Տեսախցիկի կայունացուցիչի նախատիպ (2DOF) `6 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:46

Հեղինակներ:

Ռոբերտ դե Մելլո է Սոուզա, obեյկոբ Պաքսթոն, Մոյզես Ֆարիաս

Շնորհակալություններ

Հսկայական շնորհակալություն Կալիֆոռնիայի պետական համալսարանի ծովային ակադեմիային, նրա ճարտարագիտական տեխնոլոգիաների ծրագրին և դոկտոր Չանգ-Սիուին, որոնք մեզ օգնեցին հաջողության հասնել մեր այսպիսի բարդ ժամանակներում:

Ներածություն:

Խցիկի կայունացուցիչ սարքը կամ խցիկի գիմբալը լեռ է, որը կանխում է տեսախցիկի ցնցումը և այլ անհիմն շարժումները: Երբևէ հայտնագործված առաջին կայունացուցիչներից մեկը օգտագործեց հարվածային կլանիչներ/զսպանակներ `տեսախցիկի շարժման հանկարծակի փոփոխությունները թուլացնելու համար: Այս նույն խնդիրը կատարելու համար կայունացուցիչների այլ տեսակներ օգտագործում են գիրոսկոպ կամ հենակետեր: Այս սարքերը կայունացնում են անցանկալի շարժումները մինչև երեք տարբեր առանցքների կամ չափերի: Դրանք ներառում են x, y և z առանցքը: Սա նշանակում է, որ կայունացուցիչը կարող է թուլացնել շարժումները երեք տարբեր ուղղություններով ՝ գլորում, սկիպիդար և հորանջ: Սովորաբար դա կատարվում է օգտագործելով 3 շարժիչ, որոնք վերահսկվում են էլեկտրոնային կառավարման համակարգով, որոնցից յուրաքանչյուրը հակազդում է տարբեր առանցքների:

Մենք բացառապես հետաքրքրված էինք այս նախագծով մի քանի պատճառներով: Մեզանից բոլորը վայելում են բացօթյա տարբեր գործողություններ, ինչպիսիք են սնոուբորդը և այլ սպորտաձևեր: Այս գործունեության բարձրորակ կադրեր ստանալը դժվար է `պահանջվող շարժման մեծության պատճառով: Մեզանից մի քանիսին պատկանում է խանութից գնված տեսախցիկի իսկական կայունացուցիչ, ուստի մենք ցանկանում էինք հետաքննել, թե ինչ է անհրաժեշտ նման բան ստեղծելու համար: Մեր լաբորատորիայի և դասախոսությունների դասերին մենք սովորեցինք, թե ինչպես կարելի է համագործակցել սերվո շարժիչների հետ Arduino- ի միջոցով, դրանց աշխատելու համար անհրաժեշտ կոդավորումը և էլեկտրոնային սխեմաների հիմքում ընկած տեսությունը, որը կօգնի մեզ նախագծել սխեմաները:

*NOTԱՆՈԹՈԹՅՈՆ. COVID-19- ի պատճառով մենք չկարողացանք ավարտել այս նախագիծն ամբողջությամբ: Այս հրահանգը հանդիսանում է կայունացուցիչի նախատիպի համար անհրաժեշտ սխեմաների և ծածկագրերի ուղեցույց: Մենք մտադիր ենք ավարտել նախագիծը, երբ դպրոցը վերսկսվի, և մենք նորից մուտք ունենանք 3D տպիչների: Ավարտված տարբերակը կունենա մարտկոցի միացում և կայունացուցիչի բազկաթոռներով եռաչափ տպված պատյան (ստորև ներկայացված է ստորև): Բացի այդ, խնդրում ենք նկատի ունենալ, որ Arduino 5v էլեկտրամատակարարումից Servo շարժիչների անջատումը, ընդհանուր առմամբ, վատ պրակտիկա է: Մենք պարզապես դա անում ենք, որպեսզի թույլ տանք նախատիպի փորձարկում: Վերջնական նախագծում կներառվի առանձին էլեկտրամատակարարում, որը ցույց է տրված ստորև ներկայացված սխեմաներում:

