Robotic Pano Project

Dieses Projekt befindet sich noch im Aufbau. Hier werde ich regelmäßig über den aktuellen Fortgang der Arbeiten informieren.

Inhalt

1. Wozu das ganze?

2. Das Projekt

3. Die Motoren

4. Mechanik

5. Elektronik

1. Wozu das ganze

In letzter Zeit verbachte ich sehr viel Zeit mit der Aufnahme und der Nachbearbeitung von Panoramen. Einige davon sind sogar in virtuellen Touren (zum Beispiel hier und hier) auf meiner Webseite zu finden. Den größten Teil der Arbeit nimmt bei der Erstellung eines einzelnen Panoramas eindeutig die Arbeit am Computer ein: Die Bilder müssen mit einander verlinkt werden, und zu einem einzelnen großen Bild vernäht werden. Häfig muß dieses Bild noch retuschiert werden, etwa wenn die Ausgangsbilder nicht besonders gut zusammen passen, oder sich Personen wärend der Aufnahme bewegt haben. Das dauert mitunter sehr lange. Danach folgt die übliche Bearbeitung von Fotos: Farbton anpassen, Schärfe und Sättigung kontrollieren, das Bild verkleinern, und in eine für das Web geeignete Form bringen.

Für ein einzelnes Panorama, bei dem die Bilder sehr gut zusammen passen, und keine Retuschierarbeiten nötig sind dauert das vielleicht zwei Stunden, bei schlecht passenden Bildern, die ein manuelles Verknüpfen der Bilder und viel Nachbearbeitug erfordern, vergehen leicht 2 Tage, bis das Ergebnis vorzeigbar ist. Bestes Beispiel ist der Blick in das Cokpit des Parabelfliegers: Das Bild ist ein HDR aus aus 9 Ebenen zusammengfügt, insgesamt 225 Bilder. Bearbeitungszeit etwa 100 Stunden (ohne die Zeit zum Rendern).

Also: Alles hängt davon ab, wie gut die Bilder zusammenpasen. Und die einzige Möglichkeit dafür zu sorgen, ist bei der Aufnahme. Damit die Bilder alle aus dem gleichen Blickwinkel aufgenommen scheinen, bietet es sich an, die Kamera auf einen speziellen Panoramakopf zu montieren, der es einem erlaubt, die Kamera um den sogenannten Nodalpunkt zu drehen. Die Bilder passen dann gut zusammen. Leider hat man als Fotograf dafür nicht viel Zeit: Leute laufen durchs Bild, das Licht verändert sich, Wolken ziehen vorbei - alles Sachen die beim zusammenfügen der Bilder stören. Dazu muss man aufpassen, dass nam jede Stelle mindestens einmal fotografiert, aber auch nicht zu häufig, das kostet Zeit. Fokus einstellen, die Belichtung mit ein paar Testaufnahmen überprüfen. Und nach jeder Aufnahme ist die Kamerahalterung etwas weiter zu derhen - Bild aufnehmen - weiterdrehen... Wenn mich dann noch jemand anquatscht ist absehbar, dass ich irgendwas vergesse.

Und es gibt einen Ausweg: Ein motorisierter Panoramakopf könnte mir zumindest das Drehen der Akmera abnehmen. Und so ein Ding werde ich mir bauen.

Gibt es das nicht schon? Ja, klar. Aber die sind entweder teuer (und stabil), oder günstig und dafür aus Plastik. Ich will was gescheites, aber zu einem akzeptablen Preis, und bin dazu bereit auch etwas selber zu bauen. Beste Voraussetzungen für ein kleines Projekt.

