📄Работа №212539
Тема: Построение стабилизированного подвеса камеры с использованием двухосного акселерометра
Характеристики работы
Тип работы
Дипломные работы, ВКР
Предмет
Информационные системы
Объем:
118 листов
Год:
2021
Просмотров:
49
4600
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 9
1.1 Анализ технического задания 9
1.2 Обзор существующих аналогов стабилизированного подвеса 10
1.3 Выбор кинематической схемы и основных элементов устройства 13
1.4 Принцип действия датчика угловой скорости 15
1.5 Отладочная плата STM32F3DISCOVERY 19
1.6 Принцип действия шагового электродвигателя 21
Вывод по первому разделу 25
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДВЕСА 26
2.1 Описание конструкции стабилизированного подвеса 26
2.2 Создание 3D-модели прототипа 27
2.2.1 Проектирование держателя для смартфона 27
2.2.2 Проектирование плеч подвеса 29
2.2.3 Проектирование ручки 31
2.2.4 Сборка стабилизированного подвеса 32
2.3 Пластик для 3D-принтера 33
Вывод по второму разделу 35
3 ОЦЕНОЧНЫЙ ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ 36
3.1 Расчет на жесткость держателя для смартфона с применением
ABS пластика 36
3.2 Расчет на жесткость держателя для смартфона с применением
PLA пластика 43
Вывод по третьему разделу 45
4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ДЛЯ СЪЕМА ПОКАЗАНИЙ С ГИРОСКОПА
L3GD20 ПРИ ПОМОЩИ STM32 47
4.1 Подключение гироскопа L3GD20 47
4.2 Создание графического интерфейса в Visual Studio 56
4.3 Обработка полученных данных с гироскопа L3GD20 с применением
теории фильтра Калмана 60
4.4 Анализ полученных данных с гироскопа L3GD20 62
4.4.1 Гироскоп в состоянии покоя 64
4.4.2 Измерение при скорости вращения поворотного стола 15 % 67
4.4.3 Измерение при скорости вращения поворотного стола -15 % 70
4.4.4 Измерение при скорости вращения поворотного стола 30 °/с 73
4.3.5 Измерение при скорости вращения поворотного стола -30 % 75
Вывод по четвертому разделу 78
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 80
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 82
ПРИЛОЖЕНИЯ 84
ПРИЛОЖЕНИЕ А 84
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 92
ПРИЛОЖЕНИЕ В 98
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 99
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 105
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 109
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 113
ПРИЛОЖЕНИЕ И 116
ПРИЛОЖЕНИЕ К 117
ПРИЛОЖЕНИЕ Л 118
ПРИЛОЖЕНИЕ М 119
ПРИЛОЖЕНИЕ Н 120
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 9
1.1 Анализ технического задания 9
1.2 Обзор существующих аналогов стабилизированного подвеса 10
1.3 Выбор кинематической схемы и основных элементов устройства 13
1.4 Принцип действия датчика угловой скорости 15
1.5 Отладочная плата STM32F3DISCOVERY 19
1.6 Принцип действия шагового электродвигателя 21
Вывод по первому разделу 25
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДВЕСА 26
2.1 Описание конструкции стабилизированного подвеса 26
2.2 Создание 3D-модели прототипа 27
2.2.1 Проектирование держателя для смартфона 27
2.2.2 Проектирование плеч подвеса 29
2.2.3 Проектирование ручки 31
2.2.4 Сборка стабилизированного подвеса 32
2.3 Пластик для 3D-принтера 33
Вывод по второму разделу 35
3 ОЦЕНОЧНЫЙ ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ 36
3.1 Расчет на жесткость держателя для смартфона с применением
ABS пластика 36
3.2 Расчет на жесткость держателя для смартфона с применением
PLA пластика 43
Вывод по третьему разделу 45
4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ДЛЯ СЪЕМА ПОКАЗАНИЙ С ГИРОСКОПА
L3GD20 ПРИ ПОМОЩИ STM32 47
4.1 Подключение гироскопа L3GD20 47
4.2 Создание графического интерфейса в Visual Studio 56
4.3 Обработка полученных данных с гироскопа L3GD20 с применением
теории фильтра Калмана 60
4.4 Анализ полученных данных с гироскопа L3GD20 62
4.4.1 Гироскоп в состоянии покоя 64
4.4.2 Измерение при скорости вращения поворотного стола 15 % 67
4.4.3 Измерение при скорости вращения поворотного стола -15 % 70
4.4.4 Измерение при скорости вращения поворотного стола 30 °/с 73
4.3.5 Измерение при скорости вращения поворотного стола -30 % 75
Вывод по четвертому разделу 78
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 80
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 82
ПРИЛОЖЕНИЯ 84
ПРИЛОЖЕНИЕ А 84
