Учим три телевизора делать солнышко04.08.2023 08:16

Видео работы кронштейнов

В этой части речь пойдёт про проектирование кронштейнов для моей трёхтелевизорной поделки, как они управляются, и немного про то, как подключать и конфигурировать экраны, потому что даже это здесь — нетривиальная задача.

Список всех частей

Вешаем

Особенность этой системы — не существует таких углов, под которыми их можно поставить, и это всегда было бы удобно. В зависимости от того, что ты делаешь — работаешь с графикой или с кодом, или же играешь — смотреть приходится на разном расстоянии. В отличие от обычного рабочего места, тут расстояние от наблюдателя до экрана варьируется сильно — от 50 до 150 см.

Если поставить экраны в ряд, то на большом расстоянии всё будет хорошо видно, а вот на маленьком — трей или меню пуск придётся рассматривать чуть ли не в бинокль. Напротив, если поставить экраны под 90° буквой П, то тогда близко всё будет хорошо, а вот при просмотре издали картинка на боковых экранах будет искажена.

Для того, чтобы пользоваться этой штукой было удобно, смотреть на экраны надо прямо, а не сбоку. Центральному экрану для этого делать ничего не надо, а вот бока должны шевелиться, подстраиваясь под ту точку наблюдения, с которой мы смотрим.

Перпендикуляры, выпущенные из центров экранов, должны пересекаться в точке наблюдения. В этом случае перспективные искажения наблюдаемого изображения будут минимальны. Собственно, вогнутые экраны нужны по этой же причине

Отсюда растут ноги у потребности в регулировке углов, под которыми стоят боковые экраны. А это, в свою очередь, влечёт потребность в специальных кронштейнах. При этом, вручную поворачивать экраны — не самая лучшая идея. Придётся каждый раз буквально вставать и идти двигать один ТВ, потом к другой. Это надоедает уже пока пишешь об этом. Так мы приходим ко второй мысли: оно должно само крутить экранами, чтобы можно было полностью расслабиться, уподобиться растению и окончательно врасти в кресло, изредка шевеля мышкой.

Первое, что приходит на ум: самодвижущиеся моторизированные кронштейны для телевизоров. Они серийно выпускаются, их существует огромное множество, и практически все они снабжены пультами.

Да, всё это умеет шевелиться самостоятельно

Нам нужна лаконичная штука с одной степенью свободы, что‑то вроде дверцы, которая умеет поворачивать телевизор на 90°. На поиски таковой ушло совсем немного времени.

Brateck PLB-M03G

Данный кронштейн можно переворачивать, то есть он и левый, и правый вариант одновременно. Он достаточно умный, и если втыкается в мяукающее препятствие — недовольно шуршит, но останавливается. Плюс его можно шевелить руками, приводу от этого плохо не станет. Минусы — никакая точность и чрезвычайная разговорчивость. Тихо своё дело он не делает. Да, во всём виноваты железные шестерни.

В комплекте привод,  железки, БП, крепёж, пульт, ИК датчик — ничего необычного. На этом можно было бы остановиться и просто повесить боковые экраны, как предлагает производитель: шесть маленьких дюбелей, чтобы держать тушу в 20 кг, да ещё и с рычагом больше метра. Как-то опасно.

Как оказалось, из этого всего нужен только привод

Поэтому, первым шагом к строительству велосипедов стало придумывание пластины — прокладки, которая бы увеличила площадь и число точек крепления, и гарантировала бы, что экран не захочет самоуничтожиться. Смысл простой: прикручиваем кронштейн к пластине, а её уже к стене.

Казалось бы — сделал пластину и всё, можно вешать —, но уже маячит следующая проблема: зазоры между экранами. Я задумал вешать телевизоры не просто рядом, а вообще рамками внахлёст. И если просто повесить их на кронштейны, то зазоры будут больше персонажа из начала статьи, и ни о каких «нахлёстах» речи не будет. Более того, зазоры будут меняться в зависимости от положения кронштейнов. А если всё‑таки попытаться сблизить экраны, то они будут задевать друг за друга. Можно, конечно, вместо пластины сделать прямоугольную трубу, отодвинув экраны от стены, но это лишь приближает нас к цели, а не решает проблему полностью. Настало время велосипедов.

