Стабилизированный подвес камеры
Гировертикаль - прибор, гарантированно выдающий углы крена-тангажа относительно горизонта инерциальной системы отсчета, в которой он находится. Является составной часть системы инерциальной навигации. Для реализации данного прибора достаточно иметь гироскопический датчик и акселерометр. При этом определение курса не входит в функции гировертикали, поэтому направление хоть и определяется (как побочный продукт вычислений), но использовать его можно только в кратковременных интервалах, т.к. оно постепенно уползает, т.к. компенсация накапливаемой ошибки по курсу не производится.
Для реализации гировертикали используется IMU-алгоритм. К сожалению, как он работает в настоящий момент я представляю только в общих чертах и в настоящий момент являюсь потребителем готовой реализации из этой статьи, хотя чуть позже разберусь с алгоритмом досконально. Взята 6-ти мерная реализация без привязки к магнитному вектору, на каждом шаге она рассчитывает 4х мерный вектор - кватернион, описывающий поворот системы от начальной позиции. Далее, исходя из него, я рассчитываю необходимые значения углов тангажа и крена.
Используя гироскопический датчик (датчики угловой скорости), можно стабилизировать платформу, задавая силы для противодействия. Однако, мелкие вибрации, скорее всего им будет тяжело стабилизировать: сказывается инертность в обработке информации, а главное инертность и ограничения по скорости сервомеханизмов. Обычно подвес делается механическим. В интернете много подобных конструкций, т.к. в простейших исполнениях и при кустарном изготовлении они получаются очень дешевыми, при этом дают довольно неплохой результат для любительской съемки.
Основной принцип работы механического стабилизатора: точка крепления камеры совпадает с центром масс блока с камерой. Благодаря этому внешние воздействия (толчки) не вызывают силы на вращение. Достигается это обычно путем организации штанги, на одном конце которой находится камера, а на другом противовес, при известной массе камеры и противовеса легко рассчитывается центр масс, в нем организуется шарнирное крепление.
Однако, штанга с камерой двигается свободно, удерживать ее в нужном положении предлагается оператору. Я решил возложить задачу сохранения положения камеры на гировертикаль. В моем случает требуется удержание в горизонтальном положении, поэтому она подходит идеально.
Изначально предполагалась полностью электронная стабилизация, но затем, исходя из предположения, что в таком виде мелкие колебания все-равно остануются, решил использовать гибридную схему: используется стандартная штанга со степенями свободы по крену и тангажу. Но штанга не полностью свободна: ей могут управлять сервомеханизмы. Прикрепляются они через резиновые амортизаторы, тем самым при минимальных отклонениях штанги ее ход практически свободен, а вот при сильных уже подключаются сервомеханизмы. Тем самым на мелких колебаниях работает в основном механика, а вот на сильных добавляется воздейсвие электронной системы. Но при этом основная задача электроники не стабилизация, а удержание в горизонтальном положении. Оператору остается только контролировать плавность и точность движений по оси Z (и следить, чтобы не грохнуть конструкцию о предмет рельефа).
Механика
Внешний вид получившейся конструкции:
Фотографии шарнира крупным планом (фас):
И с другой стороны (профиль):
Потребовавщиеся материалы:
- Квадратный алюминиевый профиль 12х12мм (примерно 4см).
- Квадратный алюминиевый профиль 14х14мм (штанга и ручка, около 40см).
- Алюминиевый уголок 30х30мм (около 10см).
- Плоская алюминиевая пластина 25мм (длиной около 15см).
- Каленый стальной пруток 2мм (длиной около 5см).
- Мягкий пористый материал для намотки ручки.
Электроника
В настоящий момент меня достаточно устроила работа механической стабилизации. В ближайшее время проведу тесты в боевых условиях. Позже скорее всего будет добавлена электронная стабилизация, т.е. реализована гибридная схема. На сколько хорошо она будет работать покажут тесты.
Надеюсь, электроника избавит от 2х существенных проблем, которые замечены в настоящий момент:
- Жесткое требование к выбору центра тяжести (нельзя его расположить четко в центре шарнира, требуется чуть смещать его ниже, чтобы сохранялось вертикальное положение). Электроника сама будет следить за положением платформы.
- Т.к. цент тяжести немного смещен от шарнира наблюдается раскачка конструкции и маятник. В некоторых условиях он дает довольно интересные эффекты, но в основном мешает.
Боевой тест (механический стабилизатор)
Боевое тестирование проведено. Съемка велась в Подмосковных каменоломнях. Из снятого видео собран данный ролик.
Выводы
Механическая стабилизация работает довольно хорошо: устраняются основные колебания при съемке с рук и вибрации при ходьбе. Стало понятно, что очень полезна была бы стабилизация и по оси Z.
После боевых тестов стало понятно, что раскачка все-таки досаждает, что можно легко сместить центр тяжести и горизонт поплывет, так что требуется избавляться от изоленты в конструкции. Так же появилось впечатление что одна из степеней свободы имеет довольно высокое трение, так что тоже требует модификации (идеально установка подшипников, но это равносильно изготовлению нового подвеса).