Roll and Pitch Axis Gimbal cho GoPro sử dụng Arduino - Servo và MPU6050 Gyro: 4 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Tài liệu hướng dẫn này được tạo ra để đáp ứng yêu cầu dự án của Makecourse tại Đại học Nam Florida (www.makecourse.com)

Mục tiêu của dự án này là xây dựng Gimbal 3 trục cho GoPro bằng cách sử dụng Arduino nano + 3 động cơ servo + con quay hồi chuyển / gia tốc kế MPU6050. Trong dự án này, tôi đã điều khiển 2 trục (Roll và yaw) bằng cách sử dụng con quay hồi chuyển / gia tốc kế MPU6050, trục thứ ba (yaw) được điều khiển từ xa và thủ công nhờ sự trợ giúp của ứng dụng HC-05 và Arduino BlueControl trong Android App Store.

Công việc này cũng bao gồm tất cả các tệp thiết kế 3D của các thành phần cơ khí của Gimbal. Tôi đã chia sẻ các tệp.stl để dễ dàng in 3D và các tệp thiết kế 3D ở dưới cùng.

Khi bắt đầu dự án, kế hoạch của tôi là chế tạo gimbal 3 trục với 3 động cơ không chổi than, vì động cơ không chổi than hoạt động trơn tru và nhạy hơn so với động cơ servo. Động cơ không chổi than được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao, vì vậy chúng ta có thể điều chỉnh tốc độ mua động cơ ESC (bộ điều khiển). Nhưng để có thể sử dụng động cơ không chổi than trong dự án Gimbal, tôi nhận ra rằng tôi phải lái động cơ không chổi than như một servo. Trong động cơ servo, vị trí của động cơ đã được biết trước. Nhưng trong động cơ không chổi than, chúng tôi không biết vị trí của động cơ, vì vậy đó là một nhược điểm của động cơ không chổi than mà tôi không thể tìm ra cách điều khiển nó. Cuối cùng, tôi quyết định sử dụng 3 động cơ servo MG995 cho dự án Gimbal yêu cầu mô-men xoắn cao. Tôi đã điều khiển 2 động cơ servo cho trục cuộn và trục cao độ bằng cách sử dụng con quay hồi chuyển MPU6050 và tôi đã điều khiển động cơ servo trục yaw bằng cách sử dụng HC-05 bluetooth và ứng dụng Android.

Bước 1: Các thành phần

Các thành phần mà tôi đã sử dụng trong dự án này;

1- Arduino Nano (1 đơn vị) (Micro usb)

2- Động cơ Servo MG995 (3 chiếc)

3- Máy đo gia tốc / con quay hồi chuyển 3 trục GY-521 MPU6050 (1 chiếc)

4- Mô-đun Bluetooth HC-05 (Để điều khiển trục yaw (Servo3) từ xa)

4 - 5V micro usb sạc di động

Bước 2: Triển khai 3 Động cơ Servo + MPU6050 Gyro + HC-05

Hệ thống dây Servo

Servo1 (Roll), Servo2 (Pitch), Servo3 (Yaw)

Động cơ servo có 3 dây: VCC (đỏ), GND (nâu hoặc đen), PWM (vàng).

D3 => Servo1 PWM (dây màu vàng)

D4 => Servo2 PWM (dây màu vàng)

D5 => Servo3 PWM (dây màu vàng)

PIN 5V của Arduino => VCC (màu đỏ) của 3 động cơ servo.

GND PIN của Arduino => GND (nâu hoặc đen) của 3 động cơ servo

Hệ thống dây con quay hồi chuyển MPU6050

A4 => SDA

A5 => SCL

3.3 V PIN của Arduino => VCC của MPU6050

GND PIN của Arduino => GND của MPU6050

HC-05 kết nối Bluetooth

D9 => TX

D10 => RX

3.3 V PIN của Arduino => VCC của HC-05 Bluetooth

GND PIN của Arduino => GND của HC-05 Bluetooth

Bước 3: Thiết kế 3D và Chức năng

Tôi đã hoàn thành thiết kế 3D của Gimbal bằng cách tham khảo các Gimbal khác được bán trên thị trường. Có ba thành phần chính quay với động cơ servo. Tôi đã thiết kế một ngàm GoPro phù hợp với kích thước của nó.

Tệp.step của tất cả thiết kế 3D được chia sẻ ở dưới cùng để cho phép chỉnh sửa dễ dàng hơn.

Bước 4: Cơ chế kiểm soát

Thuật toán chính của dự án Gimbal của tôi sử dụng phép quay Quaternion thay thế cho góc Euler. Tôi đã sử dụng thư viện helper_3dmath.h làm tham chiếu để cho phép chuyển động trơn tru bằng cách sử dụng thuật toán Quaternion. Mặc dù phản hồi trục cao độ mượt mà, trục cuộn có độ trễ để đáp ứng chuyển động của thanh. Bằng cách sử dụng thuật toán Quaternion, tôi đã có thể điều khiển động cơ servo Roll và Pitch. Nếu bạn muốn sử dụng trục yaw, bạn có thể cần sử dụng MPU6050 thứ hai chỉ để điều khiển trục yaw. Là một giải pháp thay thế, tôi đã định cấu hình HC-05 và điều khiển trục yaw từ xa bằng ứng dụng Android bằng cách sử dụng các nút. Trong mỗi lần nhấn để nhấn nút, servo trục yaw sẽ quay 10 độ.

Trong dự án này, các thư viện mà tôi phải nhập từ bên ngoài như sau;

1- I2Cdev.h // Được sử dụng với wire.h để kích hoạt giao tiếp với MPU6050

2- "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h" // Thư viện con quay hồi chuyển

3- // Nó cho phép chuyển đổi các chân kỹ thuật số thành các chân RX và TX (Cần có mô-đun bluetooth HC-05)

4-

5- // Nó cho phép giao tiếp với các thiết bị I2C sử dụng hai chân dữ liệu (SDA và SCL) => MPU6050

Mã chính được tạo bởi Jeff Rowberg và tôi đã sửa đổi nó theo chức năng dự án của mình và nhận xét tất cả các chức năng trong tệp ino.