Bluetooth-контролируемый моторизированный камерный слайдер на Arduino для плавных кинематографических кадров

Компоненты и материалы

Arduino UNO	1
PCBWay Custom PCB	1
V-Slot 20×40 Linear Rail	1 (длина по желанию)
Solid V Wheel Kit	4
Drop In Tee Nuts	4
Eccentric Spacer	2
9mm Aluminium spacer	2
3mm Aluminium spacer	2
Low Profile M5 screws length 20mm with nuts	4
Low Profile M5 screws length 10mm	4
M3 Allen HEX screws length 16mm with nuts	8
8mm Self-aligning Pillow Flange Block Bearing	2
GT2 Bore 8mm 20 Teeth Timing Aluminum Pulley	1
8mm linear rail shaft (60mm)	1
GT2 Bore 5mm 20 Teeth Timing Aluminum Pulley	1
GT2-6mm Open Timing Belt	1 (длина зависит от рельса)
Bipolar Nema17 Stepper motor	1
A4988 Stepper motor driver	1
12V 3A Rechargeable Battery	1
HC-05 Bluetooth Module	1

Необходимые инструменты и станки

3D Printer (generic)

Приложения и онлайн-сервисы

Autodesk Fusion 360
Autodesk Eagle
Arduino IDE

О проекте

Обзор проекта

Для любителя видеосъемки покупка моторизированного камерного слайдера может быть дорогой. Поэтому я решил построить свой собственный. В этом руководстве мы пошагово рассмотрим создание Bluetooth-управляемого моторизированного камерного слайдера.

Мы создадим слайдер, которым можно управлять беспроводно через Bluetooth с помощью кастомного Android-приложения. Приложение разработано с помощью MIT App Inventor и позволяет настраивать скорость движения, расстояние перемещения, ускорение/замедление и многое другое. Приложение поддерживает длину слайдера до 10 метров, поэтому вы можете собрать конструкцию любого размера.

Bluetooth-контролируемый моторизированный камерный слайдер на Arduino для плавных кинематографических кадров

В качестве привода используется шаговый двигатель NEMA17, что обеспечивает точное позиционирование. Для управления двигателем через Arduino применяется драйвер A4988 Pololu, предоставляющий 5 режимов микрошага (до 1/16 шага) для максимальной плавности и точности.

Проект спроектирован с учетом возможности изготовления в фэблабе/мейкерспейсе/хакерспейсе.

CAD и 3D-моделирование

Конструкция разработана в Fusion 360. Используются широко доступные механические компоненты, которые можно легко приобрести в любом онлайн или офлайн магазине.

Механическая основа основана на комплектующих OpenBuilds: V-slot 2040 линейная рельса для перемещения камеры. Два шкива — один на валу шагового двигателя, другой на 8-мм валке ссадины с подшипниками — соединены открытым зубчатым ремнем GT2 для преобразования вращательного движения в линейное.

8-мм вал закреплен между двумя самоцентрирующими опорными подшипниками, befestленными на верхней и нижней пластинах четырьмя винтами M5.

Четыре дельриновых колеса V-Slot катятся по V-образному профилю рельсы, обеспечивая исключительно плавное движение. На центральной пластине камеры имеется отверстие диаметром 1/4 дюйма для стандартного штативного крепления.

Все детали слайдера собираются на винтах M3×16 мм с гайками. Электроника размещается в корпусе.

Цифровая фабрикация (3D-печать)

Все детали корпуса печатаются на 3D-принтере со слоем 0.2 мм и заполнением 20%, кроме левой и правой ножек слайдера — они печатаются с заполнением 50%.

STL-файлы можно скачать на Thingiverse.

Сборка комплекта V-колес

Сборка проста. Каждый комплект твердого V-колеса содержит резиновое колесо, два подшипника, два точных шайбы и контровую гайку.

Вставьте подшипник с одной стороны резинового колеса, переверните, вставьте точную шайбу, затем второй подшипник с другой стороны. Закрутите контровую гайку.