Պարագաներ

-Arduino UNO միկրոկոնտրոլեր

-Գրատախտակ

-Ալար Jumper Kit

-MPU6050 իներցիոն չափման միավոր

-MG995 Servo Motor (x2)

-LCD1602 մոդուլ

-Joystick մոդուլ

Քայլ 1: Նախագծի ակնարկ

Վերևում ներկայացված է մեր նախագծի տեսանյութը և ցուցադրվում է նաև աշխատանքային ցուցադրում:

Քայլ 2. Տեսություն և գործողություն

Մեր տեսախցիկի կայունացման համար մենք օգտագործեցինք երկու servo շարժիչ `կայունացնելու պտույտի և պտտման առանցքը: Inertial Measurement Unit (IMU) - ն զգում է արագացումը, անկյունային արագացումը և մագնիսական ուժը, որը մենք կարող ենք օգտագործել տեսախցիկի անկյունը որոշելու համար: Մոնտաժին կցված IMU- ով մենք կարող ենք օգտագործել զգայուն տվյալները `սերվոսների հետ բռնակի շարժման փոփոխության ավտոմատ հակազդման համար: Ավելին, Arduino Joystick- ի միջոցով մենք կարող ենք ձեռքով վերահսկել պտտման երկու առանցք, յուրաքանչյուր առանցքի համար մեկ շարժիչ:

Նկար 1 -ում կարող եք տեսնել, որ գլանափաթեթին հակազդում է գլանափաթեթ սերվո շարժիչը: Երբ բռնակը շարժվում է գլանափաթեթի ուղղությամբ, գլանափաթեթային շարժիչով շարժիչը կշրջվի հավասար, բայց հակառակ ուղղությամբ:

Նկար 2 -ում կարող եք տեսնել, որ թեքության անկյունը վերահսկվում է առանձին servo շարժիչով, որը գործում է գլորվող servo շարժիչի նմանությամբ:

Servo շարժիչները լավ ընտրություն են այս նախագծի համար, քանի որ այն միավորում է շարժիչը, դիրքի տվիչը, փոքր ներկառուցված միկրոկոնտրոլերը և H- կամուրջը, որը թույլ է տալիս ձեռքով և ավտոմատ կերպով վերահսկել շարժիչի դիրքը Arduino- ի միջոցով: Նախնական դիզայնը նախատեսում էր միայն մեկ servo շարժիչ, սակայն որոշ մտորումներից հետո մենք որոշեցինք օգտագործել երկուսը: Լրացուցիչ բաղադրիչներն էին Arduino LCD էկրանը և Joystick- ը: LCD էկրանի նպատակն է ցուցադրել, թե ինչ վիճակում է այժմ կայունացուցիչը և յուրաքանչյուր սերվոյի ընթացիկ անկյունը `ձեռքով հսկողության ընթացքում:

Բոլոր էլեկտրական բաղադրիչները պահելու համար բնակարան ստեղծելու համար մենք օգտագործել ենք Computer-Aided Design (CAD)-ը և կօգտագործենք 3D տպիչ: Էլեկտրական բաղադրիչները պահելու համար մենք նախագծել ենք մի մարմին, որը նույնպես հանդես կգա որպես բռնակ: Սա այն վայրն է, որտեղ կտեղադրվեն IMU սենսորը և ջոյսթիկը: Երկկողմանի առանցքի կառավարման համար մենք նախագծեցինք շարժիչների համար ամրացումներ:

