Левитирующие растения как работает

На идею этого урока натолкнул проект краудфандинговой платформы Kickstarter под названием «Air Bonsai», действительно красивый и загадочный, который сделали японцы.

Но любая загадка может быть объяснена, если посмотреть внутрь. Фактически это магнитная левитация, когда есть объект, левитирующий сверху, и электромагнит, контролируемый схемой. Давайте попробуем вместе реализовать этот загадочный проект.

Шаг 1: Как это работает

Мы выяснили, что схема устройства на Кикстартере была довольно сложной, без какого-либо микроконтроллера. Не было возможности найти её аналоговую схему. На самом деле, если посмотреть более внимательно, принцип левитации довольно прост. Нужно сделать магнитную деталь, «плавающую» над другой магнитной деталью. Основная дальнейшая работа заключалась в том, чтобы левитирующий магнит не падал.

Было также предположение, что сделать это с Arduino на самом деле намного проще, чем пытаться понять схему японского устройства. На самом деле всё оказалось намного проще.

Магнитная левитация состоит из двух частей: базовой части и плавающей (левитирующей) части.

Основание

Эта часть находится внизу, которая состоит из магнита для создания круглого магнитного поля и электромагнитов для управления этим магнитным полем.

Каждый магнит имеет два полюса: север и юг. Эксперименты показывают, что противоположности притягиваются и одинаковые полюса отталкиваются. Четыре цилиндрических магнита помещаются в квадрат и имеют одинаковую полярность, образуя круглое магнитное поле вверх, чтобы вытолкнуть любой магнит, который имеет один и тот же полюс между ними.

Есть четыре электромагнита вообще, они помещены в квадрат, два симметричных магнита — пара, и их магнитное поле всегда противоположно. Датчик Холла и цепь управляют электромагнитами. Создаем противоположные полюса на электромагнитах током через них.

Плавающая деталь

Деталь включает в себя магнит, плавающий над основанием, который может нести небольшой горшок с растением или другие предметы.

Магнит сверху поднимается магнитным полем нижних магнитов, потому что они с одинаковыми полюсами. Однако, как правило, он склоняется к падению и притягиванию друг к другу. Чтобы предотвратить переворот и падение верхней части магнита, электромагниты создадут магнитные поля, чтобы толкать или тянуть, дабы сбалансировать плавающую часть, благодаря датчику Холла. Электромагниты управляются двумя осями X и Y, в результате чего верхний магнит поддерживается сбалансированным и плавающим.

Контролировать электромагниты нелегко, требуется ПИД-регулятор, который подробно обсуждается на следующем шаге.

Шаг 2: ПИД-регулятор (PID)

Из Википедии: «Пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор — устройство в управляющем контуре с обратной связью. Используется в системах автоматического управления для формирования управляющего сигнала с целью получения необходимых точности и качества переходного процесса. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе — интеграл сигнала рассогласования, третье — производная сигнала рассогласования.»

В простом понимании: «ПИД-регулятор вычисляет значение «ошибки» как разность между измеренным и желаемой установкой. Контроллер пытается свести к минимуму ошибку, отрегулировав «.

Итак, вы указываете PID, что измерить (Вход), какое значение вы хотите и переменную, которая поможет иметь это значение на выходе. Далее ПИД-регулятор настраивает выходной сигнал, чтобы сделать вход равным установке.

Для примера: в автомобиле у нас три значения (Вход, Установка, выход) будут — скорость, желаемая скорость и угол педали газа, соответственно.

В данном проекте:

1. Вход представляет собой текущее значение в реальном времени от датчика холла, которое обновляется непрерывно, поскольку положение плавающего магнита будет меняться в реальном времени.
2. Заданное значение — это значение от датчика холла, которое измеряется, когда плавающий магнит находится в положении баланса, в центре основания магнитов. Этот индекс фиксирован и со временем не изменяется.
3. Выходной сигнал — скорость для управления электромагнитами.

Стоит поблагодарить сообщество любителей Arduino, которое написало PID-библиотеку и которая очень проста в использовании. Дополнительная информация об Arduino PID есть на официальном сайте Arduino. Нам нужно использовать пару ПИД-регуляторов под Arduino, один для оси X и другой для оси Y.

