Interaktiver Laser Sheet Generator mit Arduino - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Laser können verwendet werden, um unglaubliche visuelle Effekte zu erzeugen. In diesem Projekt habe ich eine neue Art von Laserdisplay konstruiert, das interaktiv ist und Musik spielt. Das Gerät dreht zwei Laser, um zwei wirbelartige Lichtflächen zu bilden. Ich habe Abstandssensoren in das Gerät eingebaut, damit die Laserblätter manipuliert werden können, indem Sie Ihre Hand darauf zu bewegen. Während die Person mit den Sensoren interagiert, spielt das Gerät auch Musik über einen MIDI-Ausgang ab. Es enthält Ideen von Laserharfen, Laserwirbeln und POV-Displays.

Das Instrument wird mit einem Arduino Mega gesteuert, der die Eingänge von Ultraschallsensoren aufnimmt und die Art des gebildeten Laserblatts und der erzeugten Musik ausgibt. Aufgrund der vielen Freiheitsgrade der Rotationslaser können unzählige verschiedene Laserblechmuster erstellt werden.

Ich habe ein vorläufiges Brainstorming zu dem Projekt mit einer neuen Kunst-/Technikgruppe in St. Louis namens Dodo Flock durchgeführt. Emre Sarbek hat auch erste Tests an den Sensoren durchgeführt, die zur Erkennung von Bewegungen in der Nähe des Geräts verwendet werden.

Wenn Sie ein Laserfoliengerät konstruieren, denken Sie bitte daran, Laser und rotierende Scheiben sicher zu betreiben.

Update 2020: Mir wurde klar, dass die mit den Lasern erstellte Oberfläche ein Hyperboloid ist.

Schritt 1: Lieferliste

Materialien

Laser -

Bürstenloser Motor -

Elektronischer Geschwindigkeitsregler -

Servomotoren -

Transistoren

Sperrholz

Plexiglas

Ultraschallsensoren

Schleifring -

Weiße LEDs -

Abwärtswandler

Wire-Wrap-Draht

MIDI-Anschluss

Potentiometer und Knöpfe -

Hardware - 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…

Widerstände

JST-Anschlusskabel -

Wechselstromschalter

12V Netzteil -

Holzkleber

Sekundenkleber

Holzschrauben

USB-Verlängerungskabel -

Werkzeuge:

Lötkolben

Kabelschneider

Stichsäge

Kreissäge

Mikrometer

Bohrmaschine

Schritt 2: Übersicht und Schema

Ein Laserstrahl erzeugt einen gut kollimierten (d. h. schmalen) Lichtstrahl, so dass eine Möglichkeit, eine Lichtfläche zu erzeugen, darin besteht, den Strahl schnell in einem bestimmten Muster zu bewegen. Um beispielsweise ein zylindrisches Lichtblatt zu erstellen, würden Sie einen Laser um eine Achse parallel zu seiner Richtung drehen. Um einen Laser schnell zu bewegen, können Sie einen Laser an einem Holzbrett befestigen, das an einem bürstenlosen Gleichstrommotor befestigt ist. Allein damit können Sie coole zylindrische Laserwirbel erzeugen!

Andere Laser-Wirbel-Projekte erreichen dies durch Anbringen eines geneigten Spiegels an der Rotationsachse mit einem stationären Laser, der auf den Spiegel gerichtet ist. Dadurch entsteht ein Laserblechkegel. Bei diesem Design scheinen jedoch alle Laserbleche aus einem einzigen Ursprung zu stammen. Wenn die Laser wie bei dem von mir gebauten Design außerhalb der Achse positioniert sind, können Sie konvergierende Laserblätter erstellen, wie die im Video gezeigte Sanduhrform.

Aber was wäre, wenn Sie möchten, dass die Lichtbögen dynamisch und interaktiv sind? Dazu befestigte ich zwei Laser an Servos und befestigte dann die Servos auf dem Holzbrett. Jetzt können die Servos den Winkel des Lasers in Bezug auf die Drehachse des Motors einstellen. Indem Sie zwei Laser an zwei verschiedenen Servos haben, können Sie mit dem Gerät zwei verschiedene Lichtblätter erstellen.

