Estabilitzador de càmera prototip (2DOF): 6 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Autors:

Robert de Mello e Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Agraïments:

Un enorme agraïment a l'Acadèmia Marítima de la Universitat Estatal de Califòrnia, al seu programa de Tecnologia d'Enginyeria i al Dr. Chang-Siu per ajudar-nos a tenir èxit amb el nostre projecte en moments tan complicats.

Introducció:

Un dispositiu estabilitzador de càmera, o cardà de càmera, és un suport que evita la sacsejada de la càmera i altres moviments injustificats. Un dels primers estabilitzadors mai inventats va utilitzar amortidors / molls per amortir els canvis bruscos en el moviment de la càmera. Altres tipus d’estabilitzadors utilitzen giroscopis o punts forts per realitzar aquesta mateixa tasca. Aquests dispositius estabilitzen els moviments no desitjats en fins a tres eixos o dimensions diferents. Aquests inclouen l’eix x, y i z. Això significa que un estabilitzador pot esmorteir els moviments en tres direccions diferents: rodar, inclinar i desviar. Això normalment s’aconsegueix mitjançant 3 motors controlats amb un sistema de control electrònic que contraresten un eix diferent.

Ens va interessar excepcionalment per aquest projecte per diversos motius. Tots gaudim de diverses activitats a l’aire lliure com el surf de neu i altres esports. Obtenir imatges d’alta qualitat d’aquestes activitats és difícil a causa de la quantitat de moviment necessari. Un parell de nosaltres posseïm un estabilitzador de càmera real comprat a la botiga i, per tant, hem volgut investigar què es necessita per crear una cosa així. A les nostres classes de laboratori i conferències, hem après sobre com interactuar amb servomotors mitjançant Arduino, la codificació necessària per fer-los funcionar i la teoria darrere dels circuits electrònics per ajudar-nos a dissenyar els circuits.

* NOTA: A causa de COVID-19, no hem pogut completar aquest projecte en la seva totalitat. Aquesta instrucció és una guia per al circuit i el codi necessaris per al prototip de l'estabilitzador. Tenim la intenció de completar el projecte sempre que es reprengui l'escola i tinguem accés de nou a les impressores 3D. La versió completa tindrà un circuit de bateria i una carcassa impresa en 3D amb braços estabilitzadors (es mostra a continuació). Tingueu en compte, a més, que apagar els servomotors de la font d’Arduino 5v és generalment una mala pràctica. Simplement ho fem per permetre la prova del prototip. S'inclourà una font d'alimentació independent al projecte final i es mostra al diagrama de circuits següent.

Subministraments

-Microcontrolador Arduino UNO

-Pissarra

-Kit de pont de cable

-MPU6050 Unitat de mesura inercial

Servomotor MG995 (x2)

-Mòdul LCD1602

-Mòdul de palanca

Pas 1: Visió general del projecte

A la part superior hi ha un vídeo del nostre projecte i també mostra una demostració de treball.

Pas 2: teoria i operació

Per a l’estabilització de la càmera, hem utilitzat dos servomotors per estabilitzar l’eix de pas i rotació. Una Unitat de Mesura Inercial (IMU) detecta l’acceleració, l’acceleració angular i la força magnètica que podem utilitzar per determinar l’angle de la càmera. Amb una IMU connectada al muntatge, podem utilitzar les dades detectades per contrarestar automàticament el canvi en el moviment del mànec amb els servos. A més, amb un joystick Arduino, podem controlar manualment dos eixos de rotació, un motor per a cada eix.

A la figura 1 podeu veure que el servomotor del rotlle contraresta el rotlle. A mesura que el mànec es mou en la direcció del rotlle, el servomotor del rotlle girarà en una direcció igual però oposada.

A la figura 2 es pot veure que l’angle de pas és controlat per un servomotor separat que actua de manera similar al servomotor de rotllo.

Els servomotors són una bona opció per a aquest projecte perquè combina el motor, un sensor de posició, un petit microcontrolador integrat i un pont en H que ens permet controlar manualment i automàticament la posició del motor a través de l’Arduino. El disseny inicial només requeria un servomotor, però després d’una certa deliberació, vam decidir utilitzar-ne dos. Els components addicionals afegits van ser una pantalla LCD Arduino i un joystick. El propòsit de la pantalla LCD és mostrar en quin estat es troba actualment l’estabilitzador i l’angle actual de cada servo mentre es controla manualment.

Per crear la carcassa per contenir tots els components elèctrics, hem utilitzat el disseny assistit per ordinador (CAD) i utilitzarem una impressora 3D. Per subjectar els components elèctrics, hem dissenyat un cos que també actuarà com un mànec. Aquí és on es muntaran el sensor i el joystick IMU. Per al control de doble eix, hem dissenyat muntatges per als motors.