Шаг 3: Комплектующие

Список комплектующих для урока получается приличным. Ниже приведен список компонентов, которые вы должны купить для этого проекта, убедитесь, что у вас есть все перед запуском. Некоторые из компонентов очень популярны, и, вероятно, вы найдете их на своем собственном складе или дома.

• 1x — LM324N
• 4x — левитационная катушка
• 2x — SS495a датчик Холла
• 1x — 12V 2A DC адаптер
• 8x — Кольцевой магнит D15*4 мм
• 1x — Разъем питания постоянного тока
• 4x — Кольцевой магнит D15*3 мм
• 1x — Arduino pro mini
• 1x — Модуль L298N
• 1x — 14 гнездовой сокет
• 2x — Магнит D35*5мм
• 2x — Резистор 5.6 KОм
• 2x — Резистор 180 КОм
• 2x — Резистор 47 KОм
• 2x- 10 Kом потенциометр
• 1x — Акриловый лист A5 размера
• 1x — Деревянный горшок
• 1x — PCB макет
• 8x — 3 мм винт
• провода
• Мини-растение (суккулент, кактус, мини-бонсай, карликовое дерево)

Шаг 4: Инструменты

Вот список инструментов, наиболее часто используемых:

• Паяльник
• Ручная пила
• Мультиметр
• Дрель
• Осциллограф (по желанию, можете использовать мультиметр)
• Настольное сверло
• Горячий клей
• Плоскогубцы

Шаг 5: LM324 Op-amp, L298N драйвер и SS495a

LM324 Op-amp

Операционные усилители (op-amp) являются одними из наиболее важных, широко используемых и универсальных схем, используемых сегодня.

Мы используем операционный усилитель для усиления сигнала от датчика Холла, цель которого — увеличить чувствительность, чтобы ардуино легко распознало изменение магнитного поля. Изменение нескольких мВ на выходе датчика холла, после прохождения усилителя может измениться на несколько сотен единиц в Arduino. Это необходимо для обеспечения плавного и стабильного функционирования ПИД-регулятора.

Обычным операционным усилителем, который мы выбрали, является LM324, это дешево, и вы можете купить его в любом магазине электроники. LM324 имеет 4 внутренних усилителя, которые позволяют гибко его использовать, однако в этом проекте нужны только два усилителя: один для оси X, а другой для оси Y.

Модуль L298N

Двойной H-мост L298N обычно используется для управления скоростью и направлением двух двигателей постоянного тока или с легкостью управляет одним биполярным шаговым двигателем. L298N может использоваться с двигателями с напряжением от 5 до 35 В постоянного тока.

Существует также встроенный регулятор 5V, поэтому, если напряжение питания до 12 В, вы также можете подключить источник питания 5 В от платы.

В этом проекте использован L298N для управления двумя парами катушек электромагнита и использован выход 5 В для питания Arduino и датчика холла.

Распиновка модулей:

• Out 2: пара электромагнитов X
• Out 3: пара электромагнитов Y
• Входное питание: вход постоянного тока 12 В
• GND: Земля
• Выход 5v: 5v для датчиков Arduino и холла
• EnA: Включает сигнал PWM для выхода 2
• In1: Включить для выхода 2
• In2: Enable for Out 2
• In3: Включить для выхода 3
• In4: Включить для выхода 3
• EnB: Включает PWM-сигнал для Out3

Подключение к Arduino: нам нужно удалить 2 перемычки в контактах EnA и EnB, затем подключить 6 контактов In1, In2, In3, In4, EnA, EnB к Arduino.

SS495a Датчик Холла

SS495a — это линейный датчик Холла с аналоговым выходом. Обратите внимание на разницу между аналоговым выходом и цифровым выходом, вы не можете использовать датчик с цифровым выходом в этом проекте, он имеет только два состояния 1 или 0, поэтому вы не можете измерить выход магнитных полей.

Аналоговый датчик приведет к диапазону напряжений от 250 до Vcc, который вы можете прочитать с помощью аналогового входа Arduino. Для измерения магнитного поля в обеих осях X и Y требуются два датчика холла.

