Prototypový stabilizátor fotoaparátu (2DOF): 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Autoři:

Robert de Mello e Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Poděkování:

Velké poděkování patří Kalifornské státní univerzitní námořní akademii, jejímu programu Engineering Technology a Dr. Chang-Siu, že nám pomohli uspět s naším projektem v tak komplikovaných časech.

Úvod:

Stabilizátor fotoaparátu nebo závěs fotoaparátu je držák, který zabraňuje chvění fotoaparátu a jiným neoprávněným pohybům. Jeden z prvních stabilizátorů, který kdy vynalezl, používal tlumiče/pružiny k tlumení náhlých změn v pohybu kamery. Jiné typy stabilizátorů používají ke splnění stejného úkolu gyroskopy nebo opěrné body. Tato zařízení stabilizují nežádoucí pohyby až ve třech různých osách nebo rozměrech. Patří sem osy x, y a z. To znamená, že stabilizátor může tlumit pohyby ve třech různých směrech: naklánění, stoupání a zatáčení. Toho je obvykle dosaženo pomocí 3 motorů ovládaných elektronickým řídicím systémem, z nichž každý působí proti jiné ose.

Tento projekt nás výjimečně zaujal z několika důvodů. Každý z nás má rád různé outdoorové aktivity, jako je snowboarding a jiné sporty. Získat vysoce kvalitní záběry z těchto činností je obtížné kvůli množství požadovaného pohybu. Několik z nás vlastní skutečný stabilizátor fotoaparátu zakoupený v obchodě, a tak jsme chtěli prozkoumat, co je potřeba k vytvoření něčeho takového. V našich laboratorních a přednáškových hodinách jsme se naučili, jak komunikovat se servomotory pomocí Arduina, kódování potřebné k jejich fungování a teorii elektronických obvodů, které nám pomáhají navrhovat obvody.

*POZNÁMKA: Kvůli COVID-19 se nám tento projekt nepodařilo dokončit celý. Tento instruktáž je průvodcem pro obvody a kód požadovaný pro prototyp stabilizátoru. Hodláme projekt dokončit, kdykoli se škola obnoví a budeme mít opět přístup k 3D tiskárnám. Dokončená verze bude mít obvod baterie a kryt s 3D potiskem se stabilizačními rameny (viz níže). Mějte také na paměti, že napájení servomotorů z napájecího zdroje Arduino 5v je obecně špatná praxe. Děláme to jednoduše proto, abychom umožnili testování prototypu. V konečném projektu bude zahrnut samostatný napájecí zdroj, který je znázorněn na schématu zapojení níže.

Zásoby

-Arduino UNO Mikrokontrolér

-prkénko

-Sada propojek vodičů

-MPU6050 Inerciální měřicí jednotka

-MG995 servomotor (x2)

-LCD1602 modul

-Joystickový modul

Krok 1: Přehled projektu

Nahoře je video našeho projektu a také ukazuje funkční ukázku.

Krok 2: Teorie a provoz

Ke stabilizaci naší kamery jsme použili dva servomotory ke stabilizaci osy stoupání a naklápění. Inerciální měřicí jednotka (IMU) snímá zrychlení, úhlové zrychlení a magnetickou sílu, kterou můžeme použít k určení úhlu kamery. S modulem IMU připojeným k sestavě můžeme pomocí snímaných dat automaticky působit proti změně pohybu rukojeti pomocí serv. Kromě toho pomocí joysticku Arduino můžeme ručně ovládat dvě osy otáčení, jeden motor pro každou osu.

Na obrázku 1 vidíte, že válec působí proti servomotoru válce. Když se rukojeť pohybuje ve směru otáčení, servomotor válce se bude otáčet ve stejném, ale opačném směru.

Na obrázku 2 vidíte, že úhel stoupání je řízen samostatným servomotorem, který působí podobným způsobem jako servomotor s válcovým pohonem.

Servomotory jsou pro tento projekt dobrou volbou, protože kombinují motor, snímač polohy, malý vestavěný mikrokontrolér a H-můstek, který nám umožňuje ručně a automaticky ovládat polohu motoru prostřednictvím Arduina. Počáteční konstrukce vyžadovala pouze jeden servomotor, ale po nějaké úvaze jsme se rozhodli použít dva. Mezi další přidané komponenty patřila obrazovka Arduino LCD a joystick. Účelem obrazovky LCD je zobrazit v jakém stavu se aktuálně nachází stabilizátor a aktuální úhel každého serva při ručním ovládání.

K vytvoření pouzdra pro uložení všech elektrických komponent jsme použili Computer-Aided Design (CAD) a použijeme 3D tiskárnu. Abychom drželi elektrické součásti, navrhli jsme tělo, které bude fungovat také jako držadlo. Zde bude namontován snímač IMU a joystick. Pro dvouosé ovládání jsme navrhli úchyty pro motory.

