سیستم هد ترکینگ پیشرفته با آردوینو

برای اینکه دوربین و سنسورها بی‌نقص کار کنن، باید اتصالات رو دقیقا طبق شماتیک‌ها پیش ببری. مدار اول مربوط به گیرنده‌ست که روی ماشین کنترلی نصب می‌شه و وظیفه‌اش دریافت اطلاعات و کنترل سروو موتورهای مکانیزم پن و تیلت (Pan/Tilt) دوربینه.

مدار دوم برای بخش فرستنده‌ست که روی هدبند یا عینک قرار می‌گیره. اینجا سنسور MPU6050 حرکات سرت رو می‌خونه و از طریق ماژول رادیویی NRF24L01 این دیتا رو به گیرنده می‌فرسته تا ارتباطی یکپارچه شکل بگیره.

تصویر سوم شماتیک مربوط به PCB اختصاصی این پروژه‌ست. این برد هشت‌کاناله بر اساس آردوینو و NRF24L01 طراحی شده و قلب تپنده هر دو مدار گیرنده و فرستنده به حساب میاد.

استفاده از یه طراحی مدار یکپارچه برای هر دو طرف پروژه باعث می‌شه تا مداری جمع‌وجور، ساده و بدون پیچیدگی داشته باشیم که موقع مونتاژ کارمون رو خیلی راحت‌تر می‌کنه.

بریم سراغ طراحی پایه متحرک دوربین که قراره روی دو محور بچرخه. این قطعات طوری طراحی شدن که خیلی راحت و بدون دردسر به هم متصل بشن تا بتونی مکانیزم گیمبال رو کاملا مستقل و به شکل یه دمو تست کنی. البته می‌تونی بخش پایه یا شاسی اصلی رو بسته به مدل ماشین کنترلی خودت تغییر بدی تا دقیقا روی بدنه‌اش فیت بشه.

فایل‌های سه‌بعدی پایه دوربین، نگهدارنده سروو موتورها و مفاصل آماده‌ست و می‌تونی اون‌ها رو با یه پرینتر سه‌بعدی چاپ کنی. تو تنظیمات پرینت حتما به تراکم (Infill) قطعات دقت کن تا استحکام کافی برای تحمل لرزش‌های ماشین رو داشته باشن.

استفاده از فیلامنت PLA با رنگ تیره مثل خاکستری می‌تونه ظاهر خیلی جذاب و صنعتی به پروژه بده. همون‌طور که می‌بینی بعد از پرینت، قطعات تمیز و با دقتی برای مونتاژ خواهیم داشت.

ما برای این پروژه به دو تا برد مدار چاپی (PCB) نیاز داریم؛ یکی برای هد ترکر که روی سر قرار می‌گیره و یکی هم برای کنترل دوربین روی ماشین. طراحی برد طوری انجام شده که بتونی از یه مدل PCB مشخص برای هر دو بخش فرستنده و گیرنده استفاده کنی و نیازی به طراحی دو مدل برد نباشه.

کافیه فایل‌های گربر این مدار رو به یه شرکت تولید مدار چاپی بدی. ابعاد برد 55 در 29.5 میلی‌متره و به صورت دولایه (2 Layers) طراحی شده. ضخامت برد رو 1.2 میلی‌متر در نظر بگیر تا هم وزن مدار پایین بیاد و هم مقاومت کافی داشته باشه. بعد از رسیدن بردها می‌ریم سراغ هیجان‌انگیزترین قسمت کار، یعنی لحیم‌کاری!

وقتی بردها به دستت رسید، مونتاژ رو با قطعات نصب سطحی (SMD) شروع می‌کنیم. مقداری خمیر لحیم روی پدهای مربوط به ال‌ای‌دی پاور، مقاومت محدودکننده جریان، خازن‌های 10 و 0.1 میکروفاراد (برای فیلتر کردن نویز تغذیه) و رگولاتور 3.3 ولت قرار بده و قطعات رو با پنس دقیقا سر جای خودشون بذار.

برای ذوب کردن خمیر لحیم می‌تونی از یه هات‌پلیت مخصوص قطعات SMD استفاده کنی یا با هیتر هوای گرم و دمای حدود 200 درجه سانتی‌گراد، حرارت رو به طور یکنواخت به برد بدی. بعد از اینکه قطعات برد اول کامل لحیم شدن، دقیقا همین مراحل رو برای برد دوم هم تکرار کن.

