Interaktívny laserový generátor listov s Arduinom: 11 krokov (s obrázkami)

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

Lasery je možné použiť na vytváranie neuveriteľných vizuálnych efektov. V tomto projekte som skonštruoval nový typ laserového displeja, ktorý je interaktívny a prehráva hudbu. Zariadenie otáča dvoma lasermi a vytvára dva svetelné listy podobné víru. Do zariadenia som zahrnul snímače vzdialenosti, aby sa s laserovými listami dalo manipulovať pohybom ruky smerom k nim. Keďže osoba interaguje so senzormi, zariadenie tiež prehráva hudbu prostredníctvom výstupu MIDI. Zahŕňa nápady z laserových harf, laserových vírov a displejov POV.

Prístroj je ovládaný zariadením Arduino Mega, ktoré prijíma vstupy ultrazvukových senzorov a vydáva typ vytvoreného laserového listu a generovanej hudby. Vďaka mnohým stupňom voľnosti rotujúcich laserov je možné vytvoriť veľa rôznych vzorov laserových listov.

Predbežne som brainstormingoval na projekte s novou umelecko -technologickou skupinou v St. Louis s názvom Dodo Flock. Emre Sarbek tiež vykonal niekoľko počiatočných testov na senzoroch používaných na detekciu pohybu v blízkosti zariadenia.

Pri konštrukcii zariadenia s laserovým listom pamätajte na bezpečnú prevádzku laserov a rotujúcich diskov.

Aktualizácia 2020: Uvedomil som si, že povrch vytvorený pomocou laserov je hyperboloid.

Krok 1: Zoznam dodávok

Materiály

Lasery -

Bezkartáčový motor -

Elektronický regulátor rýchlosti -

Servomotory -

Tranzistory

Preglejka

Plexisklo

Ultrazvukové snímače

Slipring -

Biele LED diódy -

Buck prevodníky

Drôt obalený drôtom

MIDI konektor

Potenciometer a gombíky -

Hardvér - https://www.amazon.com/gp/product/B01J7IUBG8/ref=o…https://www.amazon.com/gp/product/B06WLMQZ5N/ref=o…https://www.amazon. com/gp/product/B06XQMBDMX/ref = o…

Rezistory

Konektorové káble JST -

Sieťový vypínač

Napájanie 12V -

Lepidlo na drevo

super lepidlo

Skrutky do dreva

Predlžovací kábel USB -

Náradie:

Spájkovačka

Strihač káblov

Jig videl

Kotúčová píla

Mikrometer

Elektrická vŕtačka

Krok 2: Prehľad a schéma

Laserový lúč vytvára dobre kolimovaný (t.j. úzky) lúč svetla, takže jedným zo spôsobov, ako vytvoriť vrstvu svetla, je rýchlo posunúť lúč v určitom vzore. Napríklad na vytvorenie valcového svetelného listu by ste laserom otáčali okolo osi rovnobežnej so smerom, ktorým ukazuje. Na rýchle premiestnenie lasera môžete laser pripevniť na drevenú dosku pripevnenú na bezkefový jednosmerný motor. Len s týmto môžete vytvárať chladné valcové laserové víry!

Iné projekty laserového vírenia to dosahujú namontovaním nakloneného zrkadla na os otáčania stacionárnym laserom nasmerovaným do zrkadla. Tým sa vytvorí kužeľ laserového plechu. Pri tomto prevedení však budú všetky laserové listy pochádzať z jedného pôvodu. Ak sú lasery umiestnené mimo osi ako pri mnou vytvorenom dizajne, môžete vytvárať konvergujúce laserové listy, ako je tvar presýpacích hodín zobrazený na videu.

Ale čo keby ste chceli, aby svetelné listy boli dynamické a interaktívne? Aby som to dosiahol, pripevnil som dva lasery na serva a potom servo pripevnil na drevenú dosku. Teraz môžu serva nastaviť uhol lasera vzhľadom na os otáčania motora. Tým, že máte dva lasery na dvoch rôznych servách, môžete pomocou zariadenia vytvoriť dva rôzne svetelné listy.

