车载摄影防抖王——快速自稳定三轴影像平台

　　中国人民大学附属中学 李雨菲

　　北京市第四中学 王砚弈

　　指导教师 张文龙 李雪梅 徐 乾

　　来源：全国青少年科技创新大赛获奖作品展播

　　空闲时乘车去野外、随时在路上是如今相当一部分人工作之余的状态，越野车顶放上拍摄设备可以方便地对路上的风景边前进边拍摄，而不必专门停车下来拍风景。但由于野外路况一般不好，越野车在行进过程中，容易受到外界干扰，导致摄影设备抖动，影响拍摄效果。要是有一款便携、实用、精度高的车载防抖装置就好了，这样一款装置需要具备哪些功能和特点呢？受限于汽车自身的体积和负载，此防抖装置应是体积小、重量轻、控制精度高，可机动灵活地携带摄影设备进行拍摄。市面上现有的拍摄设备用防抖稳定平台一般分为两种，精度高体积大的，或是精度低体积小的，都不能满足越野车的拍摄需求。而我们通过查阅资料了解到，快速自稳定三轴稳定平台体积较小、稳定度高，能基本满足车载拍摄防抖装置的要求，因此我们采用快速自稳定三轴稳定平台来构建车载摄影稳定系统。

　　1. 车载摄影稳定平台DIY傻瓜指南

　　我们的车载摄影稳定系统是快速自稳定三轴稳定平台。快速自稳定，即要求平台能实时控制、反馈迅速，可以由定位定姿系统（Position and Orientation System，简称POS，此POS非彼POS机）、反馈执行电机和控制器构成；平台要求三轴稳定，是因为平台的任何抖动都可以分解成三个自由度的速度分量，要补偿这三个自由度上的抖动，保持平台的稳定性，我们很容易想到可以通过陀螺仪的惯性稳定性（即没有外力矩作用在陀螺仪上时，根据角动量守恒定律，陀螺仪的自转轴始终指向一个固定的方向）来实现，并且需要三个陀螺仪来作为平台的惯性测量元件。此外，为了把上述部件组装成一个整体，我们还需要一个平台框架来总成上述设备。

　　我们设计的三轴惯性稳定平台的结构如下图所示，由三个框架构成，由外至内分别是横滚框、俯仰框和方位框。横滚框的回转轴沿着车辆的前进方向，用以隔离车辆的横滚角运动；俯仰框的回转轴沿车辆横向方向，用以隔离车辆的俯仰角运动；方位框的回转轴垂直向下，用以隔离车辆的方位角运动，相机和POS就固定在方位框上。

　　Mx，Mv，Mz 为三台力矩电机，分别驱动横滚框、俯仰框和方位框转动；Gx，Gv，Gz 为安装在各框架上的速率陀螺，分别敏感横滚框、俯仰框和方位框相对于惯性空间的转动角速度；Ax，Av 为加速度计；Rx，Rv，Rz 为三台旋转变压器，用于根据平台姿态解算出车辆的姿态，为其他系统提供姿态信息。伺服控制器根据速率陀螺敏感到的框架角速率信息和加速度计或POS测量出的姿态和位置信息产生控制信号给力矩电机，力矩电机输出驱动力矩以抵消干扰力矩并驱动框架转动，达到稳定和跟踪的目的。

　　2. 平台控制器的控制系统设计

　　平台的硬件电子设备包括：三只MEMS（微机电系统）陀螺仪，两只MEMS（微机电系统）加速度仪，三台无刷直流力矩电机以及三台高精度编码器。由于平台体积较小的设计目标，使得其内部空间很紧凑，故采用分布式安装电路板，只将陀螺仪、加速度仪和编码器信号处理板分散安装在平台框架上，而将核心电路板都集中外挂到电路盒中，而且分布式安装有助于减少各电路间的相互电磁干扰，提高采集信号的精度。

　　平台的软件系统采用“前后台”进行组织，由主程序和中断服务子程序组成，可以有效地保证控制系统的实时性。其中主程序主要负责各外围设备的初始化，各种复杂的控制程序均在各中断程序中执行，以保证系统的实时性。

　　3. 设计时应考虑的其他因素

　　平台的设计目标除了体积小，还要轻量化、控制精度高，因此平台设计时采用了框架结构（轻量化）、对称结构（消除力矩不平衡对控制精度的影响），还需要注意轴线间的垂直度、各框架间几何中心的同心度等因素。此外，针对实际情况，采用游戏手柄对平台的方位框进行控制，实现期望方位姿态的实时调整；方位框内可放置两个拍摄设备（放在图中相机处），两设备的清晰度一高一低，高清晰度的作为主拍摄设备来储存记录影像，低清晰度的作为取景窗来用，所成图像直接显示在车内电子屏上，方便我们调整视野和镜头指向。

　　4. 防抖好不好？实践是王道

　　将装配完成后的车载摄影稳定平台搬上越野车进行实际验证，并和未经该稳定平台稳定的影像对比，通过对不同路线、路况等车载性能的多次重复测试表明，此平台能有效克服车载过程中的各种抖动的影响，图像失真降低、摄像效果有明显改善。

本文由北京工业大学教授、博士生导师，中国人工智能学会科普工作委员会秘书长于乃功 进行科学性把关