Пан-тилт из двух серво: платформа для камеры

Я задумал снимать таймлапс кормушки для птиц — камера должна была медленно поворачиваться за стайкой. Купил двухсервовый кронштейн-краб, прикрутил камеру, залил скетч из примеров: pan.write(0), delay, pan.write(180). Получилась не панорама, а судорога: платформа рывками перелетала от края до края, кадр дёргался так, что птиц в монтаже приходилось вырезать. А через неделю выяснилось и второе: камеру я посадил прямо на качалку верхнего серво одним длинным винтом, и когда платформу слегка повернуло кабелем, шлицы качалки сорвались. Обе поломки были не про код — про конструкцию.

Пан-тилт — самая честная двухсервовая механика: две оси, два угла, никакого обратного движения. Но именно из-за этой простоты в ней легко промахнуться по мелочам: какая серво внизу и почему, какой ход реально доступен каждой оси, как сделать движение плавным, а не ступенчатым. Здесь я разберу конструкцию, которую после той истории собрал заново и использую до сих пор, — и покажу два скетча: ручное управление джойстиком для живой платы и плавный скан, который можно посмотреть в симуляторе.

Две оси имеют имена: пан — поворот влево-вправо вокруг вертикали, тилт — наклон вверх-вниз вокруг горизонтали. Снизу всегда стоит пан: она несёт на себе всё — верхнюю серво, кронштейн, камеру. Если перепутать и поставить тилт вниз, вся конструкция будет балансировать на качалке серво наклона, а это самый хрупкий узел из возможных. Вес камеры — первый критерий выбора серво: веб-камера на 90–120 г на кронштейне с плечом 3–4 см даёт 300–480 г·см — SG90 с её 1,8 кг·см хватает с запасом. Смартфон весит 180–220 г, и на том же плече это уже 540–880 г·см — формально тоже влезает, но я бы поставил MG996R: платформа на грани момента начинает гудеть в удержании, а гул камеры в кадре не заглушишь.

Готовые кронштейны-«крабы» из двух плат — нормальный путь, не стыдно. Внутри них ровно та кинематика, что описана выше: нижняя серво крутит верхнюю плату, верхняя качает площадку. Собирая такой, проверьте одну вещь: винты качалок должны сидеть на резьбе в пластиковых втулках, а не «на честном слове» в гладких отверстиях — вторые разбалтываются за неделю.

Отступы от краёв здесь не перестраховка, а результат замеров: кабель, идущий к камере, на краю хода натягивается и начинает сам поворачивать платформу — серво с перегрузом упирается в упор каждые 20 мс. Пятнадцать–двадцать градусов запаса с каждой стороны снимают проблему целиком; правило я сформулировал ещё в уроке про серво-переключатель: два положения и отступ от упоров.

Самодельный кронштейн тоже имеет право на жизнь, и я делал оба варианта. Фанерная площадка 4 мм на серво М2-винтами собирается за вечер и стоит копейки, но требует аккуратной соосности: перекос оси на пару градусов на конце плеча превращается в сантиметры биения камеры, и на краю хода она начинает цеплять основание. Печатный или покупной краб собран уже соосным — за это просят от 300 рублей, и для первой платформы я бы платил без раздумий: вечер сборки и вечер правки перекосов стоят дороже. Бонус краба — разборность: отказавшую серво в нём меняешь за пять минут, а не пересверливаешь фанеру.

Управлять двумя осями удобнее всего джойстиком: ось X — пан, ось Y — тилт, обе через analogRead и map. Схема и код аналогичны управлению сервой от потенциометра — ручное управление через map, а разбор самого модуля с осями и кнопкой SW лежит в разделе основ: аналоговый джойстик: две оси. Одна деталь, которую я добавляю всегда, — мёртвая зона: у дешёвых джойстиков центр гуляет на 20–50 единиц АЦП, и без неё платформа медленно плывёт, когда вы руки убрали. Вилка 460–560 вокруг центра 512 решает.

Отладку веду через Serial, но не в каждом такте: печать пары pan= tilt= на каждый проход loop при delay(20) — это пятьдесят строк в секунду, монитор захлёбывается, а сама печать ест время цикла. Раз в 200–300 мс достаточно, на живой плате — millis-меткой. И про питание ручки: джойстик, потенциометры и кнопки я сажаю на ту же землю и то же 5 В, что и плату — АЦП меряет относительно опоры Arduino, и отдельный источник для ручки уводит центр в сторону.

Для видео решает не куда, а как плавно. Кадр становится кинематографичным, когда платформа движется на скорости единиц градусов в секунду: я снимал облака на один градус за 80 мс — 12,5°/с, для таймлапса это верхняя граница, для обзора комнаты нормально. Техника — та же интерполяция шагами: держим целевой угол и каждый такт двигаем текущий угол на градус к цели. Развернутый разбор с вариантами без блокировки loop — в уроке плавное движение серво без delay; в симуляторе ниже — упрощённая версия именно для двух осей.

И питание: две SG90 с лёгкой камерой USB обычно вывозит, но пики старта обеих осей складываются, и я видел перезагрузки на второй секунде движения. Если камера тяжелее украшения из картона — сразу внешний блок и общий GND: внешнее питание и общий GND для серво.

Ручная ручка — не единственный режим. Как только интерполяция заработала, платформу можно отдать автомату: скан по таймеру с произвольными целями, реакция на датчик движения, слежение по координате из Serial. Все эти режимы используют ту же пару переменных «текущий угол / цель», поэтому мой совет такой: сначала добейтесь плавного ручного хода, а автоматику прикручивайте поверх — иначе будете отлаживать одновременно и движение, и логику режимов.

Центр тяжести камеры должен стоять над осью тилта, а не висеть в 5 см сбоку от неё: смещённый вес — это момент, который верхняя серво вынуждена удерживать постоянно, греясь и гудя. Проверка на собранной платформе элементарна: выключите питание и покачайте площадку пальцем — она не должна сама заваливаться ни в одну сторону. Если заваливается, двигайте камеру по площадке или добавьте противовес: пара гаек М8 на хвостовом краю лечат почти любой перекос.

Второй тихий убийца — кабель. USB-хвост камеры, свободно свисающий вдоль кронштейна, на повороте работает как пружина: сначала он просто виляет платформой, через месяц изгибов — треснет в разъёме. Я теперь веду кабель стяжками вдоль кронштейна с кольцевым запасом у оси пан — так петля скручивается, а не изгибается, и живёт годами. И про тот мой сорванный шлиц: камеру крепите через штатную площадку кронштейна двумя-четырьмя винтами М2, а не одним длинным винтом прямо в качалку — рычаг из винта в мягком пластике выкрашивает пазы за неделю.

Прежде чем доверять платформе камеру, я прогоняю стенд без неё: час-другой скана в холостую, с рукой на серво — ладонь честно расскажет о перегреве раньше термометра. Симулятор в этом смысле — репетиция логики: он не покажет нагрев и перекос кабеля, зато позволяет спокойно посмотреть на характер движения и на пары pan= tilt= в мониторе, не отключая каждый раз камеру от USB.