攝像機腳架水平全自動自平衡調節方法研究

蘇秋仁，曾光煜，柳 影，劉智杰

(廣西大學 行健文理學院，南寧 530004)

0 引言

攝像機腳架是實現高質量拍照和攝影的重要輔助器材，獲得廣泛應用。當攝影師在拍攝水面、天際線、日出等場景時，需要將攝像機的取景框調整水平，這并非易事，因為現有的許多攝像機腳架需要手動調節水平，而且主要是靠攝影師憑感覺調節，這很考驗操作技術與經驗。往往攝影師感覺取景框已經調整到水平位置了而實際還是傾斜的，這樣的結果就是拍攝效果達不到預期。實現攝像機腳架水平自動調整是急需解決的技術問題。

國內外的研究人員提出了一些解決方法，但要想開發一款能自己平衡的腳架，處于關鍵部件的直線電機太貴太重，并不適合直接使用。而現有的折中方法是使用摩擦傳動的主動輪，通過開環控制來展開，再經過閉環控制平衡。而要真正商業化，直線電機必不可少。開發一款真正適合此項目使用的直線電機，需要大量的時間和金錢，故攝像機水平自動調整問題仍然懸而未決。

針對上述問題，本研究提出一種可以實現全自動自平衡水平調節攝像機腳架的設計方案，設計了一種基于直線電機的全自動自伸縮平衡攝像機腳架。通過攝像機腳架上增加自動伸縮收回機構并輔以配套的平衡模式，利用陀螺儀模塊，探測周圍環境信息，采用加速度計矯正和卡爾曼濾波后獲得穩定的輸出數值，實現對攝像機腳架機動模塊運動的比例調節控制，以實現攝像機腳架水平調節的全自動控制。實驗結果表明，所設計的攝像機腳架可以通過自身的自平衡調節準確停在目標位置，達到了全自動調整水平設計的目的。可為解決攝像機腳架水平自動調整問題提供解決方案。

1 系統設計

設計的腳架主要由三根D型嵌套管腳、管腳驅動座、主控板組(5層)、管腳觸底感應器和管腳連接組構成，如圖1所示。

圖1 自平衡腳架系統連接示意圖Fig.1 Sketch map of self-balancing foot stool system

展開方面。設計采用3根D型嵌套管腳構成展開模塊。主動輪由張緊帶施加壓力加壓于D型管腳的平面，驅動D型嵌套管腳直到觸底感應器觸發，將動力傳輸到管腳上。所設計的D型嵌套管腳的示意圖如圖2所示。

圖2 D型嵌套管腳Fig.2 Embedded casing feet of D type

平衡部分。采用了姿態傳感器，搭棚制造5層pcb控制組。控制組由上到下分別為姿態板、控制板、放大整形板、動作板、電源板。

姿態板使用了jy0901姿態控制器，而控制板用的是arduinopromini，整形板將控制器傳輸的信號反編譯成完整的控制信號，而動作板接受控制信號，驅動電機按照控制板運動，電源板輸出穩定的電壓電流，減小姿態控制器的誤差。

人機互動方面。基于攝影的實用性考慮，取消了原本的液晶屏幕，原因是在實地拍攝中攝影師極少用到這種功能。將人機交互的設計理念定位為“簡潔、容易、精致”，僅使用一只LED指示燈來展示各種狀態，同時用蜂鳴器提供聲音警示信號，實現簡單實用的人機交互。

動力部分。使用了丁基橡膠制成的主動輪驅動管腳，在降低成本的同時又保持了機動性，更加輕便靈活。

動力部分。使用了攝像設備兼容的7.4vLiPo電池，可以使用2 s鋰電或直接掛載攝像設備的電池，驅動三組6個微型減速電機外加主控，兼容性好。

續航方面。創使了斷位處理模式，當自平衡腳架不運行時，將現場保存后完全斷電；而當自平衡腳架正常運行時，切換到全功率模式運行。這種設計，可以大大降低耗電，提高自平衡腳架的續航能力。

2 自動控制方案

程序處理方面。使用了主從系統模式，將整個腳架的電控系統分為主CPU、動控和姿態傳感器等。平時待機情況下只有主CPU維持這最低限度的響應，當用戶需要腳架活動時，再由主CPU喚醒電控和姿態傳感器，從而達到省電目的。

算法方面。通過解算出歐拉角，將pitch角和roll角融合后分配給三根管腳。為了提高運行速度，本設計將PID控制省化，放棄使用姿態傳感器回傳的yaw角，減少CPU的運算負荷。

動力部分。使用7.4vLiPo電池，驅動3組6個微型減速電機外加主控，計算使用電流工作時0.5 A，待機時30 mA，睡眠時100 uA，運行時長5 h，待機時長17 h，睡眠時長300 h。

主控單元。使用arduino的promini開發板作為運算以及輸出控制量，tb2200電機控制器接受控制量后驅動電機運行，jy90三軸模塊負責輸出信號反饋姿態給主控，同時有一塊穩壓板負責提供平穩的電壓，維持主控部件正常運行。

觸底感應部分。采用塑封的微動開關設計，當地腳觸碰到地面后，反饋信號給主控。

使用直線電機來控制整個機架的展開和收回，這種設計的好處是動力強，運行控制準確且噪聲小。不足之處是功率較大，導致續航下降，且成本偏高。

3 實驗結果及分析

通過搭建實驗平臺，對本次制作的水平自平衡腳架樣機的性能進行了實驗研究。

實驗結果顯示：

功能上。所設計的水平自平衡腳架實現了水平全自動自平衡調節功能，可以通過自身的自平衡調節準確停在目標位置。

性能上。所設計的水平自平衡腳架工作電流為500 mA、待機電流為30 mA、睡眠電流為100 uA。據此測算出理論運行時長為5 h、待機時長17 h，睡眠時長300 h。

實驗結果表明，本次設計的水平全自動自平衡腳架實現了水平自平衡調節的功能，且性能方面可以滿足攝像的基本要求，達到了設計目的。

4 結論

針對攝像機腳架難以準確自平衡問題，設計了一種基于直線電機的全自動自伸縮平衡攝像機腳架。通過在攝像機腳架上增加自動伸縮收回機構并輔以配套的平衡模式,利用陀螺儀模塊探測周圍環境信息,采用加速度計矯正和卡爾曼濾波后獲得穩定的輸出數值，實現對攝像機腳架機動模塊運動的比例調節控制。實驗結果表明，所設計的攝像機腳架可以通過自身的自平衡調節準確停在目標位置，達到了全自動調整水平設計的目的,可為解決攝像機腳架的水平調整問題提供解決方案。