Um die Geschwindigkeit des Gleichstrommotors zu steuern, habe ich ein Potentiometer an einen Arduino angeschlossen, der den Eingang des Potenometers nimmt und ein Signal an den elektrischen Geschwindigkeitsregler (ESC) ausgibt. Der ESC regelt dann die Drehzahl des Motors (ein ziemlich passender Name, ja), abhängig vom Widerstand des Potentiometers.

Der Ein-/Aus-Zustand des Lasers wird gesteuert, indem er mit dem Emitter eines Transistors verbunden wird, der in Sättigung arbeitet (d. h. als elektrischer Schalter arbeitet). Ein Steuersignal wird an die Basis des Transistors gesendet, der den Strom durch den Laser steuert. Hier ist eine Quelle zum Steuern einer Last mit einem Transistor mit einem Arduino:

Die Position der Servos wird auch mit dem Arduino gesteuert. Während sich die Planke dreht, kann das Lichtblatt durch Ändern der Servoposition manipuliert werden. Allein dies kann ohne jegliche Benutzereingaben dynamische Lichtblätter erzeugen, die hypnotisieren. Am Rand des Geräts sind auch Ultraschallsensoren angebracht, mit denen festgestellt werden kann, ob eine Person ihre Hand in die Nähe der Lichtplatten hält. Dieser Eingang wird dann verwendet, um entweder die Laser zu bewegen, um neue Lichtblätter zu erzeugen, ODER ein MIDI-Signal zu erzeugen. Eine MIDI-Buchse wird angeschlossen, um das MIDI-Signal an ein MIDI-Spielgerät zu übertragen.

Schritt 3: Steuerung des bürstenlosen Motors mit Arduino

Um wirbelartige Lichtblätter zu erzeugen, müssen Sie den Laserstrahl drehen. Um dies zu erreichen, beschloss ich, einen bürstenlosen Gleichstrommotor zu verwenden. Ich habe gelernt, dass diese Art von Motoren bei Modellflugzeugen und Drohnen sehr beliebt sind, also dachte ich, dass es ziemlich einfach zu bedienen wäre. Auf dem Weg bin ich auf ein paar Probleme gestoßen, aber insgesamt bin ich zufrieden damit, wie der Motor für das Projekt funktioniert.

Zuerst muss der Motor montiert werden. Ich habe ein Teil entworfen, um den Motor zu halten und ihn an einer Platine zu befestigen, die das Gerät hält. Nachdem der Motor sicher war, verband ich den Motor mit dem ESC. Von dem, was ich gelesen habe, klingt es wirklich schwierig, einen bürstenlosen Motor ohne einen zu verwenden. Um den Motor drehen zu lassen, habe ich einen Arduino Mega verwendet. Anfangs konnte ich den Motor nicht zum Drehen bringen, weil ich nur das Steuersignal an 5V oder Masse anschloss, ohne einen Grundlinienwert richtig einzustellen oder den ESC zu kalibrieren. Ich folgte dann einem Arduino-Tutorial mit einem Potentiometer und einem Servomotor, und das brachte den Motor zum Drehen! Hier ist ein Link zum Tutorial:

Die ESC-Drähte können eigentlich beliebig mit dem bürstenlosen Motor verbunden werden. Sie benötigen einige weibliche Bananenstecker. Die dickeren roten und schwarzen Kabel am ESC sind an eine DC-Stromversorgung mit 12 V angeschlossen, und die schwarzen und weißen Kabel am Steueranschluss des ESC sind mit Masse bzw. einem Steuerpin des Arduino verbunden. In diesem Video erfahren Sie, wie Sie den Regler kalibrieren:

Schritt 4: Konstruieren des Laser Sheet Chassis

Nachdem der Motor zum Drehen gebracht wurde, ist es Zeit, das Lichtblechchassis aufzubauen. Ich schneide ein Stück Sperrholz mit einer CNC-Maschine, aber Sie können auch eine Stichsäge verwenden. Das Sperrholz hält die Ultraschallsensoren und hat ein Loch darin, um ein Stück Plexiglas zu passen. Das Plexiglas sollte mit Epoxidharz am Holz befestigt werden. Es werden Löcher gebohrt, damit der Schleifring hindurchpasst.

Eine weitere runde Sperrholzplatte wird dann geschnitten, um den bürstenlosen Motor zu halten. In diese Holzplatte werden Löcher gebohrt, damit später in der Konstruktion Drähte hindurchgehen können. Nach dem Anbringen der Motorhalterung und dem Bohren von Löchern werden die beiden Sperrholzplatten mit 1x3 Brettern, die ca. 15 cm lang geschnitten sind, und Metallklammern befestigt. Auf dem Foto sehen Sie, wie sich das Plexiglas über dem Motor und den Lasern befindet.