Քայլ 3. Պետական/տրամաբանական դիագրամ

Կոդը բաղկացած է երեք վիճակից, որոնցից յուրաքանչյուրը նշված կլինի LCD էկրանին: Երբ Arduino- ն էներգիա կստանա, LCD էկրանը կտպագրի «Initializing…», իսկ I2C հաղորդակցությունը սկսվում է MPU-6050- ով: MPU-6050- ի սկզբնական տվյալները գրանցվում են միջինը գտնելու համար: Դրանից հետո Arduino- ն կմտնի ձեռքով կառավարման ռեժիմ: Այստեղ երկու servo շարժիչները կարող են ձեռքով կարգավորվել ջոյսթիքով: Եթե ջոյսթիկի կոճակը սեղմվի, այն այնուհետև կմտնի «Ավտոմատ մակարդակ» վիճակ, և կայունացնող հարթակը կպահպանի մակարդակը Երկրի նկատմամբ: Գլորման կամ թեքության ուղղությամբ ցանկացած շարժման կհակասեն սերվո շարժիչները, դրանով իսկ պահպանելով հարթակի մակարդակը: Joyոյսթիկի կոճակի մեկ այլ սեղմումով Arduino- ն կմտնի «Ոչինչ մի արա» ռեժիմում, որտեղ սերվո շարժիչները կողպված կլինեն: Այդ կարգով, նահանգները կշարունակեն փոխվել «ջոյսթիք» կոճակի յուրաքանչյուր սեղմումով:

Քայլ 4: Շղթայի դիագրամ

Վերոնշյալ պատկերը ցույց է տալիս մեր նախագծի սխեմաների դիագրամը OFF ռեժիմում: Arduino միկրոկառավարիչը ապահովում է անհրաժեշտ կապերը MPU-6050 IMU, Joystick և LCD էկրանը գործարկելու համար: LiPo բջիջներն ուղղակիորեն միացված են փոխիչին և սնուցում են ինչպես Arduino միկրոկառավարիչը, այնպես էլ երկու servo շարժիչները: Գործողության այս ռեժիմի ընթացքում մարտկոցները միացված են զուգահեռ 3 կետանոց կրկնակի նետման (3PDT) անջատիչի օգտագործմանը: Անջատիչը թույլ է տալիս անջատել բեռը, միաժամանակ միացնելով լիցքավորիչը և բջիջները մի շարքից զուգահեռ կազմաձևի անցնելու: Սա նաև թույլ է տալիս մարտկոցը լիցքավորել միաժամանակ:

Երբ անջատիչը շրջվում է ON ռեժիմի վրա, 3.7 վ լարման երկու բջիջ սնուցում է Arduino և Servo Motors- ին: Գործողության այս ռեժիմի ընթացքում մարտկոցները շարքով միացված են 3 կետանոց կրկնակի նետման (3PDT) անջատիչի օգտագործմամբ: Սա թույլ է տալիս մեզ էներգիայի աղբյուրից ստանալ 7,4 վ լարում: Եվ LCD էկրանը, և IMU սենսորը օգտագործում են I2C հաղորդակցություն: SDA- ն օգտագործվում է տվյալների փոխանցման համար, մինչդեռ SCL- ն այն ժամացույցի գիծն է, որն օգտագործվում է տվյալների փոխանցումները համաժամացնելու համար: Servo շարժիչներն ունեն երեքական հաղորդիչ `հզորություն, հող և տվյալներ: Arduino- ն սերվոսների հետ շփվում է 3 և 5 կապերի միջոցով; այս կապումներն օգտագործում են Pulse Width Modulation (PWM) ՝ տվյալները ավելի հարթ անցումներով փոխանցելու համար:

