Interaktywny generator arkuszy laserowych z Arduino: 11 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Lasery mogą być używane do tworzenia niesamowitych efektów wizualnych. W tym projekcie skonstruowałem nowy rodzaj wyświetlacza laserowego, który jest interaktywny i odtwarza muzykę. Urządzenie obraca dwa lasery, tworząc dwie wirowe warstwy światła. W urządzeniu umieściłem czujniki odległości, aby można było manipulować arkuszami laserowymi, przesuwając do nich rękę. Gdy osoba wchodzi w interakcję z czujnikami, urządzenie odtwarza również muzykę za pośrednictwem wyjścia MIDI. Zawiera pomysły z harf laserowych, wirów laserowych i wyświetlaczy POV.

Instrument jest sterowany za pomocą Arduino Mega, który pobiera wejścia czujników ultradźwiękowych i wysyła rodzaj utworzonego arkusza laserowego i generowanej muzyki. Ze względu na wiele stopni swobody laserów przędzalniczych, istnieje mnóstwo różnych wzorów arkuszy laserowych, które można stworzyć.

Przeprowadziłem wstępną burzę mózgów nad projektem z nową grupą artystyczną/technologiczną w St. Louis o nazwie Dodo Flock. Emre Sarbek przeprowadził również wstępne testy czujników używanych do wykrywania ruchu w pobliżu urządzenia.

Jeśli konstruujesz laserowe urządzenie do arkuszy, pamiętaj, aby bezpiecznie obsługiwać lasery i wirujące dyski.

Aktualizacja 2020: Zdałem sobie sprawę, że powierzchnia stworzona za pomocą laserów jest hiperboloidą.

Krok 1: Lista dostaw

Materiały

Lasery -

Silnik bezszczotkowy -

Elektroniczny regulator prędkości -

Serwosilniki -

Tranzystory

Sklejka

Pleksiglas

Czujniki ultradźwiękowe

Slipring -

Białe diody LED -

Konwertery Buck

Drut do owijania drutu

złącze MIDI

Potencjometr i pokrętła -

Sprzęt - https://www.amazon.com/gp/product/B01J7IUBG8/ref=o…https://www.amazon.com/gp/product/B06WLMQZ5N/ref=o…https://www.amazon. com/gp/produkt/B06XQMBDMX/ref=o…

Rezystory

Kable połączeniowe JST -

Przełącznik zasilania AC

Zasilanie 12V -

Klej do drewna

Super klej

Wkręty do drewna

Przedłużacz USB -

Narzędzia:

Lutownica

Nożyce do drutu

Puzzle

Piła tarczowa

Mikrometr

Wiertarka elektryczna

Krok 2: Przegląd i schemat

Wiązka laserowa tworzy dobrze skolimowaną (tj. wąską) wiązkę światła, więc jednym ze sposobów na wytworzenie tafli światła jest szybkie przesuwanie wiązki według jakiegoś wzoru. Na przykład, aby utworzyć cylindryczny arkusz świetlny, należy obrócić laser wokół osi równoległej do kierunku, w którym jest skierowany. Aby szybko przesunąć laser, możesz przymocować laser do drewnianej deski przymocowanej do bezszczotkowego silnika prądu stałego. Tylko dzięki temu możesz tworzyć fajne cylindryczne wiry laserowe!

Inne projekty wirów laserowych osiągają to poprzez zamontowanie nachylonego lustra w osi obrotu za pomocą nieruchomego lasera skierowanego na lustro. W ten sposób powstaje stożek blachy laserowej. Jednak w przypadku tego projektu wszystkie arkusze laserowe będą wyglądały na pochodzące z jednego źródła. Jeśli lasery są umieszczone poza osią, tak jak w przypadku projektu, który zbudowałem, możesz tworzyć zbieżne arkusze laserowe, takie jak kształt klepsydry pokazany na filmie.

