Kameran vakaajan prototyyppi (2DOF): 6 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Tekijät:

Robert de Mello ja Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Kiitokset:

Suuri kiitos Kalifornian osavaltion yliopiston merenkulkuakatemialle, sen tekniikkatekniikkaohjelmalle ja tohtori Chang-Siulle, jotka auttoivat meitä menestymään projektissamme niin monimutkaisina aikoina.

Johdanto:

Kameran vakaajalaite tai kameran gimbal on kiinnike, joka estää kameran tärähtämisen ja muut perusteettomat liikkeet. Yksi ensimmäisistä stabiloijista, jotka koskaan keksivät käytettyjä iskunvaimentimia/jousia vaimentamaan äkillisiä muutoksia kameran liikkeessä. Muunlaiset stabilisaattorit käyttävät gyroskooppeja tai tukipisteitä saman tehtävän suorittamiseen. Nämä laitteet vakauttavat ei -toivottuja liikkeitä jopa kolmella eri akselilla tai mitalla. Näitä ovat x-, y- ja z-akseli. Tämä tarkoittaa, että vakaaja voi vaimentaa liikkeitä kolmeen eri suuntaan: rulla, nousu ja kääntö. Tämä suoritetaan yleensä käyttämällä kolmea moottoria, joita ohjataan elektronisella ohjausjärjestelmällä, joista jokainen vastustaa eri akselia.

Olimme poikkeuksellisen kiinnostuneita tästä projektista useista syistä. Me kaikki nautimme erilaisista ulkoiluaktiviteeteista, kuten lumilautailusta ja muista urheilulajeista. Näistä toiminnoista laadukkaan materiaalin saaminen on vaikeaa vaaditun liikkeen määrän vuoksi. Pari meistä omistaa myymälästä ostetun todellisen kameran vakaajan, joten halusimme tutkia, mitä tarvitaan sellaisen luomiseksi. Laboratorio- ja luentotunneillamme olemme oppineet vuorovaikutuksesta servomoottoreiden kanssa Arduinon avulla, niiden toimimiseen tarvittavasta koodauksesta ja elektronisten piirien takana olevasta teoriasta, joka auttaa meitä suunnittelemaan piirit.

*HUOMAUTUS: COVID-19-tilanteen vuoksi emme pystyneet saattamaan tätä projektia kokonaisuudessaan päätökseen. Tämä opas on opas stabilisaattorin prototyyppiä varten tarvittavalle piirille ja koodille. Aiomme saattaa projektin päätökseen aina, kun koulu jatkuu, ja meillä on jälleen pääsy 3D -tulostimiin. Valmiissa versiossa on akkupiiri ja 3D-tulostettu kotelo, jossa on tukivarret (esitetty alla). Huomaa myös, että servomoottoreiden sammuttaminen Arduino 5v -virtalähteestä on yleensä huono käytäntö. Teemme tämän yksinkertaisesti, jotta voimme testata prototyyppiä. Erillinen virtalähde sisältyy lopulliseen projektiin ja se on esitetty alla olevassa kytkentäkaaviossa.

Tarvikkeet

-Arduino UNO -mikro -ohjain

-Leipälauta

-Johdinsarja

-MPU6050 Inertiaalinen mittausyksikkö

-MG995 Servomoottori (x2)

-LCD1602 -moduuli

-Joystick -moduuli

Vaihe 1: Projektin yleiskatsaus

Yllä on video projektistamme ja siinä on myös toimiva esittely.

Vaihe 2: Teoria ja toiminta

Kameramme vakauttamiseksi käytimme kahta servomoottoria vakauttamaan nousu- ja rulla -akselia. Inertiaalinen mittausyksikkö (IMP) tunnistaa kiihtyvyyden, kulmakiihtyvyyden ja magneettisen voiman, joiden avulla voimme määrittää kameran kulman. Kun IMU on kiinnitetty kokoonpanoon, voimme käyttää havaittua dataa automaattisesti vastustamaan kahvan liikkeen muutosta servojen kanssa. Lisäksi Arduino -joystickillä voimme ohjata manuaalisesti kahta pyörimisakselia, yhtä moottoria kullekin akselille.

