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[影像]摄影滑轨DIY制作 [复制链接]

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现在网上很多在售的摄影滑轨动辄好几千(手动的除外),且很多自己想要的运动设置都是没有的,因为那东西不可能满足每一个人需要,于是我开始自己去做一个,自己设计硬件、写驱动代码,主要用于延时摄影。下面把制作的详细步骤分享给大家(当然现在这个滑轨硬件还是存在很多不足需慢慢优化)。
滑轨整体

滑轨最主要就是X轴(水平移动)和Z轴(旋转),如下图:
摄影滑轨DIY制作

1.1 X轴水平滑动第一需要滑动的组件、第二需要一个驱动的力,滑动的组件首先想到雕刻机所使用的的滑块,平稳、受力均匀,驱动刚开始是想用皮带传动,后面仔细考量还是决定用丝杆,其实两者各有好处:丝杆输出力矩大,精度高,但长度1米多的丝杆总会那么点不直(重力导致),因此在丝杆中部转动时会出现轻微上下起伏;而皮带则是速度快,精度低些,输出的力不能太大,长度长的会有点弹性,这也是不愿见到的。综合考虑还是觉得用丝杆。
滑动部分则是用12mm直径3k碳纤维杆(1mm厚)+12mm直线轴承座,但悲剧的事件出现了,在收到滑块和碳纤维杆时发现碳纤维杆虽说是12mm外径,但有的地方直径却到了12.4mm,滑块穿进去后卡在那,毕竟不是用于精密工业的,只好用砂纸一点点打磨(打磨不能多也不要少);此外碳纤维杆还有另一个问题,由于它直径仅有12mm,因此在滑块运动中到了中部出现轻微抖动(中间弹性大),早知道就买20mm直径2mm厚的碳纤维了,现在也没法改了,因为要改的话滑块、支撑座等全部都得换,因此得在程序里想办法了。
摄影滑轨DIY制作
1.2 Z轴则简单多了,42mm长轴步进电机(信浓的)+皮带传动,后来还是遇到了另一个棘手问题,那步进电机在断电时用手轻轻一转就能转动,因此无法保持Z所在角度,后来只好用减速步进电机代替它,价格更便宜且稳定性也好。
摄影滑轨DIY制作
之后将其固定在6mm亚克力板上,但开始设计时看错了滑块的长度(短了2mm),后来为此将9块板子上所有滑块的孔扩了2mm,用了3个多小时,先用电动工具打磨,再用锉刀手动加工。
摄影滑轨DIY制作
红框处均要将孔位偏移2mm,下面的8块是补偿丝杆平面与滑块间的高度差。
摄影滑轨DIY制作
装电路板的盒子,空间有限于是将它固定在X轴电机下方。
摄影滑轨DIY制作

2.驱动部分解决了,现在就是电路部分,电路首先耗电要低,且面积不能大,不然得外置了,于是有了下面的结构:0.96的OLED显示屏+5V超小降压模块+A4988模块+ULN2003芯片+ATmega328P芯片,本来预留了串口可以扩展增加蓝牙或wifi模块,但由于程序空间不足所以也没加了。
摄影滑轨DIY制作

3.1 X位置0点信号用微动开关检测,Z轴用霍尔传感器(后来发现Z的0点没必要其检测)。
摄影滑轨DIY制作
3.2 电池需采用8V以上的电压,后来直接采用4节18650电池,降低了电流,保证了续航及A4988输出的力矩。
摄影滑轨DIY制作
4.1 那么一切设计均准备好后就开始安装及制作了。先把碳纤维杆组好X轴,确定好杆子平行且露出长度一致,说实话有点难把握,因为那个轴承支撑座有几个不是同一的体型,固定孔位有点偏了,买的数量刚合适没有多的,但也懒得再去买了。最后把丝杆和电机装上,丝杆可先不固定,因为Z平台还未装。
摄影滑轨DIY制作
4.2 Z平台安装的确有点麻烦,预先设计的孔位不能用(因为后来临时换为减速步进电机),首先重新打安装孔,调节松紧度,由于减速电机的轴里面是塑料的,后来又在其上方加了个亚克力板支撑顶端。
摄影滑轨DIY制作
摄影滑轨DIY制作
旋转部分装好,接着就把滑块和T8螺母装上:
摄影滑轨DIY制作
完成主要机械部分,接下来就是制作电路和安装电路了。