Шаг 6: Неодимовые магниты NdFeB (неодим-железо-бор)

Из Википедии: «Неодим — химический элемент, редкоземельный металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком. Относится к группе лантаноидов. Легко окисляется на воздухе. Открыт в 1885 году австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом. Используется как компонент сплавов с алюминием и магнием для самолёто- и ракетостроения.»

Неодим — это металл, который является ферромагнитным (в частности, он показывает антиферромагнитные свойства), что означает, что подобно железу его можно намагнитить, чтобы он стал магнитом. Но его температура Кюри составляет 19К (-254 ° С), поэтому в чистом виде его магнетизм проявляется только при чрезвычайно низких температурах. Однако соединения неодима с переходными металлами, такими как железо, могут иметь температуры Кюри значительно выше комнатной температуры, и они используются для изготовления неодимовых магнитов.

Сильный — это слово, которое используют для описания неодимового магнита. Вы не можете использовать ферритовые магниты, потому что их магнетизм слишком слаб. Неодимовые магниты намного дороже ферритовых магнитов. Маленькие магниты используются для основы, большие магниты для плавающей/левитирующей части.

Внимание! Вам нужно быть осторожным при использовании неодимовых магнитов, так как их сильный магнетизм может навредить вам, или они могут сломать данные вашего жесткого диска или других электронных устройств, на которые влияют магнитные поля. Совет! Вы можете отделить два магнита, потянув их в горизонтальное положение, вы не сможете отделить их в противоположном направлении, потому что их магнитное поле слишком сильное. Они также очень хрупкие и легко ломаются.

Шаг 7: Готовим основание

Использовали небольшой терракотовый горшок, который обычно используется для выращивания суккулента или кактуса. Вы также можете использовать керамический горшок или деревянный горшок, если они подходят. Используйте сверло диаметром 8 мм, чтобы создать отверстие в нижней части горшка, которое используется для удерживания гнезда постоянного тока.

Шаг 8: 3D-печать плавающей части

Если у вас есть 3D-принтер — здорово. У вас есть возможность сделать все с помощью него. Если принтера нет — не отчаивайтесь, т.к. вы можете использовать дешевую услугу 3D-печати, которая сейчас очень популярна.

Для лазерной резки файлы также в архиве выше — файл AcrylicLaserCut.dwg (это autocad). Акриловая деталь используется для поддержки магнитов и электромагнитов, остальные — для покрытия поверхности терракотового горшка.

Шаг 9: Подготовка SS495a модуля датчика Холла

Вырежьте макет PCB на две части, одну часть, чтобы прикрепить датчик холла, а другой — к цепи LM324. Прикрепите два магнитных датчика перпендикулярно печатной плате. Используйте тонкие провода для соединения двух штырей датчиков VCC вместе, сделайте то же самое с контактами GND. Выходные контакты отдельно.

Шаг 10: Цепь Op-amp

Припаяйте гнездо и резисторы к печатной плате, следуя схеме, обратив внимание на то, чтобы поместить два потенциометра в одном направлении для более легкой калибровки позже. Присоедините LM324 к гнезду, затем подключите два выхода модуля датчиков холла к цепи op-amp.

Два выходных провода LM324 подключите к Arduino. Вход 12 В с входом 12 В модуля L298N, выход 5 В модуля L298N к 5V потенциометра.

Шаг 11: Сборка электромагнитов

Соберите электромагниты на акриловый лист, они закреплены в четырех отверстиях вблизи центра. Затяните винты, чтобы избежать движения. Поскольку электромагниты симметричны по центру, они всегда находятся на полюсах напротив, так что провода на внутренней стороне электромагнитов соединены вместе, а провода на внешней стороне электромагнитов подключены к L298N.

Протяните провода под акриловым листом через соседние отверстия, чтобы подключиться к L298N. Медный провод покрыт изолированным слоем, поэтому вы должны удалить его ножом, прежде чем вы сможете припаять их вместе.

Шаг 12: Сенсорный модуль и магниты

Используйте горячий клей для фиксации модуля датчика между электромагнитами, обратите внимание, что каждый датчик должен быть квадратным с двумя электромагнитами, один на передней и другой на задней панели. Попробуйте выполнить калибровку двух датчиков как можно более централизованно, чтобы они не перекрывались, что сделает датчик наиболее эффективным.

