מייצב מצלמה אב טיפוס (2DOF): 6 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:13

מחברים:

רוברט דה מלו ו סוזה, ג'ייקוב פקסטון, מויסס פאריאס

הכרות:

תודה ענקית לאקדמיה הימית של אוניברסיטת מדינת קליפורניה, לתכנית הטכנולוגיה ההנדסית שלה ולד ר צ'אנג-סיו שעזרו לנו להצליח בפרויקט בזמנים כה מסובכים.

מבוא:

מכשיר מייצב מצלמה, או מצלמת גימבל, הוא הר המונע רעידות מצלמות ותנועות לא מוצדקות אחרות. אחד המייצבים הראשונים שהמציאו אי פעם השתמשו בבולמי זעזועים/קפיצים כדי לדכא שינויים פתאומיים בתנועת המצלמה. סוגים אחרים של מייצבים משתמשים בג'ירוסקופים או נקודת משען כדי לבצע את אותה משימה. מכשירים אלה מייצבים תנועות לא רצויות עד שלושה צירים או ממדים שונים. אלה כוללים את ציר x, y ו- z. המשמעות היא שמייצב יכול לדכא תנועות בשלושה כיוונים שונים: גלגול, מגרש ומפה. זה מושג בדרך כלל באמצעות 3 מנועים הנשלטים עם מערכת בקרה אלקטרונית שכל אחד מהם נוגד ציר אחר.

התענייננו במיוחד בפרויקט זה מכמה סיבות. כולנו נהנים מפעילויות חוץ שונות כגון סנובורד וספורט אחר. קשה להשיג צילומים באיכות גבוהה של פעילויות אלה בשל כמות התנועה הנדרשת. לשנינו יש מייצב מצלמות אמיתי שנרכש מהחנות, ולכן רצינו לבדוק מה נדרש כדי ליצור דבר כזה. בשיעורי המעבדה וההרצאות שלנו למדנו כיצד ליצור אינטראקציה עם מנועי סרוו באמצעות Arduino, הקידוד הנדרש כדי לגרום להם לפעול, והתיאוריה העומדת מאחורי מעגלים אלקטרוניים כדי לסייע לנו בעיצוב המעגלים.

*הערה: עקב COVID-19, לא הצלחנו להשלים את הפרויקט במלואו. מדריך זה הוא מדריך למעגלים ולקוד הנדרש לאב -טיפוס המייצב. אנו מתכוונים להשלים את הפרויקט בכל פעם שבית הספר יתחדש ויש לנו גישה למדפסות תלת מימד שוב. הגרסה המלאה תכלול מעגל סוללה ובית מודפס בתלת-ממד עם זרועות מייצב (מוצג להלן). כמו כן, שים לב שהפעלת מנועי סרוו מספק כוח Arduino 5v היא בדרך כלל רע. אנו פשוט עושים זאת על מנת לאפשר בדיקה של אב הטיפוס. ספק כוח נפרד ייכלל בפרויקט הגמר והוא מוצג בתרשים המעגלים להלן.

אספקה

-מיקרו -בקר ארדואינו UNO

-קרש

-ערכת מגשר חוט

יחידת מדידה אינרציאלית MPU6050

-מנוע סרוו MG995 (x2)

מודול LCD1602

מודול ג'ויסטיק

שלב 1: סקירת הפרויקט

למעלה סרטון של הפרויקט שלנו ומציג גם הדגמה עובדת.

שלב 2: תיאוריה ומבצע

לייצוב המצלמה שלנו, השתמשנו בשני מנועי סרוו לייצוב ציר המגרש והגלגול. יחידת מדידת אינרציה (IMU) חשה האצה, האצה זוויתית וכוח מגנטי בהם אנו יכולים להשתמש כדי לקבוע את זווית המצלמה. עם חיבור IMU למכלול, אנו יכולים להשתמש בנתונים המורגישים כדי לנטר באופן אוטומטי את השינוי בתנועת הידית עם הסרווואים. יתר על כן, עם ג'ויסטיק ארדואינו, אנו יכולים לשלוט באופן ידני על שני צירים של סיבוב, מנוע אחד לכל ציר.