Строим кронштейны

Кронштейн нужно поместить не ЗА телевизором, а ПОД телевизором

Для победы над зазорами нужно не только всё очень точно повесить: край телевизора при вращении должен стоять на месте. А чтобы край телевизора стоял на месте, он — этот край — должен лежать ровно на оси вращения. Конструкция кронштейна этого не предполагает никак — мы же не можем интегрировать кронштейн прямо в матрицу экрана.

Поэтому я решил сделать обвесы для кронштейнов, чтобы разместить механизм не за, а под телевизорами, добившись того, чтобы ось вращения кронштейна оказалась ровно под ребром экрана.

Пару недель экспериментов в Inventor, и я таки родил модельки, чтобы отправить их на производство, которое, к слову, заняло не слишком много времени. Для того, чтобы размеры подгонять было удобно, сначала я замоделил телевизор, упрощённо, но с соблюдением размеров, и уже вокруг этой модели делал всё остальное. И да — мои 2D «чертежи» оказались не нужны, достаточно было 3D‑файлов. Благо, чертежи делаются из 3D моделей буквально пару кликов.

В телевизорах для крепления стоит 4 отверстия с резьбой М6, и, чтобы телевизор можно было вешать на любой высоте, я предусмотрел кучу пазов шириной 5 мм. Казалось бы, что могло пойти не так.

По «чертежам» можно ознакомиться с размерами кронштейна. Предупреждение — если вы разбираетесь в инженерной графике, и при этом недавно осуществляли приём пищи, или даже простого чая, то спойлер лучше не открывать.

Недочертежи

Часть нюансов я забыл, и некоторые кусочки пришлось потом допиливать руками, но чуть‑чуть. Всё изделие было изготовлено в двух экземплярах для левого и правого телевизоров из стали Ст3 и решительно покрашено.

Главную роль в конструкции играет пара пластин, к одной из которых намертво приварено 6 стержней с резьбой — её вешаем на стену. На стержни пластины прикручиваем пластину поменьше, а на неё уже — сам кронштейн. На него вертикально вешаем две метровые балкопалки (квадратные трубы 30×30 с толщиной стенки 3 мм с кучей пазов во всех возможных местах), и уже на них — сам ТВ.

В частности, нужно было досверлить д̶ы̶р̶к̶и̶отверстия для крепления привода, и не забыть прикрыть основную пластину от опилок, чтобы она не поцарапалась :(

Прикручиваем привод

Теперь садим всё это на стержни

Чтобы оно ну уж точно не открутилось, с двух сторон ставятся пружинные шайбы

Варьируя закрученность гаек на каждом из шести стержней, можно менять наклоны всей конструкции, а также расстояние до стены. Вертикальные балкопалки можно двигать по горизонтали, а куча пазов в них даёт возможность вешать телевизор на любой высоте. В общем, регулируется почти всё. Однако, в реальной жизни гайковерчение занимало несколько часов. Настроив угол в одной плоскости, я неизменно убивал настройку в другой, потому что люфты, и где‑то что‑то плохо затянуто, и так много‑много раз, в процессе чего разнообразие моего словарного запаса стремительно сокращалось, особенно после того, как палец застрял в единственной оставшейся гайке.

Помогите Даше найти пузырьковый уровень, врущий на 2 градуса

Из двух изготовленных комплектов я протестировал только один. Свою задачу эта штука выполняла исправно: край телевизора стоял на месте, зазора не было, стык был минимально узким, рабочий стол стал в два раза больше. Однако, поэксплуатировав сие некоторое время, я пришёл к выводу, что оно мне не подходит.

До калибровки

Кое-что пришлось потом отпилить

Под экраном теперь плавает квадратно‑гнездовой лангольер, беспощадно жрущий пространство для своего перемещения, пугающий котов и мешающий будущей подсветке делать своё подсветковое дело. Кстати — в этой версии уже предусматривалось крепление рам светодиодной подсветки. Это были Г‑образные детали, по паре на каждый телевизор, которые вставлялись вверху и регулировались по высоте.

Для этой конструкции кронштейна предполагалась другая форма нижней части рамы светодиодной подсветки, огибающая вертикальные балкопалки

Я решил всё‑таки сделать полностью кастомные кронштейны, которые вертят ТВ как положено, а заводской кронштейн повысить до должности актуатора. При этом, новоиспечённые кронштейны должны быть максимально скрытыми, чтобы на переднем плане торчало минимальное, или, в идеале, околонулевое количество деталей.

