Generatore di fogli laser interattivo con Arduino: 11 passaggi (con immagini)

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

I laser possono essere utilizzati per creare incredibili effetti visivi. In questo progetto, ho costruito un nuovo tipo di display laser che è interattivo e riproduce musica. Il dispositivo ruota due laser per formare due fogli di luce simili a vortici. Ho incluso sensori di distanza nel dispositivo in modo che i fogli laser potessero essere manipolati muovendo la mano verso di essi. Quando la persona interagisce con i sensori, il dispositivo riproduce anche la musica tramite un'uscita MIDI. Incorpora idee da arpe laser, vortici laser e display POV.

Lo strumento è controllato con un Arduino Mega che riceve gli ingressi dei sensori ad ultrasuoni ed emette il tipo di foglio laser formato e la musica generata. A causa dei molti gradi di libertà dei laser rotanti, è possibile creare tonnellate di diversi modelli di fogli laser.

Ho fatto un brainstorming preliminare sul progetto con un nuovo gruppo artistico/tecnologico a St. Louis chiamato Dodo Flock. Emre Sarbek ha anche eseguito alcuni test iniziali sui sensori utilizzati per rilevare il movimento vicino al dispositivo.

Se costruisci un dispositivo laser a fogli, ricorda di essere sicuro di utilizzare laser e dischi rotanti.

Aggiornamento 2020: ho realizzato che la superficie creata con i laser è un iperboloide.

Passaggio 1: elenco dei rifornimenti

Materiali

Laser -

Motore brushless -

Regolatore elettronico di velocità -

Servomotori -

Transistor

compensato

plexiglas

Sensori a ultrasuoni

Anello scorrevole -

LED bianchi -

Convertitori buck

Filo di avvolgimento del filo

Connettore MIDI

Potenziometro e manopole -

Hardware - https://www.amazon.com/gp/product/B01J7IUBG8/ref=o…https://www.amazon.com/gp/product/B06WLMQZ5N/ref=o…https://www.amazon. com/gp/prodotto/B06XQMBDMX/ref=o…

resistori

Cavi connettore JST -

Interruttore di alimentazione CA

Alimentazione 12V -

Colla per legno

super colla

Viti per legno

Cavo di prolunga USB -

Utensili:

Saldatore

Pinza tagliafili

Seghetto alternativo

Sega circolare

Micrometro

Trapano elettrico

Passaggio 2: panoramica e schema

Un raggio laser crea un raggio di luce ben collimato (cioè stretto), quindi un modo per produrre un foglio di luce è spostare rapidamente il raggio secondo uno schema. Ad esempio, per creare un foglio di luce cilindrico, ruotare un laser attorno a un asse parallelo alla direzione in cui punta. Per spostare rapidamente un laser, puoi collegare un laser a un'asse di legno collegata a un motore CC senza spazzole. Solo con questo, puoi creare fantastici vortici laser cilindrici!

Altri progetti di vortice laser realizzano ciò montando uno specchio inclinato sull'asse di rotazione con un laser fisso diretto allo specchio. Questo crea un cono di foglio laser. Tuttavia, con questo design, tutti i fogli laser sembreranno provenire da un'unica origine. Se i laser sono posizionati fuori asse come con il disegno che ho costruito, puoi creare fogli laser convergenti, come la forma a clessidra mostrata nel video.

E se volessi che i fogli di luce fossero dinamici e interattivi? Per fare questo, ho attaccato due laser sui servo e poi ho attaccato i servo sulla tavola di legno. Ora i servi possono regolare l'angolo del laser rispetto all'asse di rotazione del motore. Avendo due laser su due diversi servi, puoi creare due diversi fogli di luce con il dispositivo.

Per controllare la velocità del motore CC, ho collegato un potenziometro a un Arduino che prende l'ingresso del potenziometro e invia un segnale al controller elettrico di velocità (ESC). L'ESC controlla quindi la velocità del motore (un nome piuttosto appropriato, sì), a seconda della resistenza del potenziometro.

Lo stato di accensione/spegnimento dei laser è controllato collegandoli all'emettitore di un transistor operante in saturazione (cioè funzionante come un interruttore elettrico). Un segnale di controllo viene inviato alla base del transistor che controlla la corrente attraverso il laser. Ecco una fonte per controllare un carico con un transistor con un arduino:

Anche la posizione dei servi è controllata con Arduino. Mentre la tavola ruota, il foglio leggero può essere manipolato cambiando la posizione del servo. Senza alcun input da parte dell'utente, questo da solo può creare fogli di luce dinamici che sono ipnotizzanti. Ci sono anche sensori a ultrasuoni posizionati attorno al bordo del dispositivo, che vengono utilizzati per determinare se una persona sta avvicinando la mano ai fogli luminosi. Questo ingresso viene quindi utilizzato per spostare i laser per creare nuovi fogli di luce OPPURE per generare un segnale MIDI. Un jack MIDI è collegato per trasmettere il segnale MIDI a un dispositivo di riproduzione MIDI.

