Bouw een Echte Portal 2 Torenkanon met Arduino – 3-As Beweging & Audio

Onderdelen en Benodigdheden

Onderdeel	Aantal
Arduino Nano R3	1

Nodige Tools en Machines

• 3D-printer (generiek)

Over Dit Project

Het Verhaal

Deze kerstbesluitte ik om een werkende Portal-torenkanon uit het spel Portal 2 te ontwerpen en bouwen. Voor mij was dit een oefening in het volledig modelleren van de volledige samenstelling in Fusion 360, voordat ik iets bouwde. Dit ontwerp gebruikt een Arduino Nano, een MP3-spelerchip, afstandssensor, servo's, LEDs en 3D-geprinte onderdelen.

Het doel was om het te laten bewegen in 3 "assen", met gesproken geluid uit het spel en LED's om vuur te simuleren.

• Open de "vleugels" als het iemand voor zich ziet. Gebruik een krukmechanisme met schuiven, gewoon omdat ik dat wilde.
• Als de persoon er nog steeds is na het openen, vuur totdat ze vallen. LED's en machinegeweer-geluid.
• Als de persoon niet meer daar is, voer een kleine scannende zoekroutine uit.
• Sluit weer en ga in slaapmodus tot de volgende persoon komt.
• Geluiden en stemmen van de Portal-toren uit het spel gebruiken.

Ik heb wat vrijheden genomen in het ontwerp, probeer het waarneembaar hetzelfde te maken als in het spel, maar functioneel en printbaar. Met een paar basissketches die online gevonden zijn, begon ik met modelleren en plannen...

De geluiden staan op een microSD-kaart, die vanaf de achterkant toegankelijk is zodat geluiden later geüpdatet of gewijzigd kunnen worden. Het ligt in lijn met de zwarte ingevulde strip, waardoor het onzichtbaar is nadat het geïnstalleerd is. 18 individuele expressies en geluiden worden in deze versie gebruikt.

De lidar-sensor (time-of-flight) zit op een chip met een rechthoekig profiel. Deze sensor is bijna onzichtbaar van het front zodra het gemonteerd is.

Stap 1: Fusion 360 Modelleren

Het ontwerp startte vanaf sketches die online gevonden zijn. Deze afbeeldingen als canvas gebruikend, begon ik de contouren van de 3 zichten te schetsen. Daarna was het kwestie van ze in 3D te extruderen, dan de algemene vorm te shellen en sneden te maken. Alle elektronica werd in Fusion als componenten gebouwd die ingevoegd en geplaatst werden waar het logisch leek. Drijvende parameters waren:

• Arduino Nano moest de connector toegankelijk hebben voor updates na volledige montage
• MicroSD-kaart moest op dezelfde manier toegankelijk zijn, en idealiter onzichtbaar na installatie
• Time-of-flight sensor moest ook onzichtbaar zijn
• Een 2,1mm stroomconnector aan de achterkant
• Geprinte onderdelen zo groot mogelijk (niet veel kleine stukjes)
• Printen zonder supports

Nadat componenten (Nano, andere chips, servo's) aan de basische vorm waren toegevoegd, werden ze verplaatst en gepositioneerd zoals vereist, en werden de ondersteunende structuren gebouwd om ze binnen de schil te ondersteunen.

De vleugel-openingsmechanisme was een kruk-en-schuifmechanisme. Waarom? Omdat ik een krukmechanisme wilde gebruiken, dat is waarom! Dit voegde wat complicaties toe, maar had ook een voordeel: zodra de geometrie bepaald was, was operationele herhaalbaarheid gewaarborgd en de min- en max-limieten waren vrijwel gegarandeerd.

Zodra het volledige model gebouwd was en ik ervan overtuigd was dat het zou werken, en gebouwd (geprint) en gemonteerd kon worden, ging ik de onderdelen printen en een prototype bouwen. Zodat dat werkte, ging ik terug naar het model en maakte enkele aanpassingen om het uiterlijk en de monteerbaarheid te verbeteren (is dat een woord?). Dit model is het resultaat van die wijzigingen.

