Bộ ổn định máy ảnh nguyên mẫu (2DOF): 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Các tác giả:

Robert de Mello e Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Sự nhìn nhận:

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Học viện Hàng hải Đại học Bang California, chương trình Công nghệ Kỹ thuật và Tiến sĩ Chang-Siu đã giúp chúng tôi thành công với dự án của mình trong thời điểm phức tạp như vậy.

Giới thiệu:

Thiết bị ổn định máy ảnh, hoặc gimbal máy ảnh, là một ngàm giúp chống rung máy và các chuyển động không chính đáng khác. Một trong những bộ ổn định đầu tiên từng được phát minh ra là bộ giảm xóc / lò xo được sử dụng để làm giảm sự thay đổi đột ngột trong chuyển động của máy ảnh. Các loại bộ ổn định khác sử dụng con quay hồi chuyển hoặc điểm tựa để thực hiện nhiệm vụ tương tự. Các thiết bị này ổn định các chuyển động không mong muốn theo tối đa ba trục hoặc kích thước khác nhau. Chúng bao gồm trục x, y và z. Điều này có nghĩa là bộ ổn định có thể làm giảm chuyển động theo ba hướng khác nhau: lăn, cao độ và ngáp. Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng 3 động cơ được điều khiển bằng hệ thống điều khiển điện tử, mỗi động cơ chống lại một trục khác nhau.

Chúng tôi đặc biệt quan tâm đến dự án này vì một số lý do. Tất cả chúng tôi đều thích các hoạt động ngoài trời khác nhau như trượt tuyết và các môn thể thao khác. Khó có được cảnh quay chất lượng cao về những hoạt động này do số lượng chuyển động cần thiết. Một vài người trong chúng tôi sở hữu một bộ ổn định máy ảnh thực sự mua từ cửa hàng và vì vậy, chúng tôi muốn tìm hiểu xem cần những gì để tạo ra một thứ như vậy. Trong phòng thí nghiệm và các lớp giảng của chúng tôi, chúng tôi đã học về cách tương tác với động cơ servo bằng Arduino, mã hóa cần thiết để làm cho chúng hoạt động và lý thuyết đằng sau mạch điện tử để giúp chúng tôi thiết kế mạch.

* LƯU Ý: Do COVID-19, chúng tôi không thể hoàn thành toàn bộ dự án này. Hướng dẫn này là hướng dẫn cho mạch và mã cần thiết cho nguyên mẫu của bộ ổn định. Chúng tôi dự định sẽ hoàn thành dự án bất cứ khi nào trường học hoạt động trở lại và chúng tôi có quyền truy cập lại vào máy in 3D. Phiên bản hoàn thiện sẽ có mạch pin và vỏ được in 3D với các cánh tay ổn định (hình dưới đây). Ngoài ra, xin lưu ý rằng việc tắt nguồn động cơ Servo của nguồn điện 5v Arduino nói chung là thực tế không tốt. Chúng tôi chỉ đơn giản làm điều này để cho phép thử nghiệm nguyên mẫu. Một nguồn cung cấp điện riêng biệt sẽ được đưa vào dự án cuối cùng và được thể hiện trong sơ đồ mạch bên dưới.

Quân nhu

-Arduino UNO Vi điều khiển

-Breadboard

-Bộ dây nhảy

-MPU6050 Đơn vị đo lường quán tính

-MG995 Servo Motor (x2)

-LCD1602 Mô-đun

-Mô-đun joystick

Bước 1: Tổng quan về dự án

Trên đây là video về dự án của chúng tôi và cũng cho thấy một minh chứng hoạt động.

Bước 2: Lý thuyết và vận hành

Để ổn định máy ảnh, chúng tôi đã sử dụng hai động cơ servo để ổn định cao độ và trục cuộn. Đơn vị đo lường quán tính (IMU) cảm nhận gia tốc, gia tốc góc và lực từ mà chúng ta có thể sử dụng để xác định góc của máy ảnh. Với một IMU được gắn vào cụm, chúng tôi có thể sử dụng dữ liệu cảm biến để tự động chống lại sự thay đổi trong chuyển động của tay cầm với servo. Hơn nữa, với Cần điều khiển Arduino, chúng ta có thể điều khiển thủ công hai trục quay, một động cơ cho mỗi trục.

