Interaktivní laserový generátor archů s Arduinem: 11 kroků (s obrázky)

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

Lasery lze použít k vytváření neuvěřitelných vizuálních efektů. V tomto projektu jsem zkonstruoval nový typ laserového displeje, který je interaktivní a hraje hudbu. Zařízení otáčí dvěma lasery, aby vytvořilo dva vortexové listy světla. Do zařízení jsem zahrnul senzory vzdálenosti, aby bylo možné manipulovat s laserovými listy pohybem ruky směrem k nim. Když osoba interaguje se senzory, zařízení také přehrává hudbu prostřednictvím výstupu MIDI. Obsahuje nápady z laserových harf, laserových vortexů a displejů POV.

Přístroj je řízen pomocí Arduino Mega, který přijímá vstupy ultrazvukových senzorů a výstupy typu vytvořeného laserového listu a generované hudby. Vzhledem k mnoha stupňům volnosti rotujících laserů lze vytvořit spoustu různých vzorů laserových listů.

Předběžně jsem brainstormingoval na projektu s novou umělecko -technickou skupinou v St. Louis s názvem Dodo Flock. Emre Sarbek také provedl několik počátečních testů senzorů používaných k detekci pohybu v blízkosti zařízení.

Pokud konstruujete zařízení pro laserové archy, pamatujte na bezpečný provoz laserů a rotujících disků.

Aktualizace 2020: Uvědomil jsem si, že povrch vytvořený pomocí laserů je hyperboloid.

Krok 1: Seznam dodávek

Materiály

Lasery -

Bezkartáčový motor -

Elektronický regulátor rychlosti -

Servomotory -

Tranzistory

Překližka

Plexisklo

Ultrazvukové senzory

Slipring -

Bílé LED diody -

Buck převodníky

Ovinovací drát

MIDI konektor

Potenciometr a knoflíky -

Hardware - 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 kabely JST -

Síťový vypínač

Napájení 12V -

Lepidlo na drevo

super lepidlo

Vruty do dřeva

Prodlužovací kabel USB -

Nástroje:

Páječka

Nůžky na drát

Jig viděl

Kotoučová pila

Mikrometr

Elektrická vrtačka

Krok 2: Přehled a schéma

Laserový paprsek vytváří dobře kolimovaný (tj. Úzký) paprsek světla, takže jedním ze způsobů, jak vytvořit světelný list, je rychle pohybovat paprskem v nějakém vzoru. Chcete -li například vytvořit válcovitý světelný list, otočíte laserem kolem osy rovnoběžné se směrem, kterým ukazuje. Chcete -li rychle přesunout laser, můžete laser připevnit k dřevěnému prknu připevněnému ke střídavému stejnosměrnému motoru. Jen s tímto můžete vytvářet chladné válcové laserové víry!

Jiné projekty laserového vortexu toho dosahují montáží nakloněného zrcadla na osu otáčení pomocí stacionárního laseru směřujícího do zrcadla. Tím se vytvoří kužel laserového plechu. S tímto designem se však zdá, že všechny laserové listy pocházejí z jednoho původu. Pokud jsou lasery umístěny mimo osu jako u mnou vytvořeného designu, můžete vytvářet konvergující laserové listy, jako je tvar přesýpacích hodin zobrazený na videu.

Ale co když chcete, aby světelné listy byly dynamické a interaktivní? Abych toho dosáhl, připevnil jsem dva lasery na serva a poté serva připevnil na dřevěné prkno. Nyní mohou serva nastavit úhel laseru vzhledem k ose otáčení motoru. Tím, že máte dva lasery na dvou různých servech, můžete pomocí zařízení vytvořit dva různé světelné listy.

Abych mohl ovládat rychlost stejnosměrného motoru, připojil jsem k Arduinu potenciometr, který odebírá vstup potenometru a vydává signál do elektrického regulátoru otáček (ESC). ESC pak řídí otáčky motoru (poměrně vhodný název, ano), v závislosti na odporu potenciometru.

Stav zapnutí/vypnutí laseru je řízen jejich připojením k emitoru tranzistoru pracujícího v sytosti (tj. Pracujícího jako elektrický spínač). Řídicí signál je poslán na základnu tranzistoru, který řídí proud laserem. Zde je zdroj pro ovládání zátěže tranzistorem s arduino:

Polohu serva lze také ovládat pomocí Arduina. Jak se prkno otáčí, se světelnou fólií lze manipulovat změnou polohy serva. Bez jakéhokoli vstupu uživatele to samo může vytvářet dynamické světelné archy, které jsou fascinující. Kolem okraje zařízení jsou umístěny také ultrazvukové senzory, které slouží k určení, zda osoba dává ruku blízko světelných listů. Tento vstup je pak použit k přesunutí laserů k vytvoření nových světelných listů NEBO ke generování MIDI signálu. K přenosu MIDI signálu do MIDI hracího zařízení je připojen MIDI konektor.