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 92
ПРИЛОЖЕНИЕ В 98
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 99
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 105
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 109
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 113
ПРИЛОЖЕНИЕ И 116
ПРИЛОЖЕНИЕ К 117
ПРИЛОЖЕНИЕ Л 118
ПРИЛОЖЕНИЕ М 119
ПРИЛОЖЕНИЕ Н 120
📖 Аннотация
В данной выпускной квалификационной работе представлено проектирование и моделирование прототипа двухосного стабилизированного подвеса для камеры с использованием двухосного акселерометра. Актуальность исследования обусловлена растущим спросом на доступные и эффективные системы стабилизации изображения как в бытовой видеосъемке, так и в профессиональных областях, например, для архивации документов, где требуется высокое качество и отсутствие вибраций. Основным результатом работы является разработанная в среде SolidWorks трехмерная модель подвеса, удовлетворяющая заданным техническим требованиям, включая углы поворота ±60° и диапазон измеряемых угловых скоростей. Были выполнены прочностные расчеты ключевых компонентов, подтвердившие надежность конструкции, а также разработано программное обеспечение для считывания данных с гироскопа L3GD20, их преобразования и передачи через интерфейс пользователя. Научная значимость заключается в адаптации и интеграции методов обработки данных инерциальных датчиков для систем активной стабилизации, в то время как практическая ценность состоит в создании функционального прототипа, пригодного для дальнейшей оптимизации и применения в различных условиях. В теоретической части работы проведен анализ существующих решений, таких как стабилизаторы Feiyu FY-G4 и Moza Mini-Mi, а также рассмотрены научные подходы к калибровке инерциальных датчиков, описанные в трудах Ю.В. Болотина, В.И. Капли и А.И. Антохина.
📖 Введение
Современные подходы к видеосъемке зачастую требуют получения стабилизированного изображения. В повседневной жизни подавляющее число людей используют смартфон для записи различных видео с цифровой или оптической стабилизацией изображения. При съемке в движении основной трудностью является получение стабилизированного изображения, лишенного тряски и колебаний. Без стабилизации изображение будет неизбежно колебаться при съемке с рук, что может сделать его непригодным для использования. Поэтому стабилизированные подвесы для камеры (или смартфона) имеют большую популярность.
Стабилизаторы для смартфонов становятся все более популярными, ведь качество мобильной фотографии постоянно повышается и уже превосходит традиционные компактные камеры по ряду аспектов.
Стабилизированные подвесы актуальны как в быту, так и на производстве. В некоторых организациях ведется фото или видеосъемка различных документов для архива, например, чертежи, спецификации, пояснительные записки, технические отчеты и так далее, по этой причине стабилизированные подвесы могут быть полезны.
В данной выпускной квалификационной работе проектируется SD-модель собственного стабилизированного подвеса камеры. Проектирование будет производиться для определенной модели смартфона. В дальнейшем можно будет изменить подвес (сделать его не для конкретного смартфона, а, например, для камеры) и использовать на производстве при видеозаписи документов и т.д.
Стабилизированный подвес для съемки в движении представляет собой устройство, которое способно удерживать камеру в определенной ориентации по двум взаимно перпендикулярным осям.
В данном устройстве нет необходимости добавлять третью ось стабилизации, потому что, имея две оси, появляется возможность направлять камеру вокруг оси оператора, при этом стабилизируя две остальные оси.
Главными преимуществами данного стабилизированного подвеса являются:
• Простота конструкции.
Благодаря простому исполнению конструкции данное устройство является более дешевым, по сравнению с аналогичными стабилизированными подвесами. Его большей дешевизне также способствует отсутствие дополнительных режимов съемки. Данный подвес достаточно лишь включить, чтобы он начал свою работу.
• Возможность печати на SD-принтере.
Данное устройство отличается от аналогов тем, что его конструкцию можно целиком распечатать на SD-принтере благодаря SD-модели, которая включает в себя минимальное количество только необходимых деталей.
