Základy animatroniky - servomotor: 8 krokov

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

Či už je to veselé vystavenie na prázdniny vo výklade obchodného domu, alebo strašidelný halloweensky žart, nič nepúta pozornosť tak ako animovaná bábka.

Tieto elektronicky riadené animácie sa niekedy nazývajú "animatronics" a tento návod vás naučí, ako vytvoriť najzákladnejší druh, ktorý je ovládaný jediným servomotorom.

Ako mozog použijeme mikrokontrolér Arduino a uvidíme, ako vo vnútri funguje potenciometer a servo, tiež vás naučí, ako vytvoriť tri rôzne metódy ovládania:

1 - Neustále sa opakujúci pohyb

2 - Diaľkovo ovládaný pohyb

3 - Spustený pohyb (pomocou svetelného senzora)

Krok 1: Zoznam dielov

Budete potrebovať mikrokontrolér (na prvom obrázku je Arduino z https://adafru.it spolu s ich súpravou lacných dielov za spolu 30 dolárov) a servomotor (malá verzia Tower je zobrazená na druhom obrázku spolu s niektorými časťami konektorov z rovnakého obchodu za 12 dolárov). Budete potrebovať aj malý kondenzátor alebo výkonnejší zdroj napätia, ak obsluhujete viacero servomotorov (9V nástenná nabíjačka pre Arduino bude fungovať)

Mikrokontrolér je celý počítač PC na jednom čipe. Očividne nie je taký výkonný ako váš domáci počítač, má veľmi malú RAM, žiadnu diskovú jednotku, žiadnu klávesnicu ani myš, ale je skutočne skvelý v ovládaní vecí (odtiaľ názov). Jeden z týchto čipov nájdete v mnohých každodenných predmetoch, ako sú práčky a počítače na automatické vstrekovanie paliva.

Mikrokontroléry značky „Arduino“tiež pridávajú ďalšie obvody, ktoré ich spájajú s vonkajším svetom, a umiestňujú ich na praktickú dosku.

Všimnite si, že v „súprave rozpočtových dielov“je niekoľko drôtov, odporov, diód LED a modrého páru gombíkov, ktoré sa nazývajú potenciometre. Viac o potenciometroch v nasledujúcom kroku.

Nakoniec budete potrebovať servomotor a dodáva sa s niekoľkými skrutkovacími konektormi, ktoré ho pripevnia k pohybujúcej sa bábke. V tejto lekcii použijeme konektor v tvare X.

Krok 2: Kontrola potenciometra

Potenciometer je v podstate stmievač - alebo v elektronickej terminológii - pár variabilných rezistorov. Otáčaním gombíka urobíte jeden odpor väčší a druhý odpor menší.

Väčšinu času používame potenciometer (niekedy nazývaný „hrniec“) na ovládanie napätia pomocou schémy zapojenia uvedenej vyššie.

Obrázok úplne vľavo zobrazuje skutočný hrniec, pričom horný a dolný vodič je pripojený k napätiu +5 a uzemnenie a stredný vodič privádza požadované napätie. Stredný diagram zobrazuje symbol hrnca a posledný diagram ukazuje ekvivalentný obvod.

Obrázky sú s láskavým dovolením Wikimedia.org

Krok 3: Kontrola servomotora

Servomotor má štyri hlavné časti.

1. Motor, ktorý sa môže otáčať dopredu a dozadu, zvyčajne pri vysokých otáčkach a krútiacom momente.

2. Systém detekcie polohy, ktorý dokáže zistiť, v akom uhle sa servomotor v súčasnosti nachádza

3. Prevodový systém, ktorý môže vykonať mnoho otáčok motora a urobiť z neho malý uhlový pohyb.

4. Riadiaci obvod, ktorý môže opraviť chybu medzi skutočným uhlom a požadovaným uhlom nastavenej hodnoty.

Časti 1 a 2 sú zobrazené na prvom obrázku. Všimnite si, že časť 2 je potenciometer.

Časť 3 je zobrazená na druhom obrázku.

Časť 4 je zobrazená na treťom obrázku.

Krok 4: Opakovaný pohyb

Tu prinútime hlavu našej bábky „Bender“, aby sa otáčala doľava a doprava, dopredu a dozadu, pokiaľ je napájanie pripojené z kábla USB. Je to skvelé pre zábavné prázdninové predstavenie, ktoré chcete udržať v pohybe celý deň.

Arduino je dodávané s integrovaným vývojovým prostredím (IDE), čo je fantastický spôsob, ako povedať, že je dodávaný s aplikáciou pre váš počítač, ktorá vám umožní poskytnúť mu pokyny (ikona Arduino IDE je obrázok naboku). Tieto pokyny zostanú uložené na doske, aj keď odpojíte počítač, a začnú sa znova zobrazovať, keď znova pripojíte napájanie k Arduinu. V takom prípade použijeme softvér s názvom „Sweep“, ktorý nájdete v príkladoch IDE v kategórii „Servo“.

