Prototip stabilizatora kamere (2DOF): 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Autori:

Robert de Mello e Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Zahvalnice:

Veliko hvala Kalifornijskoj državnoj sveučilišnoj pomorskoj akademiji, njenom programu inženjerske tehnologije i dr. Chang-Siu što su nam pomogli da uspijemo s našim projektom u tako komplikovanim vremenima.

Uvod:

Uređaj za stabilizaciju kamere ili gimbal kamere je nosač koji sprječava podrhtavanje fotoaparata i druge neopravdane pokrete. Jedan od prvih stabilizatora koji je ikada izmišljen koristi amortizere/opruge za ublažavanje naglih promjena u kretanju kamere. Druge vrste stabilizatora koriste žiroskope ili uporišta za postizanje ovog istog zadatka. Ovi uređaji stabilizuju neželjena pomeranja u najviše tri različite ose ili dimenzije. To uključuje osi x, y i z. To znači da stabilizator može prigušiti kretanja u tri različita smjera: kotrljanje, nagib i zakretanje. To se obično postiže korištenjem 3 motora s elektroničkim upravljačkim sustavom, svaki suprotan drugoj osi.

Za ovaj projekt smo bili izuzetno zainteresirani iz nekoliko razloga. Svi uživamo u raznim aktivnostima na otvorenom, poput snowboarda i drugih sportova. Snimanje visokokvalitetnih snimaka ovih aktivnosti teško je zbog potrebne količine kretanja. Nas par posjedujemo pravi stabilizator kamere kupljen u trgovini, pa smo htjeli istražiti šta je potrebno za stvaranje takvog nečega. Na našim laboratorijskim predavanjima i predavanjima naučili smo o tome kako komunicirati sa servo motorima pomoću Arduina, kodiranju koje je potrebno za njihovo funkcioniranje i teoriji iza elektroničkih kola koja nam pomažu u projektiranju kola.

*NAPOMENA: Zbog COVID-19 nismo uspjeli dovršiti ovaj projekt u cijelosti. Ovo uputstvo je vodič za kola i kod potreban za prototip stabilizatora. Namjeravamo dovršiti projekt kad god se škola nastavi i ponovo imamo pristup 3D štampačima. Završena verzija će imati baterijsko kolo i 3D štampano kućište sa polugama stabilizatora (prikazano ispod). Također, imajte na umu da je isključivanje servo motora s napajanja Arduino 5v općenito loša praksa. Ovo jednostavno radimo kako bismo omogućili testiranje prototipa. Odvojeno napajanje bit će uključeno u konačni projekt i prikazano je na donjoj shemi kola.

Supplies

-Arduino UNO mikrokontroler

-Bboardboard

-Komper za ožičenje

-MPU6050 Inercijalna mjerna jedinica

-MG995 Servo motor (x2)

-LCD1602 Modul

-Joystick modul

Korak 1: Pregled projekta

Gore se nalazi video zapis našeg projekta i prikazuje radnu demonstraciju.

Korak 2: Teorija i operacija

Za stabilizaciju naše kamere koristili smo dva servo motora za stabilizaciju osi nagiba i nagiba. Inercijalna mjerna jedinica (IMU) osjeća ubrzanje, kutno ubrzanje i magnetsku silu koju možemo koristiti za određivanje kuta kamere. S IMU pričvršćenim na sklop, možemo koristiti osjetljive podatke za automatsko suzbijanje promjene u kretanju ručke sa servo pogonima. Nadalje, s Arduino joystickom možemo ručno kontrolirati dvije osi rotacije, po jedan motor za svaku os.

Na slici 1 možete vidjeti kako se kotrljani servo motor kotrlja. Kako se ručka pomiče u smjeru kotrljanja, servo motor valjaka će se okretati u jednakom, ali suprotnom smjeru.

Na slici 2 možete vidjeti da kut nagiba kontrolira zasebni servo motor koji djeluje na sličan način kao i servo motor s kotrljanjem.

Servo motori su dobar izbor za ovaj projekt jer kombiniraju motor, senzor položaja, mali ugrađeni mikrokontroler i H-most koji nam omogućuje ručno i automatsko upravljanje položajem motora preko Arduina. Inicijalni dizajn zahtijevao je samo jedan servo motor, no nakon nekog razmišljanja odlučili smo se za dva. Dodatne komponente dodane su Arduino LCD ekran i joystick. Svrha LCD ekrana je prikazati u kakvom je stanju stabilizator trenutno i trenutni kut svakog servo servera dok je u ručnoj kontroli.

Da bismo stvorili kućište za držanje svih električnih komponenti, koristili smo CAD (Computer-Aided Design) i koristit ćemo 3D pisač. Za držanje električnih komponenti, dizajnirali smo tijelo koje će djelovati i kao ručka. Ovdje će se montirati IMU senzor i joystick. Za dvoosnu kontrolu, dizajnirali smo nosače za motore.

