IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

1. Введение

На сегодняшний день большой популярностью пользуются экшн камеры, которые позволяют спортсменам производить съемку в движении при прыжках с парашютом, езде на велосипеде или мотоцикле, при совершении различных трюков на роликах, лыжах или сноуборде. Такие условия съемки характеризуются большими вибрациями. Колебания оказывают вредное влияние на работу камеры и качество изображения. Для исключения вредного влияния колебаний необходимо применять стабилизирующие устройства.

Целью данной работы является изготовление электромеханического трехосевого подвеса, предназначенного для демпфирования и стабилизации видеокамеры во время съемки.

Исходные данные к работе:

• камера GoPro Hero 4;

• масса камеры 74 г;

• габаритные размеры камеры 55x40x30 мм;

• съемка сюжетов с рук;

• оператор стоит неподвижно;

• питание автономное;

Для достижения заданной цели необходимо:

• провести анализ способов стабилизации;

• выбрать принцип стабилизации;

• разработать схему устройства;

• выбрать элементы;

• разработать конструкцию;

• изготовить действующий образец.

2. Влияние вибрации изображения на разрешающую способность глаза

При ведении съемки с рук, основным источником колебаний является естественный тремор. В настоящее время следует считать, что спектр угловых колебаний тремора имеет подъем в области 10 Гц, где амплитуда угловых колебаний имеет величину от 10′ до 20′, и в низкочастотной области в районе от 1 Гц до 2 Гц, где амплитуда угловых колебаний достигает 1º.

Разрешающая способность глаза зависит от скорости движения изображения предмета. Ухудшение разрешающей способности начинается при скорости движения предмета в поле окуляра 1,5 град/с = 0,0262 рад/с. При проектировании приборов и систем следует ограничивать возможную скорость углового перемещения объекта в поле зрения глаза этой величиной.

3. Анализ способов стабилизации

В современной фото- и видеотехнике наиболее широко применяются следующие типы стабилизаторов:

• Оптические стабилизаторы

• Стабилизаторы с подвижной матрицей

• Электронные (цифровые) стабилизаторы

• Гироскопические стабилизаторы

3.1. Оптический стабилизатор изображения

В ряде случаев имеется возможность ввести в оптическую схему элементы, поворотом которых можно изменить направление визирования. Если эти элементы достаточно малы и их угловое перемещение менее затруднительно, чем угловое перемещение прибора или его оптической головки, то задача стабилизации поля зрения сильно упрощается.

Приведем краткую сводку применяемых оптических элементов и их характеристики.

Зеркала. Для изменения направления визирного луча может быть использовано плоскопараллельное зеркало с внутренним или наружным отражающим покрытием. Чтобы сдвинуть визирный луч на заданный угол, зеркало поворачивают на половинный угол. Чтобы избежать двоения изображения и хроматизма, вызываемых клиновидностью стеклянной пластины, предпочитают зеркала с наружным нанесением отражающего покрытия.

Клинья. Для малого отклонения визирного луча при значительном механическом перемещении применяются преломляющие оптические клинья. Конструктивно отклоняющее устройство представляет собой либо пару вращающихся клиньев (рис. 1), либо клин, перемещающийся вдоль оси в сходящемся пучке (используется в дальномерах).

Рис. 1. Пара вращающихся клиньев для изменения визирного луча

Куб-призма. Состоит из двух прямоугольных призм, склеенных гипотенузными гранями, имеющими отражающие покрытия (рис. 2). При значительном отклонении угла визирования работает только одна половина призмы. Размеры куб-призмы зависят от размера пучка лучей и угла качания.

Рис. 2. Куб-призма. Ход лучей

Недостатки куб-призмы:

1. Может работать только в параллельных пучках, в сходящихся пучках вызывает двоение изображения;

2. Сложность изготовления, поскольку ошибки углов половинок призмы и склейки порядка нескольких секунд вызывают двоение изображения [1].

Призма Дове или призма прямого зрения. Эта призма оборачивает изображение сверху вниз. Направление оптической оси меняется только внутри призмы, а направление вошедшего и вышедшего лучей не меняется и остается параллельными отражающей грани.

Призмой Дове пользуются, чтобы вращать изображение (или компенсировать вращение изображения) вокруг оси визирования. Схема вращения изображения показана на рис. 3.

Рис. 3. Призма Дове

Углы падения лучей на преломляющие поверхности призмы значительны, потому призму Дове применяют только в параллельных пучках лучей.

Жидкостный клин. Кювета с эластичными стенками, прозрачными окнами, заполненная прозрачной легколетучей жидкостью, используется в системах стабилизации поля зрения как регулируемый оптический клин. В зависимости от наклона стеклянного окна визирный луч, проходящий через кювету, отклоняется в ту или иную сторону.

