Générateur de feuille laser interactif avec Arduino : 11 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Les lasers peuvent être utilisés pour créer des effets visuels incroyables. Dans ce projet, j'ai construit un nouveau type d'affichage laser qui est interactif et joue de la musique. L'appareil fait tourner deux lasers pour former deux nappes de lumière en forme de vortex. J'ai inclus des capteurs de distance dans l'appareil afin que les feuilles laser puissent être manipulées en déplaçant votre main vers elles. Lorsque la personne interagit avec les capteurs, l'appareil diffuse également de la musique via une sortie MIDI. Il intègre des idées de harpes laser, de vortex laser et d'affichages POV.

L'instrument est contrôlé avec un Arduino Mega qui prend les entrées des capteurs à ultrasons et produit le type de feuille laser formée et la musique générée. En raison des nombreux degrés de liberté des lasers rotatifs, il existe des tonnes de motifs de feuilles laser différents qui peuvent être créés.

J'ai fait un brainstorming préliminaire sur le projet avec un nouveau groupe art/tech à St. Louis appelé Dodo Flock. Emre Sarbek a également effectué quelques tests initiaux sur les capteurs utilisés pour détecter les mouvements à proximité de l'appareil.

Si vous construisez un appareil à feuille laser, n'oubliez pas d'utiliser les lasers et les disques rotatifs en toute sécurité.

Mise à jour 2020: j'ai réalisé que la surface créée avec les lasers est un hyperboloïde.

Étape 1: liste de fournitures

Matériaux

Lasers -

Moteur sans balais -

Régulateur de vitesse électronique -

Servomoteurs -

Transistors

Contre-plaqué

Plexiglas

Capteurs à ultrasons

Bague collectrice -

LED blanches -

Convertisseurs en dollars

fil d'enroulement de fil

connecteur MIDI

Potentiomètre et boutons -

Matériel - https://www.amazon.com/gp/product/B01J7IUBG8/ref=o…https://www.amazon.com/gp/product/B06WLMQZ5N/ref=o…https://www.amazon. com/gp/product/B06XQMBDMX/ref=o…

Résistances

Câbles de connexion JST -

Interrupteur d'alimentation CA

Alimentation 12V -

Colle à bois

super colle

Les vis à bois

Rallonge USB -

Outils:

Fer à souder

Pinces coupantes

Scie sauteuse

Scie circulaire

Micromètre

Perceuse électrique

Étape 2: Aperçu et schéma

Un faisceau laser crée un faisceau de lumière bien collimaté (c'est-à-dire étroit), donc une façon de produire une nappe de lumière consiste à déplacer rapidement le faisceau selon un certain motif. Par exemple, pour créer une nappe de lumière cylindrique, vous feriez pivoter un laser autour d'un axe parallèle à la direction dans laquelle il pointe. Pour déplacer rapidement un laser, vous pouvez attacher un laser à une planche de bois attachée à un moteur à courant continu sans balai. Avec cela seul, vous pouvez créer des vortex laser cylindriques sympas !

D'autres projets de vortex laser y parviennent en montant un miroir incliné sur l'axe de rotation avec un laser stationnaire dirigé vers le miroir. Cela crée un cône de feuille laser. Cependant, avec cette conception, toutes les feuilles laser sembleront provenir d'une même origine. Si les lasers sont positionnés hors axe comme avec le design que j'ai construit, vous pouvez créer des feuilles laser convergentes, comme la forme de sablier montrée dans la vidéo.

Mais si vous vouliez que les nappes lumineuses soient dynamiques et interactives ? Pour ce faire, j'ai fixé deux lasers sur des servos, puis j'ai fixé les servos sur la planche de bois. Maintenant, les servos peuvent ajuster l'angle du laser par rapport à l'axe de rotation du moteur. En ayant deux lasers sur deux servos différents, vous pouvez créer deux nappes lumineuses différentes avec l'appareil.