Schritt 5: Laser- und Servomotorbaugruppe

Die variablen Lichtblätter werden durch bewegte Laser bezüglich der Rotationsachse erzeugt. Ich habe eine Halterung entworfen und in 3D gedruckt, die einen Laser an einem Servo befestigt, und eine Halterung, die das Servo mit der sich drehenden Planke verbindet. Befestigen Sie zuerst das Servo mit zwei M2-Schrauben an der Servohalterung. Schieben Sie dann eine M2-Mutter in die Laserhalterung und ziehen Sie eine Stellschraube fest, um den Laser an Ort und Stelle zu halten. Bevor Sie den Laser an das Servo anschließen, müssen Sie sicherstellen, dass das Servo in seine zentrierte Betriebsposition gedreht ist. Richten Sie das Servo mithilfe des Servo-Tutorials auf 90 Grad aus. Montieren Sie dann den Laser wie im Bild gezeigt mit einer Schraube. Ich musste auch einen Klecks Kleber hinzufügen, um sicherzustellen, dass sich der Laser nicht unbeabsichtigt verschiebt.

Ich habe einen Laserschneider verwendet, um die Planke zu erstellen, die Abmessungen von etwa 3 cm x 20 cm hat. Die maximale Größe des Lichtbogens hängt von der Größe des Holzbretts ab. Dann wurde in die Mitte der Diele ein Loch gebohrt, damit es auf die bürstenlose Motorwelle passt.

Als nächstes klebte ich die Laser-Servo-Baugruppe auf die Planke, so dass die Laser zentriert waren. Stellen Sie sicher, dass alle Komponenten der Diele in Bezug auf die Rotationsachse der Diele ausbalanciert sind. Löten Sie JST-Stecker an die Laser und Servokabel, damit diese im nächsten Schritt mit dem Schleifring verbunden werden können.

Schließlich befestigen Sie die Planke mit angebrachten Laser-Servo-Baugruppen mit einer Unterlegscheibe und Mutter auf dem bürstenlosen Motor. Testen Sie an dieser Stelle den bürstenlosen Motor, um sicherzustellen, dass sich die Planke drehen kann. Achten Sie darauf, den Motor nicht zu schnell zu fahren oder Ihre Hand in die Rotationsbahn der Diele zu legen.

Schritt 6: Installieren des Schleifrings

Wie verhindern Sie, dass sich die Drähte beim Drehen der Elektronik verheddern? Eine Möglichkeit besteht darin, eine Batterie für eine Stromversorgung zu verwenden und sie an die Spinnbaugruppe anzuschließen, wie in diesem POV-Anleitung. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Schleifrings! Wenn Sie noch nie von einem Slingring gehört oder einen benutzt haben, sehen Sie sich dieses großartige Video an, das zeigt, wie es funktioniert.

Befestigen Sie zuerst die anderen Enden der JST-Anschlüsse am Schleifring. Sie möchten nicht, dass die Drähte zu lang sind, da sie sich beim Drehen der Diele möglicherweise an etwas verfangen können. Ich habe den Schleifring am Plexiglas über dem bürstenlosen Motor befestigt, um Löcher für Schrauben zu bohren. Achten Sie beim Bohren darauf, dass das Plexiglas nicht bricht. Sie können auch einen Laserschneider verwenden, um präzisere Löcher zu erhalten. Sobald der Schleifring angebracht ist, verbinden Sie die Anschlüsse.

An dieser Stelle können Sie die Schleifringdrähte an Pins eines Arduino anschließen, um einige Vorversuche mit dem Laserblattgenerator durchzuführen.

Schritt 7: Löten der Elektronik

Ich schneide eine Prototypenplatine, um die gesamte Elektronik anzuschließen. Da ich ein 12-V-Netzteil verwendet habe, muss ich zwei DC-DC-Wandler verwenden: 5 V für die Laser, Servos, Potentiometer und MIDI-Buchse und 9 V für den Arduino. Alles wurde wie im Diagramm gezeigt entweder durch Löten oder Drahtwickeln verbunden. Die Platine wurde dann mit PCD-Abstandshaltern mit einem 3D-gedruckten Teil verbunden.

