Гироскопический стабилизатор для камеры

• Авторы
• Руководители
• Наградные документы

Введение

Обращали ли вы внимание на гирокомпас на кораблях или авиагоризонт на борту самолета? Нам стало интересно как эти приборы сохраняют свое положение независимо от положения корабля или самолета. Как они ориентируются в пространстве и что их стабилизирует? В нашей работе мы самостоятельно сделаем гироскопический стабилизатор для видеокамеры и подробно разберем как он работает.

Актуальность нашей работы заключается именно в создании гироскопического стабилизатора, который наглядно продемонстрирует работу вращающегося механического гироскопа. Обладая пониманием свойств гироскопа, будет легко разобраться в принципе работы сложных стабилизирующих устройств, которые в наше время используются повсеместно: в навигации самолетов, судов, космических кораблей; в стабилизации автомобилей, видеокамер, гироскутеров и квадрокоптеров.

Цель – сделать гироскопический стабилизатор для видеокамеры.

Задачи:

• изучить устройство гироскопа;

• получить опыт в конструировании и изготовлении;

• собрать гироскопический стабилизатор для видеокамеры своими руками;

• провести испытания и сделать выводы.

Объектом исследования стали свойства гироскопа.

Предметом исследования стали возможности гироскопического стабилизатора.

Наша работа предусматривает два этапа:

Теоретический – заключается в изучении литературы, поиске информации и практический – создание и отладка стабилизатора.

В ходе исследования были использованы методы: теоретические (анализ литературы); эмпирические (наблюдение, эксперимент, сравнение).

Использовались несколько видов источников информации: книги, материалы сети Интернет и видеоролики. За основу был взят опыт австрийского инженера Людвига Обри по применению гироскопа для стабилизации курса торпеды.

Гипотеза: собрать стабилизатор можно самостоятельно из доступных каждому материалов.

Характеристика личного вклада учеников: авторы самостоятельно выполнил информационный поиск и анализ литературы. Совместно с научными руководителями сформулировали цель и задачи исследования. Самостоятельно определил перечень необходимых ресурсов, лично проводили все технические и испытательные работы. Авторами лично написаны все разделы исследования. Совместно с научными руководителями обобщены результаты проведённых работ, сформулированы выводы.

Основная часть

Подготовительный теоретический этап

Гироскоп

Гироскопом называется массивное осесимметричное тело (симметричный волчок), быстро вращающееся вокруг оси симметрии, причем ось вращения может изменять положение в пространстве. Ось симметрии называется осью фигуры гироскопа.

С
амым простой и доступный пример гироскопа известный всем с детства это волчок. Волчок привлекает внимание не только детей. Вращающийся волчок обеспечивает удержание на требуемом курсе морских судов, воздушных лайнеров, а также ракет и спутников.

Рисунок 1

С проявлениями гироскопического эффекта мы встречаемся в повседневной жизни столь часто, что во многих случаях даже не обращаем на него внимания. Вряд ли кто-нибудь задумывается над тем, почему при езде на велосипеде человек инстинктивно смещает тело в сторону желаемого поворота. А между тем мы являемся здесь свидетелями практического использования гироскопического эффекта[2, С. 45]. Велосипед, как волчок не падает, пока колеса крутятся.

Каждый из нас может на себе почувствовать действие гироскопа. Попробуйте расставить руки в стороны и начать вращаться, а теперь, сложите руки и попробуйте вращаться снова. Какое из этих вращений было легче?

Тер­мин ГИРОСКО́П пред­ло­жен в 1852 Жан Бернард Леон Фу­ко для изо­бре­тён­но­го им при­бо­ра, пред­на­зна­чен­но­го для де­мон­ст­ра­ции вра­ще­ния Зем­ли во­круг сво­ей оси.

«Гирос» — от греческого «вращение». «Скопео» — от греческого «вижу, наблюдаю». Гироскоп был придуман ранее другим изобретателем, но название этого прибора пошло именно от Фуко.[6]

Свойства гироскопа

Простой механический гироскоп интересен тем, что он способен сохранять неизменное положение оси вращения сопротивляясь воздействию внешних сил.

На практике это означает, что при раскрутке гироскопа и установке его вертикально, диск будет сопротивляться повороту и сохранять то же положение, как и его ось вращения (до тех пор, пока скорость вращения достаточно большая).

