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:

  1. Квадратный алюминиевый профиль 12х12мм (примерно 4см).
  2. Квадратный алюминиевый профиль 14х14мм (штанга и ручка, около 40см).
  3. Алюминиевый уголок 30х30мм (около 10см).
  4. Плоская алюминиевая пластина 25мм (длиной около 15см).
  5. Каленый стальной пруток 2мм (длиной около 5см).
  6. 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:

  1. 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.
  2. 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).

О сайте

Подборка статей и отчетов о различных математических и электронных экспериментах.

Подробнее