Prototipli kamera stabilizatori (2DOF): 6 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:24

Mualliflar:

Robert de Mello e Souza, Jeykob Pakton, Moises Farias

Rahmatlar:

Kaliforniya shtati universiteti dengizchilik akademiyasiga, uning muhandislik texnologiyalari dasturiga va doktor Chang-Siuga shunday murakkab paytlarda loyihamizda muvaffaqiyat qozonishga yordam bergani uchun katta rahmat.

Kirish:

Kamera stabilizatori yoki gimbal - bu kameraning silkinishi va boshqa asossiz harakatlarning oldini oladigan o'rnatish moslamasi. Birinchi stabilizatorlardan biri kamera harakatining keskin o'zgarishini susaytirish uchun ishlatilgan amortizatorlar/buloqlarni ixtiro qilgan. Boshqa turdagi stabilizatorlar xuddi shu vazifani bajarish uchun giroskop yoki tayanch punktlaridan foydalanadilar. Ushbu qurilmalar istalmagan harakatlarni uch xil o'q yoki o'lchovgacha barqarorlashtiradi. Bularga x, y va z o'qlari kiradi. Bu shuni anglatadiki, stabilizator uch xil yo'nalishdagi harakatlarni susaytirishi mumkin: siljish, qadam va yaw. Bu odatda har bir o'qga qarshi harakat qiladigan elektron boshqaruv tizimi bilan boshqariladigan 3 ta dvigatel yordamida amalga oshiriladi.

Biz bir necha sabablarga ko'ra ushbu loyiha bilan qiziqdik. Hammamiz ochiq havoda, masalan, snoubord va boshqa sport turlaridan zavqlanamiz. Bu harakatlarning yuqori sifatli tasvirini olish, zarur harakat miqdori tufayli qiyin. Bizning er -xotinimiz do'kondan sotib olingan haqiqiy kamera stabilizatoriga egamiz, shuning uchun biz shunga o'xshash narsani yaratish uchun nima kerakligini o'rganmoqchi edik. Laboratoriya va ma'ruza darslarida biz Arduino yordamida servo dvigatellar bilan qanday ishlashni, ularni ishlashi uchun zarur bo'lgan kodlashni va sxemalarni loyihalashda bizga yordam beradigan elektron sxemalar nazariyasini o'rgandik.

*DIQQAT: COVID-19 tufayli biz ushbu loyihani to'liq yakunlay olmadik. Bu ko'rsatma stabilizator prototipi uchun zarur bo'lgan sxemalar va kodlar uchun qo'llanma. Biz maktabni qayta ishga tushirganimizda va yana 3D -printerlardan foydalanish imkoniga ega bo'lsak, biz loyihani yakunlamoqchimiz. Tugallangan versiyada batareya zanjiri va stabilizator qo'llari bo'lgan 3D bosma korpus bo'ladi (quyida ko'rsatilgan). Shuni ham yodda tutingki, Servo dvigatellarini Arduino 5v quvvat manbaidan uzib qo'yish odatda yomon amaliyotdir. Biz buni prototipni sinovdan o'tkazish uchun qilyapmiz. Yakuniy loyihaga alohida quvvat manbai kiritiladi va u quyidagi sxemada ko'rsatilgan.

Ta'minotlar

-Arduino UNO mikrokontroller

-Non paneli

-Tel o'tkazgichlar to'plami

-MPU6050 inertial o'lchov birligi

-MG995 Servo dvigateli (x2)

-LCD1602 moduli

-Joystik moduli

1 -qadam: Loyihaning umumiy ko'rinishi

Yuqorida bizning loyihamizning videosi va ishchi namoyish ko'rsatiladi.

2 -qadam: nazariya va operatsiya

Kameramizni barqarorlashtirish uchun biz qadam va aylanish o'qini barqarorlashtirish uchun ikkita servo dvigateldan foydalandik. Inertial o'lchov birligi (IMU) tezlikni, burchak tezlanishini va magnit kuchini sezadi, bu biz kameraning burchagini aniqlashimiz mumkin. Assambleyaga biriktirilgan IMU yordamida biz sezilgan ma'lumotlardan foydalanib, servo bilan tutqich harakatining o'zgarishiga avtomatik ravishda qarshi tura olamiz. Bundan tashqari, Arduino Joystick yordamida biz ikkita aylanish o'qini qo'lda boshqarishimiz mumkin, har bir o'q uchun bitta dvigatel.