Гироскопы за последние сто пятьдесят лет прошли в своем развитии несколько больших этапов принципиальных преобразований, каждый из которых непосредственно связан с историей развития физики и технологий.

Первые промышленные образцы появились в конце XIX века — австрийский инженер Людвиг Обри применил гироскоп для стабилизации курса торпеды. Свойство гироскопа сохранять неизменным положение своей оси в пространстве при большом числе оборотов было использовано для создания простой и надежной системы управления движением торпеды по направлению. Гироскоп оказался пригодным для удержания торпеды на заданном курсе в течение значительно большего промежутка времени, чем требовалось по фактически проходимой дальности.

Хотя детская игрушка — волчок, изучение поведения которого легло в основу теории гироскопов, — известна с древнейших времен, создание гироскопа стало возможным только после серьезного развития классической механики и ее математического аппарата, что заняло значительную часть XVIII и XIX веков. В основу теории гироскопов легли труды многих величайших ученых — от Ньютона и Эйлера до Ковалевской и Жуковского.

В начале 50-х годов коллективу НИИ-944 под руководством В. И. Кузнецова поручили разработать комплекс гироскопических приборов для проектирующейся ракеты-носителя Р-7. С их разработками на орбиту вывели вначале первый искусственный спутник Земли, а после и первый пилотируемый корабль с Юрием Гагариным на борту. Сейчас гироскопы используются в системах навигации во всем, что летает, ездит, плавает. Ну и на конец в июне 2010 Стив Джобс представил первый в истории смартфон с гироскопом, iPhone 4.

Сегодня фото и видеосъемка доступна каждому. И чаще всего мы снимаем на ходу. Вот было бы здорово, чтобы наши кадры всегда оставались четкими, а видеоклипы получались без тряски.

У человека мозг и органы чувств активно «редактируют» получаемое изображение, удаляя все ненужные и мешающие элементы, а также стабилизируя картинку. В противном случае картинка бы смазывалась при ходьбе или беге, и мы ничего не могли бы видеть.

Практический этап

Сбор модели

Нам понадобились материалы:
- ПВХ трубы, переходники и уголки к ним, клей;
- старый компьютерный жёсткий диск;
- контроллер платы драйвера бесщеточного двигателя;
- аккумуляторные батареи 18650 3шт;
- держатель для трех аккумуляторов, провода;
- телефонный 4 четырёх жильный провод;
- металлическая площадка для крепления камеры;
- болтики, винтики, шпильки, шайбочки и гайки;
- подшипники, с внешним диаметром равным внутренним диаметром ПВХ трубы;
- крепление для камеры.

Мы использовали инструменты:

- отвёртка;
- дрель с набором свёрл;
- ножницы;
- паяльник, припой;
- маркер;
- бормашина;
- линейка;
- пластиковые стяжки;
- кусачки;
- ножовка по металлу.

Модель собиралась в несколько этапов:

1. Двигатель. Мы разобрали старый жесткий диск, достали из него двигатель и сами диски. Некоторые винтики не поддавались и их пришлось высверливать. У площадки с двигателем мы просверлили два отверстия, они нужны, чтобы закрепить двигатель на трубе.

2. Запуск двигателя. Двигатель жёсткого диска – бесщёточный (бесколлекторный) мотор, питание которого осуществляется за счет трехфазного переменного тока. К преимуществам относят возможность работы в широком диапазоне оборотов вращения и высокие показатели КПД. Для запуска такого двигателя необходим контроллер, главной функцией которого является передача энергии постоянного тока в направлении от аккумуляторной батареи к трехфазному мотору. Сама передача энергии происходит благодаря специальным силовым ключам, которые открываются и закрываются за минимальное количество времени — доли секунд. Подключили двигатель с помощью телефонного провода к контроллеру, для этого зачистили 4 контакта с обоих концов, припаяли провода к мотору, а к плате подключили с помощью винтовых клеммных колодок.

Припаянные контакты залили клеем, для надежности.

3. Рисунок 11

   Установка двигателя. К трубе ПВХ сделали посадочное место для двигателя, рядом просверлили два отверстия и закрепили двигатель болтами, на которые же с противоположной стороны установили кронштейн для камеры. На двигатель возвращаем записывающие диски. Это и получился гороскоп, скорость вращения двигателя и масса дисков влияют на устойчивость конструкции и обеспечивают гироскопический эффект. Установили противовес из шпилек и шайб.

