Základy animatroniky - servomotor: 8 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Ať už je to veselá prázdninová expozice v okně obchodního domu, nebo děsivá halloweenská hříčka, nic nepřitahuje pozornost jako animovaná loutka.

Tyto elektronicky řízené animace se někdy nazývají "animatronics" a tento návod vás naučí, jak vytvořit ten nejzákladnější druh, který je řízen jediným servomotorem.

Jako mozek použijeme mikrokontrolér Arduino a uvidíme, jak uvnitř funguje potenciometr a servo, také vás naučíme, jak vytvořit tři různé metody ovládání:

1 - Průběžně se opakující pohyb

2 - Dálkově ovládaný pohyb

3 - Spouštěný pohyb (pomocí světelného senzoru)

Krok 1: Seznam dílů

Budete potřebovat mikrokontrolér (na prvním obrázku je Arduino z https://adafru.it spolu s jejich sadou rozpočtových dílů za celkem 30 $) a servomotor (malá verze Tower je zobrazena na druhém obrázku spolu s některými částmi konektorů ze stejného obchodu za 12 $). Budete také potřebovat malý kondenzátor nebo výkonnější zdroj napětí, pokud provozujete více servomotorů (9V nástěnná nabíječka pro Arduino bude fungovat)

Mikrokontrolér je celý počítač na jednom čipu. Očividně není tak výkonný jako váš domácí počítač, má velmi malou RAM, žádnou diskovou jednotku, žádnou klávesnici nebo myš, ale je opravdu skvělý v ovládání věcí (odtud název). Jeden z těchto čipů najdete v mnoha každodenních předmětech, jako jsou pračky a počítače s automatickým vstřikováním paliva.

Značka mikrokontrolérů „Arduino“také přidává další obvody, které jej spojují s vnějším světem, a staví jej na praktickou desku.

Všimněte si, že v „sadě levných dílů“je několik vodičů, odporů, LED světel a modrý pár knoflíků, nazývaných potenciometry. Více o potenciometrech v dalším kroku.

Nakonec budete potřebovat servomotor a je dodáván s několika šroubovacími konektory, které jej připevní k pohybující se loutce. V této lekci použijeme konektor ve tvaru X.

Krok 2: Kontrola potenciometru

Potenciometr je v podstatě stmívací knoflík - nebo v terminologii elektroniky - pár variabilních odporů. Otáčením knoflíku zvětšíte jeden odpor a druhý odpor menší.

Většinu času používáme potenciometr (někdy nazývaný „hrnec“) k ovládání napětí pomocí výše uvedeného schématu zapojení.

Obrázek úplně vlevo zobrazuje skutečný hrnec, přičemž horní a spodní vodiče jsou připojeny k napětí +5 a uzemnění a střední vodič vydává požadované napětí. Prostřední diagram ukazuje symbol pro hrnec a poslední diagram ukazuje ekvivalentní obvod.

Obrázky jsou s laskavým svolením Wikimedia.org

Krok 3: Kontrola servomotoru

Servomotor má čtyři hlavní části.

1. Motor, který se může otáčet dopředu a dozadu, obvykle vysokou rychlostí a točivým momentem.

2. Systém detekce polohy, který dokáže zjistit, v jakém úhlu se servomotor aktuálně nachází

3. Převodový systém, který může provést mnoho otáček motoru a provést z něj malý úhlový pohyb.

4. Řídicí obvod, který dokáže opravit chybu mezi skutečným úhlem a požadovaným úhlem žádané hodnoty.

Části 1 a 2 jsou zobrazeny na prvním obrázku. Všimněte si, že část 2 je potenciometr.

Část 3 je zobrazena na druhém obrázku.

Část 4 je zobrazena na třetím obrázku.

Krok 4: Opakovaný pohyb

Tady budeme dělat hlavu naší loutky „Bender“, aby se otáčela doleva a doprava, tam a zpět, pokud je napájení připojeno pomocí kabelu USB. To je skvělé pro zábavné prázdninové představení, které chcete udržet v pohybu po celý den.

Arduino je dodáváno s integrovaným vývojovým prostředím (IDE), což je fantastický způsob, jak říci, že přichází s aplikací pro váš počítač, která vám umožňuje dávat pokyny (ikona Arduino IDE je obrázek na boku 8). Tyto pokyny zůstanou uloženy na desce, i když odpojíte počítač, a znovu se spustí, když znovu připojíte napájení k Arduinu. V tomto případě budeme používat software s názvem „Sweep“, který najdete v příkladech IDE v kategorii „Servo“.