Krok 3: Ovládání střídavého motoru pomocí Arduina

Abyste vytvořili světelné listy podobné vortexu, musíte otočit laserový paprsek. Abych toho dosáhl, rozhodl jsem se zkusit použít bezkartáčový stejnosměrný motor. Dozvěděl jsem se, že tyto typy motorů jsou u modelů letadel a dronů opravdu oblíbené, a tak jsem usoudil, že by bylo docela snadné použití. Cestou jsem narazil na několik zádrhelů, ale celkově jsem spokojený s tím, jak motor pro projekt funguje.

Nejprve je třeba namontovat motor. Na zakázku jsem navrhl součást pro uchycení motoru a připevnění k desce, která drží zařízení. Poté, co byl motor zajištěn, připojil jsem motor k ESC. Z toho, co jsem četl, to zní opravdu těžko, když bez něj používám bezkartáčový motor. K roztočení motoru jsem použil Arduino Mega. Zpočátku se mi nedařilo roztočit motor, protože jsem právě připojoval řídicí signál na 5 V nebo na zem, aniž bych správně nastavil základní hodnotu nebo kalibroval ESC. Poté jsem následoval tutoriál Arduino s potenciometrem a servomotorem, a tím se motor roztočil! Zde je odkaz na tutoriál:

Vodiče ESC lze ve skutečnosti jakýmkoli způsobem připojit k bezkartáčovému motoru. Budete potřebovat nějaké ženské banánkové konektory. Silnější červený a černý kabel na ESC jsou připojeny ke stejnosměrnému napájecímu napětí 12 V a černé a bílé kabely na ovládacím konektoru ESC jsou připojeny k zemi a ovládacímu kolíku na Arduinu. V tomto videu se dozvíte, jak kalibrovat ESC:

Krok 4: Konstrukce podvozku laserového plechu

Poté, co se motor roztočí, je čas postavit podvozek z lehkého plechu. Kus překližky jsem nařezal pomocí CNC stroje, ale můžete použít i přímočarou pilu. Překližka drží ultrazvukové senzory a má v sobě otvor, do kterého se vejde kousek plexiskla. Plexisklo by mělo být připevněno ke dřevu pomocí epoxidu. Otvory jsou vyvrtány, aby se do nich vešel kroužek.

Poté se nastříhá další kruhový list překližky, aby držel bezkartáčový motor. V tomto listu dřeva jsou vyvrtány otvory, takže dráty mohou procházet později v konstrukci. Po připevnění držáku motoru a vyvrtání otvorů jsou dva listy překližky připevněny 1 x 3 prkny řezanými asi 15 cm dlouhými a kovovými konzolami. Na fotografii vidíte, jak je plexisklo nad motorem a lasery.

Krok 5: Sestava laseru a servomotoru

Variabilní světelné plechy jsou vytvářeny pohybujícími se lasery vzhledem k ose otáčení. Navrhl jsem a 3D vytiskl držák, který připevňuje laser k servu, a držák, který spojuje servo s rotujícím prknem. Nejprve připevněte servo k držáku serva pomocí dvou šroubů M2. Poté zasuňte matici M2 do držáku laseru a utáhněte stavěcí šroub, aby laser zůstal na místě. Před připojením laseru k servu se musíte ujistit, že je servo otočeno do střední pracovní polohy. Pomocí tutoriálu pro servo nasměrujte servo na 90 stupňů. Poté pomocí šroubu namontujte laser podle obrázku. Musel jsem také přidat kapku lepidla, abych zajistil, že se laser nechtěně neposune.

Pomocí laserové řezačky jsem vytvořil prkno, které má rozměry kolem 3 cm x 20 cm. Maximální velikost světlého plechu bude záviset na velikosti dřevěného prkna. Poté byla do prkna vyvrtána díra tak, aby zapadla na bezkartáčový hřídel motoru.

Poté jsem nalepil sestavu laser-servo na prkno tak, aby byly lasery vystředěny. Ujistěte se, že všechny součásti na prkně jsou vyváženy vzhledem k ose otáčení prkna. Pájejte JST konektory k laserům a servo kabelům, aby mohly být připojeny k slipringu v dalším kroku.

Nakonec připevněte prkno s připojenými sestavami laserových serv na bezkartáčový motor pomocí podložky a matice. V tomto okamžiku vyzkoušejte bezkartáčový motor, abyste se ujistili, že se prkno může otáčet. Dávejte pozor, abyste neřídili motor příliš rychle a nedávali ruku do dráhy otáčení prkna.

Krok 6: Instalace Slipringu

Jak zabráníte zamotání vodičů při otáčení elektroniky? Jedním ze způsobů je použít baterii pro napájení a připojit ji k spřádací sestavě, jako v tomto POV instrukčním. Dalším způsobem je použít slipring! Pokud jste o řemínku ještě neslyšeli nebo jste ho ještě nepoužili, podívejte se na toto skvělé video, které ukazuje, jak to funguje.