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摄影滑轨DIY 2
5.先根据接插口和固定孔位等绘制PCB的边界,再根据原理图画好PCB板。
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由于用雕刻机清除部分区域,所以时间用了2个小时,焊好元件后再用测试程序测试各个部分是否正常,幸运的是全部都无问题,雕刻机刻出的线很容易出现短路,不过刻得深就没事(但线间距就得很大)。接着将其涂上一层绿油,可恨的是用那365nmUV紫外线紫光led照了半天一点反应都没,后来直接用蓝紫激光逐片照,不过效果还不错。
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其中mega328是以前留下的最小系统板(原理图有其输出IO说明),通过插针焊接到主板上,节省了部分主板面积。其下部由唯一的一个指示灯,以前打算用来指示运行状态,由于有OLED屏,所以现在此灯用于指示快门按下。

6. 下面就是程序部分了,调试程序时我是用它来代替相机的:
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这个分量应该够了。先是测试Z旋转,减速步进电机是64:1的,加上皮带4:1减速,所以是4096步为90度,电机是1/2细分,所以8步一个周期。X轴是2mm导程丝杆,A4988为1/8细分,因此800steps/mm,X有效运动长度1024mm,由于负载的关系,若速度快则必会失步,因此最后调节为:Z转动时5ms一步,X轴300us一步。
其次整个程序是利用定时器来定时,到时间则驱动按一定量输出,设置时需设置一下基本信息:每步步长(每次转多少角度或长度)、运动多少次、每次运动间隔,此外还有运动总时长限定、运动范围限定、循环次数、运动方向,部分参数可不输入,只要有足够参数能确定每步所走的长度或角度、运动间隔即可,其余会自动算出(若信息不足会自动取消执行本次运动)。另外重要的一点就是按下快门完毕后才开始运动(即等待N ms->按下快门->运动),不仅留有足够时间平稳且不会影响延时摄影过程。这些都是基本算法,只是要时间调试而已,其次就是操作界面,在那OLED屏上做良好的interface估计有点难,但做到简单实用倒是可以的,因此设置了三级菜单:
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总共三个按键,左键/中键/右键,中键由两个功能:一个是进入菜单,或者说是确认,用于进入菜单及设置时切换选项;另一个就是退出(长按约1s),此外在一级菜单下,长按会直接进入当前选项的运动模式。左右两个键则是上下选择菜单或增减数值。

7.1 其实主要的程序还是目标追踪及其设定,这不得不先了解简单的三角函数等:
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上面演示了相机中心线与目标成α°时的各种情况。假设相机中心点正对目标,以第一种为例:
在此先简单说下目标如何校准设定,只需四步即可,第一是将相机固定放好,并将目标放到最终取景的状态;第二步调节Z角度使相机取景中心对着目标物体,这时就能知道上图的α角度;第三步将相机调节到中心线与AB垂直,即相机平面与AB同平面,这时就能得到CA与AB成的角度,即角A;第四步,Z平台会运动至X末端(B点),此时再调整相机角度使其中心线对着目标,这时就能得到角B的值。
得到基本参数后就能利用公式算出CH、AH的值,tan∠B=CH/BH,tan∠A=CH/AH,而BH-AH=AB=1024mm,因此CH/ tan∠B- CH/ tan∠A=1024mm,角A、B已知,所以CH就算出来了,同时也可求得AH的值。
在α=0时,为保证相机始终正对着物体,相机在X各点位置可通过CH、AH和相机在Z轴的角度(中心线与AB的夹角a’)算出:x=CH/tan∠a’-AH。当然也可以从X的位置反推出Z需转的角度。

7.2 但若相机不是正中心对准目标呢(α≠0)?为了追踪目标中心线与目标的夹角α在各处有何种情况?
首先在A点时相机中心线与物体夹角为α,然后相机沿X运动。假设相机是沿着以目标为圆心的圆形轨迹,则相机就能把目标的360度全部拍摄出,且目标始终处在取景器里某一特定位置(即夹角保持不变)。
下面用图来简单分析(下图相机中心线BO与BC夹角为α度):
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先以C做一个圆,半径为CA的距离,在CB上交点为B’,OE垂直OB,OE为实际成像照片右半部分(O为中点),作B’D平行BE,作B’O’平行BO,那么在B’那拍照(视角角度不变,角O’B’C和角OBC均为α°)所成的照片右半边就为O’D。因此只要证明C点在O’D所在位置的比例与C在OE所在位置的比例一样,就能说明无论在B点拍摄还是在B’位置拍,目标C在照片的相对位置是不变的,仅仅大小会有点变化。
证明也很简单,B’D平行BE,B’O’平行BO,则三角形OBE与三角形O’B’D相似,所以O’C/OC=CB’/CB=CD/CE,即O’C/CD =OC/CE。
因此只要先将相机中心线运动对准目标,然后再转α角度就能在任何位置保持目标在照片中位置与在A点时的一致。
上面就是目标追踪模式的简单原理,不过也有的是用机械原理实现的,但没拆过不太了解具体原理。

