Fotoequipment II: 3-Achs-Brushless-Gimbal für DSLRs

Zusammen mit einem ebenso fotografiebegeisterten Kumpel entstand dieses Projekt. Zugegebenermaßen übersteigt es das vorherige Fotografie-Projekt, den Kamera-Dolly um Einiges an Komplexität. Wer schon mal mit einem PID-Regler zu tun hatte weiß, dass das vernünftige Einstellen der Parameter ein langwieriger Prozess werden kann. Auch finanziell ist das Projekt etwas höher einzuordnen – durch den Einsatz von großen Motoren mit Leistungsreserve muss man mit ungefähr 150-250€ für das Projekt rechnen, eher mehr wenn man Kleinteile wie Schrauben und Muttern nicht schon daheim rumliegen hat.

Aber was ist denn nun ein Gimbal? Aus technischer Sicht bezeichnet man damit eine kardanische Aufhängung, Gimbal ist lediglich der englische Name dafür. In der klassischen Anwendung reicht ein tiefer Schwerpunkt des zentralen Objektes aus, um es unabhängig zur Umgebung in der gleichen, stabilen Position zu halten. Nach diesem Prinzip arbeiten auch sogenannte Schwebestative. Zum Filmen habe ich mir mal eines gekauft gehabt – und schnell wieder verkauft. Der eine Nachteil war definitiv schon mal das hohe Gewicht; damit so ein Schwebestativ wirksam funktionieren kann, braucht es für eine Spiegelreflexkamera schon ein Gegengewicht im Bereich um 1 kg. Das weit Schlimmere war jedoch das Austarieren – entweder war ich nicht feinfühlig genug oder das verbaute Kardangelenk war schuld – aber die Kamera war unmöglich für längere Zeit in ein Gleichgewicht zu bringen. Grrr.

Zu meinem Glück gibt es hier eine elektronische Alternative. Wer die Entwicklung der Kameradrohnen in den letzten Jahren etwas mitverfolgt hat, wird bestimmt auch schon über die Halterung der Kameras gestaunt haben. Seit einiger Zeit schon wird diese nicht einfach nur schnöde am Copter befestigt, sondern über ein elektronisches Gimbal aktiv in einer stabilen Position gehalten, unabhängig von eventuellen Flugturbulenzen oder -Bewegungen. Wie kann so ein komplexes, mechatronisches System funktionieren? Vor allem für so wenig Geld? Die Antwort darauf liegt teilweise bei den Handys…

Durch die millionenfache Herstellung für den Tablet- und Smartphone-Markt sind Beschleunigungssensoren zum einen massiv verbessert worden und gleichzeitig rapide im Preis gefallen. Ein sehr bekannter Vertreter hierfür ist der MPU6050. Ein kombinierter Beschleunigungs- und Kreiselsensor, in seiner ultra-kompakten Bauform bezeichnet man ihn als MEMS (Microelectromechanical Systems). Dieser 4×4 mm kleine Baustein erfasst also Bewegungen in sechs Richtungen, bereitet sie intern auf und gibt die Ergebnisse dann über I2C an einen Controller weiter. Diese Technik wäre vor 10-20 Jahren noch unbezahlbar gewesen, heute ist der Chip für ein paar Taler erhältlich.

Der Beschleunigungssensor ist maßgeblich für die Funktion des Gimbals. Er wird mechanisch mit der Kamera verbunden. Widerfährt der Kamera nun eine (unerwünschte) Beschleunigung, so teilt er dies dem Mikrocontroller mit. Auf diesem läuft ein Regler der die Sensorinformation an seinen Eingang geliefert bekommt. An seinem Ausgang stehen die elektrischen Motoren des Gimbals. So verwurstet er das Sensorsignal also in einen dreiphasigen Strom und erzeugt so eine Gegenbewegung an der Kamera. Die Software und Hardware dafür gibt es bereits fertig, Marktführer dafür ist der Entwickler AlexMos, er vertreibt die Boards mittlerweile unter BaseCam Electronics:

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Hier zu sehen ist noch die alte 8-bit Version auf Arduino-Basis (bzw. ATmega 328P), bei einem Neukauf würde ich mittlerweile zur leistungsstärkeren 32-bit ARM-Version raten.