Afin de contrôler la vitesse du moteur à courant continu, j'ai connecté un potentiomètre à un Arduino qui prend l'entrée du potenomètre et envoie un signal au contrôleur de vitesse électrique (ESC). L'ESC contrôle alors la vitesse du moteur (un nom plutôt approprié, oui), en fonction de la résistance du potentiomètre.

L'état marche/arrêt des lasers est contrôlé en les connectant à l'émetteur d'un transistor fonctionnant en saturation (c'est-à-dire fonctionnant comme un interrupteur électrique). Un signal de contrôle est envoyé à la base du transistor qui contrôle le courant à travers le laser. Voici une source pour contrôler une charge avec un transistor avec un arduino:

La position des servos est également contrôlée avec l'Arduino. Lorsque la planche tourne, la nappe de lumière peut être manipulée en changeant la position du servo. Sans aucune intervention de l'utilisateur, cela seul peut créer des nappes lumineuses dynamiques fascinantes. Il existe également des capteurs à ultrasons placés autour du bord de l'appareil, qui sont utilisés pour déterminer si une personne met sa main près des nappes lumineuses. Cette entrée est ensuite utilisée soit pour déplacer les lasers pour créer de nouvelles nappes lumineuses, soit pour générer un signal MIDI. Une prise MIDI est connectée pour transmettre le signal MIDI à un appareil de lecture MIDI.

Étape 3: Contrôler le moteur sans balais avec Arduino

Afin de créer des nappes lumineuses semblables à des vortex, vous devez faire pivoter le faisceau laser. Pour ce faire, j'ai décidé d'essayer d'utiliser un moteur à courant continu sans balai. J'ai appris que ces types de moteurs sont très populaires auprès des modèles réduits d'avions et de drones, alors j'ai pensé que ce serait assez facile à utiliser. J'ai rencontré quelques problèmes en cours de route, mais dans l'ensemble, je suis satisfait du fonctionnement du moteur pour le projet.

Tout d'abord, le moteur doit être monté. J'ai conçu sur mesure une pièce pour maintenir le moteur et l'attacher à une planche tenant l'appareil. Une fois le moteur sécurisé, j'ai connecté le moteur à l'ESC. D'après ce que j'ai lu, cela semble vraiment difficile d'utiliser un moteur sans balais sans un. Pour faire tourner le moteur, j'ai utilisé un Arduino Mega. Au départ, je ne pouvais pas faire tourner le moteur parce que je connectais simplement le signal de commande à 5 V ou à la terre, sans définir correctement une valeur de base ou calibrer l'ESC. J'ai ensuite suivi un tutoriel Arduino avec un potentiomètre et un servomoteur, et cela a fait tourner le moteur ! Voici un lien vers le tutoriel:

Les fils de l'ESC peuvent en fait être connectés de n'importe quelle manière au moteur sans balai. Vous aurez besoin de connecteurs banane femelles. Les câbles rouges et noirs plus épais de l'ESC sont connectés à une alimentation CC à 12 V, et les câbles noir et blanc sur le connecteur de commande de l'ESC sont connectés à la terre et à une broche de commande sur l'Arduino, respectivement. Regardez cette vidéo pour savoir comment calibrer l'ESC:

Étape 4: Construction du châssis en feuille laser

Après avoir fait tourner le moteur, il est temps de construire le châssis en tôle légère. J'ai coupé un morceau de contreplaqué à l'aide d'une machine CNC, mais vous pouvez également utiliser une scie sauteuse. Le contreplaqué contient les capteurs à ultrasons et a un trou pour s'adapter à un morceau de plexiglas. Le plexiglas doit être fixé au bois à l'aide d'époxy. Des trous sont percés pour que la bague collectrice passe à travers.