Dit was best zwaar, omdat er eigenlijk niet veel blokvormige vormen in zitten, en het sluit behoorlijk dicht, zonder echte toegang voor afstellen na montage. Ik heb er veel van geleerd, zoals het gebruik van ingesloten componenten binnen andere componenten. Dit maakte manipuleren en koppelen van sub-assemblies voor snelle toegang mogelijk. Uiteindelijk was het de moeite waard!

Stap 2: 3D-geprinte Onderdelen

Portal turret v4.zip is bijgewerkt en zou alle geprinte onderdelen moeten bevatten die nodig zijn om de nieuwste toren te bouwen.

--- nieuwe "Rear test Leg". Niet trouw aan origineel, maar zit achteren, en stelt je in staat een rechte mini-USB connector rechtop te gebruiken. ---

Deze zijn geprint op een Prusa Mk2, met PLA voor alle onderdelen. De printoriëntatie zou duidelijk moeten zijn. De body werd verticaal geprint, zonder supports. Er is een grote opening in de zijkanten die overbrugd moet worden, maar ik had met standaardinstellingen geen grote problemen, behalve de bump. De bump op de voor- en achterkant kan vrijwel geëlimineerd worden met goed filament en goede printinstellingen. Ik vond dat 0,2mm goed werkte in de slicer en een fatsoenlijk resultaat gaf. Ieder groter en er begonnen openingen in de body nabij de invulstrip te verschijnen.

Het ontwerp van kanalen en uitsteeksels werd met 45 graden fasefasen gedaan, dus "in de lucht hangende" elementen zijn minimaal.

Ik had weinig reinigingswerk om de montage te doen. De invulstrips die in de kanalen schuiven, zijn nu redelijk simpel, met verminderde breedte en consistente dikte. Ik denk dat men ook een dun, zwart materiaal in strips knipt in plaats van deze geprinte stukjes (geprint op de kant).

Het ene gebied dat finesse vereist is de schuifpinnen in het pitch-frame. Rechte pinnen (nagels) in de boorgaten die achtervolgd worden met een 1/8" boor en enige smering zullen ver helpen.

Lens%2Bv3b.stl Body-RHS%2Bv4.stl Body-LHS%2Bw%2Bcomponents%2Bv4.stl Wing%2BRH%2Bbottom%2Bv4.stl Wing%2BRH%2Btop%2Bv4.stl Wing%2BLH%2Bbottom%2Bv4.stl Wing%2BLH%2Btop%2Bv4.stl Pitch%2BFrame%2Bv4.stl Leg%2B-%2BREAR%2Bv4.stl Infill%2Bstrips%2Bv3.stl Leg%2B-%2BREAR%2Btest.stl Pitch%2BFrame%2B-%2Bmodified%2B1.stl wings%2Bv6.zip Arduino%2BBase%2Bw%2BRadio.stl Portal%2BTurret%2Bv4.zip

Stap 3: Componenten

V4 (Rode toren) heeft kleinere overbruggingen, wat v4 vleugels en pitch-frame vereist.

De v6 vleugels zijn een optie die verschillende kleur "kanons" toestaat. Ik heb er nog geen persoonlijk gemaakt, maar het zou prima moeten werken.

Zodra het model compleet was en ik tevreden was met mijn prototype, printte ik rev 2 met de plastic componenten zoals getoond. Alles is PLA, met zwart en ontwerpkleur (blauw in dit geval), en een klein beetje transparant PLA voor de centrale "Lens" of laseroog.

Deze foto vangt de componenten prima op, met uitzondering van de bekabeling.

Stap 4: Elektronica

De build gebruikt de volgende componenten:

• Arduino Nano (1)
• DFPlayer Mini MP3-speler (of MP3-TF-16P) (1)
• VL53L0X Time-of-Flight Afstandssensor (1)
• Generieke SG90 micro servo's (3)
• 5mm rode LEDs (5)
• 220 Ohm weerstanden voor LEDs (5)
• 1kOhm weerstand (1)
• 4cm luidspreker, 4Ohm, 3 Watt (1)
• 2,1mm stroomconnector (1)
• 3" lange frame-nagels (4)
• M2 x 6 schroeven (8)
• M2,5 x 8 schroeven (2)
• M3 x 8 schroeven (4)
• M3 x 12 schroeven (4)
• M3 x 16 schroeven (2)
• Krimpkous
• Kleine tyraps

Alle componenten zijn gemakkelijk verkrijgbaar bij Arduino, Amazon of Banggood en andere bronnen.

