Đồ án thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ camera hiện trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

Đồ án thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ camera hiện trường ĐH SPKT TPHCM, nghiên cứu cơ cấu camera slider và điều khiển qua ứng dụng Android.

• Tác giả: Đoàn Lê Nhật Nam
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Thế Phong
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ camera hiện trường
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết bị hỗ trợ camera hiện trường ĐH SPKT TPHCM

Thiết bị hỗ trợ camera hiện trường là sản phẩm nghiên cứu cơ điện tử của sinh viên ĐH SPKT TPHCM năm 2023. Hệ thống hướng đến phục vụ công tác quay phim chuyên nghiệp và sản xuất nội dung truyền thông. Cơ cấu slider cơ khí kết hợp điều khiển tự động hóa giúp máy ảnh dịch chuyển mượt mà. Chiều dài thanh ray đạt 2m với khung hợp kim nhôm định hình chịu lực cao. Tổng khối lượng toàn bộ thiết bị được tối ưu dưới 5kg. Thông số này tạo sự tiện lợi tối đa khi tác nghiệp tại hiện trường ngoài trời. Hệ thống tích hợp khả năng đồng bộ chuyển động đa trục chính xác. Người vận hành dễ dàng thiết lập kịch bản góc quay thông qua kết nối không dây Bluetooth. Vi điều khiển trung tâm ESP32 đảm bảo khả năng tính toán quỹ đạo nhanh chóng. Thiết bị cho phép máy quay di chuyển ổn định với gia tốc tối đa 20 cm/s2. Các khung hình chuyển cảnh đạt độ sắc nét và ổn định cao. Nghiên cứu giải quyết bài toán cơ điện tử thực tiễn cho ngành quay phim.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu và mục tiêu kỹ thuật của đề tài

Nhu cầu sản xuất nội dung truyền thông chất lượng cao ngày càng gia tăng mạnh mẽ. Các thiết bị ray trượt slider công nghiệp hiện nay thường cồng kềnh và đắt đỏ. Nhóm nghiên cứu ĐH SPKT TPHCM đặt mục tiêu chế tạo hệ thống gọn nhẹ, linh hoạt. Thiết bị đáp ứng đầy đủ yêu cầu ghi hình chuyển động mượt mà tại hiện trường thực tế. Cấu trúc cơ khí sử dụng vật liệu nhôm nhẹ giúp giảm tải trọng mang vác. Hệ thống điện tử tích hợp công nghệ điều khiển vị trí và nội suy vận tốc chính xác. Sản phẩm giúp các đoàn làm phim độc lập tiếp cận giải pháp quay hiện đại với chi phí hợp lý.

1.2. Các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của thiết bị slider

Thiết bị sở hữu nhiều thông số kỹ thuật ấn tượng đáp ứng tác nghiệp hiện trường. Chiều dài làm việc của thanh trượt đạt 2m trên khung ray nhôm cứng vững. Tổng trọng lượng toàn hệ thống duy trì dưới mức 5kg nhằm tối ưu tính cơ động. Hệ thống chuyển động hỗ trợ gia tốc làm việc tối đa lên tới 20 cm/s2. Thiết bị vận hành qua nguồn pin rời hoặc cấp điện trực tiếp từ bộ nguồn DC. Kết nối Bluetooth Serial cho phép truyền dữ liệu liên tục trong phạm vi vài chục mét. Bo mạch điều khiển ESP32 xử lý lệnh tức thời từ ứng dụng di động Android chuyên dụng.

