利用Arduino實(shí)現(xiàn)DIY伺服相機(jī)云臺

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

目錄

水平相機(jī)支架簡介

設(shè)備規(guī)格

3D 打印安裝部件

編寫程序

測試！

在上一篇文章中，我們構(gòu)建了一個(gè)伺服控制的無線照明開關(guān)。今天，我們打算更上一層樓，嘗試創(chuàng)建一個(gè)水平相機(jī)支架或云臺。如果您還沒有準(zhǔn)備好，請隨時(shí)查閱我們的第一個(gè)相機(jī)云臺項(xiàng)目：第1部分 和 第2部分。

今天的電子食譜

預(yù)計(jì)完成時(shí)間：60分鐘

所需部件：

Arduino UNO R3 或 Arduino Pro Mini

面包板

三軸加速度計(jì) KXR94-2050

Towerpro MG996R 伺服電機(jī)

1. 水平相機(jī)支架簡介

水平相機(jī)支架，通常稱為“穩(wěn)定器”或“云臺”，過去僅用于高預(yù)算生產(chǎn)環(huán)境。由于無人機(jī)行業(yè)的繁榮和新興消費(fèi)技術(shù)，現(xiàn)在利用配備云臺的無人機(jī)拍攝高質(zhì)量的視頻已經(jīng)非常普遍——用無人機(jī)或智能手機(jī)都可以。市面上易于操作的相關(guān)消費(fèi)產(chǎn)品有很多種。其中一些產(chǎn)品采用無刷電機(jī)進(jìn)行主觀視角拍攝（噪音、速度等）。

圖1.穩(wěn)定器

我一直想親手制作一個(gè)這樣的設(shè)備。上次，我挑戰(zhàn)自己，構(gòu)建了一個(gè)這種設(shè)備，具體內(nèi)容請參見這篇文章，但是結(jié)果卻并不理想……

該設(shè)備有其自身的魅力……但是如果無法作為穩(wěn)定器使用，那么也毫無用處。我回顧了之前的項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)許多需要改進(jìn)的地方。最大的問題就是我選擇的伺服電機(jī)。之前的電機(jī)功率不夠。其扭矩不足以操作智能手機(jī)。

出于這個(gè)原因，在繼續(xù)其他工作之前我想先關(guān)注一下設(shè)備規(guī)格選型。

2. 設(shè)備規(guī)格

首先，我們來看一下伺服電機(jī)。雖然之前使用的伺服電機(jī)SG90價(jià)格便宜且易于使用，但是顯然其扭矩不夠。因此，這次我們使用MG996R伺服電機(jī)，其扭矩幾乎是之前電機(jī)的5倍，可能動作會略微延遲/減慢。

另外，其他部件基本就是Arduino和加速度計(jì)，所以設(shè)置幾乎與上次相同。由于新伺服電機(jī)較大，我用適配器為其供電。電路接線也是相同的。

3. 3D 打印安裝部件

對于支架的部件，您可以使用上次的木材和金屬配件。但這一次，我想利用3D打印來制作各個(gè)部件。這次我準(zhǔn)備的三腳架帶有螺絲孔，即使伺服電機(jī)較大，也可以保持穩(wěn)定。我設(shè)計(jì)的小三腳架具有方向性，而且可以單手操作。

這是我3D打印的部件。組裝后的樣子如下所示：

請注意，如果使用ABS樹脂進(jìn)行3D打印，那么材料固化時(shí)會發(fā)生收縮。我打印部件時(shí)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問題。我注意到部件產(chǎn)生輕微變形，組裝時(shí)螺釘很難擰入。經(jīng)過多次試驗(yàn)和錯(cuò)誤后，我決定分別打印安裝在伺服電機(jī)上的部件。您可以在這里下載適用于該支架的3D模型： https://github.com/DevicePlus/ServoGimbal

三腳架組裝如下所示：

至于外殼，這取決于您的相機(jī)類型等因素。此外，您還可以根據(jù)您的手機(jī)類型改進(jìn)/更改部件的整體設(shè)計(jì)。

4. 編寫程序

對于程序，我們有必要進(jìn)行校準(zhǔn)。首先將加速度傳感器傾斜180度，并根據(jù)輸出值調(diào)整伺服電機(jī)的傾斜度。所以我們稍微改進(jìn)了第17個(gè)程序并進(jìn)行了校準(zhǔn)。讓我們用比較容易理解的方式輸出數(shù)字。

首先需要將加速度計(jì)傾斜180度，并根據(jù)輸出值調(diào)整伺服電機(jī)的傾斜度來校準(zhǔn)加速度計(jì)。讓我們稍微修改一下 第1部分 中的程序，以易于理解的方式輸出校準(zhǔn)值。

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(yùn)行此程序后，啟動串口監(jiān)視器，然后將傳感器分別在X和Y方向-90度到90度之間傾斜，并確認(rèn)輸出值。將輸出值的最小值和最大值除以180度，獲得的數(shù)值為加速度計(jì)傾斜值/度，這樣可以與伺服電機(jī)的操作同步。

串口監(jiān)視器上的數(shù)值在激活伺服電機(jī)的程序中有所反應(yīng)。

//********************************************
//Program 2 for acquiring accelerometer values
//********************************************
#include 
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(yùn)動仍然很有趣……

在上面的視頻中，用手握住設(shè)備時(shí)，加速度計(jì)可以捕獲最輕微的搖動。即使傳感器軸對齊，也會出現(xiàn)到一些不同角度的意外運(yùn)動。解決這個(gè)問題對于平滑旋轉(zhuǎn)和未來改進(jìn)來說至關(guān)重要。

運(yùn)動（或搖動）與相機(jī)（或智能手機(jī)）的重量成比例。如果物體小而輕，移動就相對輕微；但是如果放置像智能手機(jī)那樣較重的物體，搖晃就會很嚴(yán)重。還應(yīng)該改進(jìn)該程序以提高性能并提高可靠性。

我們的最終目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)像下面的產(chǎn)品一樣穩(wěn)定的云臺：

似乎很多人都嘗試用無人機(jī)這樣做。有些無人機(jī)可以保持穩(wěn)定的姿態(tài)，所以該設(shè)備可能更適合無人機(jī)。

今天，我們重新制作了 第1部分 和 第2部分構(gòu)建的水平相機(jī)云臺。我們對云臺的機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些改進(jìn)，但是隨著項(xiàng)目的進(jìn)一步推進(jìn)，我們發(fā)現(xiàn)了更多的挑戰(zhàn)。我們?nèi)匀粺o法順利控制云臺?，F(xiàn)在，該設(shè)備只能說仍處于測試階段，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(gè)問題，并使其成為一個(gè)功能正常的設(shè)備。

DevicePlus 編輯團(tuán)隊(duì)

設(shè)備升級版適用于所有熱愛電子和機(jī)電一體化的人。

審核編輯黃宇