1 -rasmda, rulonning servo dvigateli tomonidan siljishiga qarshi turishini ko'rishingiz mumkin. Tutqich rulon yo'nalishi bo'yicha harakatlanayotganda, rulonli servo vosita teng, lekin teskari yo'nalishda aylanadi.

2 -rasmda, burchak burchagi rulonli servo dvigatelga o'xshash harakat qiladigan alohida servo dvigatel tomonidan boshqarilishini ko'rishingiz mumkin.

Servo dvigatellar bu loyiha uchun yaxshi tanlovdir, chunki u dvigatel, joylashuv sensori, kichik o'rnatilgan mikrokontroller va H-ko'prigini birlashtiradi, bu bizga Arduino orqali dvigatel holatini qo'lda va avtomatik boshqarishga imkon beradi. Dastlabki dizaynda faqat bitta servo dvigatel bo'lishi kerak edi, lekin bir muncha o'ylashdan so'ng biz ikkitasini ishlatishga qaror qildik. Qo'shilgan qo'shimcha komponentlar Arduino LCD displeyi va Joystick edi. LCD displeyning maqsadi - stabilizator hozirda qanday holatda ekanligini va qo'lda boshqarish paytida har bir servoning joriy burchagini ko'rsatish.

Barcha elektr komponentlarini ushlab turadigan korpus yaratish uchun biz kompyuter yordamida dizayn (SAPR) dan foydalanganmiz va 3D printerdan foydalanamiz. Elektr komponentlarini ushlab turish uchun biz dastani vazifasini bajaradigan tanani yaratdik. Bu erda IMU sensori va joystik o'rnatiladi. Ikki o'qli boshqaruv uchun biz dvigatellar uchun moslamalar ishlab chiqdik.

3 -qadam: Davlat/mantiq diagrammasi

Kod uchta holatdan iborat bo'lib, ularning har biri LCD displeyda ko'rsatiladi. Arduino quvvat olganda, LCD displeyda "Initializing …" yozuvi chiqadi va MPU-6050 bilan I2C aloqasi boshlanadi. O'rtacha qiymatni topish uchun MPU-6050-dan dastlabki ma'lumotlar yoziladi. Shundan so'ng, Arduino qo'lda boshqarish rejimiga o'tadi. Bu erda ikkala servo dvigatelni joystik yordamida qo'lda sozlash mumkin. Agar joystik tugmasi bosilsa, u "Avtomatik daraja" holatiga o'tadi va stabillashadigan platforma Yerga nisbatan darajasini saqlaydi. Roll yoki pitch yo'nalishidagi har qanday harakatga servo dvigatellar qarshilik ko'rsatadi va shu bilan platforma darajasini ushlab turadi. Joystik tugmachasini boshqa bosish bilan Arduino "Hech narsa qilmang" holatiga kiradi, u erda servo motorlar qulflanadi. Bu tartibda shtatlar joystik tugmachasini har bosish bilan o'zgarishda davom etadi.

4 -qadam: O'chirish diagrammasi

Yuqoridagi rasmda O'chirish rejimida bizning loyiha sxemasi ko'rsatilgan. Arduino mikrokontroller MPU-6050 IMU, Joystick va LCD displeyni ishga tushirish uchun kerakli ulanishlarni ta'minlaydi. LiPo hujayralari to'g'ridan -to'g'ri o'zgartirgichga ulanadi va Arduino mikrokontrolleriga ham, servo dvigatellarga ham quvvat beradi. Ushbu ish rejimida batareyalar 3 nuqtali ikki martali (3PDT) kalit yordamida parallel ravishda ulanadi. Kalit bizga yukni uzishga imkon beradi, shu bilan birga zaryadlovchini ulab, hujayralarni ketma -ketlikdan parallel konfiguratsiyaga o'tkazadi. Bu bir vaqtning o'zida batareyani zaryadlash imkonini beradi.