 

2. Das Projekt

Ich möchte mir einen motorisierten Panoramakopf für meine D200 Kamera mit dem 12-24mm Objektiv bauen. Mit der Kombination möchte ich am ende ein komplettes sphärisches Panorama aus 24 Bildern in 30 Sekunden aufnehmen können. damit ergeben sich folgende Eckdaten für das Projekt:

• Tragfähigkeit des Kopfes: > 2kg
• Akkubetrieb für mindestens 100 Panoramen
• Verfahrgeschwindigkeit einer Achse: 100°/s
• Genauigkeit für die Winkeleinstellung: 0.5°
• Gesamtgewicht des Kopfes kleiner 2.5kg
• Aufzeichnung einer Logdatei
• Fernsteuerbarkeit per Funk aus 100m Entfernung

Die meisten der aufgelisteten Wünsche halte ich für erfüllbar, ich hoffe sogar, daß das Gewicht etwas geringer ausfällt, damit ich nicht so viel zu schleppen habe.Die tragende Struktur werde die ich aus 30mmx30mm Alu Systemprofilen aufbauen. Diese sollten eine ausreichend hohe Steifigkeit aufweisen. Derzeit bin ich noch am überlegen, ob ich wie bei meinem bisherigen Panoramakopf (einem Nodal Ninja 3, Bild unten) einen einfachen L-förmigen Winkel aufbaue, an dem unten der erste Motor montiert ist, und an dem höchsten Punkt des L's der Zweite, oder ob ich eine Art U baute, das unten mittig auf einem Motor montiert ist, und in dem wie eine Schaukel ein zweites U hängt.

Vorteil von der U-Lösung wäre die schöne Symmetrie des Aufbaus, die erhöhte Stabilität und die bessere Belastung der oberen beiden Lager, auf denen kein radiales Drehmoment wirkt. Für die L-Variente spricht das geringere Gewicht, und der etwas einfachere Aufbau. Ich denke ich werde beides testweise mal aufbauen, und mich dann für die Bessere Lösung entscheiden.

Eigentlich eher ein Gimmik ist die Fernsteuerbarkeit per Funk. Ich habe vor auch den Auslöser der Kamera per Funk anzubinden, obwohl zwischen Kamera und der Steuerlogik des Panoramakopfes nur 10cm sein werden. Aber ich kann eine kabellosen Auslöser für die D200 ohnehin gut brauchen, und außerdem macht es Spaß solche Sachen zu bauen. Die Motorsteuerung soll auch über ein separates Handgerät gesteuert werden können. Eventuell möchte ich auch noch ein GPS Empfänger per Funk anschließen, dessen Daten dann direkt in die Exifs der Bilder eingetragen werden. Für die Datenübertragung per Funk werde ich kleine ZigBee Module der Firma Digi verwenden.

Eine Logdatei soll aufgezeichnet werden, damit ich am Ende weiß, in welche Richtung ich die Bilder aufgenommen habe. Die Datei möchte ich entweder auf eine Speicherkarte oder einen USB-Stick kopieren können.

Die Verfahrgeschwindigkeit ist mit 100°/s recht hoch, die Motoren schaffen das aber spielend. Und ich bin auch bereit Abstriche bei der Genauigkeit zu machen, da die Bilder nach der Aufnahme ohnehin mit einer Panoramasoftware ausgerichtet werden. Die Drehmomente für die Motoren werden sich voraussichtlich auch sehr in Grenzen halten, da der Drehpunkt der Kamera nur einige Zentimeter vom Schwerpunkt entfernt ist.

 3. Die Motoren

Diese putzigen Getriebemotoren habe ich bei ebay gefunden. Leider habe ich weder ein Datenblatt zu den Dingern, noch eine Ahnung, wofür diese wohl einmal eingesetzt wurden. Das einzige was ich weis: Der Hersteller der Einheit ist Maxon, der Motor ist für eine Nennspannung von 12V ausgelegt, die Übersetzung vom Motor zu der Messingplatte (Ø = 50mm) geschieht über ein Schneckengetriebe mit einer Übersetzung von 1:120. Das Getriebe ist selbsthememnd, d.h. bei dem Versuch die Messingplatte von Hand zu drehen, blockiert das Getriebe. Auf beiden Seiten des Getriebekastens sind Befestigungslöcher und Bolzen angebracht.

Auf der rückwärtigen Verlängerung der Motorachse ist etwas montiert, das wie ein Mechanismus für eine Ratsche aussieht. Auch eine geschlitzte Scheibe ist dort montiert. Vielleicht kann ich dort eine Gabellichtschranke anbringen, mit der ich die Umdrehungen des Motors zählen kann.