Korak 3: Dijagram stanja/logike

Kôd se sastoji od tri stanja, od kojih će svako biti prikazano na LCD ekranu. Kad Arduino primi napajanje, LCD ekran će ispisati "Initializing …" i I2C komunikacija počinje s MPU-6050. Početni podaci sa MPU-6050 se bilježe kako bi se pronašao prosjek. Nakon toga, Arduino će ući u način ručne kontrole. Ovde se oba servo motora mogu ručno podesiti pomoću džojstika. Ako pritisnete tipku za upravljanje, ona će preći u stanje „Automatski nivo“i stabilizacijska platforma će održati nivo u odnosu na Zemlju. Servo motori će spriječiti svako kretanje u smjeru kotrljanja ili nagiba, čime će platforma ostati u ravnini. Još jednim pritiskom na tipku na upravljačkoj ploči, Arduino će ući u stanje "Ne radi ništa" gdje će biti zaključani servo motori. Tim redoslijedom, stanja će se nastaviti mijenjati svakim pritiskom na tipku joystick.

Korak 4: Dijagram kola

Gornja slika prikazuje naš dijagram projekta u OFF modu. Arduino mikrokontroler pruža potrebne veze za pokretanje MPU-6050 IMU, joystick i LCD zaslona. LiPo ćelije su direktno povezane sa izmjenjivačem i napajaju Arduino mikrokontroler, kao i oba servo motora. Tokom ovog načina rada, baterije su spojene paralelno pomoću prekidača sa 3 tačke sa dvostrukim prebacivanjem (3PDT). Prekidač nam omogućuje da isključimo opterećenje, dok istovremeno povezujemo punjač i prebacujemo ćelije iz serije u paralelnu konfiguraciju. Ovo takođe omogućava istovremeno punjenje baterije.

Kada se prekidač prebaci u način rada UKLJUČENO, dvije ćelije od 3,7 V napajat će Arduino i Servo motore. Tokom ovog načina rada, baterije su povezane serijski pomoću prekidača sa 3 tačke sa dvostrukim prebacivanjem (3PDT). To nam omogućuje da dobijemo 7,4 V iz našeg izvora energije. I LCD ekran i IMU senzor koriste I2C komunikaciju. SDA se koristi za prijenos podataka, dok je SCL linija sata koja se koristi za sinhronizaciju prijenosa podataka. Servo motori imaju po tri izvoda: napajanje, uzemljenje i podatke. Arduino komunicira sa servo motorima preko pinova 3 i 5; ovi pinovi koriste Pulse Width Modulation (PWM) za prijenos podataka s glatkijim prijelazima.

*Krug za punjenje baterije dolazi s Adafruit.com

Korak 5: Konstrukcija

Osnovni dizajn gimbala kamere je prilično jednostavan, jer je u osnovi samo ručka i držač za kameru. Gimbal se sastoji od dva servo motora za suzbijanje bilo kakvog kretanja u smjeru kotrljanja i nagiba. Korištenje Arduino Uno zahtijeva značajnu količinu prostora, pa smo dodali i kućište na dnu ručke koje sadrži sve električne komponente. Nosači kućišta, ručke i servo motora bit će 3D štampani, što će nam omogućiti da smanjimo troškove i ukupnu veličinu, jer možemo imati potpunu kontrolu nad dizajnom. Postoji nekoliko načina na koje se može dizajnirati gimbal, ali najveći faktor koji treba uzeti u obzir je izbjegavanje rotiranja jednog servo motora u drugi. U prototipu je jedan servo motor u osnovi pričvršćen za drugi. Kada ponovo budemo imali pristup 3D štampačima, 3D ćemo štampati ruku i platformu prikazane gore.

*Dizajn za ruku i platformu je sa

Korak 6: Opšti nalazi i potencijalna poboljšanja

Početno istraživanje koje smo proveli na gimbalima kamere bilo je zastrašujuće. Iako je bilo mnogo izvora i informacija o ovoj temi, izgledalo je kao projekt koji bi bio izvan naše lige. Počeli smo polako, istražujući što smo više mogli, ali smo malo upijali. Svake sedmice bismo se sastajali i sarađivali. Kako smo radili, dobivali smo sve veći zamah i na kraju smo postali manje uplašeni i više uzbuđeni zbog projekta. Iako smo dodali dodatni joystick i LCD ekran, postoji još mnogo toga što bismo mogli dodati projektu. Postoji i nekoliko poboljšanja koja se mogu dodati, poput ograničenja ručne kontrole koja bi spriječila korisnika da rotira jedan servo motor u drugi. Ovo je mali problem i mogao bi se popraviti i drugačijim dizajnom montaže. Također smo razgovarali o mogućnostima dodavanja funkcije pomicanja. To bi omogućilo korisniku da koristi servo motore za kretanje po području u određenom vremenu.

Kao tim, svi smo radili jako dobro. Unatoč okolnostima i samo mogućnosti virtualnog susreta, izvukli smo maksimum iz toga i zadržali smo se u čestoj komunikaciji. Svi dijelovi i komponente dati su jednoj osobi, što je ostatku grupe malo otežalo rješavanje problema koji su se pojavili. Mogli smo riješiti nastale probleme, ali da smo svi imali iste materijale, bilo bi malo lakše pomoći. Sve u svemu, najveći doprinos dovršenju našeg projekta bila je mogućnost svakog člana da ima dostupnost i volju da se sastane i razgovara o projektu.