Интерактивный лазерный генератор листов с Arduino: 11 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Лазеры можно использовать для создания невероятных визуальных эффектов. В этом проекте я сконструировал лазерный дисплей нового типа, который является интерактивным и воспроизводит музыку. Устройство вращает два лазера, чтобы сформировать два вихревых слоя света. Я включил в устройство датчики расстояния, чтобы можно было манипулировать лазерными листами, двигая к ним рукой. Когда человек взаимодействует с датчиками, устройство также воспроизводит музыку через выход MIDI. Он включает в себя идеи лазерных арф, лазерных вихрей и POV-дисплеев.

Инструмент управляется Arduino Mega, который принимает входы ультразвуковых датчиков и выводит тип сформированного лазерного листа и сгенерированной музыки. Благодаря множеству степеней свободы вращающихся лазеров, можно создать множество различных рисунков лазерных листов.

Я провел предварительный мозговой штурм по проекту с новой арт-группой в Сент-Луисе под названием Dodo Flock. Эмре Сарбек также провел несколько первоначальных тестов датчиков, используемых для обнаружения движения рядом с устройством.

Если вы создаете устройство для лазерной обработки листов, не забывайте о безопасности при работе с лазерами и вращающимися дисками.

Обновление 2020 года: я понял, что поверхность, созданная с помощью лазеров, является гиперболоидом.

Шаг 1: Список материалов

Материалы

Лазеры -

Бесщеточный двигатель -

Электронный регулятор скорости -

Серводвигатели -

Транзисторы

Фанера

Оргстекло

Ультразвуковые датчики

Скольжение -

Белые светодиоды -

Понижающие преобразователи

Проволока для обмотки проволоки

MIDI-разъем

Потенциометр и ручки -

Аппаратное обеспечение - https://www.amazon.com/gp/product/B01J7IUBG8/ref=o…https://www.amazon.com/gp/product/B06WLMQZ5N/ref=o…https://www.amazon. ru / gp / product / B06XQMBDMX / ref = o…

Резисторы

Соединительные кабели JST -

Переключатель питания переменного тока

Блок питания 12 В -

Клей для дерева

супер клей

Шурупы по дереву

Удлинительный кабель USB -

Инструменты:

Паяльник

Кусачки

Лобзик пила

Циркулярная пила

Микрометр

Электрическая дрель

Шаг 2: Обзор и схема

Лазерный луч создает хорошо сколлимированный (то есть узкий) луч света, поэтому один из способов получить световой луч - быстро перемещать луч по некоторой схеме. Например, чтобы создать цилиндрический световой лист, вы должны вращать лазер вокруг оси, параллельной направлению, в котором он указывает. Чтобы быстро переместить лазер, вы можете прикрепить лазер к деревянной доске, прикрепленной к бесщеточному двигателю постоянного тока. Только с этим вы можете создавать крутые цилиндрические лазерные вихри!

В других проектах с лазерным вихрем это достигается путем установки наклонного зеркала на оси вращения со стационарным лазером, направленным на зеркало. Это создает конус лазерного листа. Однако при такой конструкции будет казаться, что все лазерные листы происходят из одного источника. Если лазеры расположены вне оси, как в конструкции, которую я построил, вы можете создавать сходящиеся лазерные листы, как в форме песочных часов, показанной на видео.

Но что, если вы хотите, чтобы световые листы были динамичными и интерактивными? Для этого я прикрепил два лазера к сервоприводам, а затем прикрепил сервоприводы к деревянной доске. Теперь сервоприводы могут регулировать угол лазера по отношению к оси вращения двигателя. Имея два лазера на двух разных сервоприводах, вы можете создать с помощью устройства два разных световых листа.

Чтобы контролировать скорость двигателя постоянного тока, я подключил потенциометр к Arduino, который принимает вход потенциометра и выдает сигнал на электрический контроллер скорости (ESC). Затем ESC контролирует скорость двигателя (вполне подходящее название, да) в зависимости от сопротивления потенциометра.

Состояние включения / выключения лазера контролируется путем подключения их к эмиттеру транзистора, работающего в режиме насыщения (т.е. работающего как электрический переключатель). Управляющий сигнал отправляется на базу транзистора, который регулирует ток через лазер. Вот источник для управления нагрузкой с помощью транзистора с Arduino:

Положение сервоприводов также контролируется с помощью Arduino. Когда планка вращается, световым листом можно управлять, изменяя положение сервопривода. Без какого-либо вмешательства пользователя только это может создать завораживающие динамические световые листы. Есть также ультразвуковые датчики, расположенные по краю устройства, которые используются для определения того, прикладывает ли человек руку к световым пластинам. Затем этот вход используется либо для перемещения лазеров для создания новых световых листов, либо для генерации MIDI-сигнала. К разъему MIDI подключается для передачи сигнала MIDI на устройство воспроизведения MIDI.

