مثبت الكاميرا النموذجي (2DOF): 6 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

المؤلفون:

روبرت دي ميلو إي سوزا ، جاكوب باكستون ، مويسيس فارياس

شكر وتقدير:

شكراً جزيلاً للأكاديمية البحرية بجامعة ولاية كاليفورنيا ، وبرنامج التكنولوجيا الهندسية التابع لها ، والدكتور تشانغ سيو لمساعدتنا على النجاح في مشروعنا في مثل هذه الأوقات المعقدة.

مقدمة:

جهاز مثبت الكاميرا ، أو كاميرا gimbal ، هو حامل يمنع اهتزاز الكاميرا وغيرها من الحركات غير المبررة. واحدة من أول المثبتات التي تم اختراعها على الإطلاق استخدمت ممتصات الصدمات / الينابيع لتثبيط التغيرات المفاجئة في حركة الكاميرا. تستخدم أنواع أخرى من المثبتات الجيروسكوبات أو نقاط الارتكاز لإنجاز نفس المهمة. تعمل هذه الأجهزة على تثبيت الحركات غير المرغوب فيها في ما يصل إلى ثلاثة محاور أو أبعاد مختلفة. يتضمن ذلك المحور x و y و z. هذا يعني أن المثبت يمكن أن يثبط الحركات في ثلاثة اتجاهات مختلفة: التدحرج والنغمة والانعراج. يتم تحقيق ذلك عادةً باستخدام 3 محركات يتم التحكم فيها بواسطة نظام تحكم إلكتروني ، كل منها يقاوم محورًا مختلفًا.

كنا مهتمين بهذا المشروع بشكل استثنائي لعدة أسباب. نستمتع جميعًا بالأنشطة الخارجية المختلفة مثل التزلج على الجليد والرياضات الأخرى. من الصعب الحصول على لقطات عالية الجودة لهذه الأنشطة نظرًا لكمية الحركة المطلوبة. يمتلك زوجان منا مثبت كاميرا حقيقيًا تم شراؤه من المتجر ، ولذا ، أردنا التحقق مما يتطلبه الأمر لإنشاء شيء من هذا القبيل. في فصول المعامل والمحاضرات لدينا ، تعلمنا كيفية التفاعل مع محركات المؤازرة باستخدام Arduino ، والترميز المطلوب لجعلها تعمل ، والنظرية الكامنة وراء الدوائر الإلكترونية لمساعدتنا في تصميم الدوائر.

* ملاحظة: بسبب COVID-19 ، لم نتمكن من إكمال هذا المشروع بالكامل. هذه التعليمات عبارة عن دليل للدائرة والرمز المطلوبين للنموذج الأولي للمثبت. نعتزم إكمال المشروع كلما استأنفت المدرسة وأصبح لدينا إمكانية الوصول إلى الطابعات ثلاثية الأبعاد مرة أخرى. سيحتوي الإصدار المكتمل على دائرة بطارية وغطاء مطبوع ثلاثي الأبعاد بأذرع موازنة (كما هو موضح أدناه). أيضًا ، يرجى ملاحظة أن تشغيل محركات المؤازرة من مصدر طاقة Arduino 5v يعد ممارسة سيئة بشكل عام. نحن نقوم بذلك ببساطة للسماح باختبار النموذج الأولي. سيتم تضمين مصدر طاقة منفصل في المشروع النهائي ويتم عرضه في مخطط الدائرة أدناه.

اللوازم

-Arduino UNO متحكم

- اللوح

- طقم سلك توصيل

-MPU6050 وحدة القياس بالقصور الذاتي

-MG995 محرك سيرفو (x2)

وحدة -LCD1602

-وحدة جويستيك

الخطوة 1: نظرة عامة على المشروع

أعلاه مقطع فيديو لمشروعنا ويظهر أيضًا عرضًا عمليًا.

الخطوة الثانية: النظرية والتشغيل

من أجل تثبيت الكاميرا الخاصة بنا ، استخدمنا محركين مؤازرين لتثبيت محور الدوران والالتفاف. تستشعر وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) التسارع والتسارع الزاوي والقوة المغناطيسية التي يمكننا استخدامها لتحديد زاوية الكاميرا. من خلال إرفاق وحدة IMU بالتجميع ، يمكننا استخدام البيانات المحسوسة للتصدي تلقائيًا للتغيير في حركة المقبض مع الماكينات. علاوة على ذلك ، باستخدام عصا التحكم Arduino ، يمكننا التحكم يدويًا في محورين للدوران ، محرك واحد لكل محور.

