Hoverlay II

Das Hoverlay II ist ein interaktives, modulares, kostengünstiges, Open Hardware In-Air-Display und kommt mit einer eigenen Sammlung an interaktiven Apps.

In folgendem Video seht ihr das Hoverlay in Aktion:

Ein System Design Dokument kann hier herunter geladen werden

Vorläufige Aufbauanleitung

Hier geht’s zum entsprechenden Hackaday.io Projekt

Seine Haupt-Vorteile gegenüber dem Hoverlay I:

  • wesentlich bessere Bildqualität, zählt Pixel wenn ihr wollt
  • es ist nun wirklich modular vergrößerbar, steckt so viele* zusammen wie ihr wollt, um ein größeres Bild zu erhalten (*bzw. so viele wie euer Netzteil verträgt)
  • es ist vollständig Open Source unter der GPL V3 Lizenz, bau dir eins mit den Dateien aus dem GitHub repo.

Während seine einzigen beiden Zwecke hierin bestehen (sorry falls dich das enttäuschen sollte):

  • ein möglichst erstaunlicher Hingucker sein
  • mir hoffentlich eine gute Note in meinem Videotechnologieseminar verschaffen

Und letztendlich seine Nachteile gegenüber dem Hoverlay I

  • hat (noch) keinen eigenen Artikel auf Hackaday :) Danke Brian!

Übrigens: Der technische Terminus für diese Art Bildschirm ist „Vapor Screen“ oder „Fog Screen“.

Complete

Es wäre kein würdiger Nachfolger des Hoverlay I ohne eine spacige Infografik.

Hoverlay II

Der erste funktionierende Prototyp des Hoverlay II

Bilder

Gelerntes

Zum Einstieg möchte ich das Gelernte aus dem Hoverlay I erläutern, und wie ich mich den verschiedenen Problemlösungen genähert habe.

Gelernt #1 – Wasserdicht

 

Das Hoverlay I näßte wie ein Säugling. Nicht, weil das Wasserbad undicht gewesen wäre, sondern weil der Nebel sich ungewollterweise überall im Gehäuse verteilte und Wasserspritzer sich auch gegen den Luftstrom ihren Weg bis zu den Lüfterelektroniken bahnten.

Hoverlay I: Das Abzweigen des Luftstroms in den Nebelkanl ließ auch Wasser und Nebel in den Luftkanal gelangen, das sich auf Lüftern und Boden zeigte.

Das Hoverlay II besitzt vollständig abgetrennte Kanäle für Luft und Nebel, sodass kein Wasser mehr in den Luftkanal mit den Lüftern gelangen kann. Auch Kondenswasser an den Innenwänden des Nebel-Kanals wird durch den Aufbau des Nebelkanals zurück in das Wasserbecken geleitet, da die Kanalwände zwischen den Beckenwänden verlaufen und nicht umgekehrt wie im Hoverlay I. Zusätzliche Luft, um den Nebel aus dem Wasserbecken zu heben, gelangt über eine perforierte Röhre, die über die gesamte Länge des Hoverlays verläuft, in den Nebelkanal.

Venturi-05

Hoverlay II: Keine Abzweigung, kein Leck. Die Wände des Nebelkanals leiten Kondenswasser zurück in den Tank.

Die geeigneten Strömungsumstände am Luftauslass ermöglichen glücklicherweise die Ausnutzung des Venturi-Effekts im Nebelkanal. Sie heißt “Strömung nach Bernoulli und Venturi”, im Englischen und meist im Deutschen wird sie meist jedoch nur als Venturi Effekt bezeichnet. Sie beschreibt die Abhängigkeit von Strömungsgeschwindigkeit und Druck von Gasen. Im Kern sagt sie, dass ein schnell strömendes Gas immer von einem Druckabfall gegenüber einem ruhenden Gas begleitet wird. Im Falle des Hoverlay II herrscht in der schnell strömende Luft am Luftauslass ein relativer Luftauslass zu dem zunächst ruhenden Nebel am Nebelauslass. Der Druckunterschied führt dann dazu, dass der Nebel aus dem Nebelkanal gesaugt wird.

