Prototípus kamera stabilizátor (2DOF): 6 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:40

Szerzői:

Robert de Mello és Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Köszönetnyilvánítás:

Hatalmas köszönet a Kaliforniai Állami Egyetem Tengerészeti Akadémiájának, annak mérnöki technológiai programjának és Dr. Chang-Siu-nak, akik segítettek abban, hogy sikeresen megvalósítsuk projektünket ilyen bonyolult időkben.

Bevezetés:

A fényképezőgép -stabilizátor vagy a kardántengely egy tartó, amely megakadályozza a fényképezőgép rázkódását és egyéb indokolatlan mozgását. Az egyik első stabilizátor, amelyet valaha feltaláltak, lengéscsillapítókat/rugókat használt a kamera mozgásának hirtelen változásainak csillapítására. Más típusú stabilizátorok giroszkópot vagy támasztópontot használnak ugyanazon feladat elvégzésére. Ezek az eszközök akár három különböző tengelyen vagy méretben is stabilizálják a nem kívánt mozgásokat. Ezek közé tartozik az x, y és z tengely. Ez azt jelenti, hogy a stabilizátor három különböző irányba képes elfojtani a mozgásokat: gurulás, dőlés és elfordulás. Ez általában három, elektronikus vezérlőrendszerrel vezérelt motor használatával érhető el, amelyek mindegyike különböző tengelyeket ellensúlyoz.

Több okból is kivételesen érdekelt minket ez a projekt. Mindannyian élvezzük a különféle szabadtéri tevékenységeket, például a snowboardot és más sportokat. Ezekről a tevékenységekről jó minőségű felvételeket készíteni nehéz a szükséges mozgás miatt. Párunknak van egy valódi, a boltból vásárolt kamera stabilizátora, ezért meg akartuk vizsgálni, hogy mi kell ahhoz, hogy ilyesmit hozzunk létre. Laboratóriumi és előadásóráinkon megtanultuk, hogyan kell kölcsönhatásba lépni a szervomotorokkal az Arduino használatával, a működésükhöz szükséges kódolással, valamint az áramkörök megtervezéséhez szükséges elektronikus áramkör elméletével.

*MEGJEGYZÉS: A COVID-19 miatt nem tudtuk befejezni ezt a projektet teljes egészében. Ez az útmutató útmutatás a stabilizátor prototípusához szükséges áramkörhöz és kódhoz. Szándékunkban áll befejezni a projektet, amikor újrakezdődik az iskola, és ismét hozzáférünk a 3D nyomtatókhoz. Az elkészült változat akkumulátoráramkörrel és 3D nyomtatott burkolattal rendelkezik, stabilizáló karokkal (lásd alább). Ezenkívül vegye figyelembe, hogy a szervomotorok kikapcsolása az Arduino 5v tápegységről általában rossz gyakorlat. Egyszerűen ezt tesszük, hogy lehetővé tegyük a prototípus tesztelését. A végső projekthez külön tápegység tartozik, és az alábbi kapcsolási rajzon látható.

Kellékek

-Arduino UNO mikrokontroller

-Kenyértábla

-Wire Jumper készlet

-MPU6050 Inerciamérő egység

-MG995 szervomotor (x2)

-LCD1602 modul

-Joystick modul

1. lépés: A projekt áttekintése

A fenti videó a projektünkről, és egy működő bemutatót is bemutat.

2. lépés: Elmélet és működés

Kamera stabilizálásához két szervomotorral stabilizáltuk a dőlésszöget és a gördülési tengelyt. Az Inertial Measurement Unit (IMU) érzékeli a gyorsulást, a szöggyorsulást és a mágneses erőt, amelyekkel meghatározhatjuk a kamera szögét. A szerelvényhez csatlakoztatott IMU -val az érzékelt adatok segítségével automatikusan ellensúlyozhatjuk a fogantyú mozgását a szervókkal. Továbbá az Arduino joystick segítségével manuálisan vezérelhetjük két forgástengelyt, egy -egy motort minden tengelyre.

Az 1. ábrán láthatja, hogy a tekercset a tekercs szervomotor ellensúlyozza. Amint a fogantyút a henger irányába mozgatják, a tekercs szervomotor egyenlő, de ellentétes irányba fog forogni.

A 2. ábrán látható, hogy a dőlésszöget egy külön szervomotor szabályozza, amely hasonlóan működik, mint a tekercs szervomotor.

A szervomotorok jó választás ehhez a projekthez, mert egyesíti a motort, a helyzetérzékelőt, a kisméretű beépített mikrokontrollert és a H-hidat, amely lehetővé teszi a motor helyzetének manuális és automatikus vezérlését az Arduino segítségével. A kezdeti tervezés csak egy szervo motort igényelt, de némi mérlegelés után úgy döntöttünk, hogy kettőt használunk. További összetevők az Arduino LCD képernyő és a joystick. Az LCD képernyő célja, hogy megjelenítse a stabilizátor állapotát és az egyes szervók aktuális szögét kézi vezérlés közben.

Az összes elektromos alkatrész befogadására alkalmas ház létrehozásához számítógépes tervezést (CAD) használtunk, és 3D nyomtatót fogunk használni. Az elektromos alkatrészek megtartásához olyan karosszériát terveztünk, amely fogantyúként is működik. Ide kerül az IMU érzékelő és a joystick felszerelése. A kéttengelyes vezérléshez a motorokhoz szereléseket terveztünk.