Kuvassa 1 näet, että telan servomoottori vastustaa telaa. Kun kahvaa liikutetaan telan suuntaan, telan servomoottori pyörii samaan mutta vastakkaiseen suuntaan.

Kuvassa 2 näkyy, että nousukulmaa ohjataan erillisellä servomoottorilla, joka toimii samalla tavalla kuin rulla servomoottori.

Servomoottorit ovat hyvä valinta tähän projektiin, koska ne yhdistävät moottorin, asentoanturin, pienen sisäänrakennetun mikro-ohjaimen ja H-sillan, jonka avulla voimme hallita moottorin asentoa manuaalisesti ja automaattisesti Arduinon kautta. Alkuperäinen suunnittelu vaati vain yhtä servomoottoria, mutta jonkin harkinnan jälkeen päätimme käyttää kahta. Lisäkomponentteja lisättiin Arduinon LCD -näyttö ja ohjaussauva. Nestekidenäytön tarkoituksena on näyttää missä tilassa vakaaja on tällä hetkellä ja kunkin servon kulma käsikäytössä.

Luodaksemme kotelon kaikkien sähkökomponenttien pitämiseksi olemme käyttäneet tietokoneavusteista suunnittelua (CAD) ja käytämme 3D-tulostinta. Sähkökomponenttien pitämiseksi olemme suunnitelleet rungon, joka toimii myös kahvana. Tässä asennetaan IMU -anturi ja ohjaussauva. Kaksiakselista ohjausta varten suunnittelimme moottoreille kiinnikkeitä.

Vaihe 3: Tila/logiikkakaavio

Koodi koostuu kolmesta tilasta, joista jokainen näkyy nestekidenäytössä. Kun Arduino saa virtaa, nestekidenäyttö tulostaa”Alustetaan…” ja I2C-tiedonsiirto käynnistetään MPU-6050: n kanssa. MPU-6050: n lähtötiedot tallennetaan keskiarvon löytämiseksi. Tämän jälkeen Arduino siirtyy manuaaliseen ohjaustilaan. Tässä molempia servomoottoreita voidaan säätää manuaalisesti ohjaussauvalla. Jos joystick -painiketta painetaan, se siirtyy "Auto Level" -tilaan ja vakaava taso säilyttää tasonsa maan suhteen. Servomoottorit vastustavat kaikkia liikkeitä rulla- tai noususuunnassa pitäen siten korin vaakasuorassa. Kun painat joystick -painiketta uudelleen, Arduino siirtyy "Älä tee mitään -tilaan", jossa servomoottorit lukitaan. Tässä järjestyksessä tilat muuttuvat edelleen jokaisella joystick -painikkeen painalluksella.

Vaihe 4: Piirikaavio

Yllä oleva kuva kuvaa projektin piirikaaviota OFF -tilassa. Arduino-mikrokontrolleri tarjoaa tarvittavat liitännät MPU-6050 IMU: n, ohjaussauvan ja LCD-näytön käyttämiseen. LiPo -kennot on kytketty suoraan vaihtajaan ja syöttävät virtaa sekä Arduino -mikrokontrolleriin että molempiin servomoottoreihin. Tämän toimintatilan aikana paristot kytketään rinnakkain 3-pisteisen kaksoiskytkimen (3PDT) avulla. Kytkimen avulla voimme irrottaa kuorman ja samalla kytkeä laturin ja vaihtaa kennot sarjasta rinnakkaisiin. Tämä mahdollistaa myös akun lataamisen samanaikaisesti.