Dále připojíte servo ke kondenzátoru stabilizovanému na 5 voltů (červený Servo vodič k Arduino +5, hnědý Servo vodič k Arduino GND) a k řídicímu signálu (žlutý Servo vodič k Arduino výstup 9). Loutková hlava je volitelná;-)

PODROBNOSTI:

Pokud bylo výše zmatené, podrobné pokyny jsou následující:

Krok A - Programování Arduina

• Otevřete Arduino IDE (na ploše by to měla být ikona 8)
• V části „Nástroje“zkontrolujte, zda je „Deska“nastavena na „Arduino/Genuino Uno“.
• Připojte hardware Arduino k počítači pomocí kabelu USB
• Ujistěte se, že nastavení „Port“v části „Nástroje“je také nakonfigurováno pro Arduino.
• V části „Soubory“vyberte „Příklad“s názvem „Sweep“(najdete jej v části „Servos“)
• Než použijete nebo upravíte tento soubor, „Uložte jako“jiný název souboru (může to být vaše jméno nebo cokoli si vyberete). Tím zůstane soubor nezměněn pro dalšího studenta, který používá tento počítač.
• Pomocí tlačítka se šipkou (nebo v části „Skica“vyberte „Odeslat“) nahrajte skicu Sweep do Arduina

Krok B - Připojení servomotoru k zametání

V této části budeme stavět varianty obvodů popsaných v https://learn.adafruit.com/adafruit-arduino-lesso… Připojíme červený a hnědý vodič serva k +5 a GND Ardiuna, resp. Přes toto napětí také umístíme kondenzátor zploštění napětí a nakonec připojíme žlutý vodič serva k výstupnímu kolíku 9 Arduina.

• Když budujete obvod, odpojte Arduino z USB portu.
• Budeme používat 5V a Ground z desky Arduino, takže je přiveďte na prkénko pomocí červeného a zeleného vodiče.
• Protože výkon může být z USB portu trochu roztřesený (málo proudu a servomotor může způsobit reset desky Arduino kvůli nízkému proudu), umístíme na toto napětí kondenzátor a ujistíme se, že vodič označený „mínus - "Je na pozemní straně."
• Nyní připojte červený (+5) a hnědý (uzemněný) kabel serva k prkénku.
• Konečné elektrické připojení je připojení řídicího signálu. Program SWEEP použije k odeslání řídicího signálu kolík č. 9 Arduina, připojte jej tedy ke žlutému (řídicímu) vodiči servomotoru.
• VOLITELNÉ - Před testováním servomotoru můžete umístit hlavu Animatronic podle vašeho výběru a její základnu na servomotor. Buďte prosím opatrní, protože lícování není dokonalé a plastové části se lámou.
• Měli byste být schopni použít napájení USB na Arduino a měl by běžet program SWEEP, což způsobí, že se servomotor bude pohybovat tam a zpět.

Krok C - Úprava programu SWEEP

• Než použijete nebo upravíte tento soubor, „Uložte jako“jiný název souboru (může to být vaše jméno nebo cokoli si vyberete). Pravděpodobně jste to udělali již v kroku A. U každé z níže uvedených částí zaznamenejte svá pozorování a také všechny změny, které jste v kódu provedli.
• Pomocí stopek změřte, jak dlouho trvá zamést celou cestu a zpět _
• Budete provádět změny v softwaru (někdy nazývaném „kód“nebo „skica“)
• Změňte obě hodnoty „Zpoždění“z 15 na jiné Větší číslo (pro jednoduchost výpočtů vyberte zaokrouhlený násobek 15). Jakou hodnotu jste použili? _. Jaký bude podle vás nový čas SWEEP? _. Změřte nový čas SWEEP a poznamenejte si případné nesrovnalosti _.
• Změňte Zpoždění zpět na 15 a nyní změňte úhly polohy ze 180 na jednoduše 90 (obě tyto hodnoty). Jaký je nový rozsah pohybu servomotoru (90 stupňů, nebo více či méně?) _.
• Ponechte rozsah pohybu na 90 stupňů a snižte „Zpoždění“na číslo menší než 15. Jak malé číslo můžete použít, než se servo začne chovat nevyrovnaně nebo již nedokončí celý rozsah pohybu? _

Po dokončení těchto kroků budete mít veškerá potřebná měření a praxi, abyste byli připraveni použít svůj servomotor k ovládání různých opakujících se animatronických pohybů tam a zpět, kdekoli od malého úhlu až po 180 stupňů a také při nejrůznějších rychlostech, které ovládáte.

