Prototip Stabilizuesi i Kamerës (2DOF): 6 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:13

Autorët:

Robert de Mello e Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Mirënjohje:

Një falënderim i madh për Akademinë Detare të Universitetit Shtetëror të Kalifornisë, programin e saj të Teknologjisë Inxhinierike dhe Dr. Chang-Siu që na ndihmuan të kemi sukses me projektin tonë në kohë të tilla të komplikuara.

Prezantimi:

Një pajisje stabilizuese e kamerës, ose gimbali i kamerës, është një montim që parandalon dridhjen e kamerës dhe lëvizje të tjera të pajustifikuara. Një nga stabilizuesit e parë të shpikur ndonjëherë ka përdorur amortizues/burime për të shuar ndryshimet e papritura në lëvizjen e kamerës. Llojet e tjera të stabilizatorëve përdorin xhiroskopë ose pika mbështetëse për të kryer të njëjtën detyrë. Këto pajisje stabilizojnë lëvizjet e padëshiruara deri në tre akse ose dimensione të ndryshme. Këto përfshijnë boshtin x, y dhe z. Kjo do të thotë që një stabilizues mund të shuajë lëvizjet në tre drejtime të ndryshme: rrokullisje, lartësi dhe lëvizje. Kjo zakonisht arrihet duke përdorur 3 motorë të kontrolluar me një sistem kontrolli elektronik secili duke kundërshtuar një aks të ndryshëm.

Ne ishim jashtëzakonisht të interesuar për këtë projekt për disa arsye. Të gjithë ne gëzojmë aktivitete të ndryshme në natyrë, të tilla si dëborë dhe sporte të tjera. Marrja e pamjeve me cilësi të lartë të këtyre aktiviteteve është e vështirë për shkak të sasisë së lëvizjes së kërkuar. Disa prej nesh posedojnë një stabilizues të vërtetë të kamerës të blerë nga dyqani, dhe kështu, ne donim të hetonim se çfarë duhej për të krijuar diçka të tillë. Në klasat tona të laboratorit dhe ligjëratave, ne kemi mësuar se si të bashkëveprojmë me motorët servo duke përdorur Arduino, kodimin e kërkuar për t'i bërë ata të funksionojnë dhe teorinë që qëndron pas qarkut elektronik për të na ndihmuar në hartimin e qarqeve.

*SH NOTNIM: Për shkak të COVID-19, ne nuk ishim në gjendje ta përfundonim këtë projekt në tërësi. Ky udhëzues është një udhëzues për qarkun dhe kodin e kërkuar për prototipin e stabilizatorit. Ne synojmë ta përfundojmë projektin sa herë që të rifillojë shkolla dhe të kemi përsëri akses në printerët 3D. Versioni i përfunduar do të ketë një qark baterie dhe një strehë të printuar 3D me krahë stabilizues (treguar më poshtë). Gjithashtu, ju lutemi vini re se fikja e motorëve Servo nga furnizimi me energji Arduino 5v është përgjithësisht praktikë e keqe. Ne thjesht po e bëjmë këtë për të lejuar testimin e prototipit. Një furnizim me energji të veçantë do të përfshihet në projektin përfundimtar dhe është treguar në diagramin e qarkut më poshtë.

Furnizimet

-Arduino UNO Mikrokontrolluesi

-Burboard

-Kutë për bluzë me tela

-MPU6050 Njësia e Matjes Inerciale

-MG995 Servo Motor (x2)

-Modul LCD1602

-Modul xhojstik

Hapi 1: Vështrim i përgjithshëm i projektit

Më sipër është një video e projektit tonë dhe gjithashtu tregon një demonstrim pune.

Hapi 2: Teoria dhe Operacioni

Për stabilizimin e kamerës sonë, ne përdorëm dy servo motorë për të stabilizuar boshtin e katranit dhe rrotullimit. Një Njësi Matëse Inerciale (IMU) ndjen përshpejtimin, nxitimin këndor dhe forcën magnetike që mund të përdorim për të përcaktuar këndin e kamerës. Me një IMU të bashkangjitur në asamble, ne mund të përdorim të dhënat e ndjerë për të kundërshtuar automatikisht ndryshimin në lëvizjen e dorezës me servos. Për më tepër, me një Joystick Arduino, ne mund të kontrollojmë manualisht dy akse rrotullimi, një motor për secilin aks.

