EagleEi Gimbal 3axis

Das EagleEi Gimbal 3axis ist das Ergebnis aus monatelangem Basteln, einigem Ausprobieren, Verzweifeln und Erfahrungen sammeln. Ein 3-Achs-Gimbal sollte entstehen, das mit möglichst wenig Masse eine kleine HD-Cam aktiv entkoppelt.

EagleEi Gimbal 3axisIm Internet findet man hunderte 2-Achs- und 3-Achs-Gimbals für große, schicke Kameras und auch unzählige Varianten für die GoPros. Wenn man sich jedoch zur Aufgabe macht, eine Mini Mobius, leicht und klein, in ein Gimbal zu bekommen, so kommt man um eine Do-It-Yourself-Lösung nicht herum.

Vor einem Jahr also begann mein „kleines“ Projekt, indem ich habe lernen müssen, dass eine Miniaturisierung nicht zwingend eine leichte Aufgabe sein muss! 😉

 

Eine Mobius einfach in ein falsch dimensioniertes GoPro-Gimbal zu hängen, hat mir nicht gereicht. Denn wozu braucht man Motoren, die schwerer sind als die Cam, und eine Frame, die nicht auf die Minigröße der Mobius eingeht. Mein Ziel war es, das Gimbal so leicht und klein wie möglich zu realisieren, um auch weiterhin mit kleinen Coptern lange Flugzeiten zu erzielen und die Bruchmasse gering zu halten.

Aus diesem Ziel wurde ein langes Bastelprojekt mit unzähligen Zwischenversionen, von selbst gewickelten Motoren aus Festplatten, über Tesafilm-Flachbandkabeln, bis hin zu SMD-Lötversuchen u.v.m. Es gab diverse 2-Achs-Versionen, die mit gewissem Aufwand im 50 Gramm-Bereich lagen. Leider mussten auch für diese Versionen die Motoren selbst bewickelt werden, was für viele unter uns, verständlicherweise, eine zu große Hürde darstellt.

 

 

Folgendes Video ist ohne Stabilisierung „Rohmaterial“


Grundprinzip:

» Das Gimbal versucht, mit Hilfe der Motoren und dem Controller, die Kameraachse gerade auszurichten und dabei die ständigen Bewegungen des Copters zu kompensieren.
» Die Lage der Kamera wird durch einen Neigungssensor ermittelt. Der Controller erkennt die Lageveränderung und bewegt die Motoren in die entgegenwirkende Richtung.
» Im Idealfall arbeitet die Regelschleife so gut und schnell, dass die Kamera nahezu keine Lageveränderung annimmt.
» Hierfür ist eine sehr komplexe Logik und eine ideale Regelung notwendig. Etliche dieser Parameter können wir mit Hilfe der Software am Controller beeinflussen und anpassen.
» Grundlegend muss auch das Verhältnis der Motoren und der Schwerpunkt zur Kamera passen. Genau hier stoßen wir auf die größte Herausforderung, denn eine Mobius ist mit knapp 40 Gramm leichter als alle gängigen Motoren zusammen. Daher wirken ständig diverse Faktoren auf unser Regelwerk ein und wir werden immer an irgendwelche Grenzen der Machbarkeit stoßen!


Resultat: kompakt und leicht
Das Gewicht des EagleEi Gimbal 3axis, zusammengebaut mit den Motoren und Vibrationsdämpfer, beträgt nur ca. 100 Gramm, mit der Mobius-Cam und dem StoRM Controller einsatzfähig ca. 160 Gramm.


Komponenten:
» Motoren
» Frame
» Controller inkl. Sensorik
» Software
» Kamera

 

» Motoren

Da die Motoren nach wie vor der Knackpunkt dieser Thematik sind, habe ich mich, als Kompromiss, für die kleinsten und leichtesten entschieden, welche nahezu ohne Modifikation von Haus aus verwendet werden können. Diese Motoren wiegen ca. 22 Gramm und bleiben somit leider noch immer das schwerste Glied am EagleEi Gimbal 3axis. Zumindest bis zu dem Tag, an dem wir den perfekten Mobius-Gimbal-Motor finden oder erfinden.