באיור 1 אתה יכול לראות שהגליל מנוגד על ידי מנוע סרוו הגליל. כאשר הידית נעה בכיוון הגליל, מנוע סרוו הגליל יסתובב בכיוון שווה אך הפוך.

באיור 2 ניתן לראות את זווית המגרש נשלטת על ידי מנוע סרוו נפרד הפועל באופן דומה למנוע הסרוו הגליל.

מנועי סרוו הם בחירה טובה לפרויקט זה מכיוון שהוא משלב את המנוע, חיישן מיקום, מיקרו-בקר קטן וגשר H המאפשר לנו לשלוט באופן ידני ואוטומטי במיקום המנוע דרך הארדואינו. העיצוב הראשוני קרא למנוע סרוו אחד בלבד, אך לאחר התלבטות החלטנו להשתמש בשניים. רכיבים נוספים שנוספו היו מסך LCD Arduino וג'ויסטיק. מטרת מסך ה- LCD היא להציג באיזה מצב נמצא המייצב כרגע והזווית הנוכחית של כל סרוו תוך שליטה ידנית.

כדי ליצור את הבית כדי להכיל את כל הרכיבים החשמליים, השתמשנו בעיצוב ממוחשב (CAD) ונשתמש במדפסת תלת מימד. כדי להחזיק את הרכיבים החשמליים, עיצבנו גוף שיפעל גם כידית. כאן יותקנו חיישן ה- IMU והג'ויסטיק. לשליטה בציר כפול, עיצבנו תושבות למנועים.

שלב 3: תרשים מצב/לוגיקה

הקוד מורכב משלוש מצבים, שכל אחד מהם יצוין על מסך LCD. כאשר ה- Arduino מקבל כוח, מסך ה- LCD ידפיס "אתחול …" ותקשורת I2C מתחילה עם MPU-6050. הנתונים הראשוניים מ- MPU-6050 נרשמים כדי למצוא את הממוצע. לאחר מכן, הארדואינו ייכנס למצב שליטה ידנית. כאן, ניתן לכוון את שני מנועי הסרוו באופן ידני באמצעות הג'ויסטיק. אם תלחץ על כפתור הג'ויסטיק, הוא ייכנס למצב "רמה אוטומטית" והפלטפורמה המייצבת תשמור על הרמה ביחס לכדור הארץ. כל תנועה בכיוון הגליל או המגרש תינגר על ידי מנועי הסרוו ובכך תשמור על הרמה. בלחיצה נוספת על כפתור הג'ויסטיק, הארדואינו ייכנס למצב "אל תעשה כלום" שבו מנועי הסרוו יינעלו. בסדר זה, המדינות ימשיכו להשתנות עם כל לחיצה על כפתור הג'ויסטיק.

שלב 4: תרשים מעגלים

התמונה למעלה ממחישה את תרשים מעגל הפרויקט שלנו במצב OFF. בקר הבדיקה Arduino מספק את החיבורים הדרושים להפעלת ה- IMU MPU-6050, הג'ויסטיק ותצוגת ה- LCD. תאי LiPo מחוברים ישירות למחליף ומספקים כוח הן לבקר המיקרו Arduino והן לשני מנועי הסרוו. במהלך אופן פעולה זה, הסוללות מחוברות במקביל לשימוש במתג 3 נקודות כפול (3PDT). המתג מאפשר לנו לנתק את העומס, ובמקביל לחבר את המטען ולהעביר את התאים מסדרה לתצורה מקבילה. זה גם מאפשר לטעון את הסוללה בו זמנית.

