Prototypový stabilizátor fotoaparátu (2DOF): 6 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Autori:

Robert de Mello e Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Poďakovanie:

Veľké ďakujem námornej akadémii Kalifornskej štátnej univerzity, jej programu inžinierskych technológií a doktorovi Changovi-Siuovi, že nám pomohli uspieť s naším projektom v takých komplikovaných časoch.

Úvod:

Stabilizátor fotoaparátu alebo kardanový záves je držiak, ktorý zabraňuje chveniu fotoaparátu a iným neoprávneným pohybom. Jeden z prvých stabilizátorov, ktorý kedy vynašiel, používal tlmiče/pružiny na tlmenie náhlych zmien pohybu kamery. Na vykonanie tej istej úlohy používajú iné typy stabilizátorov gyroskopy alebo opory. Tieto zariadenia stabilizujú nežiaduce pohyby až v troch rôznych osiach alebo rozmeroch. Patria sem osi x, y a z. To znamená, že stabilizátor môže tlmiť pohyby v troch rôznych smeroch: nakláňanie, rozstup a vybočenie. To sa zvyčajne dosahuje pomocou troch motorov riadených elektronickým riadiacim systémom, z ktorých každý pôsobí proti inej osi.

Tento projekt nás mimoriadne zaujal z niekoľkých dôvodov. Každý z nás má rád rôzne outdoorové aktivity, ako je snowboarding a iné športy. Získať vysokokvalitné zábery týchto aktivít je náročné kvôli množstvu potrebného pohybu. Niekoľko z nás vlastní skutočný stabilizátor fotoaparátu kúpený v obchode, a preto sme chceli zistiť, čo je potrebné na vytvorenie niečoho takého. V laboratóriu a na prednáškach sme sa naučili, ako interagovať so servomotormi pomocou Arduina, kódovanie potrebné na ich fungovanie a teóriu elektronických obvodov, ktoré nám pomôžu navrhnúť obvody.

*POZNÁMKA: Vzhľadom na ochorenie COVID-19 sa nám nepodarilo dokončiť tento projekt v celom rozsahu. Tento návod je sprievodcom obvodmi a kódom potrebným pre prototyp stabilizátora. Máme v úmysle dokončiť projekt vždy, keď sa obnoví škola a budeme mať opäť prístup k 3D tlačiarňam. Dokončená verzia bude mať obvod batérie a kryt s 3D tlačou so stabilizačnými ramenami (znázornené nižšie). Upozorňujeme tiež, že napájanie servomotorov z napájacieho zdroja Arduino 5v je spravidla zlá prax. Jednoducho to robíme, aby sme umožnili testovanie prototypu. V konečnom projekte bude zahrnutý samostatný zdroj napájania, ktorý je znázornený na schéme zapojenia nižšie.

Zásoby

-Arduino UNO mikrokontrolér

-Breadboard

-Sada drôtového prepojenia

-MPU6050 Inerciálna meracia jednotka

-MG995 servomotor (x2)

-LCD1602 modul

-Joystickový modul

Krok 1: Prehľad projektu

Hore je video z nášho projektu a tiež ukazuje funkčnú ukážku.

Krok 2: Teória a prevádzka

Na stabilizáciu našej kamery sme použili dva servomotory na stabilizáciu osi pitch and roll. Inerciálna meracia jednotka (IMU) sníma zrýchlenie, uhlové zrýchlenie a magnetickú silu, ktoré môžeme použiť na určenie uhla kamery. Keď je k zostave pripojená jednotka IMU, môžeme pomocou nasnímaných údajov automaticky pôsobiť proti zmene pohybu kľučky pomocou serva. Navyše pomocou joysticku Arduino môžeme ručne ovládať dve osi otáčania, jeden motor pre každú os.

Na obrázku 1 vidíte, že kotúč je vyvážený servomotorom valca. Keď sa rukoväť pohybuje v smere valca, servomotor valca sa bude otáčať v rovnakom, ale opačnom smere.

Na obrázku 2 vidíte, že uhol sklonu je ovládaný samostatným servomotorom, ktorý funguje podobne ako valivý servomotor.

Servomotory sú pre tento projekt dobrou voľbou, pretože kombinujú motor, snímač polohy, malý vstavaný mikrokontrolér a mostík H, ktorý nám umožňuje ručne a automaticky ovládať polohu motora prostredníctvom Arduina. Pôvodný návrh predpokladal iba jeden servomotor, ale po určitom zvažovaní sme sa rozhodli použiť dva. Ďalšími pridanými komponentmi boli LCD obrazovka Arduino a joystick. Účelom LCD obrazovky je zobraziť, v akom stave sa stabilizátor aktuálne nachádza a aktuálny uhol každého serva pri manuálnom ovládaní.

Na vytvorenie puzdra na uloženie všetkých elektrických komponentov sme použili počítačom podporovaný dizajn (CAD) a použijeme 3D tlačiareň. Na uchytenie elektrických komponentov sme navrhli telo, ktoré bude fungovať aj ako držadlo. Tu bude namontovaný snímač IMU a joystick. Pre dvojosé ovládanie sme navrhli úchytky pre motory.