Nejprve připojte ostatní konce konektorů JST k slipringu. Nechcete, aby byly dráty příliš dlouhé, protože při otáčení prkna existuje možnost, že se něčeho zachytí. Připevnil jsem slipring na plexisklo nad bezkartáčovým motorem a vyvrtával otvory pro šrouby. Dávejte pozor, abyste při vrtání nepraskli plexisklo. Pro získání přesnějších otvorů můžete také použít laserovou řezačku. Jakmile je slipring připojen, připojte konektory.

V tomto okamžiku můžete propojovací vodiče připojit k pinům Arduina a provést několik předběžných testů s generátorem laserových listů.

Krok 7: Pájení elektroniky

Vyřezal jsem prototypovou desku, abych připojil veškerou elektroniku. Protože jsem použil napájecí zdroj 12V, musím použít dva DC-DC převodníky: 5V pro lasery, serva, potenciometr a MIDI jack a 9V pro Arduino. Vše bylo spojeno podle schématu buď pájením nebo omotáním drátu. Deska byla poté připojena k 3D tištěné části pomocí distančních sloupků PCD.

Krok 8: Konstrukce elektroniky

Veškerá elektronika je uložena v dřevěné krabici. Po stranách krabice jsem nařezal řezivo 1x3 a vyřízl na jedné straně velký otvor, aby mohly projít dráty na ovládacím panelu. Strany byly spojeny pomocí malých bloků dřeva, lepidla na dřevo a šroubů. Poté, co lepidlo zaschlo, jsem brousil po stranách krabice, abych vyrovnal všechny nedokonalosti v krabici. Potom jsem nařezal tenké dřevo na přední, zadní a spodní část krabice. Spodní část byla přibita do stran a přední a zadní strana byla nalepena na krabici. Nakonec jsem změřil a vyřízl otvory rozměrů komponentů na předním panelu krabice: konektor napájecího kabelu, konektor USB, konektor MIDI a potenciometr.

Krok 9: Instalace elektroniky do krabice

Napájení jsem připojil ke krabici pomocí šroubů, Arduino pomocí speciálně navrženého držáku a desku s obvody vytvořenou v kroku 7. Potenciometr a MIDI konektor byly nejprve připojeny k desce s obvody pomocí drátu ovíjejícího vodič a poté přilepeny k přední panel. AC konektor byl připojen k napájecímu zdroji a stejnosměrný výstup napájecího zdroje byl připojen ke vstupům převodníků Buck a kabelům, které se připojují k bezkartáčovému motoru. Motor, servo a laserové dráty jsou poté vedeny otvorem v překližce dolů do skříně elektroniky. Před zpracováním ultrazvukových senzorů jsem jednotlivě testoval součásti, abych se ujistil, že je vše správně zapojeno.

Původně jsem si koupil napájecí konektor AC, ale přečetl jsem si docela špatné recenze na jeho tání, takže jsem měl na předním panelu nesprávně velké otvory. Proto jsem navrhl a 3D vytiskl některé adaptéry jack, aby odpovídaly velikosti otvorů, které jsem vyřízl.

Krok 10: Montáž a zapojení ultrazvukových senzorů

V tomto okamžiku jsou lasery, serva, střídavý motor a MIDI konektor připojeny k Arduinu a lze je ovládat. Posledním hardwarovým krokem je připojení ultrazvukových senzorů. Navrhl jsem a 3D vytiskl ultrazvukový senzor. Poté jsem zapojil a rovnoměrně připevnil sestavy ultrazvukových senzorů k vrchní překližkové desce generátoru světelné fólie. Ovinutý drát byl spuštěn dolů do krabice elektroniky vyvrtáním otvorů v překližkovém listu. Spojil jsem drátěný obal s příslušnými piny na Arduinu.

Byl jsem trochu zklamán výkonem ultrazvukového senzoru. Fungovaly docela dobře na vzdálenosti mezi 1 cm - 30 cm, ale měření vzdálenosti je mimo tento rozsah velmi hlučné. Aby se zlepšil poměr signálu k šumu, zkusil jsem provést medián nebo průměr několika měření. Signál však stále nebyl dostatečně spolehlivý, a tak jsem skončil nastavením cut-off pro přehrávání noty nebo výměnu laserového listu na 25 cm.

Krok 11: Programování dynamického laserového víru

Poté, co je dokončeno veškeré zapojení a montáž, je čas naprogramovat zařízení pro světelný list! Možností je mnoho, ale celkovou myšlenkou je využít vstupy ultrazvukových senzorů a vysílat signály pro MIDI a ovládat lasery a serva. Ve všech programech je otáčení prkna ovládáno otáčením knoflíku potenciometru.

Budete potřebovat dvě knihovny: NewPing a MIDI

V příloze je celý kód Arduino.

Druhá cena v Invention Challenge 2017