Шаг 3: управление бесщеточным двигателем с помощью Arduino

Чтобы создать вихревые световые листы, вам нужно вращать лазерный луч. Для этого я решил попробовать использовать бесщеточный двигатель постоянного тока. Я узнал, что эти типы двигателей очень популярны в моделях самолетов и дронов, поэтому решил, что ими будет довольно легко пользоваться. По пути я наткнулся на несколько препятствий, но в целом я доволен тем, как двигатель работает для этого проекта.

Во-первых, нужно смонтировать мотор. Я специально разработал деталь для крепления двигателя и прикрепления его к плате, на которой установлено устройство. После того, как двигатель был закреплен, я подключил его к ESC. Из того, что я читал, звучит очень сложно использовать бесщеточный двигатель без него. Чтобы мотор вращался, я использовал Arduino Mega. Изначально я не мог заставить двигатель вращаться, потому что я просто подключал управляющий сигнал к 5 В или земле, без правильной установки базового значения или калибровки ESC. Затем я последовал руководству по Arduino с потенциометром и серводвигателем, и мотор начал вращаться! Вот ссылка на руководство:

Провода ESC действительно могут быть подключены к бесщеточному двигателю любым способом. Вам понадобятся штекерные разъемы типа "банан" с внутренней резьбой. Более толстые красный и черный кабели на ESC подключены к источнику питания постоянного тока на 12 В, а черный и белый кабели на управляющем разъеме ESC подключены к земле и управляющему контакту на Arduino, соответственно. Посмотрите это видео, чтобы узнать, как откалибровать ESC:

Шаг 4: Сборка корпуса для лазерного листа

После того, как мотор заработал, пора строить шасси из легкого листа. Кусок фанеры я вырезаю на станке с ЧПУ, но можно и лобзиком. Фанера удерживает ультразвуковые датчики и имеет отверстие для куска оргстекла. Оргстекло следует прикрепить к дереву с помощью эпоксидной смолы. Просверлены отверстия для контактного кольца.

Затем вырезается еще один круглый лист фанеры, чтобы удерживать бесщеточный двигатель. В этом листе дерева просверлены отверстия, чтобы провода могли пройти через них позже в конструкции. После прикрепления крепления двигателя и просверливания отверстий, два листа фанеры прикрепляются с помощью досок 1x3, отрезанных примерно на 15 см длиной, и металлических скоб. На фото видно, как оргстекло находится над мотором и лазерами.

Шаг 5: Сборка лазера и серводвигателя

Листы переменного света создаются перемещением лазеров относительно оси вращения. Я разработал и напечатал на 3D-принтере крепление, которое прикрепляет лазер к сервоприводу, и крепление, которое соединяет сервопривод с вращающейся доской. Сначала прикрепите сервопривод к креплению сервопривода с помощью двух винтов M2. Затем вставьте гайку M2 в крепление для лазера и затяните установочный винт, чтобы удерживать лазер на месте. Перед подключением лазера к сервоприводу вы должны убедиться, что сервопривод повернут в его центральное рабочее положение. Используя руководство по сервоприводам, направьте сервопривод на 90 градусов. Затем закрепите лазер, как показано на рисунке, с помощью винта. Мне также пришлось добавить немного клея, чтобы лазер не смещался непреднамеренно.

Я использовал лазерный резак, чтобы создать планку, размер которой составляет примерно 3 x 20 см. Максимальный размер светового полотна будет зависеть от размера деревянной доски. Затем в центре доски просверливали отверстие, чтобы оно подходило к валу бесщеточного двигателя.

Затем я приклеил узел лазерного сервопривода к доске так, чтобы лазеры были по центру. Убедитесь, что все компоненты на доске уравновешены относительно оси вращения доски. Припаяйте соединители JST к лазерам и сервокабелям, чтобы их можно было подключить к токосъемному кольцу на следующем этапе.

Наконец, прикрепите планку с прикрепленными узлами лазерного сервопривода к бесщеточному двигателю с помощью шайбы и гайки. На этом этапе проверьте бесщеточный двигатель, чтобы убедиться, что доска вращается. Будьте осторожны, не управляйте двигателем слишком быстро и не кладите руку на путь вращения доски.

Шаг 6: Установка скользящего кольца

Как предотвратить спутывание проводов при вращении электроники? Один из способов - использовать батарею в качестве источника питания и подключить ее к вращающемуся узлу, как в этой инструкции POV. Другой способ - использовать скользящее кольцо! Если вы раньше не слышали о стропе и не использовали ее, посмотрите это замечательное видео, в котором показано, как она работает.

