UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE QUERÉTARO INGENIERÍA MECATRÓNICA
PROYECTO INTEGRADOR 8VO CUATRIMESTRE
SISTEMA ESTABILIZADOR AUTOMATIZADO PARA GRABAR CON DISPOSITIVOS MÓVILES “SCAMPRO”
ALUMNOS:
LEAL RODRIGUEZ HAZAEL RODRIGUEZ ESTRADA LUIS ENRRIQUE GARCÍA RUBIO ALBERT SALDAÑA GARCÍA RUBÉN PROFESOR
MATA DONJUAN GLORIA FLOR
GRUPO: M125
FECHA: 10/ABRIL/2018 10/ABRIL/2018
Índice Resumen ................................................................................................................. 3 Introducción ............................................................................................................. 3 Antecedentes .......................................................................................................... 4 Objetivos ................................................................................................................. 5 Objetivos Particulares ............................................................................................. 5 Fundamentación teórica .......................................................................................... 5 Metodología........................................................................................................... 11 Resultados y Discusión ......................................................................................... 16 Conclusiones ......................................................................................................... 18 Referencias ........................................................................................................... 18 Índice de Ilustraciones Ilustración 1 Estructura del gimbal .......................................................................... 5 Ilustración 2 Rotación del gimbal alrededor el eje del motor 1 ................................ 6 Ilustración 3 Rotación del gimbal alrededor el eje del motor 2 ................................ 6 Ilustración 4 Arduino Nano ...................................................................................... 7 Ilustración 5 Motor Brushless .................................................................................. 9 Ilustración 6 Sensor giroscopio con señalización de respectivos ejes .................. 10 Ilustración 7 Funcionamiento interno de un sensor giroscópio MEMS .................. 10 Ilustración 8 Resultados obtenidos del estudio de mercado ................................. 11 Ilustración 9 Estructura del primer prototipo .......................................................... 12 Ilustración 10 Simulación de circuito ..................................................................... 12 Ilustración 11 Circuito en físico con amplificadores operacionales........................ 13 Ilustración 12 Diseño final de estructura ............................................................... 13 Ilustración 13 Estructura con cargas ..................................................................... 14 Ilustración 14 Diagrama de bloques de la parte electrónica .................................. 15 Ilustración 15 Diseño de circuito electrónico ......................................................... 15 Ilustración 16 Deformaciones de columna. ........................................................... 16 Ilustración 17 Deformación de soporte de celular ................................................. 16 Ilustración 18 Prueba de circuito en físico ............................................................. 17 Índice de tablas Tabla 1 Componentes utilizados en el primer prototipo Tabla 2 Datos de los materiales
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Resumen
En la actualidad existe un índice alto de personas que cuentan con redes sociales y realizan actividades físicas según datos de la página TechCrunch y de la INNE respectivamente, estas personas suelen grabar videos desde su celular de las actividades físicas que realizan ya sea durante o después de hacer el ejercicio, el problema de estos videos es la mala calidad ya que debido a los movimientos producidos por el cuerpo humano la cámara del móvil está en constante movimiento causando perturbaciones en la grabación. Es por esto que diseñamos un sistema estabilizador de dispositivos móviles con cámara (celulares) el cual consiste de 2 ejes XY, con un motor para cada eje el cual deberá seguir la señal mandada por un sensor giroscopio proporcionando un ángulo de giro a los motores para mantener el dispositivo móvil en una posición y gracias a esto se compensen estas perturbaciones producidas por el contexto permitiendo obtener una grabación más fluida y de mejor calidad, este sistema no interrumpe ni causa molestia al usuario mientras realiza la actividad física.
