Estabilizador de cámara prototipo (2DOF): 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Autores:

Robert de Mello e Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Agradecimientos:

Un gran agradecimiento a la Academia Marítima de la Universidad Estatal de California, su programa de Tecnología de Ingeniería y al Dr. Chang-Siu por ayudarnos a tener éxito con nuestro proyecto en tiempos tan complicados.

Introducción:

Un dispositivo estabilizador de cámara, o cardán de cámara, es un soporte que evita el movimiento de la cámara y otros movimientos injustificados. Uno de los primeros estabilizadores que se inventó utilizó amortiguadores / resortes para amortiguar los cambios repentinos en el movimiento de la cámara. Otros tipos de estabilizadores utilizan giroscopios o puntos de apoyo para realizar esta misma tarea. Estos dispositivos estabilizan movimientos no deseados en hasta tres ejes o dimensiones diferentes. Estos incluyen los ejes x, y y z. Esto significa que un estabilizador puede amortiguar los movimientos en tres direcciones diferentes: balanceo, cabeceo y guiñada. Esto generalmente se logra usando 3 motores controlados con un sistema de control electrónico, cada uno de los cuales contrarresta un eje diferente.

Estábamos excepcionalmente interesados en este proyecto por varias razones. Todos disfrutamos de diversas actividades al aire libre como el snowboard y otros deportes. Obtener imágenes de alta calidad de estas actividades es difícil debido a la cantidad de movimiento requerido. Algunos de nosotros poseemos un estabilizador de cámara real comprado en la tienda, por lo que queríamos investigar qué se necesita para crear algo así. En nuestras clases de laboratorio y conferencias, hemos aprendido cómo interactuar con los servomotores usando Arduino, la codificación necesaria para que funcionen y la teoría detrás de los circuitos electrónicos para ayudarnos a diseñar los circuitos.

* NOTA: Debido a COVID-19, no pudimos completar este proyecto en su totalidad. Este instructivo es una guía para los circuitos y el código requeridos para el prototipo del estabilizador. Tenemos la intención de completar el proyecto cada vez que se reanude la escuela y tengamos acceso a impresoras 3D nuevamente. La versión completa tendrá un circuito de batería y una carcasa impresa en 3D con brazos estabilizadores (que se muestra a continuación). Además, tenga en cuenta que apagar los servomotores de la fuente de alimentación Arduino 5v es generalmente una mala práctica. Simplemente estamos haciendo esto para permitir la prueba del prototipo. Se incluirá una fuente de alimentación separada en el proyecto final y se muestra en el diagrama de circuito a continuación.

Suministros

-Microcontrolador Arduino UNO

-Tablero de circuitos

-Kit de puente de cables

-MPU6050 Unidad de medida inercial

-MG995 Servomotor (x2)

-Módulo LCD1602

-Módulo Joystick

Paso 1: descripción general del proyecto

Arriba hay un video de nuestro proyecto y también muestra una demostración de trabajo.

Paso 2: teoría y operación

Para la estabilización de nuestra cámara, utilizamos dos servomotores para estabilizar el eje de cabeceo y balanceo. Una unidad de medición inercial (IMU) detecta la aceleración, la aceleración angular y la fuerza magnética que podemos usar para determinar el ángulo de la cámara. Con una IMU adjunta al ensamblaje, podemos usar los datos detectados para contrarrestar automáticamente el cambio en el movimiento del mango con los servos. Además, con un Joystick Arduino, podemos controlar manualmente dos ejes de rotación, un motor para cada eje.

En la Figura 1 puede ver que el rollo es contrarrestado por el servomotor de rollo. A medida que la manija se mueve en la dirección del rollo, el servomotor del rollo girará en una dirección igual pero opuesta.

En la Figura 2, puede ver que el ángulo de inclinación está controlado por un servomotor separado que actúa de manera similar al servomotor de balanceo.

Los servomotores son una buena opción para este proyecto porque combina el motor, un sensor de posición, un pequeño microcontrolador incorporado y un puente en H que nos permite controlar manual y automáticamente la posición del motor a través del Arduino. El diseño inicial requería solo un servomotor, pero después de algunas deliberaciones, decidimos usar dos. Los componentes adicionales agregados fueron una pantalla LCD Arduino y un joystick. El propósito de la pantalla LCD es mostrar en qué estado se encuentra actualmente el estabilizador y el ángulo actual de cada servo mientras está en control manual.

Para crear la carcasa para contener todos los componentes eléctricos, hemos utilizado el Diseño Asistido por Computadora (CAD) y usaremos una impresora 3D. Para sujetar los componentes eléctricos, hemos diseñado un cuerpo que también actuará como asa. Aquí es donde se montarán el sensor IMU y el joystick. Para el control de doble eje, diseñamos soportes para los motores.