Сначала прикрепите другие концы соединителей JST к токосъемному кольцу. Вы не хотите, чтобы провода были слишком длинными, потому что есть вероятность, что они за что-то зацепятся при вращении доски. Я прикрепил токосъемник к оргстеклу над бесщеточным двигателем, просверлив отверстия для шурупов. Будьте осторожны, не тресните оргстекло при сверлении. Вы также можете использовать лазерный резак, чтобы получить более точные отверстия. После того, как токосъемник прикреплен, соедините разъемы.

На этом этапе вы можете подключить провода токосъемника к контактам Arduino, чтобы провести предварительные тесты с генератором лазерных листов.

Шаг 7: Пайка электроники

Я вырезал макетную плату, чтобы подключить всю электронику. Поскольку я использовал источник питания 12 В, мне нужно использовать два преобразователя постоянного тока: 5 В для лазеров, сервоприводов, потенциометра и разъема MIDI и 9 В для Arduino. Все было подключено, как показано на схеме, либо пайкой, либо обмоткой проводов. Затем плата была подключена к детали, напечатанной на 3D-принтере, с помощью стоек из PCD.

Шаг 8: Сборка электронного блока

Вся электроника размещена в деревянном ящике. Я вырезал пиломатериал размером 1x3 по бокам коробки и вырезал большое отверстие с одной стороны, чтобы через них проходили провода на панели управления. Стороны были соединены с помощью небольших деревянных брусков, столярного клея и шурупов. После высыхания клея я отшлифовал стороны коробки, чтобы выровнять все недостатки коробки. Затем я вырезал тонкую древесину для передней, задней и нижней части коробки. Дно было прибито к бокам, а перед и зад приклеены к коробке. Наконец, я измерил и вырезал отверстия размеров компонентов на передней панели коробки: разъем кабеля питания, разъем USB, разъем MIDI и потенциометр.

Шаг 9: Установка электроники в коробку

Я прикрепил блок питания к коробке с помощью винтов, Arduino с помощью специально разработанного крепления и печатной платы, созданной на шаге 7. Потенциометр и MIDI-разъем сначала были подключены к печатной плате с помощью проволочной обмотки, а затем приклеены к Передняя панель. Разъем переменного тока был подключен к источнику питания, а выход постоянного тока источника питания был подключен к входам понижающих преобразователей и кабелей, которые подключаются к бесщеточному двигателю. Затем провода двигателя, сервопривода и лазера пропускаются через отверстие в фанере к блоку электроники. Прежде чем заняться ультразвуковыми датчиками, я протестировал компоненты по отдельности, чтобы убедиться, что все подключено правильно.

Сначала я купил разъем питания переменного тока, но прочитал несколько довольно плохих отзывов о его плавлении, поэтому у меня были отверстия неправильного размера на передней панели. Поэтому я спроектировал и напечатал на 3D-принтере несколько переходников для домкратов, чтобы они соответствовали размеру прорезанных отверстий.

Шаг 10: Установка и подключение ультразвуковых датчиков

На этом этапе все лазеры, сервоприводы, бесщеточный двигатель и MIDI-разъем подключены к Arduino и могут управляться ими. Последний этап аппаратного обеспечения - подключение ультразвуковых датчиков. Я разработал и напечатал на 3D-принтере ультразвуковой датчик. Затем я подключил и равномерно прикрепил узлы ультразвуковых датчиков к верхнему листу фанеры генератора световых листов. Проволока, намотанная на проволоку, спускалась к блоку электроники путем сверления отверстий в листе фанеры. Я подключил проволочную ленту к соответствующим контактам на Arduino.

Я был немного разочарован работой ультразвукового датчика. Они неплохо работали на расстояниях от 1 до 30 см, но за пределами этого диапазона измерение расстояния очень шумное. Чтобы улучшить соотношение сигнал / шум, я попытался взять медианное или среднее значение нескольких измерений. Однако сигнал все еще был недостаточно надежным, поэтому я закончил тем, что установил отсечку для воспроизведения ноты или изменил лазерный лист на 25 см.

Шаг 11: Программирование динамического лазерного вихря

После того, как вся проводка и сборка завершены, можно приступить к программированию светового листа! Есть много возможностей, но общая идея состоит в том, чтобы принимать входы ультразвуковых датчиков и отправлять сигналы для MIDI и управления лазерами и сервоприводами. Во всех программах вращение доски контролируется поворотом ручки потенциометра.

Вам понадобятся две библиотеки: NewPing и MIDI.

Прилагается полный код Arduino.

Второй приз Invention Challenge 2017