Prototip Kamera Sabitleyici (2DOF): 6 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:17

Yazarlar:

Robert de Mello e Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Teşekkür:

California Eyalet Üniversitesi Denizcilik Akademisi'ne, onun Mühendislik Teknolojisi programına ve Dr. Chang-Siu'ya böyle karmaşık zamanlarda projemizde başarılı olmamıza yardımcı oldukları için çok teşekkür ederiz.

Tanıtım:

Bir kamera sabitleyici cihazı veya kamera yalpalaması, kameranın sarsılmasını ve diğer istenmeyen hareketleri önleyen bir montaj aparatıdır. Şimdiye kadar icat edilen ilk dengeleyicilerden biri, kameranın hareketindeki ani değişiklikleri azaltmak için amortisörler/yaylar kullandı. Diğer stabilizatör türleri, aynı görevi gerçekleştirmek için jiroskoplar veya dayanak noktaları kullanır. Bu cihazlar, istenmeyen hareketleri üç farklı eksende veya boyutta stabilize eder. Bunlara x, y ve z ekseni dahildir. Bu, bir dengeleyicinin hareketleri üç farklı yönde azaltabileceği anlamına gelir: yuvarlanma, eğim ve sapma. Bu genellikle, her biri farklı bir eksene karşı hareket eden bir elektronik kontrol sistemi ile kontrol edilen 3 motor kullanılarak gerçekleştirilir.

Birkaç nedenden dolayı bu projeyle son derece ilgilendik. Hepimiz snowboard ve diğer sporlar gibi çeşitli açık hava etkinliklerinden hoşlanırız. Gerekli hareket miktarı nedeniyle bu etkinliklerin yüksek kaliteli görüntülerini elde etmek zordur. Birkaçımız mağazadan satın aldığımız gerçek bir kamera sabitleyiciye sahibiz ve biz de böyle bir şey yaratmak için ne gerektiğini araştırmak istedik. Laboratuar ve ders derslerimizde Arduino kullanarak servo motorlarla nasıl etkileşime gireceğimizi, onları çalıştırmak için gereken kodlamayı ve devreleri tasarlamamıza yardımcı olacak elektronik devrelerin arkasındaki teoriyi öğrendik.

*NOT: COVID-19 nedeniyle bu projeyi bütünüyle tamamlayamadık. Bu talimat, stabilizatörün prototipi için gereken devre ve kod için bir kılavuzdur. Okul açıldığında projeyi tamamlamayı düşünüyoruz ve tekrar 3D yazıcılara erişimimiz var. Tamamlanan versiyonda bir pil devresi ve sabitleyici kolları olan (aşağıda gösterilen) 3D baskılı bir muhafaza olacaktır. Ayrıca, lütfen Servo motorları Arduino 5v güç kaynağından kapatmanın genellikle kötü bir uygulama olduğunu unutmayın. Bunu sadece prototipin test edilmesine izin vermek için yapıyoruz. Kesin projeye ayrı bir güç kaynağı dahil edilecektir ve aşağıdaki devre şemasında gösterilmiştir.

Gereçler

-Arduino UNO Mikrodenetleyici

-Breadboard

-Tel Jumper Takımı

-MPU6050 Atalet Ölçüm Birimi

-MG995 Servo Motor (x2)

-LCD1602 Modülü

-Joystick Modülü

Adım 1: Projeye Genel Bakış

Yukarıda projemizin bir videosu var ve aynı zamanda çalışan bir gösteri gösteriyor.

2. Adım: Teori ve Operasyon

Kameramızın stabilizasyonu için, yunuslama ve yuvarlanma eksenini stabilize etmek için iki servo motor kullandık. Bir Atalet Ölçüm Birimi (IMU), kameranın açısını belirlemek için kullanabileceğimiz ivmeyi, açısal ivmeyi ve manyetik kuvveti algılar. Montaja bağlı bir IMU ile, servolarla sapın hareketindeki değişikliği otomatik olarak önlemek için algılanan verileri kullanabiliriz. Ayrıca Arduino Joystick ile her eksen için bir motor olmak üzere iki dönme eksenini manuel olarak kontrol edebiliyoruz.