Introducción
Esta técnica fue inventada en 1976 por Garrett Brown como un sistema para paliar los movimientos indeseados del operador y así suavizar y estabilizar las imágenes (https://www.garrettcam.com/). Actualmente las redes sociales tienen un gran impacto en la sociedad, existen 2.3 millones de usuarios de los cuales el 44% de la población de jóvenes en México entre 18 y 24 años de edad son personas activas físicamente y los cuales hacen publicaciones en redes sociales respecto al deporte que practican y debido a que las grabaciones las hacen con el celular en la mano sus videos no son de buena calidad debido a las perturbaciones que se producen por el cuerpo por lo que nace la necesidad de diseñar un estabilizador de cámara. En la actualidad en los mercados podemos encontrar una amplia variedad de estabilizadores tanto profesionales enfocados al área del cine, como no profesionales para uso convencional, los dos tipos para mejorar la calidad del video, pero son de un elevado costo y ninguno está dirigido específicamente a las personas que realizan actividad física. Es por esto que se realizó este sistema estabilizador diseñado específicamente para personas que practican algún deporte y gustan de grabar de él mientras lo hacen. En el presente artículo se muestra el desarrollo de la parte mecánica y electrónica del estabilizador, así como los resultados obtenidos y las conclusiones debidas.
Antecedentes Design, construction and control of a SCARA manipulator with 6 degrees of freedom Diseño, construcción y control de un manipulador SCARA con 6 grados de libertad Autores del artoiculo Claudio Urrea, Juan Cortés, José Pascal Universidad de Santiago de Chile, Santiago, Chile Received 18 May 2016; accepted 28 September 2016 Available online 2 December 2016 Control de Posicion e Inercial de Plataforma de Dos ´ Grados de Libertad
Autores del articulo Francisco R. Rubio, Manuel G. Ortega y Francisco Gordillo Depto. Ingenier´åa de Sistemas y Automatica, ´ Escuela Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla. Camino de los Descubrimientos s/n. 41092- Sevilla. Espana. ˜ Telf. +34 954487350, Fax: +34 954487340, E-mail:
[email protected] Control Robusto de Posicion para un Sistema Mec ´ anico Subactuado ´ con Friccion y Holgura El ´ astica
Autores del articulo Raúl Rascón, Joaquín Álvarez, Luis T. Aguilar Universidad Autónoma de Baja California (UABC), Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Blvd. Benito Juárez y Calle de la Normal S/N, 21280 Mexicali, México. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE), Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones, Carretera Ensenada-Tijuana 3918, 22860 Ensenada, B.C., México. Instituto Politécnico Nacional, CITEDI, avenida del parque 1310 Mesa de Otay 22510 Tijuana B.C., México.
Objetivos
Elaborar un sistema capaz de reducir las perturbaciones producidas en direcciones horizontal y vertical por el cuerpo humano en un 90% a la hora de grabar un video con un celular para las primeras semanas del mes de Agosto 2018. Objetivos Particulares
Realizar el control digital de 2 servomotores. Elaboración del diseño mecánico final. Crear el diseño eléctrico con variables (depende del control digital)
Fundamentación teórica
Previamente al proceder a realizar nuestro estabilizador es necesario saber cómo es que funciona, que material es el más usado en estos dispositivos, que tipo de motores son los más recomendables, los sensores y todo en general. Básicamente todo aquello que se ocupara para realizar el dispositivo completamente funcional. De esta manera se destacaron varios puntos a consideración, por lo cual se realizó la siguiente investigación: Tenemos que saber que un estabilizador de dispositivos móviles, también es conocido como gimbal, el cual básicamente es una plataforma motorizada y que se controla mediante una placa con varios sensores.
Ilustración 1 Estructura del gimbal
Estos generalmente son por medio de acelerómetros y compás magnético que se encargan de mantener un objeto estabilizado en todo momento. En la mayoría de los casos el objeto en cuestión es una cámara, o un Smartphone. Al estabilizar el objeto, no importa el movimiento que realice la persona que porta este objeto, ya que quedará siempre estable y permitirá tomar buenas capturas. Es así que la mayoría de estos gimbal tiene dos o tres ejes. Partiendo de esto, también debemos conocer que la mayoría de los gimbal para Smartphone son muy ligeros, de tamaños reducidos y fáciles de transportar en todo momento, lo que los hace atractivos ante el mercado. Debemos saber que el sistema de control que gobierna cada uno de los motores es el encargado de actuar sobre ellos de forma que la base del gimbal conserve una determinada orientación. En las siguientes figuras se representa el gimbal en dos posiciones diferentes. Véase como en ambos casos el giro combinado de los dos motores produce que la base sobre la que se ubica la cámara se mantenga en una posición fija. De este modo su orientación permanece inalterada pese al movimiento exterior del sistema.
