Прототип стабилизатора камеры (2DOF): 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Авторы:

Роберт де Мелло и Соуза, Джейкоб Пакстон, Мойзес Фариас

Благодарности:

Огромное спасибо Морской академии Калифорнийского государственного университета, ее программе инженерных технологий и доктору Чанг-Сиу за то, что помогли нам добиться успеха в нашем проекте в такие сложные времена.

Вступление:

Устройство стабилизации камеры или подвес камеры - это крепление, которое предотвращает дрожание камеры и другие неоправданные движения. Один из первых стабилизаторов, когда-либо изобретенных, использовал амортизаторы / пружины для гашения резких изменений движения камеры. Другие типы стабилизаторов используют гироскопы или точки опоры для выполнения той же задачи. Эти устройства стабилизируют нежелательные движения до трех различных осей или размеров. К ним относятся оси x, y и z. Это означает, что стабилизатор может гасить движения в трех разных направлениях: крен, тангаж и рыскание. Обычно это достигается с помощью 3 двигателей, управляемых электронной системой управления, каждый из которых противодействует другой оси.

Этот проект нас очень заинтересовал по нескольким причинам. Всем нам нравится заниматься различными видами активного отдыха, такими как сноуборд и другие виды спорта. Получить качественные кадры этих действий сложно из-за количества требуемых движений. У некоторых из нас есть настоящий стабилизатор камеры, купленный в магазине, и поэтому мы хотели исследовать, что нужно для создания чего-то подобного. В нашей лаборатории и на лекциях мы узнали о том, как взаимодействовать с серводвигателями с помощью Arduino, о кодировании, необходимом для их работы, и о теории электронных схем, которая помогает нам проектировать схемы.

* ПРИМЕЧАНИЕ: из-за COVID-19 мы не смогли полностью завершить этот проект. Это руководство представляет собой руководство по схемам и программам, необходимым для прототипа стабилизатора. Мы намерены завершить проект, когда школа возобновит работу, и у нас снова будет доступ к 3D-принтерам. Завершенная версия будет иметь схему аккумулятора и напечатанный на 3D-принтере корпус со стабилизаторами (показано ниже). Также обратите внимание, что отключение серводвигателей от источника питания Arduino 5 В, как правило, является плохой практикой. Мы просто делаем это для тестирования прототипа. В окончательный проект будет включен отдельный источник питания, который показан на схеме ниже.

Запасы

-Микроконтроллер Arduino UNO

- макетная плата

-Комплект перемычки проводов

-MPU6050 Инерциальный измерительный блок

-Серводвигатель MG995 (x2)

-LCD1602 Модуль

-Модуль джойстика

Шаг 1. Обзор проекта

Выше видео нашего проекта, а также рабочая демонстрация.

Шаг 2: теория и работа

Для стабилизации нашей камеры мы использовали два серводвигателя для стабилизации оси тангажа и крена. Блок инерциальных измерений (IMU) определяет ускорение, угловое ускорение и магнитную силу, которые мы можем использовать для определения угла наклона камеры. С IMU, прикрепленным к сборке, мы можем использовать полученные данные для автоматического противодействия изменению движения ручки с сервоприводами. Кроме того, с помощью джойстика Arduino мы можем вручную управлять двумя осями вращения, по одному двигателю для каждой оси.

На Рисунке 1 вы можете видеть, что валку противодействует серводвигатель валка. Когда ручка перемещается в направлении ролика, серводвигатель ролика будет вращаться в равном, но противоположном направлении.

На рисунке 2 вы можете видеть, что угол наклона регулируется отдельным серводвигателем, который действует аналогично серводвигателю крена.

Серводвигатели - хороший выбор для этого проекта, потому что он сочетает в себе двигатель, датчик положения, небольшой встроенный микроконтроллер и H-мост, который позволяет нам вручную и автоматически управлять положением двигателя через Arduino. Первоначальный дизайн предусматривал только один серводвигатель, но после некоторых размышлений мы решили использовать два. Добавлены дополнительные компоненты: ЖК-экран Arduino и джойстик. Целью ЖК-экрана является отображение текущего состояния стабилизатора и текущего угла каждого сервопривода при ручном управлении.

Чтобы создать корпус для всех электрических компонентов, мы использовали систему автоматизированного проектирования (САПР) и 3D-принтер. Чтобы удерживать электрические компоненты, мы разработали корпус, который также будет выполнять роль ручки. Здесь будет установлен датчик IMU и джойстик. Для двухкоординатного управления мы разработали крепления для двигателей.