Механическая сборка камерного слайдера

Сначала соберите пластину камеры и четыре V-колеса, используя 9-мм алюминиевые распорки, точные шайбы и контровые гайки.

Повторите для остальных трех колес. Для двух правых колес используйте 9-мм распорки, для двух левых — эксцентриковую распорку с 3-мм распоркой.

Установите пластину камеры в V-slot профиль. Если пластина люфтит, затяните эксцентриковую гайку до устранения люфта.

Вставьте два вкладышных гайки (drop-in tee nuts) в каждый конец V-slot профиля для соединения с левой и правой ножками слайдера.

Установите ножки слайдера в профиль и закрепите их четырьмя винтами M5×10 мм.

Установите шаговый двигатель NEMA17 на свою пластину и закрепите четырех винтами M3×16 мм.

В левой ножке вставьте две гайки в предназначенные для них отверстия.

Установите пластину с двигателем на левую ножку и закрепите двумя винтами M3×16 мм.

На вал двигателя установите шкив GT2 с отверстием 5 мм и затяните зажимной винт.

В правой ножке вставьте четыре гайки M3 в предусмотренные места.

Установите две пластины с подшипниками на верхнюю часть правой ножки.

Закрепите их четырьмя винтами M3×16 мм.

Установите один из фланцевых подшипников 8 мм на верхнюю пластину правой ножки, используя два винта M5×20 мм и две гайки M5.

Повторите для второго фланцевого подшипника на нижней пластине.

Вставьте 8-мм вал в нижний фланцевой подшипник и протолкните его вверх. Затем вставьте шкив с отверстием 8 мм на вал и зафиксируйте зажимным винтом.

Контрольная точка: механизм собран, осталось натянуть ремень.

Натяните ремень GT2 6 мм на шкив двигателя (5 мм) и на шкив правой ножки (8 мм). Затем зафиксируйте ремень на пластине камеры.

Соберите плату управления: установите шилд Cairo Camera Slider на Arduino UNO.

Поместите Arduino с шилдом в корпус платы управления.

Вставьте две гайки M3 в левую ножку и закрепите корпус платы управления винтами M3×16 мм.

Закройте крышку корпуса двумя винтами M3 с гайками.

Тестирование управления шаговым двигателем

После сборки проверим работу. Подключите шаговый двигатель к Arduino через драйвер A4988 и загрузите тестовый скетч.

Драйвер шагового двигателя A4988

Для управления шаговым двигателем с Arduino нужен драйвер — преобразователь команд микроконтроллера в сигналы для мотора. Мы используем A4988: он управляет одним биполярным двигателем до 2А на катушку, требует всего два цифровых пина (STEP, DIR), имеет подстроечный резистор для установки тока и поддерживает 5 режимов микрошага (до 1/16).

VMOT, GND: питание двигателя 8–35В (у нас 12В 3А с конденсатором 100µF для защиты от скачков).
2B, 2A / 1A, 1B: выходы на катушки двигателя (до 2А каждая).
VDD, GND: логика 3–5.5В, гальванически развязана от VMOT.
EN (Enable): активный LOW (0В) — включен по умолчанию.
MS1, MS2, MS3: выбор микрошага. По умолчанию все LOW — полный шаг.
RST, SLP: Reset (активный LOW) и Sleep (активный LOW). По умолчанию Sleep HIGH.
STP, DIR: STEP — импульсы шагов, DIR — направление (HIGH — по часовой, LOW — против).

Шаговый двигатель NEMA17

Шаговые двигатели вращаются на точные углы, применяются в 3D-принтерах, ЧПУ. Управляются импульсами тока через обмотки. Каждый импульс = один шаг (или микрошаг). Преимущество: точная работа на очень низких скоростях без остановов.

Используем биполярный NEMA17 (4 провода, 2 обмотки). Угол шага 1.8°. Рабочее напряжение 9В, для максимальной мощности — 12В.

Схема подключения

Соедините двигатель, драйвер, Arduino UNO и батарею 12В 3А по схеме.