Следующий шаг — собрать магниты на акриловой основе. Объединяя два магнита D15*4 мм и магнит D15*3 мм вместе, чтобы сформировать цилиндр, это приведет к тому, что магниты и электромагниты будут иметь одинаковую высоту. Соберите магниты между парами электромагнитов, обратите внимание, что полюса восходящих магнитов должны быть одинаковыми.

Шаг 13: Разъем питания постоянного тока и выход L298N 5V

Припаяйте гнездо питания постоянного тока двумя проводами и используйте термоусадочную трубку. Подключенный разъем питания постоянного тока к входу модуля L298N, его выход 5 В будет подавать питание на Arduino.

Шаг 14: L298N и Arduino

Подключите модуль L298N к Arduino, следуя приведенной выше схеме:

L298N → Ардуино
5V → VCC
GND → GND
EnA → 7
В1 → 6
В2 → 5
В3 → 4
В4 → 3
EnB → 2

Шаг 15: Arduino Pro Mini программер

Поскольку у Arduino pro mini нет USB-порта для последовательного порта, вам необходимо подключить внешний программатор. FTDI Basic будет использоваться для программирования (и питания) Pro Mini.

Шаг 16: Подготовка плавающей части

Соедините два магнита D35*5 для увеличения магнетизма.

Шаг 17: Калибровка

Загрузите программу ReadSetpoint.ino в Arduino, которую можно скачать выше. Эта программа будет считывать значения датчика Холла и отправлять их на компьютер через последовательный порт. Откройте COM-порт, чтобы увидеть его. Подключите 12 В постоянного тока к гнезду питания постоянного тока, вы также используете осциллограф для считывания значения датчика.

Наблюдайте значения на экране и внесите корректировки, установив два потенциометра. Наилучшее значение — 560, при этом выход датчика составляет около 2,5 В. После установки заданного значения поместите плавающий магнит над базовой частью и встряхните его, чтобы увидеть изменение значения установки (Setpoint) на экране.

Шаг 18: Загрузка основной программы

После калибровки значения установки (Setpoint) самое время получить результаты. Загрузите основную программу Levitation.ino, которая приведена выше.

Используйте супер клей для фиксации магнита и держателя магнита, который ранее был напечатан на 3D-принтере. После загрузки основной программы вы можете внести небольшие корректировки на потенциометры, чтобы плавающая деталь была зафиксирована в центре.

Шаг 19: Собираем всё вместе

Сначала прикрепите гнездо питания постоянного тока к горшку, затем поместите оставшиеся части в горшок. Наконец, используйте оставшийся акриловый лист, чтобы сделать поверхность горшка.

Шаг 20: Подготовка растения

Прикрепите деревянный горшок к плавающей части магнита. Мы использовали маленький кактус для посадки. Вы можете использовать кактус или суккулент или любой мини-бонсай, который является маленьким и легким.

Шаг 21: Финальный результат

Наслаждайтесь своим результатом, благодаря вашим усилиям вы сделали отличный проект, который теперь будет радовать вас и ваших друзей.

Искусство выращивания карликовых деревьев бонсай само по себе очень необычно, но изобретательные японцы решили, что маленькие деревья уже не так удивляют. Они умудрились научить карликовые деревца летать.

Сейчас на рынке встречаются парящие колонки. Производители утверждают, что так удается добиться лучшего звучания, но скорее всего главное здесь — вау-эффект. В основе таких колонок лежит принцип магнитной левитации, когда один магнит парит над другим благодаря отталкиванию одноименных полюсов.

По таком же принципе работают и летающие деревья от японских разработчиков. Деревце парит над специальной базой, которая подключается в сети. Само растение посажено в магнитный горшок сферической формы. В базу помимо электромагнита встроен еще и поворотный механизм, благодаря которому бонсай парит в воздухе и вращается вокруг своей оси.

Стоит помнить, что дерево живое, поэтому за ним нужно соответствующим образом ухаживать. В зависимости от цены самого дерева новинка будет стоить от 200 до 10 000 долларов.

