Fotoaparato stabilizatoriaus prototipas (2DOF): 6 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:45

Autoriai:

Robertas de Mello ir Souza, Jacobas Paxtonas, Moisesas Fariasas

Padėkos:

Didelis ačiū Kalifornijos valstijos universiteto jūreivystės akademijai, jos inžinerinių technologijų programai ir daktarui Chang-Siu, padėjusiems mums sėkmingai įgyvendinti mūsų projektą tokiais sudėtingais laikais.

Įvadas:

Fotoaparato stabilizavimo įtaisas arba fotoaparato antgalis yra laikiklis, apsaugantis nuo fotoaparato drebėjimo ir kitų nepagrįstų judesių. Vienas iš pirmųjų kada nors išrastų stabilizatorių naudojo amortizatorius/spyruokles, kad slopintų staigius fotoaparato judesio pokyčius. Kitų tipų stabilizatoriai naudoja giroskopus arba atraminius taškus, kad atliktų tą pačią užduotį. Šie įtaisai stabilizuoja nepageidaujamus judesius iki trijų skirtingų ašių ar matmenų. Tai apima x, y ir z ašis. Tai reiškia, kad stabilizatorius gali slopinti judesius trimis skirtingomis kryptimis: riedėjimo, žingsnio ir posūkio. Paprastai tai atliekama naudojant 3 variklius, valdomus naudojant elektroninę valdymo sistemą, kurių kiekvienas priešinasi skirtingai ašiai.

Šis projektas mus sudomino dėl kelių priežasčių. Mums visiems patinka įvairios pramogos lauke, pavyzdžiui, snieglenčių sportas ir kitos sporto šakos. Dėl reikalingo judesio sunku gauti aukštos kokybės šios veiklos filmuotą medžiagą. Pora iš mūsų turi tikrą fotoaparato stabilizatorių, nusipirktą iš parduotuvės, todėl norėjome ištirti, ko reikia norint sukurti kažką panašaus. Mūsų laboratorijų ir paskaitų pamokose mes sužinojome, kaip sąveikauti su servo varikliais naudojant „Arduino“, kodavimą, reikalingą, kad jie veiktų, ir elektroninės grandinės teoriją, padedančią mums sukurti grandines.

*PASTABA: dėl COVID-19 negalėjome užbaigti viso šio projekto. Ši instrukcija yra grandinės ir kodo, reikalingo stabilizatoriaus prototipui, vadovas. Mes ketiname užbaigti projektą, kai mokykla vėl pradės veikti, ir vėl turėsime prieigą prie 3D spausdintuvų. Užbaigta versija turės akumuliatoriaus grandinę ir 3D spausdintą korpusą su stabilizatoriaus svirtimis (parodyta žemiau). Taip pat atminkite, kad servo variklių išjungimas iš „Arduino 5v“maitinimo šaltinio paprastai yra bloga praktika. Mes tiesiog tai darome, kad būtų galima išbandyti prototipą. Į galutinį projektą bus įtrauktas atskiras maitinimo šaltinis ir jis parodytas žemiau esančioje schemoje.

Prekės

-Arduino UNO mikrovaldiklis

-Bandomoji Lenta

-laidų megztinių rinkinys

-MPU6050 inercinis matavimo vienetas

-MG995 servo variklis (x2)

-LCD1602 modulis

-Joystick modulis

1 žingsnis: projekto apžvalga

Aukščiau yra mūsų projekto vaizdo įrašas ir taip pat parodyta veikianti demonstracija.

2 žingsnis: teorija ir veikimas

Kameros stabilizavimui mes naudojome du servo variklius, kad stabilizuotume žingsnio ir ritinio ašį. Inercinis matavimo vienetas (IMU) nustato pagreitį, kampinį pagreitį ir magnetinę jėgą, kurią galime naudoti fotoaparato kampui nustatyti. Kai prie agregato pritvirtintas IMU, mes galime naudoti aptiktus duomenis, kad automatiškai neutralizuotume rankenos judesio pasikeitimą su servo sistemomis. Be to, naudodami „Arduino“vairasvirtę, rankiniu būdu galime valdyti dvi sukimosi ašis, po vieną variklį kiekvienai ašiai.