De schroeven zijn afkomstig uit een assortimentsdoos. Het is een pijn om ze anders te krijgen...

Stap 5: Mechanische Montage

De meeste mechanische montage is redelijk. De geprinte onderdelen zijn geprint met de grotere gaten waar nodig getapt, dus een snelle chase met een schroef voor de eindmontage helpt en maakt de montage van de geschroefde componenten makkelijk.

De Arduino en de MP3-chip klikken zonder hardware in het kraagje. De VL53LOX schuift in de frontschil zonder bevestigingsmiddelen. Eerst proefpassend, dan verwijderen en installeren zodra bekabeld.

De schuifmontage gebruikt 4 frame-nagels als schuifrails. Ze zijn ongeveer 1/8" in diameter, met de koppen afgeknipt. Deze komen van een strook DeWalt frame-nagels gebruikt met hun elektrische frame-nagler. Natuurlijk zijn gladde nagels een must.

De servo's monteren zoals getoond. Oriëntatie is belangrijk. De pitch- en pivot-servo's zijn "gecentreerd" bij installatie in hun stukken. De kruk is zo geïnstalleerd dat, in de open positie, hij sluit door counter-clockwise te draaien, gezien van het front. Open positie is stangen en kruk in een lijn, met nog 10 graden rotatie tot vergrendeling.

De pootmontage is het makkelijkste deel. 2-2,5mm schroeven, met de pootkappen die over de ellebogen van elke poot klikken. Gebruik bevestigingsmiddelen die niet boven de bovenkant van de pootplaat uitsteken. Zo bindt het kantelende lichaam niet als je de rotatiebereik aanpast.

Alle servo-verbindingen naar geprinte onderdelen worden gemaakt met de korte witte kruk die bij de servo's hoort. Deze krukken drukken gewoon in de geprinte onderdelen. Ik probeerde de gesplineerde boor in de onderdelen die met elke servo verbonden zijn te printen, maar had beperkte, herhaalbare succes. Veel makkelijker met de krukken die bij de servo's horen.

De krukmontage gebruikt de langere 2,5mm schroeven. De krukstangen mogen niet tussen de krukhälften geklemd worden. Feitelijk kun je kortere schroeven zonder het Crank2-deel proberen. Dat zou ook moeten werken (hopelijk geen merkbare koppel hier als de vleugels vrijglijdend zijn).

De luidspreker wordt vastgehouden door een servo-mount (2 stukken) die de luidspreker vangen. Luidspreker tussen deze "poten", en in positie gehouden door ze aan de pitch-servo te bevestigen. Deze servo verbindt dan met de pitch (schuif) montage, gevolgd door de krukmontage met stangen. Al dit wordt gemonteerd voordat het in de LHS-body met 4 kleine schroeven geïnstalleerd wordt.

Zodra de hoofdelectronica geïnstalleerd is, met de Arduino en MP3-speler tijdelijk geplaatst, begint de pret - bekabelen!

Stap 6: Bekabeling

V5 - Radio-optie (Rode toren foto's). Dit omvat een nRF24L01 radiochip. Verandert de Arduino-pin-bekabeling volledig om alle verbindingen te accommoderen. Details volgen...

De eindverpakking is strak, dus wat tijd hier besteden aan het bepalen van draadlengtes is de moeite waard. De meeste verbindingsdraden die ik uiteindelijk had, waren tussen 3" - 4".

De LEDs zijn bekabeld met de 220 Ohm weerstanden direct, gevolgd door krimpkous, en wat draaidrahtjes, daarna aan de kant gezet, na testen. Ik gebruikte dunne draden (CAT5-achtig communicatiedraad) omdat ik die liggen had en de zichtbare bekabeling niet storend wilde laten zijn.

De mechanische onderdelen worden proefgemonteerd in de schil, daarna wordt de draadrouting uitgevogeld, daarna draden knippen en voorbereiden.

Ik bouwde de servo-connectoren zo dat ik servo's kon insteken en vervangen als ik ooit iets in de war schopte en de tandwielen kaasde. Dit was zeker nuttig na het mislukken tijdens mijn eerste prototype.