Ale co, jeśli chcesz, aby jasne arkusze były dynamiczne i interaktywne? Aby to osiągnąć, przymocowałem dwa lasery do serwomechanizmów, a następnie przymocowałem je do drewnianej deski. Teraz serwa mogą regulować kąt lasera w stosunku do osi obrotu silnika. Posiadając dwa lasery na dwóch różnych serwomechanizmach, możesz stworzyć dwa różne arkusze świetlne za pomocą urządzenia.

Aby kontrolować prędkość silnika prądu stałego, podłączyłem potencjometr do Arduino, który pobiera wejście potencjometru i wysyła sygnał do elektrycznego regulatora prędkości (ESC). ESC kontroluje wtedy prędkość silnika (nazwa raczej odpowiednia, tak), w zależności od rezystancji potencjometru.

Stan włączenia/wyłączenia lasera jest kontrolowany poprzez podłączenie ich do emitera tranzystora pracującego w nasyceniu (tj. działającego jako wyłącznik elektryczny). Sygnał sterujący jest wysyłany do podstawy tranzystora, który kontroluje prąd przez laser. Oto źródło do sterowania obciążeniem z tranzystorem z arduino:

Pozycja serwa jest również kontrolowana za pomocą Arduino. Gdy deska się obraca, lekkim arkuszem można manipulować, zmieniając położenie serwomechanizmu. Bez udziału użytkownika, samo to może stworzyć dynamiczne arkusze świetlne, które są hipnotyzujące. Na krawędzi urządzenia znajdują się również czujniki ultradźwiękowe, które służą do określenia, czy dana osoba zbliża rękę do jasnych arkuszy. To wejście jest następnie wykorzystywane do przesuwania laserów w celu utworzenia nowych arkuszy świetlnych LUB generowania sygnału MIDI. Gniazdo MIDI jest podłączone do przesyłania sygnału MIDI do urządzenia odtwarzającego MIDI.

Krok 3: Sterowanie silnikiem bezszczotkowym za pomocą Arduino

Aby stworzyć wirowe arkusze świetlne, musisz obrócić wiązkę lasera. Aby to osiągnąć, postanowiłem spróbować użyć bezszczotkowego silnika prądu stałego. Dowiedziałem się, że tego typu silniki są bardzo popularne w modelach samolotów i dronach, więc pomyślałem, że będzie całkiem łatwy w użyciu. Po drodze natknąłem się na kilka problemów, ale ogólnie jestem zadowolony z tego, jak silnik pracuje w projekcie.

Najpierw należy zamontować silnik. Specjalnie zaprojektowałem część do trzymania silnika i przymocowania go do płyty trzymającej urządzenie. Po zabezpieczeniu silnika podłączyłem silnik do ESC. Z tego, co przeczytałem, korzystanie z silnika bezszczotkowego bez niego brzmi naprawdę ciężko. Aby rozkręcić silnik, użyłem Arduino Mega. Początkowo nie mogłem rozkręcić silnika bo dopiero podłączałem sygnał sterujący do 5V lub masy, bez odpowiedniego ustawienia wartości bazowej lub kalibracji ESC. Następnie poszedłem za samouczkiem Arduino z potencjometrem i serwomotorem, dzięki czemu silnik zaczął się obracać! Oto link do samouczka:

Przewody ESC można faktycznie podłączyć w dowolny sposób do silnika bezszczotkowego. Potrzebne będą żeńskie złącza wtykowe bananowe. Grubsze czerwone i czarne kable na ESC są podłączone do zasilacza prądu stałego o napięciu 12 V, a czarne i białe kable na złączu sterującym ESC są podłączone odpowiednio do masy i pinu sterującego w Arduino. Obejrzyj ten film, aby dowiedzieć się, jak skalibrować ESC:

Krok 4: Konstruowanie obudowy z blachy laserowej

Po rozkręceniu silnika nadszedł czas na zbudowanie lekkiego podwozia. Kawałek sklejki wycinam na maszynie CNC, ale można też użyć wyrzynarki. W sklejce znajdują się czujniki ultradźwiękowe i jest w niej otwór na kawałek pleksiglasu. Pleksiglas należy przykleić do drewna za pomocą żywicy epoksydowej. Wywiercone są otwory, aby pierścień ślizgowy mógł się przez nie przełożyć.