В ходе данной работы был написан код в IAR Embedded Workbench для получения данных с гироскопа L3GD20 и передачи их по протоколу Modbus в Visual Studio, где был создан графический интерфейс пользователя для вывода значений угловых скоростей с двух осей гироскопа.
Целью выпускной квалификационной работы является проектирование прототипа стабилизированного подвеса смартфона с использованием гироскопа L3GD20 и микроконтроллера STM32 для проведения фото и видеосъемки в отделе архивирования технической информации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести обзор аналогов стабилизированных подвесов.
2. Изобразить прототип конструкции стабилизированного подвеса камеры в программе SolidWorks.
3. Произвести оценочный прочностной расчет в SolidWorks.
4. Подключить гироскоп L3GD20 с помощью микроконтроллера STM32 и разработать программу управления.
Стабилизаторы для смартфонов становятся все более популярными, ведь качество мобильной фотографии постоянно повышается и уже превосходит традиционные компактные камеры по ряду аспектов.
Стабилизированные подвесы актуальны как в быту, так и на производстве. В некоторых организациях ведется фото или видеосъемка различных документов для архива, например, чертежи, спецификации, пояснительные записки, технические отчеты и так далее, по этой причине стабилизированные подвесы могут быть полезны.
В данной выпускной квалификационной работе проектируется SD-модель собственного стабилизированного подвеса камеры. Проектирование будет производиться для определенной модели смартфона. В дальнейшем можно будет изменить подвес (сделать его не для конкретного смартфона, а, например, для камеры) и использовать на производстве при видеозаписи документов и т.д.
Стабилизированный подвес для съемки в движении представляет собой устройство, которое способно удерживать камеру в определенной ориентации по двум взаимно перпендикулярным осям.
В данном устройстве нет необходимости добавлять третью ось стабилизации, потому что, имея две оси, появляется возможность направлять камеру вокруг оси оператора, при этом стабилизируя две остальные оси.
Главными преимуществами данного стабилизированного подвеса являются:
• Простота конструкции.
Благодаря простому исполнению конструкции данное устройство является более дешевым, по сравнению с аналогичными стабилизированными подвесами. Его большей дешевизне также способствует отсутствие дополнительных режимов съемки. Данный подвес достаточно лишь включить, чтобы он начал свою работу.
• Возможность печати на SD-принтере.
Данное устройство отличается от аналогов тем, что его конструкцию можно целиком распечатать на SD-принтере благодаря SD-модели, которая включает в себя минимальное количество только необходимых деталей.
В ходе данной работы был написан код в IAR Embedded Workbench для получения данных с гироскопа L3GD20 и передачи их по протоколу Modbus в Visual Studio, где был создан графический интерфейс пользователя для вывода значений угловых скоростей с двух осей гироскопа.
Целью выпускной квалификационной работы является проектирование прототипа стабилизированного подвеса смартфона с использованием гироскопа L3GD20 и микроконтроллера STM32 для проведения фото и видеосъемки в отделе архивирования технической информации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести обзор аналогов стабилизированных подвесов.
2. Изобразить прототип конструкции стабилизированного подвеса камеры в программе SolidWorks.
3. Произвести оценочный прочностной расчет в SolidWorks.
4. Подключить гироскоп L3GD20 с помощью микроконтроллера STM32 и разработать программу управления.
✅ Заключение
В результате выполнения выпускной квалификационной работы была
спроектирована трехмерная модель прототипа стабилизированного подвеса
камеры в программе SolidWorks. В качестве чувствительного элемента был
использован датчик угловой скорости (гироскоп) L3GD20, расположенный на
отладочной плате STM32F3DISCOVERY. Данный стабилизированный подвес
удовлетворяет всем требованиям технического задания: имеет две оси: одна ось
перпендикулярна фронтальной плоскости, а вторая горизонтальная и
перпендикулярна первой; углы поворота по двум осям составляют ±60; диапазон
измерений угловых скоростей ±90 /мин. Также данная конструкция удовлетворяет
диапазону рабочих температур от 0 до +40 С.
Для детали «Держатель для смартфона» был выполнен оценочный прочностной
расчет в SolidWorks Simulation. В результате данного расчета было выяснено, что
конструкция достаточно жесткая и прочная, чтобы выдержать нагрузку от
смартфона и отладочной платы.