*Մարտկոցի լիցքավորման սխեման ՝ Adafruit.com- ից

Քայլ 5: Շինարարություն

Տեսախցիկի գիմբալի հիմնական դիզայնը բավականին պարզ է, քանի որ այն ըստ էության պարզապես բռնակի և ամրակ է ֆոտոխցիկի համար: Գիմբալը բաղկացած է երկու սերվոսի շարժիչներից, որոնք կարող են հակազդել գլորման և թեքության ուղղությունների ցանկացած շարժման: Arduino Uno- ի օգտագործումը պահանջում է զգալի տարածք, ուստի մենք նաև բռնակի ներքևի մասում ավելացրել ենք բոլոր էլեկտրական բաղադրիչները պարունակող պատյան: Բնակարանի, բռնակի և servo շարժիչի հենարանները բոլորը 3D տպված կլինեն, ինչը թույլ կտա մեզ նվազագույնի հասցնել ծախսերն ու ընդհանուր չափը, քանի որ մենք կարող ենք լիովին վերահսկել դիզայնը: Գիմբալը ձևավորելու մի քանի եղանակ կա, բայց ամենակարևորը, որ պետք է հաշվի առնելը, մի servo շարժիչից մյուսի պտտվելուց խուսափելն է: Նախատիպում մի սերվո շարժիչ էապես կցված է մյուսին: Երբ նորից մուտք ունենանք 3D տպիչների, մենք 3D տպելու ենք վերևում ներկայացված թևն ու հարթակը:

*Ձեռքի և հարթակի նախագծերը ՝ https://howtomechatronics.com/ կայքից

Քայլ 6: Ընդհանուր արդյունքներ և հնարավոր բարելավումներ

Նախնական հետազոտությունը, որ մենք արեցինք տեսախցիկի գիմբալների վերաբերյալ, շատ վախեցնող էր: Թեև այս թեմայի վերաբերյալ բազմաթիվ աղբյուրներ և տեղեկատվություն կար, բայց այն շատ նման էր մի նախագծի, որը դուրս կգար մեր լիգայից: Մենք սկսեցինք դանդաղ ՝ հնարավորինս շատ հետազոտություններ կատարելով, բայց քիչ կլանելով: Ամեն շաբաթ մենք հանդիպում էինք և համագործակցում: Աշխատելիս մենք ավելի ու ավելի մեծ թափ հավաքեցինք և, ի վերջո, դարձանք ավելի քիչ վախեցած և ավելի ոգևորված նախագծից: Չնայած մենք ավելացրել ենք լրացուցիչ ջոյստիկ և LCD էկրան, դեռ շատ ավելին կարող ենք ավելացնել նախագծին: Կան նաև մի քանի բարելավումներ, որոնք կարող են ավելացվել, օրինակ ՝ ձեռքով կառավարման սահմանափակումները, որոնք թույլ չեն տա օգտվողին պտտել մեկ սերվո շարժիչը մյուսի մեջ: Սա փոքր խնդիր է և կարող է լուծվել նաև մոնտաժի այլ դիզայնով: Մենք նաև քննարկեցինք թավայի գործառույթ ավելացնելու հնարավորությունները: Սա թույլ կտա օգտվողին օգտագործել servo շարժիչներ `որոշակի ժամանակում տարածքի անցնելու համար:

Որպես թիմ, մենք բոլորս միասին շատ լավ էինք աշխատում: Չնայած հանգամանքներին և միայն վիրտուալ հանդիպելու ունակությանը, մենք դրանից լավագույնս օգտվեցինք և հաճախակի հաղորդակցության մեջ էինք: Բոլոր մասերն ու բաղադրիչները տրվեցին մեկ անձի, և դա մի փոքր ավելի դժվարացրեց խմբի մնացած անդամների համար օգնել լուծել ցանկացած առաջացած խնդիր: Մենք կարողացանք լուծել ծագած խնդիրները, բայց եթե բոլորս ունենայինք նույն նյութերը, դա մի փոքր ավելի հեշտ կդարձներ օգնությունը: Ընդհանուր առմամբ, մեր նախագծի իրականացման ամենամեծ ներդրումը յուրաքանչյուր անդամի կարողությունն ու հասանելիությունն ու պատրաստակամությունն է `հանդիպելու և զրուցելու ծրագրի մասին: