Aufgabenstellung
Ziel des Projekts ist es einen funktionsfähigen Gimbal zu konzipieren, konstruieren, bauen und zum Laufen zu bringen. Der Gimbal soll eine handelsübliche Spiegelreflexkamera (Referenzmodell Sony Alpha 99), über 3 bewegliche Achsen so ausbalancieren, dass bewegte aufnahmen ohne ruckeln und Vibrationen möglich sind.
Konzept
Der Rahmen wird von uns komplett selbst konstruiert und soll so weit wie möglich aus Leichtbau Komponenten und 3D Druck Teilen bestehen. Ein Arduino Nano ist zur Ladekontrolle und für nachfolgende Erweiterungen installiert. Die Bewegung erfolgt über 3 Brushless DC Motoren, die über Encoder verfügen und über eine Separate Elektronik gesteuert. Mittels GUI Sensor, welcher an der Montageplatte für die Kamera befestigt ist, erkennt die Software welche Bewegungen auf die Kamera wirken und kann dieser entgegensteuern. Diese Elektronik wird als Set zugekauft (siehe Komponenten).
Komponenten
Die Motoren für die Stabilisierung der Kamera sind unter der Webseite „AliExpress“ in einem Paket erhältlich. In diesem Lieferumfang sind enthalten:
- 3 x GBM6208H-150T Brushless Gimbal Motor
- 3 x AS5048A Encoder w/32bit Alexmos BGC für Canon 5D Handheld Gimbal Stabilizer
- AlexMos 3 Achsen 32bit Gimbal Board
- IMU MPU6050 Board 1 (mit Anschluss für 2. IMU)
- IMU MPU6050 Board 2 (Endboard)
- Verbindungskabel (IMU zu Board)
- Verbindungskabel (IMU zu IMU)
Die Nutzungsgebühr der AlexMos Software ist beim Lieferumfang eines Sets enthalten. Erhältlich ist die Software und das User Manual unter der Webseite „https://www.basecamelectronics.com/downloads/“.
Konstruktion
Während des gesamten Konstruktionsablaufes musste darauf geachtet werden, dass der Schwerpunkt des Gimbals in der Mitte ist. Daher werden Gegengewichte eingebaut, um z.B. das Gewicht des Motors auszugleichen. Weil ein zu hohes Gewicht den Gimbal unhandlich bis zu unutzbar machen würde, ist bei der Werkstoffauswahl auf möglichst leichtes Material zu achten. Das heißt: Verbindungsrohre und Platten aus Carbon, viele Aluminiumteile, 3D-Druck und nur für stärker belastete Teile Stahl.
Es wird darauf geachtet, dass möglichst viele Teile in der FH gefertigt werden können. Größtenteils können die Teile sogar konventionell gefertigt werden.
Carbon Teile
Der Rahmen des Gimbals besteht aus Carbon Rohren mit einem Außendurchmesser von 24mm und einer Wandstärke von 1mm. Die Rohre wurden vorerst mit etwas Aufmaß zugeschnitten und der Gimbal -Rahmen einmal zusammengesteckt. Beim Schneiden der Rohre muss darauf geachtet werden, dass sie nicht ausfransen. Eine Möglichkeit: das Rohr an der zu Sägenden Stelle mit einem Klebeband (Krepp) oder Isolierband abkleben. Anschließend den Schnitt auf dem Klebeband anzeichnen. Vorzugsweise eine Sägevorrichtung verwenden, da das Einspannen im Schraubstock Risse an der Säge wiederrum Fransen hervorrufen können. Kurz vor Ende des Sägens hängt das Rohr nur mehr an wenigen Fasern zusammen, daher ein Tipp: die letzten Fasern mit einem sehr scharfen Teppichmesser durchtrennen. Am Schluss alles sehr gut säubern, da sich die Späne von Carbon sehr gut verteilen, weil sie sehr klein und elektrostatisch geladen sind.
Alle Carbon Teile, außer den Rohren, haben eine Stärke von 2mm. Deshalb sind alle Teile aus einer Platte gefertigt. Weil das Schneiden an der FH nicht möglich ist, müssen die diese in einem externen Schneidunternehmen gefertigt werden. Das Unternehmen fordert verschiedenen CAD-Daten als DXF Datei an. Zusätzlich zu diesen DXF Dateien sind die Fertigungszeichnungen anzuhängen, sodass das Schneidunternehmen die Größe der Teile einschätzen kann.
Grundsätzlich ist die Arbeit mit Carbon etwas komplexer, weil die „Platten-Teile“ sehr leicht ausfransen. Die Kanten können mittels Superkleber versiegelt werden, um weiteres Ausfransen zu verhindern.
Elektronik
Der Gimbal wird über einen LiPo Akku versorgt, wessen Spannung vom Arduino gemessen wird und den Akkustand über 3 farbige Led’s anzeigt. Das EIN/AUS schalten erfolgt über einen einpoligen Schalter an der Gimbal Rückseite. Damit der Gimbal erst dann mit der Ausrichtung startet, wenn er fest mit beiden Händen gehalten wird, verfügt er über einen Start Button welcher mit dem Daumen der linken Hand bequem am Griff gedrückt werden kann. Sobald der Gimbal aktiv ist wird aus dem Start Button ein Mode Butten welcher zum Umschalten der Vorkonfigurierten Modis dient. Damit die Potentiale der beiden Schaltfunktionen getrennt bleibt, ist ein 2-poliges Relais verbaut. Am Rechten Griff befindet sich ein Joystick mit dem die Kamera nach links/rechts bzw. auf/abgeschwenkt werden kann.
Platine
Das Layout für die Leiterplatte ist mittels des Programms „DipTrace“ konstruiert und in der folgenden Abbildung dargestellt.
Arduino IDE
Für den Akkustatus sind drei farbige Led’s verbaut, die über den Arduino Nano angesteuert werden. Der Programmcode ist mit Hilfe der Open Source Arduino Software geschrieben und ist unten angeführt.
Code
void setup() {
pinMode(A0, INPUT); //Messsen Spannung
pinMode(2, OUTPUT); //PCB
pinMode(3, OUTPUT); //Arduino
pinMode(6, OUTPUT); //rot
pinMode(5, OUTPUT); //orange
pinMode(4, OUTPUT); //grün
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int valuePot = analogRead(A0); //messen Poti
float voltage = valuePot * (5/1023.00); //messwert in Spannung umrechnen
Serial.println(voltage);
digitalWrite(11, HIGH);
if (voltage > 3.0) //Schalten Arduino
{
digitalWrite(3, HIGH);
}
else
{
digitalWrite(3, LOW);
}
delay(10);
if (voltage > 3.4) //Schalten PCB
{
digitalWrite(2, HIGH);
}
else
{
digitalWrite(2, LOW);
}
delay(10);
if (voltage > 4) //GRÜN
{
digitalWrite(4, HIGH);
}
else
{
digitalWrite(4, LOW);
}
delay(10);
if (voltage < 4 && voltage > 3.6) //Orange
{
digitalWrite(5, HIGH);
}
else
{
digitalWrite(5, LOW);
}
delay(10);
if (voltage < 3.6 && voltage > 0) //Rot
{
digitalWrite(6, HIGH);
}
else
{
digitalWrite(6, LOW);
}
delay(10);
}
Kalibrierung
Zur Ansteuerung und Stabilisierung des Bildes der Spiegelreflexkamera wird die Software „SimpleBGC_GUI“ verwendet. Für die Kalibrierung ist das Handbuch der Software hilfreich, anstelle des Handbuchs können auch Videos auf verschiedenen Plattformen zur Hilfe gezogen werden.