Также в данной работе была разработана программа для съема показаний с
гироскопа L3GD20. В среде разработки IAR Embedded Workbench был написан код
для конфигурации настроечных регистров, а также получение данных с гироскопа.
Данные, принятые с гироскопа, были преобразованы в угловую скорость и
переданы по протоколу Modbus в графический пользовательский интерфейс в
программе Visual Studio.
На последнем этапе работы был проведен эксперимент. Отладочная плата
STM32F3DISCOVERY с расположенным на ней гироскопом L3GD20 была
прикреплена к поворотному столу МПУ-1. Было проведено измерение в состоянии
покоя, а также четыре измерения, в которых поворотный стол вращался с разной
угловой скоростью по часовой и против часовой стрелки.
По полученным данным с гироскопа были построены графики в программе
Excel. Исходя из графиков, можно сделать вывод о том, что сигнал, получаемый с гироскопа, сильно зашумлен. Поэтому было решено применить теорию фильтра
Калмана, приняв данный шум за «белый».
Применив теорию фильтра Калмана, были построены графики для сравнения
показаний до и после фильтрации. Из графиков видно, что фильтрация значительно
уменьшила шум. А расчеты относительных погрешностей и СКО подтвердили это.
Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод о том, что в ходе работы
были решены все поставленные задачи.
Дальнейшая работа в данном направлении заключается в следующем. Так как
выяснилось, что одних показаний с гироскопа недостаточно, то в дальнейшем, для
более эффективной фильтрации, необходимо использовать систему из нескольких
датчиков: гироскопа, акселерометра и магнитометра для того, чтобы получить
отфильтрованные значения за счет применения фильтра, например,
комплиментарного.
спроектирована трехмерная модель прототипа стабилизированного подвеса
камеры в программе SolidWorks. В качестве чувствительного элемента был
использован датчик угловой скорости (гироскоп) L3GD20, расположенный на
отладочной плате STM32F3DISCOVERY. Данный стабилизированный подвес
удовлетворяет всем требованиям технического задания: имеет две оси: одна ось
перпендикулярна фронтальной плоскости, а вторая горизонтальная и
перпендикулярна первой; углы поворота по двум осям составляют ±60; диапазон
измерений угловых скоростей ±90 /мин. Также данная конструкция удовлетворяет
диапазону рабочих температур от 0 до +40 С.
Для детали «Держатель для смартфона» был выполнен оценочный прочностной
расчет в SolidWorks Simulation. В результате данного расчета было выяснено, что
конструкция достаточно жесткая и прочная, чтобы выдержать нагрузку от
смартфона и отладочной платы.
Также в данной работе была разработана программа для съема показаний с
гироскопа L3GD20. В среде разработки IAR Embedded Workbench был написан код
для конфигурации настроечных регистров, а также получение данных с гироскопа.
Данные, принятые с гироскопа, были преобразованы в угловую скорость и
переданы по протоколу Modbus в графический пользовательский интерфейс в
программе Visual Studio.
На последнем этапе работы был проведен эксперимент. Отладочная плата
STM32F3DISCOVERY с расположенным на ней гироскопом L3GD20 была
прикреплена к поворотному столу МПУ-1. Было проведено измерение в состоянии
покоя, а также четыре измерения, в которых поворотный стол вращался с разной
угловой скоростью по часовой и против часовой стрелки.
По полученным данным с гироскопа были построены графики в программе
Excel. Исходя из графиков, можно сделать вывод о том, что сигнал, получаемый с гироскопа, сильно зашумлен. Поэтому было решено применить теорию фильтра
Калмана, приняв данный шум за «белый».
Применив теорию фильтра Калмана, были построены графики для сравнения
показаний до и после фильтрации. Из графиков видно, что фильтрация значительно
уменьшила шум. А расчеты относительных погрешностей и СКО подтвердили это.
Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод о том, что в ходе работы
были решены все поставленные задачи.
Дальнейшая работа в данном направлении заключается в следующем. Так как
выяснилось, что одних показаний с гироскопа недостаточно, то в дальнейшем, для
более эффективной фильтрации, необходимо использовать систему из нескольких
датчиков: гироскопа, акселерометра и магнитометра для того, чтобы получить
отфильтрованные значения за счет применения фильтра, например,
комплиментарного.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.