Kalitni yoqish rejimiga o'tkazilganda, ikkita 3,7v uyali Arduino va Servo motorlarini quvvat bilan ta'minlaydi. Ushbu ish rejimida batareyalar ketma-ket 3 nuqtali ikki martali (3PDT) kalit yordamida ulanadi. Bu bizga quvvat manbaidan 7,4 V kuchlanish olish imkonini beradi. Ham LCD displey, ham IMU sensori I2C aloqasidan foydalanadi. SDA ma'lumotlarni uzatish uchun ishlatiladi, SCL esa ma'lumotlarni uzatishlarni sinxronlashtirish uchun ishlatiladi. Servo dvigatellarning har birida uchta sim bor: quvvat, er va ma'lumotlar. Arduino servolar bilan 3 va 5 -pinlar orqali aloqa qiladi; Ushbu pinlar ma'lumotlarni silliq o'tish bilan puls kengligi modulyatsiyasidan (PWM) foydalanadi.

*Batareyani zaryadlash davri Adafruit.com saytidan

5 -qadam: qurilish

Kamera gimbalining asosiy dizayni juda oddiy, chunki u faqat kamera uchun tutqich va o'rnatish. Gimbal rulon va qadam yo'nalishidagi har qanday harakatga qarshi turish uchun ikkita servo dvigateldan iborat. Arduino Uno -dan foydalanish uchun juda ko'p joy kerak bo'ladi, shuning uchun biz tutqichning pastki qismiga korpus qo'shdik, u erda barcha elektr komponentlari bor. Korpus, tutqich va servo dvigatellar 3 o'lchamli bosiladi, bu bizga xarajatlarni va umumiy hajmni kamaytirish imkonini beradi, chunki biz dizaynni to'liq nazorat qila olamiz. Gimbalni loyihalashning bir necha yo'li bor, lekin eng muhim omil - bitta servo dvigatelning boshqasiga aylanishiga yo'l qo'ymaslik. Prototipda bitta servo dvigatel asosan boshqasiga biriktirilgan. Biz yana 3D -printerlarga kira olsak, biz yuqorida ko'rsatilgan qo'l va platformani 3D bosib chiqaramiz.

*Qo'l va platformaning dizayni https://howtomechatronics.com/ saytidan olingan.

6 -qadam: Umumiy topilmalar va potentsial yaxshilanishlar

Kamera gimballari bo'yicha qilgan dastlabki tadqiqotlarimiz juda qo'rqinchli edi. Bu borada ko'plab manbalar va ma'lumotlar mavjud bo'lsa -da, bu bizning ligamizdan tashqaridagi loyihaga o'xshardi. Biz asta -sekin boshladik, iloji boricha ko'proq tadqiqot olib bordik, lekin ozgina yutdik. Biz har hafta uchrashib, hamkorlik qilardik. Biz ishlayotganda, biz tobora kuchayib boryapmiz va oxir -oqibat qo'rquv va loyihadan hayajonlanib ketdik. Biz qo'shimcha joystik va LCD displey qo'shgan bo'lsak -da, loyihaga yana ko'p narsalarni qo'shishimiz mumkin. Bundan tashqari, bir nechta yaxshilanishlar mavjud, masalan, qo'lda boshqarish cheklovlari, bu foydalanuvchining bitta servo dvigatelni boshqasiga aylantirishiga to'sqinlik qiladi. Bu kichik muammo va uni boshqa o'rnatish moslamasi yordamida hal qilish mumkin. Biz, shuningdek, pan xususiyatini qo'shish imkoniyatlarini muhokama qildik. Bu foydalanuvchiga servo dvigatellardan ma'lum vaqt ichida maydonni aylanib o'tishga imkon beradi.

Bir jamoa bo'lib hammamiz juda yaxshi ishladik. Vaziyatga va faqat uchrashish qobiliyatiga qaramay, biz undan eng yaxshisini qildik va tez -tez muloqotda bo'ldik. Barcha ehtiyot qismlar va komponentlar bir kishiga berilgan, bu esa qolgan a'zolarga yuzaga kelgan muammolarni bartaraf etishda yordam berishni biroz qiyinlashtirdi. Biz paydo bo'lgan muammolarni hal qila oldik, lekin hammamiz bir xil materiallarga ega bo'lganimizda, yordam berishni biroz osonlashtirgan bo'lardik. Umuman olganda, bizning loyihamizni yakunlashdagi eng katta hissa har bir a'zoning loyiha bilan uchrashish va suhbatlashish imkoniyatiga ega bo'lishi edi.