Kameras stabilizatora prototips (2DOF): 6 soļi

2025 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2025-01-23 14:59

Autori:

Roberts de Mello un Souza, Džeikobs Pakstons, Moises Farias

Pateicības:

Milzīgs paldies Kalifornijas štata universitātes Jūras akadēmijai, tās Inženiertehnoloģiju programmai un Dr.

Ievads:

Kameras stabilizatora ierīce vai kameras kardāns ir stiprinājums, kas novērš kameras drebēšanu un citas nepamatotas kustības. Viens no pirmajiem stabilizatoriem, kas jebkad tika izgudrots, izmantoja amortizatorus/atsperes, lai slāpētu pēkšņas izmaiņas kameras kustībā. Citi stabilizatoru veidi izmanto žiroskopus vai atbalsta punktus, lai veiktu šo pašu uzdevumu. Šīs ierīces stabilizē nevēlamas kustības līdz trim dažādām asīm vai izmēriem. Tajos ietilpst x, y un z ass. Tas nozīmē, ka stabilizators var slāpēt kustības trīs dažādos virzienos: ripot, slīpumā un pagriezties. To parasti veic, izmantojot 3 motorus, kurus kontrolē ar elektronisku vadības sistēmu, un katrs no tiem ir pretējs citai asij.

Mēs bijām ārkārtīgi ieinteresēti šajā projektā vairāku iemeslu dēļ. Mums visiem patīk dažādas aktivitātes brīvā dabā, piemēram, snovbords un citi sporta veidi. Nepieciešamās kustības dēļ ir grūti iegūt augstas kvalitātes šo darbību kadrus. Pāriem no mums pieder īsts kameras stabilizators, kas nopirkts no veikala, un tāpēc mēs vēlējāmies izpētīt, kas nepieciešams, lai kaut ko tādu izveidotu. Mūsu laboratorijas un lekciju nodarbībās mēs esam iemācījušies, kā mijiedarboties ar servomotoriem, izmantojot Arduino, kodēšanu, kas nepieciešama, lai tie darbotos, un elektroniskās shēmas teoriju, lai palīdzētu mums izstrādāt shēmas.

*PIEZĪME: Covid-19 dēļ mēs nevarējām pabeigt šo projektu kopumā. Šī pamācība ir ceļvedis shēmai un kodam, kas nepieciešams stabilizatora prototipam. Mēs plānojam pabeigt projektu, kad skola atsāksies, un mums atkal būs pieejami 3D printeri. Pabeigtajai versijai būs akumulatora ķēde un 3D drukāts korpuss ar stabilizatora svirām (parādīts zemāk). Lūdzu, ņemiet vērā arī to, ka Servo motoru izslēgšana no Arduino 5v barošanas avota parasti ir slikta prakse. Mēs to vienkārši darām, lai varētu pārbaudīt prototipu. Gala projektā tiks iekļauts atsevišķs barošanas avots, un tas ir parādīts zemāk esošajā shēmā.

Piegādes

-Arduino UNO mikrokontrolleris

-Maizes dēlis

-vadu džempera komplekts

-MPU6050 inerciālās mērīšanas vienība

-MG995 servomotors (x2)

-LCD1602 modulis

-kursorsviras modulis

1. darbība: projekta pārskats

Augšpusē ir mūsu projekta video, un tajā ir parādīta arī darba demonstrācija.

2. darbība: teorija un darbība

Lai stabilizētu mūsu kameru, mēs izmantojām divus servomotorus, lai stabilizētu piķa un rites asi. Inerciālās mērīšanas vienība (IMU) uztver paātrinājumu, leņķisko paātrinājumu un magnētisko spēku, ko varam izmantot, lai noteiktu kameras leņķi. Ja montāžai ir pievienots IMU, mēs varam izmantot uztvertos datus, lai automātiski neitralizētu izmaiņas roktura kustībā ar servo. Turklāt ar Arduino kursorsviru mēs varam manuāli kontrolēt divas rotācijas asis - vienu motoru katrai asij.

1. attēlā var redzēt, ka ruļļu neitralizē ruļļu servomotors. Kad rokturis tiek pārvietots ruļļa virzienā, ruļļa servomotors griezīsies vienādā, bet pretējā virzienā.

2. attēlā redzams, ka slīpuma leņķi kontrolē atsevišķs servomotors, kas darbojas līdzīgi kā ruļļu servomotors.

Servo motori ir laba izvēle šim projektam, jo tas apvieno motoru, pozīcijas sensoru, nelielu iebūvētu mikrokontrolleri un H tiltu, kas ļauj manuāli un automātiski kontrolēt motora stāvokli, izmantojot Arduino. Sākotnējais dizains paredzēja tikai vienu servomotoru, bet pēc dažām pārdomām nolēmām izmantot divus. Papildu komponenti bija Arduino LCD ekrāns un kursorsvira. LCD ekrāna mērķis ir parādīt stabilizatora pašreizējo stāvokli un katra servo pašreizējo leņķi manuālās vadības laikā.

Lai izveidotu korpusu visu elektrisko komponentu turēšanai, mēs esam izmantojuši datorizētu dizainu (CAD) un izmantosim 3D printeri. Elektrisko komponentu turēšanai mēs esam izstrādājuši korpusu, kas darbosies arī kā rokturis. Šeit tiks uzstādīts IMU sensors un kursorsvira. Dubultasu vadībai mēs izstrādājām stiprinājumus motoriem.