Конструктивно края кюветы выполняются гофрированными, в виде металлического сильфона. Оси поворота окон делаются скрещенными под углом 90º, благодаря чему с помощью одной кюветы получаются отклонения визирного луча по двум взаимно перпендикулярным осям. Схема отклонения визирного луча показана на рис. 4.

Рис. 4. Жидкостный клин

3.2. Стабилизатор изображения с подвижной матрицей

В 2003 году была разработана технология стабилизации со сдвигом матрицы. Для компенсации колебаний фотоаппарата, в данной системе используется не подвижная оптическая система, а подвижная матрица, закрепленная на платформе.

Это дает несколько преимуществ. Объективы становятся дешевле, проще и надёжнее. Стабилизация с подвижной матрицей может применяться на фотоаппаратах с любой оптикой. Это важно для зеркальных фотоаппаратов, имеющих сменную оптику. Стабилизация со сдвигом матрицы, в отличие от оптической, не вносит искажений в картинку (быть может, кроме вызванных неравномерной резкостью объектива) и не влияет на светосилу объектива. Однако считается, что стабилизация с подвижной матрицей является менее эффективной, чем оптическая стабилизация.

3.3. Электронный (цифровой) стабилизатор изображения

EIS (англ. Electronic (Digital) Image Stabilizer — электронная (цифровая) стабилизация изображения). В данном виде стабилизации около 40 % пикселей применяются только для стабилизации изображения и никак не участвуют в формировании картинки. При дрожании камеры картинка «плавает» по матрице, а процессор фиксирует эти колебания и вносит коррекцию, используя резервные пиксели для компенсации дрожания картинки. Эта система стабилизации широко применяется в цифровых камерах, где матрицы маленькие (0,8 Мп, 1,3 Мп и др.). Данная система стабилизации имеет более низкое качество, чем другие системы стабилизации, однако она принципиально дешевле, так как не вносит в механическую систему фотоаппарата дополнительных элементов.

3.4. Гироскопические стабилизаторы

Непосредственный гироскопический стабилизатор. Это – гироскопическое устройство, принцип действия которого основан на непосредственном использовании стабилизирующих свойств астатического гироскопа. Стабилизирующее воздействие в этом случае возникает в результате возникновения гироскопического момента при влиянии внешних сил, пытающихся изменить положение гироскопа в пространстве. Гироскоп должен составлять существенную часть массы системы и обладать достаточно большим кинетическим моментом.

Силовой гироскопический стабилизатор или гирорама. Обычно так называется гироскопическое устройство, в котором гироскопический момент используется только в начальный промежуток времени, а для создания стабилизирующего воздействия далее используется специальный стабилизирующий или разгрузочный двигатель. Силовой гиростабилизатор – это электромеханическое гироскопическое устройство.

В зависимости от способа управления стабилизирующим двигателем различают:

1) силовые гиростабилизаторы с управлением по углу прецессии, использующие гироскопы с большими кинетическими моментами;

2) силовые гиростабилизаторы на «малых» гироскопах, где для управления двигателем стабилизации используется не только сигнал угла прецессии, но и его производные, за счет чего двигатель стабилизации быстрее компенсирует внешний момент, а гироскоп имеет сравнительно небольшой кинетический момент.

Силовые стабилизаторы на «малых» гироскопах занимают промежуточное положение между гирорамами с управлением по углу прецессии и индикаторными гиростабилизаторами.

Гироскопический демпфер. Этот термин введен для гироскопических устройств, в которых силы гироскопической реакции используются для подавления высокочастотной составляющей угловых колебаний стабилизируемого объекта. Стабилизирующий момент в гироскопическом демпфере зависит от частоты возмущающего воздействия. При нулевых частотах (или близких к ним) гиродемпфер не развивает момента противодействия или, иными словами, стабилизирующего момента.

Перечисленные гироскопические устройства относятся к устройствам силового типа. В индикаторных или косвенных гироскопических стабилизаторах оптический прибор устанавливается в отдельном кардановом подвесе, связанном с позиционным гироприбором не механически, а электрически. Здесь гироскопический прибор является только указателем (индикатором) положения в пространстве.

Индикаторный или косвенный гироскопический стабилизатор – это система автоматического регулирования, предназначенная для отслеживания силовым или следящим приводом углов между положением движущегося основания и направлением, заданным гироскопическим позиционным прибором.

4. Выбор принципа стабилизации и разработка схемы устройства

В результате анализа различных схем стабилизации [1] было принято решение использовать индикаторную стабилизацию «экшн» камеры, в которой чувствительным элементом является датчик угловой скорости, определяющий скорость отклонения луча визирования камеры относительно плоскости горизонта.

Устройство обеспечивает стабилизацию камеры по трем осям.

