Prototip stabilizatora kamere (2DOF): 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:33

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 kompliciranim 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 izumio koristi amortizere/opruge za ublažavanje naglih promjena u kretanju kamere. Druge vrste stabilizatora koriste žiroskope ili uporišne točke za postizanje tog istog zadatka. Ovi uređaji stabiliziraju neželjena kretanja u najviše tri različite osi ili dimenzije. To uključuje osi x, y i z. To znači da stabilizator može prigušiti kretnje u tri različita smjera: kotrljanje, nagib i zakretanje. To se obično postiže pomoću 3 motora upravljana elektroničkim upravljačkim sustavom, svaki suprotan drugoj osi.

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

*NAPOMENA: Zbog COVID-19 nismo uspjeli dovršiti ovaj projekt u cijelosti. Ovo uputstvo je vodič za sklopove i kod potreban za prototip stabilizatora. Namjeravamo dovršiti projekt kad god se škola nastavi i ponovno imamo pristup 3D pisačima. Dovršena verzija imat će baterijski krug i 3D ispisano kućište sa stabilizacijskim polugama (prikazano dolje). Također imajte na umu da je napajanje servo motora s napajanja Arduino 5v općenito loša praksa. To jednostavno radimo kako bismo omogućili testiranje prototipa. Odvojeno napajanje bit će uključeno u konačni projekt i prikazano je na shemi dolje.

Pribor

-Arduino UNO mikrokontroler

-Daska

-Komper za ožičenje

-MPU6050 Inercijalna mjerna jedinica

-MG995 servo motor (x2)

-LCD1602 Modul

-Modul joystick

Korak 1: Pregled projekta

Gore je videozapis našeg projekta i također prikazuje radnu demonstraciju.

Korak 2: Teorija i rad

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 pomoću kojih možemo odrediti kut kamere. S IMU -om 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 kotrljanju servo motor kotrlja. Kako se ručka pomiče u smjeru kotrljanja, servo motor kotrljanja rotirat će se u jednakom, ali suprotnom smjeru.

Na slici 2 možete vidjeti kako kut nagiba kontrolira zasebni servo motor koji djeluje na sličan način kao 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 putem Arduina. Početni dizajn zahtijevao je samo jedan servo motor, no nakon nekog razmišljanja odlučili smo se za dva. Dodatne komponente dodane su Arduino LCD zaslon i joystick. Svrha LCD zaslona je prikazati u kakvom je stanju stabilizator trenutno i trenutni kut svakog servo uređaja dok je u ručnom upravljanju.

Za izradu kućišta za držanje svih električnih komponenti upotrijebili smo CAD (Computer-Aided Design) i koristit ćemo 3D pisač. Za držanje električnih komponenti, dizajnirali smo tijelo koje će također djelovati kao ručka. Ovdje će se montirati IMU senzor i joystick. Za dvoosnu kontrolu projektirali smo nosače za motore.

Korak 3: Dijagram stanja/logike

Kôd se sastoji od tri stanja, od kojih će svaki biti označen na LCD zaslonu. Kad Arduino primi napajanje, LCD zaslon će ispisati "Initializing …" i I2C komunikacija započinje s MPU-6050. Početni podaci s MPU-6050 bilježe se kako bi se pronašao prosjek. Nakon toga, Arduino će ući u način ručnog upravljanja. Ovdje se oba servo motora mogu ručno podesiti pomoću upravljačke palice. Ako pritisnete tipku upravljačke tipke, ona će ući u stanje "Automatska razina", a stabilizacijska platforma će održati razinu u odnosu na Zemlju. Servo motori će spriječiti svako kretanje u smjeru kotrljanja ili nagiba, čime će platforma ostati u ravnini. S ponovnim pritiskom tipke na upravljačkoj ploči, Arduino će ući u stanje "Ne radi ništa" gdje će se zaključati servo motori. Tim redoslijedom stanja će se nastaviti mijenjati svakim pritiskom na tipku upravljačke tipke.

Korak 4: Dijagram kruga

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 izravno su spojene na izmjenjivač i napajaju kako Arduino mikrokontroler, tako i oba servo motora. Tijekom ovog načina rada, baterije su spojene paralelno pomoću prekidača s 3 točke u dva navrata (3PDT). Prekidač nam omogućuje da odspojimo opterećenje, dok istodobno spojimo punjač i prebacimo ćelije iz serije u paralelnu konfiguraciju. Ovo također omogućuje istovremeno punjenje baterije.

Kad se prekidač prebaci u način rada UKLJUČENO, dvije ćelije od 3,7 V napajat će Arduino i Servo motore. Tijekom ovog načina rada, baterije su spojene u seriju pomoću prekidača s 3 točke u dva navrata (3PDT). To nam omogućuje dobivanje 7,4 V iz našeg izvora energije. I LCD zaslon i IMU senzor koriste I2C komunikaciju. SDA se koristi za prijenos podataka, dok je SCL linija sata koja se koristi za sinkronizaciju prijenosa podataka. Servo motori imaju po tri vodiča: napajanje, uzemljenje i podatke. Arduino komunicira sa servo pogonima preko pinova 3 i 5; ti pinovi koriste Pulse Width Modulation (PWM) za prijenos podataka s glatkijim prijelazima.

*Krug za punjenje baterije dolazi s Adafruit.com

Korak 5: Izgradnja

Osnovni dizajn gimbala kamere je prilično jednostavan jer je u biti samo ručka i držač za kameru. Gimbal se sastoji od dva servo motora koji sprječavaju svako kretanje 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 ispisani, što će nam omogućiti smanjenje troškova i ukupne veličine, 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 biti pričvršćen na drugi. Kad ponovno budemo imali pristup 3D pisačima, 3D ćemo ispisati gore prikazanu ruku i platformu.

*Dizajni za ruku i platformu su s

Korak 6: Opći nalazi i potencijalna poboljšanja

Početno istraživanje koje smo proveli na gimbalima kamere bilo je vrlo zastrašujuće. Iako je bilo mnogo izvora i informacija na tu temu, to se jako činilo kao projekt koji bi bio izvan naše lige. Počeli smo polako, istražujući što smo više mogli, ali smo malo upijali. Svaki tjedan bismo se sastajali i surađivali. Kako smo radili, dobivali smo sve više zamaha i na kraju smo postali manje uplašeni i više uzbuđeni zbog projekta. Iako smo dodali dodatni joystick i LCD zaslon, projektu možemo dodati još mnogo toga. Također se može dodati nekoliko poboljšanja, 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 značajke pomicanja. To bi omogućilo korisniku korištenje servo motora za kretanje po području u određenom vremenu.

Kao tim, svi smo jako dobro surađivali. Unatoč okolnostima i samo mogućnosti virtualnog susreta, izvukli smo najbolje 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. Uspjeli smo riješiti nastale probleme, ali da smo svi imali iste materijale, bilo bi malo lakše pomoći. Sveukupno, najveći doprinos dovršenju našeg projekta bila je mogućnost svakog člana da ima dostupnost i volju da se sastane i razgovara o projektu.