Ilustración 2 Rotación del gimbal alrededor el eje del motor 1
Ilustración 3 Rotación del gimbal alrededor el eje del motor 2
Es así que conocida la posición de la cámara, un sistema de control será el encargado de determinar cuál es el giro necesario en cada uno de los ejes, y por lo tanto la excitación necesaria en cada uno de los motores. De esta manera es que se planteó la idea de desarrollar el estabilizador pensado en deportistas, de manera que el peso y el tamaño serán factores muy importantes a tomar en consideración al momento de establecer un diseño final del dispositivo, pues meramente podría cambiar debido a esta característica. ARDUINO
El Arduino Nano es una pequeña y completa placa basada en el ATmega328 la cual se pretende utilizar en este estabilizador. Es muy compacto y puedes ser utilizado fácilmente en un protoboard. Tiene más o menos la misma funcionalidad que el Arduino Uno, pero con una presentación diferente. La placa es compatible 100%. No posee conector para alimentación externa, y funciona con un cable USB Mini-B (incluido) en vez del cable estándar.
Ilustración 4 Arduino Nano
Algunas de sus características son las siguientes: Microcontrolador: Atmel ATmega328 (ATmega168 versiones anteriores) Tensión de Operación (nivel lógico): 5 V Tensión de Entrada (recomendado): 7-12 V Tensión de Entrada (límites): 6-20 V Pines E/S Digitales: 14 (de los cuales 6 proveen de salida PWM)
Entradas Analógicas: 8 Corriente máx por cada PIN de E/S: 40 mA Frecuencia de reloj: 16 MHz Dimensiones: 18,5mm x 43,2mm
Motores Brushless Los motores de corriente continua sin escobillas (BLDC) son uno de los tipos de motores que más popularidad ha ganado en los últimos años. Actualmente, los motores Brushless se emplean en sectores industriales tales como: Automóvil, Aeroespacial, Consumo, Médico, equipos de automatización e instrumentación. Estos tienen la característica de que no emplean escobillas en la conmutación para la transferencia de energía; en este caso, la conmutación se realiza electrónicamente. Esta propiedad elimina el gran problema que poseen los motores eléctricos convencionales con escobillas, los cuales producen rozamiento, disminuyen el rendimiento, desprenden calor, son ruidosos y requieren una sustitución periódica y, por tanto, un mayor mantenimiento. Todas estas ventajas se resumen, entonces, en herramientas que ofrecen:
Mayor número de RPM Mayor autonomía de la batería Menos calor generado Mayor durabilidad Mayor potencia Tamaño más pequeño y compacto Menor peso Funcionamiento más silencioso
Por lo cual este tipo de motores son los que se plantean utilizar en el proyecto, por todas las ventajas antes mencionadas.
Ilustración 5 Motor Brushless
Sensor giroscopio La velocidad angular es la tasa de cambio del desplazamiento angular por unidad de tiempo, es decir que tan rápido gira un cuerpo alrededor de su eje: Los giroscopios utilizan un MEMS (MicroElectroMechanical Systems) para medir la velocidad angular usando el efecto Coriolis Con un giroscopio podemos medir la velocidad angular, y si se integra la velocidad angular con respecto al tiempo se obtiene el desplazamiento angular (posición angular si se sabe dónde se inició el giro). EL módulo Acelerómetro MPU tiene un giroscopio de tres ejes con el que podemos medir velocidad angular y un acelerómetro también de 3 ejes con el que medimos los componentes X, Y y Z de la aceleración. La dirección de los ejes está indicado en el módulo el cual hay que tener en cuenta para no equivocarnos en el signo de las aceleraciones.