4. Mechanik

Die tragende Mechanik baue ich aus 30x30mm Aluprofilen. Diese haben den Vorteil, dass man sie einfach mit Winkeln zusammenschrauben kann, ohne vorher Löcher bohren zu müssen. Den Kopf kann ich auf diese Weise modular aufbauen, und einzelne Teile -wie zum Beispeil die Motoren-leicht verschieben. Über Ebay ist das ganze auch sehr bezahlbar. Für einem Meter des Profils zahlte ich 6 Euro, insgesamt denke ich dass ich für das Gestell 15 Euro brauche.

Aus zwei Stücken des Profils (25cm und 21cm) habe ich einen L-förmigen Winkel aufgebaut, und mit ein paar Aluteilen zwei Motoren montiert. An dem unteren Motor befindet sich eine kleine Scheibe, mit der ich den Kopf auf mein Stativ aufschrauben kann. Die Halterung für die Kamera fehlt noch.

Die Profilstücke habe ich etwas zu lang ausgelegt - mit Absicht. Denn wie viel Platz ich zum Montieren der Kamera brauche weiß ich noch nicht genau. Später kann ich sie immer noch absägen.

Der horizontale Arm mit der Kamerahaltung ist montiert. Damit ist die Mechanik des Panoramakopfes fast fertig. Nur die Steuerbox fehlt noch. Und vielleicht säge ich die etwas zu lang geratenen Träger etwas ab.

 

Das Gewicht ist mittlerweile recht stattlich: Gut 2kg. Und das gefällt mir überhaupt nicht. Ich hätte nie gedacht, dass zwei Kilo so schwer sind. Mal eben mitnehmen wird wohl nicht. Und leider kann ich die Halterung nicht einfach leichter machen: Der größte Teil fällt auf die Motoren: etwa 900g. Die Profilstangen wiegen zusammen etwa 570g, der Rest fällt auf die Winkel (96g), die Motorhalterung (160g), Schrauben und Nutensteine (270g). Kein Witz: Ein Nutenstein mit Schraube wiegt 16g, und ich habe 17 davon verbaut.

Der nächste große Abschnitt ist:

 

5. Elektronik

Das Konzept steht. Im Wesentlichen teilt sich die Elektronik in zwei Teile auf: Die Ansteuerung und Positionsregelung der beiden motorisierten Achsen (das ist der erste Teil) und die Bahnplanung, Ablaufsteuerung und Anbindung an die Außenwelt (Teil 2).

5.1 Motorsteuerung

Die Motorsteuerung soll eine Achse selbstständig auf eine eingestellte Position regeln. Die Position wird hierbei über eine Lichtschranke, die an der rückwärtigen Verlängerung der Motorachse angebracht ist festgestellt. Die Auflösung wird etwa 0.5° betragen. Der zugehörige Motor wird über eine MOSFET Vollbrücke (2 x IRF8910) mit dem Treiber HIP4082von einem PIC18F1320 angesteuert. Die Schaltung soll als ein kleines Modul ausgeführt werden, so dass ich es auch in anderen Projekten (etwa zur Ansteuerung eines Peltierelementes) verwenden kann. Daher ist die Endstufe mit einem Dauerstrom von 10A auch etwas überdimensioniert.

Schaltplan und Layout folgen in kürze

5.2 Controller/Stromversorgung

Das Controllerboard soll die Bahnplanung übernehmen, die beiden Motorsteuerungen mit anzufahrenden Positionen versorgen, die Kamera auslösen, und eine Logdatei erzeugen. Dazu kommt noch die Stromversorgung und Laderegelung des Akkus.

Bislang habe ich mich nur um die Stromversorgung gekümmert. Hauptenergiequelle ist ein Akkupack aus zwei Lithium-Polymer Akkus mit 2200mAh. Geladen wird dieses über einen eingebauten switch-mode Ladecontroller (LTC4002). Aus der Akkuspannung (6V.. 8.4V) wird dann mit zwei Linearreglern (UA78L05 und L4931) die Spannung für die Digitalelektronik, Funkmodul und I/O erzeugt. Ein Step-up (MAX1771) liefert die 12V/2A für die beiden Motoren.

Hauptcontroller wird ein PIC18F4680 sein. Dieser bietet mehr als genügend I/Os zum Ansteuern der diversen Hardware.

Work in progress - Mehr in kürze