Interaktīvs lāzera lokšņu ģenerators ar Arduino: 11 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:53

Lāzerus var izmantot, lai radītu neticamus vizuālos efektus. Šajā projektā es izveidoju jauna veida lāzera displeju, kas ir interaktīvs un atskaņo mūziku. Ierīce rotē divus lāzerus, veidojot divas virpuļveida gaismas loksnes. Ierīcē iekļāvu attāluma sensorus, lai ar lāzera loksnēm varētu manipulēt, virzot roku pret tām. Tā kā persona mijiedarbojas ar sensoriem, ierīce arī atskaņo mūziku, izmantojot MIDI izvadi. Tas ietver idejas no lāzera arfām, lāzera virpuļiem un POV displejiem.

Instrumentu kontrolē ar Arduino Mega, kas uzņem ultraskaņas sensoru ieejas un izvada veidoto lāzera loksnes veidu un ģenerēto mūziku. Pateicoties daudzajiem vērpšanas lāzeru brīvības pakāpēm, var izveidot daudz dažādu lāzera lokšņu rakstu.

Es veicu sākotnēju prāta vētru projektā ar jaunu mākslas/tehnoloģiju grupu Sentluisā ar nosaukumu Dodo Flock. Emre Sarbeks arī veica dažus sākotnējos testus ar sensoriem, ko izmanto, lai noteiktu kustību ierīces tuvumā.

Ja veidojat lāzera lokšņu ierīci, lūdzu, atcerieties, ka lāzeriem un vērpšanas diskiem jābūt drošiem.

2020 atjauninājums: es sapratu, ka ar lāzeriem izveidotā virsma ir hiperboloīds.

1. darbība: piegādes saraksts

Materiāli

Lāzeri -

Motors bez sukām -

Elektroniskais ātruma regulators -

Servo motori -

Tranzistori

Saplāksnis

Plexiglass

Ultraskaņas sensori

Slipring -

Baltas gaismas diodes -

Buck pārveidotāji

Stiepļu ietīšanas stieple

MIDI savienotājs

Potenciometrs un pogas -

Aparatūra - 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…

Rezistori

JST savienotāja kabeļi -

Maiņstrāvas barošanas slēdzis

12 V barošanas avots -

Koka līme

Super līme

Koka skrūves

USB pagarinājuma kabelis -

Rīki:

Lodāmurs

Stiepļu griezēji

Džigs redzēja

Ripzāģis

Mikrometrs

Spēka urbis

2. darbība. Pārskats un shēma

Lāzera stars rada labi kolimētu (t.i., šauru) gaismas staru, tāpēc viens veids, kā radīt gaismas loksni, ir ātri pārvietot staru pēc kāda parauga. Piemēram, lai izveidotu cilindrisku gaismas loksni, jūs pagrieztu lāzeru ap asi, kas ir paralēla tās norādītajam virzienam. Lai ātri pārvietotu lāzeru, varat piestiprināt lāzeru pie koka dēļa, kas piestiprināts pie birstes līdzstrāvas motora. Tikai ar to jūs varat izveidot foršus cilindriskus lāzera virpuļus!

Citi lāzera virpuļprojekti to panāk, uzstādot noliektu spoguli pie rotācijas ass ar stacionāru lāzeru, kas vērsts uz spoguli. Tas rada lāzera loksnes konusu. Tomēr, izmantojot šo dizainu, šķiet, ka visas lāzera loksnes ir vienas izcelsmes. Ja lāzeri ir novietoti ārpus ass, kā tas ir manis uzbūvētajā dizainā, jūs varat izveidot saplūstošas lāzera loksnes, piemēram, video redzamo smilšu pulksteņa formu.

Bet ko darīt, ja vēlaties, lai gaismas loksnes būtu dinamiskas un interaktīvas? Lai to paveiktu, es piestiprināju divus lāzerus uz servos un pēc tam piestiprināju servos uz koka dēļa. Tagad servos var pielāgot lāzera leņķi attiecībā pret motora rotācijas asi. Izmantojot divus lāzerus divos dažādos servos, ar ierīci varat izveidot divas dažādas gaismas loksnes.

