პროტოტიპის კამერის სტაბილიზატორი (2DOF): 6 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:16

ავტორები:

რობერტ დე მელო და სოუზა, იაკობ პაქსტონი, მოისეს ფარიასი

მადლიერება:

უღრმესი მადლობა კალიფორნიის სახელმწიფო უნივერსიტეტის საზღვაო აკადემიას, მის საინჟინრო ტექნოლოგიურ პროგრამას და დოქტორ ჩანგ-სიუს, რომ გვეხმარება წარმატებული პროექტის განხორციელებაში ასეთ რთულ დროს.

შესავალი:

კამერის სტაბილიზატორის მოწყობილობა, ან კამერის გიმბალი, არის მთა, რომელიც ხელს უშლის კამერის შერყევას და სხვა დაუსაბუთებელ მოძრაობებს. ერთ -ერთმა პირველმა სტაბილიზატორმა, რომელიც ოდესმე გამოიგონა, გამოიყენა ამორტიზატორები/ზამბარები კამერის მოძრაობის უეცარი ცვლილებების შესამცირებლად. სხვა სახის სტაბილიზატორები იყენებენ გიროსკოპებს ან საყრდენებს იმავე ამოცანის შესასრულებლად. ეს მოწყობილობები ახდენს არასასურველი მოძრაობების სტაბილიზაციას სამ სხვადასხვა ღერძსა თუ განზომილებაში. ესენია x, y და z ღერძი. ეს ნიშნავს, რომ სტაბილიზატორს შეუძლია შეანელოს მოძრაობები სამი განსხვავებული მიმართულებით: გააფართოვოს, მოედანი და ყბა. ეს ჩვეულებრივ ხდება 3 ძრავის გამოყენებით, რომლებიც კონტროლდება ელექტრონული კონტროლის სისტემით, თითოეული განსხვავებულ ღერძს ეწინააღმდეგება.

ჩვენ განსაკუთრებულად დავინტერესდით ამ პროექტით რამდენიმე მიზეზის გამო. ყველა ჩვენგანი სარგებლობს სხვადასხვა გარე საქმიანობით, როგორიცაა სნოუბორდი და სხვა სპორტი. ამ საქმიანობის მაღალი ხარისხის კადრების მიღება რთულია მოძრაობის საჭირო რაოდენობის გამო. რამოდენიმე ჩვენგანი ფლობს მაღაზიიდან შეძენილ კამერის ნამდვილ სტაბილიზატორს და ამიტომ, ჩვენ გვინდოდა გამოგვეკვლია რა საჭიროა მსგავსი რამის შესაქმნელად. ჩვენს ლაბორატორიულ და ლექციურ კლასებში ჩვენ ვისწავლეთ სერვო ძრავებთან ურთიერთქმედება Arduino– ს გამოყენებით, მათი მუშაობისათვის საჭირო კოდირება და ელექტრონული სქემის თეორია, რომელიც გვეხმარება სქემების დიზაინში.

*შენიშვნა: COVID-19– ის გამო, ჩვენ ვერ შევძელით ამ პროექტის სრულად დასრულება. ეს ინსტრუქცია არის სტაბილიზატორის პროტოტიპისთვის საჭირო სქემისა და კოდის სახელმძღვანელო. ჩვენ ვაპირებთ დავასრულოთ პროექტი, როდესაც სკოლა განახლდება და ჩვენ კვლავ გვექნება წვდომა 3D პრინტერებზე. დასრულებულ ვერსიას ექნება ბატარეის წრე და 3D დაბეჭდილი კორპუსი სტაბილიზატორებით (ნაჩვენებია ქვემოთ). ასევე, გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ Arduino 5v დენის წყაროს სერვო ძრავების გათიშვა ზოგადად ცუდი პრაქტიკაა. ჩვენ უბრალოდ ვაკეთებთ ამას, რათა შევძლოთ პროტოტიპის ტესტირება. ცალკეული ელექტრომომარაგება ჩაერთვება საბოლოო პროექტში და ნაჩვენებია ქვემოთ ჩართულ დიაგრამაში.