Auch das Hoverlay I machte Gebrauch vom Venturi Effekt, jedoch hatte ich nicht erkannt, dass sich dies zur Trennung von Nebel- und Luftkanal, und damit zur Veringerung von Wasseraustritten, nutzen lässt. Eine perforierte PVC-Röhre erlaubt einen Druckausgleich im Nebelkanal.

Gelernt #2 – Scharfes Bild

Im Hoverlay I strömte der Nebel aus einem 20 mm breiten Schlitz zwischen den zwei parallelen Stromformern, was zu einer dicken Nebelwand führte, die nach oben hin zunehmend dicker wurde. Das Bild verlor durch die dicke Nebelwand deutlich an Schärfe. Durch Experimentieren mit verschiedenen Stromformer-Geometrien und Spaltbreiten fand ich heraus, dass eine Reduzierung der Spaltbreite sich unmittelbar auf die Dicke der Nebelwand auswirkte und dass das Dickerwerden der Nebelwand nach oben hin durch konvergierende Stromformer über lange Strecken von einem halben bis einem Meter kompensiert werden kann. Der Schärfeunterschied zwischen Hoverlay I und Hoverlay II ist schwer fotografisch einzufangen, wenn man die beiden Iterationen jedoch nebeneinander sieht ist es eindeutig.

Gelernt #3 – Simplicity

Das Hoverlay I benötigte etwas doppelt so viel Material wie das Hoverlay II und war schwierig zusammenzubauen. Das lag hauptsächlich an der Box-Formgebung, die ich immer noch als attraktives Designprinzip für Möbel-artige Produkte ansehe. Jedoch ergibt sich daraus auch, dass viele Wände doppelt, also als Gehäusewand und als funktionale Innenwand für Luft- und Nebelkanäle ausgeführt werden müssen, und damit ein hoher Materialbedarf an PVC Kunststoff. Mit dem Hoverlay II ordnete ich das Design der Funktion unter und richtete mich nach den Prinzipien „Form folgt Funktion“ und dem multifunktionaler Teile. So war es möglich, den Materialbedarf an Kunststoff sowie die Anzahl der Teile auf 50 % zu reduzieren (was die Stromformer aus vielen verschweißten Strohhalmen nicht mit einbezieht). Außerdem wird das Hoverlay II von weniger Klebeverbindungen getragen, sodass es einfacher zusammenzubauen ist.

Gelernt #4 – Serienschaltung der Module

Ich habe diesen frustrierenden Schritt bisher nicht ausreichend dokumentiert, aber eine gute Lösung für die Serienschaltung der einzelnen Hoverlay Module zu finden, war nicht so einfach wie es sich zunächst erahnen ließ. Die kleinen Module sollten einfach zusammengesteckt werden können, um so eine größere Nebelfläche zu erhalten. Es würde eine starke elektrische Verbindung benötigt, die sich nahtlos ins Gehäuse integrieren lässt. Da jedes Modul etwa 100 W an elektrischer Leistung bei Spannungen zwischen 12 und 24 V verbraucht, fließen durch die Versorgungsleistungen etwa 15 A Strom. Das bedeutet auch, dass das erste Hoverlay-Modul einer Kette aus fünf Modulen mindestens 12 A für den Rest der Kette durchschleifen und über eine starke elektrische Verbindung an seinen Nachbarn weiterreichen muss. Eine solche Verbindung nahtlos ins Gehäuse zu integrieren ist nicht leicht.

Concept Art-01

Herausfordernd: Die nahtlose elektrische Steckverbindung zwischen diesen Hoverlay Modulen muss bei einem Array aus fünf Hoverlays bereits etwa 15 Ampere aushalten.

 

Mein erster Versuch war, zwei zylindrische, starke Neodymium Magneten mit Mittenbohrung als Kontakt zu verwenden. Diese könnten einfach am Gehäuse angebracht werden und würden über die magnetische Anziehung die Verbindung zweier Hoverlays selbstständig herstellen, indem sie einfach zusammenschnappen.