Aby som mohol ovládať rýchlosť jednosmerného motora, pripojil som k Arduinu potenciometer, ktorý sníma vstup potenciometra a vydáva signál do elektrického regulátora rýchlosti (ESC). ESC potom riadi otáčky motora (pomerne vhodný názov, áno), v závislosti od odporu potenciometra.

Stav zapnutia/vypnutia lasera je riadený ich pripojením k emitoru tranzistora pracujúceho v saturácii (tj. Pracujúceho ako elektrický spínač). Na základňu tranzistora je odoslaný riadiaci signál, ktorý riadi prúd laserom. Tu je zdroj na ovládanie záťaže tranzistorom s arduino:

Polohu serva je možné ovládať aj pomocou Arduina. Keď sa doska otáča, so svetelnou fóliou je možné manipulovať zmenou polohy serva. Bez akéhokoľvek vstupu používateľa to len môže vytvoriť dynamické svetelné listy, ktoré sú fascinujúce. Okolo okraja zariadenia sú umiestnené aj ultrazvukové senzory, ktoré slúžia na zistenie, či si osoba dáva ruku blízko svetelných listov. Tento vstup sa potom používa na pohyb laserov na vytvorenie nových svetelných tabuliek ALEBO na generovanie MIDI signálu. MIDI konektor je pripojený na prenos MIDI signálu do MIDI hracieho zariadenia.

Krok 3: Ovládanie bezkartáčového motora pomocou Arduina

Aby ste vytvorili svetelné listy podobné vírom, musíte laserový lúč otočiť. Aby som to dosiahol, rozhodol som sa skúsiť použiť bezkartáčový jednosmerný motor. Dozvedel som sa, že tieto typy motorov sú skutočne obľúbené medzi modelmi lietadiel a dronov, a tak som prišiel na to, že použitie bude celkom jednoduché. Cestou som narazil na niekoľko zádrheľov, ale celkovo som spokojný s tým, ako motor pre projekt funguje.

Najprv je potrebné namontovať motor. Na mieru som navrhol časť na uchytenie motora a pripevnenie k doske, ktorá drží zariadenie. Keď bol motor zaistený, pripojil som motor k ESC. Z toho, čo som čítal, znie naozaj náročné používať bezkartáčový motor bez neho. Na roztočenie motora som použil Arduino Mega. Spočiatku som nemohol roztočiť motor, pretože som práve pripájal riadiaci signál k 5 V alebo k zemi, bez správneho nastavenia základnej hodnoty alebo kalibrácie ESC. Potom som nasledoval návod Arduino s potenciometrom a servomotorom, a tým sa motor roztočil! Tu je odkaz na návod:

Káble ESC je možné v skutočnosti akýmkoľvek spôsobom pripojiť k bezkartáčovému motoru. Budete potrebovať nejaké ženské banánové konektory. Hrubšie červené a čierne káble na ESC sú pripojené k zdroju jednosmerného prúdu pri 12 V a čiernobiele káble na riadiacom konektore ESC sú pripojené k uzemneniu a kontrolnému kolíku na Arduine. V tomto videu sa dozviete, ako kalibrovať ESC:

Krok 4: Konštrukcia podvozku laserového plechu

Potom, čo sa motor roztočí, je načase postaviť podvozok z ľahkého plechu. Odrezal som kus preglejky pomocou CNC stroja, ale môžete použiť aj priamočiaru pílu. Preglejka drží ultrazvukové senzory a má v sebe otvor, do ktorého sa zmestí kus plexiskla. Plexisklo by malo byť pripevnené k drevu pomocou epoxidu. Sú navrhnuté tak, aby sa do nich vošiel krúžok.