Строим ещё кронштейны

Вторая версия — это уже не обвес, а самостоятельное изделие. От покупного кронштейна теперь нужен только привод и мозги со всякими автоматическими остановками и управлением. Всё остальное отбрасываем. Полностью отказаться от приводов и заменить их на линейные актуаторы я не решился, ибо актуаторы нельзя шевелить вручную.

Больше недочертежей

Какие мысли роились в голове

Ключевым моментом всего действа является способ крепления боковых телевизоров так, чтобы они вращались вокруг своей грани. При этом, механизм, который всё это обеспечивает это, должен быть не виден. Ну, или, почти не виден.

С этой целью была мысль позаимствовать конструкцию у петли складных смартфонов, выполнив её в макроскопическом масштабе. Однако,  быстро стало ясно, что разработка гигантского настенного Foldа — это не есть что‑то быстрое и простое. Дело пахнет некруглыми шестернями переменного радиуса, ибо круглые в моём случае не сработают. Софт для моделирования этого, скорее всего, придётся писать руками, со всеми вытекающими сроками. Всё это занимательно, но хотелось бы настолько сильно не задерживаться на данном узле.

Всё можно сделать проще — петли разместить над и под краем экрана, просто попытаться сделать их маленькими, в идеале — почти незаметными, чтобы не отвлекали, не портили вид, и не мешали будущей подсветке.

Ага, вот эти ребята

Была мысль позаимствовать конструкцию у центрифуг обогащения урана. Эти штуки сортируют уран, отделяя тяжелые фракции от лёгких с помощью центробежной силы. Берём бочку, накачиваем в неё газообразный уран, и быстро крутим. При вращении тяжёлый изотоп растекается по стенкам, а в центре скапливается более лёгкий, его перекачивают в следующую центрифугу, там опять сортируют, потом в следующую, и так много‑много раз, пока концентрация лёгкого изотопа не повысится до нужного уровня. Смысл в том, что крутятся эти штуки настолько быстро, что подшипники там просто не выживают, поэтому тяжеленная центрифуга целиком стоит на одной на иголке, упирающейся в рубин.

Так вот, почему бы не сделать ультратонкие петли, а сочленение у них выполнить в виде иглы, скользящей по рубиновой подушке. Тогда сверху бы торчала почти незаметная штука, похожая на две поющие совокупляющиеся зубочистки.

Скорее всего оно издавало бы какой-нибудь прикольный звук

Я слабовато (никак) соображаю в этих вопросах, но, вероятно, техпроцесс изготовления этих зубочисток будет похож на изготовление пружин — в спокойном состоянии они будут выгнуты вверх, чтобы внутреннее напряжение материала уравновешивалось тяжестью телевизора и оно, в итоге, держалось ровно. Можно будет сымпровизировать и добавить сердечник из углеродного волокна. И потом оно всё равно хрупнет, телевизор полетит в Вальхаллу, а зубочистка — в глаз. В общем, имхо, сделать такое можно, но долго, и, скорее всего, сложнее, чем всё остальное.

Плавно спускаемся с небес в Inventor и моделируем пластину, раму и петли с обычными мясистыми подшипниками, после чего отправляем на производство.

Что в итоге получилось

Основой конструкции служит стальная простыня толщиной 5 мм, которая прикручивается к стене в десяти точках — всё для того, чтобы телевизор не захотел сбежать из стены в компании кирпичей.

Вся конструкция выполнена из стали Ст3. Белый цвет в кронштейне, как и в телевизорах, выбран не случайно — ему надо с максимальным КПД переотражать ту часть света от подсветки, которая полетела не в стену, а в телевизор, чтобы дать ей новый шанс переотразиться в нужную сторону

К простыне крепятся петли, на которых крутится несущая рама из квадратных труб. На несущую раму сбоку крепится телевизор, а сверху — рама подсветки. Привод вешается на стену отдельно.