3. darbība: stāvokļa/loģikas diagramma

Kods sastāv no trim stāvokļiem, no kuriem katrs tiks parādīts LCD ekrānā. Kad Arduino saņem strāvu, LCD ekrānā tiks izdrukāts “Initializing…” un I2C komunikācija tiks sākta ar MPU-6050. Sākotnējie dati no MPU-6050 tiek ierakstīti, lai atrastu vidējo. Pēc tam Arduino pāries manuālās vadības režīmā. Šeit abus servomotorus var manuāli noregulēt ar kursorsviru. Ja kursorsviras poga tiek nospiesta, tā pāriet “Auto Level” stāvoklī un stabilizēšanas platforma saglabās līmeni attiecībā pret Zemi. Servo motori neitralizēs visas kustības ruļļa vai piķa virzienā, tādējādi saglabājot platformas līmeni. Vēlreiz nospiežot kursorsviru pogu, Arduino ievadīs “Neko nedarīt”, kur servomotori tiks bloķēti. Šādā secībā stāvokļi turpinās mainīties ar katru vadības sviras pogas nospiešanu.

4. solis: shēmas shēma

Augšējais attēls ilustrē mūsu projekta shēmas shēmu izslēgtā režīmā. Arduino mikrokontrolleris nodrošina nepieciešamos savienojumus, lai palaistu MPU-6050 IMU, kursorsviru un LCD displeju. LiPo šūnas ir tieši savienotas ar mainītāju un baro gan Arduino mikrokontrolleru, gan abus servodzinējus. Šī darbības režīma laikā baterijas tiek pievienotas paralēli, izmantojot trīspunktu divpunktu (3PDT) slēdzi. Slēdzis ļauj mums atvienot slodzi, vienlaikus savienojot lādētāju un pārslēdzot šūnas no sērijas uz paralēlu konfigurāciju. Tas arī ļauj vienlaikus uzlādēt akumulatoru.

Kad slēdzis tiek pārslēgts ON režīmā, divas 3.7v šūnas nodrošinās strāvu Arduino un Servo Motors. Šī darbības režīma laikā baterijas ir sērijveidā savienotas, izmantojot trīspunktu divpunktu (3PDT) slēdzi. Tas ļauj mums iegūt 7,4 V no mūsu barošanas avota. Gan LCD ekrāns, gan IMU sensors izmanto I2C sakarus. Datu pārsūtīšanai izmanto SDA, bet SCL ir pulksteņa līnija, ko izmanto datu pārsūtīšanas sinhronizēšanai. Servomotoriem ir trīs vadi: jauda, zeme un dati. Arduino sazinās ar servos, izmantojot 3. un 5. tapu; šīs tapas izmanto impulsa platuma modulāciju (PWM), lai pārsūtītu datus ar vienmērīgākām pārejām.

*Akumulatora uzlādes ķēde ir no Adafruit.com

5. solis: būvniecība

Kameras kardāna pamatdizains ir pavisam vienkāršs, jo būtībā tas ir tikai kameras rokturis un stiprinājums. Kardalenis sastāv no diviem servomotoriem, lai neitralizētu kustību rites un slīpuma virzienā. Arduino Uno izmantošana prasa ievērojamu vietu, tāpēc roktura apakšā pievienojām arī korpusu, lai tajā būtu visas elektriskās sastāvdaļas. Korpuss, rokturis un servomotoru stiprinājumi tiks drukāti 3D formātā, ļaujot mums samazināt izmaksas un kopējo izmēru, jo mēs varam pilnībā kontrolēt dizainu. Ir vairāki veidi, kā izveidot kardānvārpstu, taču lielākais faktors, kas jāņem vērā, ir izvairīties no viena servomotora rotācijas citā. Prototipā viens servomotors būtībā ir piestiprināts pie otra. Kad mums atkal būs pieejami 3D printeri, mēs 3D izdrukāsim roku un platformu, kas parādīta iepriekš.

*Rokas un platformas dizains ir pieejams vietnē

6. darbība. Vispārējie secinājumi un iespējamie uzlabojumi

Sākotnējie pētījumi, ko veicām ar kameru kardāniem, bija ļoti biedējoši. Lai gan par šo tēmu bija daudz avotu un informācijas, tas ļoti šķita kā projekts, kas būtu ārpus mūsu līgas. Mēs sākām lēnām, veicot pēc iespējas vairāk pētījumu, bet maz absorbējot. Katru nedēļu mēs tikāmies un sadarbojāmies. Strādājot, mēs guvām arvien lielāku impulsu un galu galā kļuvām mazāk bailīgi un satraukti par projektu. Lai gan mēs pievienojām papildu kursorsviru un LCD ekrānu, projektam joprojām ir daudz vairāk. Var pievienot arī dažus uzlabojumus, piemēram, ierobežojumus manuālajai vadībai, kas neļautu lietotājam pagriezt vienu servomotoru otrā. Šī ir neliela problēma, un to var novērst arī ar citu montāžas dizainu. Mēs arī apspriedām iespējas pievienot pannas funkciju. Tas ļautu lietotājam izmantot servomotorus, lai noteiktā laikā panoramētu virsmu.

Kā komanda mēs visi ļoti labi strādājām. Neskatoties uz apstākļiem un tikai spēju tikties virtuāli, mēs no tā guvām vislabāko un turpinājām bieži sazināties. Visas detaļas un sastāvdaļas tika dotas vienai personai, un tas nedaudz apgrūtināja pārējo grupu, lai palīdzētu novērst visas radušās problēmas. Mēs varējām atrisināt radušās problēmas, taču, ja mums visiem būtu vienādi materiāli, tas būtu atvieglojis palīdzību. Kopumā lielākais ieguldījums mūsu projekta pabeigšanā bija katra dalībnieka spēja būt pieejamam un gatavam tikties un tērzēt par projektu.