II. Phân tích kỹ thuật thiết bị hỗ trợ camera hiện trường ĐH SPKT

Thiết kế thiết bị hỗ trợ camera hiện trường đòi hỏi sự cân bằng khắt khe giữa cơ khí chính xác và điện tử. Quá trình di chuyển của máy quay trên thanh ray 2m dễ phát sinh rung chấn cơ học. Rung chấn cơ học làm suy giảm nghiêm trọng độ nét của thước phim. Động cơ bước thông thường tạo ra tiếng ồn và bước dịch chuyển giật cục ở tốc độ thấp. Hiện tượng này ảnh hưởng xấu đến chất lượng ghi hình trực tiếp. Bên cạnh đó, bài toán cung cấp năng lượng và ổn định nguồn điện tại hiện trường rất phức tạp. Dòng điện tiêu thụ biến thiên liên tục khi vi điều khiển ESP32 kích hoạt sóng Bluetooth. Đỉnh dòng đạt hơn 240mA ở điện áp 5V gây sụt áp cục bộ trên đường nguồn. Mạch điều khiển động cơ cũng phát sinh nhiễu cao tần gây sai lệch tín hiệu vi điều khiển. Hệ thống đòi hỏi giải pháp triệt tiêu nhiễu điện từ và giải thuật nội suy quỹ đạo mượt mà.

2.1. Thách thức rung động cơ học và tiếng ồn chuyển động

Rung lắc là trở ngại lớn nhất đối với các thiết bị slider quay phim hiện trường. Khi đầu quay di chuyển, lực quán tính tác động trực tiếp lên hệ khung nhôm dài 2m. Cấu trúc ray phải bảo đảm độ võng nằm trong giới hạn cho phép khi mang máy ảnh nặng. Động cơ bước điều khiển truyền động đai có thể gây ra hiện tượng giật bước vi mô. Tiếng ồn từ bước chuyển động cơ học cũng thu vào micro định hướng của máy quay. Việc phân tích dao động và kiểm soát gia tốc khởi động là yếu tố sống còn để duy trì cảnh quay liền mạch.

2.2. Vấn đề nhiễu điện từ và sụt áp trong mạch điều khiển

Hệ thống nhúng vận hành đồng thời ba động cơ bước cùng khối thu phát Bluetooth công suất cao. Khi các cuộn dây động cơ đóng ngắt liên tục, xung điện áp ngược xuất hiện trên đường nguồn. Xung gai nhọn gây nhiễu loạn tín hiệu điều khiển của vi điều khiển ESP32. Việc dùng chung một nguồn điện duy nhất tạo ra nguy cơ sụt áp đột ngột. Nếu không có bộ lọc nguồn phù hợp, mạch hạ áp sẽ mất ổn định điện áp logic 5V và 3.3V. Sự cố này làm đứt đoạn đường truyền dữ liệu không dây và khiến thiết bị mất đồng bộ toạ độ.

III. Giải pháp chế tạo thiết bị hỗ trợ camera hiện trường ĐH SPKT

Đề tài áp dụng giải pháp tích hợp phần cứng và phần mềm đồng bộ để giải quyết triệt để vấn đề. Mạch công suất sử dụng driver động cơ TMC2208 thế hệ mới với công nghệ vi bước siêu êm. Driver này loại bỏ hoàn toàn tiếng rít cơ học và hiện tượng rung giật khi quay quét chậm. Nhóm thiết kế bổ sung tụ hóa decoupling 35V 100uF đấu nối sát chân nguồn của từng IC điều khiển. Tụ decoupling đóng vai trò triệt tiêu xung nhiễu cao tần và xả năng lượng tức thời về cực âm mass. Nguồn điện tổng được phân nhánh độc lập qua mô-đun hạ áp xung MP1584EN hiệu suất cao. Khối xử lý trung tâm dùng ESP32 lập trình trên nền tảng Arduino IDE với thuật toán nội suy quỹ đạo mượt. Giao thức Bluetooth Serial SPP đảm bảo kết nối liên tục với ứng dụng Android điều khiển. Ứng dụng di động cung cấp giao diện trực quan để người dùng thiết lập tọa độ, gia tốc và kịch bản chuyển cảnh linh hoạt.

3.1. Thiết kế mạch nguồn hạ áp và cơ chế lọc nhiễu tụ điện

Thiết kế phần cứng sử dụng cấu trúc phân nhánh nguồn đơn nhất nhằm tinh gọn khối lượng thiết bị. Nguồn điện chính phân chia thành hai nhánh cấp cho ba động cơ và vi điều khiển MCU. Nhánh MCU tích hợp mạch hạ áp xung MP1584EN để duy trì điện áp 5V ổn định cho ESP32. Nhóm kỹ sư bố trí tụ hóa phân cực 35V 100uF ngay trước chân cấp nguồn driver TMC2208. Đường mạch nối đất GND trở kháng thấp dẫn toàn bộ tín hiệu nhiễu tần số cao về mass. Cơ chế này bảo vệ vi điều khiển khỏi dao động điện áp và duy trì luồng dữ liệu thông suốt.