Passaggio 3: controllo del motore brushless con Arduino

Per creare fogli di luce simili a vortici, è necessario ruotare il raggio laser. Per fare ciò, ho deciso di provare a utilizzare un motore DC senza spazzole. Ho imparato che questi tipi di motori sono molto popolari tra i modellini di aeroplani e droni, quindi ho pensato che sarebbe stato abbastanza facile da usare. Mi sono imbattuto in alcuni intoppi lungo la strada, ma nel complesso sono soddisfatto di come funziona il motore per il progetto.

Innanzitutto, il motore deve essere montato. Ho progettato su misura una parte per contenere il motore e collegarla a una scheda che contiene il dispositivo. Dopo che il motore è stato sicuro, ho collegato il motore all'ESC. Da quello che ho letto, sembra davvero difficile usare un motore brushless senza. Per far girare il motore ho usato un Arduino Mega. Inizialmente, non riuscivo a far girare il motore perché stavo solo collegando il segnale di controllo a 5V oa massa, senza impostare correttamente un valore di base o calibrare l'ESC. Ho quindi seguito un tutorial di Arduino con un potenziometro e un servomotore e questo ha fatto girare il motore! Ecco un link al tutorial:

I fili dell'ESC possono essere effettivamente collegati in qualsiasi modo al motore brushless. Avrai bisogno di alcuni connettori femmina a banana. I cavi rosso e nero più spessi sull'ESC sono collegati a un alimentatore CC a 12V, e i cavi nero e bianco sul connettore di controllo dell'ESC sono collegati rispettivamente a terra e a un pin di controllo sull'Arduino. Guarda questo video per imparare a calibrare l'ESC:

Passaggio 4: costruzione del telaio del foglio laser

Dopo aver fatto girare il motore, è il momento di costruire il telaio del foglio leggero. Ho tagliato un pezzo di compensato usando una macchina CNC, ma puoi anche usare un seghetto alternativo. Il compensato contiene i sensori a ultrasuoni e ha un foro per adattarsi a un pezzo di plexiglas. Il plexiglas deve essere fissato al legno con resina epossidica. Vengono praticati dei fori per il passaggio dell'anello di scorrimento.

Un altro foglio circolare di compensato viene quindi tagliato per contenere il motore brushless. In questo foglio di legno vengono praticati dei fori in modo che i fili possano passare successivamente nella costruzione. Dopo aver fissato il supporto del motore e praticato i fori, i due fogli di compensato vengono fissati con assi 1x3 tagliate lunghe circa 15 cm e staffe metalliche. Nella foto si vede come il plexiglas è sopra il motore e i laser.

Passaggio 5: assemblaggio laser e servomotore

I fogli a luce variabile sono creati spostando i laser rispetto all'asse di rotazione. Ho progettato e stampato in 3D un supporto che collega un laser a un servo e un supporto che collega il servo alla tavola rotante. Fissare prima il servo al supporto del servo usando due viti M2. Quindi, inserire un dado M2 nel supporto del laser e serrare una vite di fermo per mantenere il laser in posizione. Prima di collegare il laser al servo, è necessario assicurarsi che il servo sia ruotato nella sua posizione operativa centrata. Usando il tutorial del servo, dirigi il servo a 90 gradi. Quindi montare il laser come mostrato nell'immagine utilizzando una vite. Ho dovuto aggiungere anche una piccola quantità di colla per assicurarmi che il laser non si spostasse involontariamente.

Ho usato un laser cutter per creare la tavola, che ha dimensioni di circa 3 cm x 20 cm. La dimensione massima del foglio leggero dipenderà dalla dimensione della tavola di legno. È stato quindi praticato un foro al centro della tavola in modo che si adatti all'albero del motore brushless.

Successivamente ho incollato il gruppo laser-servo sulla tavola in modo che i laser fossero centrati. Assicurarsi che tutti i componenti della tavola siano bilanciati rispetto all'asse di rotazione della tavola. Saldare i connettori JST ai laser e ai cavi servo in modo che possano essere collegati all'anello di scorrimento nel passaggio successivo.

Infine attaccare la tavola con i gruppi servo laser attaccati al motore brushless con una rondella e un dado. A questo punto, prova il motore brushless per assicurarti che la tavola possa girare. Fare attenzione a non guidare il motore troppo velocemente o mettere la mano nel percorso di rotazione della tavola.

Passaggio 6: installazione dell'anello di scorrimento

Come evitare che i fili si aggroviglino mentre l'elettronica gira? Un modo è utilizzare una batteria per l'alimentazione e collegarla all'assieme rotante, come in questa istruzione POV. Un altro modo è usare un anello di scorrimento! Se non hai mai sentito parlare di un'imbracatura o non ne hai mai usato uno, guarda questo fantastico video che mostra come funziona.

