gjorde vi ett simpelt test, vi slängde på de saker vi visste skulle vara i simulatorn (inklusive förare) och slängde in ett rör under den övre ramen och letade upp balanspunkten. Eftersom detta krävde alla fyra arbetare saknas bilder på detta, men en bild på hur det såg ut under riggandet kan jag bjuda på.

När vi var klara över att axeln skulle hamna ganska precis i mittersta U-sektionen på originalritningen så flyttade vi bak denna något, sågade till de sista aluminiumbitarna och nitade ihop resten.

Vår första tanke var att montera stolen med genomgående bult genom de bakre två u-sektionerna, men eftersom den mittersta av dessa behövde flyttas så fick vi nita fast aluminiumplattan, som vi tidigare skaffat för att ha stolen på, i ena balken. Så här såg det ut:

Sedan bultades stolen fast i ramen, och voilà, det börjar likna något:

Vi tog chansen att prova på hur en extremt lyckad version av simulatorn skulle kännas:

Sedan började arbetet med att få dit en bordsskiva och bottenskiva:

När skivorna var färdigsågade och spacklade så bar vi iväg dem för målning, något vi har lyckats ta hela en bild på, så här kommer den:

Vi har även lyckats få tag på ett fyrpunktsbälte av märket Schroth, som vi först testmonterade med tvingar och sedan bultade fast:

Ett snabbt test visade att bältet höll kvar föraren i stolen, även om vårt testobjekt inte vågade släppa sitt krampaktiga tag om ramen.

När inre vaggan var i princip klart var det dags att ta tag i arbetet på mellanramen. Dett arbete var dock så likt byggandet av inre vaggan (såga, borra och nita) att ni får klara er med en bild på en i princip färdig mellanram.

Och så fick vi äntligen svar på fråga: Hur många projektarbetare behövs det för att markera ett hörn?

4st, bevisligen (dock har personen till höger inget med rörelsesimulatorn att göra).

6: Övriga saker som görs:

Programmering
Bilspelet som vi tänkt köra tillsammans med simulatorn är Live for Speed, och är relativt hackvänligt för programmerare. Vi får ut accelerationen som föraren utsätts för i spelet till vårat egenskrivna program som räknar ut simulatorns lutning, och sänder slutligen signaler till ett Velleman K8055 experimentkort med USB-interface för att styra motorerna.

Live for Speed till vänster, programmet som styr simulatorn till höger.

Motorstyrning
Kretsten som styr simulatorns motorer tar emot signaler från experimentkortets PWM-utgångar och består av en H-brygga av MOSFETar. Valet av den designen har vi gjort eftersom det var den smidigaste om vi snabbt ska kunna ändra spänningen över motorn samtidigt som kretsen ska klara höga strömmar. Kretsen har vi byggt utefter denna krets , och den är simulerad i Multisim. Det som är kvar att göras är att designa ett kretskort, skaffa komponenter och sedan etsa och löda ihop motorstyrningen.

Klicka här för större bild

Ett annat litet problem som ska lösas är fastsättningen av motorerna. Det ligger två problem i att få fast dem, dels så måste de sitta fast och dels så måste det gå att justera spänningen i remmen. Det enklaste sättet (som vi kunde komma på) att få möjlighet att spänna remmen var att göra en konstuktion som med hjälp av ett gångjärn och en gängstång skapar spänning i remmen. Det är tänkt att se ut ungefär såhär (den gröna långa saken är en gängstång, och det går en imaginär rem runt hjulen):

Den del som ska sitta runt motorn och hindra den från att röra på sig (röd på bilden ovan) tillverkas av trä och ser i dagsläget ut som följer:

7: Ordlista:
Inre vagga = den del av simulatorn som stol, skärm, ratt och förare befinner sig i, rör sig i två frihetsgrader.
Yttre vagga = den del av simulatorn som är upphängd i ställningen och som inre vaggan i sin tur är upphängd i, rör sig i en frihetsgrad.
Ställning = den del som står på marken och är stabil.