3.2. Thuật toán điều khiển chuyển động và ứng dụng di động Android

Phần mềm điều khiển được xây dựng trên nền tảng Android kết nối trực tiếp vi điều khiển ESP32. Giao tiếp Bluetooth Serial truyền nhận các chuỗi ký tự điều khiển định dạng chuẩn theo thời gian thực. Thuật toán nội suy tính toán phân bố vận tốc hình thang giúp chuyển động bắt đầu và kết thúc êm ái. Người dùng có thể lưu trữ các kịch bản góc quay phức tạp gồm nhiều điểm dừng trung gian. Toạ độ các trục quay pan, tilt và trượt ngang slide được đồng bộ hóa tuyệt đối. Hệ thống giúp người quay phim tái lập chính xác các chuyển động máy phức tạp trong điện ảnh.

IV. Đánh giá ứng dụng thiết bị hỗ trợ camera hiện trường ĐH SPKT

Dự án thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ camera hiện trường ĐH SPKT TPHCM đã hoàn thiện xuất sắc. Thiết bị hoạt động ổn định và đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra ban đầu. Khung nhôm 2m kết hợp cụm trượt đem lại độ mượt vượt trội trên các thước phim thực tế. Toàn bộ trọng lượng máy dưới 5kg giúp việc vận chuyển ngoại cảnh trở nên vô cùng thuận tiện. Việc điều khiển qua điện thoại Android mang lại trải nghiệm người dùng hiện đại và trực quan. Driver TMC2208 cùng giải pháp tụ decoupling 100uF triệt tiêu hoàn toàn tiếng ồn động cơ và xung nhiễu điện. Mạch hạ áp MP1584EN bảo đảm nguồn cấp bền bỉ cho vi xử lý ESP32 suốt quá trình ghi hình dài. Sản phẩm mở ra hướng ứng dụng rộng rãi trong các studio vừa và nhỏ, đoàn làm phim và truyền thông số. Đây là minh chứng rõ nét cho năng lực làm chủ công nghệ cơ điện tử ứng dụng của sinh viên ĐH SPKT TPHCM.

4.1. Hiệu quả vận hành thực tế tại các bối cảnh hiện trường

Thử nghiệm thực tế chứng minh thiết bị thích ứng tốt với nhiều điều kiện quay ngoại cảnh phức tạp. Cơ cấu khung hợp kim nhôm định hình giữ vững độ cứng cáp trên các địa hình gồ ghề. Cụm đầu gắn máy ảnh giữ thăng bằng chuẩn xác khi thực hiện chuyển động lướt tốc độ cao. Gia tốc vận hành đạt chuẩn 20 cm/s2 tạo ra hiệu ứng chuyển cảnh điện ảnh mượt mà, sống động. Thời lượng pin rời hỗ trợ làm việc liên tục trong nhiều giờ mà không cần cắm điện lưới. Thiết bị đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe của phóng sự và video thương mại.

