نمونه اولیه تثبیت کننده دوربین (2DOF): 6 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

نویسندگان:

روبرت دو ملو سوزا ، جیکوب پکستون ، مویزس فاریاس

سپاسگزاریها:

یک تشکر بزرگ از آکادمی دریایی دانشگاه ایالتی کالیفرنیا ، برنامه فناوری مهندسی آن و دکتر چانگ سیو که به ما در موفقیت در پروژه ما در چنین شرایط پیچیده کمک کردند.

معرفی:

یک دستگاه تثبیت کننده دوربین یا گیمبال دوربین ، مانتی است که از لرزش دوربین و سایر حرکات بی دلیل جلوگیری می کند. یکی از اولین تثبیت کننده هایی که تا کنون اختراع شده است از کمک فنر/فنر برای کاهش تغییرات ناگهانی در حرکت دوربین استفاده می کند. انواع دیگر تثبیت کننده ها برای انجام این کار از ژیروسکوپ یا نقطه اتکایی استفاده می کنند. این دستگاهها حرکات ناخواسته را تا سه محور یا ابعاد مختلف تثبیت می کنند. اینها شامل محور x ، y و z هستند. این بدان معنی است که یک تثبیت کننده می تواند حرکات را در سه جهت مختلف خنثی کند: رول ، گام و خم. این امر معمولاً با استفاده از 3 موتور کنترل شده با یک سیستم کنترل الکترونیکی انجام می شود که هر کدام با محورهای مختلف مقابله می کنند.

ما به دلایل مختلفی به این پروژه فوق العاده علاقه مند بودیم. همه ما از فعالیت های مختلف در فضای باز مانند اسنوبورد و سایر ورزش ها لذت می بریم. بدست آوردن فیلم با کیفیت از این فعالیت ها به دلیل میزان حرکت مورد نیاز دشوار است. چند نفر از ما دارای یک تثبیت کننده دوربین واقعی هستیم که از فروشگاه خریداری شده است ، و بنابراین ، ما می خواستیم بررسی کنیم که برای ایجاد چنین چیزی چه چیزی لازم است. در کلاسهای آزمایشگاهی و سخنرانی خود ، ما نحوه تعامل با موتورهای سروو با استفاده از آردوینو ، کدنویسی مورد نیاز برای کارکردن آنها و نظریه پشت مدارهای الکترونیکی را برای کمک به ما در طراحی مدارها آموخته ایم.

*توجه: به دلیل COVID-19 ، ما نتوانستیم این پروژه را به طور کامل تکمیل کنیم. این دستورالعمل راهنمای مدار و کد مورد نیاز برای نمونه اولیه تثبیت کننده است. ما قصد داریم پروژه را هر زمان که مدرسه از سر گرفته شود به اتمام برسانیم و دوباره به چاپگرهای سه بعدی دسترسی داشته باشیم. نسخه تکمیل شده دارای یک مدار باتری و یک محفظه چاپ سه بعدی با بازوهای تثبیت کننده خواهد بود (در زیر نشان داده شده است). همچنین ، لطفاً توجه داشته باشید که خاموش کردن موتورهای سروو از منبع تغذیه آردوینو 5v به طور کلی عمل بدی است. ما به سادگی این کار را برای آزمایش نمونه اولیه انجام می دهیم. منبع تغذیه جداگانه ای در پروژه نهایی گنجانده شده است و در نمودار مدار زیر نشان داده شده است.

تدارکات

-میکروکنترلر آردوینو UNO

-تختخواب

کیت بلوز سیم

-MPU6050 واحد اندازه گیری اینرسی

-سرو موتور MG995 (x2)

-LCD1602 ماژول

ماژول جوی استیک

مرحله 1: مرور پروژه

در بالا یک ویدیو از پروژه ما وجود دارد و همچنین یک تظاهرات کار را نشان می دهد.

مرحله 2: نظریه و عملکرد

برای تثبیت دوربین ما ، از دو موتور سروو برای تثبیت محور گام و رول استفاده کردیم. واحد اندازه گیری اینرسی (IMU) شتاب ، شتاب زاویه ای و نیروی مغناطیسی را حس می کند که می توانیم از آن برای تعیین زاویه دوربین استفاده کنیم. با یک IMU متصل به مجموعه ، می توانیم از داده های حس شده برای مقابله خودکار با تغییر حرکت دسته با سرووها استفاده کنیم. علاوه بر این ، با جوی استیک آردوینو ، می توانیم دو محور چرخشی ، یک موتور برای هر محور را به صورت دستی کنترل کنیم.

