Stabilizzatore per fotocamera prototipo (2DOF): 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Autori:

Robert de Mello e Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Ringraziamenti:

Un enorme ringraziamento alla California State University Maritime Academy, al suo programma Engineering Technology e al Dr. Chang-Siu per averci aiutato ad avere successo con il nostro progetto in tempi così complicati.

Introduzione:

Un dispositivo stabilizzatore della fotocamera, o gimbal della fotocamera, è un supporto che impedisce il movimento della fotocamera e altri movimenti ingiustificati. Uno dei primi stabilizzatori mai inventati utilizzava ammortizzatori/molle per smorzare i cambiamenti improvvisi nel movimento della fotocamera. Altri tipi di stabilizzatori utilizzano giroscopi o fulcri per svolgere questo stesso compito. Questi dispositivi stabilizzano i movimenti indesiderati fino a tre diversi assi o dimensioni. Questi includono gli assi x, y e z. Ciò significa che uno stabilizzatore può smorzare i movimenti in tre diverse direzioni: rollio, beccheggio e imbardata. Questo viene solitamente realizzato utilizzando 3 motori controllati da un sistema di controllo elettronico, ciascuno dei quali contrasta un asse diverso.

Eravamo eccezionalmente interessati a questo progetto per diversi motivi. Tutti noi godiamo di varie attività all'aperto come lo snowboard e altri sport. Ottenere filmati di alta qualità di queste attività è difficile a causa della quantità di movimento richiesta. Un paio di noi possiede un vero stabilizzatore per fotocamera acquistato dal negozio, quindi abbiamo voluto indagare su cosa serve per creare qualcosa del genere. Nelle nostre lezioni di laboratorio e lezione, abbiamo imparato come interagire con i servomotori utilizzando Arduino, la codifica necessaria per farli funzionare e la teoria alla base dei circuiti elettronici per aiutarci a progettare i circuiti.

*NOTA: a causa del COVID-19, non siamo stati in grado di completare questo progetto nella sua interezza. Questa istruzione è una guida per i circuiti e il codice necessari per il prototipo dello stabilizzatore. Intendiamo completare il progetto ogni volta che la scuola riprenderà e avremo di nuovo accesso alle stampanti 3D. La versione completata avrà un circuito della batteria e un alloggiamento stampato in 3D con bracci stabilizzatori (mostrato sotto). Inoltre, tieni presente che spegnere i servomotori dall'alimentatore Arduino 5v è generalmente una cattiva pratica. Lo stiamo facendo semplicemente per consentire il test del prototipo. Un alimentatore separato sarà incluso nel progetto finale ed è mostrato nello schema elettrico sottostante.

Forniture

-Microcontrollore Arduino UNO

-tagliere

-Kit ponticelli metallici

-Unità di misura inerziale MPU6050

- Servomotore MG995 (x2)

-Modulo LCD1602

-Modulo joystick

Passaggio 1: panoramica del progetto

Sopra c'è un video del nostro progetto e mostra anche una dimostrazione di lavoro.

Fase 2: Teoria e Operazione

Per la stabilizzazione della nostra fotocamera, abbiamo utilizzato due servomotori per stabilizzare l'asse di beccheggio e rollio. Un'unità di misura inerziale (IMU) rileva l'accelerazione, l'accelerazione angolare e la forza magnetica che possiamo utilizzare per determinare l'angolo della fotocamera. Con una IMU collegata all'assieme, possiamo utilizzare i dati rilevati per contrastare automaticamente il cambiamento nel movimento della maniglia con i servi. Inoltre, con un Joystick Arduino, possiamo controllare manualmente due assi di rotazione, un motore per ogni asse.

Nella Figura 1 si può vedere che il rollio viene contrastato dal servomotore del rollio. Quando la maniglia viene spostata nella direzione di rotazione, il servomotore di rotazione ruoterà in una direzione uguale ma opposta.

Nella Figura 2 puoi vedere che l'angolo di inclinazione è controllato da un servomotore separato che agisce in modo simile al servomotore del rollio.

I servomotori sono una buona scelta per questo progetto perché combinano il motore, un sensore di posizione, un piccolo microcontrollore integrato e un ponte H che ci consente di controllare manualmente e automaticamente la posizione del motore tramite Arduino. Il progetto iniziale richiedeva un solo servomotore, ma dopo un po' di riflessione, abbiamo deciso di usarne due. Ulteriori componenti aggiunti sono stati uno schermo LCD Arduino e un Joystick. Lo scopo dello schermo LCD è quello di visualizzare lo stato in cui si trova attualmente lo stabilizzatore e l'angolo corrente di ciascun servo mentre è in controllo manuale.

Per creare l'alloggiamento per contenere tutti i componenti elettrici, abbiamo utilizzato Computer-Aided Design (CAD) e utilizzeremo una stampante 3D. Per contenere i componenti elettrici, abbiamo progettato un corpo che fungerà anche da maniglia. Qui è dove verranno montati il sensore IMU e il joystick. Per il controllo a doppio asse, abbiamo progettato supporti per i motori.