Następnie wycina się kolejny okrągły arkusz sklejki, aby utrzymać silnik bezszczotkowy. W tym arkuszu drewna wiercone są otwory, przez które przewody mogą przejść później w konstrukcji. Po przymocowaniu uchwytu silnika i wywierceniu otworów, dwa arkusze sklejki są mocowane za pomocą desek 1x3 przyciętych na około 15 cm i metalowych wsporników. Na zdjęciu widać, jak pleksi znajduje się nad silnikiem i laserami.

Krok 5: Montaż lasera i serwonapędu

Zmienne arkusze świetlne są tworzone przez poruszające się lasery względem osi obrotu. Zaprojektowałem i wydrukowałem w 3D mocowanie, które mocuje laser do serwa oraz mocowanie, które łączy serwomechanizm z wirującą deską. Najpierw przymocuj serwo do mocowania serwa za pomocą dwóch śrub M2. Następnie wsuń nakrętkę M2 do mocowania lasera i dokręć śrubę ustalającą, aby utrzymać laser na miejscu. Przed podłączeniem lasera do serwa należy upewnić się, że serwo jest obrócone do pozycji środkowej. Korzystając z samouczka o serwo, ustaw serwo na 90 stopni. Następnie zamontuj laser jak pokazano na rysunku za pomocą śruby. Musiałem również dodać odrobinę kleju, aby laser nie przesunął się przypadkowo.

Do wykonania deski użyłem wycinarki laserowej, która ma wymiary około 3cm x 20cm. Maksymalny rozmiar jasnego arkusza będzie zależał od rozmiaru drewnianej deski. Następnie wywiercono otwór w środku deski, aby pasował do wału silnika bezszczotkowego.

Następnie przykleiłem zespół serwo-laser do deski tak, aby lasery były wyśrodkowane. Upewnij się, że wszystkie elementy na desce są wyważone względem osi obrotu deski. Przylutuj złącza JST do laserów i kabli serwo, aby w następnym kroku można je było podłączyć do slipringa.

Na koniec przymocuj deskę z dołączonymi zespołami serwo lasera do silnika bezszczotkowego za pomocą podkładki i nakrętki. W tym momencie przetestuj silnik bezszczotkowy, aby upewnić się, że deska może się obracać. Uważaj, aby nie napędzać silnika zbyt szybko ani nie wsadzić dłoni na ścieżkę obrotu deski.

Krok 6: Instalacja Slipring

Jak zapobiec plątaniu się przewodów podczas wirowania elektroniki? Jednym ze sposobów jest użycie baterii do zasilania i podłączenie jej do wirującego zestawu, tak jak w tej instrukcji POV. Innym sposobem jest użycie slipringu! Jeśli nie słyszałeś o procy lub nie używałeś jej wcześniej, obejrzyj ten świetny film, który pokazuje, jak to działa.

Najpierw przymocuj drugie końce złącz JST do pierścienia ślizgowego. Nie chcesz, aby przewody były zbyt długie, ponieważ istnieje ryzyko zaczepienia się o coś, gdy deska się obraca. Do plexi nad silnikiem bezszczotkowym przyczepiłem pierścień ślizgowy wiercąc otwory na śruby. Uważaj, aby nie pęknąć pleksi podczas wiercenia. Możesz również użyć wycinarki laserowej, aby uzyskać dokładniejsze otwory. Po przymocowaniu pierścienia ślizgowego połącz złącza.

W tym momencie możesz podłączyć przewody slipring do pinów Arduino, aby przeprowadzić wstępne testy z laserowym generatorem arkuszy.

Krok 7: Lutowanie elektroniki

Wyciąłem płytkę prototypową do podłączenia całej elektroniki. Ponieważ użyłem zasilacza 12V, muszę zastosować dwa przetworniki DC-DC: 5V dla laserów, serw, potencjometru i gniazda MIDI oraz 9V dla Arduino. Wszystko zostało połączone jak pokazano na schemacie przez lutowanie lub owijanie drutem. Płytka została następnie połączona z wydrukowaną częścią 3D za pomocą dystansów PCD.