Une autre feuille de contreplaqué circulaire est ensuite coupée pour contenir le moteur sans balai. Dans cette feuille de bois, des trous sont percés pour que les fils puissent passer plus tard dans la construction. Après avoir fixé le support moteur et percé les trous, les deux feuilles de contreplaqué sont fixées par des planches 1x3 coupées d'environ 15cm de long et des supports métalliques. Sur la photo, vous pouvez voir comment le plexiglas est au-dessus du moteur et des lasers.

Étape 5: Assemblage du laser et du servomoteur

Les nappes lumineuses variables sont créées en déplaçant des lasers par rapport à l'axe de rotation. J'ai conçu et imprimé en 3D un support qui attache un laser à un servo et un support qui relie le servo à la planche en rotation. Fixez d'abord le servo au support de servo à l'aide de deux vis M2. Ensuite, faites glisser un écrou M2 dans le support laser et serrez une vis de réglage pour maintenir le laser en place. Avant de connecter le laser au servo, vous devez vous assurer que le servo est tourné vers sa position de fonctionnement centrée. En utilisant le didacticiel sur le servo, dirigez le servo à 90 degrés. Montez ensuite le laser comme indiqué sur l'image à l'aide d'une vis. J'ai également dû ajouter un peu de colle pour m'assurer que le laser ne se déplaçait pas par inadvertance.

J'ai utilisé un cutter laser pour créer la planche, qui a des dimensions d'environ 3 cm x 20 cm. La taille maximale de la feuille légère dépendra de la taille de la planche de bois. Un trou a ensuite été percé au centre de la planche afin qu'elle s'adapte sur l'arbre du moteur brushless.

Ensuite, j'ai collé l'ensemble laser-servo sur la planche afin que les lasers soient centrés. Assurez-vous que tous les composants de la planche sont équilibrés par rapport à l'axe de rotation de la planche. Soudez les connecteurs JST aux lasers et aux câbles d'asservissement afin qu'ils puissent être connectés à la bague collectrice à l'étape suivante.

Enfin, fixez la planche avec les ensembles laser-servo attachés sur le moteur sans balai avec une rondelle et un écrou. À ce stade, testez le moteur sans balais pour vous assurer que la planche peut tourner. Veillez à ne pas entraîner le moteur trop vite ou à ne pas mettre votre main dans la trajectoire de rotation de la planche.

Étape 6: Installation de la bague collectrice

Comment éviter que les fils ne s'emmêlent lorsque l'électronique tourne ? Une façon consiste à utiliser une batterie pour une alimentation électrique et à la connecter à l'ensemble de rotation, comme dans cette instructable POV. Une autre façon est d'utiliser une bague collectrice! Si vous n'avez jamais entendu parler d'un slingring ou en avez utilisé un auparavant, regardez cette superbe vidéo qui montre comment cela fonctionne.

Tout d'abord, fixez les autres extrémités des connecteurs JST à la bague collectrice. Vous ne voulez pas que les fils soient trop longs car ils risquent de se coincer dans quelque chose lorsque la planche tourne. J'ai attaché la bague collectrice au plexiglas au-dessus du moteur sans balai en perçant des trous pour les vis. Attention à ne pas fissurer le plexiglas lors du perçage. Vous pouvez également utiliser un cutter laser pour obtenir des trous plus précis. Une fois la bague collectrice fixée, connectez les connecteurs.

À ce stade, vous pouvez connecter les fils de la bague collectrice aux broches d'un Arduino pour effectuer des tests préliminaires avec le générateur de feuille laser.

Étape 7: Souder l'électronique

J'ai découpé une carte prototype pour connecter toute l'électronique. Comme j'ai utilisé une alimentation 12V, j'ai besoin d'utiliser deux convertisseurs cc-cc: 5V pour les lasers, les servos, le potentiomètre et la prise MIDI, et 9V pour l'Arduino. Tout a été connecté comme indiqué sur le schéma par soudure ou enroulement de fil. La carte a ensuite été connectée à une pièce imprimée en 3D à l'aide d'entretoises PCD.