Kun kytkin käännetään ON -tilaan, kaksi 3,7 voltin kennoa antaa virtaa Arduino- ja Servo -moottoreille. Tämän toimintatilan aikana paristot kytketään sarjaan 3-pisteisellä kaksoiskytkimellä (3PDT). Näin voimme saada 7.4V virtalähteestämme. Sekä LCD -näyttö että IMU -anturi käyttävät I2C -tiedonsiirtoa. SDA: ta käytetään datan lähettämiseen, kun taas SCL on kellolinja, jota käytetään tiedonsiirron synkronointiin. Servomoottoreissa on kolme johtoa: teho, maa ja data. Arduino kommunikoi servojen kanssa nastojen 3 ja 5 kautta; nämä nastat käyttävät pulssileveysmodulaatiota (PWM) tietojen siirtämiseksi tasaisemmilla siirtymillä.

*Akun latauspiiri on osoitteesta Adafruit.com

Vaihe 5: Rakentaminen

Kameran gimbalin perusrakenne on melko yksinkertainen, koska se on pohjimmiltaan vain kahva ja kiinnike kameralle. Kardaani koostuu kahdesta servomoottorista, jotka estävät liikettä rulla- ja noususuunnissa. Arduino Unon käyttäminen vaatii huomattavan määrän tilaa, joten lisäsimme myös kotelon kahvan alaosaan, joka sisältää kaikki sähkökomponentit. Kotelo, kahva ja servomoottorin kiinnikkeet tulostetaan 3D -painikkeella, joten voimme minimoida kustannukset ja kokonaiskoko, koska voimme hallita suunnittelua täysin. Gimbalin suunnittelussa on useita tapoja, mutta suurin huomioon otettava tekijä on välttää yhden servomoottorin pyörimistä toiseen. Prototyypissä yksi servomoottori on olennaisesti liitetty toiseen. Kun meillä on jälleen pääsy 3D -tulostimiin, tulostamme yllä esitetyn varren ja alustan 3D -muodossa.

*Varren ja alustan mallit ovat osoitteesta

Vaihe 6: Yleiset havainnot ja mahdolliset parannukset

Alkuperäinen tutkimus, jonka teimme kameran kardaaneista, oli erittäin pelottava. Vaikka aiheesta oli olemassa lukuisia lähteitä ja tietoa, se vaikutti suuresti hankkeelta, joka olisi liigan ulkopuolella. Aloitimme hitaasti, teimme niin paljon tutkimusta kuin pystyimme, mutta otimme vähän vastaan. Joka viikko tapasimme ja teimme yhteistyötä. Työskennellessämme saimme yhä enemmän vauhtia ja lopulta tulimme vähemmän pelokkaiksi ja innostuneemmiksi projektista. Vaikka lisäsimme ylimääräisen ohjaussauvan ja LCD -näytön, meillä on vielä paljon enemmän, mitä voisimme lisätä projektiin. On myös joitain parannuksia, joita voitaisiin lisätä, kuten manuaalisen ohjauksen rajoitukset, jotka estäisivät käyttäjää pyörimästä yhtä servomoottoria toiseen. Tämä on pieni ongelma, ja se voidaan korjata myös erilaisella asennusmallilla. Keskustelimme myös mahdollisuuksista lisätä panorointitoiminto. Tämä antaisi käyttäjälle mahdollisuuden käyttää servomoottoreita panoroidakseen tietylle alueelle tietyn ajan kuluessa.

Tiiminä teimme kaikki erittäin hyvää yhteistyötä. Olosuhteista huolimatta ja vain kyvystä tavata virtuaalisesti, teimme siitä parhaan mahdollisen ja jatkoimme viestintää. Kaikki osat ja komponentit annettiin yhdelle henkilölle, mikä vaikeutti muille ryhmille ongelmien vianmääritystä. Pystyimme käsittelemään esiin tulleet ongelmat, mutta jos meillä kaikilla olisi ollut samat materiaalit, se olisi helpottanut auttamista. Kaiken kaikkiaan suurin panos projektimme loppuunsaattamisessa oli jokaisen jäsenen kyky olla tavoitettavissa ja halukas tapaamaan ja keskustelemaan projektista.