Trong Hình 1, bạn có thể thấy cuộn được chống lại bởi động cơ servo cuộn. Khi tay cầm được di chuyển theo hướng cuộn, động cơ servo cuộn sẽ quay theo hướng bằng nhau nhưng ngược chiều.

Trong Hình 2, bạn có thể thấy góc nghiêng được điều khiển bởi một động cơ servo riêng biệt hoạt động theo cách tương tự như động cơ servo cuộn.

Động cơ servo là một lựa chọn tốt cho dự án này vì nó kết hợp động cơ, cảm biến vị trí, vi điều khiển tích hợp nhỏ và cầu H cho phép chúng tôi điều khiển vị trí động cơ bằng tay và tự động thông qua Arduino. Thiết kế ban đầu chỉ yêu cầu một động cơ servo, nhưng sau một số cân nhắc, chúng tôi quyết định sử dụng hai động cơ. Các thành phần bổ sung được thêm vào là màn hình LCD Arduino và Cần điều khiển. Mục đích của màn hình LCD là hiển thị trạng thái mà bộ ổn định hiện đang ở và góc hiện tại của mỗi servo khi điều khiển bằng tay.

Để tạo ra vỏ để chứa tất cả các thành phần điện, chúng tôi đã sử dụng Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) và sẽ sử dụng máy in 3D. Để giữ các thành phần điện, chúng tôi đã thiết kế một phần thân cũng sẽ hoạt động như một tay cầm. Đây là nơi gắn cảm biến IMU và cần điều khiển. Để điều khiển hai trục, chúng tôi đã thiết kế giá đỡ cho động cơ.

Bước 3: Sơ đồ trạng thái / logic

Mã bao gồm ba trạng thái, mỗi trạng thái sẽ được hiển thị trên màn hình LCD. Khi Arduino nhận được nguồn, màn hình LCD sẽ in “Đang khởi tạo…” và giao tiếp I2C được bắt đầu với MPU-6050. Dữ liệu ban đầu từ MPU-6050 được ghi lại để tìm mức trung bình. Sau đó, Arduino sẽ chuyển sang chế độ điều khiển thủ công. Ở đây, cả hai động cơ servo đều có thể được điều chỉnh bằng tay bằng cần điều khiển. Nếu nút cần điều khiển được nhấn, nút này sẽ chuyển sang trạng thái “Mức độ tự động” và nền tảng ổn định sẽ duy trì mức độ đối với Earth. Bất kỳ chuyển động nào theo hướng cuộn hoặc hướng mũi tên sẽ bị chống lại bởi động cơ servo, do đó giữ nguyên mức nền. Với một lần nhấn nút cần điều khiển khác, Arduino sẽ vào trạng thái “Không làm gì cả” nơi các động cơ servo sẽ bị khóa. Theo thứ tự đó, các trạng thái sẽ tiếp tục thay đổi với mỗi lần nhấn nút cần điều khiển.

Bước 4: Sơ đồ mạch

Hình ảnh trên minh họa sơ đồ mạch dự án của chúng tôi ở chế độ TẮT. Vi điều khiển Arduino cung cấp các kết nối cần thiết để chạy MPU-6050 IMU, Cần điều khiển và màn hình LCD. Các tế bào LiPo được kết nối trực tiếp với bộ đổi nguồn và cung cấp năng lượng cho cả Vi điều khiển Arduino cũng như cả hai động cơ servo. Trong chế độ hoạt động này, pin được kết nối song song với việc sử dụng công tắc ném đôi 3 điểm (3PDT). Công tắc cho phép chúng tôi ngắt kết nối tải, đồng thời kết nối bộ sạc và chuyển các tế bào từ cấu hình nối tiếp sang cấu hình song song. Điều này cũng cho phép sạc pin đồng thời.