 

Es wäre schön gewesen, wenn das funktioniert hätte, da diese Magneten, verglichen mit vergoldeten oder sogar regulären Bananensteckern, relativ günstig aufzutreiben sind. Außerdem würden die Module in angenehmer „MagSafe“-Manier zusammenschnappen. Leider ist der Übergangswiderstand zwischen zwei solchen Magneten bei hohen Strömen nicht mehr zu vernachlässigen, sodass die Verbindungen bei 12 A bereits sehr heiß wurden und das Gehäuse Gefahr lief, zu schmelzen.

 

Schließlich fand ich bezahlbare, vergoldete 3,5 mm Bananen-Kabelverbinder, die die Magneten ersetzen könnten, jedoch war der Einbau dieser Lösung in die auf 3 mm vorgebohrten Hoverlay Module aufwändig. Alle Löcher mussten auf 4 mm aufgebohrt werden, und weitere Verschraubungslöcher mussten gebohrt werden. Außerdem musste an jeden Bananenstecker eine Ringzunge angelötet werden, damit der Bananenstecker über eine Schraubverbindung mechanischen Halt und elektrischen Kontakt finden konnte. Die so präparierten Bananenstecker wurden dann in ein 3D-gedrucktes Halteglied geschraubt, welches dann im Gehäuse eingelassen wurde. Die Lösung ist trotz aller Umwege sehr gelungen, da die Hoverlay Module nun absolut nahtlos zusammengesteckt werden können, und sich die vergoldeten Kontakte das edel schwarze Design eher aufwerten als die klobigen Magnete. Die neuen Stecker hatten allerdings keine Bananenstecker/buchsen-typische Schraubhalterung, was gut war, denn diese ragt meist ein paar Millimeter aus dem Gehäuse und stünde dem nahtlosen Zusammenstecken der Module im Wege. Eine passende Adapter-Halterung aus dem 3D Drucker löste das Problem.

stecker_halter_2

12 von diesen Dingern halten die Stecker und Buchsen in jedem Hoverlay Modul in Position

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Diese Goldkontakte werden von den obigen Adaptern gehalten und verbinden die Hoverlay Module nahtlos.

Dennoch führen die hohen Stromstärken zu einer Obergrenze, wie viele Module letztendlich sinnvoll zusammengesteckt werden können. Für das Hoverlay II sollten 5 Stück nicht ohne weiteres überschritten werden.

Andere Verbesserung

Stromformer aus dem 3D-Drucker

Wie beim Hoverlay I beschrieben, erfordert die Technik ein strom-formendes Bauteil, das ich ursprünglich aus zu großen Kassetten verschweißten Strohhalm-Stücken fertigte. Das funktionierte sehr gut, war jedoch aufwendig in der Fertigung.

Ich wagte einen Versuch, diese Stromformer mit einem 3D-Drucker herzustellen, was nicht ganz einfach war, da die Geometrien sehr dünne Wände enthalten (Strohhalmwände). Auffällig war, dass das Drucken dünnwandiger Objekte nicht an den mechanischen Fähigkeiten des 3D-Druckers scheiterte, sondern daran, dass die Slicing Software starke Probleme hat, solche 3D-Modelle in brauchbare Druckdaten zu übersetzten.

Ich hatte bereits viele Iterationen verschiedener Stromformer-Designs, die ich mit OpenSCAD erstellt hatte, durch die reguläre Toolchain geschickt, ohne gute Ergebnisse zu erhalten. Einige Wände verschwanden vollständig, ande wurden teilweise doppelwanding übersetzt. Auch ist das Slicen solcher komplexen Geometrien und das finden dünner Wände für den Slicer nicht trivial, was zu langen Slicing-Zeiten führt. Das Slicing dauerte teilweise 7 bis 13 Stunden, bis der GCODE druckfertig vorlag. Ich habe für die Anwendung CURA und Slic3r in vielen verschiedenen Konfigurationen getestet. Beide erzeugen sehr unterschiedliche Ergebnisse, aber keines ein gutes.