Я вот подумал -, а что если реально его так покрасить

Всё равно на экраны обычно смотрят с другой стороны

Немножко проекций

Ключевой узел кронштейнов — петли. Стационарные части петель сделаны из стали 12 мм, внутри сидят радиальноупоротые подшипники. В них ставятся втулки, а сверху — вторая часть петель, потоньше. Вся петля — 19 мм в высоту и 40 мм в диаметре — получилась немножечко больше зубочистки. На фоне самих экранов это немного, но всё равно глаз цепляется. Сделать петли незаметнее можно, поместив им зеркало на нижнюю грань. Ну, или, какой‑нибудь круглый дисплей для умных часов, хотя здесь надо будет поставить ещё один контроллер и повозиться с синхронизацией картинок.

Верхняя петля правого кронштейна с подшипником внутри

Распечатанный шаблон очень сильно облегчает жизнь

Верхняя петля правого кронштейна

Верхняя петля левого кронштейна в разрезе. Интересно, существует ли печенье в глазури 12 мм

Нижняя петля правого кронштейна с установленным подшипником

Радиальные подшипники держат нагрузку поперёк оси, например, в автомобиле. Упорные подшипники держат нагрузку вдоль оси т. е. они лежат плашмя, а на них ставят тяжёлую штуку, и она на них крутится. А радиальноупорные подшипники — это смесь обоих видов, оно одинаково хорошо переносит оба вида нагрузок — именно то, что создаёт крутящийся телевизор. Подшипники обычно рассчитаны на что‑нибудь в духе 100'000 оборотов в минуту, а не на ленивый экран, ползущий 90 градусов 10 секунд, но в петлях они хороши: околонулевой люфт, отсутствие трения, износа и скрипа, поэтому почему бы и нет.

Пока вы пишите код, за вами наблюдают

Объединившись с подсветкой, петли закономерно начали генерировать тени. Но то, что в теории должно было быть багом, на практике оказалось хорошей фичей. В предыдущей версии (которая держит экраны снизу) такого бы не было — сверху там пустота без каких‑либо конструкций.

Подвижная часть кронштейна — не монолит, и состоит из трёх частей: основная труба, к которой крепятся несущая конструкция и Г-образная надстройка для рам светодиодных лент и их блока питания 40А 5В.

Это правый, просто он неестественно выгнут на 180° влево. Большая чёрная штука — это кронштейн центрального экрана

Моделирование по Мизесу для разработки такой простой конструкции избыточно, но позволяет примерно увидеть, где оно хочет кукожиться, и как оно хочет это делать

Рядом с большой белой пластиной на стену крепится привод, которому в его микролапки вручается новая кастомная П‑образная деталь, похожая на его родную‑раздвижную, но белая, монолитная и с двумя подшипниками, катающимися в специально сделанных в раме рельсах.

Чтобы была возможность точно подобрать зазор между подшипником и рельсом, на его внутренние поверхности установлены спецпластины из метаматериала, позаимствованные у ближайшей табуретки, потому что я протупил размеры и подшипник звенел там как колокол. Когда телевизор открывается, подшипник катится по одному борту рельса, когда закрывается — по другому.

Во время парковки подшипник путешествует примерно на 200 мм

Да, подшипник с рельсом генерируют люфт, но на фоне люфта самого привода это мелочь. Подшипник сверху так и задуман непопадающим в свой верхний рельс, он запасной, на случай, если основной сломается :3.

Всё собирается в кучу болтами М8 различной длины, каждое соединение с обеих сторон снабжается обычной и пружинной шайбами, чтобы не было сюрпризов, для телевизоров же сделаны пазы, в которые, на этот раз, проходят болты М6.

Рядом с верхними петлями сидят ИК‑датчики для управления приводом с пульта. Пульты примитивные, оба кронштейна реагируют на оба пульта, не разбираясь кто кого имел ввиду. Однако, такое расположение ИК‑датчика позволяет, натренировавшись, направлять пульт так, чтобы его видели либо оба привода,  либо какой‑то один конкретный.

ИК-приёмники светят красным во время работы механики

Стоит упомянуть, что привод, хоть он и достаточно умный, не знает, что у него огромные люфты, а также то, какую роль он играет в данной поделке. Поэтому каждая парковка телевизоров сопровождается попыткой убить телевизор об стену — оно как‑бы, формально, притормаживает в конце, но только чуть‑чуть, и инерция экрана вместе с рамой явно превышает его ожидания. Можно, конечно, влезть в конструкцию привода и устранить люфты, но здесь я последовал принципу «если это тупо, но работает, то это не тупо».