Në Figurën 1 mund të shihni që rrotulla kundërshtohet nga servo motori i rrotullës. Ndërsa doreza lëviz në drejtimin e rrotullës, servo motori i rrotullës do të rrotullohet në një drejtim të barabartë, por të kundërt.

Në Figurën 2 mund të shihni që këndi i hapit kontrollohet nga një servo motor i veçantë që vepron në një mënyrë të ngjashme me servo motorin e rrotullimit.

Servo motorët janë një zgjedhje e mirë për këtë projekt sepse kombinon motorin, një sensor pozicioni, një mikrokontrollues të vogël të integruar dhe urën H që na lejon të kontrollojmë manualisht dhe automatikisht pozicionin e motorit përmes Arduino. Dizajni fillestar kërkonte vetëm një servo motor, por pas disa diskutimeve, ne vendosëm të përdorim dy. Komponentët shtesë të shtuar ishin një ekran Arduino LCD dhe Joystick. Qëllimi i ekranit LCD është të shfaqë gjendjen në të cilën ndodhet stabilizatori aktualisht dhe këndin aktual të secilit servo gjatë kontrollit manual.

Për të krijuar strehimin për të mbajtur të gjithë përbërësit elektrikë, ne kemi përdorur Dizajnin e Ndihmuar me Kompjuter (CAD) dhe do të përdorim një printer 3D. Për të mbajtur përbërësit elektrikë, ne kemi projektuar një trup që do të veprojë gjithashtu si një dorezë. Këtu do të montohen sensori IMU dhe levë. Për kontrollin e boshtit të dyfishtë, ne projektuam montime për motorët.

Hapi 3: Diagrami i gjendjes/logjikës

Kodi përbëhet nga tre gjendje, secila prej të cilave do të tregohet në ekranin LCD. Kur Arduino merr energji, ekrani LCD do të printojë "Initializing …" dhe komunikimi I2C fillon me MPU-6050. Të dhënat fillestare nga MPU-6050 regjistrohen për të gjetur mesataren. Pas kësaj, Arduino do të hyjë në modalitetin e kontrollit manual. Këtu, të dy motorët servo mund të rregullohen manualisht me levë. Nëse shtypet butoni i levës, atëherë ai do të hyjë në gjendjen "Auto Level" dhe platforma stabilizuese do të ruajë nivelin në lidhje me Tokën. Çdo lëvizje në drejtim të rrotullimit ose katranit do të kundërshtohet nga motorët servo, duke mbajtur kështu nivelin e platformës. Me një shtypje tjetër të butonit të levës, Arduino do të hyjë në një "Mos bëj asgjë", ku motorët servo do të jenë të kyçur. Në atë mënyrë, shtetet do të vazhdojnë të ndryshojnë me çdo shtypje të butonit të levës.

Hapi 4: Diagrami i Qarkut

Imazhi i mësipërm ilustron diagramin e qarkut të projektit tonë në modalitetin OFF. Mikrokontrolluesi Arduino siguron lidhjet e nevojshme për të drejtuar MPU-6050 IMU, Joystick dhe ekranin LCD. Qelizat LiPo janë të lidhura drejtpërdrejt me ndërruesin dhe furnizojnë me energji si Mikrokontrolluesin Arduino ashtu edhe të dy servo motorët. Gjatë kësaj mënyre të funksionimit, bateritë lidhen paralelisht me përdorimin e një ndërprerës me 3 pika (3PDT). Çelësi na lejon të shkëputim ngarkesën, ndërsa lidhim njëkohësisht ngarkuesin dhe kalojmë qelizat nga një seri në një konfigurim paralel. Kjo gjithashtu lejon që bateria të ngarkohet njëkohësisht.