حالا نوبت قطعات پایه‌دار یا همون دیپ (DIP) می‌رسه. اول پین هدرهای مادگی رو روی برد قرار بده. برای اینکه موقع برگردوندن برد برای لحیم‌کاری نیفتن، یکی دو تا از پایه‌هاشون رو با دست کمی کج کن و بعد پایه‌ها رو با قلع محکم کن.

در ادامه پین هدرهای نری رو که برای اتصالات سیگنال، تغذیه و گراند استفاده می‌شن سر جای خودشون نصب کن. اگه پین هدر رنگی داشته باشی خیلی عالیه چون تشخیص پایه‌ها بعدا راحت‌تر می‌شه، اما اگه همه یه رنگ هستن فقط حواست باشه که ردیف‌ها رو موقع اتصال سیم‌ها اشتباه نکنی. پین‌های مربوط به ورودی و خروجی تغذیه 5 ولت رو هم لحیم کن تا بخش سوکت‌های روی برد تکمیل بشه.

تو مرحله آخر این بخش، باید پین هدرها رو به خود برد آردوینو Pro Mini متصل کنی. یه ترفند خوب برای اینکه پایه‌های آردوینو کاملا صاف و بدون کج‌شدگی لحیم بشن، اینه که پین هدرها رو اول روی یه برد سوراخ‌دار معمولی قرار بدی، آردوینو رو روشون سوار کنی و بعد لحیم‌کاری رو انجام بدی.

دلیل اینکه از پین هدر استفاده کردیم اینه که بتونیم ماژول‌ها رو خیلی راحت روی برد سوار کنیم و اگه قطعه‌ای سوخت یا لازم بود برای پروژه دیگه‌ای استفاده بشه، سریع بتونیم جداش کنیم. حالا فقط کافیه برد آردوینو Pro Mini و ماژول فرستنده گیرنده NRF24L01 رو با دقت روی پین هدرهای مادگی که روی برد اصلی لحیم کردی فشار بدی تا کاملا محکم و فیت بشن.

برای اینکه دوربین و قطعات مکانیکی محکم به هم متصل بشن، باید از مهره‌های برنجی حرارتی (اینسرت) سایز M3 استفاده کنیم. ما به 5 تا از این مهره‌ها نیاز داریم که تو سوراخ‌های پایه دوربین و شاسی اصلی قرار می‌گیرن. هویه رو داغ کن، مهره رو روی سوراخ قطعه پلاستیکی بذار و با نوک هویه آروم فشارش بده تا پلاستیک ذوب بشه و مهره هم‌سطح با قطعه داخلش فرو بره. بعد از این کار آماده نصب موتورها هستیم.

اولین موتوری که نصب می‌شه، سروو موتور مربوط به حرکت افقی (Pan) هست. اون رو تو جای خودش قرار بده و براکت مربوط به مفصل پن و تیلت رو روش محکم کن. بعد از اون نوبت به سروو موتور حرکت عمودی (Tilt) می‌رسه.

این موتور رو داخل نگهدارنده دوربین قرار بده و با بلندترین پیچ‌ها (مثل پیچ 20 میلی‌متری سایز M3) کاملا به پایه اصلی متصلش کن تا موتورها زیر بار تکون نخورن.

حالا نوبت نصب دوربین میکرو FPV مدل WT07 می‌رسه. این دوربین 4 تا سیم داره که دو تاش مربوط به اطلاعات روی صفحه (OSD) هستن. اگه به قابلیت OSD نیازی نداری، اون دو تا سیم رو به هم بپیچ و لحیم کن، وگرنه دوربینت اصلا کار نمی‌کنه و تصویری ارسال نمی‌شه! دوربین رو می‌تونی با چسب قطره‌ای یا چسب دوطرفه ضخیم به پایه متصل کنی.

فقط یادت باشه که این دوربین حین کار داغ می‌کنه؛ پس یه فاصله کوچیک بین پشت دوربین و پلاستیک پایه در نظر بگیر تا هوا بتونه جریان داشته باشه. بهترین حالت اینه که دوربین رو فقط از لبه‌ها به پایه بچسبونی.