Пара трудолюбивых пружинок, хоть и минимизирует проблему, всё равно медленно бурит шахту соседям — на стену просится сверкающая неодимовая шайба. Тогда парковка будет сопровождаться строгим «цок», а не вот этим всем.

Аудиоспектр шума работающего привода

Интересно, насколько возможно провести хотя бы приблизительный реверс‑инжиниринг механизма по спектру его шума и вибраций. Ведь, теоретически, каждая полоска в спектре — это шум, издаваемый двумя соприкасающимеся зубьями шестерней/зубчатых колёс или других трущхися частей, а по частоте этого шума можно примерно представить число соприкосновений зубьев в секунду. Дело пахнет нейросетями. А ещё можно добавить исходные данные в духе скорость/крутящей момент на входе и выходе и само изображение механизма. И потом сделать AR‑приложение с «рентгеновским зрением», которое будет в реальном времени накладывать на видеокартинку с работающим устройством 3D‑реконструкцию того, что, предположительно, творится внутри.

Система централизованного управления кронштейнами

Собственно, телевизоры повешены, кронштейны прицеплены, приводы шуршат, теперь надо всем этим научиться управлять. Если просто начать всем этим пользоваться, неутруждая себя системой управления, то вот этим вот всем надо будет управлять с помощью вот этого вот всего:

Me and the boys

Не желая постоянно жонглировать пятью пультами, управление приводами я решил вывести на компьютер. В конце концов, вся эта конструкция — монитор, и будет логичным, если она будет управляться с ПК.

В штатном режиме приводы управляются через ИК пульты последовательным нажатием двух кнопок, в духе «нажал влево», потом «ок» — оно поехало, нажал ещё раз «ок», оно остановилось. Нам нужно сделать очередной симулятор ИК‑пультов, коих уже было сделано тысячи, то есть особым образом мигать ИК светодиодом и обманывать ИК‑приёмник, чтобы он думал, что мы — пульт. Единственная незначительная особенность — у нас будет два ИК‑светодиода для двух приёмников отдельно, потому что приводы не умеют в адресность. А так, всё стандартно: приложение, RS232, контроллер, светодиоды.

Да, можно было бы отключить ИК‑датчики от приводов и подцепиться к ним напрямую, или вообще влезть внутрь, но смысла в этом я не видел. Прятать пары ИК приёмник‑передатчик я также не стал, чтобы можно было продолжать пользоваться пультами, если что. Была мысль снять корпус с приёмника и ввести светодиод передатчика прямо ему в конструкцию, но практика показала, что это не работает: он перестаёт видеть сигнал, поэтому оставил так. Предположу, что корпус выполняет функцию линзы.

Поскольку основной STM32 и так на 100% занят подсветкой, и с трудом переваривает проходящий через него объём информации (2 Мбит/с), управление приводами я решил сделать через отдельный контроллер. И, разумеется, как следует всё обдумав, поразмыслив над этим и руководствуясь логикой и здравым смыслом, я выбрал для мигания двумя диодами Arduino Mega.

Для данной платы был изготовлен специальный полиэтилентерефталатовый корпус с защитой от пыли и системой вентиляционных каналов, после чего устройство было в особом порядке установлено в расчётной зоне протекания конвективных потоков.

От ПК до контроллера идёт очень длинный и очень экранированный USB кабель, а от контроллера к светодиодам — два метровых акустических провода (продавец сказал звук будет отличный — почти не соврал). Светодиоды сидят максимально близко к ИК‑приёмникам.

Программная часть

Как и все подобные штуки, эта начинается с реверс‑инжиниринга протоколов управления. Берём осциллограф с фотодиодом и записываем на него все команды, которые нам нужны, заодно сразу на месте мерим длительность импульсов — протокол управления у кронштейнов банален, это не кондиционеры с их выносящими мозг протоколами. И вот только после этого вспоминаем, что существует флипер. Собственно, тут вообще вся система управления не представляет из себя что‑то сложное.

На стороне ПК, в минималистичном солнечном окошке, ответственном за управление подсветкой, добавляем блок управления кронштейнами. На каждую команду подключение COM инициируем заново, передаём данные, затем тут же отключаемся.

© Habrahabr.ru