1 paveiksle matote, kaip ritinėlį atremia ritininis servo variklis. Kai rankena pasislenka ritinio kryptimi, servo variklio ritinys sukasi lygia, bet priešinga kryptimi.

2 paveiksle matote, kad žingsnio kampą valdo atskiras servo variklis, kuris veikia panašiai kaip ritininis servo variklis.

Servo varikliai yra geras pasirinkimas šiam projektui, nes jame yra variklis, padėties jutiklis, mažas įmontuotas mikrovaldiklis ir H tiltas, leidžiantis rankiniu būdu ir automatiškai valdyti variklio padėtį per „Arduino“. Pradiniame projekte reikėjo tik vieno servo variklio, tačiau po tam tikrų svarstymų nusprendėme naudoti du. Papildomi komponentai buvo „Arduino“LCD ekranas ir vairasvirtė. Skystųjų kristalų ekrano tikslas yra parodyti, kokioje būsenoje stabilizatorius šiuo metu yra, ir dabartinį kiekvieno servo kampą, kai valdomas rankiniu būdu.

Norėdami sukurti korpusą, kuriame tilptų visi elektriniai komponentai, mes panaudojome kompiuterinį projektavimą (CAD) ir naudosime 3D spausdintuvą. Norėdami laikyti elektros komponentus, mes sukūrėme korpusą, kuris taip pat veiks kaip rankena. Čia bus sumontuotas IMU jutiklis ir vairasvirtė. Dviejų ašių valdymui mes sukūrėme variklių laikiklius.

3 žingsnis: būsenos/logikos diagrama

Kodą sudaro trys būsenos, kurių kiekviena bus rodoma LCD ekrane. Kai „Arduino“gaus maitinimą, skystųjų kristalų ekrane bus atspausdinta „Inicijuojama…“, o I2C ryšys bus pradėtas naudojant MPU-6050. Pradiniai duomenys iš MPU-6050 įrašomi norint rasti vidurkį. Po to „Arduino“įjungs rankinio valdymo režimą. Čia abu servo variklius galima reguliuoti rankiniu būdu vairasvirte. Paspaudus vairasvirtės mygtuką, jis pereis į „Auto Level“būseną ir stabilizavimo platforma išlaikys lygį Žemės atžvilgiu. Servo varikliai atremia bet kokį judėjimą ritinio ar žingsnio kryptimi, taip išlaikant platformos lygį. Dar kartą paspaudus vairasvirtės mygtuką, „Arduino“pateks į „Nieko nedarymo būseną“, kur servo varikliai bus užrakinti. Šia tvarka būsenos ir toliau keisis kiekvieną kartą paspaudus vairasvirtės mygtuką.

4 žingsnis: grandinės schema

Aukščiau pateiktas vaizdas iliustruoja mūsų projekto grandinės schemą išjungimo režimu. „Arduino“mikrovaldiklis suteikia reikiamas jungtis, kad būtų galima paleisti MPU-6050 IMU, vairasvirtę ir LCD ekraną. „LiPo“elementai yra tiesiogiai prijungti prie keitiklio ir tiekia maitinimą tiek „Arduino“mikrovaldikliui, tiek abiem servo varikliams. Šiuo veikimo režimu baterijos yra prijungtos lygiagrečiai, naudojant 3 taškų dvigubo metimo (3PDT) jungiklį. Jungiklis leidžia mums atjungti apkrovą, tuo pačiu prijungti įkroviklį ir perjungti elementus iš serijos į lygiagrečią konfigūraciją. Tai taip pat leidžia vienu metu įkrauti akumuliatorių.