მარაგები

-არდუინო გაეროს მიკროკონტროლერი

-პურის დაფა

-მავთულის ჯუმბერის ნაკრები

-MPU6050 ინერტული საზომი ერთეული

-MG995 სერვო ძრავა (x2)

-LCD1602 მოდული

-ჯოისტიკის მოდული

ნაბიჯი 1: პროექტის მიმოხილვა

ზემოთ არის ჩვენი პროექტის ვიდეო და ასევე ნაჩვენებია სამუშაო დემონსტრაცია.

ნაბიჯი 2: თეორია და ოპერაცია

ჩვენი კამერის სტაბილიზაციისთვის, ჩვენ გამოვიყენეთ ორი სერვო ძრავა, რათა მოხდეს სტაბილიზაციისა და ბრუნვის ღერძის სტაბილიზაცია. ინერტული გაზომვის ერთეული (IMU) გრძნობს აჩქარებას, კუთხის აჩქარებას და მაგნიტურ ძალას, რომლითაც შეგვიძლია გამოვიყენოთ კამერის კუთხე. შეკრებაზე მიმაგრებული IMU, ჩვენ შეგვიძლია გამოვიყენოთ შეგრძნებული მონაცემები, რათა ავტომატურად გავუწიოთ წინააღმდეგობა სერვოებთან სახელურის მოძრაობის ცვლილებას. გარდა ამისა, Arduino Joystick– ით ჩვენ შეგვიძლია ხელით ვაკონტროლოთ ბრუნვის ორი ღერძი, თითო ძრავა თითოეულ ღერძზე.

ფიგურაში 1 თქვენ ხედავთ, რომ როლს ეწინააღმდეგება როლი სერვო ძრავა. როდესაც სახელური გადაადგილდება როლის მიმართულებით, რულეტიანი სერვო ძრავა ბრუნავს თანაბარი, მაგრამ საპირისპირო მიმართულებით.

ფიგურა 2 -ში თქვენ ხედავთ, რომ საფეხურის კუთხე კონტროლდება ცალკეული სერვო ძრავით, რომელიც მოქმედებს როლ სერვო ძრავის ანალოგიურად.

სერვო ძრავები კარგი არჩევანია ამ პროექტისთვის, რადგან ის აერთიანებს ძრავას, პოზიციის სენსორს, პატარა ჩაშენებულ მიკროკონტროლერს და H- ხიდს, რომელიც საშუალებას გვაძლევს ხელით და ავტომატურად გავაკონტროლოთ ძრავის პოზიცია არდუინოს საშუალებით. თავდაპირველი დიზაინი ითვალისწინებდა მხოლოდ ერთ სერვო ძრავას, მაგრამ გარკვეული განხილვის შემდეგ, ჩვენ გადავწყვიტეთ ორი გამოგვეყენებინა. დამატებული კომპონენტები იყო Arduino LCD ეკრანი და ჯოისტიკი. LCD ეკრანის მიზანია აჩვენოს, თუ რა მდგომარეობაშია სტაბილიზატორი ამჟამად და თითოეული სერვისის ამჟამინდელი კუთხე ხელით კონტროლის დროს.

ყველა ელექტრო კომპონენტის შესანახად საცხოვრებლის შესაქმნელად, ჩვენ გამოვიყენეთ კომპიუტერული დიზაინი (CAD) და გამოვიყენებთ 3D პრინტერს. ელექტრული კომპონენტების შესანახად, ჩვენ შევქმენით სხეული, რომელიც ასევე იმოქმედებს როგორც სახელური. ეს არის სადაც IMU სენსორი და ჯოისტიკი იქნება დამონტაჟებული. ორმაგი ღერძის კონტროლისთვის, ჩვენ შევიმუშავეთ სამონტაჟო ძრავები.