 

» Controller

Mit der dritten Achse stößt man sofort auf die Frage, welches Controller-Board hierfür zum Einsatz kommen könnte? Für mich war die Frage schnell geklärt: ich unterstütze den Open-Source-Gedanken und so kommt für mich derzeit nur das STorM32 Board Infrage. Sicher, man bekommt diverse Klone und jegliche Art aus China, hieran habe ich allerdings derzeit kein Interesse. Mir gefällt es, wenn Leute etwas Eigenes erschaffen und mit Tipps und Know-how dahinter stehen, sogar unbezahlt! Das EagleEi Gimbal 3axis ist daher zunächst auf das SToRM Board von OlliW angepasst. Wer Interesse hat, kann hier gerne Erfahrungen mit anderen Controllern beschreiben. So wie das EagleEi Gimbal konstruiert ist, steht der Nutzung anderer Boards mechanisch nichts im Wege!

 

» Frame

Die Frame ist im Grunde nur die Halterung und Verbindung aller Komponenten. Die Umsetzung jedoch erwies sich als eine der schwersten Aufgaben.

Getreu dem Motto „Die Genialität einer Konstruktion liegt in ihrer Einfachheit“ ist das Ergebnis eine stabile Multilayer-Frame aus 3 mm Sperrholz. Diese kann zum Einen einfach mit einem guten Laser hergestellt und zum Anderen ohne Werkzeug in kurzer Zeit mit ein paar wenigen Tropfen Leim aufgebaut werden. Somit ist das EagleEi 3axis Gimbal vermutlich auch das weltweit erste Holz-Gimbal! 😉

Da wir uns mit diesem Gimbal gefühlt in der Nanotechnik bewegen, kommen Aspekte wie Kabelführung, Magnet-Haltekraft, PID-Regelung und Schwerpunkt erschwerend und meist negativ verstärkend zum Tragen – sonst wäre es ja auch zu einfach gewesen. Daher mussten mit dieser Frame die axiale Kabelführung, die Dämpferplatte und diverse weitere Punkte optimiert werden. Des Weiteren war es immer ein Anliegen, die Frame so zu gestalten, dass ein einfaches Nachbauen möglich ist, der Gedanke eines DIY-Bausatzes.


Stückliste

» 3x Motor
» 1x 3-Achs-Controller
» 1x Laser-Bausatz
» 4x Dämpfer
» 4x Abstandsbolzen und Schrauben
» 1x Kabelsatz
» 1x Messinghülse

 

» Die Motoren
sind der Drehpunkt von allem und sollten nicht nur klein und leicht sein, sondern auch gut beschaffbar und mit möglichst wenig Nacharbeit verwendbar sein.
Nach langer Suche bin ich auf passende Motoren für das EagleEi 3axis Gimbal gestoßen, die alle Punkte halbwegs vereinen, und in diversen Online-Shops bestellt werden können. Lediglich die Achse muss gekürzt werden und schon ist der Motor einsatzbereit.

Es handelt sich um diesen Motor: G-2D Part G-2D-Z-09 Brushless Motor WK-WS-22-001; zurzeit bei den gängigen Chinashops für ca. 18USD zu haben.

 

» Der Controller und die passende Bediensoftware
sind die wesentlichen Bausteine für ein ideales Gimbal. In unserem Fall können ohne Weiteres alle gängigen 3Achs-Controller verwendet werden, da wir einen nur sehr geringen Motorstrom benötigen.

