Pan Tilt Head

[SmokeT]

Moin zusammen,

nachdem ich jetzt mehrere Wochen hier als Gast gelesen habe, meld ich mich mal an um direkten Kontakt zu haben.

Kurz zu mir: Ich bin absoluter Neueinsteiger beim Thema Robotik, habe aber Ahnung von Kameras und Technik und bin motiviert was zu basteln

Ich plane: einen Akkubetriebenen Pan Tilt Head für eine DSLR Kamera:

seit zwei Wochen recherchiere ich jetzt immer wieder im Netz und habe so einige Anleitungen gefunden, leider raucht mir der Kopf bei den ganzen Entscheidungen die man treffen muss.
Deswegen wollte ich mal Fragen ob ihr mir einige Fragen direkt beantworten könnt?

Motoren: Ich möchte beim Pan Tilt Head zwei Motoren einsetzen. Ich glaube Schrittmotoren (1,2 A; 1,8° ; 4V) wären das Beste?

Wieviel Nm braucht man um eine DSLR Kamera (insgesamt ca 1,5-2 Kg) zu bewegen? Hängt wahrscheinlich auch davon ab wie sie gelagert wird oder?

Brauche ich auf jeden Fall ein Controller Board? Das ganze soll mittels Rasperry Pi gesteuert werden. Ohne Controller Board müsste ich mich um Dioden und Widerstände kümmern um ungewollte Ströme zu verhindern oder?

Was brauche ich, um auch bei Stromausfall ein Festhalten der Kamera zu garantieren? Schrittmotoren halten ja nur unter Stromzufuhr oder?

Hat jemand evtl einen Tipp zum Thema Elektronik-Planung für so einen Pan Tilt Head? Habe jetzt schon eine Menge Projekte gefunden, allerdings würde mich einiges zum Thema Elektronik interessieren, was man da so braucht um einen Pan Tilt Head auch sicher für den Controller zu betreiben...

Ich habe noch 100 Fragen, will den ersten Beitrag hier aber nicht überladen und erstmal hören was ihr dazu meint. Bin für alle Tipps und Ratschläge offen und stehe noch am Anfang. Insgesamt würde ich das projekt gerne komplett durchplanen und dann erst bestellen und bauen um Geld zu sparen....

Gruß SmokeT

[ranke]

Man wird auch mit Schrittmotoren nicht um ein Getriebe herumkommen, dazu ist das erforderliche Drehmoment zu hoch. Wenn man ein Getriebe verbaut, kann man auch einen Gleichstrommotor verwenden, der baut kompakter und leichter. Eine Winkelmessung muss man dann allerdings mit extra Sensorik machen.
Das Moment für die Tiltachse rechnet man über Gewicht und den Abstand des Schwerpunkts des gesamten Aufbaus von der Drehachse. Zusätzlich noch Zuschläge für Beschleunigung, Reibung und Sicherheit einplanen. Beim Aufbau an den worst case denken (langes Teleobjektiv). Für die Pan-achse sollte normalerweise keine Gewichtskomponente annehmen (außer man montiert diese Achse nicht senkrecht).
Das Getriebe bewirkt auch eine Hemmung bei Stromlosigkeit, das hängt von den Reibungsverhältnissen und der Untersetzung ab. Das kann auch dazu führen, dass sich die Achsen nur elektromotorisch verstellt werden können, was vielleicht manchmal lästig ist.
Bezüglich Elektronik kommt es auch darauf an, welche Funktionen Du genau erwartest. Leistungselektronik in Form von Treibern für die beiden Motoren braucht man auf jeden Fall.

[Geistesblitz]

Hmm, also wenn es selbsthemmend sein soll, wären Schneckengetriebe geeignet. Haben auch eine schön hohe Übersetzung, so ein Pan-Tilt-Head wird schließlich nicht mit tausenden RPM gedreht
Wie gesagt, Leistungselektronik brauchst du in jedem Fall. Für Schrittmotoren gibts etliche Angebote für entsprechende Karten, die Schnittstelle dazu ist auch einigermaßen einheitlich. Bei Servomotoren (also DC-Motoren mit Winkelsensor) wirds schon komplizierter, da wird man wohl eine Regelung selber entwerfen dürfen. Oder man arbeitet mit der Elektronik von Modellbauservos, nur dass man dieser eine stärkere Leistungsstufe verpasst. Wieviele Nm du brauchst ist von mehr Dingen abhängig als dem Gewicht, nämlich auch der Rotationsträgheit, Reibung, Hebelarm zum Schwerpunkt usw. Ich glaube mich zu erinnern, dass bei guten Kameras Schwerpunkt und Brennpunkt zusammenfallen, sodass es sich dann erst recht lohnt, alle Drehachsen durch diesen Punkt verlaufen zu lassen. Da dann auch der Hebelarm fehlt, fällt diese Komponente heraus und man braucht nicht mehr allzuviel Drehmoment. Mit anderem Objektiv fällt dieser Anteil aber bestimmt wieder mehr ins Gewicht.