Zodra tevreden met het gros van de bekabeling, werden de LEDs aan het eind gesoldeerd. Dan is het tijd om de bekabelde montage voorzichtig in de ene helft van de schil te stopen. De laatste stap is het solderen van de stroomconnector aan de stroomdraden zodra alles binnen zit.

-- Belangrijk: Zorg dat de bekabeling achter de Nano niet op de reset-knop drukt!! Dit zal problemen veroorzaken en de unit verhinderen om correct te functioneren. --

Op dit punt is alle bekabeling klaar, maar voor de eindmontage is het belangrijk om de code naar de Nano te uploaden en het op te starten om te controleren of de LEDs, servo's en MP3-speler allemaal werken zoals ontworpen. Daarna is het tijd om de rest van de mechanische onderdelen te monteren.

Stap 7: Arduino-code

Bijgewerkte code! Opgeschoond en enkele tweaks gemaakt.

Het bijgevoegde bestand is wat ik bedacht heb om de unit aan te sturen zoals in de video's getoond. Ik zal blijven tweaken om de karakter van de Toren en de manier waarop het zich gedraagt te veranderen. Veel opties hier.

Ik heb de code gestructureerd met subroutines die ik aanroep zoals nodig. Het houdt de hoofdbody schoon en was erg handig toen ik met verschillende gedragingen experimenteerde. Het hielp me de code voor verschillende gedragingen te manipuleren.

Ik gebruikte ook veel variabelen vooraan wat me hielp om parkeerposities en min/max bereiken aan te passen.

Ik gebruikte de DFMiniMP3 bibliotheek in mijn code. Ik probeerde andere bibliotheken, zoals de DFRobot, maar had problemen, dus keerde terug naar deze. Het betekende dat ik de 'static void' stukken moest behouden om het functioneel te houden. Deze zijn niet noodzakelijk voor de werking, maar hey, ik ben geen meester coder. Ik zou het graag horen als er een andere bibliotheek is die net zo simpel en netjes is als de VL53LOX bibliotheek. Laat me weten als je een betere manier vindt!

Wat geluiden betreft: de implementatie is op een simpele manier gedaan, door een map genaamd "mp3" op de SD-kaart te hebben, met bestandsnamen 0001.mp3, 0002.mp3, etc. De eerste vier cijfers moeten in dit formaat zijn, maar je kunt elke achtervoegsel toevoegen om de specifieke geluiden te identificeren. Zie https://www.dfrobot.com/blog-277.html voor een voorbeeld. Ik heb een foto van mijn bestandsnamen zoals gebruikt in de map toegevoegd. De nummers corresponderen met de aanroepen in de code.

De geluidsbestanden haalde ik van de Wikipedia-pagina over Portal Turret-geluiden. De code kiest een willekeurig geluidsbestand (1 van 2, of 3 geluiden) om dingen vers te houden.

Stap 8: Eind Body Montage

Deze stap is een beetje lastig vanwege de zwarte invulstrips. De schaal van de eindmontage is klein genoeg dat de strips en ontvangstgaten klein zijn. Dit vereist het chasen van het kanaal met een punter of andere kleine schraper om ervoor te zorgen dat de strips met weinig weerstand passen voordat je de andere kant erop probeert te zetten.

De draden netjes samenbinden en tyrappen waar nodig maakt dit veel makkelijker.

Ik heb er nu een paar samengesteld en vind het makkelijker om de twee helften eerst samen te voegen, dan de invulstrips in te voegen. Eén kant in de helft met de "plank" die voorkomt dat de invulstrip naar binnen valt, dan licht openprijen en zacht indrukken. Niet slecht nu.

Dit was een van de lastigere delen. Misschien een dag herdenk ik deze montage, maar ik hou van hoe het eruitziet als het klaar is, en het is best robuust.

Stap 9: Vleugel Montages

Nu het lichaam samen zit, met de vleugel-LED's die eruitsteken, is het tijd om de vleugels voor te bereiden en te monteren.

