新型电动摄影滑轨的研究与设计

黄家豪 丁润涛 侯晶如 赖丽昭

广东东软学院 计算机学院 广东 佛山 528000

引言

近年来，随着人们生活水平的提高，短视频行业发展火爆[1]，人们对视频质量的要求也随之提高。由电子程序控制速度的电动滑轨作为专业的辅助拍摄设备进入大众视野。经过调查分析发现，市面的电动滑轨存在售价昂贵、质量良莠不齐、便携性低以及交互性不足等缺陷，导致电动滑轨无法像三轴稳定器之类的电子辅助拍摄设备那样快速普及。

目前市面上90%以上的电动滑轨采用的是双轨式滑动结构[2]，平行的双轨结构拥有良好的平衡结构，但该滑动结构在长期的外力作用下，极易造成导轨形变，使得滑轨的长期稳定性和顺滑度大幅下降，而且双轨结构占用空间大导致便携性降低。本项目通过研究分析发现，采用单轨结构加侧向滑动的橡胶轮设计不仅具有极高的便携性，同时也拥有极高的稳定性和可靠性。市面上的电动滑轨功能过于单一，普通电动滑轨仅能实现基础的水平匀速平移延时摄影，较高级的电动滑轨在此基础上增加了跟焦拍摄和广角扫景模式[2]，其原理通过调节中间一条额外的轨道实现的相机角度的转向，确切来说这种电动滑轨属于三轨设计。并不具备可编程实现多功能多模式的基础条件。

为改变这一现状，本项目提供了一种优化改进的方案，极大地压缩了成本，在满足滑轨最基本的稳定可靠性前提下，通过改进滑轨的结构极大降低了制作工艺的难度，解决目前电动滑轨制作要求高、成品率低的难题。同时便携性的提高，使得电动滑轨的使用范围更广。功能多样性带来了可编程的特点，极大地丰富了相机的镜头语言，让用户有更多创作的空间。同时改进了目前人机交互方式的不足，让用户以最低的学习成本实现复杂且高难度的运镜操作。

1 机械结构设计

市面上的电动滑轨功能过于单一，普通电动滑轨仅能实现基础的水平匀速平移，较高级的电动滑轨在此基础上增加了跟焦拍摄和广角扫景模式，其原理通过调节中间一条额外的轨道实现的相机角度的转向，确切来说这种电子滑轨属于三轨设计。并不具备可编程实现多功能多模式的基础条件。本项目抛弃了上述的三轨设计方案，采用单轨与可编程电机结合的设计，可编程的特性使得功能的多样化提供了坚实的基础，不仅实现了让相机镜头“动”起来的基本操作，更能让镜头“活”起来。

该电动滑轨运用了重量较轻的铝制单轨结构，利用静音硅胶轮组成滑块系统，改进皮带传动结构的缺陷，经过深度市场调研分析，充分考虑绝大部分消费者的需求，对各种元器件进行精确选型，在尽可能降低制作成本的前提下，实现稳定可靠、功能多样性、人机交互性友好的电动滑轨。

1.1 导轨结构

导轨采用欧标2040铝型材加侧向滑动硅胶轮的单轨设计方案，导轨材质为成本较低的铝材质。欧标2040铝型材如图1所示，目前市面上的电动滑轨大多采用了成本昂贵的碳纤维材质，这也是电动滑轨售价昂贵的主要原因之一。碳纤维的密度约为1.5～2.0g/cm³，铝的密度约为2.7g/cm³，两者在同等规格下的重量差距不大，就材料的特性而言，铝制品相对于碳纤维材料具有优秀的耐磨、热稳定、耐高温腐蚀的特性[5]，因此在保证较低重量的情况下，选择环境适应性强且寿命更长的铝材质。

图1 欧标2040铝型材

图2 欧标2040铝型材截面图

1.2 滑块结构

得益于欧标2040铝型材的特殊结构，使得侧滑轮结构得以应用，采用自行设计3～5mm厚度的亚克力板作为滑块底板，静音硅胶轮作为滑轨导轮，该结构常应用于3D打印机，经过多年的改进优化，已经完全满足高精度的需求。此结构滑动流畅细腻且维护简单，不需要添加润滑油。相较于钢珠式滑块，能减少震动对拍摄画面的影响，同时还具备低噪音的优点。

1.3 传动结构

传动结构的设计采用齿轮式皮带传动[3]，本项目根据欧标2040铝型材的特殊结构改进了皮带的传动结构，将皮带巧妙的隐藏于导轨的凹槽内，有效解决日常环境中灰尘颗粒物黏附传动皮带造成的抖动，延长了传动装置的寿命，使得滑轨整体更美观、一体性更高。皮带传动具有高效、易维护的特点。该设计使得滑轨整体结构更加紧凑、便携性也有所提高。