[Arkon]

Wichtig wäre auch zu wissen, was du mit dem Teil überhaupt machen möchtest.

Bei Panoramen, die aus mehreren Fotos zusammen gesetzt werden, macht es Sinn, dass sich die Kamera um den Nodalpunkt dreht um versetzte Linien zu vermeiden. Der Nodalpunkt liegt aber selten mit dem Schwerpunkt überein, so dass in diesem Anwendungsbereich kräftigere Motoren benötigt werden, da sich zu den Beschleunigungen und der Reibung halt auch noch Drehmomente gesellen.

Wenn der Kopf aber z.B. unter einen (Multi-)Copter geschnallt werden soll um Luftbilder und Videos aufzunehmen würde es sinnvoll sein, die Kamera im Schwerpunkt aufzuhängen. So ließe sich mit leichteren Motoren arbeiten und bei Stromausfall würde die Kamera nicht nicht so heftig umschlagen.

[SmokeT]

vielen Dank erstmal für eure Antworten.
Der Kopf soll nicht für Panoramen genutzt werden, sondern sich während zwei Fotos neu ausrichten. Heißt die Kamera muss nicht unbedingt im Nodalpunkt hängen, ist eher nicht für Panoramen gedacht.

Wegen der Motoren: Ich habe halt gelesen es wäre exakter mit Schrittmotoren zu arbeiten als mit DC Motoren und Getriebe, da die Ausrichtung des PT-Heads ja nur geringe Laufleistungen der Motoren erfordert und diese sehr exakt eingestellt werden sollen?
Ich wusste noch nicht, dass es Schrittmotoren mit Getriebe gibt. Kann man sowas einzeln kaufen und zusammen bauen oder sind das Fertigbauten?

Achso: Der Kopf soll später auf einem Stativ oder Schlitten montiert werden und muss bezüglich Stromversorgung mit einem Akku laufen. Habt ihr da zum Thema Stromversorgung, 12V, noch Anmerkungen. Ich habe gelesen es wäre besser einen ca 5-9 V Motor an eine 12V Quelle zu hängen und diese zu begrenzen, um immer eine gesicherte gleiche Stromversorgung zu haben. Ist das so richtig?

[ranke]

Ich habe halt gelesen es wäre exakter mit Schrittmotoren zu arbeiten als mit DC Motoren und Getriebe

Das schöne an Schrittmotoren ist, dass man die Drehwinkel an der Motorwelle über die Steuerung genau vorgeben kann. Das blöde an Schrittmotoren: Sie tun nicht immer das, was man ihnen elektrisch vorgibt, zumindest wenn man nicht sehr genau weiss, wie man den Antrieb richtig auslegt. Außerdem blöde: ziemlich groß und schwer, braucht auch im Stillstand bestromen, sonst fällt er wenigstens in die nächste Raste des Läufers zurück und die Genauigkeit relativiert sich schon wieder. Beim DC Getriebemotor kann man einen Sensor anbauen (z.B. Potentiometer) und das ganze als Servomotor betreiben, damit kommt man auch auf gute Genauigkeit. Wie sind deine Anforderungen?

Ich wusste noch nicht, dass es Schrittmotoren mit Getriebe gibt. Kann man sowas einzeln kaufen und zusammen bauen oder sind das Fertigbauten?

Wenn man genug Geld zum ausgeben hat, kann man bekommen was man will. Hier hilft Dir eine Suchmaschine weiter.

Ich habe gelesen es wäre besser einen ca 5-9 V Motor an eine 12V Quelle zu hängen und diese zu begrenzen, um immer eine gesicherte gleiche Stromversorgung zu haben. Ist das so richtig?

Die Drehzahl eines gering belasteten DC Getriebemotors ist näherungsweise zur angelegten Spannung proportional. Damit kann man bei konstanter Spannung mit einer einfachen Zeitsteuerung schon einen recht vorhersagbaren Drehwinkel verfahren. Das wäre sozusagen eine sehr einfache Steuerung bei der man auf einen Winkelsensor verzichten kann. Wenn man mit einem Modellbauservo arbeitet muß man immer begrenzen, im allgemeinen mögen die nicht mehr als 6V. Ansonsten sehe ich keinen großen Vorteil in einer konstanten Spannung für die Motoren.

[SmokeT]

moin, wenns nen bischen dauert bis ich antworte bitte nicht wundern. ich lese meisten eure Antworten direkt und mache mir dann erstmal Gedanken bevor ich wieder schreibe

zu den Anforderungen: die Genauigkeit sollte sehr hoch sein, also eine sehr exakte Ansteuerung, da ich vorhabe feste Werte anzufahren.