Het is imperatief dat de schuifgaten gejaagd worden met een 1/8" boor, en daarna uitgeschoond. Knip de koppen van de nagels af met boutschaar, vloertangen, zaag of favoriete nagelknipper. De schuifpinnen (afgeknotte nagels) worden in de vleugels geïnstalleerd door ze in elk vleugelstuk te persen. Rechtdoor, afgeborduurde en gladde nagels zijn de sleutel om dit te laten werken. De vleugelschuiwen en gaten moeten gesmeerd en getest worden voordat de krukstangen worden verbonden en ermee gereden wordt. Droog grafiet, of ander PLA-geschikt smeermiddel wordt aanbevolen. Ik vind dat een klein buisje persoonlijk smeermiddel echt goed werkt, en goedkoop is. Het is echt glad. Het vereist ook wat uitleg als je partner of ouder binnenkomt en vraagt wat je precies met dat ding aan de werkbank doet!!

Begin met uitzoeken welk vleugelstuk waarheen gaat, en test schuiven van dat stuk eerst. Pas daarna de boven- en onderhelft samen zodra de pinnen zitten, smeer iets (een katoenen zwabbertje werkt goed) en zorg dat de vleugels goed glijden. Dit kan lastig zijn, maar zonder ervoor te zorgen dat de vleugels moeiteloos glijden zonder te klemmen, zit je voor een frustratie. Vertrouw me...

Zodra de vleugels goed zijn, is het kwestie van ze inplaats schuiven, de verbindingsstang over het gat in de vleugel leggen en monteren met een enkele schroef. Dan de LEDs in de kanonlopen steken, draden tegen de vleugel tucken en je bent klaar! Je kunt ook wat heetlijm gebruiken om ze vast te zetten zodra alles getest is.

Stap 10: Je Vrienden Schrikken en Schokken!!

De laatste kleine opmerking bij dit ontwerp is dat een hoekige stekker een goed idee is, omdat die niet in de weg zit van de achterpoot bij kantelen. De herziene achterpoot (v3) is uitgerekt om wat meer ruimte te geven.

Zodra gebouwd en aangesloten (5V of geschikt voor Nano), zal het stil zitten tot iemand gedetecteerd wordt binnen de geprogrammeerde afstand, dan tot leven komen en iedereen die zijn domein binnentreedt neerhalen!!

Laat me weten als je er een (of meer) bouwt en als je nieuwe features of concepten bedenkt!

Code

Portal turret w Radio (RED) (C/C++)

Code gebruikt voor de toren. Bevat code die besturing door de Master Turret Control mogelijk maakt, beschreven op een andere pagina. Verschillende smaken vereisen tweaking.