Ďalej pripojíte servo ku kondenzátoru stabilizovanému na 5 voltov (červený servo vodič na Arduino +5, hnedý servo vodič na Arduino GND) a na riadiaci signál (žltý servo vodič na výstupný výstup Arduino 9). Bábková hlava je voliteľná;-)

PODROBNOSTI:

Ak bolo vyššie uvedené trochu mätúce, podrobné pokyny sú nasledujúce:

Krok A - Programovanie Arduina

• Otvorte Arduino IDE (na pracovnej ploche by mala byť ikonou obrázku 8)
• V časti „Nástroje“skontrolujte, či je „Doska“nastavená na „Arduino/Genuino Uno“.
• Pripojte hardvér Arduino k počítaču pomocou kábla USB
• Uistite sa, že nastavenie „Port“v časti „Nástroje“je nakonfigurované aj pre Arduino.
• V časti „Súbory“vyberte „Príklad“s názvom „Sweep“(nájdete ho v časti „Servos“)
• Pred použitím alebo úpravou tohto súboru prosím „Uložiť ako“iný názov súboru (môže to byť vaše meno alebo čokoľvek, čo vyberiete). Vďaka tomu zostane súbor pre ďalšieho študenta používajúceho tento počítač nezmenený.
• Pomocou tlačidla so šípkou (alebo v časti „Skica“vyberte „Odovzdať“) nahrajte skicu Sweep do Arduina

Krok B - Pripojenie servomotora k zametaniu

V tejto časti budeme stavať variácie obvodov popísaných v https://learn.adafruit.com/adafruit-arduino-lesso… Pripojíme červený a hnedý vodič servo k +5 a GND Ardiuna, resp. K tomuto napätiu tiež umiestnime kondenzátor sploštenia napätia a nakoniec pripojíme žltý vodič serva k výstupnému kolíku 9 Arduina.

• Pri stavbe obvodu odpojte Arduino od USB portu.
• Budeme používať 5V a uzemnenie z dosky Arduino, takže ich priveďte na svoj breadboard pomocou červeného a zeleného vodiča.
• Pretože výkon môže byť z portu USB trochu neistý (málo prúdu a servomotor môže kvôli nízkemu prúdu spôsobiť reset dosky Arduino), umiestnime na toto napätie kondenzátor a zaistíme, aby vodič označený „mínus - “Je na pozemnej strane.
• Teraz pripojte červený (+5) a hnedý (uzemnený) kábel servo k doske na chlieb.
• Konečné elektrické pripojenie je riadiaci signál. Program SWEEP použije na odoslanie riadiaceho signálu kolík č. 9 Arduina, preto ho pripojte k žltému (riadiacemu) vodiču servomotora.
• VOLITELNÉ - Pred testovaním môžete na vrch servomotora umiestniť hlavu Animatronic podľa vlastného výberu a jej základňu. Buďte opatrní, pretože lícovanie nie je dokonalé a plastové diely sa lámu.
• Mali by ste byť schopní použiť napájanie USB na Arduino a mal by bežať program SWEEP, čo spôsobí, že servomotor sa bude pohybovať tam a späť.

Krok C - Úprava programu SWEEP

• Pred použitím alebo úpravou tohto súboru „Uložte ako“iný názov súboru (môže ísť o vaše meno alebo čokoľvek, čo vyberiete). Pravdepodobne ste to urobili už v kroku A. Pre každú z nižšie uvedených častí zaznamenajte svoje pozorovania a všetky zmeny, ktoré ste urobili v kóde.
• Pomocou stopiek zmerajte, ako dlho trvá zametanie úplne a späť _
• Vykonáte zmeny softvéru (niekedy sa nazýva „kód“alebo „skica“)
• Zmeňte obe hodnoty „Oneskorenia“z 15 na iné väčšie číslo (pre jednoduchosť výpočtov vyberte zaokrúhlený násobok 15). Akú hodnotu si použil? _. Čo si myslíte, aký bude nový čas SWEEP? _. Zmerajte nový čas SWEEP a zaznamenajte všetky nezrovnalosti _.
• Zmeňte oneskorenia späť na 15 a teraz zmeňte uhly polohy zo 180 na jednoducho 90 (obe tieto hodnoty). Aký je nový rozsah pohybu servomotora (90 stupňov alebo viac alebo menej?) _.
• Ponechajte rozsah pohybu na 90 stupňoch a znížte „Oneskorenie“na číslo menšie ako 15. Na aké malé číslo môžete prejsť, kým sa servo začne správať nevyrovnane alebo už nedokončí celý rozsah pohybu? _

Po dokončení týchto krokov budete mať všetky potrebné merania a cvičenia, aby ste boli pripravení použiť váš servomotor na ovládanie rôznych opakujúcich sa animatronických pohybov tam a späť, kdekoľvek od malého uhla až po 180 stupňov a tiež pri rôznych rýchlostiach, ktoré ovládate.