دو تا سیم تغذیه دوربین رو از سوراخ پایینی به سمت عقب رد کن. در صورت نیاز می‌تونی یه تیکه سیم بهشون لحیم کنی تا بلندتر بشن و حتما روی اتصالات رو با وارنیش حرارتی بپوشون تا اتصال کوتاه نشه یا سیم‌ها قطع نشن.

پایه دوربین رو طوری به شفت سروو موتور متصل کن که موتور دقیقا تو مرکز زاویه حرکتش باشه تا دوربین بتونه به یک اندازه بالا و پایین بره.

یه پین هدر مادگی دوتایی به سیم‌های تغذیه دوربین لحیم کن تا راحت بتونی به ریل 5 ولت برد وصلش کنی (دقت کن قطب مثبت و منفی رو اشتباه نزنی). سیم‌های دوربین و موتورها باید اونقدری آزاد باشن که دوربین بتونه به همه جهت‌ها راحت بچرخه.

در نهایت سیم دیتای سرووی پن رو به پین دیجیتال 3 و سرووی تیلت رو به پین 5 آردوینو وصل کن.

حالا که آنتن 2.4 گیگاهرتز رو به گیرنده وصل کردیم و مدار گیمبال کامل شده، باید یه منبع تغذیه قوی براش بسازیم که از یه باتری لیتیوم یون 18650 استفاده می‌کنیم.

ماژول افزاینده ولتاژ 5 ولتی رو بردار و سوکت USB رو از روش جدا کن تا مدارت جمع‌وجورتر بشه. این ماژول رو با یه تیکه چسب دوطرفه مستقیما به کنار بدنه جا باتری 18650 بچسبون تا مدار افزاینده رو به داخل باشه.

حالا قطب مثبت جا باتری رو مستقیما به ورودی مثبت ماژول متصل کن و قطب منفی رو با یه سیم کوتاه به پد منفی ماژول برسون. روی خروجی 5 ولت ماژول هم دو تا سیم با سوکت مادگی لحیم کن تا اتصالش به پین‌های ورودی تغذیه برد گیرنده بی‌دردسر باشه.

تو قدم آخر باتری 3.7 ولتی رو داخل جا باتری بذار. این ماژول ولتاژ رو می‌گیره، اون رو به 5 ولت ثابت تبدیل می‌کنه و انرژی کل مدار گیرنده و موتورها رو به راحتی تامین می‌کنه.

بریم سراغ مدار فرستنده که قراره روی سرت قرار بگیره و زاویه دید رو تشخیص بده. مونتاژ این برد دقیقا مثل همون برد گیرنده‌ست که برای دوربین استفاده کردیم، با این تفاوت که اینجا یه عضو حیاتی و مهم به اسم سنسور شتاب‌سنج و ژیروسکوپ MPU6050 به مدار اضافه می‌شه.

این سنسور رو می‌تونی با یه پین هدر نری مستقیما روی پدهای A4 و A5 (مربوط به پروتکل I2C) که وسط برد آردوینو Pro Mini هستن لحیم کنی.

این روش هم ارتباط دیتا رو برقرار می‌کنه و هم از نظر مکانیکی سنسور رو محکم سر جاش نگه می‌داره. تنها سیم‌کشی که باید انجام بدی، اتصال پایه‌های تغذیه و گراند سنسور به پین 5 ولت و GND آردوینو هست. ماژول MPU6050 با ولتاژ 3.3 تا 5 ولت بدون مشکل کار می‌کنه و همون ولتاژ آردوینو براش عالیه.

چون بخش فرستنده قراره روی عینک یا هدست نصب بشه، نمی‌تونیم از باتری‌های سنگین استفاده کنیم. در نتیجه یه باتری لیپو (LiPo) کوچیک 500 میلی‌آمپری با سوکت JST بهترین انتخاب برای تامین انرژی و سبک نگه داشتن سیستمه.