Trevligt att se att folk ni verkar vara intresserade av projektet, och redan nu är det dags för en lite uppdatering. Den kommer att innehålla logg på vad som hänt hittils denna vecka (tråden skrevs till stora delar i helgen). Först ska jag dock skriva ett par rader om styrningen som vi visst inte tagit med i första inlägget (och som flera personer på detta och andra forum kommenterat), nämligen att ha någon form av återmatning. Vi har planerat att mäta lutningen på simulatorn med hjälp av plastbanepotentiometrar på en av axlarna i båda rotationsriktningarna, enligt följande bild:

Samtliga tre infästningar sker med hjälp av axelbockar av den enkla anledningen att vi så långt som möjligt vill slippa specialdesigna delar (vi hittade inga bra fasta fästen att köpa). Det finns dock ett LITET problem med detta, att axeln då kan rotera fritt i förhållande till inre vaggan (remhjulet skulle dock sitta fast då det är bultat direkt i ramen, då hålet i det är större än axeln). Detta kom vi på i måndags, vilket fick till följd att vi åkte till en kullagerspecialist för att se om de hade några bra fasta alternativ. När så inte var fallet kom vi fram till den lösning som syns på bilden, att borra ett hål rakt igenom axel och genom aluminiumramen och sedan sätta i en bult som hindrar rotation. Lättare sakt än gjort, för med de verktyg vi har tillgång till (slagbormmaskin och stativ) hade vi inte en chans att lyckas. Som tur var lyckades vi genom lite kontakter få tag på en person som kunde fixa hålen åt oss, och så här blev det:

Nog talat om det, nu handlade det om lutningsmätning, och som bilden visar så blir det en adapter i trä (för att det är så mycket lättare att arbeta i) och en potentiometer. Förhoppningsvis ska detta leverera tillräckligt god precitsion för att kunna styra simulatorn någorlunda. Hur styralgoritmen kommer att se ut har vi inte tänkt på, trots att vi är medvetna om att det varken är lätt eller oviktigt. Detta beror på att vi just nu har fullt upp med att hinna klart med allt byggande och dylikt innan deadlinen (produkten ska vara klar om 2½ vecka), och att vi efter deadlinen för produkten kommer ha ett antal veckor på oss innan projektet ska redovisas och under den tiden kommer vi att kuna finpolera på styrningens algoritmer.

Adapterbitarna i trä är för övrigt tillsvarvade, och ser ut så här (tillsammans med en remskiva som jag svarvade ner axeln på för att den ska passa i borrmaskinens chuck):

Idag satte vi igång med att montera fast axlarna mellan den inre och yttre vaggan. För att göra detta la vi först ut de båda delarna så att de låg i nivå, och sedan anpassade vi så att allting låg där det skulle. När allting var uppspänt såg det ut så här (dock är allt åt fel håll, eftersom vi vill ha drivning m.m. på höger sida om föraren så ska det stora mellanrummet vara på andra sidan så det fick vi göra om):

Sedan mätte vi ut så att axlarna hamnade mitt emot varandra (vi har någon mm justeringsmöjlighet, och mer fel än så ska det inte vara). Sedan var det bara att markera.... under ramen:

Kanske hade varit smart att tänka på detta lite tidigare och ställa upp allt åt andra hållet, men vi lyckades i alla fall. Vi borrade även upp hål i yttre ramen, men det finns det inga bilder på eftersom batteriet i min kamera tog slut.

Något som skedde parallellt var monteringen av plywoodbitarna på inre vaggan. Vi har valt att göra en uppfällbar klaff som ratten sitter på för att man ska kunna vara något mindre vig än en F1-förare och ändå ta sig in.

När det hela var färdigmonterat (undantaget en extra förstärkningsbit som ska sitta under golvet för att förstärka) såg det ut så här:

Angående möjligheten att kunna använda andra spel till simulatorn så ligger ju det svåra där i att få ut informationen ur spelet. Att vi valde just LFS som grund var för att det är gjort för att kunna användas till sånt här, då man bara genom att ändra lite i en konfigurationsfil kan få ut den information man behöver. Dock är det väl möjligt att vi försöker få stöd för fler spel om vi får tid över (Richard Burns Rally vore ruskigt kul till exempel).

/OlaJoh

Då var det dags för ännu en uppdate då vi arbetat en del idag. För trots att vi alla har sportlov denna vecka så är det (roligt) skolarbete som gäller.

Den här uppdateringen börjar dock redan i fredags, då vi började med detta:

Att flytta hela projektet till en ny lokal, för att vi ska kunna arbeta när vi vill under lovet.