Innanzitutto, collegare le altre estremità dei connettori JST all'anello di scorrimento. Non vuoi che i fili siano troppo lunghi perché c'è la possibilità che rimangano impigliati in qualcosa quando l'asse ruota. Ho attaccato l'anello di scorrimento al plexiglass sopra il motore brushless praticando i fori per le viti. Fare attenzione a non rompere il plexiglass durante la foratura. Puoi anche usare un laser cutter per ottenere fori più precisi. Una volta che l'anello di scorrimento è collegato, collegare i connettori.

A questo punto si possono collegare i fili dell'anello di scorrimento ai pin di un Arduino per fare alcune prove preliminari con il generatore di fogli laser.

Passaggio 7: saldatura dell'elettronica

Ho tagliato una scheda prototipo per collegare tutta l'elettronica. Poiché ho utilizzato un alimentatore da 12 V, ho bisogno di utilizzare due convertitori cc-cc: 5 V per i laser, i servi, il potenziometro e il jack MIDI e 9 V per l'Arduino. Tutto è stato collegato come mostrato nello schema mediante saldatura o avvolgimento del filo. La scheda è stata quindi collegata a una parte stampata in 3D utilizzando distanziatori PCD.

Passaggio 8: costruzione della scatola dell'elettronica

Tutta l'elettronica è contenuta in una scatola di legno. Ho tagliato 1x3 legname per i lati della scatola e ho tagliato una grande apertura in un lato in modo che i fili su un pannello di controllo potessero passare. I lati sono stati collegati utilizzando piccoli blocchi di legno, colla per legno e viti. Dopo che la colla si è asciugata, ho carteggiato i lati della scatola per uniformare tutte le imperfezioni della scatola. Quindi ho tagliato il legno sottile per la parte anteriore, posteriore e inferiore della scatola. Il fondo è stato inchiodato ai lati e la parte anteriore e posteriore sono state incollate sulla scatola. Infine, ho misurato e praticato dei fori sulle dimensioni dei componenti sul pannello frontale della scatola: il jack del cavo di alimentazione, il jack usb, il jack MIDI e il potenziometro.

Passaggio 9: installazione dell'elettronica nella scatola

Ho collegato l'alimentatore alla scatola usando le viti, l'Arduino usando un supporto progettato su misura e il circuito creato nel passaggio 7. Il potenziometro e il jack MIDI sono stati prima collegati al circuito usando un filo di avvolgimento del filo, e poi incollato al pannello frontale. Il jack AC è stato collegato all'alimentatore e l'uscita DC dell'alimentatore è stata collegata agli ingressi dei convertitori Buck e ai cavi che si collegano al motore brushless. I cavi del motore, del servo e del laser vengono quindi fatti passare attraverso un foro nel compensato fino alla scatola dell'elettronica. Prima di occuparmi dei sensori a ultrasuoni, ho testato i componenti singolarmente per assicurarmi che tutto fosse cablato correttamente.

Inizialmente ho acquistato un jack di alimentazione CA, ma ho letto alcune recensioni piuttosto negative sul fatto che si sciogliesse, quindi avevo dei fori di dimensioni errate sul pannello frontale. Pertanto, ho progettato e stampato in 3D alcuni adattatori jack per adattarli alle dimensioni dei fori che ho tagliato.

Passaggio 10: montaggio e cablaggio dei sensori a ultrasuoni

A questo punto, i laser, i servi, il motore brushless e il jack MIDI sono tutti collegati e possono essere controllati da Arduino. L'ultimo passaggio hardware è il collegamento dei sensori a ultrasuoni. Ho progettato e stampato in 3D un sensore a ultrasuoni. Ho quindi cablato e fissato in modo uniforme i gruppi di sensori a ultrasuoni al foglio di compensato superiore del generatore di fogli di luce. Il filo di avvolgimento del filo è stato fatto scorrere fino alla scatola dell'elettronica praticando dei fori nel foglio di compensato. Ho collegato l'avvolgimento del filo ai pin appropriati sull'Arduino.

Sono rimasto un po' deluso dalle prestazioni del sensore a ultrasuoni. Hanno funzionato abbastanza bene per distanze comprese tra 1 cm - 30 cm, ma la misurazione della distanza è molto rumorosa al di fuori di tale intervallo. Per migliorare il rapporto segnale/rumore, ho provato a prendere la mediana o la media di diverse misurazioni. Tuttavia, il segnale non era ancora abbastanza affidabile, quindi ho finito per impostare il cut-off per suonare una nota o cambiare il foglio laser a 25 cm.

Passaggio 11: programmazione del vortice laser dinamico

Dopo che tutto il cablaggio e l'assemblaggio sono stati completati, è il momento di programmare il dispositivo del foglio luminoso! Ci sono molte possibilità, ma l'idea generale è quella di prendere gli ingressi dei sensori a ultrasuoni e inviare segnali per MIDI e controllare i laser e i servi. In tutti i programmi la rotazione della doga è controllata ruotando la manopola del potenziometro.

Avrai bisogno di due librerie: NewPing e MIDI

In allegato il codice completo di Arduino.

Secondo premio nell'Invention Challenge 2017