Ilustración 6 Sensor giroscopio con señalización de respectivos ejes
La comunicación del módulo es por I2C, esto le permite trabajar con la mayoría de microcontroladores. Los pines SCL y SDA tienen una resistencia pull-up en placa para una conexión directa al microcontrolador o Arduino. En este caso se utiliza un Arduino nano el cual se enlaza al giroscopio para que de esta manera pueda arrojar los valores obtenidos y compensar los movimientos que se van a llegar a tener al momento de grabar un video. ¿Cómo funciona el giroscopio MEMS para detectar la velocidad angular?
Ilustración 7 Funcionamiento interno de un sensor giroscópio MEMS
El sensor MEMS dentro de un giroscopio es muy pequeño (entre 1 a 100 micrómetros, el tamaño de un cabello humano). Cuando se hace girar el giroscopio, una pequeña masa de resonancia se desplaza con los cambios de velocidad angular. Este movimiento se convierte en señales eléctricas de mu y bajas corrientes que se pueden amplificar para ser leídas por un microcontrolador. [1]
Metodología Etapa 1 Estudio de Mercado
Se realizó una encuesta por medo de internet para saber si la idea era viable y cuáles serían las observaciones de los posibles clientes para agregarlas al proyecto. Los resultados nos trajeron mucha información importante y mostraron que la propuesta era viable y podría tener un impacto en la sociedad juvenil.
Ilustración 8 Resultados obtenidos del estudio de mercado
Etapa 2 Primer Prototipo
Materiales que se utilizaron para la realización de la etapa 2 Tabla 1 Componentes utilizados en el primer p rototipo
Equipo Fuente alimentación Multímetro
Materiales 1 servomotor
Software Solidworks
cable Amplificadores operacionales
Proteus
Paso 1
Se elaboró un diseño e solidworks el cual se pudiera adaptar a un casco y tuviera el orificio para adaptar el servomotor.
Ilustración 9 Estructura del primer prototipo
Paso 2
Se realizó de forma analógica con amplificadores operacionales para hacer una simulación del comportamiento del motor con respecto a un punto de referencia en el programa Proteus.
Ilustración 10 Simulación de circuito
Paso 3
Se montó el circuito y se realizaron pruebas para revisar su comportamiento.
Ilustración 11 Circuito en físico con amplificadores operacionales
Etapa 3 Segundo Prototipo Paso 1
Se realizó el diseño con las medidas adecuadas tomando en cuenta el tamaño de los motes a usar y los dispositivos que se emplearían para realizar grabaciones, el diseño se hizo en el software SolidWorks para posteriormente poder realizar un estudio estático y comprobar que la estructura soportaría las cargas involucradas. La estructura está dividida en 4 secciones, la primera es la parte donde se sujetará a los usuarios, la segunda es donde se coloca un motor el cual compensa los movimientos en el eje “x”, la tercera es donde se encuentra el segundo motor que controla el movimiento en eje “y”, la última sección es donde se coloca el dispositivo
móvil.
Ilustración 12 Diseño final de estructura
Paso 2
Con los pesos calculados tabla 2 se hizo el análisis estático en el software SolidWorks simulando el sistema en un ambiente con perturbaciones y con las cargas presentadas. Tabla 2 Datos de los materiales
Nombre
Celular.
Descripción
Lista de Materiales Especificación
Dispositivo móvil utilizado para grabar video
(GM6008L)
Motores especiales de alto torque y b aja velocidad diseñados para estabilizadores.
Armadura Plástico ABS
La armadura del diseño cuenta con un volumen de 149,526.039 mm^3
Motor Brushless.