Lokalen vi flyttade till var i förhållande till projektlokalen i skolan ganska välutrustad (inte minst med ett rejält skruvstäd ), och hade även en dedikerad verkstadsdel:

På fredagen fick vi dock inte så mycket gjort, utan det var först idag (måndag) som vi kom igång med arbetandet i nya lokalen. Vi satte självklart igån med det viktigaste först, att fylla whiteboarden (för att riktigt proffsiga projekt har en välfylld whiteboard):

När den såg ut så här var vi ganska nöjda för stunden, och satte igång med själva arbetandet (whiteboarden fylldes på med mer saker efter hand, och lite bockades av).

För största effektivitet arbetade vi på flera saker samtidigt, och en av de sakerna var ett andra motorfäste, som när bilden togs nästan var klart:

En sak vi sedan tidigare kommit fram till var att pedalstället behövde vara flyttbart, eftersom det annars skulle vara obekvämt för alla som inte var lagom långa (vi i gruppen ville ha det på olika ställen, så flyttbart var ett måste). Ludde tog saken i egna händer och började konstruera en lösning på detta:

En platta sågades till som passade lagom under pedalstället, och sedan borrades 4 hål för att bulta fast pedalerna i skivan. Skivan ska sedan fästas i botten med genomgående bult, och ett antal hål med olika avstånd ska finnas för att man ska kunna justera avsåndet:

När dessa hål var borrade var det bara att börja måla plattan, för någon trären plyfa ska vi inte ha i simulatorn.

Samtidigt arbetade vi på att få fast skärmbågen (eller vad man ska kalla den) i ramen. Den sätts som allt annat i simulatorn fast med vinkeljärn och popnit. För att allt med säkerhet skulle stämma märktes alla bitar upp så att vi viste vad som skulle vara var (jag kan dock meddela att några hål fick borras om trots detta).

Sedan var det bara att borra och nita ihop allt, och så hade man en skärmbåge:

På skärmbågen ska ett VESA-fäste fästas för att vi ska kunna hänga på den skärm vi vill (troligtvis en 22" widescreen-skärm). För att få fast fästet fick vi borra fyra nya hål i VESA-fästet som vi senare ska nita genom. Här är de utmarkerade inför borrning:

För att få lite extra stabilitet i infästningarna för lagerbockarna (vi har borrat bort ganska mycket aluminium där) så sågade vi till förstärkningsbitar som vi sedan borrade hål i. Dessa slipades upp till fyrkantiga för att vi ska kunna använda vagnsbult (blir snyggare så):

Här ses två förstärkningsbitar (sitter en på baksidan också) monterade på ramen:

När vi sedan satte fast lagerbockarna såg det ur såhär, och det kändes riktigt stabilt:

Där slutade också arbetet för dagen, imorgon ska förstärkningen till andra sidan av mellanramen samt den till inre ramen göras klart, så att vi förhoppningsvis kan montera ihop inre vaggan och mellanramen imorgon.

Dagen innehöll även, förutom det som är dokumeterat ovan, en liten handlingstur till närmaste clas ohlson för att inhandla lite smådelar (diverse bult, mutter, gångjärn, borr m.m.). Lite tråkigt är det när man inte har något "lager" alls, utan istället vara tvungen att åka och handla allt man behöver. Inte minst för att det man behöver oftast behövs akut för att man ska komma frammåt (som när vi upptäckte att vårt 8mm-borr var för slött för att användas).

Hallon-Terror: Trevligt att se att du svarar på frågor när jag missar det (dock är det faktiskt ingen hydraulik i Force dynamics simulator, de kör med kulskruvar och rejäla motorer på nån eller ett par hästkrafter).

/OlaJoh

mjältbrand:
Du har helt rätt, motorerna är svagaste länken i bygget. Dock är det nog faktiskt vridmomentet som är haken. Vi har maximalt 600 RPM ut från skruvdragarna och vi växlar ner det 20 ggr så får vi 30RPM eller 0,5 varv/sekund på sjävla simulatorn, och att gå från att titta rakt upp i taket till att titta rätt ner i golvet på en sekund räcker nog. Tyvärr kommer inte vridmomentet klara av att accelerera simulatorn riktigt så fort. Vi får se om vi kan få tag på bättre motorer senare men de nuvarande bör i alla fall få det att röra på sig.

Josasp:
Det hoppas jag verkligen inte :p. Nä, men det ska nog inte vara något stort problem, för även om konstruktionen är beroende av tyngdpunkten hamnar rätt så ska motorerna kunna hålla emot om det blir lite fel. Men det är klart, drar man upp benen mot kroppen så lär det nog bli så att hela simulatorn "faller" bakåt.