Paso 3: diagrama de estado / lógica

El código consta de tres estados, cada uno de los cuales se indicará en la pantalla LCD. Cuando el Arduino recibe energía, la pantalla LCD imprimirá "Inicializando …" y se iniciará la comunicación I2C con el MPU-6050. Los datos iniciales del MPU-6050 se registran para encontrar el promedio. Luego, el Arduino ingresará al modo de control manual. Aquí, ambos servomotores se pueden ajustar manualmente con el joystick. Si se presiona el botón del joystick, entrará en el estado de “Auto Level” y la plataforma estabilizadora se mantendrá nivelada con respecto a la Tierra. Cualquier movimiento en la dirección de balanceo o cabeceo será contrarrestado por los servomotores, manteniendo así la plataforma nivelada. Con otra pulsación del botón del joystick, el Arduino entrará en un "Estado de no hacer nada" donde los servomotores se bloquearán. En ese orden, los estados seguirán cambiando con cada pulsación del botón del joystick.

Paso 4: diagrama de circuito

La imagen de arriba ilustra nuestro diagrama de circuito de proyecto en el modo APAGADO. El microcontrolador Arduino proporciona las conexiones necesarias para ejecutar la IMU MPU-6050, el joystick y la pantalla LCD. Las celdas LiPo están conectadas directamente al cambiador y suministran energía tanto al microcontrolador Arduino como a ambos servomotores. Durante este modo de funcionamiento, las baterías se conectan en paralelo con el uso de un interruptor de doble tiro de 3 puntos (3PDT). El interruptor nos permite desconectar la carga, al mismo tiempo que conectamos el cargador y cambiamos las celdas de una configuración en serie a una en paralelo. Esto también permite que la batería se cargue simultáneamente.

Cuando el interruptor se coloca en el modo ENCENDIDO, dos celdas de 3.7v proporcionarán energía a los motores Arduino y Servo. Durante este modo de funcionamiento, las baterías se conectan en serie con el uso de un interruptor de doble tiro de 3 puntos (3PDT). Esto nos permite obtener 7.4v de nuestra fuente de energía. Tanto la pantalla LCD como el sensor IMU utilizan comunicación I2C. SDA se usa para transmitir los datos, mientras que SCL es la línea de reloj que se usa para sincronizar las transferencias de datos. Los servomotores tienen tres cables cada uno: potencia, tierra y datos. El Arduino se comunica con los servos a través de los pines 3 y 5; Estos pines utilizan Modulación de ancho de pulso (PWM) para transmitir los datos con transiciones más suaves.

* El circuito de carga de la batería es de Adafruit.com

Paso 5: Construcción

El diseño básico de un cardán de cámara es bastante simple, ya que esencialmente es solo un mango y un soporte para una cámara. El cardán consta de dos servomotores para contrarrestar cualquier movimiento en las direcciones de balanceo y cabeceo. El uso de un Arduino Uno requiere una cantidad significativa de espacio, por lo que también agregamos una carcasa en la parte inferior del mango para contener todos los componentes eléctricos. La carcasa, el mango y los soportes del servomotor se imprimirán en 3D, lo que nos permitirá minimizar el costo y el tamaño total, ya que podemos tener un control total sobre el diseño. Hay varias formas en que se puede diseñar el cardán, pero el factor más importante a considerar es evitar que un servomotor gire hacia otro. En el prototipo, un servomotor está esencialmente unido al otro. Cuando tengamos acceso a las impresoras 3D nuevamente, imprimiremos en 3D el brazo y la plataforma que se muestran arriba.

* Los diseños del brazo y la plataforma son de

Paso 6: Hallazgos generales y posibles mejoras

La investigación inicial que hicimos con los cardanes de cámara fue muy intimidante. Si bien había una gran cantidad de fuentes e información sobre el tema, parecía un proyecto que estaría fuera de nuestra liga. Comenzamos lentamente, investigando tanto como pudimos, pero absorbiendo poco. Cada semana nos reuníamos y colaboramos. A medida que trabajábamos, ganamos más y más impulso y, en última instancia, nos volvimos menos temerosos y más entusiasmados con el proyecto. Si bien agregamos un joystick y una pantalla LCD adicionales, todavía hay mucho más que podríamos agregar al proyecto. También hay algunas mejoras que podrían agregarse, como restricciones al control manual que evitarían que el usuario gire un servomotor hacia el otro. Este es un pequeño problema y también podría solucionarse con un diseño de montaje diferente. También discutimos las posibilidades de agregar una función de bandeja. Esto permitiría al usuario usar los servomotores para desplazarse por un área en un tiempo específico.

Como equipo, todos trabajamos juntos muy bien. A pesar de las circunstancias, y solo de la capacidad de reunirnos virtualmente, hicimos lo mejor y nos mantuvimos en comunicación frecuente. Todas las piezas y componentes se entregaron a una persona y esto hizo que fuera un poco más difícil para el resto del grupo ayudar a solucionar cualquier problema que surgiera. Pudimos resolver los problemas que surgieron, pero si todos hubiéramos tenido los mismos materiales, habría sido un poco más fácil ayudar. En general, la mayor contribución para completar nuestro proyecto fue la capacidad de cada miembro de tener disponibilidad y voluntad para reunirse y charlar sobre el proyecto.