Прототип стабилизатор на камерата (2DOF): 6 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Автори:

Робърт де Мело и Соза, Джейкъб Пакстън, Моисес Фариас

Благодарности:

Огромни благодарности на Калифорнийския държавен университетска морска академия, нейната програма за инженерни технологии и д-р Чанг-Сиу, че ни помогнаха да успеем с нашия проект в толкова сложни времена.

Въведение:

Устройство за стабилизатор на камерата или кардан на камерата е стойка, която предотвратява треперенето на камерата и други неоправдани движения. Един от първите стабилизатори, изобретен някога, използва амортисьори/пружини, за да намали внезапните промени в движението на камерата. Други видове стабилизатори използват жироскопи или опорни точки за изпълнение на същата задача. Тези устройства стабилизират нежеланите движения в до три различни оси или размери. Те включват оста x, y и z. Това означава, че стабилизаторът може да потисне движенията в три различни посоки: търкаляне, наклон и прегъване. Това обикновено се постига с помощта на 3 двигателя, управлявани с електронна система за управление, всеки противодействащ на различна ос.

Бяхме изключително заинтересовани от този проект по няколко причини. Всички ние се наслаждаваме на различни дейности на открито, като сноуборд и други спортове. Получаването на висококачествени кадри от тези дейности е трудно поради необходимото количество движение. Няколко от нас притежават истински стабилизатор на камерата, закупен от магазина, и затова искахме да проучим какво е необходимо, за да създадем нещо подобно. В нашите лабораторни и лекционни часове ние научихме как да взаимодействаме със серво мотори с помощта на Arduino, кодирането, необходимо за тяхната работа, и теорията зад електронните схеми, която да ни помогне да проектираме схемите.

*ЗАБЕЛЕЖКА: Поради COVID-19 не успяхме да завършим този проект изцяло. Тази инструкция е ръководство за схемите и кода, необходими за прототипа на стабилизатора. Възнамеряваме да завършим проекта, когато училището се възобнови и отново имаме достъп до 3D принтери. Завършената версия ще има схема на батерията и 3D отпечатан корпус със стабилизатори (показани по-долу). Също така, имайте предвид, че захранването на серво моторите от захранването на Arduino 5v обикновено е лоша практика. Ние просто правим това, за да дадем възможност за тестване на прототипа. В окончателния проект ще бъде включено отделно захранване и е показано на схемата по -долу.

Консумативи

-Микроконтролер Arduino UNO

-Дървена дъска

-Комплект джъмпер за проводници

-Инерционно измервателно устройство MPU6050

-MG995 серво мотор (x2)

-LCD1602 Модул

-Джойстик модул

Стъпка 1: Преглед на проекта

По -горе е видео на нашия проект и също така показва работеща демонстрация.

Стъпка 2: Теория и операция

За стабилизиране на нашата камера използвахме два серво мотора, за да стабилизираме оста на наклона и ролката. Една инерционна измервателна единица (IMU) усеща ускорението, ъгловото ускорение и магнитната сила, които можем да използваме за определяне на ъгъла на камерата. С IMU, прикрепен към монтажа, можем да използваме отчетените данни за автоматично противодействие на промяната в движението на дръжката със сервомоторите. Освен това с джойстик Arduino можем ръчно да управляваме две оси на въртене, по един двигател за всяка ос.

На фигура 1 можете да видите, че ролката е противодействана от сервомотора на ролката. Тъй като дръжката се движи в посока на ролката, сервомоторът на ролката ще се върти в еднаква, но противоположна посока.

На фигура 2 можете да видите, че ъгълът на наклона се контролира от отделен серво мотор, който действа по подобен начин на сервомотора на ролката.

Серво двигателите са добър избор за този проект, тъй като комбинират двигателя, сензор за положение, малък вграден микроконтролер и H-мост, който ни позволява ръчно и автоматично да контролираме позицията на двигателя през Arduino. Първоначалният дизайн изискваше само един серво мотор, но след известно обмисляне решихме да използваме два. Допълнителни добавени компоненти бяха LCD екран на Arduino и джойстик. Целта на LCD екрана е да покаже в какво състояние е стабилизаторът в момента и текущия ъгъл на всяко серво, докато е в ръчно управление.

За да създадем корпуса, който да побере всички електрически компоненти, ние използвахме CAD (Computer-Aided Design) и ще използваме 3D принтер. За да държим електрическите компоненти, ние сме проектирали тяло, което също ще действа като дръжка. Тук ще бъдат монтирани сензорът IMU и джойстикът. За двуосно управление проектирахме опори за двигателите.