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kleiner Tip: letzten Endes wurden die Stromformer erfolgreich gedruckt :)

Für das, was wie eine einfache Aufgabe zu sein schien, hatte ich bereits viele Stunden an Design und Slicing verwandt. Ich habe dann letztendlich die Lösung gefunden, indem ich die reguläre Toolchain außen vorließ und mit einem kurzen Processing-Sketch den GCODE direkt und ohne Umweg über ein 3D Modell generierte. Der GCODE weißt den Drucker an, Ebenen aus einer sich wiederholenden Bienenwaben-Struktur abzulegen, die ich bereits in OpenSCAD gescriptet hatte, sodass ich nicht viel neuen Code hinzufügen musste. Ich hatte Glück und bereits der erste Druck mit diesem GCODE war sehr vielversprechend, ich musste nur etwas Ooze in den Luftkanälen beseitigen. Eine Optimierung der Travel-Moves dahin, dass sie nicht direkt, sonder nur über bereits gedruckten Linien verliefen, löste das Problem. Der Processing Sketch benötigte etwa 30 Sekunden, um den GCODE zu generieren und zu schreiben und verringerte auch die Druckzeit und den Materialverbrauch gegenüber der konventionellen Toolchain.

Größerer Wassertank

Der Wassertank im Hoverlay II ist wesentlich größer, als der im Hoverlay I, und ermöglicht damit längere Laufzeiten ohne nachgefüllt werden zu müssen. Auch finden darin drei zusätzliche Nebler Platz, um bei Bedarf eine höhere Nebeldichte zu einzustellen.

Cooles Logo

Das Hoverlay II trägt ein Logo, da ich fand, dass es ohne zu kahl aussah. Das Logo entspringt der Seitenansicht des Hoverlay II und zeigt die beiden Luftkanäle. Wenn die restlichen Verbesserungen nicht bereits zukunftsweisend genug sind, dann hoffentlich diese.

Weitere Herausforderungen

Rückkopplungen parallel geschalteter Nebler in die Versorgungsleitung

..oder wie auch immer das die Experten nennen. Aus Gründen der Einfachheit wird das Hoverlay von zwei starken 500 W 12 V Wechselstromtrafos versort. Dabei erzeugen zwei Brückengleichrichter an den Trafos mit entsprechenden Kondensatoren die Gleichspannung für die zwei symmetrischen Reihen an 12 V Lüftern, während die Serienschaltung der Trafos mit 24 V Wechselpannung die parallel geschalteten Nebler direkt versorgt. Ich ging davon aus, das es ohnehin unmöglich ist, 10 Nebler in Serie an 230 V ~ Netzspannung zu betreiben, und ich wollte Netzspannung im Wasserbecken unbedingt vermeiden.

Weil diese Nebler nicht für eine Parallelschaltung ausgelegt sind, litt dieser Aufbau anfangs an hochfrequenten Rückkopplungen in der Versorgungsleitung, was zum Versagen einzelner Nebler in einem spektakulären kleinen Unterwasser-Feuersturm führte. Ich konnte das Problem beseitigen, indem ich einen typischen 230 V 16 A klassifizierten Netzfilter in den Sekundärstromkreis des Tranformators vor den Gleichrichtern einbaute.

Interaktive Apps

Für das Hoverlay II gibt es verschiedene interaktive Anwendungen, die einen Kinect Sensor, Musik und, ja, einen Cyber-Handschuh mit einbeziehen. Alle Anwendungen sind in Processing geschrieben und bald im GitHub repo verfügbar!

Der Cyber-Handschuh ist ausgestattet mit einem Sparkfun Pro Micro angebunden an ein NRF24L01+ Modul und einen Pager-Motor, angesteuert über einen Logikpegel BSS98 MOSFET. Andere Komponenten: Ein L78L33 Spannungsregler, einige Widerstände, Kondensatoren und ein Batterie-Clip. Der Handschuh wird von einem Arduino Uno mit einem NRF24L01+ Modul angefunkt.