Krok 5: Diaľkovo ovládaný pohyb

V tomto kroku budeme namiesto toho, aby sme celý deň opakovali stále ten istý pohyb, v tomto kroku budeme diaľkovo ovládať polohu našej animatronickej bábky „C3PO“, aby vyzerala vľavo a vpravo a v akejkoľvek polohe medzi nimi. Pretože ovládanie vykonáva človek, nazývame to ovládanie „otvorenej slučky“.

Vďaka ovládaniu s otvorenou slučkou ovládate presnú polohu servomotora. Na otočenie budeme potrebovať gombík a použijeme na to modrý potenciometer.

• Budeme potrebovať ďalšie miesto na doske, ktoré má +5 a 0 (uzemnenie) voltov. Spustite tieto prepojovacie vodiče do oddelených radov na doske a urobte ich v jednom rade od seba, aby sa zhodovali s vonkajšími kolíkmi potenciometra, ktoré o chvíľu pridáme.
• Teraz pridajte potenciometer. Pred zasunutím kolíkov potenciometra do dosky na chlieb skontrolujte, či sú všetky tri zarovnané so správnymi otvormi, a potom kolíky zatlačte priamo nadol, aby sa neohli. Stredový kolík potenciometra bude pripojený k nule analógového vstupu (A0) na Arduine. Na tento účel je pridaný ďalší drôt.
• Aby bolo možné odčítať napätie z potenciometra a použiť ho na ovládanie servomotora, použijeme softvér „KNOB“, ktorý sa nachádza aj v časti Súbor -> Príklady -> Servo. Spustite program, otočte gombíkom a zaznamenajte, čo pozorujete.

Prirodzene, môžete spustiť niekoľko veľmi dlhých káblov, aby bol ovládací gombík v inej miestnosti ako animatronická bábka, alebo by ste mohli byť len kúsok (mimo záberu kamery, napríklad, keď robíte film).

Krok 6: Spustený pohyb (pomocou senzora)

Niekedy chcete, aby sa z vás bábka zrazu pohla - najmä kvôli strašidelným halloweenskym žartom alebo aby ste upútali ešte väčšiu pozornosť. V tomto kroku prekonfigurujeme našu bábku „Hlava Veľkonočného ostrova“, aby sa rýchlo otočila a postavila tvárou v tvár každému, kto ide okolo, a vrhá tieň na svetelný senzor.

V prípade senzorového ovládania servomotora použijeme svetelný senzor, ktorý bude ovládať presnú polohu servomotora. Čím tmavší je tieň vrhaný na senzor (a pravdepodobne čím bližšie osoba k bábke kráča), tým rýchlejšie a ďalej bábka otáča hlavou.

• Potenciometer odstránime a nahradíme ekvivalentným obvodom dvoch rezistorov. V tomto prípade bude jedným z dvoch rezistorov (R2) svetelný senzor.
• Aby sme dostali priestor, rozložili sme +5V (vľavo) a 0V uzemnenie (vpravo), aby sme mohli pridať odpor 10K Ohm a svetelný senzor, zapojené v strede v rovnakom rade ako prepojovací kábel vedúci k analógovému vstupu. nula (A0) na doske Arduino.
• Použite tieň ruky na zakrytie svetelného senzora a inými spôsobmi zaistte, aby svetelný senzor dostal čo najviac a najmenej možného množstva svetla. Ste schopní dosiahnuť plný rozsah pohybu 180 stupňov?

Rovnako ako vo verzii s diaľkovým ovládaním môžete umiestniť fotografický odpor v dostatočnej vzdialenosti od vašej animatronickej bábky a môžete zmeniť hodnoty odporu alebo softvérového programovania na zmenu reakcií bábok.

Krok 7: Teraz to vyskúšajte

Teraz ste zvládli tri základné druhy animatronického pohybu, ktoré môžete vytvárať s jediným servomotorom.

- Opakovaný pohyb

- Diaľkovo ovládaný pohyb

- Spustený pohyb pomocou senzorov

Môžete to posunúť na ďalšiu úroveň pomocou rôznych druhov bábok, pohybu, ovládacích prvkov a prirodzene aj umenia, ktoré môžete vytvárať iba vy!