延时摄影轨道的运动控制滑块

进行延时摄影时，我使用一款名为 LRTimelapse Pro-Timer 的间隔拍摄器，它由 Gunther Wegner 设计。这是一款高质量的开源间隔拍摄器，适用于延时摄影、微距摄影和天文摄影爱好者，你也可以自己制作。感谢 Gunther 为延时摄影爱好者群体提供了这个出色的工具。（更多信息可查看 lrtimelapse-pro-timer-free）

我只是添加了一些代码来控制步进电机。

工作原理：延时摄影轨道采用从模式，这种方式非常可靠。这意味着我使用 LRTimelapse Pro-Timer 间隔拍摄器来设置拍摄张数和拍摄间隔。间隔拍摄器向相机发送信号以触发快门，拍摄完成后，相机会向运动控制器发送信号，按照 “移动 / 拍摄 / 移动” 的顺序移动轨道滑块。启动该顺序的信号来自相机的闪光灯热靴。相机的闪光灯设置为后帘同步，因此当相机快门帘关闭时，信号会发送回运动控制器。这意味着滑块仅在快门关闭时移动，因此无论曝光时间长短都能正常工作。

材料：运动控制器与相机之间需要两根线缆（具体取决于相机型号）：1）一根带有 2.5 毫米插孔的相机快门释放线；2）一个热靴适配器，以及一根带有 3.5 毫米插孔的公头闪光灯 PC 同步线插头。

硬件方面：滑块的移动通过与 NEMA 17 步进电机相连的螺杆实现。步进电机由 EasyDriver 驱动，并由 Arduino UNO 控制。为了能使用不同的移动电源（9V 至 30V），我添加了一个 LM2596 DC-DC 与 Arduino 兼容的电源模块来调节电压。具体可查看附件 “Arduino Wiring.PDF”。

相机快门释放线通过 2.5 毫米插孔插入控制器，该插孔按照附件 “Shutter release.PDF” 中的原理图进行接线。热靴适配器的线缆则通过 3.5 毫米插孔插入控制器。使用两种不同尺寸的插孔可避免插错线。

在编写代码之前，区分你想要实现的各种动作非常重要。Arduino 允许使用 “void”（函数），它是一段程序代码（代码行），可以在需要时随时调用。因此，将每个动作分别放在不同的 “void” 函数中，有助于使代码结构清晰，简化编程过程。

附件 “Sketch Logics.pdf” 展示了我想要实现的动作及其背后的逻辑。

第一个 “void” 函数用于在启动控制器时将轨道移动到归零位置。

控制器有一个方向切换开关。启动时，滑块会朝着切换开关选择的方向移动，直到碰到轨道末端的限位开关，然后再按照用户定义的距离退回（该距离可以是 0，或者对应轨道另一端的值），此时滑块所在位置即为归零位置。

这个 “void” 函数使用附件 “BB_Stepper_Rail_ini.txt” 中的代码进行了测试。

第二个 “void” 函数用于手动移动滑块，这在开始延时摄影序列前设置相机跨度时非常有用。

控制器上有一个双功能按钮：1）短按（不到一秒），滑块会按照用户定义的距离移动；2）长按（超过一秒），滑块会移动到轨道中间或末端。这两个功能都会使滑块朝着切换开关选择的方向移动。

这个 “void” 函数使用附件 “BB_Dual-function-push-button.txt” 中的代码进行了测试。

第三个 “void” 函数用于在每次拍摄后移动滑块一定距离。相机的闪光灯需要设置为 “后帘同步”。拍摄结束时，闪光灯热靴会向控制器发送一个闪光信号，启动移动序列并使滑块移动一定距离。每次移动的距离通过将轨道长度除以在 LRTimelapse Pro-Timer 中选择的拍摄张数来计算。不过，为了避免拍摄张数较少时滑块移动过快，可以设置最大移动距离。

这个 “void” 函数使用附件 “Slave mode.txt” 中的代码进行了测试。

第四个 “void” 函数是一种渐变选项，用于实现更平滑的加速和减速。这意味着每次移动的距离会逐渐增加，直至达到设定值，在轨道末端则以相同方式逐渐减小。因此，在最终的延时摄影序列中，相机会在轨道起点加速移动，在轨道末端减速移动。附件中的图片展示了典型的四次方加速曲线（加速和减速过程），渐变的距离可以自定义。