ნაბიჯი 3: მდგომარეობა/ლოგიკური დიაგრამა

კოდი შედგება სამი მდგომარეობისგან, რომელთაგან თითოეული მითითებული იქნება LCD ეკრანზე. როდესაც Arduino მიიღებს ენერგიას, LCD ეკრანი დაბეჭდავს "ინიციალიზაცია …" და I2C კომუნიკაცია იწყება MPU-6050. MPU-6050– ის საწყისი მონაცემები ჩაწერილია საშუალო მნიშვნელობის საპოვნელად. ამის შემდეგ, Arduino შევა სახელმძღვანელო კონტროლის რეჟიმში. აქ ორივე სერვო ძრავის რეგულირება შესაძლებელია ხელით ჯოისტიკით. თუ ჯოისტიკის ღილაკს დააჭერთ, ის შევა "ავტო დონის" მდგომარეობაში და სტაბილიზაციის პლატფორმა შეინარჩუნებს დონეს დედამიწასთან მიმართებაში. რულონის ან მოედნის მიმართულებით ნებისმიერ მოძრაობას გააუქმებენ სერვო ძრავები, რითაც შეინარჩუნებენ პლატფორმის დონეს. ჯოისტიკის ღილაკის კიდევ ერთი დაჭერით, არდუინო შევა "არ გააკეთო არაფერი", სადაც სერვო ძრავები ჩაკეტილი იქნება. ამ თანმიმდევრობით, სახელმწიფოები გააგრძელებენ ცვლილებას ჯოისტიკის ღილაკის ყოველი დაჭერით.

ნაბიჯი 4: სქემის დიაგრამა

ზემოთ მოყვანილი სურათი ასახავს ჩვენი პროექტის წრიულ დიაგრამას OFF რეჟიმში. Arduino მიკროკონტროლერი უზრუნველყოფს საჭირო კავშირებს MPU-6050 IMU, ჯოისტიკისა და LCD ეკრანის გასაშვებად. LiPo უჯრედები პირდაპირ კავშირშია ჩეინჯერთან და ამარაგებს ენერგიას როგორც Arduino მიკროკონტროლერს, ასევე ორივე სერვო ძრავას. მუშაობის ამ რეჟიმის დროს, ბატარეები ერთმანეთთან არის დაკავშირებული 3-წერტილიანი ორმაგი გადაყრის (3PDT) გადამრთველის გამოყენების პარალელურად. გადამრთველი გვაძლევს საშუალებას გავთიშოთ დატვირთვა, პარალელურად დავუკავშიროთ დამტენი და გადავიტანოთ უჯრედები სერიიდან პარალელურ კონფიგურაციაზე. ეს ასევე საშუალებას აძლევს ბატარეას ერთდროულად დატენოს.

როდესაც გადამრთველი ჩართულია ჩართულ რეჟიმში, ორი 3.7 ვ უჯრედი უზრუნველყოფს არდუინოს და სერვო მოტორს ენერგიას. მუშაობის ამ რეჟიმის დროს, ბატარეები სერიულად იყო დაკავშირებული 3-პუნქტიანი ორმაგი გადაყრის (3PDT) გადამრთველის გამოყენებით. ეს საშუალებას გვაძლევს მივიღოთ 7.4 ვ ენერგიის წყაროდან. როგორც LCD ეკრანი, ასევე IMU სენსორი იყენებს I2C კომუნიკაციას. SDA გამოიყენება მონაცემების გადასაცემად, ხოლო SCL არის საათის ხაზი, რომელიც გამოიყენება მონაცემთა გადაცემის სინქრონიზაციისათვის. სერვო ძრავებს აქვთ სამი ლიდერი: ძალა, მიწა და მონაცემები. არდუინო კომუნიკაციას უწევს სერვოებთან 3 და 5 პინების საშუალებით; ეს ქინძისთავები იყენებენ პულსის სიგანის მოდულაციას (PWM), რათა გადასცეს მონაცემები უფრო რბილი გადასვლებით.