Lai kontrolētu līdzstrāvas motora ātrumu, es pievienoju potenciometru Arduino, kas uztver potenciometra ievadi un izvada signālu uz elektrisko ātruma regulatoru (ESC). Pēc tam ESC kontrolē motora ātrumu (diezgan piemērots nosaukums, jā) atkarībā no potenciometra pretestības.

Lāzera ieslēgšanas/izslēgšanas stāvokli kontrolē, savienojot tos ar tranzistora emitētāju, kas darbojas piesātināti (t.i., darbojas kā elektrisks slēdzis). Uz tranzistora pamatni tiek nosūtīts vadības signāls, kas kontrolē strāvu caur lāzeru. Šeit ir avots slodzes kontrolei ar tranzistoru ar arduino:

Servo pozīciju kontrolē arī ar Arduino. Kad dēlis griežas, gaismas lapu var manipulēt, mainot servo stāvokli. Bez jebkādas lietotāja ievades tas vien var radīt dinamiskas gaismas loksnes, kas aizrauj. Ap ierīces malu ir arī ultraskaņas sensori, kurus izmanto, lai noteiktu, vai cilvēks pieliek roku pie gaismas loksnēm. Šo ievadi izmanto, lai vai nu pārvietotu lāzerus, lai izveidotu jaunas gaismas loksnes, vai ģenerētu MIDI signālu. MIDI ligzda ir pievienota, lai pārraidītu MIDI signālu uz MIDI atskaņošanas ierīci.

3. darbība: bezsuku motora vadīšana ar Arduino

Lai izveidotu virpuļveida gaismas loksnes, jums jāpagriež lāzera stars. Lai to paveiktu, es nolēmu mēģināt izmantot bezsuku līdzstrāvas motoru. Es uzzināju, ka šāda veida dzinēji ir patiešām populāri lidmašīnu modeļos un bezpilota lidaparātos, tāpēc es sapratu, ka to būs diezgan viegli lietot. Pa ceļam es saskāros ar dažām ķibelēm, bet kopumā esmu apmierināts ar to, kā motors darbojas projektā.

Pirmkārt, motors ir jāuzstāda. Es pēc pasūtījuma izstrādāju daļu, kas tur motoru un piestiprina pie tāfeles, kurā ir ierīce. Kad motors bija drošs, es pievienoju motoru ESC. Pēc lasītā izklausās patiešām grūti izmantot bezsuku motoru bez tā. Lai motors grieztos, es izmantoju Arduino Mega. Sākotnēji es nevarēju panākt motora griešanos, jo es tikai savienoju vadības signālu ar 5 V vai zemi, pareizi nenosakot bāzes vērtību vai nekalibrējot ESC. Pēc tam es sekoju Arduino apmācībai ar potenciometru un servomotoru, un tas izraisīja motora griešanos! Šeit ir saite uz apmācību:

ESC vadus faktiski var jebkādā veidā savienot ar motoru bez suku. Jums būs nepieciešami daži sieviešu banānu spraudņu savienotāji. Biezāki sarkanie un melnie kabeļi uz ESC ir pievienoti līdzstrāvas barošanas avotam pie 12 V sprieguma, un melnbaltie kabeļi ESC vadības savienotājā ir attiecīgi pievienoti zemei un vadības tapai Arduino. Skatiet šo videoklipu, lai uzzinātu, kā kalibrēt ESC:

4. solis: Lāzera lokšņu šasijas izgatavošana

Pēc motora griešanās ir pienācis laiks izveidot vieglu lokšņu šasiju. Es sagriezu saplākšņa gabalu, izmantojot CNC mašīnu, bet jūs varat arī izmantot džiga zāģi. Saplāksnis satur ultraskaņas sensorus, un tajā ir caurums, lai ietilptu plexiglas gabalā. Plexiglas jāpiestiprina pie koka, izmantojot epoksīdu. Ir izurbti caurumi, lai slīdgredzens varētu iziet cauri.

Pēc tam tiek sagriezta vēl viena apļveida saplākšņa loksne, lai noturētu motoru bez birstēm. Šajā koka loksnē tiek urbti caurumi, lai vēlāk konstrukcijā varētu iziet vadi. Pēc motora stiprinājuma un caurumu urbšanas abas saplākšņa loksnes tiek piestiprinātas ar 1x3 dēļiem, kas sagriezti apmēram 15 cm garumā, un metāla kronšteiniem. Fotoattēlā varat redzēt, kā plexiglas atrodas virs motora un lāzeriem.