در شکل 1 مشاهده می کنید که رول با سرو رول موتور خنثی می شود. با حرکت دسته در جهت رول ، سرو رول موتور در جهت مساوی اما مخالف می چرخد.

در شکل 2 مشاهده می کنید که زاویه گام توسط یک سروو موتور جداگانه کنترل می شود که مشابه موتور سرو رول عمل می کند.

سرو موتورها برای این پروژه انتخاب خوبی هستند زیرا موتور ، سنسور موقعیت ، یک میکروکنترلر کوچک داخلی و H-Bridge را ترکیب می کند که به ما امکان می دهد موقعیت موتور را به صورت دستی و خودکار از طریق آردوینو کنترل کنیم. در طراحی اولیه فقط یک سروو موتور ذکر شده بود ، اما پس از مدتی تصمیم گیری ، تصمیم گرفتیم از دو موتور استفاده کنیم. اجزای اضافی اضافه شده عبارت بودند از صفحه نمایش Arduino LCD و Joystick. هدف از صفحه نمایش LCD نمایش وضعیت استابلایزر در حال حاضر و زاویه فعلی هر سروو در حالت کنترل دستی است.

برای ایجاد محفظه برای نگهداری همه اجزای الکتریکی ، ما از طراحی با کمک رایانه (CAD) استفاده کرده ایم و از چاپگر سه بعدی استفاده خواهیم کرد. برای نگهداری اجزای الکتریکی ، بدنه ای را طراحی کرده ایم که نقش دسته را نیز ایفا می کند. اینجاست که سنسور و جوی استیک IMU نصب می شود. برای کنترل دو محوره ، ما پایه هایی برای موتورها طراحی کردیم.

مرحله 3: نمودار حالت/منطق

کد شامل سه حالت است که هر یک از آنها روی صفحه LCD نشان داده می شود. هنگامی که آردوینو قدرت دریافت می کند ، صفحه LCD "Initializing …" را چاپ می کند و ارتباط I2C با MPU-6050 آغاز می شود. داده های اولیه MPU-6050 برای یافتن میانگین ثبت می شود. پس از آن ، آردوینو وارد حالت کنترل دستی می شود. در اینجا ، هر دو موتور سروو را می توان به صورت دستی با جوی استیک تنظیم کرد. اگر دکمه جوی استیک فشار داده شود ، وارد حالت "سطح خودکار" می شود و سکوی تثبیت کننده نسبت به زمین سطح خود را حفظ می کند. هرگونه حرکتی در جهت چرخش یا پیچ توسط سرو موتورها خنثی می شود ، بنابراین سطح پلت فرم را حفظ می کند. با فشردن مجدد دکمه جوی استیک ، آردوینو وارد حالت "هیچ کاری نکن" می شود که در آن موتورهای سروو قفل می شوند. با این ترتیب ، وضعیتها با هر بار فشار دادن دکمه جوی استیک به تغییر خود ادامه می دهند.

مرحله 4: نمودار مدار

تصویر بالا نمودار مدار پروژه ما را در حالت OFF نشان می دهد. میکروکنترلر آردوینو اتصالات لازم برای اجرای MPU-6050 IMU ، Joystick و نمایشگر LCD را فراهم می کند. سلولهای LiPo مستقیماً به چنجر متصل شده و منبع تغذیه هر دو میکروکنترلر آردوینو و هر دو سروو موتور را تامین می کنند. در این حالت عملکرد ، باتری ها به طور موازی با استفاده از یک سوئیچ 3 نقطه ای پرتاب دو نقطه (3PDT) به هم متصل می شوند. سوئیچ به ما اجازه می دهد تا بار را قطع کنیم ، در حالی که شارژر را به طور همزمان وصل کرده و سلول ها را از یک سری به پیکربندی موازی تغییر می دهیم. این همچنین به شما امکان می دهد باتری را به طور همزمان شارژ کنید.