На каждой оси имеется датчик момента (Дм) и датчик угла (Ду). Камера жестко прикрепляется к опоре, имеющей трехосный датчик угловой скорости (Дус). Сигнал датчика угловой скорости интегрируется в интеграторе (И).

Данное устройство работает в трех основных режимах: режим стабилизации изображения, режим демпфирования и режим ручного управления поворотом камеры.

В режиме стабилизации изображения визирная ось камеры сохраняет свое направление неизменным, то есть камера всегда смотрит в одну точку.

В режиме демпфирования изображения камера следует за подвижным основанием с некоторым отставанием, при этом происходит сглаживание рывков и колебаний основания.

В режиме ручного управления оператор может управлять поворотом камеры с помощью кнопок управления на ручке, либо с помощью пульта дистанционного управления.

Рис. 5. Кинематическая схема стабилизатора

На приведенном рисунке:

OXYZ – система, связанная с камерой;

OX_зY_зZ_з – система, заданная задающим устройством;

Oξηζ – инерциальная система координат;

α – поворот камеры в инерциальном пространстве;

α_з – угол поворота заданный задающим устройством;

– момент инерции камеры;

– момент датчика момента;

– момент трения.

Опишем принцип действия устройства. Камера соединяется со стабилизатором, а он в свою очередь держится в руке, прикрепляется к шлему, беспилотному летательному аппарату или другому подвижному объекту. Предположим, что основание вращается вокруг оси OY. При этом камера будет стремиться повернуться за основанием за счет возникновения сил трения в опорах. Если силы трения скомпенсировать, то оптическая ось камеры будет оставаться неподвижной и камера будет стабилизирована.

При возникновении сил трения камера поворачивается вокруг оси OY, датчик угловой скорости измеряет скорость поворота, сигнал интегрируется и подается на датчик момента. Таким образом, с интегратора на датчик момента подается сигнал пропорциональный углу отклонения камеры от первоначального положения. Датчик момента создает момент, который стремится воспрепятствовать дальнейшему повороту камеры. При этом движение камеры будет резким и отрывистым. Для сглаживания рывков при стабилизации камеры и обеспечения устойчивости переходного процесса также используется сигнал датчика угловой скорости. Сигнал пропорциональный скорости вращения камеры суммируется с сигналом интегратора, перед тем как подается на датчик момента. Сигнал с задающего устройства (ЗУ) в этом режиме равен нулю.

В режиме следования камеры за поворотом основания мы вместо сигнала с интегратора подаем на датчик момента сигнал с датчика угла, который измеряет угол поворота камеры относительно основания.

Рис. 6. Действие стабилизатора

В режиме ручного управления оператор с помощью кнопок задающего устройства вводит величину сигнала α_з, в результате чего камера отклоняется от плоскости горизонта на заданный угол.

5. Выбор элементов

Выбор платы управления.

Для управления стабилизатором выбираем Arduino Nano (рис. 7).

Это печатная плата на базе микроконтроллера ATmega328. Плата программируется на языке С++. Напряжение питания 5 В. Габаритные размеры: длина 45 мм; ширина 17 мм; высота 11 мм. Рыночная стоимость 3$.

Рис. 7. Arduino Nano

Выбор датчика момента. В качестве датчика момента было решено использовать сервопривод MG995 (рис. 8) [2]. Рыночная стоимость 4$.

Основные ТТХ:

• Напряжение питания 5 В.

• Габаритные размеры: длина 40 мм; ширина 20 мм; высота 47 мм.

• Момент 9,4 кгс*см.

• Максимальная угловая скорость 6 рад/с.

Рис. 8. Сервопривод MG995

Выбор ДУСа. Датчик угловой скорости должен быть маленьким и обеспечивать линейность характеристики на диапазоне скоростей от минус 1000 град/с до 1000 град/с. Рыночная стоимость 1,5$.

Выбираем микросхему MPU6050 [3], которая соответствует данным требованиям (рис. 9). Эта микросхема содержит трехосевой МЭМС гироскоп и трехосевой МЭМС акселерометр с 16 битным АЦП.

Рис. 9. Плата MPU6050

Основные характеристики:

• Напряжение питания 5 В.

• Габаритные размеры: длина 20 мм; ширина 10 мм; высота 3 мм.

• Чувствительность 8.7×10^-3 град/с.

• Диапазон измерений ±2000 град/с.

Выбор источника питания. Все элементы стабилизатора питаются напряжением 5 В. Источник питания будет располагаться в рукоятке.

Выбираем литий-ионный аккумулятор типоразмера 18650 с выходным напряжением 3,7 В и плату TXT-01-0907 (рис. 9), которая повышает выходное напряжение до 5 В и стабилизирует его. Рыночная стоимость 11$.

Рис. 10. Аккумулятор 18960 с платой TXT-01-0907 в металлическом корпусе

• Габариты данной аккумуляторной батареи: диаметр 22 мм; длина 92 мм.