Sensor (mpu6050) Sensor integrado con acelerómetro y giroscopio
Ilustración 13 Estructura con cargas
Masa: 90g Dimensiones: 14x7x0.5 cm
Masa: 80g Kv: 28 V:10v Modulo Elástico: 2000 N/mm^2 Densidad: 1020 Kg/m^3 Masa: 450g
Masa=15g Dimensiones 3.0, 3.0, 0.3
Peso 2.98N
0.78N
4,41N
0.14715 N
Paso 3
La parte electrónica no es más que un sistema de control en lazo cerrado.
Ilustración 14 Diagrama de bloques de la parte electrónica
Como podemos observar, el sistema se basa en un punto de referencia el cual es la posición que nosotros deseamos que mantenga la cámara a pesar de las perturbaciones. Esta posición es proporcionada desde nuestro programa Arduino y se especifica con las 2 coordenadas de un eje contenido en el sensor MPU 6050, cabe mencionar que cada eje es controlado por un servomotor. Nuestra retroalimentación se efectúa por medio de una resta de valores dentro del programa de Arduino en la cual se resta el valor de las posiciones resultantes del movimiento producido por el usuario y la posición de referencia, haciendo actuar a los servomotores de cada respectivo eje mientras la diferencia de posiciones sea diferente de cero. Una vez la diferencia de posiciones sea igual a cero los motores no actuaran debido a que la cámara se encuentra en la posición especificada en el programa. Paso 4
Se diseñó el circuito de la parte electrónica en simulación para corroborar que el funcionamiento fuera el adecuado.
Ilustración 15 Diseño de circuito electrónico
Resultados y Discusión
Diseño Mecánico. Después de realizar el estudio estático a las partes claves de nuestro estabilizador en el software “SolidWorks” se obtuvieron y se analizaron los siguientes resultados.
Ilustración 16 Deformaciones de columna.
Las deformaciones en la columna fueron mínimas, aplicando la carga de 8.95N correspondiente a la suma de los pesos de todas las partes del sistema. Esta deformación fue de 0.7mm por lo que el material ABS de la impresión 3D cumple un excelente papel en este diseño. Posteriormente se muestran los resultados de la base del celular con una carga de 2.95N provocada por El mismo.
Ilustración 17 Deformación de soporte de celular
De igual manera se obtuvo una deformación demasiado pequeña de 0.004mm, por lo que no tendremos problemas en esta parte del estabilizador.
Diseño Electrónico. Para uso demostrativo se utilizó dos servomotores en lugar de motores Brushles debido a que no se contaba con los motores especificados en la sección “Etapa 3”.
En cuanto a los resultados obtenidos de la simulación del sistema en el software “Proteus” no se obtuvieron, esto debido a que este software no cuenta con el sensor
giroscopio, ni los servomotores para correr una simulación por lo que se probó en físico.
Ilustración 18 Prueba de circuito en físico
Las pruebas fueron satisfactorias ya que los motores respondieron al giro de cada eje del giroscopio, con lo que nos damos por convencidos de que se podrá compensar los movimientos producidos por el usuario en los ejes “X” y “Y”.
Conclusiones
Se alcanzaron los objetivos planteados y se adquirió información importante para la realización de este proyecto mientras se cumplían los objetivos. Ya que no se consiguieron los motores Brushles y se usaron Servo motores, se está planteando rediseñar nuestro objetivo para utilizar Servo motores en el proyecto final, esto debido a que afecta directamente al precio final del estabilizador, su facilidad de conseguirlos, la complejidad de manipularlos ya que es más práctico y las características de estos cumplen con las especificaciones que necesitamos. Referencias
[1] 5 hertz. (2018). Introducción al giroscopio. 2018, de Electronica Sitio web: https://www.5hertz.com/index.php?route=tutoriales/tutorial&tutorial_id=13 Medya Audiovisual. (2014). ¿Qué es un gimbal?. 2017, de MEDYA Sitio web: http://medya-audiovisual.com/que-es-un-gimbal/ De máquinas y herramientas. (2013). Brushless sin escobillas. 2018, de Máquinas y herramientas Sitio web: http://www.demaquinasyherramientas.com/herramientas-electricas-yaccesorios/tecnologia-brushless-sin-carbones-intro