Шаг 3: Состояние / логическая диаграмма

Код состоит из трех состояний, каждое из которых будет отображаться на ЖК-экране. Когда Arduino получит питание, на ЖК-экране появится надпись «Initializing…», и соединение I2C будет запущено с MPU-6050. Исходные данные с MPU-6050 записываются, чтобы найти среднее значение. После этого Arduino перейдет в режим ручного управления. Здесь оба серводвигателя можно регулировать вручную с помощью джойстика. Если нажать кнопку джойстика, он перейдет в состояние «Автоматический уровень», и стабилизирующая платформа будет поддерживать уровень по отношению к Земле. Серводвигатели будут противодействовать любому движению в направлении крена или тангажа, таким образом поддерживая ровную платформу. Еще одним нажатием кнопки джойстика Arduino войдет в состояние «ничего не делать», в котором серводвигатели будут заблокированы. В этом порядке состояния будут продолжать меняться при каждом нажатии кнопки джойстика.

Шаг 4: Принципиальная схема

На изображении выше показана принципиальная схема нашего проекта в выключенном состоянии. Микроконтроллер Arduino обеспечивает необходимые соединения для работы MPU-6050 IMU, джойстика и ЖК-дисплея. Ячейки LiPo напрямую подключены к чейнджеру и обеспечивают питание как микроконтроллера Arduino, так и обоих серводвигателей. В этом режиме работы батареи подключаются параллельно с помощью трехпозиционного переключателя с двойным ходом (3PDT). Переключатель позволяет отключать нагрузку, одновременно подключая зарядное устройство и переключая элементы из последовательной в параллельную конфигурацию. Это также позволяет заряжать аккумулятор одновременно.

Когда переключатель установлен в положение ON, две ячейки 3,7 В будут обеспечивать питание Arduino и сервомоторов. В этом режиме работы батареи подключаются последовательно с помощью трехпозиционного двухпозиционного переключателя (3PDT). Это позволяет нам получать от нашего источника питания 7,4 В. И ЖК-экран, и датчик IMU используют связь I2C. SDA используется для передачи данных, а SCL - это линия синхронизации, используемая для синхронизации передачи данных. У серводвигателей есть три вывода: питание, земля и данные. Arduino связывается с сервоприводами через контакты 3 и 5; эти контакты используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для передачи данных с более плавными переходами.

* Схема зарядки аккумулятора взята с сайта Adafruit.com.

Шаг 5: Строительство

Базовая конструкция стабилизатора камеры довольно проста, поскольку по сути это всего лишь ручка и крепление для камеры. Подвес состоит из двух сервоприводов для противодействия любому движению в направлениях крена и тангажа. Использование Arduino Uno требует значительного количества места, поэтому мы также добавили корпус в нижней части ручки, чтобы вмещать все электрические компоненты. Корпус, ручка и крепления серводвигателя будут напечатаны на 3D-принтере, что позволит нам минимизировать стоимость и общий размер, поскольку мы можем полностью контролировать дизайн. Есть несколько способов спроектировать стабилизатор, но самый важный фактор, который следует учитывать, - это избегать вращения одного серводвигателя в другой. В прототипе один серводвигатель по существу прикреплен к другому. Когда у нас снова появится доступ к 3D-принтерам, мы напечатаем на 3D-принтере руку и платформу, показанные выше.

* Дизайн рукоятки и платформы взят с сайта

Шаг 6: Общие результаты и потенциальные улучшения

Первоначальное исследование подвесов камеры было очень пугающим. Хотя было множество источников и информации по этому вопросу, это очень походило на проект, который будет вне нашей лиги. Мы начали медленно, проводя столько исследований, сколько могли, но мало что поглощали. Каждую неделю мы встречались и сотрудничали. По мере того, как мы работали, мы набирали обороты и в конечном итоге стали менее боязливыми и более воодушевленными проектом. Хотя мы добавили дополнительный джойстик и ЖК-экран, есть еще много чего, что мы могли бы добавить в проект. Также можно добавить несколько улучшений, таких как ограничения ручного управления, которые не позволят пользователю вращать один серводвигатель в другой. Это небольшая проблема, и ее также можно решить с помощью другой конструкции крепления. Мы также обсудили возможности добавления функции панорамирования. Это позволит пользователю использовать серводвигатели для панорамирования области за заданное время.

Как команда, мы все очень хорошо работали вместе. Несмотря на обстоятельства и только возможность встретиться виртуально, мы максимально использовали это и поддерживали частое общение. Все части и компоненты были переданы одному человеку, и это немного усложнило остальным членам группы помощь в устранении любых возникающих проблем. Мы смогли решить возникшие проблемы, но если бы у всех были одинаковые материалы, нам было бы немного легче помочь. В целом, самым большим вкладом в завершение нашего проекта была возможность для каждого члена иметь доступность и готовность встречаться и болтать о проекте.