• Емкость 3 Ампер-часа.

• Максимальный выходной ток 1 А.

Суммарная стоимость покупных изделий: 27,5$ ~ 1700 руб.

6. Разработка опытного образца

На основе выбранных элементов был спроектирован стабилизатор.

Таблица 1. Перечень покупных изделий

№	Наименование	Стоимость ед., $	Количество
1	Сервопривод MG996R	4	1
2	Плата MPU6050	3	1
3	Джойстик Keyes SJoys	1	1
4	Аккумулятор 18650	11	1
5	Плата Arduino Nano	3	1
6	Болт М3•10 ГОСТ 7798-70	-	16
7	Шайба 4 ГОСТ 6402-70	-	16
8	Гайка М3 ГОСТ 5915-70	-	16
9	Болт М5•45 ГОСТ 7798-70	-	2
10	Кольцо	-	2
11	Подшипник 1006095 ГОСТ 831-75	-	4
12	Шайба А.5.01.08кп.016 ГОСТ 11371-78	-	2
13	Шайба 6 3Х13 ГОСТ 6402-70	-	2
14	Гайка М5 ГОСТ 5915-70	-	2
15	Винт М2,5•10 ГОСТ 17475-80	-	1
16	Винт М2•4 ГОСТ 17473-80	-	2
17	Шайба 2,5 3Х13 ГОСТ 6402-70	-	2

Таблица 2. Перечень разрабатываемых деталей

№	Наименование	Колич.	Материал
1	Средний кронштейн	1	Профиль Д1 411161
2	Внутренний кронштейн	1	Профиль Д1 411074
3	Внешний кронштейн	1	Профиль Д1 411338
4	Ролик	2	Пруток Д16 Т КР25Х3000
5	Рукоятка	1	Пудра алюминиевая ГОСТ 10096-76
6	Рукоятка	1	Резина
7	Кронштейн	1	АВС пластик

Рис. 11. Трехмерная модель стабилизатора

Устройство состоит из трех кронштейнов (1, 2, 3), на которых расположены сервоприводы (4, 5, 6). Камера крепится к внутреннему кронштейну (1), на котором размещена микросхема MPU6050 (7). Внешний кронштейн (3) прикрепляется к рукоятке управления (11), в которой размещены джойстик (9), плата управления (8) и аккумулятор (10) [4].

7. Электрическая схема

Рис. 12. Электрическая схема стабилизатора

Питание всех элементов осуществляется от аккумуляторной батареи напряжением 5 В. Управление работой стабилизатора выполняется платой Arduino Nano. Joy Stick, предназначенный для управления режимами работы стабилизатора и задания углов отклонения камеры от плоскости горизонта, подключается к трем аналоговым входам Arduino: А0, А1 и А2. Для связи Arduino и платы MPU6050 применяется шина данных I²C, использующая две двунаправленные линии связи: SCL и SDA. Три сервопривода подключаются к трем дискретным выходным портам Arduino: 9, 10 и 11.

8. Изготовление стабилизатора

Детали для стабилизатора были получены с использованием 3D печати.

В ходе изготовления стабилизатора возникло несколько проблем, и были обнаружены слабые места проекта:

1. Пластиковый детали оказались недостаточно жесткими. Были приклеены дополнительные ребра жесткости.

2. Были использованы дешевые, но не оригинальные комплектующие. Первый купленный гироскоп имел большой нулевой сигнал. Второй гироскоп пришел нормальный.

3. Arduino Nano вышла из строя. Вместо нее была использована плата Arduino Uno R3, которая обладает теми же функциональными свойствами, но большими габаритами..

Рис. 13. Фотографии изготовленного образца

9. Заключение

В ходе выполнения работы было спроектировано устройство для уменьшения угловых движений камеры. Данный прибор обеспечивает демпфирование и стабилизацию камеры по трем осям.

Был разработан комплект конструкторский документации для изготовления стабилизатора.

Был построен макет стабилизатора, с использованием технологий 3D печати. Написано программное обеспечение.

Стабилизатор будет полезен для видеосъемки при занятии спортом, а также при съемке с различных подвижных объектов.

Список литературы

1. Бабаев А.А. Стабилизация оптических приборов. — Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1975. - 192с

2. MG996R High Torque Metal Gear Dual Ball Bearing Servo. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.electro-nicoscaldas.com/datasheet/MG996R_Tower-Pro.pdf, свободный.

3. MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification Revision 3.4. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.cdiweb.com/, свободный.

4. Татарников Е. В. Проектирование стабилизатора видеокамеры. Инженерия для освоения космоса : сборник научных трудов IV Всероссийского молодежного Форума с международным участием / Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2016. − 327 с.

Код для цитирования: Скопировать