برای اینکه باتری راحت جدا بشه و بتونی به شارژرش بزنی، یه تیکه نوار چسبی (ولکرو) بردار. سمت زبرش رو به باتری بچسبون و سمت پرزدارش رو روی عینک FPV قرار بده. عینک FPV آنالوگی که اینجا استفاده شده تو فرکانس 5.8 گیگاهرتز کار می‌کنه و برد دریافتش تا 400 متر هم می‌رسه.

آنتن 2.4 گیگاهرتز رو به برد فرستنده ببند و مدار هد ترکر رو روی عینک محکم کن. خیلی از عینک‌ها روی بدنه‌شون یه فرورفتگی یا فضای خالی برای نصب ماژول‌های این چنینی دارن، اما اگه عینک تو این شکلی نیست، می‌تونی با همون بست‌های ولکرو یا طراحی یه قاب کوچیک چاپ سه‌بعدی، مدار رو روی بند یا بدنه عینک ثابت نگه داری.

قبل از اینکه بتونیم این سیستم جذاب رو راه‌اندازی کنیم، باید کدهای آردوینو رو روی بردها بریزیم. چون آردوینو Pro Mini درگاه USB نداره، به یه پروگرامر FTDI (مبدل USB به سریال) نیاز داری که پین‌هاش به راحتی به پورت پروگرام بالای برد متصل می‌شه.

اول پروگرامر رو به برد فرستنده متصل کن. تو نرم‌افزار آردوینو (Arduino IDE) کد مربوط به فرستنده رو باز کن. حتما چک کن که کتابخونه‌های مورد نیاز سنسور رو نصب کرده باشی.

تو خطوط ابتدایی کد مطمئن شو که پین‌های ارتباطی ماژول NRF24L01 (یعنی پایه‌های CE و CSN) روی پین‌های 9 و 10 تعریف شده باشن و تداخلی وجود نداشته باشه.

از منوی Tools، برد رو روی Arduino Pro or Pro Mini بذار و پردازنده متناسب با اون رو انتخاب کن. پورت COM پروگرامر رو مشخص کن و در نهایت دکمه Upload رو بزن تا برنامه روی فرستنده ریخته بشه.

بعد از اینکه آپلود کد فرستنده تموم شد، پروگرامر رو جدا کن و به برد گیرنده که روی شاسی دوربین قرار داره متصلش کن. فایل کد گیرنده رو تو محیط آردوینو باز کن. اینجا باید چک کنی که پین‌های مربوط به کنترل موتور پن و تیلت به ترتیب روی 3 و 5 باشن، مگه اینکه تو سیم‌کشی پین‌های دیگه‌ای رو انتخاب کرده باشی که باید تو کد تغییرش بدی.

همچنین می‌تونی محدودیت‌های حرکتی سرووها رو بر اساس زاویه‌ای که دوست داری تو کد بازتر یا بسته‌تر کنی تا موتورها به پلاستیک بدنه فشار نیارن. یه پارامتر تاخیر (Delay) هم آخر کد هست که با تغییر دادنش می‌تونی نرمی حرکت موتورها رو تنظیم کنی. تنظیمات منوی Tools دقیقا مثل برد قبلیه. حالا دکمه آپلود رو بزن تا برنامه روی گیرنده هم ریخته بشه.

الان هر دو مدار فرستنده و گیرنده آماده هستن و می‌تونن به صورت کاملا مستقل با هم ارتباط برقرار کنن؛ یعنی حتی بدون ماشین کنترلی هم دوربین با حرکات سر تو می‌چرخه.

برای محکم‌تر شدن مدار روی پایه دوربین، می‌تونی از یه تیکه چسب دوطرفه زیر برد استفاده کنی. باتری رو متصل کن تا مدار آماده به کار بشه.

فرستنده روی عینک FPV رو روشن کن و عینک رو کاملا ثابت نگه دار (مثلا روی میز یا روی سرت بدون حرکت). بعد از روشن شدن، چند ثانیه زمان می‌بره تا سنسور ژیروسکوپ موقعیت خودش رو کالیبره کنه و مقادیر اولیه رو بخونه. وقتی این پروسه تموم بشه، ال‌ای‌دی روی آردوینو روشن می‌مونه (وضعیت HIGH). این نشون می‌ده که سنسور با موفقیت کالیبره شده و حالا می‌تونی سرت رو به اطراف بچرخونی.