هنگامی که سوئیچ به حالت ON بازگردانده می شود ، دو سلول 3.7 ولت نیرو را برای Arduino و Servo Motors تأمین می کنند. در این حالت عملکرد ، باتری ها به صورت سری با استفاده از سوئیچ 3 نقطه ای پرتاب دوگانه (3PDT) به هم متصل می شوند. این به ما امکان می دهد 7.4 ولت را از منبع تغذیه خود دریافت کنیم. هر دو صفحه LCD و سنسور IMU از ارتباط I2C استفاده می کنند. SDA برای انتقال داده ها استفاده می شود ، در حالی که SCL خط ساعت است که برای همگام سازی انتقال داده ها استفاده می شود. سروو موتورها هر کدام دارای سه لید هستند: قدرت ، زمین و داده. آردوینو از طریق پین های 3 و 5 با سرووها ارتباط برقرار می کند. این پین ها از Pulse Width Modulation (PWM) برای انتقال داده ها با انتقال هموارتر استفاده می کنند.

*مدار شارژ باتری از Adafruit.com است

مرحله 5: ساخت و ساز

طراحی اولیه گیمبال دوربین بسیار ساده است ، زیرا در اصل فقط یک دسته و پایه برای دوربین است. گیمبال شامل دو موتور سروو برای مقابله با هرگونه حرکت در جهت چرخش و پیچ است. استفاده از آردوینو Uno به مقدار قابل توجهی فضا نیاز دارد ، بنابراین ما یک محفظه در پایین دسته اضافه کرده ایم که شامل تمام اجزای الکتریکی است. محفظه ، دسته و پایه های موتور سروو همه پرینت سه بعدی خواهند شد و به ما این امکان را می دهد تا هزینه و اندازه کلی را به حداقل برسانیم ، زیرا می توانیم کنترل کاملی بر طراحی داشته باشیم. روش های گوناگونی برای طراحی گیمبال وجود دارد ، اما بزرگترین عاملی که باید مورد توجه قرار گیرد جلوگیری از چرخش یک سروو موتور به موتور دیگر است. در نمونه اولیه ، یک موتور سروو اساساً به دیگری متصل است. وقتی دوباره به چاپگرهای سه بعدی دسترسی پیدا کردیم ، بازو و پلت فرم نشان داده شده در بالا را به صورت سه بعدی چاپ می کنیم.

*طرح های بازو و پلت فرم از https://howtomechatronics.com/ است

مرحله 6: یافته های کلی و پیشرفت های احتمالی

تحقیقات اولیه ای که ما در مورد دوربین عکاسی انجام دادیم بسیار ترسناک بود. در حالی که منابع و اطلاعات زیادی در این زمینه وجود داشت ، به نظر می رسید که پروژه ای خارج از لیگ ما باشد. ما به آرامی شروع کردیم ، تا آنجا که می توانستیم تحقیق کردیم ، اما کمی جذب کردیم. هر هفته ما ملاقات می کردیم و همکاری می کردیم. همانطور که کار می کردیم ، بیشتر و بیشتر شتاب می گرفتیم و در نهایت کمتر ترسیده و از پروژه هیجان زده می شدیم. در حالی که ما یک جوی استیک و صفحه LCD اضافی اضافه کردیم ، هنوز موارد بیشتری وجود دارد که می توانیم به پروژه اضافه کنیم. تعدادی بهبود نیز وجود دارد که می توان به آنها اضافه کرد ، مانند محدودیت در کنترل دستی که مانع چرخاندن کاربر به یک سروو موتور به دیگری می شود. این یک مشکل کوچک است و همچنین می تواند با طراحی نصب متفاوت برطرف شود. ما همچنین درباره امکان افزودن ویژگی پان بحث کردیم. این به کاربر امکان می دهد از موتورهای سروو برای پهن کردن منطقه در زمان مشخص استفاده کند.

به عنوان یک تیم ، همه ما بسیار خوب با هم کار کردیم. با وجود شرایط و تنها توانایی ملاقات مجازی ، ما از آن بهترین استفاده را کردیم و ارتباط مکرر را حفظ کردیم. همه قطعات و اجزای آن به یک نفر داده شد و این باعث شد که بقیه اعضای گروه بتوانند در رفع مشکلات پیش آمده کمی مشکل باشند. ما می توانستیم از طریق مسائل پیش آمده کار کنیم ، اما اگر همه ما مواد یکسانی داشتیم ، کمک به ما کمی ساده تر می شد. به طور کلی ، بزرگترین مشارکت در تکمیل پروژه ما این بود که هر عضوی در دسترس بوده و تمایل به ملاقات و گفتگو در مورد پروژه را داشته باشد.