في الشكل 1 ، يمكنك أن ترى أن لفة المحرك تتعارض مع الأسطوانة. نظرًا لتحريك المقبض في اتجاه الأسطوانة ، فإن محرك سيرفو الأسطوانة سوف يدور في اتجاه مساوٍ ولكن معاكس.

في الشكل 2 ، يمكنك أن ترى أن زاوية الميل يتم التحكم فيها بواسطة محرك مؤازر منفصل يعمل بطريقة مشابهة لمحرك سيرفو الأسطوانة.

تعد المحركات المؤازرة خيارًا جيدًا لهذا المشروع لأنها تجمع بين المحرك ومستشعر الموضع ووحدة التحكم الدقيقة المدمجة وجسر H الذي يسمح لنا بالتحكم يدويًا وتلقائيًا في موضع المحرك من خلال Arduino. دعا التصميم الأولي لمحرك مؤازر واحد فقط ، ولكن بعد بعض المداولات ، قررنا استخدام محركين. تمت إضافة المكونات الإضافية لشاشة Arduino LCD و جويستيك. الغرض من شاشة LCD هو عرض الحالة التي يوجد بها المثبت حاليًا والزاوية الحالية لكل مؤازر أثناء التحكم اليدوي.

لإنشاء غلاف يستوعب جميع المكونات الكهربائية ، استخدمنا التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) وسنستخدم طابعة ثلاثية الأبعاد. للاحتفاظ بالمكونات الكهربائية ، قمنا بتصميم جسم يعمل أيضًا كمقبض. هذا هو المكان الذي سيتم فيه تركيب مستشعر IMU وعصا التحكم. للتحكم في المحور المزدوج ، قمنا بتصميم حوامل للمحركات.

الخطوة 3: مخطط الدولة / المنطق

يتكون الرمز من ثلاث حالات ، سيتم الإشارة إلى كل منها على شاشة LCD. عندما يتلقى Arduino الطاقة ، ستطبع شاشة LCD رسالة "Initializing…" ويبدأ اتصال I2C مع MPU-6050. يتم تسجيل البيانات الأولية من MPU-6050 للعثور على المتوسط. بعد ذلك ، سيدخل Arduino في وضع التحكم اليدوي. هنا ، يمكن ضبط كلا محركي المؤازرة يدويًا باستخدام عصا التحكم. إذا تم الضغط على زر عصا التحكم ، فسوف يدخل بعد ذلك في حالة "المستوى التلقائي" وستحافظ منصة التثبيت على المستوى فيما يتعلق بالأرض. سيتم إبطال أي حركة في اتجاه الدوران أو الميل بواسطة محركات المؤازرة ، وبالتالي الحفاظ على مستوى المنصة. بضغطة أخرى على زر عصا التحكم ، سيدخل Arduino في "Do Nothing State" حيث سيتم قفل محركات المؤازرة. بهذا الترتيب ، ستستمر الحالات في التغيير مع كل ضغطة على زر عصا التحكم.

الخطوة 4: مخطط الدائرة

توضح الصورة أعلاه مخطط دائرة مشروعنا في وضع إيقاف التشغيل. يوفر Arduino Microcontroller الاتصالات اللازمة لتشغيل MPU-6050 IMU و Joystick وشاشة LCD. ترتبط خلايا LiPo مباشرة بالمبدل وتزود الطاقة لكل من Arduino Microcontroller بالإضافة إلى كلا المحركات المؤازرة. أثناء وضع التشغيل هذا ، يتم توصيل البطاريات بالتوازي مع استخدام مفتاح رمي مزدوج ثلاثي النقاط (3PDT). يسمح لنا المفتاح بفصل الحمل ، مع توصيل الشاحن في نفس الوقت وتبديل الخلايا من سلسلة إلى تكوين متوازي. يتيح هذا أيضًا شحن البطارية في وقت واحد.