Kai jungiklis perjungiamas į įjungimo režimą, dvi „3.7v“elementai suteiks energijos „Arduino“ir „Servo Motors“. Šiuo veikimo režimu baterijos nuosekliai prijungtos naudojant 3 taškų dvigubo metimo (3PDT) jungiklį. Tai leidžia iš energijos šaltinio gauti 7,4 V įtampą. Tiek LCD ekranas, tiek IMU jutiklis naudoja I2C ryšį. SDA naudojama duomenims perduoti, o SCL - laikrodžio linija, naudojama duomenų perdavimui sinchronizuoti. Servo varikliai turi tris laidus: galią, įžeminimą ir duomenis. „Arduino“bendrauja su servo per 3 ir 5 kaiščius; šie kaiščiai naudoja impulsų pločio moduliaciją (PWM), kad duomenys būtų perduodami sklandžiau.

*Akumuliatoriaus įkrovimo grandinė yra iš Adafruit.com

5 žingsnis: statyba

Pagrindinis fotoaparato gimbalo dizainas yra gana paprastas, nes iš esmės tai yra tik fotoaparato rankena ir laikiklis. Gimnastika susideda iš dviejų servo variklių, kurie neutralizuoja bet kokį judesį ritinio ir žingsnio kryptimis. „Arduino Uno“naudojimas reikalauja daug vietos, todėl rankenos apačioje taip pat pridėjome korpusą, kuriame bus visi elektros komponentai. Korpusas, rankena ir servo variklio laikikliai bus atspausdinti 3D formatu, kad galėtume sumažinti išlaidas ir bendrą dydį, nes galime visiškai kontroliuoti dizainą. Yra keli būdai, kaip sukurti gimbalą, tačiau didžiausias veiksnys, į kurį reikia atsižvelgti, yra išvengti vieno servo variklio sukimosi į kitą. Prototipe vienas servo variklis iš esmės yra pritvirtintas prie kito. Kai vėl turėsime prieigą prie 3D spausdintuvų, 3D spausdinsime aukščiau parodytą ranką ir platformą.

*Rankos ir platformos dizainas yra iš

6 žingsnis: bendros išvados ir galimi patobulinimai

Pradiniai tyrimai, kuriuos atlikome su fotoaparatų antgaliais, buvo labai bauginantys. Nors buvo gausu šaltinių ir informacijos šia tema, tai labai atrodė kaip projektas, kuris nepatenka į mūsų lygą. Pradėjome lėtai, atlikome kuo daugiau tyrimų, bet mažai įsisavinome. Kiekvieną savaitę susitikdavome ir bendradarbiaudavome. Dirbdami įgavome vis didesnį pagreitį ir galiausiai mažiau bijojome ir labiau jaudinomės dėl projekto. Nors pridėjome papildomą vairasvirtę ir skystųjų kristalų ekraną, dar daug ką galėtume pridėti prie projekto. Taip pat galima pridėti keletą patobulinimų, pavyzdžiui, rankinio valdymo apribojimus, kurie neleistų vartotojui pasukti vieno servo variklio į kitą. Tai nedidelė problema, kurią taip pat galima išspręsti naudojant kitokią tvirtinimo konstrukciją. Mes taip pat aptarėme galimybes pridėti keptuvės funkciją. Tai leistų vartotojui naudoti servo variklius tam tikros srities perjungimui per nustatytą laiką.

Kaip komanda, mes visi labai gerai dirbome. Nepaisant aplinkybių ir tik galimybės virtualiai susitikti, mes iš to išnaudojome viską ir nuolat bendravome. Visos dalys ir komponentai buvo duoti vienam asmeniui, todėl likusiai grupei buvo šiek tiek sunkiau padėti išspręsti kilusias problemas. Mums pavyko išspręsti iškilusias problemas, tačiau jei visi turėtume tą pačią medžiagą, būtų buvę šiek tiek lengviau padėti. Apskritai, didžiausias indėlis baigiant mūsų projektą buvo galimybė kiekvienam nariui turėti galimybę ir norą susitikti ir kalbėtis apie projektą.