Potom sa nareže ďalší kruhový list preglejky, aby držal bezkartáčový motor. V tomto liste dreva sú vyvŕtané otvory, aby mohli neskôr v konštrukcii prechádzať drôty. Po pripevnení držiaka motora a vyvŕtaní otvorov sa dva listy preglejky prichytia 1 x 3 doskami narezanými na dĺžku asi 15 cm a kovovými konzolami. Na fotografii môžete vidieť, ako je plexisklo nad motorom a lasermi.

Krok 5: Zostava laserového a servomotora

Variabilné svetelné listy sú vytvárané pohyblivými lasermi vzhľadom na os otáčania. Navrhol som a 3D vytlačil držiak, ktorý pripevňuje laser k servu, a držiak, ktorý spája servo s rotujúcou doskou. Najprv pripevnite servo k držiaku serva pomocou dvoch skrutiek M2. Potom zasuňte maticu M2 do držiaka lasera a utiahnite nastavovaciu skrutku, aby laser zostal na svojom mieste. Pred pripojením lasera k servu sa musíte uistiť, že je servo otočené do svojej stredovej prevádzkovej polohy. Pomocou návodu na servo nasmerujte servo na 90 stupňov. Potom pomocou skrutky namontujte laser podľa obrázku. Musel som tiež pridať kúsok lepidla, aby som zaistil, že sa laser neúmyselne neposunie.

Na vytvorenie dosky, ktorá má rozmery okolo 3 cm x 20 cm, som použil laserovú rezačku. Maximálna veľkosť svetlého plechu bude závisieť od veľkosti drevenej dosky. Potom bol do stredu dosky vyvŕtaný otvor, aby zapadol na bezkartáčový hriadeľ motora.

Potom som nalepil zostavu laserovo-servo na dosku tak, aby boli lasery vycentrované. Zaistite, aby všetky súčasti dosky boli vyvážené vzhľadom na os otáčania dosky. Spájkujte konektory JST k laserom a servo káblom, aby ich bolo možné v nasledujúcom kroku pripojiť k slipringu.

Nakoniec dosku s priloženými laserovo-servo zostavami pripevnite na bezkartáčový motor podložkou a maticou. V tomto mieste vyskúšajte bezkartáčový motor, aby ste sa presvedčili, že sa doska môže otáčať. Dávajte pozor, aby ste neotáčali motor príliš rýchlo a nedávajte ruku do dráhy otáčania dosky.

Krok 6: Inštalácia Slipringu

Ako zabránite zamotaniu drôtov pri otáčaní elektroniky? Jedným zo spôsobov je použiť batériu na napájanie a pripojiť ju k rotujúcej zostave, ako je to v tomto návode na používanie POV. Ďalším spôsobom je použiť slipring! Ak ste o popruhu ešte nepočuli alebo ho ešte nepoužili, pozrite sa na toto skvelé video, ktoré ukazuje, ako funguje.

Najprv pripevnite ostatné konce konektorov JST na slipring. Nechcete, aby boli drôty príliš dlhé, pretože pri otáčaní dosky sa môže niečo zachytiť. Pripevnil som slipring k plexisklu nad bezkartáčovým motorom a vŕtam do otvorov pre skrutky. Dávajte pozor, aby ste pri vŕtaní nepraskli plexisklo. Na získanie presnejších otvorov môžete použiť aj laserovú rezačku. Akonáhle je slipring pripevnený, pripojte konektory.

V tomto mieste môžete posúvajúce sa drôty pripojiť k kolíkom Arduina a vykonať niekoľko predbežných testov s generátorom laserových listov.

Krok 7: Spájkovanie elektroniky

Rozrezal som prototypovú dosku na pripojenie všetkej elektroniky. Pretože som použil napájanie 12 V, musím použiť dva meniče DC-DC: 5 V pre lasery, serva, potenciometre a MIDI konektory a 9 V pre Arduino. Všetko bolo prepojené podľa schémy buď spájkovaním alebo obalením drôtom. Doska bola potom pripojená k 3D tlačenej časti pomocou stojanov PCD.