Şekil 1'de rulonun rulo servo motoru tarafından karşılandığını görebilirsiniz. Kol rulo yönünde hareket ettirildiğinde, rulo servo motor eşit fakat zıt yönde dönecektir.

Şekil 2'de adım açısının rulo servo motora benzer şekilde hareket eden ayrı bir servo motor tarafından kontrol edildiğini görebilirsiniz.

Servo motorlar bu proje için iyi bir seçimdir çünkü motoru, bir konum sensörünü, küçük bir yerleşik mikro denetleyiciyi ve Arduino aracılığıyla motor konumunu manuel ve otomatik olarak kontrol etmemizi sağlayan H köprüsünü birleştirir. İlk tasarım sadece bir servo motor gerektiriyordu, ancak biraz düşündükten sonra iki tane kullanmaya karar verdik. Eklenen ek bileşenler, bir Arduino LCD ekranı ve Joystick idi. LCD ekranın amacı, stabilizatörün şu anda hangi durumda olduğunu ve manuel kontroldeyken her bir servonun mevcut açısını görüntülemektir.

Tüm elektrikli bileşenleri tutacak muhafazayı oluşturmak için Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) kullandık ve bir 3D yazıcı kullanacağız. Elektrikli bileşenleri tutmak için, aynı zamanda tutamak görevi görecek bir gövde tasarladık. IMU sensörünün ve joystick'in monte edileceği yer burasıdır. Çift eksenli kontrol için motorlar için yuvalar tasarladık.

Adım 3: Durum/Mantık Şeması

Kod, her biri LCD ekranda gösterilecek olan üç durumdan oluşur. Arduino güç aldığında, LCD ekranda “Initializing…” yazacak ve MPU-6050 ile I2C iletişimi başlatılacaktır. MPU-6050'den gelen ilk veriler, ortalamayı bulmak için kaydedilir. Ardından Arduino manuel kontrol moduna girecektir. Burada her iki servo motor da joystick ile manuel olarak ayarlanabilir. Joystick düğmesine basılırsa, “Otomatik Seviye” durumuna girecek ve dengeleyici platform, Dünya'ya göre seviyesini koruyacaktır. Yuvarlanma veya eğim yönündeki herhangi bir hareket, servo motorlar tarafından engellenecek ve böylece platform düz tutulacaktır. Joystick düğmesine bir kez daha basıldığında, Arduino, servo motorların kilitleneceği bir “Hiçbir Şey Yapmama Durumuna” girecektir. Bu sırayla, joystick düğmesine her basıldığında durumlar değişmeye devam edecektir.

Adım 4: Devre Şeması

Yukarıdaki resim, KAPALI modunda proje devre şemamızı göstermektedir. Arduino Mikrodenetleyici, MPU-6050 IMU, Joystick ve LCD ekranı çalıştırmak için gerekli bağlantıları sağlar. LiPo hücreleri doğrudan değiştiriciye bağlıdır ve hem Arduino Mikrodenetleyicisine hem de her iki servo motora güç sağlar. Bu çalışma modu sırasında, piller 3 noktalı çift yönlü (3PDT) anahtar kullanılarak paralel olarak bağlanır. Anahtar, aynı anda şarj cihazını bağlarken yükü ayırmamıza ve hücreleri bir seriden paralel bir konfigürasyona geçirmemize izin verir. Bu aynı zamanda pilin aynı anda şarj olmasını sağlar.

