Interaktivni laserski generator listov z Arduinom: 11 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Z laserji lahko ustvarite neverjetne vizualne učinke. V tem projektu sem izdelal novo vrsto laserskega zaslona, ki je interaktiven in predvaja glasbo. Naprava vrti dva laserja, da tvorita dva vrtinčasta lista svetlobe. V napravo sem vključil senzorje razdalje, da lahko z laserskimi listi upravljate tako, da roko premaknete proti njim. Ko oseba komunicira s senzorji, naprava predvaja tudi glasbo prek izhoda MIDI. Vključuje ideje iz laserskih harf, laserskih vrtincev in POV zaslonov.

Instrument se upravlja z Arduino Mega, ki sprejema vhode ultrazvočnih senzorjev in oddaja vrsto oblikovane laserske plošče in ustvarjeno glasbo. Zaradi številnih stopenj svobode predilnih laserjev je mogoče ustvariti na tone različnih vzorcev laserskih listov.

Predhodno sem razmišljal o projektu z novo umetniško/tehnično skupino v St. Louisu, imenovano Dodo Flock. Emre Sarbek je izvedel tudi nekaj začetnih testov na senzorjih, ki se uporabljajo za zaznavanje gibanja v bližini naprave.

Če izdelujete lasersko napravo, ne pozabite na varno delovanje laserjev in vrtečih se diskov.

Posodobitev 2020: Spoznal sem, da je površina, ustvarjena z laserji, hiperboloid.

1. korak: Seznam zalog

Materiali

Laserji -

Motor brez krtačk -

Elektronski regulator hitrosti -

Servo motorji -

Tranzistorji

Vezan les

Pleksi steklo

Ultrazvočni senzorji

Slipring -

Bele LED -

Pretvorniki dolarjev

Žična ovojna žica

MIDI priključek

Potenciometer in gumbi -

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

Upori

Priključni kabli JST -

Stikalo za izmenični tok

12V napajanje -

Lepilo za les

super lepilo

Vijaki za les

USB podaljšek -

Orodja:

Spajkalnik

Rezalniki žice

Jig je videl

Krožna žaga

Mikrometer

Električni vrtalnik

2. korak: Pregled in shema

Laserski žarek ustvarja dobro kolimirani (t.j. ozek) žarek svetlobe, zato je eden od načinov za izdelavo svetlobnega lista hitro premikanje žarka v določenem vzorcu. Na primer, če želite ustvariti valjasto svetlobno folijo, bi laser vrteli okoli osi, vzporedne s smerjo, v katero kaže. Za hitro premikanje laserja lahko laser pritrdite na leseno desko, pritrjeno na brezkrtačni enosmerni motor. Samo s tem lahko ustvarite hladne cilindrične laserske vrtince!

Drugi projekti laserskega vrtinčenja to dosežejo z namestitvijo nagnjenega ogledala na os vrtenja s stacionarnim laserjem, usmerjenim na ogledalo. Tako nastane laserski stožec pločevine. Vendar se zdi, da pri tej zasnovi vsi laserski listi izvirajo iz enega samega izvora. Če so laserji nameščeni izven osi, kot je prikazano v moji zasnovi, lahko ustvarite konvergentne laserske liste, kot je oblika peščene ure, prikazana v videu.

Kaj pa, če želite, da so svetlobne plošče dinamične in interaktivne? Da bi to dosegel, sem pritrdil dva laserja na servomotorje, nato pa servomotorje na leseno desko. Sedaj lahko servomotorji prilagodijo kot laserja glede na os vrtenja motorja. Z dvema laserjema na dveh različnih servomotorjih lahko z napravo ustvarite dva različna svetlobna lista.

Za nadzor hitrosti enosmernega motorja sem na Arduino priključil potenciometer, ki sprejema vhod potenometra in oddaja signal v električni regulator hitrosti (ESC). ESC nato nadzira hitrost motorja (precej primerno ime, ja), odvisno od upora potenciometra.

Stanje vklopa/izklopa laserja nadzirate tako, da jih povežete z oddajnikom tranzistorja, ki deluje v nasičenosti (t.j. deluje kot električno stikalo). Krmilni signal se pošlje na osnovo tranzistorja, ki preko laserja nadzoruje tok. Tu je vir za nadzor obremenitve s tranzistorjem z arduinom:

Položaj servomotorjev nadzoruje tudi Arduino. Ko se deska vrti, lahko s svetlobno ploščo upravljate s spreminjanjem položaja servo. Brez vnosa uporabnika lahko samo to ustvari dinamične svetlobne liste, ki očarajo. Obstajajo tudi ultrazvočni senzorji, nameščeni okoli roba naprave, ki se uporabljajo za ugotavljanje, ali oseba polaga roko blizu svetlobnih listov. Ta vhod se nato uporabi za premikanje laserjev za ustvarjanje novih svetlobnih listov ALI za ustvarjanje MIDI signala. Priključek MIDI je priključen za prenos signala MIDI na napravo za predvajanje MIDI.