8.1 其次是控制相机,最开始设计时是考虑再单独使用快门线来实现延时摄影(相机控制信号有快门线定时发送),只要滑轨定时周期与快门线的一致,则它就能同步进行拍照,但这个同步太难把握了,于是就不得不进行电路改进,这也导致Z轴的原点校准功能去掉了(实际没什么用),但主控部分到Z平台仅有一根数据线,且航空插头只有8芯,步进电机就用了5芯了,剩下3芯不但要控制快门、对焦,还得采集快门何时关闭,地线必须占一根,剩下2根线如何实现那三个功能?
先来简单介绍下快门线工作原理,其实它主要就是起到一个短接作用,如下图Canon快门2.5mm插头:
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短接就能操作相机,快门那是按下一瞬间相机就打开快门,若不是B门(B门是断开快门短接才关闭快门)则关闭时间由相机决定。那么再看看如何检测快门是否关闭了,其实相机热靴上是有输出的,最中间那个圆点和地间在快门开启时处于短接状态,快门关闭后则断开。
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8.2 虽然知道了原理,但是问题是可用的信号线不够,那么如何能切换端口输出和输入呢?刚开始是打算使用一个8脚单片机,通过发送指令去控制,但是又觉得有点浪费,所以最后还是觉得用三极管等单路去实现它。
当然最开始肯定是用NI Multisim仿真原理,最后得到如下电路:
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S1模拟快门信号输入,Q1的集电极接控制输出,Q2集电极那端接单片机IO,S2、S3模拟单片机输出高低电平。作为输出模式时,S1断开,则Q1导通(R8上拉),在单片机输出高时,Q3也导通,最终将被控端拉低;输入模式时单片机IO为弱下拉模式,在S1短接时Q1处于非导通状态,Q2基极为低电平,Q2导通,则单片机IO被拉至高电平,同时被控端因Q1关闭也不会输出。这样就实现了单个IO即控制输出又能实现另一端口输入。
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此时还需增加引线到相机,下面是做好的两根线:
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2.5mm插头是接相机,3.5mm四节的接到Z平台上的耳机插口上。
摄影滑轨DIY 2
不插热靴则不检测快门的关闭(直接用下面那跟2.5mm转3.5mm的线即可),电路板用热熔胶密封以便防水,但是那步进电机却没法防水。
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[ 此帖被ly7317090803在2017-02-13 22:19重新编辑 ]
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9. 下面是跟踪目标模式下的照片(不要在意里面的景物):
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全部硬件概览:
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主控部分及X轴驱动部分,95%螺丝螺母均采用304不锈钢的:
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还有四个支撑脚未装,还没找到好的固定办法(虽然买了8mm螺杆,150mm长,但那些都不是重点)。
Z平台:
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这就是八百多元的东西(仅是硬件上的成本),若要挑问题则一定能挑出很多,比如设定追踪目标时若移动到X末端(B点)再调节相机角度,此时估计手就不够长了,因为要在末端查看相机取景处(不过现在很多相机均可用手机wifi连接查看),这也是省去繁杂线的代价,但这完全是自主设计的,算不得优秀,不过也算及格了。
看似简单的东西在制作中遇到了n多个困难,唯有靠自己逐个解决,DIY是种精神,更是一种自我折腾。下面是主要设计文件及程序:
CAD亚克力板定做(已修改).zip (86 K) 下载次数:7
主控板原理图及PCB.zip (928 K) 下载次数:10
I_O小板原理图及PCB.zip (454 K) 下载次数:10
ATmega328程序.zip (30 K) 下载次数:16
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enterenter M币 +1 这。。。。 02-21
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seali89 M币 +25 挺不错的,但是为什么追踪的不是保持在中间呢? 02-17
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楼主动手能力强
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更新的略慢 这个投入有点大
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离线azzajazz

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这个是用来申精的

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在线花生仔

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謝謝分享,这么高大上的东西。
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离线zhaoyu3517

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想做这个好多年,但是就是因为懒。国外有个emotimo 源代码开源的,可以拿来看看。
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离线无语

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好帖子,可惜咱哥们动手能力有限,只能看着流口水了

这贴是申精的节奏啊,今天的专家先给你,怎么也得比骚版下手快不是
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