Penstabil Kamera Prototipe (2DOF): 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Penulis:

Robert de Mello e Souza, Jacob Paxton, Moises Farias

Ucapan terima kasih:

Terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Akademi Maritim Universitas Negeri California, program Teknologi Rekayasanya, dan Dr. Chang-Siu yang telah membantu kami berhasil dengan proyek kami di masa yang begitu rumit.

Pengantar:

Perangkat penstabil kamera, atau gimbal kamera, adalah dudukan yang mencegah guncangan kamera dan gerakan tidak wajar lainnya. Salah satu stabilisator pertama yang pernah ditemukan menggunakan peredam kejut/pegas untuk meredam perubahan mendadak pada gerakan kamera. Jenis stabilisator lain menggunakan giroskop atau tumpuan untuk menyelesaikan tugas yang sama ini. Perangkat ini menstabilkan gerakan yang tidak diinginkan hingga tiga sumbu atau dimensi yang berbeda. Ini termasuk sumbu x, y, dan z. Ini berarti bahwa stabilizer dapat meredam gerakan dalam tiga arah yang berbeda: roll, pitch, dan yaw. Ini biasanya dicapai dengan menggunakan 3 motor yang dikendalikan dengan sistem kontrol elektronik yang masing-masing melawan sumbu yang berbeda.

Kami sangat tertarik dengan proyek ini karena beberapa alasan. Kita semua menikmati berbagai kegiatan di luar ruangan seperti snowboarding dan olahraga lainnya. Mendapatkan rekaman berkualitas tinggi dari aktivitas ini sulit karena jumlah gerakan yang diperlukan. Beberapa dari kami memiliki stabilizer kamera asli yang dibeli dari toko, jadi, kami ingin menyelidiki apa yang diperlukan untuk membuat sesuatu seperti itu. Di kelas lab dan kuliah kami, kami telah belajar tentang cara berinteraksi dengan motor servo menggunakan Arduino, pengkodean yang diperlukan untuk membuatnya bekerja, dan teori di balik sirkuit elektronik untuk membantu kami merancang sirkuit.

*CATATAN: Karena COVID-19, kami tidak dapat menyelesaikan proyek ini secara keseluruhan. Instruksi ini adalah panduan untuk sirkuit dan kode yang diperlukan untuk prototipe stabilizer. Kami bermaksud untuk menyelesaikan proyek kapan pun sekolah dilanjutkan dan kami memiliki akses ke printer 3D lagi. Versi lengkap akan memiliki sirkuit baterai dan rumah cetak 3D dengan lengan stabilizer (ditunjukkan di bawah). Juga, harap dicatat bahwa mematikan motor Servo dari catu daya Arduino 5v umumnya merupakan praktik yang buruk. Kami hanya melakukan ini untuk memungkinkan pengujian prototipe. Catu daya terpisah akan dimasukkan dalam proyek akhir dan ditunjukkan dalam diagram rangkaian di bawah ini.

Perlengkapan

-Mikrokontroler Arduino UNO

-Papan tempat memotong roti

-Kawat Jumper Kit

-MPU6050 Unit Pengukuran Inersia

-MG995 Servo Motor (x2)

-Modul LCD1602

-Modul Joystick

Langkah 1: Ikhtisar Proyek

Di atas adalah video proyek kami dan juga menunjukkan demonstrasi kerja.

Langkah 2: Teori dan Operasi

Untuk stabilisasi kamera kami, kami menggunakan dua motor servo untuk menstabilkan sumbu pitch dan roll. Unit Pengukuran Inersia (IMU) merasakan percepatan, percepatan sudut, dan gaya magnet yang dapat kita gunakan untuk menentukan sudut kamera. Dengan IMU yang terpasang pada rakitan, kita dapat menggunakan data yang dirasakan untuk secara otomatis melawan perubahan gerakan pegangan dengan servos. Selanjutnya, dengan Joystick Arduino, kita dapat mengontrol dua sumbu rotasi secara manual, satu motor untuk setiap sumbu.

Pada Gambar 1 Anda dapat melihat gulungan dilawan oleh motor servo gulungan. Saat pegangan digerakkan ke arah gulungan, motor servo gulungan akan berputar dalam arah yang sama tetapi berlawanan.

Pada Gambar 2 Anda dapat melihat sudut pitch dikendalikan oleh motor servo terpisah yang bekerja dengan cara yang mirip dengan motor servo roll.

Motor servo adalah pilihan yang baik untuk proyek ini karena menggabungkan motor, sensor posisi, mikrokontroler built-in kecil, dan H-bridge yang memungkinkan kita untuk mengontrol posisi motor secara manual dan otomatis melalui Arduino. Desain awal hanya membutuhkan satu motor servo, tetapi setelah beberapa pertimbangan, kami memutuskan untuk menggunakan dua. Komponen tambahan yang ditambahkan adalah layar LCD Arduino dan Joystick. Tujuan dari layar LCD adalah untuk menampilkan keadaan stabilizer saat ini dan sudut arus masing-masing servo saat dalam kontrol manual.

Untuk membuat housing untuk menampung semua komponen kelistrikan, kami telah menggunakan Computer-Aided Design (CAD) dan akan menggunakan printer 3D. Untuk menahan komponen listrik, kami telah merancang bodi yang juga berfungsi sebagai pegangan. Di sinilah sensor IMU dan joystick akan dipasang. Untuk kontrol sumbu ganda, kami merancang dudukan untuk motor.