Was meinst du mit "sie tun nicht immer das was man ihnen vorgibt". Heißt das sie vergessen Schritte auf Grund von z.B. zu hoher Belastung?

Die anderen Argumente mit Gewicht und Stromversorgnung leuchten mir ein.
Ich hatte vor ein Schneckengewinde zu Verbauen um den Pan Tilt Head im Stillstand/ ohne Strom zu arretieren. Beim zurücksetzen während eines Stromausfalls meinst du aber das der Motor in die letzte Raste zurückrutscht wenn er unter Strom zwischen zwei Rasten hängen würde?

Genug Geld habe ich leider nicht, muss günstig bleiben. Aber wenn etwas nicht anders geht muss man schauen ob es nicht doch gekauft werden muss.

Ich schreibe hier so, was mir Planungstechnisch einfällt. Falls etwas Falsch sein sollte bitte einfach sagen. Habe noch keinen Roboter gebaut und will in der Planung möglichst viele Fehler ausschließen. Bin dankbar für jede Antwort!

[ranke]

Was meinst du mit "sie tun nicht immer das was man ihnen vorgibt"

Schrittverluste entstehen bei zu hoher Belastung zwangsläufig. Das kann man recht gut durch eine angemessene Dimensionierung berücksichtigen. Leider entstehen Schrittverluste auch häufig durch Resonanzen. Wenn die Bestromung einen Schritt weiterspringt folgt der Läufer durch die Massenträgheit verzögert und schwingt auf die neue Sollposition ein. Wenn während des Einschwingens wieder ein neuer Schritt gemacht wird, kann sich das so aufschaukeln, dass Schritte verloren oder übersprungen werden. Das passiert typischerweise nur bei bestimmten Frequenzen (Drehzahlen) und bei eher geringerer mechanischer Belastung, speziell wenig Reibung, die die Schwingung dämpfen könnte. Ganz einfach ist das ganze jedenfalls nicht.

Ich hatte vor ein Schneckengewinde zu Verbauen um den Pan Tilt Head im Stillstand/ ohne Strom zu arretieren

Kann man machen. Allerdings haben Getriebe mit gewöhnlichen Zahnrädern praktisch die selbe Wirkung, wenn die Übersetzung einigermaßen hoch ist. Da macht geht das Getriebe kaputt, bevor sich der Motor dreht. Modellbauservos lassen sich stromlos meistens gerade noch so durchdrehen, wenn das Drehmoment langsam gesteigert wird. Ich vermute, da gibt es auch praktisch hemmende (evt. Windenservo) und eher leicht durchdrehbare (z.B. Lenkservo für RC-car). Da bin ich aber nicht so firm, dass ich eine Empfehlung abgeben könnte.

Beim zurücksetzen während eines Stromausfalls meinst du aber das der Motor in die letzte Raste zurückrutscht wenn er unter Strom zwischen zwei Rasten hängen würde?

Ja, unbestromt haben die alle eine gewisses "Rastmoment".

die Genauigkeit sollte sehr hoch sein, also eine sehr exakte Ansteuerung, da ich vorhabe feste Werte anzufahren.

Das kannst Du vielleicht noch quantifizieren (in zulässiger Abweichung in Winkelgrad von der Sollposition)? Daneben auch die Reproduzierbarkeit (also die Streuung die sich einstellen darf, wenn man jeweils die selbe Stellung anfährt. Diese ist normalerweise genauer, weil absolute Meßfehler hier nicht betrachtet werden.

[Geistesblitz]

Was bei Schrittmotorantrieben auch beachtet werden muss: wenn man die Steuerung einschaltet, weiß sie nicht, wo sich der Abtrieb befindet. Daher muss erstmal alles mittels eines geeigneten Sensors (Endschalter) referenziert werden (anfahren einer definierten Stelle). Von dort aus kann man dann aber alle möglichen anderen Stellen sehr genau anfahren (je nach Schrittauflösung und Getriebeübersetzung halt). Bei Getrieben sollte man auch darauf achten, dass sie kein größeres Spiel ins System reinbringen. Bei Zahnradgetrieben (und somit auch Schneckengetrieben) ist das manchmal gar nicht mal so leicht, besser sind da Zahnriemengetriebe.

Wegen dem Schritte verlieren: stell dir vor, der Schrittmotor wäre sowas wie eine Ratsche. Wenn du dran drehst, bewegt sich der Abtrieb mit, wird die benötigte Kraft zu groß, ratscht es nur und der Abtrieb kommt nicht weiter. Mit dem Motorstrom lässt sich dann die Kraft einstellen, ab der es ratscht.
(ich hoffe, die Analogie hilft)