כאשר המתג יופעל למצב ON, שני תאים של 3.7V יספקו כוח למנועי Arduino ו- Servo. במהלך אופן פעולה זה, הסוללות מחוברות בסדרה באמצעות מתג 3 נקודות כפול (3PDT). זה מאפשר לנו להשיג 7.4v ממקור החשמל שלנו. מסך LCD וחיישן IMU משתמשים בתקשורת I2C. SDA משמש להעברת הנתונים, בעוד SCL הוא קו השעון המשמש לסנכרון העברות נתונים. מנועי הסרוו כוללים שלושה מוליכים כל אחד: כוח, קרקע ונתונים. הארדואינו מתקשר עם הסרווואים דרך סיכות 3 ו -5; סיכות אלה משתמשות באפנון רוחב הדופק (PWM) על מנת להעביר את הנתונים במעברים חלקים יותר.

*מעגל טעינת הסוללות הוא מבית Adafruit.com

שלב 5: בנייה

העיצוב הבסיסי של מצלמת גימבל הוא די פשוט, כיוון שהוא בעצם רק ידית והרכבה למצלמה. הג'ימבל מורכב משני מנועי סרוו כדי לנטרל כל תנועה בכיווני הגליל והמגרש. השימוש באונדואינו אונו דורש כמות ניכרת של מקום, ולכן הוספנו גם בית בתחתית הידית כדי להכיל את כל הרכיבים החשמליים. תושבות הדיור, הידית ומנוע הסרוו כולן יודפסו בתלת מימד, מה שיאפשר לנו למזער את העלות והגודל הכולל, מכיוון שנוכל לשלוט באופן מלא על העיצוב. ישנן מספר דרכים לתכנן את הג'ימבל, אך הגורם הגדול ביותר שיש לקחת בחשבון הוא הימנעות ממנוע סרוו אחד מלסובב למשנהו. באב טיפוס, מנוע סרוו אחד מחובר בעצם לשני. כשיהיה לנו גישה שוב למדפסות תלת מימד, נדפיס תלת מימד את הזרוע והפלטפורמה המוצגים למעלה.

*העיצובים לזרוע ולפלטפורמה הם מתוך

שלב 6: ממצאים כלליים ושיפורים אפשריים

המחקר הראשוני שעשינו על מצלמות מצלמה היה מאיים מאוד. למרות שיש שפע של מקורות ומידע בנושא, זה נראה מאוד כמו פרויקט שיצא מהליגה שלנו. התחלנו לאט, עשינו כמה שיותר מחקר, אבל ספגנו מעט. בכל שבוע היינו נפגשים ומשתפים פעולה. ככל שעבדנו, צברנו יותר ויותר תאוצה ובסופו של דבר הפכנו פחות מפוחדים ונרגשים יותר מהפרויקט. אמנם הוספנו ג'ויסטיק נוסף ומסך LCD, אך עדיין ניתן להוסיף עוד הרבה לפרויקט. ישנם גם מספר שיפורים שניתן להוסיף, כגון הגבלות על השליטה הידנית שתמנע מהמשתמש לסובב מנוע סרוו אחד לשני. זוהי בעיה קטנה וניתן לתקן אותה גם בעיצוב הרכבה שונה. דנו גם באפשרויות הוספת תכונת פאן. זה יאפשר למשתמש להשתמש במנועי הסרוו כדי לגלוש על שטח בזמן מוגדר.

כצוות, כולנו עבדנו טוב מאוד. למרות הנסיבות, ורק היכולת להיפגש באופן וירטואלי, הפקנו ממנו את המיטב והמשכנו בתקשורת תכופה. כל החלקים והרכיבים ניתנו לאדם אחד וזה הקשה על שאר חברי הקבוצה לסייע בפתרון בעיות שעלו. הצלחנו לעבוד על הנושאים שעלו, אבל אילו לכולנו היו אותם חומרים, זה היה קצת יותר קל לעזור. באופן כללי, התרומה הגדולה ביותר להשלמת הפרויקט שלנו הייתה היכולת של כל חבר לקבל זמינות ונכונות להיפגש ולשוחח על הפרויקט.