Protótipo de estabilizador de câmera (2DOF): 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Autores:

Roberto de Mello e Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Reconhecimentos:

Um grande obrigado à Academia Marítima da California State University, seu programa de Tecnologia de Engenharia e ao Dr. Chang-Siu por nos ajudar a ter sucesso com nosso projeto em tempos tão complicados.

Introdução:

Um dispositivo estabilizador de câmera, ou gimbal de câmera, é uma montagem que evita a vibração da câmera e outros movimentos indesejados. Um dos primeiros estabilizadores inventados usava amortecedores / molas para amortecer mudanças repentinas no movimento da câmera. Outros tipos de estabilizadores usam giroscópios ou fulcros para realizar essa mesma tarefa. Esses dispositivos estabilizam movimentos indesejados em até três eixos ou dimensões diferentes. Isso inclui os eixos x, y e z. Isso significa que um estabilizador pode amortecer os movimentos em três direções diferentes: roll, pitch e yaw. Isso geralmente é realizado usando 3 motores controlados com um sistema de controle eletrônico, cada um contrariando um eixo diferente.

Estávamos excepcionalmente interessados neste projeto por vários motivos. Todos nós gostamos de várias atividades ao ar livre, como snowboard e outros esportes. Obter imagens de alta qualidade dessas atividades é difícil devido à quantidade de movimento necessária. Alguns de nós temos um estabilizador de câmera real comprado na loja e, por isso, queríamos investigar o que é necessário para criar algo assim. Em nosso laboratório e aulas teóricas, aprendemos como interagir com servo motores usando Arduino, a codificação necessária para fazê-los funcionar e a teoria por trás dos circuitos eletrônicos para nos ajudar a projetar os circuitos.

* NOTA: Devido ao COVID-19, não foi possível concluir este projeto em sua totalidade. Este instrutível é um guia para os circuitos e código necessários para o protótipo do estabilizador. Pretendemos concluir o projeto sempre que as aulas voltarem e tivermos acesso às impressoras 3D novamente. A versão completa terá um circuito de bateria e uma caixa impressa em 3D com braços estabilizadores (mostrado abaixo). Além disso, observe que desligar os servo motores da fonte de alimentação do Arduino 5v geralmente é uma prática ruim. Estamos simplesmente fazendo isso para permitir o teste do protótipo. Uma fonte de alimentação separada será incluída no projeto final e é mostrada no diagrama de circuito abaixo.

Suprimentos

- Microcontrolador Arduino UNO

-Breadboard

- Kit de Jumper de Fio

-MPU6050 Unidade de medição inercial

-MG995 Servo Motor (x2)

Módulo -LCD1602

- Módulo Joystick

Etapa 1: Visão geral do projeto

Acima está um vídeo do nosso projeto e também mostra uma demonstração de trabalho.

Etapa 2: Teoria e Operação

Para a estabilização de nossa câmera, usamos dois servo motores para estabilizar o eixo de inclinação e rotação. Uma unidade de medição inercial (IMU) detecta aceleração, aceleração angular e força magnética que podemos usar para determinar o ângulo da câmera. Com uma IMU anexada à montagem, podemos usar os dados detectados para neutralizar automaticamente a mudança no movimento da alça com os servos. Além disso, com um Joystick Arduino, podemos controlar manualmente dois eixos de rotação, um motor para cada eixo.

Na Figura 1 você pode ver que o rolo é neutralizado pelo servo motor do rolo. Conforme a alça é movida na direção do rolo, o servo motor do rolo irá girar em uma direção igual, mas oposta.

Na Figura 2 você pode ver que o ângulo de inclinação é controlado por um servo motor separado que atua de maneira semelhante ao servo motor de rolo.

Servo motores são uma boa escolha para este projeto porque combina o motor, um sensor de posição, um pequeno microcontrolador embutido e uma ponte H que nos permite controlar manual e automaticamente a posição do motor através do Arduino. O projeto inicial exigia apenas um servo motor, mas após alguma deliberação, decidimos usar dois. Os componentes adicionais adicionados foram uma tela LCD do Arduino e um joystick. O objetivo da tela LCD é exibir em que estado o estabilizador está atualmente e o ângulo atual de cada servo durante o controle manual.

Para criar a caixa para conter todos os componentes elétricos, usamos o Computer-Aided Design (CAD) e usaremos uma impressora 3D. Para segurar os componentes elétricos, projetamos um corpo que também funcionará como uma alça. É aqui que o sensor IMU e o joystick serão montados. Para controle de eixo duplo, projetamos montagens para os motores.