Anahtar ON moduna getirildiğinde, iki adet 3.7v hücre Arduino ve Servo Motorlara güç sağlayacaktır. Bu çalışma modu sırasında, piller 3 noktalı çift yönlü (3PDT) anahtar kullanılarak seri bağlanır. Bu, güç kaynağımızdan 7.4v elde etmemizi sağlar. Hem LCD Ekran hem de IMU sensörü I2C iletişimini kullanır. SDA, verileri iletmek için kullanılırken, SCL, veri aktarımlarını senkronize etmek için kullanılan saat hattıdır. Servo motorların her birinde üç kablo bulunur: güç, toprak ve veri. Arduino, servolarla 3 ve 5 numaralı pinler aracılığıyla iletişim kurar; bu pinler, verileri daha yumuşak geçişlerle iletmek için Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM) kullanır.

*Akü Şarj Devresi Adafruit.com'dan alınmıştır.

Adım 5: İnşaat

Bir kamera gimbalinin temel tasarımı, aslında bir kamera için sadece bir tutamak ve montaj yeri olduğu için oldukça basittir. Gimbal, yuvarlanma ve eğim yönlerindeki herhangi bir harekete karşı koymak için iki servo motordan oluşur. Arduino Uno kullanmak önemli miktarda alan gerektirir, bu nedenle tüm elektrikli bileşenleri içermesi için tutamağın altına bir mahfaza da ekledik. Gövde, tutamak ve servo motor bağlantılarının tümü 3D olarak basılacak ve tasarım üzerinde tam kontrole sahip olabileceğimiz için maliyeti ve toplam boyutu en aza indirmemize olanak tanıyacak. Gimbalı tasarlamanın birkaç yolu vardır, ancak dikkate alınması gereken en büyük faktör, bir servo motorun diğerine dönmesini önlemektir. Prototipte, bir servo motor esasen diğerine bağlıdır. 3D yazıcılara tekrar erişim sağladığımızda, yukarıda gösterilen kol ve platformu 3D olarak yazdıracağız.

*Kol ve platform tasarımları https://howtomechatronics.com/ adresinden alınmıştır.

6. Adım: Genel Bulgular ve Potansiyel İyileştirmeler

Kamera gimballeri üzerinde yaptığımız ilk araştırma çok korkutucuydu. Konuyla ilgili çok sayıda kaynak ve bilgi olmasına rağmen, bize ligin dışında kalacak bir proje gibi geldi. Yavaş yavaş başladık, elimizden geldiğince çok araştırma yaptık, ancak çok az şeyi özümsedik. Her hafta buluşup işbirliği yapardık. Çalıştıkça daha fazla ivme kazandık ve nihayetinde proje hakkında daha az korku ve heyecan duyduk. Ek bir joystick ve LCD ekran eklemiş olsak da, projeye ekleyebileceğimiz daha çok şey var. Kullanıcının bir servo motoru diğerine döndürmesini engelleyen manuel kontrol kısıtlamaları gibi eklenebilecek birkaç iyileştirme de vardır. Bu küçük bir sorundur ve farklı bir montaj tasarımıyla da çözülebilir. Pan özelliği ekleme olanaklarını da tartıştık. Bu, kullanıcının belirli bir süre içinde bir alanı kaydırmak için servo motorları kullanmasına izin verir.

Ekip olarak hepimiz birlikte çok iyi çalıştık. Koşullara ve sadece sanal olarak buluşabilmemize rağmen, elimizden gelenin en iyisini yaptık ve sık sık iletişim halinde olduk. Tüm parçalar ve bileşenler bir kişiye verildi ve bu, grubun geri kalanının ortaya çıkan sorunları gidermeye yardımcı olmasını biraz daha zorlaştırdı. Ortaya çıkan sorunları çözebildik, ancak hepimiz aynı malzemelere sahip olsaydık, yardım etmemiz biraz daha kolay olurdu. Genel olarak, projemizi tamamlamamıza en büyük katkı, her üyenin proje hakkında buluşup sohbet etmek için müsaitlik ve istekliliğe sahip olmasıydı.