عندما يتم قلب المفتاح إلى وضع التشغيل ، ستوفر خليتان بقوة 3.7 فولت الطاقة لـ Arduino و Servo Motors. أثناء وضع التشغيل هذا ، يتم توصيل البطاريات بالتسلسل باستخدام مفتاح رمي مزدوج ثلاثي النقاط (3PDT). هذا يسمح لنا بالحصول على 7.4 فولت من مصدر الطاقة لدينا. تستخدم كل من شاشة LCD ومستشعر IMU اتصال I2C. يستخدم SDA لنقل البيانات ، بينما SCL هو خط الساعة المستخدم لمزامنة عمليات نقل البيانات. تحتوي محركات المؤازرة على ثلاثة خيوط لكل منها: الطاقة والأرض والبيانات. يتواصل Arduino مع الماكينات من خلال المسامير 3 و 5 ؛ تستخدم هذه المسامير Pulse Width Modulation (PWM) لنقل البيانات بتحولات أكثر سلاسة.

* دائرة شحن البطارية من Adafruit.com

الخطوة 5: البناء

إن التصميم الأساسي لحامل الكاميرا بسيط للغاية ، حيث إنه في الأساس مجرد مقبض وحمل للكاميرا. يتكون gimbal من محركين مؤازرين لمواجهة أي حركة في اتجاهات الدوران والميل. يتطلب استخدام Arduino Uno مساحة كبيرة ، لذلك أضفنا أيضًا مبيتًا في الجزء السفلي من المقبض لاحتواء جميع المكونات الكهربائية. ستتم طباعة جميع حوامل الهيكل والمقبض والمحرك المؤازر ثلاثية الأبعاد ، مما يسمح لنا بتقليل التكلفة والحجم الكلي ، حيث يمكننا التحكم الكامل في التصميم. هناك عدة طرق يمكن للمرء أن يصمم بها gimbal ، ولكن العامل الأكبر الذي يجب مراعاته هو تجنب دوران محرك مؤازر إلى آخر. في النموذج الأولي ، يتم توصيل أحد المحركات المؤازرة بشكل أساسي بالآخر. عندما نتمكن من الوصول إلى الطابعات ثلاثية الأبعاد مرة أخرى ، سنقوم بطباعة ثلاثية الأبعاد للذراع والمنصة الموضحة أعلاه.

* تصميمات الذراع والمنصة مأخوذة من

الخطوة 6: النتائج العامة والتحسينات المحتملة

كان البحث الأولي الذي أجريناه على الكاميرا محوريًا مخيفًا للغاية. بينما كان هناك عدد كبير من المصادر والمعلومات حول هذا الموضوع ، فقد بدا إلى حد كبير وكأنه مشروع سيكون خارج دوريتنا. بدأنا ببطء ، وأجرينا أكبر قدر ممكن من الأبحاث ، لكننا لم نستوعب سوى القليل. كل أسبوع كنا نلتقي ونتعاون. أثناء عملنا ، اكتسبنا المزيد والمزيد من الزخم وأصبحنا في النهاية أقل خوفًا وأكثر حماسة بشأن المشروع. بينما أضفنا عصا تحكم إضافية وشاشة LCD ، لا يزال هناك الكثير الذي يمكننا إضافته إلى المشروع. هناك أيضًا بعض التحسينات التي يمكن إضافتها ، مثل القيود المفروضة على التحكم اليدوي والتي من شأنها منع المستخدم من تدوير محرك مؤازر إلى الآخر. هذه مشكلة صغيرة ويمكن أيضًا إصلاحها بتصميم تركيب مختلف. ناقشنا أيضًا إمكانيات إضافة ميزة عموم. سيسمح ذلك للمستخدم باستخدام محركات المؤازرة للتنقل فوق منطقة في وقت محدد.

كفريق ، عملنا جميعًا معًا بشكل جيد جدًا. على الرغم من الظروف ، وفقط القدرة على الاجتماع فعليًا ، فقد حققنا أقصى استفادة منه وظلنا على اتصال متكرر. تم إعطاء جميع الأجزاء والمكونات لشخص واحد ، مما جعل الأمر أكثر صعوبة على بقية المجموعة للمساعدة في استكشاف أي مشاكل ظهرت وإصلاحها. كنا قادرين على حل المشكلات التي نشأت ، ولكن لو كان لدينا جميعًا نفس المواد ، لكان من السهل جدًا تقديم المساعدة. بشكل عام ، كانت أكبر مساهمة في إكمال مشروعنا هي قدرة كل عضو على التوفر والاستعداد للالتقاء والدردشة حول المشروع.