Abschlussarbeit – Work In Progress

Entwicklung einer Steuereinheit zur intuitiven Steuerung von digitalen 3D-Präsentationen.
Analoge Rotationen an der Steuereinheit werden mit Hilfe von Gyroskop- und Accelerometer-Daten direkt auf ein virtuelles 3D-Objekt angewandt.

 

 

Das Ziel ist es eine intuitive Steuerung für digitale 3D-Präsentationen im Ausstellungskontext zu entwickeln, welche für jeden Besucher – egal ob technikaffin, Kleinkinder oder Senioren – sofort zugänglich ist.

Konventionelle Eingabemethoden (Stift, Maus, Joystick, Touchscreen) zur Manipulation von 3D-Objekten haben das Problem, dass analoge, zweidimensionale, lineare Bewegungen in digitale, dreidimensionale Bewegungen umgewandelt werden müssen. Dies bewirkt eine geringe Effizienz beim Lösen von Rotationen, welche nur durch mehrere Eingaben erreicht werden können. Diesem Problem kann mit Multi-Touch-Gesten entgegengewirkt werden, welche jedoch zunächst vom Benutzer gelernt werden müssen, was vor allem weniger technikaffinen Benutzern Schwierigkeiten bereiten kann.

Die hier entwickelte Steuereinheit wirkt diesen Problemen entgegen, indem analoge, dreidimensionale Rotationen direkt in digitale, dreidimensionale Rotationen umgewandelt werden.

Die Steuereinheit besteht aus einem 3D-gedruckten Abbild des digitalen Objekts. Da diese sich in ihrer Form genau entsprechen, kann der Benutzer jede gewünschte Rotation an dem realen physischen Abbild ausführen – Will der Benutzer das Objekt von schräg oben sehen, muss er lediglich das Objekt in seinen Händen in die entsprechende Position drehen.

Über Knöpfe an der Basisstation können weiter Funktionen, wie das Umschalten zwischen Normal- und Röntgenansicht, das An- und Abschalten von Animationen oder das Hinzuschalten von Beschriftungen ausgelöst werden.

 

Veranschaulichung der Funktion:

 

Kern der Steuereinheit bildet ein 3D-Druck in welchem die Steuerelektronik verbaut wird. In diesem Fall soll eine digitale Präsentation über das menschliche Herz erstellt werden.

Testdruck des 3D-Modells:

 

Der 3D-Druck für die Steuerung beinhaltet Aussparungen für die Elektronik und für Magnete zum einfachen verschließen und öffnen der Steuereinheit während der Testphase:

 

Die Steuerelektronik besteht aus einem Arduino Mikrocontroller, einer Bluetooth-Einheit, einem 6-DOF Bewegungssensor, und einem Lithium-Ionen-Akku mit Ladeelektronik und Spannungsregler.

Der Bewegungssensor, bestehend aus Gyroskop und Accelerometer, registriert Rotationen und sendet diese an den Mikrocontroller. Der Mikrocontroller filtert die Daten und sendet sie formatiert an das Bluetooth-Modul, welches sie an den Computer überträgt, auf dem die digitale Präsentation läuft.

Steuerelektronik:

 

Die über Bluetooth empfangenen Rotationsdaten werden innerhalb einer Game Engine ausgelesen. Nach einigen Filtern und Umrechnung der Rotationsvektoren werden die Rotationsdaten auf das digitale 3D-Modell angewandt:

 

Da die Steuereinheit über einen Akku verfügt, welcher nach einigen Stunden wieder aufgeladen werden muss, gehört zur Steuereinheit auch eine Basisstation, welche mehrere Funktionen übernimmt.

Grundkonstruktion der Basisstation:

 

Die Basisstation besteht aus einer aus Aluminium gefrästen Grundschale, Deckelplatten aus Aluminium, welche auf einer Wasserstrahlschneidemaschine geschnitten wurden und einer Acrylglas-Scheibe, welche auf einem Lasercutter geschnitten wurde.

Basisstation (unlackiert):

 

Die Aufgaben der Basisstation sind – neben des Aufladens des Akkus und der Halterung des 3D-Drucks über einen Magnetverbinder – das Anzeigen von Feedback an den Benutzer über einen LED-Ring. Außerdem verfügt die Station über ein Interface, über welches verschiedene Funktionen in der digitalen Präsentation ausgelöst werden können.

 

Durch die Verwendung spezieller LEDs, können Animationen über den LED-Ring abgespielt werden um verschiedene Feedback-Funktionen umzusetzen, wie bspw. das Anzeigen einer Ladeanimation während des Kalibrierungsvorgangs.

 

Die Steuerung der LEDs sowie das Verarbeiten und senden der Ereignisse des Interfaces an den Computer werden von einem weiteren Arduino Mikrocontroller übernommen.