Langkah 3: Diagram Status/Logika

Kode terdiri dari tiga status, yang masing-masing akan ditunjukkan pada layar LCD. Ketika Arduino menerima daya, layar LCD akan mencetak "Inisialisasi …" dan komunikasi I2C dimulai dengan MPU-6050. Data awal dari MPU-6050 dicatat untuk mencari rata-rata. Setelah itu, Arduino akan masuk ke mode kontrol manual. Di sini, kedua motor servo dapat diatur secara manual dengan joystick. Jika tombol joystick ditekan, maka akan masuk ke status "Level Otomatis" dan platform stabilisasi akan mempertahankan level sehubungan dengan Bumi. Setiap gerakan dalam arah roll atau pitch akan dilawan oleh motor servo, sehingga menjaga level platform. Dengan menekan tombol joystick lagi, Arduino akan memasuki "Do Nothing State" di mana motor servo akan terkunci. Dalam urutan itu, status akan terus berubah dengan setiap penekanan tombol joystick.

Langkah 4: Diagram Sirkuit

Gambar di atas menggambarkan diagram rangkaian proyek kami dalam mode OFF. Mikrokontroler Arduino menyediakan koneksi yang diperlukan untuk menjalankan MPU-6050 IMU, Joystick, dan layar LCD. Sel-sel LiPo terhubung langsung ke pengubah dan memasok daya ke Mikrokontroler Arduino serta kedua motor servo. Selama mode operasi ini, baterai dihubungkan secara paralel dengan menggunakan sakelar lemparan ganda 3 titik (3PDT). Sakelar memungkinkan kita untuk memutuskan beban, sekaligus menghubungkan pengisi daya dan mengalihkan sel dari konfigurasi seri ke paralel. Ini juga memungkinkan pengisian baterai secara bersamaan.

Ketika sakelar dibalik ke mode ON, dua sel 3.7v akan memberikan daya ke Motor Arduino dan Servo. Selama mode operasi ini, baterai dihubungkan secara seri dengan menggunakan sakelar lemparan ganda 3 titik (3PDT). Ini memungkinkan kita untuk mendapatkan 7.4v dari sumber listrik kita. Baik Layar LCD dan sensor IMU menggunakan komunikasi I2C. SDA digunakan untuk mentransmisikan data, sedangkan SCL adalah jalur clock yang digunakan untuk menyinkronkan transfer data. Motor servo masing-masing memiliki tiga lead: daya, ground, dan data. Arduino berkomunikasi dengan servos melalui pin 3 dan 5; pin ini menggunakan Pulse Width Modulation (PWM) untuk mengirimkan data dengan transisi yang lebih mulus.

*Sirkuit Pengisian Baterai dari Adafruit.com

Langkah 5: Konstruksi

Desain dasar gimbal kamera cukup sederhana, karena pada dasarnya hanya pegangan dan dudukan untuk kamera. Gimbal terdiri dari dua motor servo untuk melawan gerakan apa pun dalam arah roll dan pitch. Menggunakan Arduino Uno membutuhkan banyak ruang, jadi kami juga menambahkan housing di bagian bawah pegangan untuk menampung semua komponen listrik. Perumahan, pegangan, dan dudukan motor servo semuanya akan dicetak 3D, memungkinkan kami meminimalkan biaya dan ukuran keseluruhan, karena kami dapat memiliki kontrol penuh atas desain. Ada beberapa cara untuk mendesain gimbal, tetapi faktor terbesar yang perlu dipertimbangkan adalah menghindari satu motor servo berputar ke yang lain. Dalam prototipe, satu motor servo pada dasarnya melekat pada yang lain. Ketika kami memiliki akses ke printer 3D lagi, kami akan mencetak lengan dan platform 3D yang ditunjukkan di atas.

*Desain untuk lengan dan platform berasal dari

Langkah 6: Temuan Keseluruhan dan Peningkatan Potensi

Penelitian awal yang kami lakukan pada gimbal kamera sangat mengintimidasi. Meskipun ada banyak sekali sumber dan informasi tentang masalah ini, sepertinya itu adalah proyek yang tidak sesuai dengan keinginan kita. Kami mulai perlahan, melakukan penelitian sebanyak mungkin, tetapi menyerap sedikit. Setiap minggu kami akan bertemu dan berkolaborasi. Saat kami bekerja, kami mendapatkan lebih banyak dan lebih banyak momentum dan akhirnya menjadi kurang takut dan lebih bersemangat tentang proyek tersebut. Meskipun kami telah menambahkan joystick dan layar LCD tambahan, masih banyak lagi yang dapat kami tambahkan ke proyek ini. Ada juga beberapa perbaikan yang bisa ditambahkan, seperti pembatasan kontrol manual yang akan mencegah pengguna memutar satu motor servo ke motor servo lainnya. Ini adalah masalah kecil dan juga dapat diperbaiki dengan desain pemasangan yang berbeda. Kami juga membahas kemungkinan menambahkan fitur pan. Ini akan memungkinkan pengguna untuk menggunakan motor servo untuk menggeser area dalam waktu tertentu.

Sebagai sebuah tim, kami semua bekerja sama dengan sangat baik. Terlepas dari keadaannya, dan hanya kemampuan untuk bertemu secara virtual, kami memanfaatkannya sebaik mungkin dan tetap sering berkomunikasi. Semua suku cadang dan komponen diberikan kepada satu orang dan ini membuat sedikit lebih sulit bagi anggota kelompok lainnya untuk membantu memecahkan masalah yang muncul. Kami dapat mengatasi masalah yang muncul, tetapi jika kami semua memiliki bahan yang sama, itu akan membuatnya sedikit lebih mudah untuk membantu. Secara keseluruhan, kontribusi terbesar untuk menyelesaikan proyek kami adalah kemampuan setiap anggota untuk memiliki ketersediaan dan kesediaan untuk bertemu dan mengobrol tentang proyek tersebut.