Код Arduino (тест)

Установка библиотеки AccelStepper

В Arduino IDE: Sketch → Include Library → Manage Libraries → поиск "AccelStepper" → установить (автор Mike McCauley).

Тестовый скетч (движение туда-сюда)

// Bounce stepper test program
#include <AccelStepper.h>
#define stepPin 2
#define dirPin 3

AccelStepper stepper(AccelStepper::DRIVER, stepPin, dirPin);

void setup() {
  stepper.setMaxSpeed(100);
  stepper.setAcceleration(20);
  stepper.moveTo(500);
}

void loop() {
  if (stepper.distanceToGo() == 0)
    stepper.moveTo(-stepper.currentPosition());
  stepper.run();
}

Логика: создаем объект AccelStepper с пинами STEP (2) и DIR (3). В setup задаем макс. скорость 100 шагов/с, ускорение 20 шагов/с², целевую позицию 500 шагов. В loop: если мотор достиг цели, меняем цель на противоположную и продолжаем движение.

Полноценное беспроводное управление

Теперь создадим мобильное приложение для управления слайдером и скетч Arduino для приема команд по Bluetooth.

Создание мобильного приложения

Использован MIT App Inventor — визуальное программирование для Android. Исходный код приложения открыт, можно редактировать.

На скриншоте ниже — описание функций кнопок.

Приложение общается со слайдером через Bluetooth. Следующий шаг — подключить модуль HC-05 к схеме и загрузить код для приема команд.

Схема подключения с Bluetooth

Подключаем HC-05 к существующей схеме. HC-05 работает как slave/master (в отличие от HC-06 — только slave), протокол SPP (Serial Port Profile). Соединение:

Tx (Arduino) → Rx (HC-05)
Rx (Arduino) → Tx (HC-05)
5V (Arduino) → VCC (HC-05)
GND (Arduino) → GND (HC-05)

Печатная плата (PCB)

Для надежности разработан шилд для Arduino UNO: просто вставьте компоненты (HC-05, A4988, батарею) и установите шилд на Arduino. Плату заказывал на PCBWay — качество отлично, цена $5, отслеживание онлайн.

Файлы проекта и заказ платы на PCBWay: PCB Source Files & Ordering

Код Arduino и Bluetooth-коммуникация

Полный скетч с комментариями (протокол обмена данными с приложением):

/* Протокол данных:
LEFT arrow → 1
RIGHT arrow → 2
STOP → 3
Rail length (1–1000 cm) → 201–1200
Acceleration: Very High→14, High→11, Medium→12, Low→13, Very Low→15
Speed slider (1–4000 steps/s) → 5001–9000
Delayed start ON → 7, OFF → 8
Left homing → 16, Right homing → 17
Smooth (1/4 microstep) → 18, Very Smooth (1/16) → 19
*/

#include <MultiStepper.h>
#include <AccelStepper.h>

#define stepPin 2
#define dirPin 3

bool homingPositionFlag = false;
int startupSetupFlag = 0;
bool delayedStart = false;

int incomingData = 0;
int movementDistance = 50;
long steps = 0;
int microStepResolution = 0;
long railLength = 0;
int sliderSpeed = 10;

AccelStepper stepper(AccelStepper::DRIVER, stepPin, dirPin);

void setup() {
  pinMode(stepPin, OUTPUT);
  pinMode(dirPin, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  stepper.setMaxSpeed(10.00);
  stepper.setAcceleration(500.00);

  while (startupSetupFlag < 3) {
    if (Serial.available() > 1) {
      unsigned int dataOne = Serial.read();
      unsigned int dataOne1 = Serial.read();
      unsigned int incomingData = (dataOne1 * 256) + dataOne;