Если вы являетесь постоянным читателем данного сайта, то наверняка помните статью о самодельном левитроне, который с помощью магнитного поля (создаваемого электромагнитом) может удерживать металлические предметы в воздухе. В данной статье хочу вас познакомить с еще одним вариантом левитрона, магнитное поле которого создается с помощью постоянных магнитов, а левитирующим предметом будет волчок с неодимовым магнитом

Видео инструкция — как сделать левитрон своими руками

Большие магниты можно снять с динамиков от телевизора, муз. центра и пр. Неодимовый магнит находится в динамиках сотовых телефонов.

Настройка левитрона

На большой магнит положите пластину (не металлическую) толщиной не более 1см. Установите волчок в центр магнита и слегка придерживайте ручку волчка, если волчок соскальзывает в бок, то в середине магнита недостаточно магнитного поля. Исправляется это путем замены большого магнита на магнит с большим внутренним диаметром.

Для платформы запуска используем любую не металлическую пластину толщиной 3-4 см. и с помощью бумажных листов увеличиваем толщину до тех пор, пока запущенный волчок не начнет нормально крутиться на месте. Если волчок будет прилипать к краю, то его вес слишком мал. Далее плавно поднимаем платформу, волчок должен подлететь вверх. Если он подлетает слишком высоко, то необходимо увеличить его вес, который подбирается с точностью до 0.1 г. Автор для утяжеления использовал изоленту (желтая, по краю) Если подлетает невысоко и улетает в сторону, то необходимо проследить, в какую сторону улетает волчок и с противоположной стороны, под большой магнит подложить листы (таким образом, производится настройка магнитного поля, относительно уровня моря).

Самый простой и наглядный пример магнитной левитации, которая создается на постоянных магнитах – это так называемый левитрон. Эту игрушку придумал американский изобретатель почти 30 лет назад. В основе конструкции всего два кольцевых магнита. Большой лежит строго горизонтально, а маленький вращается и зависает над ним. Что же его удерживает от падения? За счет чего достигается такой эффект? Игорь Белецкий высказывает на видео идеи практической реализации левитрона и проводит опыты.Естественно, постоянные магниты направлены друг к другу одноименными полюсами, что и заставляет их отталкиваться. Но для устойчивой магнитной левитации этого мало. Большой кольцевой магнит создает особую форму магнитного поля. Другими словами образуется магнитная впадина или потенциально яма, на дне которой волчок и находят свою устойчивость. Но это всего лишь позволяет ему не свалиться в сторон.
Решающим фактором для стабильной левитации является вращение самого волчка, вследствие чего возникает в гироскопический эффект, благодаря нему волчок не опрокидывается, хотя постоянно к этому стремится, и как только трение а воздух притормозит его вращение, сила магнитного притяжения возьмет верх.
Было бы заманчиво найти практическое применение такому подвесу. Например, сделать бесконтактный маховик – накопителя энергии. Но беда в том, что что по схеме левитрона, когда большой магнит удерживает маленький, не получается подвесить массивное тело. Сила отталкивания крайне мала – жалкие 30 грамм. Это предел. Нагрузишь больше и система сложится, а увеличивать габариты магнита непрактично и дорого. Но как же так? Неодимовые магниты обладают просто чудовищной силой отталкивания, и это действительно так.

Продаются магниты дешевле в этом китайском магазине.
Автор видео Игорь Белецкий попытался реализовать динамическую левитацию по принципу магнитного подвеса, расположив ось вращения вертикально.Вес маховика легко компенсируется двумя маленькими кольцевыми магнитами, а вот осевую стабилизацию должны были обеспечить небольшие магниты на концах оси. Плюс гироскопический эффект от вращения самого маховика. К сожалению, проведя множество экспериментов, он так и не добился желаемого. Возможно, он снова выбрал не самую удачную схему, потому что, чем больше в системе магнитов, а значит и напряжений, тем сложнее ее уравновесить.