5. solis: Lāzera un servomotoru montāža

Mainīgās gaismas loksnes tiek veidotas, pārvietojot lāzerus attiecībā pret rotācijas asi. Es projektēju un 3D izdrukāju stiprinājumu, kas piestiprina lāzeru pie servo un stiprinājumu, kas savieno servo ar vērpšanas dēli. Vispirms piestipriniet servo pie servo stiprinājuma, izmantojot divas M2 skrūves. Pēc tam iebīdiet M2 uzgriezni lāzera stiprinājumā un pievelciet skrūvi, lai lāzers paliktu vietā. Pirms lāzera pievienošanas servo, jums jāpārliecinās, ka servo ir pagriezts tā centrētajā darba stāvoklī. Izmantojot servo apmācību, virziet servo uz 90 grādiem. Pēc tam ar skrūvi piestipriniet lāzeru, kā parādīts attēlā. Man bija jāpievieno arī līmjava, lai nodrošinātu, ka lāzers netīši nepārvietojas.

Es izmantoju lāzera griezēju, lai izveidotu dēli, kura izmēri ir aptuveni 3 cm x 20 cm. Gaismas loksnes maksimālais izmērs būs atkarīgs no koka dēļa izmēra. Pēc tam dēļa centrā tika izurbts caurums, lai tas atbilstu motora vārpstai bez birstēm.

Tālāk es līmēju lāzera servo komplektu uz dēļa tā, lai lāzeri būtu centrēti. Pārliecinieties, ka visas dēļa sastāvdaļas ir līdzsvarotas attiecībā pret dēļa rotācijas asi. Lodēt JST savienotājus ar lāzeriem un servo kabeļiem, lai nākamajā solī tos varētu savienot ar slipringu.

Visbeidzot piestipriniet dēli ar piestiprinātiem lāzera servo komplektiem uz motora bez birstes ar paplāksni un uzgriezni. Šajā brīdī pārbaudiet motoru bez suku, lai pārliecinātos, ka dēlis var griezties. Esiet piesardzīgs, lai nevadītu motoru pārāk ātri un neliktu roku dēļa griešanās ceļā.

6. darbība. Slipring instalēšana

Kā novērst to, ka vadi sapinas, kad elektronika griežas? Viens veids ir izmantot akumulatoru barošanas avotam un savienot to ar vērpšanas mezglu, kā norādīts šajā POV instrukcijā. Vēl viens veids ir izmantot slipring! Ja vēl neesat dzirdējis par slingringu vai to izmantojis, apskatiet šo lielisko videoklipu, kas parāda, kā tas darbojas.

Vispirms pievienojiet pārējos JST savienotāju galus slipring. Jūs nevēlaties, lai vadi būtu pārāk gari, jo, kad dēlis griežas, tie var kaut ko aizķert. Es piestiprināju slīdgredzenu pie plexiglass virs motora bez suku, urbjot caurumus skrūvēm. Urbjot, esiet piesardzīgs, lai neplaisātu plexiglass. Lai iegūtu precīzākus caurumus, varat izmantot arī lāzera griezēju. Kad slipring ir pievienots, pievienojiet savienotājus.

Šajā brīdī jūs varat savienot slīdēšanas vadus ar Arduino tapām, lai veiktu dažus iepriekšējus testus ar lāzera lokšņu ģeneratoru.

7. solis: elektronikas lodēšana

Es izgriezu prototipa dēli, lai savienotu visu elektroniku. Tā kā es izmantoju 12 V barošanas avotu, man jāizmanto divi līdzstrāvas pārveidotāji: 5 V lāzeriem, servos, potenciometros un MIDI ligzdā un 9 V Arduino. Viss tika savienots, kā parādīts diagrammā, vai nu ar lodēšanu, vai ar stieples ietīšanu. Pēc tam dēlis tika savienots ar 3D drukātu daļu, izmantojot PCD pārtraukumus.