Schritt 8: Aufbau der Elektronikbox

Die gesamte Elektronik ist in einer Holzkiste untergebracht. Ich schneide 1x3 Holz für die Seiten der Box und schneide eine große Öffnung in eine Seite, damit die Drähte an einem Bedienfeld durchgehen können. Die Seiten wurden mit kleinen Holzblöcken, Holzleim und Schrauben verbunden. Nachdem der Kleber getrocknet war, schleifte ich die Seiten der Schachtel ab, um alle Unvollkommenheiten in der Schachtel auszugleichen. Dann schneide ich dünnes Holz für die Vorder-, Rückseite und Unterseite der Box. Der Boden wurde an den Seiten genagelt und die Vorder- und Rückseite wurden auf die Schachtel geklebt. Schließlich habe ich die Abmessungen der Komponenten auf der Vorderseite der Box gemessen und Löcher geschnitten: die Stromkabelbuchse, die USB-Buchse, die MIDI-Buchse und das Potentiometer.

Schritt 9: Elektronik in die Box einbauen

Ich befestigte das Netzteil mit Schrauben an der Box, das Arduino mit einer benutzerdefinierten Halterung und die in Schritt 7 erstellte Platine. Das Potentiometer und die MIDI-Buchse wurden zuerst mit Drahtwickeldraht an die Platine angeschlossen und dann an die Frontblende. Die AC-Buchse wurde mit dem Netzteil verbunden und der DC-Ausgang des Netzteils wurde mit den Eingängen der Buck-Wandler und Kabel verbunden, die mit dem bürstenlosen Motor verbunden sind. Die Motor-, Servo- und Laserdrähte werden dann durch ein Loch im Sperrholz bis zur Elektronikbox geführt. Bevor ich mich mit den Ultraschallsensoren beschäftigt habe, habe ich die Komponenten einzeln getestet, um sicherzustellen, dass alles richtig verdrahtet ist.

Ich habe zunächst eine Wechselstrombuchse gekauft, aber einige ziemlich schlechte Bewertungen darüber gelesen, dass sie schmilzt, sodass ich Löcher auf der Vorderseite falsch dimensioniert hatte. Daher habe ich einige Klinkenadapter entworfen und in 3D gedruckt, um der Größe der von mir geschnittenen Löcher zu entsprechen.

Schritt 10: Montage und Verdrahtung der Ultraschallsensoren

An diesem Punkt sind die Laser, Servos, der bürstenlose Motor und die MIDI-Buchse alle mit dem Arduino verbunden und können von diesem gesteuert werden. Der letzte Hardwareschritt ist der Anschluss der Ultraschallsensoren. Ich habe einen Ultraschallsensor entworfen und in 3D gedruckt. Ich habe dann die Ultraschallsensorbaugruppen verdrahtet und gleichmäßig an der oberen Sperrholzplatte des Lichtblattgenerators befestigt. Der Drahtwickeldraht wurde durch Bohren von Löchern in die Sperrholzplatte bis zur Elektronikbox geführt. Ich habe die Wire Wrap mit den entsprechenden Pins des Arduino verbunden.

Von der Leistung des Ultraschallsensors war ich etwas enttäuscht. Sie funktionierten ziemlich gut für Entfernungen zwischen 1 cm - 30 cm, aber die Entfernungsmessung ist außerhalb dieses Bereichs sehr verrauscht. Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, habe ich versucht, den Median oder Durchschnitt mehrerer Messungen zu nehmen. Das Signal war jedoch immer noch nicht zuverlässig genug, so dass ich den Cut-Off für das Spielen einer Note oder das Wechseln des Lasersheets auf 25cm eingestellt habe.

Schritt 11: Programmierung des dynamischen Laserwirbels

Nachdem alle Verdrahtungen und Montagen abgeschlossen sind, ist es Zeit, das Lichtblattgerät zu programmieren! Es gibt viele Möglichkeiten, aber die Gesamtidee besteht darin, die Eingänge der Ultraschallsensoren aufzunehmen und Signale für MIDI auszusenden und die Laser und Servos zu steuern. In allen Programmen wird die Rotation der Diele durch Drehen des Potentiometer-Knopfes gesteuert.

Sie benötigen zwei Bibliotheken: NewPing und MIDI

Im Anhang ist der vollständige Arduino-Code.

Zweiter Preis bei der Invention Challenge 2017