Gute Erfahrungen haben wir mit dem OlliW-Controller gemacht – auch da die Bediensoftware und die Beschreibungen super aufgebaut sind. Hier findet ihr alle Infos dazu, auch die Beschaffungsquellen:
http://www.olliw.eu/storm32bgc-wiki/Where_to_buy_STorM32_boards

Danke Olli für dein Lebenswerk! 😉

 

» Der Laser-Bausatz
wurde in CorelDRAW konstruiert und liegt somit als cdr-Datei vor. Jeder gängige Laserdienstleister kann diese Datei verarbeiten und euch ein Set herstellen. Hierbei ist darauf zu achten, dass ein hochwertiger und exakter Laser verwendet wird, damit die Teile mit wenig Toleranz und möglichst wenig Schmauchspuren gelasert werden.
Der Bausatz wurde für 3 mm Birke-Sperrholz konstruiert. Dies ist das ideale Material, sehr verwindungssteif und dennoch unheimlich leicht. Diverse Versuche mit Pappel-Sperrholz oder MDF brachten keine Langlebigkeit! 🙂
Ich habe bei diversen Dienstleistern Muster lasern lassen und meist gute Erfahrungen gemacht.

Falls ihr keinen passenden Lasermensch zur Hand habt, schreibt uns eine kurze Mail, wir können euch sicher weiterhelfen. Oder ihr schaut in unsere „Materialschlacht“ im Stuhlkreis.

 

» Vibrationsdämpfer
Die idealen Dämpfer haben wir noch nicht gefunden, da bislang jeder Hersteller noch auf die gängigen, schweren 200-300 g Gopro-Gimbals setzt. Die besten Erfahrungen haben wir mit den TAROT-Dämpfern gemacht,  TL68A11, auch wenn diese noch immer etwas zu hart sind.
Eine einfache Lösung hierfür ist, die Dämpfer-Gummis durch ein paar kleine Löcher an der Seite zu optimieren!

 

» Abstandsbolzen und Schrauben für den Controller
Hier setzen wir auf Polyamid M3, die sind leicht und in jedem guten Bastelladen zu haben.

 

» Für die Verkabelung vom Controller zum Gimbal
haben wir uns etwas Schönes einfallen lassen und setzen in Kürze auf ein Mini-Flachbandkabel.
Hierfür haben wir eine kleine Platine mit SMD ZIF-Stecker geplant. Diese Mini-Platine ermöglicht uns eine einfachere Verdrahtung zwischen Gimbal und Controller.

Die Platine ist in Kürze als Open-Source-Platine bei OSH-Park gelistet und kann für ein paar Cents dort bestellt werden. Auch hier bietet sich ein Blick in die „Materialschlacht“ an!

Alternativ kann das Gimbal auch recht einfach mit feiner Litze verdrahtet werden. Hier empfehlen wir 0,05 mm² Litze.

 

» Die Achsdurchführung
ist ein 4 mm Messingrohr mit ca. 10 mm Länge. In jedem Baumarkt in Meterstangen auffindbar.

 


Beschaffungsquellen

Da wir keinen Shop betreiben, ist es für uns wichtig, dass jeder von uns seine Teile unkompliziert selbst beziehen kann und alle Teile möglichst konstant lieferbar sind. Hier versuchen wir den derzeitigen Stand der Stückliste abzubilden. Aktuelle Beschaffungsquellen könnt ihr im „Stuhlkreis“ finden und euch mit neuen Quellen nach Belieben austoben.

Zusätzlich haben wir in unserem Bereich Stuhlkreis einen Materialschlacht-Bereich eingerichtet. Hier könnt ihre gerne eure private Sammelbestellung anbieten und euch gegenseitig mit Material aushelfen. Auch hier setzen wir auf eure Fairness und vor allem Fairtrade!

 


Aufbauanleitung

Alles rund um den Aufbau, passende Anleitungen und Bilder, sowie Beschreibungen und Troubleshooting werden im Stuhlkreis angeboten. Dort helfen wir uns gegenseitig bei allen Fragen und Problemen!