Korak 3: Krmiljenje brezkrtačnega motorja z Arduinom

Če želite ustvariti vrtinčaste svetlobne plošče, morate laserski žarek zasukati. Da bi to dosegel, sem se odločil poskusiti uporabiti brezkrtačni enosmerni motor. Spoznal sem, da so te vrste motorjev zelo priljubljene pri modelih letal in brezpilotnih letal, zato sem ugotovil, da bi jih bilo zelo enostavno uporabljati. Med potjo sem naletel na nekaj pomanjkljivosti, vendar sem na splošno zadovoljen, kako motor deluje za projekt.

Najprej je treba motor namestiti. Po meri sem oblikoval del, ki drži motor in ga pritrdi na ploščo, v kateri je naprava. Ko je bil motor varen, sem motor priključil na ESC. Kolikor sem prebral, se zdi res težko uporabljati motor brez krtačk brez njega. Za vrtenje motorja sem uporabil Arduino Mega. Sprva nisem mogel zagnati motorja, ker sem samo priključil krmilni signal na 5V ali maso, ne da bi pravilno nastavil osnovno vrednost ali umeril ESC. Nato sem sledil vadnici Arduino s potenciometrom in servo motorjem in motor se je vrtel! Tukaj je povezava do vadnice:

Žice ESC lahko dejansko na kakršen koli način priključite na motor brez krtačk. Potrebovali boste nekaj ženskih konektorjev za banane. Debelejši rdeči in črni kabli na ESC so povezani z enosmernim napajanjem pri 12V, črno -beli kabli na krmilnem priključku ESC pa na ozemljitev in krmilni zatič na Arduinu. Oglejte si ta videoposnetek, če želite izvedeti, kako umeriti ESC:

4. korak: Konstrukcija ohišja laserskega lista

Ko se motor vrti, je čas za izdelavo ohišja iz lahke pločevine. Kos vezanega lesa sem odrezal s CNC strojem, lahko pa uporabite tudi žago. Vezan les drži ultrazvočne senzorje in ima v njem luknjo za namestitev kosa pleksi stekla. Pleksi steklo je treba na les pritrditi z epoksidom. Izvrtane so luknje, da se zdrsni obroč prilega.

Nato se izreže še en okrogel list vezanega lesa, ki drži motor brez ščetk. V tem lesenem listu so izvrtane luknje, tako da lahko žice preidejo pozneje pri gradnji. Po pritrditvi nosilca motorja in izvrtanju lukenj sta dva lista vezanega lesa pritrjena z deskami 1x3, razrezanimi približno 15 cm, in kovinskimi nosilci. Na fotografiji lahko vidite, kako je pleksi steklo nad motorjem in laserji.

5. korak: Sklop laserskega in servo motorja

Variabilne svetlobne plošče nastajajo s premikanjem laserjev glede na os vrtenja. Oblikoval sem in 3D natisnil nosilec, ki pritrdi laser na servo in nosilec, ki poveže servo z vrtečo se desko. Servo najprej pritrdite na servo nosilec z dvema vijakoma M2. Nato potisnite matico M2 v nosilec laserja in privijte nastavitveni vijak, da laser ostane na svojem mestu. Preden laser priključite na servo, se prepričajte, da je servo zavrtljen v središčni delovni položaj. S pomočjo vadnice za servo usmerite servo na 90 stopinj. Nato z vijakom namestite laser, kot je prikazano na sliki. Moral sem dodati tudi kanček lepila, da se laser ne bi nenamerno premaknil.

Za izdelavo deske sem uporabil laserski rezalnik, ki ima dimenzije približno 3 cm x 20 cm. Največja velikost svetlobnega lista je odvisna od velikosti lesene deske. Nato smo na sredini deske izvrtali luknjo, tako da se prilega gredi motorja brez krtačk.

Nato sem zlepil lasersko-servo sklop na desko, tako da so bili laserji centrirani. Prepričajte se, da so vse komponente na deski uravnotežene glede na os vrtenja deske. Spajate priključke JST na laserje in servo kable, tako da jih lahko v naslednjem koraku povežete z drsnikom.

Končno pritrdite desko s pritrjenimi laserskimi servo sklopi na motor brez krtač s podložko in matico. Na tej točki preizkusite motor brez krtačk in se prepričajte, da se deska lahko vrti. Pazite, da motorja ne vozite prehitro ali da roko ne postavite na pot vrtenja deske.

6. korak: Namestitev drsnika

Kako preprečite zapletanje žic med vrtenjem elektronike? Eden od načinov je, da uporabite baterijo za napajanje in jo priključite na vrtljivi sklop, kot je v tem navodilu POV. Drug način je uporaba drsnika! Če še niste slišali za zanko ali jo že uporabljali, si oglejte ta odličen video, ki prikazuje, kako deluje.