Pas 3: Estat / Diagrama lògic

El codi consta de tres estats, cadascun dels quals s’indicarà a la pantalla LCD. Quan l'Arduino rep alimentació, la pantalla LCD imprimirà "Inicialitzant …" i la comunicació I2C s'iniciarà amb el MPU-6050. Es registren les dades inicials del MPU-6050 per trobar la mitjana. Després, l’Arduino entrarà en mode de control manual. Aquí, els dos servomotors es poden ajustar manualment amb el joystick. Si es prem el botó del joystick, entrarà a l'estat "Nivell automàtic" i la plataforma estabilitzadora mantindrà el nivell respecte a la Terra. Els servomotors poden contrarestar qualsevol moviment en la direcció de rotació o de pas, mantenint així la plataforma a nivell. En prémer una altra vegada el botó del joystick, l'Arduino entrarà en un estat "No fer res" on es bloquejaran els servomotors. En aquest ordre, els estats continuaran canviant amb cada pulsació del botó del joystick.

Pas 4: Diagrama de circuits

La imatge superior il·lustra el diagrama del circuit del nostre projecte en mode OFF. El microcontrolador Arduino proporciona les connexions necessàries per executar l’IMU MPU-6050, el joystick i la pantalla LCD. Les cèl·lules LiPo estan connectades directament al canviador i subministren energia tant al microcontrolador Arduino com als dos servomotors. Durant aquest mode de funcionament, les bateries es connecten en paral·lel amb l’ús d’un interruptor de doble tir de 3 punts (3PDT). El commutador ens permet desconnectar la càrrega, alhora que connectem el carregador i canviar les cel·les d'una configuració en sèrie a una paral·lela. Això també permet que la bateria es carregui simultàniament.

Quan es commuta el commutador al mode ON, dues cel·les de 3,7 V proporcionaran alimentació als motors Arduino i Servo. Durant aquest mode de funcionament, les bateries es connecten en sèrie amb l’ús d’un interruptor de 3 punts de doble tir (3PDT). Això ens permet obtenir 7.4v de la nostra font d'energia. Tant la pantalla LCD com el sensor IMU utilitzen comunicació I2C. L’SDA s’utilitza per transmetre les dades, mentre que SCL és la línia de rellotge que s’utilitza per sincronitzar les transferències de dades. Els servomotors tenen tres cables cadascun: potència, terra i dades. L'Arduino es comunica amb els servos a través dels pins 3 i 5; aquests pins utilitzen la modulació d'ample de pols (PWM) per transmetre les dades amb transicions més suaus.

* El circuit de càrrega de la bateria prové d’Adafruit.com

Pas 5: construcció

El disseny bàsic d’un cardà de càmera és bastant senzill, ja que és bàsicament només un mànec i un muntatge per a una càmera. El cardà està format per dos motors servos per contrarestar qualsevol moviment en les direccions de rotació i pas. L'ús d'un Arduino Uno requereix una quantitat important d'espai, de manera que també hem afegit una carcassa a la part inferior del mànec per contenir tots els components elèctrics. La carcassa, el mànec i els servomotors s’imprimiran en 3D, cosa que ens permetrà minimitzar el cost i la mida global, ja que podem tenir un control total sobre el disseny. Hi ha diverses maneres de dissenyar el cardà, però el factor més important a tenir en compte és evitar que un servomotor giri cap a un altre. Al prototip, un servomotor està essencialment unit a l’altre. Quan tinguem accés de nou a les impressores 3D, imprimirem en 3D el braç i la plataforma que es mostren més amunt.

* Els dissenys per al braç i la plataforma són de

Pas 6: conclusions generals i millores potencials

La investigació inicial que vam fer sobre els cardans de la càmera va ser molt intimidant. Tot i que hi havia una gran quantitat de fonts i informació sobre el tema, semblava molt un projecte que quedaria fora de la nostra lliga. Vam començar lentament, fent tanta investigació com vam poder, però absorbint poc. Cada setmana ens reuníem i col·laboràvem. A mesura que treballàvem, anàvem agafant més força i, al final, vam tornar a tenir menys por i més il·lusió amb el projecte. Tot i que vam afegir un joystick i una pantalla LCD addicionals, encara hi ha molt més que podríem afegir al projecte. També s’hi podrien afegir algunes millores, com ara restriccions al control manual que evitarien que l’usuari giri un servomotor a l’altre. Aquest és un petit problema i també es podria solucionar amb un disseny de muntatge diferent. També vam discutir les possibilitats d'afegir una funció panoràmica. Això permetria a l'usuari utilitzar els servomotors per desplaçar-se per una zona en un temps especificat.

Com a equip, vam treballar molt bé tots junts. Malgrat les circumstàncies, i només la capacitat de reunir-nos de manera virtual, vam aprofitar-ho al màxim i vam mantenir una comunicació freqüent. Totes les parts i components es van lliurar a una sola persona, cosa que va fer que la resta del grup ajudés a resoldre els problemes que es presentessin. Hem estat capaços de resoldre els problemes que van sorgir, però si haguéssim tingut tots els mateixos materials, ens hauria ajudat una mica més. En general, la contribució més important a la realització del nostre projecte va ser la possibilitat que tots els membres tinguessin disponibilitat i voluntat de reunir-se i xerrar sobre el projecte.