Kur kaloni të kthehet në modalitetin ON, dy qeliza 3.7v do të sigurojnë energji për Arduino dhe Servo Motors. Gjatë kësaj mënyre të funksionimit, bateritë u lidhën në seri me përdorimin e një ndërprerësi me 3 pika të hedhjes së dyfishtë (3PDT). Kjo na lejon të marrim 7.4v nga burimi ynë i energjisë. Si ekrani LCD ashtu edhe sensori IMU përdorin komunikimin I2C. SDA përdoret për të transmetuar të dhënat, ndërsa SCL është linja e orës që përdoret për të sinkronizuar transferimet e të dhënave. Servo motorët kanë nga tre priza secili: fuqia, toka dhe të dhënat. Arduino komunikon me servos përmes kunjave 3 dhe 5; këto kunja përdorin Modulimin e Gjerësisë së Pulsit (PWM) në mënyrë që të transmetojnë të dhënat me kalime më të buta.

*Qarku i Ngarkimit të Baterisë është nga Adafruit.com

Hapi 5: Ndërtimi

Dizajni themelor i një gimbali të kamerës është mjaft i thjeshtë, pasi në thelb është vetëm një dorezë dhe montim për një aparat fotografik. Gimbali përbëhet nga dy motorë servos për të kundërshtuar çdo lëvizje në drejtimet e rrotullimit dhe ngritjes. Përdorimi i një Arduino Uno kërkon një sasi të konsiderueshme hapësire, kështu që ne gjithashtu shtuam një strehë në fund të dorezës për të përmbajtur të gjithë përbërësit elektrikë. Mbështjellësi, doreza dhe montuesit e servo motorëve të gjithë do të printohen 3D, duke na lejuar të minimizojmë koston dhe madhësinë e përgjithshme, pasi mund të kemi kontroll të plotë mbi dizajnin. Ka disa mënyra se si mund të dizajnohet gimbali, por faktori më i madh që duhet marrë parasysh është shmangia e rrotullimit të një servo motori në tjetrin. Në prototipin, një servo motor në thelb është i lidhur me tjetrin. Kur të kemi përsëri qasje në printerët 3D, do të printojmë 3D krahun dhe platformën e treguar më sipër.

*Hartimet për krahun dhe platformën janë nga

Hapi 6: Gjetjet e Përgjithshme dhe Përmirësimet e Mundshme

Hulumtimi fillestar që bëmë mbi gimbals e kamerës ishte shumë frikësues. Ndërsa kishte një bollëk burimesh dhe informacioni mbi këtë temë, shumë dukej si një projekt që do të ishte jashtë ligës sonë. Filluam ngadalë, duke bërë sa më shumë kërkime, por duke thithur pak. Çdo javë takoheshim dhe bashkëpunonim. Ndërsa punuam, ne morëm gjithnjë e më shumë vrull dhe në fund u bëmë më pak të frikësuar dhe më të ngazëllyer për projektin. Ndërsa shtuam një levë shtesë dhe ekran LCD, ka akoma shumë më tepër që mund t'i shtojmë projektit. Ekzistojnë gjithashtu disa përmirësime që mund të shtohen, të tilla si kufizime në kontrollin manual që do të parandalonin përdoruesin të rrotullojë njërin servo motor në tjetrin. Ky është një problem i vogël dhe gjithashtu mund të rregullohet me një dizajn të ndryshëm montimi. Ne gjithashtu diskutuam mundësitë e shtimit të një funksioni të tiganit. Kjo do t'i lejojë përdoruesit të përdorë motorët servo për të lëvizur mbi një zonë në një kohë të caktuar.

Si ekip, të gjithë kemi punuar së bashku shumë mirë. Pavarësisht nga rrethanat, dhe vetëm aftësia për t'u takuar virtualisht, ne kemi bërë më të mirën prej saj dhe kemi mbajtur komunikim të shpeshtë. Të gjitha pjesët dhe përbërësit iu dhanë një personi dhe kjo e bëri pak më të vështirë për pjesën tjetër të grupit që të ndihmojë në zgjidhjen e problemeve që shfaqen. Ne ishim në gjendje të zgjidhnim çështjet që u ngritën, por nëse të gjithë do të kishim të njëjtat materiale, do ta kishte bërë pak më të lehtë për të ndihmuar. Në përgjithësi, kontributi më i madh në përfundimin e projektit tonë ishte aftësia që çdo anëtar të ketë disponueshmëri dhe gatishmëri për t'u takuar dhe biseduar për projektin.