Étape 8: Construire le boîtier électronique

Toute l'électronique est logée dans une boîte en bois. J'ai coupé du bois 1x3 pour les côtés de la boîte et j'ai coupé une grande ouverture sur un côté pour que les fils d'un panneau de commande puissent passer. Les côtés étaient reliés à l'aide de petits blocs de bois, de colle à bois et de vis. Une fois la colle séchée, j'ai poncé les côtés de la boîte pour égaliser toutes les imperfections de la boîte. Ensuite, j'ai coupé du bois fin pour l'avant, l'arrière et le bas de la boîte. Le fond a été cloué sur les côtés, et le devant et le dos ont été collés sur la boîte. Enfin, j'ai mesuré et découpé des trous les dimensions des composants sur le panneau avant de la box: la prise du câble d'alimentation, la prise usb, la prise MIDI et le potentiomètre.

Étape 9: Installation de l'électronique dans la boîte

J'ai fixé l'alimentation à la boîte à l'aide de vis, l'Arduino à l'aide d'un support conçu sur mesure et la carte de circuit créée à l'étape 7. Le potentiomètre et la prise MIDI ont d'abord été connectés à la carte de circuit à l'aide d'un fil d'enroulement, puis collés au panneau avant. La prise CA était connectée à l'alimentation et la sortie CC de l'alimentation était connectée aux entrées des convertisseurs Buck et des câbles qui se connectaient au moteur sans balai. Le moteur, le servo et les fils laser passent ensuite à travers un trou dans le contreplaqué jusqu'au boîtier électronique. Avant de m'occuper des capteurs à ultrasons, j'ai testé les composants individuellement pour m'assurer que tout était correctement câblé.

J'ai d'abord acheté une prise d'alimentation secteur, mais j'ai lu de très mauvaises critiques sur sa fonte, j'avais donc des trous de taille incorrecte sur le panneau avant. Par conséquent, j'ai conçu et imprimé en 3D des adaptateurs jack pour correspondre à la taille des trous que j'ai découpés.

Étape 10: Montage et câblage des capteurs à ultrasons

À ce stade, les lasers, les servos, le moteur sans balai et la prise MIDI sont tous connectés et peuvent être contrôlés par l'Arduino. La dernière étape matérielle consiste à connecter les capteurs à ultrasons. J'ai conçu et imprimé en 3D un capteur à ultrasons. J'ai ensuite câblé et fixé uniformément les ensembles de capteurs à ultrasons à la feuille de contreplaqué supérieure du générateur de feuille de lumière. Le fil enroulé a été acheminé jusqu'au boîtier électronique en perçant des trous dans la feuille de contreplaqué. J'ai connecté l'enroulement de fil aux broches appropriées de l'Arduino.

J'ai été un peu déçu par les performances du capteur à ultrasons. Ils ont plutôt bien fonctionné pour des distances comprises entre 1 cm et 30 cm, mais la mesure de distance est très bruyante en dehors de cette plage. Pour améliorer le rapport signal sur bruit, j'ai essayé de prendre la médiane ou la moyenne de plusieurs mesures. Cependant, le signal n'étant toujours pas assez fiable, j'ai donc fini par régler le cut-off pour jouer une note ou changer la feuille laser à 25 cm.

Étape 11: Programmation du vortex laser dynamique

Une fois que tout le câblage et l'assemblage sont terminés, il est temps de programmer le dispositif de nappe lumineuse ! Il existe de nombreuses possibilités, mais l'idée générale est de prendre en compte les entrées des capteurs à ultrasons et d'envoyer des signaux pour le MIDI et de contrôler les lasers et les servos. Dans tous les programmes, la rotation de la planche est contrôlée en tournant le bouton du potentiomètre.

Vous aurez besoin de deux bibliothèques: NewPing et MIDI

Ci-joint le code Arduino complet.

Deuxième prix au Challenge de l'Invention 2017