我在 Excel 中测试了该算法，并按照附件图片设置了加速和减速曲线。这个 “void” 函数使用附件 “BB_Stepper_Quad-Ramping-calculation.txt” 中的代码进行了测试。

注意：不要将这种四次方渐变与 “Bulb ramping”（曝光时间变化）或 “Interval ramping”（拍摄间隔变化）混淆。

LRTimelapse Pro-Timer 是 Gunther Wegner 为延时摄影爱好者群体提供的一款免费开源 DIY 间隔拍摄器，适用于延时摄影、微距摄影和天文摄影。我为自己的相机制作了一个后，发现它非常好用，于是开始思考如何用它来驱动我的轨道。

附件 “LRTimelapse Pro-Timer 091_Logics.pdf” 是一份简短的操作手册，展示了如何使用该程序。

附件 “BB_Timelapse_Arduino-code.pdf” 展示了 LRTimelapse Pro-Timer Free 0.91 的代码结构，其中绿色部分是我为控制滑块添加的代码。

如果你想尝试一下，“BB_LRTimelapse_091_VIS.zip” 中包含了 Arduino 代码。

附件 “BB_LRTimer_Modif-Only.txt” 列出了我对 Pro-Timer 所做的修改，便于在 Gunther 发布新版本 Pro-Timer 时进行集成。

螺杆的螺距可能会有所不同，如果使用皮带，皮带的节距和滑轮的齿数也可能不同。此外，步进电机每转的步数和轨道长度也可能存在差异。因此，跨越轨道长度所需的步数会因轨道而异。

为了使控制器适用于不同的轨道，可以在程序中调整一些变量：

1. 计算对应于限位开关之间轨道长度的步数，并将该值输入到变量 “long endPos” 中（例如，本指南中展示的螺杆驱动轨道，该值为 126000）。
2. 若要在使用跨度效果时查看轨道起点、中点和终点的画面构图，可以使用按钮的长按选项。将对应于轨道中点的步数输入到变量 “long midPos” 中（例如，本指南中展示的螺杆驱动轨道，该值为 63000 ）。
3. 在 LRTimelapse Pro-Timer 中，你需要输入想要拍摄的照片数量。程序会将轨道长度除以该数量来计算滑块每次的移动距离。例如，如果你拍摄 400 张照片，轨道长度为 1 米，那么滑块每次移动距离为 1000÷400 = 2.5 毫米；如果拍摄 100 张照片，该值则为 10 毫米，单次移动距离可能过大。因此，你可以选择不使用轨道的全长，将允许的最大移动距离输入到变量 “const int maxLength” 中（例如，本指南中展示的螺杆驱动轨道，该值为 500）。
4. 短按按钮时，滑块会移动一定距离，该距离可以在变量 “int inchMoveval” 中设置（例如，本指南中展示的螺杆驱动轨道，该值为 400）。
5. 四次方渐变可实现平滑的加速和减速效果。你可以决定在轨道起点和终点渐变的持续距离，该值以轨道长度的百分比形式输入到变量 “float ratio” 中（例如，0.2 表示轨道长度的 20%）。

轨道长 1 米，由一个重型线性轴承滑块通过螺栓固定在开槽铝挤压杆上制成。我从RS.com购买了铝挤压杆及配件（见附件图片 “rs items.jpg”）。该轨道有四条腿，也可以通过标准螺丝安装在三脚架上。

跨度调整：三脚架的球头（见附件图片）安装在滑块上，一个小连杆将球头与螺杆相连。如果你将螺杆从轨道一侧移开，螺杆和轨道之间就会形成一个角度。当滑块沿着轨道移动时，会使球头产生旋转。如果你不想进行跨度调整，保持螺杆与轨道平行即可。

控制器安装在滑块上，我选择这种安装方式，而不是将控制器安装在轨道一端，以避免多条线缆沿着轨道铺设。我的移动电源和控制器之间只连接了一根线缆，其他所有线缆，包括连接到步进电机、限位开关、相机的快门线以及相机的同步线，都随着控制器一起移动。

螺杆与皮带的比较：对于延时摄影而言，这两种设计都能很好地工作。与螺杆相比，皮带能实现更快的移动，如果你想将轨道改装成视频滑轨，这可能是一个优势。螺杆设计的一个优点是，当将轨道垂直放置或倾斜放置时，遇到停电，滑块会保持静止，不会掉落。但如果使用皮带驱动的轨道进行同样操作，我强烈建议你要格外小心，因为一旦停电或电量耗尽，相机可能会滑落到轨道底部，风险自负！