*ბატარეის დატენვის წრე არის Adafruit.com– დან

ნაბიჯი 5: მშენებლობა

კამერის გიმბალის ძირითადი დიზაინი საკმაოდ მარტივია, რადგან ის არსებითად მხოლოდ სახელური და სამონტაჟოა კამერისთვის. გიმბალი შედგება ორი სერვო ძრავისგან, რათა გააუქმოს მოძრაობა როლის და მოედნის მიმართულებით. Arduino Uno– ს გამოყენება მოითხოვს მნიშვნელოვან ადგილს, ამიტომ ჩვენ ასევე დავამატეთ კორპუსი სახელურის ბოლოში, რომელიც შეიცავს ყველა ელექტრო კომპონენტს. კორპუსის, სახელურის და სერვო ძრავის სამონტაჟო მოწყობილობები იქნება 3D დაბეჭდილი, რაც საშუალებას მოგვცემს მინიმუმამდე დავიყვანოთ ღირებულება და საერთო ზომა, რადგან ჩვენ შეგვიძლია სრული კონტროლი გვქონდეს დიზაინზე. გიმბალის შემუშავების რამდენიმე გზა არსებობს, მაგრამ გასათვალისწინებელი ყველაზე დიდი ფაქტორი არის ერთი სერვო ძრავის მეორეში ბრუნვის თავიდან აცილება. პროტოტიპში ერთი სერვო ძრავა არსებითად მიმაგრებულია მეორესთან. როდესაც ჩვენ კვლავ გვექნება წვდომა 3D პრინტერებზე, ჩვენ 3D დაბეჭდვისას ზემოთ ნაჩვენები მკლავი და პლატფორმა.

*ხელის და პლატფორმის დიზაინი არის

ნაბიჯი 6: საერთო დასკვნები და პოტენციური გაუმჯობესებები

პირველადი კვლევა, რომელიც ჩვენ ჩავატარეთ კამერაზე, იყო ძალიან საშიში. მიუხედავად იმისა, რომ იყო უამრავი წყარო და ინფორმაცია ამ თემაზე, ის ძალიან ჰგავდა პროექტს, რომელიც ჩვენი ლიგის გარეთ იქნებოდა. ჩვენ დავიწყეთ ნელა, რაც შეიძლება მეტი გამოკვლევა გავაკეთეთ, მაგრამ ცოტას ვიღებდით. ყოველ კვირას ვიკრიბებოდით და ვთანამშრომლობდით. როდესაც ვმუშაობდით, ჩვენ სულ უფრო და უფრო ვიღებდით იმპულსს და საბოლოოდ ნაკლებად ვშიშობდით და უფრო აღფრთოვანებული ვიყავით პროექტის გამო. მიუხედავად იმისა, რომ ჩვენ დავამატეთ დამატებითი ჯოისტიკი და LCD ეკრანი, ჯერ კიდევ ბევრი რამის დამატება შეგვიძლია პროექტში. ასევე შესაძლებელია რამდენიმე გაუმჯობესების დამატება, როგორიცაა შეზღუდვები ხელით კონტროლზე, რაც ხელს შეუშლის მომხმარებელს ერთი სერვო ძრავის მეორეში გადატრიალებაში. ეს არის მცირე პრობლემა და ასევე შეიძლება გამოსწორდეს განსხვავებული სამონტაჟო დიზაინით. ჩვენ ასევე განვიხილეთ პან ფუნქციის დამატების შესაძლებლობები. ეს საშუალებას მისცემს მომხმარებელს გამოიყენოს სერვო ძრავები განსაზღვრულ დროში გადასაადგილებლად.

როგორც გუნდი, ჩვენ ყველამ ერთად კარგად ვიმუშავეთ. მიუხედავად გარემოებებისა და მხოლოდ ვირტუალურად შეხვედრის შესაძლებლობისა, ჩვენ გავაკეთეთ ეს საუკეთესოდ და შევინარჩუნეთ ხშირი ურთიერთობა. ყველა ნაწილი და კომპონენტი გადაეცა ერთ ადამიანს და ამან ცოტათი გაართულა ჯგუფის დანარჩენი წევრების დახმარება პრობლემის აღმოსაფხვრელად. ჩვენ შევძელით იმ საკითხების მოგვარება, რომლებიც წარმოიშვა, მაგრამ ყველას ერთნაირი მასალები რომ გვქონოდა, ეს ოდნავ გაუადვილებდა დახმარებას. საერთო ჯამში, ყველაზე დიდი წვლილი ჩვენი პროექტის დასრულებაში იყო ის შესაძლებლობა, რომ თითოეულ წევრს ჰქონოდა ხელმისაწვდომობა და სურვილი შეხვედროდა და ესაუბრა პროექტზე.