Etapa 3: Diagrama de estado / lógica

O código consiste em três estados, cada um dos quais será indicado na tela LCD. Quando o Arduino receber energia, a tela LCD imprimirá "Inicializando …" e a comunicação I2C será iniciada com o MPU-6050. Os dados iniciais do MPU-6050 são registrados para encontrar a média. Depois, o Arduino entrará no modo de controle manual. Aqui, ambos os servo motores podem ser ajustados manualmente com o joystick. Se o botão do joystick for pressionado, ele entrará no estado “Nível automático” e a plataforma de estabilização manterá o nível em relação à Terra. Qualquer movimento na direção do roll ou pitch será neutralizado pelos servo motores, mantendo assim o nível da plataforma. Pressionando novamente o botão do joystick, o Arduino entrará em um “estado de não fazer nada”, onde os servomotores serão travados. Nessa ordem, os estados continuarão a mudar a cada vez que o botão do joystick for pressionado.

Etapa 4: Diagrama de Circuito

A imagem acima ilustra nosso diagrama de circuito do projeto no modo OFF. O microcontrolador Arduino fornece as conexões necessárias para executar o MPU-6050 IMU, Joystick e o display LCD. As células LiPo são conectadas diretamente ao trocador e fornecem energia tanto para o microcontrolador Arduino quanto para ambos os servo motores. Durante este modo de operação, as baterias são conectadas em paralelo com o uso de um interruptor de 3 pontos duplo (3PDT). A chave nos permite desconectar a carga, ao mesmo tempo em que conectamos o carregador e alternamos as células de uma configuração em série para uma configuração paralela. Isso também permite que a bateria seja carregada simultaneamente.

Quando a chave é colocada no modo ON, duas células de 3,7 V fornecerão energia para o Arduino e os servo motores. Durante este modo de operação, as baterias são conectadas em série com o uso de um interruptor de 3 pontos duplo (3PDT). Isso nos permite obter 7,4 V de nossa fonte de alimentação. Tanto a tela LCD quanto o sensor IMU usam comunicação I2C. SDA é usado para transmitir os dados, enquanto SCL é a linha do relógio usada para sincronizar as transferências de dados. Os servo motores têm três terminais cada: alimentação, aterramento e dados. O Arduino se comunica com os servos por meio dos pinos 3 e 5; esses pinos usam modulação por largura de pulso (PWM) para transmitir os dados com transições mais suaves.

* O circuito de carregamento da bateria é de Adafruit.com

Etapa 5: construção

O design básico de um gimbal de câmera é bastante simples, pois é essencialmente apenas uma alça e um suporte para uma câmera. O gimbal consiste em dois servos motores para neutralizar qualquer movimento nas direções de rotação e inclinação. Usar um Arduino Uno requer uma quantidade significativa de espaço, então também adicionamos uma caixa na parte inferior da alça para conter todos os componentes elétricos. A carcaça, a alça e os suportes do servo motor serão todos impressos em 3D, o que nos permite minimizar o custo e o tamanho geral, pois podemos ter total controle sobre o design. Existem várias maneiras de projetar o gimbal, mas o maior fator a se considerar é evitar que um servo motor gire em outro. No protótipo, um servo motor está essencialmente ligado ao outro. Quando tivermos acesso às impressoras 3D novamente, imprimiremos em 3D o braço e a plataforma mostrados acima.

* Os designs para o braço e plataforma são de

Etapa 6: descobertas gerais e melhorias potenciais

A pesquisa inicial que fizemos em gimbals de câmera foi muito intimidante. Embora houvesse uma infinidade de fontes e informações sobre o assunto, parecia um projeto fora do nosso alcance. Começamos devagar, fazendo o máximo de pesquisa que podíamos, mas absorvendo pouca coisa. Todas as semanas nos encontrávamos e colaborávamos. À medida que trabalhávamos, ganhamos mais e mais impulso e, por fim, ficamos menos temerosos e mais animados com o projeto. Embora tenhamos adicionado um joystick e uma tela LCD adicionais, ainda há muito mais que poderíamos adicionar ao projeto. Existem também algumas melhorias que podem ser adicionadas, como restrições ao controle manual que impediria o usuário de girar um servo motor no outro. Este é um pequeno problema e também pode ser corrigido com um design de montagem diferente. Também discutimos as possibilidades de adicionar um recurso de panela. Isso permitiria ao usuário usar os servo motores para percorrer uma área em um tempo especificado.

Como equipe, todos trabalhamos muito bem juntos. Apesar das circunstâncias, e apenas da capacidade de nos reunirmos virtualmente, tiramos o melhor proveito disso e mantivemos uma comunicação frequente. Todas as peças e componentes foram entregues a uma pessoa e isso tornou um pouco mais difícil para o resto do grupo ajudar a solucionar quaisquer problemas que surgissem. Conseguimos resolver os problemas que surgiram, mas se todos tivéssemos os mesmos materiais, seria um pouco mais fácil ajudar. No geral, a maior contribuição para a conclusão do nosso projeto foi a capacidade de cada membro ter disponibilidade e vontade de se encontrar e conversar sobre o projeto.