Super String:

Mit dieser Appl lassen sich musikgesteuerte Visuals auf dem Hoverlay zeichnen. Der Hoverlay Bildschirm formt eine Multi-Touch-Oberfläche, auf der man mit den Händen bunte 3D-Formen (“Strings”) zeichnen kann. Nachdem eine Form gezeichnet wurde, beginnt sie ein Eigenleben, dreht sich und tanzt zur Musik, die im Hintergrund läuft. Wenn man den Cyber-Handschuh benutzt, zeigt der Handschuh die Nähe zur Bildschirmoberfläche durch ein rhytmisch vibrierendes Pulsen im Takt der Musik an.

Dieses Video gibt dir einen Eindruck, wie es funktioniert:

Satellite:

Diese App zeigt einen kleinen Satelliten im Weltraum, mit der Hand kann mit ihm interagiert werden. So kann man ihn drehen und anstubsen. Wenn der Cyber-Handschuh benutzt wird, zeigt dieser die Nähe zum Bildschirm durch ein weiches Vibrieren an. Der Satellit entstammt den Beispielen der objloader Library für Processing.

Cyber Pong:

Zwei Spieler spielen ein klassisches Pong Spiel. Die Paddel werden mit der Hand hoch und runter bewegt. Der Ball wird im laufe des Spiels schneller und es gibt einen kleinen Bonus-Apfel: Wenn ein Spieler den Bonus-Apfel mit dem Ball abschießt, wächst sein Paddel für 30 Sekunden auf die doppelte Größe. Natürlich gibt es auch ein paar Soundeffekte.

MSAFluid Canvas

Eine der ersten Ideen für eine interaktive Anwendung waren Partikel- und Plasmaeffekte, die man per Handberührung auf dem Hoverlay erzeugen kann. Die MSAFluid Canvas App nutzt die großartige MSAFluid library um genau das zu erreichen. Wenn der Cyber-Handschuh benutzt wird, zeigt dieser die Nähe zum Bildschirm durch ein weiches Vibrieren an.

BOM (in Arbeit)

Alle Dateinamen beziehen sich auf das GitHub repo, wo ihr die CAD Daten zu allen DIY-Teilen findet.

Gefräste Teile (für Lasercutter: Bohrlöcher hinzufügen), das Material ist 3 mm starkes PVC oder Acryl (legt niemals PVC in einen Lasercutter!)

  • 1x becken-boden.dxf
  • 1x becken-seite-2x.dxf (contains two parts)
  • 1x becken-stirn-2x.dxf (contains two parts)
  • 1x kamin-2x.dxf (contains two parts)
  • 1x lufteinlass-2x.dxf (contains two parts)
  • 1x m-seite-logo-neu.dxf
  • 1x m-seite-schriftzug.dxf
  • 2x m-stirn.dxf
  • 1x nebler-halter.dxf

Gedruckte Teile:

  • 12x stecker_halter.stl
  • 1x stromversorgung_1.stl
  • 1x stromversorgung_2.stl
  • 4x supercomb_air.gcode (generated by supercomb_air.pde, a processing sketch)
  • 2x supercomb_fog.gcode (generated by supercomb_fog.pde, a processing sketch)

Andere Materialien

  • 4x ultrasonic atomizers
  • 1x 326mm long piece of ø25mm PVC tube (perforated with a driller)
  • 8x 80mm PC case fans (as much cfm as possible)
  • 6x male 3,5 mm rc car battery power connectors for the Hoverlay II (i got these)
  • 6x female 3,5 mm rc car battery power connectors for the Hoverlay II (i got these)
  • 6x female 3,5 mm rc car battery power connectors for the power supply connectors
  • 12x cable ring shoes (solder them to the connectors for attaching them to the stecker_halter.stl parts
  • strong power cables, more cable shoes, solder
  • plastics glue (for putting together the housing)
  • double sided adhesive tape (for installing the supercombs)
  • silicone (for water-tightening the vat, water tightening solder connections)
  • various screws, length mostly dependend on your case-fan height
  • appropriate power supplies for your electronics
  • a video or still image projector. A 3000 ANSI lumen projector doesn’t hurt while a overhead or dia projector will also work. LED projectors are not recommended, for holographic projections use a light-field projector and/or add a few drops of LSD to the vat*

(*sryl, never do that!)

Bauanleitung

Noch nicht verfügbar, sorry! Seht euch die Infografiken an :)