利用Arduino實現DIY伺服相機雲台
目錄
- 水平相機支架簡介
- 裝置規格
- 3D列印安裝零件
- 編寫程式
- 測試！
在上一篇文章中，我們構建了一個伺服控制的無線照明切換。今天，我們打算更上一層樓，嘗試創建一個水平相機支架或雲台。如果您還沒有準備好，請隨時查閱我們的第一個相機雲台項目：第1部分 和 第2部分。
今天的電子食譜
預計完成時間：60分鐘
所需零件：
- Arduino UNO R3 或 Arduino Pro Mini
- 麵包板
- 三軸加速度計KXR94-2050
- Towerpro MG996R 伺服馬達
1. 水平相機支架簡介
水平相機支架，通常稱為“穩定器”或“雲台”，過去僅用於高預算生產環境。由於無人機業界的繁榮和新興消費技術，現在利用配備雲台的無人機拍攝高品質的視訊已經非常普遍——用無人機或智慧手機都可以。市面上易於操作的相關消費產品有很多種。其中一些產品採用無刷馬達進行主觀視角拍攝（噪音、速度等）。
圖 1. 穩定器
我一直想親手製作一個這樣的裝置。上次，我挑戰自己，構建了一個這種裝置，具體內容請參見這篇文章，但是結果卻並不理想……
該裝置有其自身的魅力……但是如果無法作為穩定器使用，那麼也毫無用處。我回顧了之前的專案，發現許多需要改進的地方。最大的問題就是我選擇的伺服馬達。之前的馬達功率不夠。其扭矩不足以操作智慧手機。
出於這個原因，在繼續其他工作之前我想先關注一下裝置規格選型。
2. 裝置規格
首先，我們來看一下伺服馬達。雖然之前使用的伺服馬達SG90價格便宜且易於使用，但是顯然其扭矩不夠。因此，這次我們使用MG996R伺服馬達，其扭矩幾乎是之前馬達的5倍，可能動作會略微延遲/減慢。
另外，其他零件基本就是Arduino和加速度計，所以設定幾乎與上次相同。由於新伺服馬達較大，我用合適器為其供電。電路接線也是相同的。
3. 3D 列印安裝零件
對於支架的零件，您可以使用上次的木材和金屬配件。但這一次，我想利用3D列印來製作各個零件。這次我準備的三腳架帶有螺絲孔，即使伺服馬達較大，也可以保持穩定。我設計的小三腳架具有方向性，而且可以單手操作。
這是我3D列印的零件。組裝後的樣子如下所示：
請注意，如果使用ABS樹脂進行3D列印，那麼材料固化時會發生收縮。我列印零件時發現了這個問題。我注意到零件產生輕微變形，組裝時螺釘很難擰入。經過多次試驗和錯誤後，我決定分別列印安裝在伺服馬達上的零件。您可以在這裡下載適用於該支架的3D模型：https://github.com/DevicePlus/ServoGimbal
三腳架組裝如下所示：
至於外殼，這取決於您的相機類型等因素。此外，您還可以根據您的手機類型改進/更改零件的整體設計。
4. 編寫程式
對於程式，我們有必要進行校準。首先將加速度感測器傾斜180度，並根據輸出值調整伺服馬達的傾斜度。所以我們稍微改進了第17個程式並進行了校準。讓我們用比較容易理解的方式輸出數位。
首先需要將加速度計傾斜180度，並根據輸出值調整伺服馬達的傾斜度來校準加速度計。讓我們稍微修改一下第1部分中的程式，以易於理解的方式輸出校準值。
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int _maxX = 0; int _minX = 1000; int _maxY = 0; int _minY = 1000; int _maxZ = 0; int _minZ = 1000; //****************************************** //Program for acquiring accelerometer values //****************************************** void setup() { // initialize the serial monitor Serial.begin(9600) ; } void loop() { long x , y , z ; x = y = z = 0 ; x = analogRead(1) ; // Ｘ axis y = analogRead(2) ; // Ｙ axis z = analogRead(3) ; // Ｚ axis if(_maxX < x){ _maxX = x; } if(_minX > x){ _minX = x; } if(_maxY < y){ _maxY = y; } if(_minY > y){ _minY = y; } if(_maxZ < z){ _maxZ = z; } if(_minZ > z){ _minZ = z; } int centerX = (_maxX-_minX)/2+_minX; int centerY = (_maxY-_minY)/2+_minY; int centerZ = (_maxZ-_minZ)/2+_minZ; float rotateX = ((float)_maxX-(float)_minX)/180; float rotateY = ((float)_maxY-(float)_minY)/180; float rotateZ = ((float)_maxZ-(float)_minZ)/180; Serial.print("X:") ; Serial.print(_minX) ; Serial.print(" ") ; Serial.print(centerX) ; Serial.print(" ") ; Serial.print(_maxX) ; Serial.print(" ") ; Serial.print(rotateX) ; Serial.print(" Y:") ; Serial.print(_minY) ; Serial.print(" ") ; Serial.print(centerY) ; Serial.print(" ") ; Serial.print(_maxY) ; Serial.print(" ") ; Serial.print(rotateY) ; Serial.print(" Z:") ; Serial.print(_minZ) ; Serial.print(" ") ; Serial.print(centerZ) ; Serial.print(" ") ; Serial.print(_maxZ) ; Serial.print(" ") ; Serial.println(rotateZ) ; delay(50) ; } |
運行此程式後，啟動串口監視器，然後將感測器分別在X和Y方向-90度到90度之間傾斜，並確認輸出值。將輸出值的最小值和最大值除以180度，獲得的數值為加速度計傾斜值/度，這樣可以與伺服馬達的操作同步。
串口監視器上的數值在啟動伺服馬達的程式中有所反應。
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//******************************************** //Program 2 for acquiring accelerometer values //******************************************** #include <Servo.h> Servo myservoX; Servo myservoY; void setup() { // initialize the serial monitor Serial.begin(9600) ; myservoX.attach( 5 ); myservoY.attach( 6 ); } void loop() { int i ; long x , y; // read each data 100 times and average x = y = 0 ; for (i=0 ; i < 100 ; i++) { x = x + analogRead(1) ; // read x axis y = y + analogRead(2) ; // read y axis } x = x / 100 ; y = y / 100 ; int rotateX = (x-493)/1.30; //obtain anble myservoX.write( 90-rotateX ); Serial.print("X:") ; Serial.print(x) ; Serial.print(" ") ; Serial.print(rotateX) ; int rotateY = (y-488)/1.23; myservoY.write( 90-rotateY ); Serial.print(" Y:") ; Serial.print(y) ; // Y axis Serial.print(" ") ; Serial.println(rotateY) ; // Y axis delay(10) ; } |
5. 測試！
這次我們有了足夠的功率，但是支架的運動仍然很有趣……
在上面的視訊中，用手握住裝置時，加速度計可以捕獲最輕微的搖動。即使感測器軸對齊，也會出現到一些不同角度的意外運動。解決這個問題對於平滑旋轉和未來改進來說至關重要。
運動（或搖動）與相機（或智慧型手機）的重量成比例。如果物體小而輕，行動就相對輕微；但是如果放置像智慧手機那樣較重的物體，搖晃就會很嚴重。還應該改進該程式以提高性能並提高可靠性。
我們的最終目標是創建一個像下面的產品一樣穩定的雲台：
似乎很多人都嘗試用無人機這樣做。有些無人機可以保持穩定的姿態，所以該裝置可能更適合無人機。
今天，我們重新製作了第1部分 和 第2部分構建的水平相機雲台。我們對雲台的機械設計進行了一些改進，但是隨著專案的進一步推進，我們發現了更多的挑戰。我們仍然無法順利控制雲台。現在，該裝置只能說仍處於測試階段，但是我們不會善罷甘休。我們一定會在不久的將來重新解決這個問題，並使其成為一個功能正常的裝置。