Najprej pritrdite druge konce priključkov JST na drsnik. Ne želite, da so žice predolge, ker obstaja možnost, da se pri vrtenju deske kaj ujamejo. Drsnik sem pritrdil na pleksi steklo nad motorjem brez krtačk in vrtal v luknje za vijake. Pri vrtanju bodite previdni, da ne pokate pleksi stekla. Za natančnejše luknje lahko uporabite tudi laserski rezalnik. Ko je drsnik pritrjen, priključite konektorje.

Na tej točki lahko priključite drsne žice na zatiče Arduina, da opravite nekaj predhodnih testov z laserskim generatorjem pločevine.

7. korak: Spajkanje elektronike

Izrezala sem prototipno ploščo, da povežem vso elektroniko. Ker sem uporabil 12V napajalnik, moram uporabiti dva dc-dc pretvornika: 5V za laserje, servomotorje, potenciometer in MIDI priključek ter 9V za Arduino. Vse je bilo povezano, kot je prikazano na diagramu, s spajkanjem ali ovitjem žice. Plošča je bila nato povezana s 3D tiskanim delom s pomočjo PCD stojal.

8. korak: Izdelava škatle za elektroniko

Vsa elektronika je shranjena v leseni škatli. Za stranice škatle sem izrezal les 1x3 in na eni strani prerezal veliko odprtino, da so lahko šle žice na nadzorni plošči. Strani sta bili povezani z majhnimi lesenimi bloki, lepilom za les in vijaki. Ko se je lepilo posušilo, sem obrusil stranice škatle, da izravnam vse pomanjkljivosti v škatli. Nato sem rezal tanek les za sprednjo, zadnjo in spodnjo stran škatle. Dno je bilo pribito ob straneh, sprednji in zadnji del pa sta bila prilepljena na škatlo. Na koncu sem izmeril in izrezal luknje dimenzij komponent na sprednji plošči škatle: priključek za napajalni kabel, priključek USB, priključek MIDI in potenciometer.

9. korak: Namestitev elektronike v škatlo

Napajalnik sem pritrdil na škatlo z vijaki, Arduino z nosilcem po meri in vezje, ustvarjeno v 7. koraku. sprednja plošča. Vtičnica za izmenični tok je bila priključena na napajalnik, enosmerni izhod napajalnika pa na vhode pretvornikov Buck in kable, ki so povezani z brezkrtačnim motorjem. Motorne, servo in laserske žice se nato speljejo skozi luknjo v vezanem lesu navzdol do škatle z elektroniko. Preden sem se lotil ultrazvočnih senzorjev, sem posamezno preizkusil komponente in se prepričal, ali je vse pravilno povezano.

Sprva sem kupil vtičnico za izmenični tok, vendar sem prebral nekaj precej slabih ocen o njenem taljenju, zato sem imel na sprednji plošči luknje nepravilne velikosti. Zato sem oblikoval in 3D natisnil nekaj vtičnic, ki ustrezajo velikosti izrezanih lukenj.

10. korak: Montaža in ožičenje ultrazvočnih senzorjev

Na tej točki so vsi laserji, servomotorji, motor brez krtačk in priključek MIDI priključeni na Arduino in jih je mogoče upravljati. Zadnji korak strojne opreme je priključitev ultrazvočnih senzorjev. Oblikoval sem in 3D natisnil ultrazvočni senzor. Nato sem ožičil in enakomerno pritrdil sklope ultrazvočnih senzorjev na zgornjo ploščo vezanega lesa generatorja svetlobnih listov. Žico za zavijanje žice so speljali do škatle za elektroniko z vrtanjem lukenj v listu vezanega lesa. Žični ovoj sem priključil na ustrezne zatiče na Arduinu.

Bil sem nekoliko razočaran nad delovanjem ultrazvočnega senzorja. Delali so zelo dobro na razdaljah med 1 cm in 30 cm, vendar je merjenje razdalje zelo hrupno izven tega območja. Za izboljšanje razmerja med signalom in šumom sem poskušal izmeriti mediano ali povprečje več meritev. Vendar signal še vedno ni bil dovolj zanesljiv, zato sem na koncu nastavil mejo za igranje note ali spreminjanje laserskega lista na 25 cm.

11. korak: Programiranje dinamičnega laserskega vrtinca

Ko so vsa ožičenja in montaža končana, je čas za programiranje naprave za svetlobne liste! Možnosti je veliko, vendar je splošna ideja, da sprejmemo vhode ultrazvočnih senzorjev in pošljemo signale za MIDI ter nadzor laserjev in servomotorjev. V vseh programih vrtenje deske nadzorujete z obračanjem gumba potenciometra.

Potrebovali boste dve knjižnici: NewPing in MIDI

Priložena je celotna koda Arduino.

Druga nagrada na Invention Challengeu 2017