Krok 8: Konštrukcia elektronickej skrinky

Celá elektronika je uložená v drevenej krabici. Po stranách krabice som narezal rezivo 1x3 a vyrezal som na jednej strane veľký otvor, aby cez neho mohli prechádzať vodiče na ovládacom paneli. Boky boli spojené pomocou malých blokov dreva, lepidla na drevo a skrutiek. Po zaschnutí lepidla som brúsil po stranách škatule, aby som vyrovnal všetky nedokonalosti v škatuli. Potom som narezal tenké drevo na prednú, zadnú a spodnú časť škatule. Spodok bol pribitý k bokom a predná a zadná strana boli prilepené k krabici. Nakoniec som zmeral a vyrezal otvory rozmerov komponentov na prednom paneli skrinky: konektor napájacieho kábla, konektor USB, konektor MIDI a potenciometer.

Krok 9: Inštalácia elektroniky do škatule

Napájací zdroj som k skrinke pripevnil pomocou skrutiek, Arduino pomocou držiaka navrhnutého na mieru a dosku s plošnými spojmi vytvorenú v kroku 7. Potenciometer a konektor MIDI boli najskôr k doske plošných spojov pripojené pomocou drôtu na ovíjanie drôtu a potom sa prilepili k predný panel. AC konektor bol pripojený k zdroju napájania a DC výstup zdroja bol pripojený k vstupom prevodníkov Buck a káblov, ktoré sa pripájajú k bezkartáčovému motoru. Motorové, servo a laserové vodiče potom vedú otvorom v preglejke až do skrinky elektroniky. Predtým, ako sa budem zaoberať ultrazvukovými senzormi, som jednotlivo testoval komponenty, aby som sa ubezpečil, že je všetko správne zapojené.

Pôvodne som si kúpil napájací konektor striedavého prúdu, ale prečítal som si niekoľko zlých recenzií na jeho roztápanie, takže som mal na prednom paneli nesprávne dimenzované otvory. Preto som navrhol a vytlačil niektoré adaptéry zdviháka tak, aby zodpovedali veľkosti otvorov, ktoré som vyrezal.

Krok 10: Montáž a zapojenie ultrazvukových senzorov

V tomto mieste sú lasery, serva, bezkartáčový motor a MIDI konektor pripojené k Arduinu a je možné ich ovládať. Posledným hardvérovým krokom je pripojenie ultrazvukových senzorov. Navrhol som a 3D vytlačil ultrazvukový senzor. Potom som zapojil a rovnomerne pripevnil zostavy ultrazvukových senzorov k hornému preglejkovému listu generátora svetelného listu. Drôt obalený drôtom bol spustený do skrinky elektroniky vyvŕtaním otvorov do preglejkového plechu. Pripojil som drôtový obal k príslušným kolíkom na Arduine.

Bol som trochu sklamaný z výkonu ultrazvukového senzora. Fungovali celkom dobre na vzdialenosti od 1 cm do 30 cm, ale meranie vzdialenosti je mimo tento rozsah veľmi hlučné. Na zlepšenie pomeru signálu k šumu som sa pokúsil vykonať medián alebo priemer niekoľkých meraní. Signál však stále nebol dostatočne spoľahlivý, a tak som skončil s nastavením rozhrania pre hranie poznámky alebo výmenu laserového listu na 25 cm.

Krok 11: Programovanie dynamického laserového víru

Keď sú všetky káble a zostavy dokončené, je načase naprogramovať zariadenie svetelných listov! Existuje veľa možností, ale celkovou myšlienkou je zapojiť vstupy ultrazvukových senzorov a odoslať signály pre MIDI a ovládať lasery a serva. Vo všetkých programoch sa otáčanie dosky ovláda otáčaním potenciometra.

Budete potrebovať dve knižnice: NewPing a MIDI

V prílohe je celý kód Arduino.

Druhá cena za vynálezovú výzvu 2017