SmOOthy:
Ska hälsa honom (harry-potter-lookaliken) det, så får vi se vad han tycker :D. Angående projektets storlek så ja, det är stort. Om det inte vore för att vi redan tidigare hade velat bygga en simulator så hade vi nog inte valt ett så stort projekt, nu hade vi dock funderat på att bygga en och projektarbetet blev en fin ursäkt.

Att göra en flygsimulator av den ligger endast i programmeringsbitenbiten (och att byta ut ratten mot en joystick), men tyvärr så är det lite svårt att hitta en flygsimulator som det är lika lätt att modifiera som LFS. Dock ska vi undersöka möjligheten att få stöd för fler spel senare. Simulatorn kommer ju egentligen passa bättre till flyg eftersom det är långsammare förändringar där, och vi nog inte kommer att få så supersnabba rörelser.

Kan även meddela att vi även idag arbetat på projektet, men eftersom större delen av tiden gick åt till att flänga runt stan efter material till ställningen så får dagens arbete komma med på morgondagens uppdatering.

/Ola Joh

Nu har jag äntligen fått tummen ur rö.... eh... vagnen och skrivit ihop ett litet inlägg om vad som hände torsdag/fredag:

Vi börjar med de små sakerna:

Pedalställets fäste är nu klart, lite bökit blev det att flytta pedalerna (är genomgående bult och vingmutter som man måste flytta) men det är justerbart och sitter fast, och det är huvudsaken. Pedalstället sitter fast oavsett hur vi vrider simulatorn, även om ett par fötter hjälper till lite på just denna bild.

En skärm har även trillat in (22" WS), och är monterad på sin plats:

Förarmiljön ser nu ut som på bilden nedan, och man kunde ju önska sig att skärmen skulle suttit lite närmare, men det var såhär nära vi kunde ha för att den inte skulle slå i ratten när den veks upp (vi har va 1 cm marginal nu).

Vi har även sågat till ett armskydd att ha på höger sida så att man inte sticker in armbågen i drivningen (något liknande ska tillverkas till andra sidan). Här syns även den planerade fästanordningen för remhjulet, återstår att se om det orkar med krafterna eller om vi måste förstärka lite.

Nu kommer dock det som dagarna huvudsakligen användes till, att bygga en ställning för det hela. Vi började med att såga till våra 95*45mm reglar till lagom mått. Hela denna ställning byggdes lite på känn, så vi har tyvärr ingen ritning att dela med oss av.

Till stor del sattes ställningen ihop med beslag liknande detta:

Dock fick vi spika ihop den på att par ställen, med varierande resultat (vi fick faktiskt i spikarna till slut ).

Slutresultatet den första dagen var två pelare av denna typ, med god stabilitet i sidled men ingen i längdsled.

Dessa kompletterades under fredagsmorgonen med bakåtgående stöd (observera den otroligt moderna skruvdragaren, som faktiskt var ganska bra):

För att sedan sätta ihop de båda pelararangemangen (eller vad man nu ska kalla dem) valde vi att använda oss av beslag och M8-gängstång/bult. Detta för att konstruktionen ska vara möjlig att plocka isär (hela simulatorn går att plocka isär i bitar som går att ta genom en 80 cm bred dörr).

Det hela slutade med en mycket stabil ställning:

Lite arbete har även skett på motorstyrningen:

Efter att ha borrat hålen på kretskortet (vilket för övrigt resulterade i en bruten borr) och lött på komponenterna såg motorstyrningen ut så här:

När kortet testades visade det sig att FETarna inte öppnade som de skulle. Det felsöktes och visade sig bla vara en felkopplad jordsladd.

Det visade sig även att vellemankortets utgångar inte rikigt gjorde som jag ville, så det blev en till tur till ELFA för att köpa komponenter till detta kortet som kopplas mellan experimentkortet och motorstyrningskortet:

Så här ser elektroniken ut idag:

Observera att ett till motorstyrningskort är kvar att göras för styrningen av simulatorns andra motor.

Vi har kort sagt kommit en bit denna vecka, men vi har MYCKET kvar att göra den kommande veckan. Vi har i princip en vagga med två frihetsgrader klar (vaggan ska "bara" fästas i ställningen), dock har vi ganska mycket av arbetet på att få den att röra sig kvar. Det blir stressigt att hinna med det på en vecka men det är bara för oss att kämpa på, och för er att önska oss lycka till.

/OlaJoh