Стъпка 3: Състояние/логическа диаграма

Кодът се състои от три състояния, всяко от които ще бъде посочено на LCD екрана. Когато Arduino получи захранване, LCD екранът ще отпечата „Initializing …“и I2C комуникацията започва с MPU-6050. Първоначалните данни от MPU-6050 се записват, за да се намери средната стойност. След това Arduino ще влезе в режим на ръчно управление. Тук и двата серво мотора могат да се регулират ръчно с джойстика. Ако бутонът на джойстика е натиснат, той ще влезе в състояние „Автоматично ниво“и стабилизиращата платформа ще поддържа ниво по отношение на Земята. Всяко движение в посоката на търкаляне или наклон ще бъде противодействано от серво моторите, като по този начин поддържа платформата на ниво. С още едно натискане на бутона на джойстика, Arduino ще влезе в състояние „Не прави нищо“, където серво моторите ще бъдат заключени. В този ред състоянията ще продължат да се променят с всяко натискане на бутона на джойстика.

Стъпка 4: Електрическа схема

Изображението по -горе илюстрира нашата схема на проекта в режим OFF. Микроконтролерът Arduino осигурява необходимите връзки за работа на MPU-6050 IMU, джойстик и LCD дисплей. LiPo клетките са директно свързани към чейнджъра и захранват както микроконтролера Arduino, така и двата серво мотора. По време на този режим на работа батериите са свързани паралелно с използването на 3-точков двукратен превключвател (3PDT). Превключвателят ни позволява да изключваме товара, като едновременно свързваме зарядното устройство и превключваме клетките от серия към паралелна конфигурация. Това също позволява едновременно зареждане на батерията.

Когато превключвателят е обърнат в режим ON, две 3.7v клетки ще осигурят захранване на Arduino и Servo Motors. По време на този режим на работа батериите са свързани последователно с помощта на 3-точков двукратен превключвател (3PDT). Това ни позволява да получим 7.4v от нашия източник на захранване. Както LCD екранът, така и IMU сензорът използват I2C комуникация. SDA се използва за предаване на данни, докато SCL е тактовата линия, използвана за синхронизиране на трансфера на данни. Сервомоторите имат по три извода: захранване, заземяване и данни. Arduino комуникира със сервомоторите чрез щифтове 3 и 5; тези щифтове използват Pulme Width Modulation (PWM), за да предават данните с по -плавни преходи.

*Веригата за зареждане на батерията е от Adafruit.com

Стъпка 5: Строителство

Основният дизайн на кардана за камера е доста прост, тъй като по същество е само дръжка и монтаж за камера. Карданът се състои от два серво мотора, за да противодейства на всяко движение в посоките на търкаляне и наклон. Използването на Arduino Uno изисква значително количество пространство, затова добавихме и корпус в долната част на дръжката, за да съдържа всички електрически компоненти. Корпусите, дръжките и сервомоторите ще бъдат отпечатани 3D, което ни позволява да сведем до минимум разходите и общия размер, тъй като можем да имаме пълен контрол върху дизайна. Има няколко начина, по които човек може да проектира кардана, но най -големият фактор, който трябва да се вземе предвид, е да се избегне завъртането на един серво мотор в друг. В прототипа един серво мотор е по същество прикрепен към другия. Когато отново имаме достъп до 3D принтери, ще отпечатаме 3D рамото и платформата, показани по -горе.

*Дизайните за рамото и платформата са от

Стъпка 6: Общи констатации и потенциални подобрения

Първоначалното проучване, което направихме върху карданите на камерата, беше много плашещо. Въпреки че имаше много източници и информация по темата, това много приличаше на проект, който щеше да бъде извън нашата лига. Започнахме бавно, правейки възможно най -много изследвания, но усвоявайки малко. Всяка седмица се срещахме и си сътрудничихме. Докато работихме, набирахме все повече инерция и в крайна сметка станахме по -малко уплашени и по -развълнувани от проекта. Въпреки че добавихме допълнителен джойстик и LCD екран, все още можем да добавим още много към проекта. Има и няколко подобрения, които биха могли да бъдат добавени, като например ограничения за ръчното управление, които биха попречили на потребителя да завърта един серво мотор в другия. Това е малък проблем и също може да бъде отстранен с различен монтажен дизайн. Обсъдихме и възможностите за добавяне на функция за панорамиране. Това би позволило на потребителя да използва серво моторите, за да се движи върху дадена област за определено време.

Като екип всички работихме много добре заедно. Въпреки обстоятелствата и само възможността да се срещаме виртуално, ние се възползвахме максимално от това и поддържахме честа комуникация. Всички части и компоненти бяха дадени на един човек и това затрудни останалата част от групата да помогне за отстраняване на възникналите проблеми. Успяхме да преодолеем възникналите проблеми, но ако всички имахме едни и същи материали, щеше да е малко по -лесно да се помогне. Като цяло най -големият принос за завършването на нашия проект беше възможността всеки член да има наличност и желание да се срещне и да разговаря по проекта.