      // Homing
      if (incomingData == 16) { // left end
        stepper.setCurrentPosition(steps);
        homingPositionFlag = false;
        startupSetupFlag++;
      } else if (incomingData == 17) { // right end
        stepper.setCurrentPosition(-(steps));
        homingPositionFlag = true;
        startupSetupFlag++;
      }
      // Microstep resolution
      if (incomingData == 18) {
        microStepResolution = 4;
        startupSetupFlag++;
      } else if (incomingData == 19) {
        microStepResolution = 16;
        startupSetupFlag++;
      }
      // Rail length
      if (incomingData >= 1301 && incomingData <= 2300) {
        railLength = incomingData - 1300;
        if (microStepResolution == 4) {
          steps = ((6100L * railLength) / 50L);
          startupSetupFlag++;
        } else if (microStepResolution == 16) {
          steps = ((25000L * railLength) / 50L);
          startupSetupFlag++;
        }
      }
    }
  }
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 1) {
    unsigned int dataOne = Serial.read();
    unsigned int dataOne1 = Serial.read();
    unsigned int incomingData = (dataOne1 * 256) + dataOne;

    // Motor control
    if (incomingData == 1 && !stepper.isRunning() && stepper.currentPosition() != 6050 && homingPositionFlag) {
      if (delayedStart) delay(15000);
      stepper.setCurrentPosition(0);
      stepper.moveTo(steps);
      homingPositionFlag = false;
    }
    else if (incomingData == 2 && !stepper.isRunning() && stepper.currentPosition() != -6050 && !homingPositionFlag) {
      if (delayedStart) delay(15000);
      stepper.setCurrentPosition(0);
      stepper.moveTo(-(steps));
      homingPositionFlag = true;
    }
    else if (incomingData == 3 && stepper.isRunning()) {
      homing();
    }
    // Speed
    else if (incomingData >= 5001 && incomingData <= 9000) {
      sliderSpeed = incomingData - 5000;
      stepper.setMaxSpeed(sliderSpeed);
    }
    // Delayed start
    else if (incomingData == 7) delayedStart = true;
    else if (incomingData == 8) delayedStart = false;
    // Movement distance
    else if (incomingData >= 201 && incomingData <= 1200) {
      movementDistance = incomingData - 200;
      if (microStepResolution == 4)
        steps = ((6100L * movementDistance) / 50L);
      else if (microStepResolution == 16)
        steps = ((25000L * movementDistance) / 50L);
    }
    // Acceleration
    else if (incomingData == 11 && !stepper.isRunning()) stepper.setAcceleration(3000);
    else if (incomingData == 12 && !stepper.isRunning()) stepper.setAcceleration(1000);
    else if (incomingData == 13 && !stepper.isRunning()) stepper.setAcceleration(500);
    else if (incomingData == 14 && !stepper.isRunning()) stepper.setAcceleration(4000);
    else if (incomingData == 15 && !stepper.isRunning()) stepper.setAcceleration(10);
  }
  stepper.run();
}

void homing() {
  if (stepper.currentPosition() > 0) homingPositionFlag = true;
  else homingPositionFlag = false;
  stepper.moveTo(0);
}

Логика работы кода

Используется библиотека AccelStepper для точного управления. При запуске приложение запрашивает:

Режим микрошага: 1/4 (Smooth) или 1/16 (Very Smooth). Критически важно выбрать правильный режим, иначе расчеты расстояния будут неверны.
Длину рельса в см (до 1000 см).
Позицию парковки (homing): левый или правый конец. Каретка должна находиться именно на выбранном конце.

В setup() происходит инициализация параметров через последовательный порт. В loop() обрабатываются команды: движение влево/вправо, стоп, изменение скорости, ускорения, расстояния, задержка запуска.

Руководство пользователя и устранение неполадок

Подключите 12В питание к Arduino UNO.
Включите Bluetooth на телефоне, найдите и сопряжитесь с HC-05 (пароль обычно 1234 или 0000).
Запустите приложение, нажмите "Press here to connect with Cairo camera slider", выберите HC-05.
Приложение запросит режим микрошага — выберите соответствующий настройкам драйвера (перемычки MS1-MS3 на A4988).
Введите длину рельса в см.
Выберите позицию парковки (левый/правый конец). Каретка должна быть именно там.
После настройки появится сводка параметров. Нажмите OK — слайдер готов к работе.