Die Programmierung und Kalibrierung der Software funktioniert über eine Java-Applikation und ist daher relativ plattformunabhängig möglich. Im Netz lassen sich zu diesem Thema unglaublich viele – und gute Anleitungen finden.

Mein Kumpel, ein Mechatronik-Student, hat sich um den mechanischen Aufbau gekümmert. Mittels Creo hat er die Pläne für den Rahmen erstellt. Diese Pläne wurden dann bei einer metallverarbeitenden Firma in der Nähe in Auftrag gegeben – somit hatten wir dann zwei professionell gefertigte (gelasert und gebogen) Aluminium-Rahmen. Natürlich muss es für den Nachbau nicht ganz so schick und fancy sein, mit etwas handwerklichem Geschick und Werkzeug lässt sich so ein Rahmen aus allen erdenklichen Materialien herstellen.  🙂

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Zum Schluss noch ein Wort zu den Motoren:

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Wir haben uns für leistungsstarke 5208-Motoren entschieden – die sind definitiv großzügig dimensioniert. Wer etwas mehr auf den Preis achten will, kann hier auch auf kleinere Motoren ausweichen. Besonders, wenn nur eine spiegellose Kompaktkamera damit stabilisiert werden soll.

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Quick & Dirty: LED-Tester

Im Laufe der Zeit hat sich bei mir eine kleine Kiste mit wild durcheinander geworfenen LEDs angesammelt. Da die meisten modernen LEDs (Low-Current mal ausgeschlossen) ein klares Gehäuse haben, kann man also ohne weitere Hilfsmittel nicht so einfach sagen, welche Farbe man da gerade in der Hand hat. Als Abhilfe für das Chaos gibt es hier eine kurze Anleitung für einen LED-Tester. Gefüttert wird der mit einem 9V-Block und spuckt dann freundlicherweise einen Strom von 20mA aus. Damit kann man gefahrlos alle gängigen LEDs testen, und auch bei High Power-Typen glimmt die Diode dann in ihrer richtigen Farbe, so dass man auch die richtig zuordnen kann.

Kleiner Tipp: Ein Durchgangsprüfer (auch die in einem Multimeter) erzeugen für ihren Betrieb eine Prüfspannung im Bereich 1,5-4,5V, der Strom dahinter ist sehr begrenzt. Damit lassen sich LEDs im Normalfall auch gut zum Glimmen bringen, falls man also mal nichts anderes zur Hand hat ist das eine praktische Alternative. Wenn man sich allerdings gerne öfter mal mit LEDs beschäftigt, ist ein extra Tester schon ein lohnender Luxus.  🙂

Die Schaltung dazu stammt nicht von mir, sondern von einer tollen Website. Dort ist die Herleitung für die Widerstandswerte und allgemein die Funktion sehr schön erklärt. Als kleine Fingerübung habe ich den Schaltplan jedoch hier nochmal selber zusammen geschustert, erweitert um einen optionalen Schalter und eine Low-Current Betriebs-LED (D2) mit Vorwiderstand (R3):

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Zum Spaß habe ich die Schaltung dann auch gleich noch simuliert mit LTSpice. Es passiert wie zu erwarten nicht viel Aufregendes – der Ausgangsstrom bleibt auch bei 12 V am Eingang noch unter den angepeilten 20 mA.

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Für das Gehäuse gibt es so gut wie keine Vorschriften, praktisch ist jedoch eines mit Batteriefach. Ich habe zufällig noch dieses Gehäuse hier daheim liegen gehabt, da passt alles locker rein.  Auch eine Alternative.

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Achja – die schwarze 4mm-Buchse ist übrigens mit Edding angemalt, ich hatte nämlich nur zwei rote zur Hand. Damit hat das Projekt dann auch das Prädikat ‚Dirty‘ verdient.  🙂

Winterprojekt: Electric Drift Trike

Ganz oben auf meiner Prioritätsliste steht schon lange eines: ein elektrisch angetriebenes Gefährt! Nur welche Form war bis vor kurzem noch nicht klar…