4. П
   одшипники. Для обеспечении подвижности рамки в горизонтальной и вертикальной плоскости была использована сборка, которую мы выполнили из болта М6 длиной 5см, двух подшипников и 3 гаек. Подшипники, хоть и подбирались под диаметр трубы, но оказались на 2мм больше внутреннего диаметра ПВХ трубы. Потребовалось расточить внутренний диаметр трубы до нужного размера.

Рисунок 12

5. Конструкция. Собрали всю конструкцию из трубы, уголков и тройников с помощью клея, предварительно распилив трубу на детали требуемой длины ножовкой по металлу.

Крепление вертикального элемента кронштейна к рукоятке была выполнена болтом М3, для возможности закрепления гироскопа на штатив.

6. А
   ккумуляторы. На коробке-держателе для аккумуляторов спаяли последовательное соединение, чтобы суммировать напряжение и получить нужные нам

Рисунок 16

10V. Для зарядки аккумуляторов предусмотрели и спаяли соединение по схеме:

Рисунок 17

У
становили аккумуляторы и контроллер в пластиковую коробку и закрепили его с помощью винтов на трубе. Стяжками зафиксировали провод от двигателя к трубе.

Рисунок 18

Характеристики стабилизатора и результаты тестирования

После сборки и установки камеры потребовалось сбалансировать гироскоп. Мы добавляли шайбы на противовес и проверяли по уровню, чтобы камера была установлена ровно.

После первого тестирования модели были выявлены недостатки: вибрация от двигателя передавалась камере, что сказывалось на качестве видеоизображения. Мы проложили мягкий материал у крепления камеры и подвеса. Дальнейшее тестирование происходило успешно. Мы сняли видео и фото с работающим двигателем и без него.

Ссылка на видео без работы двигателя: https://disk.yandex.ru/i/cjhnEdiPtHQrZA

Ссылка на видео с включенным двигателем: https://disk.yandex.ru/i/FvqY1RItgBFl3g

Рисунок 19 – фотография без работы двигателя. Рисунок 20 – фотография с включенным двигателем.

Из плюсов можно отметить удобный держатель конструкции. Наличие двух рукояток позволяет быстро и плавно менять направление, а также снижает усталость оператора, характерную для одноручных стабилизаторов. Наш стабилизатор легко и быстро балансируется.

Заключение. Подведение итогов и результаты

Нами создан действующий гироскопический стабилизатор. Мы используем свойство гироскопа, чтобы сохранить положение камеры. Пока двигатель не вращается, поведение стабилизатора не отличается от обычного твердого тела. Поворот основания гироскопа вызывает изменение положения камеры. Однако после включения двигателя при повороте ручек стабилизатора, камера практически не меняет своего положения.

Если идет фотосъемка, стабилизатор может легко заменить штатив. Он дает отличный результат. При этом стабилизатор является оптимальным вариантом при съемке в плохом освещении.

Мы считаем, что поставленная цель достигнута, а задачи – выполнены. Гипотеза подтверждена.

В перспективе планируем: сделать гирокомпас и провести эксперимент, доказывающий вращение Земли.

Используемая литература и источники информации

1. Варламов А. Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий – М.: Альпина нон-фикшн, 2020 г. – 336 с.

2. Павлов В.А. Гироскопический эффект, его проявления и использование – Ленинград: Судосторение, 1985г. – 178с.

3. Савельев И.В., Курс обшей физики – М.: Физматлит, 2004 г. – 508 с.

Интернет-ресурсы:

4. Гироскоп – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF(дата обращения: 04.08.2023)

5. Гироскоп как детектор истинной системы отсчета – URL:https://dzen.ru/a/XCEUobXpDACqeJC9(дата обращения: 04.08.2023)

6. Гироскоп: применение в технике – URL: https://robo-wiki.ru/robotics-blog/gyroscope/ (дата обращения: 04.08.2023)

7. Творцы машин. Гироскоп Фуко. – URL: https://dzen.ru/media/id/5a630d2c9b403c5442578563/tvorcy-mashin-giroskop-fuko-5b6116343c1adb00a86b957c(дата обращения: 04.08.2023)

8. DIYGyroscopicCamera – URL: https://youtu.be/cjV-yDNdeOI(дата обращения: 01.07.2023)