Krok 3: Stavový/logický diagram

Kód pozostáva z troch stavov, z ktorých každý bude indikovaný na LCD obrazovke. Keď je Arduino napájaný, LCD obrazovka vytlačí „Inicializácia …“a komunikácia I2C sa spustí s MPU-6050. Počiatočné údaje z MPU-6050 sa zaznamenajú, aby sa našiel priemer. Potom Arduino prejde do režimu manuálneho ovládania. Tu je možné obidva servomotory nastaviť ručne pomocou joysticku. Ak stlačíte tlačidlo joysticku, prejde do stavu „Auto Level“a stabilizačná plošina bude udržiavať úroveň vzhľadom na Zem. Akýkoľvek pohyb v smere nakláňania alebo rozstupu bude pôsobiť proti servomotorom, čím sa platforma udrží na úrovni. Ďalším stlačením joysticku vstúpi Arduino do stavu „Nerobiť nič“, kde budú zablokované servomotory. V tomto poradí sa stavy budú naďalej meniť s každým stlačením joysticku.

Krok 4: Schéma zapojenia

Vyššie uvedený obrázok ilustruje schému zapojenia projektu v režime VYPNUTÉ. Mikrokontrolér Arduino poskytuje potrebné pripojenia na ovládanie MPU-6050 IMU, joysticku a LCD displeja. Články LiPo sú priamo pripojené k meniču a napájajú tak mikrokontrolér Arduino, ako aj oba servomotory. Počas tohto režimu prevádzky sú batérie zapojené paralelne s použitím 3-bodového prepínača s dvojitým vrhaním (3PDT). Prepínač nám umožňuje odpojiť záťaž a súčasne pripojiť nabíjačku a prepnúť články zo série na paralelnú konfiguráciu. Vďaka tomu sa batéria súčasne nabíja.

Keď je prepínač prepnutý do režimu ON, dva články 3,7 V budú napájať motory Arduino a Servo. Počas tohto režimu prevádzky sú batérie zapojené do série s použitím 3-bodového prepínača s dvojitým vrhaním (3PDT). To nám umožňuje získať 7,4 V z nášho zdroja energie. LCD obrazovka aj snímač IMU používajú komunikáciu I2C. Na prenos údajov sa používa SDA, zatiaľ čo SCL je hodinový riadok používaný na synchronizáciu dátových prenosov. Servomotory majú každý tri vodiče: napájací, uzemňovací a dátový. Arduino komunikuje so servom cez piny 3 a 5; tieto piny používajú moduláciu šírky impulzov (PWM) na prenos údajov s plynulejšími prechodmi.

*Obvod nabíjania batérie pochádza z webu Adafruit.com

Krok 5: Konštrukcia

Základný dizajn kardanového závesu je pomerne jednoduchý, pretože je to v podstate iba držadlo a držiak pre fotoaparát. Gimbal sa skladá z dvoch servomotorov, ktoré pôsobia proti pohybu v smere náklonu a sklonu. Používanie Arduina Uno vyžaduje značné množstvo priestoru, preto sme v spodnej časti držadla pridali aj puzdro, ktoré pojme všetky elektrické súčiastky. Držiaky puzdra, držadla a servomotora budú vytlačené 3D, čo nám umožní minimalizovať náklady a celkovú veľkosť, pretože môžeme mať plnú kontrolu nad dizajnom. Existuje niekoľko spôsobov, ako by bolo možné navrhnúť kardan, ale najväčším faktorom, ktorý je potrebné zvážiť, je zabrániť otáčaniu jedného servomotora do druhého. V prototype je jeden servomotor v podstate spojený s druhým. Akonáhle budeme mať opäť prístup k 3D tlačiarňam, 3D rameno a plošinu vytlačíme vyššie.

*Návrhy ramena a platformy pochádzajú z

Krok 6: Celkové zistenia a potenciálne vylepšenia

Počiatočný výskum, ktorý sme urobili na kardanových kardanoch, bol veľmi zastrašujúci. Napriek tomu, že na túto tému bolo k dispozícii množstvo zdrojov a informácií, zdalo sa, že ide o projekt, ktorý by bol mimo našej ligy. Začali sme pomaly, robili sme toľko výskumu, koľko sme mohli, ale málo sme absorbovali. Každý týždeň sme sa stretávali a spolupracovali. Ako sme pracovali, získavali sme stále väčšiu dynamiku a v konečnom dôsledku sme sa pre projekt začali menej báť a byť viac nadšení. Aj keď sme pridali ďalší joystick a LCD obrazovku, je toho veľa, čo by sme do projektu mohli pridať. Existuje aj niekoľko vylepšení, ktoré je možné pridať, napríklad obmedzenia manuálneho ovládania, ktoré by používateľovi zabránili otáčať jeden servomotor do druhého. Toto je malý problém a môže byť tiež vyriešený iným spôsobom montáže. Diskutovali sme aj o možnostiach pridania funkcie posúvania. To by užívateľovi umožnilo použiť servomotory na pohyb po oblasti v určenom čase.

Ako tím sme spolu všetci veľmi dobre spolupracovali. Napriek okolnostiam a iba schopnosti virtuálne sa stretávať sme z toho vyťažili maximum a udržovali sme častú komunikáciu. Všetky diely a súčasti boli poskytnuté jednej osobe, a preto bolo pre zvyšok skupiny trochu ťažšie pomôcť pri riešení akýchkoľvek problémov, ktoré sa vyskytli. Dokázali sme sa vysporiadať s problémami, ktoré vznikli, ale keby sme mali všetci rovnaké materiály, trochu by nám to pomohlo. Celkovo bol najväčším prínosom k dokončeniu nášho projektu schopnosť každého člena mať dostupnosť a ochotu stretnúť sa a porozprávať sa o projekte.