Интерактивен генератор на лазерен лист с Arduino: 11 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Лазерите могат да се използват за създаване на невероятни визуални ефекти. В този проект създадох нов тип лазерен дисплей, който е интерактивен и възпроизвежда музика. Устройството завърта два лазера, за да образува два вихрови листа светлина. Включих сензори за разстояние в устройството, така че лазерните листове да могат да бъдат манипулирани, като преместите ръката си към тях. Тъй като човекът взаимодейства със сензорите, устройството също възпроизвежда музика чрез MIDI изход. Той включва идеи от лазерни арфи, лазерни вихри и POV дисплеи.

Инструментът се управлява с Arduino Mega, който приема входовете на ултразвукови сензори и извежда вида на лазерния лист, който се формира и генерира музика. Поради многото степени на свобода на въртящите се лазери, могат да бъдат създадени много различни модели лазерни листове.

Направих предварителна мозъчна атака по проекта с нова арт/технологична група в Сейнт Луис, наречена Додо Флок. Емре Сарбек също проведе някои първоначални тестове на сензорите, използвани за откриване на движение в близост до устройството.

Ако конструирате лазерно ламаринено устройство, не забравяйте да използвате безопасно лазери и въртящи се дискове.

Актуализация 2020: Разбрах, че повърхността, създадена с лазерите, е хиперболоид.

Стъпка 1: Списък на доставките

Материали

Лазери -

Безчетков двигател -

Електронен регулатор на скоростта -

Серво мотори -

Транзистори

Шперплат

Плексиглас

Ултразвукови сензори

Slipring -

Бели светодиоди -

Преобразуватели на долари

Тел за увиване на тел

MIDI конектор

Потенциометър и копчета -

Хардуер - https://www.amazon.com/gp/product/B01J7IUBG8/ref=o…https://www.amazon.com/gp/product/B06WLMQZ5N/ref=o…https://www.amazon. com/gp/product/B06XQMBDMX/ref = o…

Резистори

Съединителни кабели JST -

Превключвател за променливотоково захранване

12V захранване -

Лепило за дърво

супер лепило

Винтове за дърво

USB удължителен кабел -

Инструменти:

Поялник

Резачки за тел

Джиг видя

Циркулярен трион

Микрометър

Бормашина

Стъпка 2: Общ преглед и схема

Лазерният лъч създава добре колимиран (т.е. тесен) лъч светлина, така че един от начините за производство на лист светлина е бързото преместване на лъча по някакъв модел. Например, за да създадете цилиндричен светлинен лист, трябва да завъртите лазер около ос, успоредна на посоката, която сочи. За бързо преместване на лазер можете да прикрепите лазер към дървена дъска, прикрепена към безчетков двигател с постоянен ток. Само с това можете да създадете готини цилиндрични лазерни вихри!

Други проекти за лазерен вихър постигат това чрез монтиране на наклонено огледало по оста на въртене със стационарен лазер, насочен към огледалото. Това създава лазерен конус. С този дизайн обаче всички лазерни листове изглежда ще произхождат от един произход. Ако лазерите са разположени извън оста, подобно на дизайна, който изградих, можете да създадете конвергентни лазерни листове, като формата на пясъчния часовник, показана във видеото.

Но какво ще стане, ако искате светлинните листове да бъдат динамични и интерактивни? За да постигна това, прикрепих два лазера към сервомоторите и след това прикрепих сервомоторите към дървената дъска. Сега сервомоторите могат да регулират ъгъла на лазера спрямо оста на въртене на двигателя. Като имате два лазера на две различни сервоустройства, можете да създадете два различни светлинни листа с устройството.

За да контролирам скоростта на DC двигателя, свързах потенциометър към Arduino, който приема входа на потенциометъра и извежда сигнал към електрическия регулатор на скоростта (ESC). След това ESC контролира скоростта на двигателя (доста подходящо име, да), в зависимост от съпротивлението на потенциометъра.

Състоянието на включване/изключване на лазера се контролира чрез свързването им към излъчвателя на транзистор, работещ в насищане (т.е. работещ като електрически превключвател). Управляващ сигнал се изпраща към основата на транзистора, който управлява тока през лазера. Ето източник за управление на товар с транзистор с arduino:

Положението на сервомоторите също се контролира с Arduino. Докато дъската се върти, светлинният лист може да бъде манипулиран чрез промяна на позицията на серво. Без въвеждане на потребител само това може да създаде динамични светлинни листове, които са хипнотизиращи. Има и ултразвукови сензори, разположени около ръба на устройството, които се използват за определяне дали човек поставя ръката си близо до светлинните чаршафи. След това този вход се използва за преместване на лазерите за създаване на нови светлинни листове ИЛИ генериране на MIDI сигнал. Свързан е MIDI жак за предаване на MIDI сигнала към MIDI устройство за възпроизвеждане.