Khi chuyển công tắc sang chế độ BẬT, hai tế bào 3.7v sẽ cung cấp điện cho Arduino và Servo Motors. Trong chế độ hoạt động này, pin được kết nối nối tiếp với việc sử dụng công tắc ném đôi 3 điểm (3PDT). Điều này cho phép chúng tôi nhận được 7.4v từ nguồn điện của chúng tôi. Cả Màn hình LCD và cảm biến IMU đều sử dụng giao tiếp I2C. SDA được sử dụng để truyền dữ liệu, trong khi SCL là dòng xung nhịp được sử dụng để đồng bộ hóa việc truyền dữ liệu. Mỗi động cơ servo có ba dây dẫn: nguồn, đất và dữ liệu. Arduino giao tiếp với các servos thông qua các chân 3 và 5; các chân này sử dụng Điều chế độ rộng xung (PWM) để truyền dữ liệu với quá trình chuyển đổi mượt mà hơn.

* Mạch sạc pin của Adafruit.com

Bước 5: Thi công

Thiết kế cơ bản của gimbal camera khá đơn giản, vì bản chất nó chỉ là một tay cầm và ngàm cho camera. Gimbal bao gồm hai động cơ servo để chống lại bất kỳ chuyển động nào theo hướng cuộn và cao độ. Sử dụng Arduino Uno đòi hỏi một lượng không gian đáng kể, vì vậy chúng tôi cũng đã thêm một vỏ ở dưới cùng của tay cầm để chứa tất cả các thành phần điện. Vỏ, tay cầm và giá gắn động cơ servo đều sẽ được in 3D, cho phép chúng tôi giảm thiểu chi phí và kích thước tổng thể, vì chúng tôi có thể toàn quyền kiểm soát thiết kế. Có một số cách người ta có thể thiết kế gimbal, nhưng yếu tố lớn nhất cần xem xét là tránh một động cơ servo quay sang một động cơ khác. Trong nguyên mẫu, một động cơ servo về cơ bản được gắn với động cơ kia. Khi chúng tôi có quyền truy cập lại vào máy in 3D, chúng tôi sẽ in 3D cánh tay và nền tảng được hiển thị ở trên.

* Các thiết kế cho cánh tay và nền tảng là từ

Bước 6: Phát hiện tổng thể và cải tiến tiềm năng

Nghiên cứu ban đầu mà chúng tôi thực hiện trên gimbal máy ảnh rất đáng sợ. Mặc dù có rất nhiều nguồn và thông tin về chủ đề này, nhưng có vẻ như đây là một dự án nằm ngoài tầm với của chúng tôi. Chúng tôi bắt đầu chậm rãi, nghiên cứu nhiều nhất có thể, nhưng thu được rất ít. Hàng tuần, chúng tôi sẽ gặp gỡ và cộng tác. Khi chúng tôi làm việc, chúng tôi ngày càng có nhiều động lực hơn và cuối cùng trở nên ít sợ hãi hơn và hào hứng hơn với dự án. Mặc dù chúng tôi đã thêm một cần điều khiển bổ sung và màn hình LCD, nhưng chúng tôi vẫn có thể thêm nhiều thứ khác vào dự án. Ngoài ra còn có một số cải tiến có thể được thêm vào, chẳng hạn như các hạn chế đối với điều khiển bằng tay sẽ ngăn người dùng xoay một động cơ servo sang động cơ kia. Đây là một vấn đề nhỏ và cũng có thể được khắc phục bằng một thiết kế lắp đặt khác. Chúng tôi cũng đã thảo luận về các khả năng thêm tính năng xoay. Điều này sẽ cho phép người dùng sử dụng động cơ servo để di chuyển trên một khu vực trong một thời gian nhất định.

Là một đội, tất cả chúng tôi đã làm việc cùng nhau rất tốt. Bất chấp hoàn cảnh, và chỉ có khả năng gặp gỡ ảo, chúng tôi đã tận dụng tối đa và giữ liên lạc thường xuyên. Tất cả các bộ phận và thành phần đều được giao cho một người và điều này khiến những người còn lại trong nhóm khó khăn hơn một chút để giúp khắc phục bất kỳ sự cố nào xảy ra. Chúng tôi đã có thể giải quyết các vấn đề nảy sinh, nhưng nếu tất cả chúng tôi đều có cùng tài liệu, thì việc trợ giúp sẽ dễ dàng hơn một chút. Nhìn chung, đóng góp lớn nhất trong việc hoàn thành dự án của chúng tôi là khả năng mọi thành viên luôn sẵn sàng và sẵn sàng gặp gỡ và trò chuyện về dự án.