2 控制系统设计

2.1 硬件选型

电动滑轨属于专业级拍摄辅助装备，售价昂贵。根据市场调研分析发现，电动滑轨制作成本高是主要因素，硬件选型需要考量功能实现与成本之间的关系，为实现平稳的平移效果和细腻的偏航角度调节、可扩展的多功能设计、人机交互友好的设计需求。控制电路的设计可以分为驱动、反馈和通信三个部分。单片机与电机驱动电路是整个系统的重要组成部分，是实现电动滑轨的横向平稳运动与偏航运动的基础；位置感应电路是实现多功能运动的重要一环；按键与OLED屏幕的组合构成用户交互最直接的控制反馈体验。通信部分的设计需要考虑兼容性，其负责与手机移动端进行通信，因此技术成熟的蓝牙4.0方案成为首选。

（1）主控芯片

主控芯片为久经市场考验的STM8单片机，这意味着拥有大量的资料与解决方案，利于开发者的快速开发。同时随着大规模的生产，STM8单片机的成本下降，使得该单片机的性价比极高。该单片机拥有16Mhz主频，属于低功耗型单片机，整个核心系统电路板面积极小，非常适合开发便携式设备，它所附带的外设足于满足该电动滑轨设计所需的功能需求。

（2）电机驱动

电机驱动部分采用42行星减速步进电机，该电机体积小易安装具有高精度、大力矩、低噪音、免维护的优点，步进电机的步距角为1.8°，整机输出的静力矩为15.3kgf.cm，完全满足项目需求，配合步进电机驱动高细分技术，达到更高精确度的控制，使每 个脉冲转动的角度更小、更平滑。在电机的驱动选择方面，以低成本的步进电机加上闭环控制系统的方案代替价格昂贵的伺服电机驱动方案，改进后的闭环步进电机与伺服电机的差距减小，足以满足项目对高精度的要求。

（3）姿态传感器

姿态传感器的加入，使得电动滑轨拥有了姿态感应的能力。采用九轴传感器MPU9250，该传感器内部采用了3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴磁力计，自带的数字运动处理器（DMP）硬件加速引擎，可以整合九轴传感器数据，向应用端输出完整的 9 轴融合演算数据。因此采用DM实现姿态解算，这降低了运动处理运算对单片机的负荷，同时大大降低了开发难度。

（4）蓝牙

蓝牙采用HC-05芯片，其在空旷处有效距离能达到10-20米，空中的速率达到2Mbps,性价比超高。主要通过串口TTL接口实现AT指令设置和查询相关参数，同时实现串口数据透传。

2.2 滑轨的算法设计

能够匀速平移运动是每个滑轨的基础功能，实现匀速平移功能主要是由PWM信号控制的步进电机。在视频创作时，相机运镜的起幅和落幅是很有讲究的[4]，对整个镜头的流畅度有着极高的要求。当没有缓冲距离时，画面骤起骤停，对整个画面的观感影响极大[2]。因此为了解决这一问题，该滑轨加入了梯形、S曲线、U形等算法，用户只要改变自变量时间t的参数就能实现不同的组合。此设计能够通过调节各类参数，让用户最大限度的发挥电动滑轨的优势。让好的想法不因滑轨的局限性而无法实现。

2.3 移动端控制APP设计

此电动摄影滑轨不仅仅能实现匀速平移功能，除此之外还具有匀变速延时摄影模式[4]、扫景模式、匀变速追焦模式、自定义关键帧模式、360度横扫模式、变速摇摆模式及用户自定义等多种模式。实体按键与旋钮的人机交互友好性与移动端APP控制完美结合，更方便用户定义不同的功能模式，拍摄出质量更高的短视频。

匀变速延时摄影模式：用户可选择延时摄影的方式为匀速还是变速，如果选择匀速，则至需要设置的时常，滑轨会自动从左往右或是从右往左进行匀速平稳的平移运动。如果选择为变速延时摄影，则由用户设置时间与速度的曲线。

扫景模式：在匀速延时摄影的基础上，通过操控偏行方向的电机，实现最大为720°的扫景拍摄。

匀变速追焦模式：追焦模式就是滑轨移动的时候，通过改变偏航的角度，实现镜头画面中心始终追踪物体的拍摄手法。可实现匀速或是变速的效果，其中变速由用户手动控制。

自定义关键帧模式：用户在拍摄之前，先手动控制滑轨的运动轨迹，此时可设置定格时间、位置等信息，然后保存运动轨迹的数据后进行轨迹复原播放。从而实现自定义关键帧的效果。

专业模式：专业模式是自由度最高的模式，可以设置电机的算法、启停时间、启停角度、启停速度与运行速度，最大限度的发挥电动滑轨自由度高优势，以便达到用户的期望效果。

3 结束语

优化后的电动滑轨方案系统结构设计合理、系统性能优良、结构稳定，它不仅能通过物理按键旋钮进行模式切换、速度调节、方向控制等基础操作，即使脱离手机控制，依然能进行工作。配合移动端app进行更高级的自定义操作。以用户的体验感优先为原则，改进当前市面上电动滑轨的不足之处，适应现阶段消费者的需求、适应如今高速发展的智能时代，使用此电动滑轨能提高视频拍摄的质量，能极大地丰富镜头语言。