Passaggio 3: diagramma di stato/logico

Il codice è composto da tre stati, ognuno dei quali sarà indicato sullo schermo LCD. Quando Arduino riceve alimentazione, lo schermo LCD stamperà "Inizializzazione in corso…" e la comunicazione I2C verrà avviata con l'MPU-6050. I dati iniziali dell'MPU-6050 vengono registrati per trovare la media. Successivamente, Arduino entrerà nella modalità di controllo manuale. Qui, entrambi i servomotori possono essere regolati manualmente con il joystick. Se il pulsante del joystick viene premuto, entrerà nello stato "Auto Level" e la piattaforma stabilizzatrice manterrà il livello rispetto alla Terra. Qualsiasi movimento in direzione di rollio o beccheggio sarà contrastato dai servomotori, mantenendo così la piattaforma in piano. Con un'altra pressione del pulsante del joystick, Arduino entrerà in uno "Stato di non fare nulla" in cui i servomotori verranno bloccati. In quest'ordine, gli stati continueranno a cambiare ad ogni pressione del pulsante del joystick.

Passaggio 4: diagramma del circuito

L'immagine sopra illustra lo schema circuitale del nostro progetto in modalità OFF. Il microcontrollore Arduino fornisce le connessioni necessarie per eseguire l'MPU-6050 IMU, Joystick e display LCD. Le celle LiPo sono direttamente collegate al caricatore e forniscono alimentazione sia al microcontrollore Arduino che a entrambi i servomotori. Durante questa modalità di funzionamento le batterie sono collegate in parallelo con l'utilizzo di un interruttore a 3 punti a doppia mandata (3PDT). L'interruttore ci consente di scollegare il carico, collegando contemporaneamente il caricabatterie e commutando le celle da una configurazione in serie a una in parallelo. Ciò consente anche alla batteria di caricarsi contemporaneamente.

Quando l'interruttore viene portato in modalità ON, due celle da 3,7 V forniranno alimentazione ad Arduino e ai servomotori. Durante questa modalità di funzionamento le batterie sono collegate in serie con l'utilizzo di un interruttore a 3 punti a doppia mandata (3PDT). Questo ci permette di ottenere 7.4v dalla nostra fonte di alimentazione. Sia lo schermo LCD che il sensore IMU utilizzano la comunicazione I2C. SDA viene utilizzato per trasmettere i dati, mentre SCL è la linea di clock utilizzata per sincronizzare i trasferimenti di dati. I servomotori hanno tre cavi ciascuno: alimentazione, massa e dati. L'Arduino comunica con i servi tramite i pin 3 e 5; questi pin utilizzano la modulazione di larghezza di impulso (PWM) per trasmettere i dati con transizioni più fluide.

*Il circuito di ricarica della batteria proviene da Adafruit.com

Passaggio 5: costruzione

Il design di base di un gimbal per fotocamera è abbastanza semplice, poiché essenzialmente è solo una maniglia e un supporto per una fotocamera. Il gimbal è costituito da due servomotori per contrastare qualsiasi movimento nelle direzioni di rollio e beccheggio. L'utilizzo di un Arduino Uno richiede una notevole quantità di spazio, quindi abbiamo aggiunto anche un alloggiamento nella parte inferiore dell'impugnatura per contenere tutti i componenti elettrici. L'alloggiamento, la maniglia e i supporti del servomotore saranno tutti stampati in 3D, consentendoci di ridurre al minimo i costi e le dimensioni complessive, poiché possiamo avere il pieno controllo sul design. Esistono diversi modi in cui è possibile progettare il gimbal, ma il fattore più importante da considerare è evitare che un servomotore ruoti in un altro. Nel prototipo, un servomotore è essenzialmente collegato all'altro. Quando avremo nuovamente accesso alle stampanti 3D, stamperemo in 3D il braccio e la piattaforma mostrati sopra.

*I design per il braccio e la piattaforma provengono da

Passaggio 6: risultati generali e potenziali miglioramenti

La ricerca iniziale che abbiamo fatto sui gimbal della fotocamera è stata molto intimidatoria. Sebbene ci fosse una pletora di fonti e informazioni sull'argomento, sembrava davvero un progetto che sarebbe stato fuori dalla nostra portata. Abbiamo iniziato lentamente, facendo più ricerche possibili, ma assorbendo poco. Ogni settimana ci incontravamo e collaboravamo. Mentre lavoravamo, abbiamo acquisito sempre più slancio e alla fine siamo diventati meno timorosi e più entusiasti del progetto. Anche se abbiamo aggiunto un joystick e uno schermo LCD aggiuntivi, c'è ancora molto altro che potremmo aggiungere al progetto. Ci sono anche alcuni miglioramenti che potrebbero essere aggiunti, come le restrizioni al controllo manuale che impedirebbero all'utente di ruotare un servomotore nell'altro. Questo è un piccolo problema e potrebbe anche essere risolto con un design di montaggio diverso. Abbiamo anche discusso delle possibilità di aggiungere una funzione di panoramica. Ciò consentirebbe all'utente di utilizzare i servomotori per eseguire una panoramica su un'area in un tempo specificato.

Come squadra, abbiamo lavorato tutti insieme molto bene. Nonostante le circostanze, e solo la possibilità di incontrarci virtualmente, ne abbiamo tratto il meglio e siamo rimasti in frequenti comunicazioni. Tutte le parti e i componenti sono stati dati a una persona e questo ha reso un po' più difficile per il resto del gruppo aiutare a risolvere eventuali problemi che si presentavano. Siamo stati in grado di risolvere i problemi che sono sorti, ma se avessimo avuto tutti gli stessi materiali, sarebbe stato un po' più facile aiutare. Nel complesso, il più grande contributo al completamento del nostro progetto è stata la possibilità per ogni membro di avere disponibilità e disponibilità a incontrarsi e parlare del progetto.