Das klassische eBike reizt mich nicht vollends, da die Strecke die ich täglich zur Arbeit zurücklege nur knapp über 500 m liegt – das schaffe ich auch so noch ganz gut. Der Umbau eines konventionellen Autos hingegen ist ein kleiner Traum von mir. Allerdings lasse ich den noch etwas ruhen, denn mir schwebt da schon ein gewisser Oldtimer dafür vor – für den fehlt mir momentan allerdings das nötige Kleingeld.  🙂

Also mal mit ein paar Kumpels zusammen gesessen und die zündende Idee gefunden – ein elektrisches Drift Trike. Dieses spaßige Gefährt sieht aus wie ein überdimensioniertes Kinder-Dreirad, allerdings mit viel tieferem Schwerpunkt. Besonders sind auch die Hinterräder: über normale Kart-Reifen werden Überzüge aus PVC gezogen – für minimale Bodenhaftung. Zusammen mit dem tiefen Schwerpunkt lässt sich damit wunderbar der Kunst des Driftens frönen. Grundsätzlich lassen sich diese Mobile auch fertig so kaufen, da geht dann aber der halbe Spaß daran verloren. Somit beginnt die Suche nach passenden Bauteilen…

Am meisten Spaß macht die Suche nach dem passenden Motor – zuerst muss die grundsätzliche Frage geklärt werden, ob ein Radnabenmotor vorne, oder ein gewöhnlicher Motor hinten verbaut werden soll… Vorteil vorne: das Gefährt lässt sich besser aus Kurven ziehen, die Beherrschbarkeit ist besser. Vorteil hinten: Bei entsprechend viel Drehmoment gibt es auch deutlich mehr Wheelspin, das Driftgefühl kommt besser rüber. Entscheidung getroffen: Ein Hinterradmotor, natürlich soll er auch bürstenlos sein!

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Die üblichen Schauplätze durchforstet und bei einem vielversprechenden Exemplar angekommen: Ein 1,6kW-Bursche, überraschend kompakt, an die 10kg schwer. Datenblätter lassen sich leider keine blicken, lediglich eine Leerlaufdrehzahl ist mit 4800U/min angegeben. Schön ist aber das gescheite Ritzel, T8F mit 11 Zähnen, das ist auch im kleineren Moped-Bereich üblich, daher ist es einfach ein passendes Kettenblatt dazu zu finden. Ein bisschen Rechnerei ergeben für eine angepeilte Endgeschwindigkeit von 25 km/h eine Zähnezahl von ca. 60 am vorderen Ritzel, dabei wurde angenommen dass die Drehzahl bei Belastung ungefähr auf 0,7 * Leerlaufdrehzahl abfällt.

Den passenden Motor-Controller gibt es beim gleichen Händler zu erwerben und ist nur unwesentlich teurer als die MOSFETs die man brauchen würde um einen eigenen Regler aufzubauen. Kurzerhand wurde dann auch noch der passende Gasgriff dazu bestellt, damit das alles gut zusammen funktioniert.

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Thema Energie: Der Motor wird mit 48 V versorgt, das ergibt bei 1600 W einen Strom von gut 33 A, sagen wir mit Sicherheitsfaktor 50 A. Bleibatterien sind zu schwer, LiIon-Akks zu teuer. Daher fällt die Wahl für die Stromversorgung auf LiPo-Akkus, da habe ich nämlich genug davon für meinen Quadrocopter, und über Spitzenströme bis 50 A können die nur müde lachen (angegebener zulässiger Dauerstrom liegt bei 99 A). Die Packs von meinem Copter haben immer drei Zellen in Reihe, also eine Nennspannung von ca. 12 V. Ergo werden für den Einsatz im Trike einfach vier Packs in Reihe geklemmt; ergeben die gewünschten 48 V. Bei 2200 mAh Kapazität gibt das in Summe eine Energie von 105 Wh. Die dürfen natürlich nicht vollständig genutzt werden, sonst sind die Akkus schnell platt. Mehr als ein paar Minuten Fahrspaß am Stück sind vermutlich nicht zu erwarten, damit müssen wir dann zunächst einfach leben.

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Weitere Bauteile die in nächster Zeit noch zu beschaffen sind: Ein BMX-Rad zum Zersägen für Vorne, Kartfelgen+Reifen für Hinten und eine Sitzschale für Unten.

Das war’s soweit zur Theorie, das nächste Update folgt dann hoffentlich schon mit Fahrbericht.