// /* Portal Turret - Optie Met Radio!! * Chris Nowak - Feb 2019 * https://www.instructables.com/member/ChrisN219/ * https://create.arduino.cc/projecthub/Novachris/talking-portal-2-turret-gun-637bf3 * * Deze code bevat alle features nodig voor de Cara Mia Opera, * Chat Time en Handmatige modus, zoals bestuurd door de Master Turret Control (MTC). * De MTC is een aparte controller op een andere build. De toren * werkt autonoom met deze code zonder MTC. * * De code is gebouwd om met drie torens te werken, maar elke werkt onafhankelijk. * Veel debug-code overgelaten. Gebruik of opschonen naar wens. Het is meestal gedebugd, * maar niet perfect. Gegeven de prijs die je betaalde, vind ik dat ok! ;) * ================= RED ==================== */
#include <Wire.h>
#include <VL53L0X.h>
#include "Arduino.h"
#include <SoftwareSerial.h>
#include <Servo.h>
#include <DFMiniMp3.h>
#include <RF24.h>
#include <RF24Network.h>
#include <SPI.h>
class Mp3Notify {
public:
  static void OnError(uint8_t errorCode) { Serial.println(); Serial.print("Com Error "); Serial.println(errorCode); }
  static void OnPlayFinished(uint8_t globalTrack) { Serial.println(); Serial.print("Play finished for #"); Serial.println(globalTrack); }
  static void OnCardOnline(uint8_t code) { Serial.println(); Serial.print("Card online "); Serial.println(code); }
  static void OnCardInserted(uint8_t code) { Serial.println(); Serial.print("Card inserted "); Serial.println(code); }
  static void OnCardRemoved(uint8_t code) { Serial.println(); Serial.print("Card removed "); Serial.println(code); }
};
Servo servo_pivot; Servo servo_wings; Servo servo_pitch;
VL53L0X sensor;
SoftwareSerial secondarySerial(4, 2); // RX, TX
DFMiniMp3<SoftwareSerial, Mp3Notify> mp3(secondarySerial);
RF24 radio(10, 9); // nRF24L01 (CE,CSN)
RF24Network network(radio);
const uint64_t this_node = 01; // Deze toren - Rood - in Octaal formaat (04,031, etc)
const uint64_t WHT = 02; // Toren 02 - Wit
const uint64_t BLU = 03; // Toren 03 - Blauw
const uint64_t MTC = 00; // Master Turret Control
unsigned long previousMillis1 = 0; unsigned long previousMillis2 = 0; unsigned long previousMillis3 = 0;
byte LED_LH_up = A1; byte LED_LH_down = A2; byte LED_CENTRE = A3; byte LED_RH_up = 7; byte LED_RH_down = 8;
byte PIVOT = 6; byte WINGS = 3; byte PITCH = 5;
byte parkPIVOT = 96; byte posPIVOT = 96; byte maxPIVOT = 116; byte minPIVOT = 76;
byte WINGclose = 165; byte WINGopen = 10; byte WINGpos = 160;
byte parkPITCH = 86; byte posPITCH = 86; byte maxPITCH = 96; byte minPITCH = 75;
byte pos = 90; byte pulse = 20; byte pitchCW = 1; byte pivotCW = 1;
byte randomWake; byte randomOpen; byte randomFalse; byte randomStart; byte randomDisengage;
int triggerDistance = 300;
byte buttonStatus; byte busyRed = 1; byte restModeWhite; byte goState; int x; int y;
byte pb1State; byte pb2State; byte pb3State; byte randomPic;
int payload[6];
int chatSayings[] = { 0, 204, 164, 25, 205, 127, 76, 208, 162, 65, 143, 230, 23, 130, 41, 225, 153, 31, 133, 234, 49, 155, 229, 175, 74, 231, 58, 226, 161, 223, 59, 227, 68, 236, 136, 50, 224, 34, 160, 78, 222, 42 };
int NormalTimings[] = { 1000, 2600, 800, 2800, 900, 1700, 1600, 1300, 2500, 1400, 1900, 1600, 2300, 800, 3000, 300, 100, 200, 0, 0, 300, 298000, 1300, 2600, 1300, 1400, 2100, 1900, 1600, 800, 1700, 1100, 1000, 1000, 2100, 1500, 1300, 1100, 800, 1200, 1000, 2200, 1700, 1300, 1400, 1500, 1000, 2000, 500, 2700, 9000, 1100, 1200, 900, 2400, 1200, 1100, 2100, 2000, 2500, 1700, 1100, 1000, 1100, 500, 1900, 0, 1300, 2100, 1700, 900, 1100, 800, 1100, 1700, 1100, 1100, 1500, 1500, 500, 900, 2100 };
int DefectiveTimings[] = { 1000, 1700, 900, 2000, 600, 1100, 1800, 1900, 3000, 1500, 800, 2100, 800, 1900, 900, 3200, 2700, 0, 0, 0, 2000, 4400, 800, 3200, 900, 1400, 2000, 2100, 1200, 1300, 1000, 1100, 1400, 2100, 1000, 1600, 1000, 1200 };
// ... (code voortgezet in origineel, hier afgekort voor leesbaarheid)

Custom Onderdelen en Behuizingen

Lens%2Bv3b.stl Body-RHS%2Bv4.stl Body-LHS%2Bw%2Bcomponents%2Bv4.stl Wing%2BRH%2Bbottom%2Bv4.stl Wing%2BRH%2Btop%2Bv4.stl Wing%2BLH%2Bbottom%2Bv4.stl Wing%2BLH%2Btop%2Bv4.stl Pitch%2BFrame%2Bv4.stl Leg%2B-%2BREAR%2Bv4.stl Infill%2Bstrips%2Bv3.stl Leg%2B-%2BREAR%2Btest.stl Pitch%2BFrame%2B-%2Bmodified%2B1.stl Arduino%2BBase%2Bw%2BRadio.stl

Schema's

Schema dat ik maakte voor het bouwen van de toren.