Стъпка 3: Управление на безчетков двигател с Arduino

За да създадете вихрови светлинни листове, трябва да завъртите лазерния лъч. За да постигна това, реших да опитам да използвам безчетков DC мотор. Научих, че тези видове двигатели са наистина популярни сред моделите самолети и дронове, така че реших, че ще бъде доста лесен за използване. Натъкнах се на няколко препятствия по пътя, но като цяло съм доволен от начина, по който моторът работи за проекта.

Първо, двигателят трябва да бъде монтиран. По поръчка проектирах част, която да държи двигателя и да го прикрепя към дъска, която държи устройството. След като моторът беше обезопасен, свързах двигателя към ESC. От това, което прочетох, звучи наистина трудно да се използва безчетков двигател без такъв. За да завъртя двигателя, използвах Arduino Mega. Първоначално не можех да накарам двигателя да се върти, защото просто свързвах управляващия сигнал към 5V или заземяване, без да задавам правилно базова стойност или да калибрирам ESC. След това последвах урок на Arduino с потенциометър и серво мотор и това накара двигателя да се завърти! Ето линк към урока:

ESC проводниците всъщност могат да бъдат свързани по всякакъв начин към безчетковия двигател. Ще ви трябват няколко конектора за женски банан. По -дебелите червени и черни кабели на ESC са свързани към DC захранване при 12V, а черно -белите кабели на контролния конектор на ESC са свързани съответно към маса и контролен щифт на Arduino. Вижте този видеоклип, за да научите как да калибрирате ESC:

Стъпка 4: Конструиране на шасито от лазерен лист

След като двигателят се върти, е време да се изгради шасито от лека ламарина. Нарязах парче шперплат с помощта на CNC машина, но можете да използвате и трион. Шперплатът държи ултразвуковите сензори и има дупка в него, за да побере парче от плексиглас. Плексигласът трябва да бъде прикрепен към дървото с помощта на епоксидна смола. Пробиват се отвори за приплъзване на пръстена.

След това се изрязва друг кръгъл лист шперплат, за да държи безчетков двигател. В този дървен лист се пробиват дупки, така че проводниците да могат да преминават по -късно в конструкцията. След закрепване на стойката на двигателя и пробиване на отвори, двата листа шперплат се закрепват чрез 1x3 дъски, изрязани с дължина около 15 см и метални скоби. На снимката можете да видите как плексигласът е над двигателя и лазерите.

Стъпка 5: Лазерен и серво мотор

Променливите светлинни листове се създават от движещи се лазери по отношение на оста на въртене. Проектирах и отпечатах 3d носител, който прикрепя лазер към серво и монтиране, което свързва серво към въртящата се дъска. Първо прикрепете серво към серво монтирането с два винта М2. След това плъзнете гайка М2 в лазерната стойка и затегнете фиксиращ винт, за да поддържате лазера на място. Преди да свържете лазера към сервото, трябва да се уверите, че сервото е завъртяно до центрираната си работна позиция. С помощта на урока по серво насочете сервото на 90 градуса. След това монтирайте лазера, както е показано на снимката, с помощта на винт. Трябваше да добавя и лепило, за да гарантирам, че лазерът не се измества неволно.

Използвах лазерен нож за създаване на дъската, която има размери около 3 см х 20 см. Максималният размер на светлия лист ще зависи от размера на дървената дъска. След това беше пробит отвор в центъра на дъската, така че да се побере върху безчетковия вал на двигателя.

След това залепих лазерния серво монтаж върху дъската, така че лазерите да са центрирани. Уверете се, че всички компоненти на дъската са балансирани по отношение на оста на въртене на дъската. Запоявайте JST конектори към лазерите и серво кабелите, така че да могат да бъдат свързани към плъзгача в следващата стъпка.

Накрая прикрепете дъската с прикрепени лазерно-серво комплекти към безчетковия двигател с шайба и гайка. В този момент тествайте безчетков двигател, за да се уверите, че дъската може да се върти. Внимавайте да не карате двигателя твърде бързо или да поставите ръката си по пътя на въртенето на дъската.

Стъпка 6: Инсталиране на Slipring

Как да предотвратите заплитането на проводниците, докато електрониката се върти? Един от начините е да използвате батерия за захранване и да я свържете към въртящия се агрегат, както в тази инструкция за POV. Друг начин е да използвате плъзгане! Ако досега не сте чували за прашка или сте я използвали, вижте този страхотен видеоклип, който демонстрира как работи.