Krok 5: Dálkově ovládaný pohyb

Místo toho, abychom celý den opakovali stále stejný pohyb, v tomto kroku budeme dálkově ovládat polohu naší animatronické loutky „C3PO“, aby vypadala nalevo a napravo, a jakákoli pozice mezi nimi. Protože ovládání provádí člověk, říkáme tomu ovládání „otevřené smyčky“.

S otevřenou smyčkou ovládáte přesnou polohu servomotoru. K otočení budeme potřebovat knoflík a použijeme k tomu modrý potenciometr.

• Budeme potřebovat další místo na prkénku, které má +5 a 0 (uzemnění) voltů. Spusťte tyto propojovací vodiče do oddělených řad na prkénku a udělejte je v jedné řadě od sebe, aby byly zarovnány s vnějšími vývody potenciometru, které za chvíli přidáme.
• Nyní přidejte potenciometr. Před zasunutím kolíků potenciometru do prkénka zkontrolujte, zda jsou všechny tři zarovnány se správnými otvory, a poté kolíky zatlačte přímo dolů, aby se neohýbaly. Středový kolík potenciometru bude připojen k nule analogového vstupu (A0) na Arduinu. K tomu je přidán další vodič.
• Abychom mohli přečíst napětí z potenciometru a použít ho k ovládání servomotoru, použijeme software „KNOB“, který najdete také v části Soubor -> Příklady -> Servo. Spusťte program, otočte knoflíkem a zaznamenejte, co pozorujete.

Přirozeně můžete spustit několik velmi dlouhých drátů, takže ovládací knoflík je v jiné místnosti než loutka animatronik, nebo můžete být jen kousek (mimo záběr kamery, například když děláte film).

Krok 6: Spuštěný pohyb (pomocí senzoru)

Někdy chcete, aby se vaše loutka najednou pohnula - zejména kvůli strašidelným halloweenským hříčkám nebo k upoutání ještě větší pozornosti. V tomto kroku překonfigurujeme naši loutku „Hlava Velikonočního ostrova“, abychom se rychle otočili a postavili tváří v tvář každému, kdo jde kolem, a vrhá stín na světelný senzor.

V případě senzorového ovládání servomotoru použijeme světelný senzor, který bude řídit přesnou polohu servomotoru. Čím tmavší stín vrhá na senzor (a pravděpodobně čím blíže osoba k loutce kráčí), tím rychleji a dál loutka otočí hlavu.

• Potenciometr odstraníme a nahradíme jej ekvivalentním obvodem dvou rezistorů. V tomto případě bude jedním ze dvou rezistorů (R2) světelný senzor.
• Abychom dostali prostor, rozložili jsme +5V (vlevo) a 0V uzemnění (vpravo), abychom mohli přidat odpor 10K Ohm a světelný senzor, připojený uprostřed ve stejné řadě jako propojovací kabel vedoucí k analogovému vstupu nula (A0) na desce Arduino.
• Použijte stín vaší ruky k zakrytí světelného senzoru a použijte jiné způsoby, aby světelný senzor získal co nejvíce a co nejméně světla. Jste schopni získat plný rozsah pohybu 180 stupňů?

Stejně jako ve verzi s dálkovým ovládáním můžete umístit fotografický odpor v dostatečné vzdálenosti od vaší animatronické loutky a můžete změnit hodnoty rezistoru nebo softwarové programování pro změnu reakcí loutky.

Krok 7: Teď to zkuste

Nyní jste zvládli tři základní druhy animatronického pohybu, které můžete vytvořit pomocí jediného servomotoru.

- Opakovaný pohyb

- Dálkově ovládaný pohyb

- Spouští pohyb pomocí senzorů

Můžete to posunout na další úroveň pomocí různých druhů loutek, pohybu, ovládacích prvků a přirozeně umění, které můžete vytvořit pouze vy!