4.2. Tiềm năng thương mại hóa và định hướng phát triển mở rộng

Sản phẩm sở hữu tiềm năng thương mại hóa lớn nhờ chi phí chế tạo thấp hơn nhiều so với thiết bị ngoại nhập. Nền tảng phần cứng ESP32 cho phép nhóm kỹ sư tiếp tục nâng cấp thêm nhiều tính năng mới. Định hướng tương lai bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để camera tự động bám đuổi chủ thể di chuyển. Ứng dụng điều khiển trên Android có thể mở rộng tính năng lập trình timelapse theo chu kỳ thời gian dài. Hệ thống cũng có thể nâng cấp thêm trục xoay 360 độ phục vụ công nghệ thực tế ảo. Đây là giải pháp công nghệ đầy hứa hẹn cho cộng đồng sáng tạo nội dung.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu cho các sản phẩm mang tính ứng dụng cao trong các công việc quay dựng. Đồng thời có thể mở rộng qua các lĩnh vực truyền thông, quảng cáo giúp đưa những đoạn phim ngắn giới thiệu về một sản phẩm hay những đoạn clip mang tính giáo dục, tuyên truyền hay bất cứ hình thức nào. Ý nghĩa khoa học & tính thực tiễn của đề tài Dựa vào tính thực tiễn: Hiện nay, nhu cầu quay phim, chụp ảnh ngày càng tăng và thường đòi hỏi những hình ảnh, thước phim có độ phức tạp, đẹp và chân thực hơn. Để đáp ứng được những nhu cầu đó, nhóm chúng em đã tham nghiên cứu, phát triển và chế tạo thiết bị hỗ trợ camera hiện trường.

Sản phẩm này ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Có thể kể đến như truyền thông (TikTok, YouTube, Facebook Reels với mục đích review sản phẩm), quảng cáo sản phẩm hay lớn hơn là ứng dụng ngành công nghiệp điện ảnh, nơi có những slider chuyên dụng, những sản phẩm được đầu tư cực nhiều vì lý do chất lượng đối với mỗi thước phim. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Mục tiêu chính đó chính là xây dựng thành công chương trình điều khiển theo kịch bản, thứ mà ít slider trên thị trường hiện có thể cung cấp, do phần lớn các sản phẩm này được điều khiển manual mà không theo những kịch bản nhất định. Để làm được điều này, nhóm sử dụng kiến thức từ lĩnh vực đồ họa máy tính, áp dụng kiến thức, lý thuyết này vào sản phẩm thực tế của nhóm.

Cụ thể gồm: + Thiết kế hệ thống 3 trục điều khiển chuyển động camera. + Xây dựng cơ chế thiết lập kịch bản cho các trục. + Nghiên cứu, áp dụng kiến thức trong đồ họa máy tính vào thực tế. + Thiết kế giao diện ứng dụng người dùng trên thiết bị Android.

Việc thiết kế sản phẩm ngoài ra còn phải đáp ứng các tiêu chí đề ra dưới đây: - Chi phí gia công, chọn lựa các linh kiện điện tử và hệ thống điện là thấp nhất. - Đáp ứng được tiêu chí lớn nhất của người tiêu dùng hiện nay đó chính là sự tiện lợi cũng như sự đơn giản trong việc sử dụng. - Nâng cấp phần chương trình điều khiển bằng một phương pháp tối ưu hơn mà các sản phẩm tầm nhỏ và trung không đáp ứng được nhu cầu khách hàng. - Thiết kế một giao diện người dùng thân thiện, dễ thao tác nhưng vẫn mang lại đầy đủ và đa dạng các chức năng, giúp nâng cao trải nghiệm người dùng.

Đối tượng nghiên cứu - Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của động cơ bước, mạch điều khiển. - Phân tích và phát triển thuật toán mới giúp nâng cao chất lượng cảnh quay do sản phẩm không được đầu tư triệt để vào hệ thống cơ khí giúp hạ giá thành sản phẩm. - Liệt kê các phương án nằm trong giới hạn khả năng cải tiến và phát triển. - Ứng dụng kiến thức đã học trong môn Hệ thống truyền động Servo.

Phương pháp nghiên cứu - Dựa vào các sản phẩm đã có trên thị trường Việt Nam cũng như nước ngoài: Hiện nay, ở một số nơi như đài truyền hình thường sử dụng thiết bị hỗ trợ camera hiện trường. 3 - Tiếp thu và kế thừa: Thiết bị này đã ra đời từ lâu nhưng chỉ được sử dụng ở các phim trường, trường quay đài truyền hình. Từ đó từ nguồn tìm hiểu trên Internet, kế thừa và chọn lọc những kiến thức phù hợp với đề tài của nhóm. - Dựa vào các kiến thức đã được học: Những kiến thức đã học trong các môn học Nguyên lý chi tiết máy, Vi xử lý, Kỹ thuật Robot, Hệ thống điều khiển Servo, .