蘇秋仁，曾光煜，柳 影，劉智杰

(廣西大學(xué) 行健文理學(xué)院，南寧 530004)

0 引言

攝像機腳架是實現(xiàn)高質(zhì)量拍照和攝影的重要輔助器材，獲得廣泛應(yīng)用。當(dāng)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(diào)整水平，這并非易事，因為現(xiàn)有的許多攝像機腳架需要手動調(diào)節(jié)水平，而且主要是靠攝影師憑感覺調(diào)節(jié)，這很考驗操作技術(shù)與經(jīng)驗。往往攝影師感覺取景框已經(jīng)調(diào)整到水平位置了而實際還是傾斜的，這樣的結(jié)果就是拍攝效果達(dá)不到預(yù)期。實現(xiàn)攝像機腳架水平自動調(diào)整是急需解決的技術(shù)問題。

國內(nèi)外的研究人員提出了一些解決方法，但要想開發(fā)一款能自己平衡的腳架，處于關(guān)鍵部件的直線電機太貴太重，并不適合直接使用。而現(xiàn)有的折中方法是使用摩擦傳動的主動輪，通過開環(huán)控制來展開，再經(jīng)過閉環(huán)控制平衡。而要真正商業(yè)化，直線電機必不可少。開發(fā)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(diào)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(xiàn)全自動自平衡水平調(diào)節(jié)攝像機腳架的設(shè)計方案，設(shè)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(gòu)并輔以配套的平衡模式，利用陀螺儀模塊，探測周圍環(huán)境信息，采用加速度計矯正和卡爾曼濾波后獲得穩(wěn)定的輸出數(shù)值，實現(xiàn)對攝像機腳架機動模塊運動的比例調(diào)節(jié)控制，以實現(xiàn)攝像機腳架水平調(diào)節(jié)的全自動控制。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的攝像機腳架可以通過自身的自平衡調(diào)節(jié)準(zhǔn)確停在目標(biāo)位置，達(dá)到了全自動調(diào)整水平設(shè)計的目的?？蔀榻鉀Q攝像機腳架水平自動調(diào)整問題提供解決方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的腳架主要由三根D型嵌套管腳、管腳驅(qū)動座、主控板組(5層)、管腳觸底感應(yīng)器和管腳連接組構(gòu)成，如圖1所示。

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

展開方面。設(shè)計采用3根D型嵌套管腳構(gòu)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(qū)動D型嵌套管腳直到觸底感應(yīng)器觸發(fā)，將動力傳輸?shù)焦苣_上。所設(shè)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(tài)傳感器，搭棚制造5層pcb控制組?？刂平M由上到下分別為姿態(tài)板、控制板、放大整形板、動作板、電源板。

姿態(tài)板使用了jy0901姿態(tài)控制器，而控制板用的是arduinopromini，整形板將控制器傳輸?shù)男盘柗淳幾g成完整的控制信號，而動作板接受控制信號，驅(qū)動電機按照控制板運動，電源板輸出穩(wěn)定的電壓電流，減小姿態(tài)控制器的誤差。

人機互動方面?；跀z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(shè)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(tài)，同時用蜂鳴器提供聲音警示信號，實現(xiàn)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(qū)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(shè)備兼容的7.4vLiPo電池，可以使用2 s鋰電或直接掛載攝像設(shè)備的電池，驅(qū)動三組6個微型減速電機外加主控，兼容性好。

續(xù)航方面。創(chuàng)使了斷位處理模式，當(dāng)自平衡腳架不運行時，將現(xiàn)場保存后完全斷電；而當(dāng)自平衡腳架正常運行時，切換到全功率模式運行。這種設(shè)計，可以大大降低耗電，提高自平衡腳架的續(xù)航能力。

2 自動控制方案

程序處理方面。使用了主從系統(tǒng)模式，將整個腳架的電控系統(tǒng)分為主CPU、動控和姿態(tài)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(yīng)，當(dāng)用戶需要腳架活動時，再由主CPU喚醒電控和姿態(tài)傳感器，從而達(dá)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(shè)計將PID控制省化，放棄使用姿態(tài)傳感器回傳的yaw角，減少CPU的運算負(fù)荷。

動力部分。使用7.4vLiPo電池，驅(qū)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(fā)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(qū)動電機運行，jy90三軸模塊負(fù)責(zé)輸出信號反饋姿態(tài)給主控，同時有一塊穩(wěn)壓板負(fù)責(zé)提供平穩(wěn)的電壓，維持主控部件正常運行。

觸底感應(yīng)部分。采用塑封的微動開關(guān)設(shè)計，當(dāng)?shù)啬_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(shè)計的好處是動力強，運行控制準(zhǔn)確且噪聲小。不足之處是功率較大，導(dǎo)致續(xù)航下降，且成本偏高。

3 實驗結(jié)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(jié)果顯示：

功能上。所設(shè)計的水平自平衡腳架實現(xiàn)了水平全自動自平衡調(diào)節(jié)功能，可以通過自身的自平衡調(diào)節(jié)準(zhǔn)確停在目標(biāo)位置。

性能上。所設(shè)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(jù)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(jié)果表明，本次設(shè)計的水平全自動自平衡腳架實現(xiàn)了水平自平衡調(diào)節(jié)的功能，且性能方面可以滿足攝像的基本要求，達(dá)到了設(shè)計目的。

4 結(jié)論

針對攝像機腳架難以準(zhǔn)確自平衡問題，設(shè)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(gòu)并輔以配套的平衡模式,利用陀螺儀模塊探測周圍環(huán)境信息,采用加速度計矯正和卡爾曼濾波后獲得穩(wěn)定的輸出數(shù)值，實現(xiàn)對攝像機腳架機動模塊運動的比例調(diào)節(jié)控制。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的攝像機腳架可以通過自身的自平衡調(diào)節(jié)準(zhǔn)確停在目標(biāo)位置，達(dá)到了全自動調(diào)整水平設(shè)計的目的,可為解決攝像機腳架的水平調(diào)整問題提供解決方案。