Krok 8: Budowa skrzynki z elektroniką

Cała elektronika mieści się w drewnianym pudełku. Wyciąłem tarcicę 1x3 na boki pudełka i wyciąłem duży otwór z jednej strony, aby mogły przejść przewody na panelu sterowania. Boki połączono za pomocą małych klocków z drewna, kleju do drewna i śrub. Po wyschnięciu kleju oszlifowałem boki pudełka, aby wyrównać wszelkie niedoskonałości w pudełku. Następnie wycinam cienkie drewno na przód, tył i spód pudełka. Dno przybito do boków, a przód i tył przyklejono do pudełka. Na koniec zmierzyłem i wyciąłem otwory na elementy na przednim panelu pudełka: gniazdo kabla zasilającego, gniazdo USB, gniazdo MIDI i potencjometr.

Krok 9: Instalacja elektroniki w pudełku

Zasilacz podłączyłem do skrzynki za pomocą śrub, Arduino za pomocą specjalnie zaprojektowanego uchwytu, a płytkę drukowaną utworzoną w kroku 7. Potencjometr i gniazdo MIDI zostały najpierw podłączone do płytki drukowanej za pomocą drutu owijającego, a następnie przyklejone do przedni panel. Gniazdo AC zostało podłączone do zasilacza, a wyjście DC zasilacza zostało podłączone do wejść przetworników Buck i kabli, które łączą się z silnikiem bezszczotkowym. Silnik, serwo i przewody laserowe są następnie prowadzone przez otwór w sklejce do skrzynki z elektroniką. Zanim zająłem się czujnikami ultradźwiękowymi, testowałem poszczególne komponenty indywidualnie, aby upewnić się, że wszystko jest prawidłowo okablowane.

Początkowo kupiłem gniazdo zasilania prądem zmiennym, ale przeczytałem kilka dość złych recenzji na temat jego topienia, więc miałem niepoprawnie zwymiarowane otwory na panelu przednim. Dlatego zaprojektowałem i wydrukowałem w 3D niektóre adaptery do gniazd, aby pasowały do rozmiaru wyciętych otworów.

Krok 10: Montaż i okablowanie czujników ultradźwiękowych

W tym momencie lasery, serwa, silnik bezszczotkowy i gniazdo MIDI są podłączone i mogą być kontrolowane przez Arduino. Ostatnim krokiem sprzętowym jest podłączenie czujników ultradźwiękowych. Zaprojektowałem i wydrukowałem w 3D czujnik ultradźwiękowy. Następnie okablowałem i równomiernie przymocowałem zespoły czujników ultradźwiękowych do górnego arkusza sklejki generatora arkuszy świetlnych. Drut owijający drut został sprowadzony do skrzynki z elektroniką przez wywiercenie otworów w arkuszu sklejki. Podłączyłem owijkę do odpowiednich pinów w Arduino.

Byłem trochę rozczarowany wydajnością czujnika ultradźwiękowego. Sprawdziły się całkiem nieźle przy odległościach od 1 cm do 30 cm, ale pomiar odległości jest bardzo głośny poza tym zakresem. Aby poprawić stosunek sygnału do szumu, spróbowałem wziąć medianę lub średnią z kilku pomiarów. Jednak sygnał nadal nie był wystarczająco niezawodny, więc ustawiłem odcięcie do grania nuty lub zmiany arkusza laserowego na 25 cm.

Krok 11: Programowanie dynamicznego wiru laserowego

Po zakończeniu okablowania i montażu nadszedł czas, aby zaprogramować urządzenie do lekkich arkuszy! Możliwości jest wiele, ale ogólną ideą jest przejęcie wejść czujników ultradźwiękowych i wysłanie sygnałów MIDI oraz sterowanie laserami i serwomechanizmami. We wszystkich programach obrót deski jest kontrolowany poprzez przekręcenie pokrętła potencjometru.

Potrzebne będą dwie biblioteki: NewPing i MIDI

W załączniku znajduje się pełny kod Arduino.

II nagroda w Wyzwaniu Wynalazczości 2017