8. darbība. Elektronikas kastes izveide

Visa elektronika ir ievietota koka kastē. Kastes sāniem es sagriezu 1x3 zāģmateriālus un vienā pusē izgriezu lielu atveri, lai vadības paneļa vadi varētu iziet cauri. Sānus savienoja, izmantojot nelielus koka blokus, koka līmi un skrūves. Pēc līmes žāvēšanas es noslīpēju kastes malas, lai izlīdzinātu visas kastes nepilnības. Tad es sagriezu plānu koksni kastes priekšpusē, aizmugurē un apakšā. Apakšdaļa bija pienaglota pie sāniem, un priekšpuse un aizmugure tika pielīmēta pie kastes. Visbeidzot, es izmērīju un izgriezu caurumus kastes priekšējā paneļa sastāvdaļu izmēros: barošanas kabeļa ligzdu, USB ligzdu, MIDI ligzdu un potenciometru.

9. darbība: elektronikas uzstādīšana kastē

Es pievienoju strāvas padevi kastē, izmantojot skrūves, Arduino, izmantojot pielāgotu stiprinājumu, un shēmas plati, kas izveidota 7. solī. Potenciometrs un MIDI ligzda vispirms tika pievienoti shēmas plates, izmantojot stiepļu ietīšanas vadu, un pēc tam pielīmēti pie priekšējais panelis. Maiņstrāvas ligzda tika pievienota barošanas avotam, un barošanas avota līdzstrāvas izeja tika pievienota Buck pārveidotāju un kabeļu ieejām, kas savienojas ar suku nesaturošu motoru. Pēc tam motors, servo un lāzera vadi tiek izvadīti caur saplākšņa caurumu līdz elektronikas kārbai. Pirms nodarboties ar ultraskaņas sensoriem, es atsevišķi pārbaudīju komponentus, lai pārliecinātos, ka viss ir pareizi pievienots vadam.

Sākotnēji es iegādājos maiņstrāvas kontaktligzdu, bet izlasīju diezgan sliktas atsauksmes par tā kušanu, tāpēc priekšējā panelī man bija nepareiza izmēra caurumi. Tāpēc es izstrādāju un 3D izdrukāju dažus domkratu adapterus, lai tie atbilstu izgriezto caurumu izmēram.

10. solis: Ultraskaņas sensoru uzstādīšana un pievienošana

Šajā brīdī lāzeri, servo, motors bez birstēm un MIDI ligzda ir savienoti ar Arduino un to var kontrolēt. Pēdējais aparatūras solis ir ultraskaņas sensoru savienošana. Es izstrādāju un 3D izdrukāju ultraskaņas sensoru. Pēc tam es vadu un vienmērīgi pievienoju ultraskaņas sensoru komplektus gaismas loksnes ģeneratora augšējai saplākšņa loksnei. Stiepļu ietīšanas stieple tika izvadīta līdz elektronikas kastei, urbjot caurumus saplākšņa loksnē. Es savienoju stieples aptinumu ar atbilstošajām Arduino tapām.

Es biju nedaudz vīlies par ultraskaņas sensora darbību. Viņi strādāja diezgan labi attālumos no 1 cm līdz 30 cm, bet attāluma mērīšana ir ļoti trokšņaina ārpus šī diapazona. Lai uzlabotu signāla un trokšņa attiecību, es mēģināju veikt vairāku mērījumu mediānu vai vidējo. Tomēr signāls joprojām nebija pietiekami uzticams, tāpēc es beidzot noteicu robežvērtību notis atskaņošanai vai lāzera loksnes nomaiņai 25 cm.

11. darbība: dinamiskā lāzera virpuļa programmēšana

Pēc visu vadu un montāžas darbu pabeigšanas ir laiks ieprogrammēt gaismas loksnes ierīci! Ir daudz iespēju, taču vispārējā ideja ir izmantot ultraskaņas sensoru ieejas un nosūtīt signālus MIDI, kā arī lāzeru un servo vadībai. Visās programmās dēļa griešanos kontrolē, pagriežot potenciometra pogu.

Jums būs nepieciešamas divas bibliotēkas: NewPing un MIDI

Pievienots pilns Arduino kods.

Otrā balva izgudrojumu izaicinājumā 2017