به همین راحتی سیستم هد ترکر راه افتاد و با هر حرکت سرت، دوربین هم به همون جهت نگاه می‌کنه!

برای اینکه تصویر رو داشته باشیم، اول مطمئن شو سیم تغذیه دوربین وصله. بعد عینک FPV رو روشن کن تا تصویر زنده رو ببینی. اگه صفحه برفکی بود یا تصویر نداشتی، کافیه دکمه جستجوی کانال (Search Channel) روی عینک رو فشار بدی تا خود دستگاه به صورت اتوماتیک باند و کانالی که دوربین داره روش ارسال می‌کنه رو پیدا کنه.

اگه دوست داشتی می‌تونی این کار رو به صورت دستی هم انجام بدی؛ کافیه دکمه‌های Band+ و CH+ رو چند بار بزنی تا به فرکانس دقیق دوربین برسی و تصویر شفاف بشه.

اگه حس کردی موقعیت پیش‌فرض دوربین با زاویه سرت هم‌خوانی نداره و تصویر کمی کجه، اصلا نیازی به دردسر نیست. عینک رو کاملا تراز و ثابت تو جهتی که می‌خوای رو به جلو باشه نگه دار، بعد دکمه ریست (Reset) روی برد آردوینو فرستنده رو یه بار فشار بده. سنسور سریعا خودش رو صفر می‌کنه و می‌بینی که دوربین دقیقا رو به جلو تراز می‌شه.

دوربین FPV به لطف سروو موتورهای 9 گرمی، 180 درجه آزادی حرکت تو دو محور افقی و عمودی داره. با قرار دادن عینک FPV روی سرت، می‌تونی دوربین رو کاملا با حرکات طبیعی گردنت کنترل کنی و یه تجربه اول شخص (First-Person-View) عمیق و واقعی داشته باشی؛ انگار که دقیقا همونجا حضور داری.

تا اینجا مدار ما کاملا مستقل کار می‌کنه و خیلی هم جذابه، اما اوج هیجان زمانیه که این دوربین متحرک رو روی یه ماشین کنترلی واقعی سوار کنیم!

شاید بپرسی اگه بخوایم ماشین رو با یه ریموت کنترل دسته‌تفنگی هدایت کنیم و همزمان دوربین رو با هد ترکر بچرخونیم، نیاز به دو تا گیرنده مجزا روی ماشین داریم؟ خبر خوب اینه که اصلا نیازی به قطعه اضافه نیست و همه‌چیز با همون یه دونه گیرنده قابل انجامه.

کافیه ماشین کنترلی رو به کامپیوتر متصل کنی. ما اینجا سه تا سورس‌کد داریم؛ یکی برای هد ترکر، یکی برای ریموت کنترل ماشین و یکی هم کد ترکیب‌شده برای گیرنده اصلی روی ماشین.

دلیل اینکه این کار ممکنه، ساختار فوق‌العاده ماژول‌های NRF24L01 هست. این ماژول‌ها می‌تونن اطلاعات رو تو کانال‌ها (Pipe) مختلف ارسال کنن. یعنی گیرنده روی ماشین همزمان می‌تونه دستورات گاز و فرمان رو از ریموت کنترل و دیتاهای حرکتی رو از هد ترکر بگیره و هر کدوم رو به موتور مربوط به خودش بفرسته.

این ویژگی باعث می‌شه تا سخت‌افزار خیلی یکپارچه‌تر بشه، مدارها خلوت بمونن و از همه مهم‌تر هزینه‌های ساخت ماشین به شدت پایین بیاد. همه این کدهای ترکیبی هم تو فایل‌های ضمیمه پروژه قرار داده شده تا بدون دردسر بتونی سیستم رو روی ماشین یا پهپادت پیاده‌سازی کنی.

برای نصب مجموعه دوربین روی ماشین دریفت، کافیه اون رو روی سقف یا قسمت عقب شاسی با چند تا بست کمربندی محکم کنی. سروو موتورهای پن و تیلت رو به ترتیب به پین‌های دیجیتال 5 و 7 گیرنده ماشین وصل کن. بقیه پین‌ها هم برای موتور اصلی، سیستم فرمان، چراغ‌ها و مهره‌ساز ماشین استفاده می‌شه.