Самый простой и дешевый способ магнитного подвеса предложил еще профессор механики Нурбей Гулия. Он просто перенес всю массу маховика на кольцевые магниты, а осевую стабилизацию оставил за обычными подшипниками, что вполне логично, ведь при вертикальной оси вращения нагрузка на них минимальная, как и потери на трение. Это, конечно, не чистая левитация, но что то весьма близкое. Автор ролика быстро собрал похожую конструкцию и убедился в ее практичности. Вместо подшипников для стабилизации оси он использовал графитовые втулки. Трение у них действительно минимально. Теперь бы еще поместить всё в безвоздушную капсулу и получится настоящий накопитель механической энергии. А потом, для полного счастья, было бы логично сделать бесконтактный отбор мощности. Самый простой способ – превратить маховик в магнитный ротор. Например, добавим катушку индуктивности и получим генератор, который при необходимости сможет работать и как электромотор для раскрутки маховика накопителя. Но это уже совсем другая история.

Отличная модель небольшой подставки под фрукты. Вы явно удивите всех этой самоделкой, поскольку незнающих она просто повергает в шок и вызывает один единственный вопрос: КАК?!!!

В действительности принцип Tensegrity или напряженно-связанных отдельных конструкций известен с 20-го века. Оптическая иллюзия, это самая эффектная часть таких конструкций, особенно когда они большие, как например, мосты. Они реально впечатляют.

Но для наглядной демонстрации этого принципа сегодня мы обойдемся гофро-картоном. Итак, приступим!

Шаг 1: Нарисуйте и вырежьте детали на картоне

Начнем с 4 квадратов 19 х 19 см. Затем сделайте 4 ноги, 9,5 см в ширину и длину 37 см, как показано на фото. Далее вам понадобятся 2 квадрата 5 х 5 см, разрезанных на треугольники. Отрежьте несколько полосок тонкого картона, которые будут использоваться, чтобы покрыть затем края. Эти полоски будут шириной в 2 ножки друг от друга, что в два раза больше толщины картона. Картон, который здесь использован, имеет толщину 5 мм, поэтому нам пришлось разрезать полоски до ширины 10 мм.

Шаг 2: Склейка первых деталей

Приклейте один из квадратов поверх другого горячим клеем, и повторите это с остальными двумя квадратами, чтобы в итоге получилось 2 квадрата с двумя стопками. Сделайте то же самое с ножками подставки (2×2). Приклейте ножки подставки на квадраты посередине и по краю. Используйте треугольную линейку или что-нибудь еще, чтобы убедиться, что угол правильный. Позже укрепите ногу с помощью картонных треугольников (5×5 см), которые вы сделали ранее.

Шаг 3: Магические тросы и детализации

Используйте достаточное количество клея, чтобы прикрепить кусок веревки к ноге, как показано на рисунке. Можно укрепить соединение прозрачным скотчем. Следующую операцию нужно сделать аккуратно, поскольку это затрагивает все открытые края картона (только первая нога / квадрат). Это также делает ногу сильнее.

Шаг 4: Соедините 2 части подставки вместе

Приклейте другой конец веревки на вторую ногу. В нашем случае выдержано расстояние 9 см между двумя частями. После соединения двух частей, вы можете закончить часть подставки 2 полосами, как делали в предыдущем шаге.

Шаг 5: Создайте временную опору

Это важный шаг. Прежде чем вы сможете применить нить для баланса, вам нужно расположить обе части как можно лучше. Здесь использованы 4 куска картона, чтобы удерживать плавающую часть в горизонтальном положении. Важно чтобы веревка посередине была немного натянута. Таким образом, плавающая столешница будет висеть в прямом положении, а не на одной стороне.

Шаг 6: Добавление темы для баланса

Используйте шило или иглу и нить, чтобы пробить верхнюю поверхность и сделать узел. Закрепите узел немного горячим клеем. Когда высохнет, проткните через нижнюю часть и закрепите горячим клеем. Убедитесь, что соединяющие нити не перетянуты, потому что это может негативно повлиять на равномерность модели.

Шаг 7: Снимите временную опору и получите свое маленькое чудо техники!

Снимите стойки опоры, и если все правильно, у вас будет настоящая плавающая подставка!

Когда на подставке будет небольшое утяжеление, вы заметите, что размещение «груза» очень влияет на положение плавающей вершины. Остерегайтесь тяжелых вещей, таких как цветочные горшки или что-то подобное, потому что для этого потребуется версия из более крепких материалов. Наслаждайтесь и удивляйте некоторых людей своей магической подставкой! 🙂