Първо, прикрепете другите краища на JST конекторите към плъзгача. Не искате проводниците да са твърде дълги, защото има потенциал те да се хванат за нещо, когато дъската се върти. Прикрепих плъзгача към плексигласа над безчетковия двигател, който се пробива в отвори за винтове. Внимавайте да не напукате плексигласа при пробиване. Можете също да използвате лазерен нож, за да получите по -прецизни отвори. След като плъзгачът е прикрепен, свържете съединителите.

В този момент можете да свържете плъзгащите се проводници към щифтове на Arduino, за да направите някои предварителни тестове с лазерния генератор на листове.

Стъпка 7: Запояване на електрониката

Изрязах прототипна платка, за да свържа цялата електроника. Тъй като използвах 12V захранване, трябва да използвам два dc-dc конвертора: 5V за лазерите, сервомоторите, потенциометъра и MIDI жака и 9V за Arduino. Всичко беше свързано, както е показано на диаграмата, чрез запояване или обвиване на тел. След това дъската беше свързана с 3D печатна част, използвайки PCD стойности.

Стъпка 8: Конструиране на кутията за електроника

Цялата електроника се помещава в дървена кутия. Нарязах 1x3 дървен материал за страните на кутията и изрязах голям отвор от едната страна, така че кабелите на контролния панел да могат да преминат. Страните бяха свързани с помощта на малки блокове от дърво, лепило за дърво и винтове. След като лепилото изсъхна, шлайфах отстрани на кутията, за да изравня всички несъвършенства в кутията. След това изрязах тънко дърво за предната, задната и долната част на кутията. Дъното беше приковано отстрани, а предната и задната част бяха залепени върху кутията. Накрая измерих и изрязах дупките размерите на компонентите на предния панел на кутията: жак за захранващия кабел, usb жак, MIDI жак и потенциометър.

Стъпка 9: Инсталиране на електроника в кутията

Прикрепих захранването към кутията с помощта на винтове, Arduino с помощта на персонализиран монтаж и платка, създадена в Стъпка 7. Потенциометърът и MIDI жакът първо бяха свързани към печатната платка с помощта на тел за опаковане на тел, след което бяха залепени към преден панел. Жакът за променлив ток беше свързан към захранването, а DC изходът на захранването беше свързан към входовете на преобразувателите Buck и кабелите, които се свързват към безчетковия двигател. След това проводниците на двигателя, серво и лазера се прокарват през отвор в шперплата до кутията с електроника. Преди да се занимавам с ултразвуковите сензори, тествах компонентите поотделно, за да се уверя, че всичко е свързано правилно.

Първоначално закупих жак за захранване с променлив ток, но прочетох някои доста лоши отзиви за топенето му, така че имах отвори с неправилен размер на предния панел. Затова проектирах и отпечатах 3D адаптери за жак, за да съответстват на размера на отворите, които изрязах.

Стъпка 10: Монтиране и окабеляване на ултразвуковите сензори

В този момент лазерите, сервомоторите, безчетковият двигател и MIDI жакът са свързани и могат да бъдат контролирани от Arduino. Последната хардуерна стъпка е свързването на ултразвуковите сензори. Проектирах и 3D отпечатах ултразвуков сензор. След това свързах и равномерно прикрепих комплектите на ултразвуковия сензор към горния лист от шперплат на генератора на светлинни листове. Жицата за навиване на тел се спусна до електронната кутия чрез пробиване на отвори в листа от шперплат. Свързах телената обвивка към съответните щифтове на Arduino.

Бях малко разочарован от работата на ултразвуковия сензор. Те работеха доста добре за разстояния между 1 см - 30 см, но измерването на разстоянието е много шумно извън този диапазон. За да подобря съотношението сигнал / шум, се опитах да направя средната или средната стойност на няколко измервания. Сигналът обаче все още не беше достатъчно надежден, така че в крайна сметка настроих границата за свирене на нота или смяна на лазерния лист на 25 см.

Стъпка 11: Програмиране на динамичния лазерен вихър

След като окабеляването и монтажът приключат, е време да програмирате устройството за светлинен лист! Има много възможности, но цялостната идея е да се приемат входовете на ултразвуковите сензори и да се изпращат сигнали за MIDI и управление на лазерите и сервомоторите. Във всички програми въртенето на дъската се контролира чрез завъртане на копчето на потенциометъра.

Ще ви трябват две библиотеки: NewPing и MIDI

Приложен е пълният код на Arduino.

Втора награда в Invention Challenge 2017