3. lépés: Állapot/logikai diagram

A kód három állapotból áll, amelyek mindegyike megjelenik az LCD képernyőn. Amikor az Arduino áramellátást kap, az LCD képernyőn megjelenik az „Inicializálás…” felirat, és az I2C kommunikáció megkezdődik az MPU-6050 készülékkel. Az MPU-6050 kezdeti adatait rögzítik, hogy megtalálják az átlagot. Ezt követően az Arduino kézi vezérlési módba lép. Itt mindkét szervomotor manuálisan állítható a joystick segítségével. Ha megnyomja a joystick gombot, akkor az „Auto Level” állapotba kerül, és a stabilizáló platform a Földhöz képest szinten marad. A tekerés vagy a pálya irányában bekövetkező bármilyen mozgást a szervomotorok ellensúlyozzák, így a munkaállvány vízszintes marad. A joystick gomb újabb megnyomásával az Arduino belép a „Ne csinálj semmit” állapotba, ahol a szervomotorok zárolva lesznek. Ebben a sorrendben az állapotok a joystick gomb minden megnyomásával tovább változnak.

4. lépés: Áramköri diagram

A fenti kép illusztrálja a projekt kapcsolási rajzát OFF módban. Az Arduino mikrokontroller biztosítja az MPU-6050 IMU, a joystick és az LCD kijelző futtatásához szükséges kapcsolatokat. A LiPo cellák közvetlenül a váltóhoz vannak csatlakoztatva, és áramot szolgáltatnak mind az Arduino mikrokontrollerhez, mind mindkét szervomotorhoz. Ebben az üzemmódban az elemeket párhuzamosan csatlakoztatják egy 3 pontos dupla dobás (3PDT) kapcsoló használatával. A kapcsoló lehetővé teszi, hogy lekapcsoljuk a terhelést, miközben egyidejűleg csatlakoztatjuk a töltőt, és kapcsoljuk a cellákat sorozatról párhuzamos konfigurációra. Ez lehetővé teszi az akkumulátor egyidejű töltését is.

Amikor a kapcsolót ON módba kapcsolja, két 3,7 V -os cella biztosítja az Arduino és a Servo Motors áramellátását. Ebben az üzemmódban az elemek sorba vannak kötve egy 3 pontos dupla dobás (3PDT) kapcsoló használatával. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy 7,4 V -ot nyerjünk áramforrásunkból. Mind az LCD képernyő, mind az IMU érzékelő I2C kommunikációt használ. Az SDA az adatok továbbítására szolgál, míg az SCL az adatátvitel szinkronizálására használt óravonal. A szervomotoroknak egyenként három vezetékük van: teljesítmény, föld és adat. Az Arduino a 3. és 5. csapon keresztül kommunikál a szervókkal; ezek a csapok impulzusszélesség -modulációt (PWM) használnak az adatok simább átmenetekkel történő továbbítására.

*Az akkumulátor töltési áramköre az Adafruit.com webhelyről származik

5. lépés: Építés

A kamera kardán alapfelépítése meglehetősen egyszerű, mivel lényegében csak egy fogantyú és tartó a fényképezőgéphez. A kardántengely két szervomotorból áll, hogy ellensúlyozza a gördülési és a menetiránybeli mozgásokat. Az Arduino Uno használata jelentős helyet igényel, ezért a fogantyú alján egy házat is hozzáadtunk, amely tartalmazza az összes elektromos alkatrészt. A ház, a fogantyú és a szervomotorok mind 3D nyomtatással készülnek, így minimalizálhatjuk a költségeket és a teljes méretet, mivel teljes mértékben irányíthatjuk a tervezést. Számos módon lehet tervezni a kardántengelyt, de a legnagyobb tényező, amelyet meg kell fontolni, annak elkerülése, hogy az egyik szervomotor elforduljon a másikba. A prototípusban az egyik szervomotor lényegében a másikhoz van rögzítve. Amikor ismét hozzáférünk a 3D nyomtatókhoz, 3D -ben kinyomtatjuk a fent látható kart és platformot.

*A kar és a platform tervei a https://howtomechatronics.com/ webhelyről származnak

6. lépés: Általános eredmények és lehetséges fejlesztések

A kezdeti kutatás, amelyet a fényképezőgép kardánszalagjain végeztünk, nagyon megfélemlítő volt. Bár rengeteg forrás és információ volt a témában, nagyon úgy tűnt, hogy ez egy olyan projekt, amely kívül esik a bajnokságunkon. Lassan kezdtünk, a lehető legtöbb kutatást végeztük, de keveset. Minden héten találkozunk és együttműködünk. Miközben dolgoztunk, egyre nagyobb lendületet kaptunk, és végül kevésbé féltünk és izgatottabbak lettünk a projekt miatt. Bár hozzáadtunk egy további joystickot és LCD képernyőt, még mindig sok mindent hozzáadhatunk a projekthez. Emellett néhány fejlesztés is hozzáadható, például a kézi vezérlés korlátozásai, amelyek megakadályozzák a felhasználót abban, hogy az egyik szervomotort a másikba forgassa. Ez egy kis probléma, és más rögzítési kialakítással is megoldható. Megbeszéltük a serpenyő funkció hozzáadásának lehetőségeit is. Ez lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy a szervomotorokkal meghatározott időn belül pásztázzon egy területen.

Csapatként mindannyian nagyon jól dolgoztunk együtt. A körülmények és csak a virtuális találkozás lehetősége ellenére a legjobbat hoztuk ki, és folyamatosan kommunikáltunk. Az összes alkatrészt és alkatrészt egy személy kapta, és ez egy kicsit megnehezítette a csoport többi tagja számára a felmerülő problémák elhárítását. Sikerült megoldanunk a felmerült problémákat, de ha mindannyian ugyanazokkal az anyagokkal rendelkezünk, akkor könnyebb lett volna a segítség. Összességében a legnagyobb hozzájárulás a projektünk befejezéséhez az volt, hogy minden tag rendelkezett rendelkezésre állással és hajlandósággal találkozni és beszélgetni a projektről.