Krok 3: Stavový/logický diagram

Kód se skládá ze tří stavů, z nichž každý bude indikován na obrazovce LCD. Když je Arduino napájeno, LCD obrazovka vytiskne „Inicializace …“a s MPU-6050 je zahájena komunikace I2C. Počáteční data z MPU-6050 se zaznamenají, aby se zjistil průměr. Poté Arduino přejde do režimu ručního ovládání. Zde lze oba servomotory nastavit ručně pomocí joysticku. Pokud stisknete tlačítko joysticku, přejde to do stavu „Auto Level“a stabilizační platforma bude udržovat úroveň vzhledem k Zemi. Jakýkoli pohyb ve směru náklonu nebo sklonu bude vyvážen servomotory, čímž bude platforma udržována ve stejné úrovni. Dalším stisknutím tlačítka joysticku přejde Arduino do stavu „Nic nedělat“, kde budou servomotory zablokovány. V tomto pořadí se stavy budou nadále měnit při každém stisknutí tlačítka joysticku.

Krok 4: Schéma zapojení

Obrázek výše ilustruje naše schéma zapojení projektu v režimu VYPNUTO. Mikrokontrolér Arduino poskytuje potřebná připojení pro provoz MPU-6050 IMU, joysticku a LCD displeje. Články LiPo jsou přímo připojeny k měniči a dodávají energii jak mikrokontroléru Arduino, tak oběma servomotorům. Během tohoto režimu provozu jsou baterie zapojeny paralelně s použitím 3bodového přepínače s dvojitým vrháním (3PDT). Přepínač nám umožňuje odpojit zátěž a současně připojit nabíječku a přepnout články ze série na paralelní konfiguraci. To také umožňuje současné nabíjení baterie.

Když je přepínač přepnut do režimu ON, dva články 3,7 V budou napájet motory Arduino a Servo. Během tohoto režimu provozu jsou baterie zapojeny do série pomocí tříbodového přepínače s dvojitým vrháním (3PDT). To nám umožňuje získat 7,4 V z našeho zdroje energie. LCD obrazovka i snímač IMU používají komunikaci I2C. SDA se používá k přenosu dat, zatímco SCL je hodinová linka používaná k synchronizaci datových přenosů. Servomotory mají každý tři vývody: napájení, uzemnění a data. Arduino komunikuje se servy přes piny 3 a 5; tyto piny používají Pulse Width Modulation (PWM) k přenosu dat s plynulejšími přechody.

*Nabíjecí obvod baterie pochází z webu Adafruit.com

Krok 5: Stavba

Základní konstrukce kardanového závěsu je poměrně jednoduchá, protože je to v podstatě jen rukojeť a držák pro kameru. Kardan se skládá ze dvou servomotorů, které působí proti pohybu ve směru náklonu a sklonu. Používání Arduina Uno vyžaduje značné množství prostoru, proto jsme také přidali kryt ve spodní části rukojeti, aby obsahoval všechny elektrické součásti. Držáky skříně, rukojeti a servomotoru budou vytištěny 3D, což nám umožní minimalizovat náklady a celkovou velikost, protože můžeme mít plnou kontrolu nad designem. Existuje několik způsobů, jak by bylo možné závěs navrhnout, ale největším faktorem, který je třeba zvážit, je zamezení otáčení jednoho servomotoru v jiný. V prototypu je jeden servomotor v podstatě připojen k druhému. Až budeme mít opět přístup k 3D tiskárnám, vytiskneme 3D rameno a platformu zobrazené výše.

*Návrhy ramene a platformy pocházejí z

Krok 6: Celková zjištění a možná vylepšení

Počáteční výzkum kamerových závěsů byl velmi zastrašující. Přestože na toto téma bylo nepřeberné množství zdrojů a informací, zdálo se, že jde o projekt, který by byl mimo naši ligu. Začali jsme pomalu, dělali jsme tolik průzkumů, kolik jsme mohli, ale málo absorbovali. Každý týden jsme se scházeli a spolupracovali. Jak jsme pracovali, nabírali jsme stále větší dynamiku a nakonec jsme z projektu začali mít menší strach a větší nadšení. I když jsme přidali další joystick a LCD obrazovku, je toho ještě mnohem více, co bychom mohli do projektu přidat. Bylo by také možné přidat několik vylepšení, například omezení ručního ovládání, která by zabránila uživateli otáčet jeden servomotor do druhého. Jedná se o malý problém a lze jej také vyřešit jiným způsobem montáže. Diskutovali jsme také o možnostech přidání funkce posouvání. To by uživateli umožnilo použít servomotory k posouvání oblasti v určeném čase.

Jako tým jsme všichni velmi dobře spolupracovali. Navzdory okolnostem a pouze možnosti virtuálního setkání jsme z toho udělali to nejlepší a udržovali jsme častou komunikaci. Všechny části a součásti byly poskytnuty jedné osobě, a proto bylo pro zbytek skupiny trochu obtížnější pomoci při řešení jakýchkoli problémů, které se objevily. Dokázali jsme se vypořádat s problémy, které vyvstaly, ale kdybychom měli všichni stejné materiály, trochu by to pomohlo pomoci. Celkově největším příspěvkem k dokončení našeho projektu byla schopnost každého člena mít dostupnost a ochotu setkat se a popovídat si o projektu.