یه نکته خیلی مهم اینه که دوربین و ماژول فرستنده تصویرش به تنهایی بیشتر از 250 میلی‌آمپر جریان می‌کشن (بیشتر از مصرف سه تا سروو موتور!). این یعنی نباید تغذیه دوربین رو از پین‌های آردوینو بگیری، بلکه بهتره مستقیم از خود باتری اصلی ماشین (مثلا یه سلول از باتری 2 سل) انشعاب بگیری تا ولتاژ افت نکنه و برد ریست نشه.

حالا ریموت کنترل و سیستم هد ترکر عینک رو روشن کن. وقتی ماشین رو با ریموت به حرکت در میاری، می‌تونی دقیقا مثل یه راننده واقعی تو پیست مسابقه، سرت رو به اطراف بچرخونی تا پیچ‌ها رو نگاه کنی یا حواست به موانع باشه. ترکیب رانندگی با ریموت و زاویه دید متحرک باعث می‌شه تا هیجان کنترل ماشین‌های آرسی (RC) برات صد برابر بشه.

اگه دوست داری دقیقا همین ستاپ جذاب رو پیاده کنی، می‌تونی با آموزش‌های قبلی آیسی‌مدار برای ساخت ماشین کنترلی دریفت هم همراه بشی تا یه پکیج کامل از سرگرمی‌های الکترونیکی رو داشته باشی.

ساخت این سیستم هد ترکینگ با آردوینو و سنسور MPU6050 نشون می‌ده که با ترکیب چند تا ماژول ساده و یه کم خلاقیت، چطور می‌شه تجربه کنترل گجت‌ها رو به سطح خیلی حرفه‌ای و واقع‌گرایانه‌تری ارتقا داد. اگه تو تمام مراحل همراه ما بوده باشی، الان سیستم بی‌نقصی داری که حس نشستن داخل ماشین رو بهت میده.

برای اینکه بهترین نتیجه و پایداری رو از این پروژه بگیری و مدارت عمر بالایی داشته باشه، این چند تا نکته کلیدی رو حتما تو ذهن داشته باش و رعایت کن.

نکات مهم حین ساخت و راه‌اندازی:

1. قدم‌به‌قدم تست کن: مخصوصا در مورد ماژول NRF24L01 که قطعه حساسیه. قبل از اینکه کل قطعات رو روی شاسی ببندی، ارتباط رادیویی رو روی میز تست کن تا خیالت از سالم بودن بردها راحت بشه.
2. مدیریت سیم‌ها: برای جلوگیری از اتصالی یا قطع شدن سیم‌ها تو لرزش‌های شدید ماشین کنترلی، حتما از بست‌های کمربندی کوچیک و وارنیش حرارتی روی پین‌ها استفاده کن.
3. مراقب دمای قطعات باش: دوربین FPV حین کار حرارت زیادی تولید می‌کنه؛ پس مطمئن شو که هوا دور دوربین در جریانه و مستقیما با پلاستیک‌های حساس بدنه در تماس نیست تا شکل‌شون رو تغییر نده.
4. شخصی‌سازی نرم‌افزاری: با تغییر متغیر تاخیر (Delay) و حساسیت سنسور تو محیط کدنویسی آردوینو، می‌تونی سرعت چرخش دوربین رو دقیقا با سرعت و زاویه چرخش سر خودت هماهنگ و کالیبره کنی.
5. استفاده از شماتیک: حتما اتصالات رو از روی شماتیک اصلی پیش ببر تا پایه‌های ارتباطی مثل I2C و SPI به درستی به میکروکنترلر متصل بشن و ارتباط پایدار بمونه.

وقتی این مدار رو با موفقیت ساختی، می‌تونی با اضافه کردن یه فرستنده ویدیویی قوی‌تر، برد تصویرت رو افزایش بدی یا حتی سنسورهای دیگه‌ای رو برای امکانات بیشتر بهش اضافه کنی. اگه این گجت خفن رو ساختی، حتما تجربه و نظرت رو تو بخش کامنت‌ها با ما و بقیه دوستان به اشتراک بذار. تیم آیسی‌مدار همیشه از دیدن پروژه‌های خلاقانه‌تون کلی انرژی می‌گیره!