浅谈一种基于手持式摄像增稳云台的设计

孙世龙，古晨阳，卢辰宇，谢欣怡，石先念，吴恒

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710000）

现阶段随着互联网的快速发展，自媒体、摄影等行业也在蓬勃发展。人们对摄影体验以及视频作品的要求也愈来愈高。因此如何提高摄影设备增稳技术，改善摄影时画面因抖动模糊成了一个关键的技术问题。然而市面上各式各样的云台原理上大同小异，都是以位移、加速度等传感器结合相应的算法控制伺服电机，从而补偿相机的抖动的原理进行增稳。尽管这种机械与电子结合嵌入式控制的云台使用效果显著，但这种云台存在价格昂贵，结构复杂，使用时对于环境的要求苛刻、易损坏、维护性差等缺陷，在有些工作环境下弊大于利，无法满足用户的需求。

1 工作原理与结构设计

为使手持云台能够实现增稳的功能，本装置采用了以机械式自平衡为主的手持式摄像增稳云台。本装置主要包括：手柄、手柄转轴、转向开关、机架、转向机构、相机支架、稳定结构总成、电机、控制器、电池仓；电机、电池仓、控制器固连在机架上；手柄通过与安装在机架上的手柄转轴配合；转向机构在电机的驱动下可实现稳定结构总成在机架上平面内自由转动；稳定结构总成与转向机构由万向轴结构相连；相机支架固定在浮动杆上，浮动杆与卷簧摩擦杆组成浮动稳定装置。详见图1~5。

图1 一种基于手持式摄像增稳云台的整体结构图

本云台为手持式，摄影工作人员手持手柄（16），手柄（16）通过转轴（15）与机架通过立柱与机架（43）链接，从而使得人在手持云台时，云台整体相对于人有一个自由度，即绕X轴可做自由转动，受重力作用云台自然的保持其重心处于平衡位置。为使云台需要转动时有一个快速的响应，引入自锁减速电机（22）、控制器，以及能够持续供电的电池，为此电池采用2节可充电3.7V的圆柱状电池，以满足自锁减速电机（22）的要求，控制器、电机（22）、电池仓均设置在机架（43）下部的电器仓（19）内部。为满足本云台对于恶劣环境工作的技术要求，电器仓（19）需要做防水处理。在必要打开的电池盖（图2（19）所指位置）加上防水密封圈。为满足电机，以及控制器的散热要求，这两部分需要与电器仓(19)紧密接触，且在之间涂抹导热硅脂。本云台转向机构封装在机架（43）内部通过万向轴与稳定结构总成的大方管（42）连接，大方管由于与转向机构由万向轴连接，故稳定结构总成可以绕X轴与Y轴自由转动，由于重力自平衡保持沿重心在铅垂位置。大方管通过内部的稳定结构，具体的将在下文中阐述与浮动杆（41）连接。浮动杆（41）上部即正向末端与相机固定架（33）通过铰链连接。在浮动杆的下部，与挂钩（38）通过铰链与挂钩（38）连接。

如图2、3所示，本云台需要绕Z轴转动一定的角度时，按下设置于手柄（16）下方立柱上的双向触电开关（12），通过控制器控制电机（22）工作，电机（22）的输出轴上有齿轮，小齿轮与带有带轮的大齿轮（26）啮合，实现一级减速。大齿轮通过皮带把运动传递给大圆环（46），实现二级减速。大圆环由8个滚子（5），其中4个为一组，每组水平对置分布在大圆环（46）的1个平面内，2组对称分布在大圆环（46）的2个平面上。滚子受机架（43）的约束，从而使得大圆环（46）由在Z方向的约束。在大圆环的圆柱面上有4个橡胶滚轮（6）对称分布，并且滚轮（6）对于皮带也有张紧轮的作用，从而使得皮带被限制在大圆环（46）的皮带槽内，稳定传动。4个滚轮对大圆环（46）相对于X轴Y轴有2个约束，大圆环（46）相对于机架（43）只有1个自由度。大圆环（46）与稳定结构总成的大方管（42）由万向轴连接，大方管垂直于Y方向的两个对称平面内各有一根轴线与Y轴平行的短轴（8）。2个短轴（8）与小圆环（47）通过铰链链接。小圆环（47）与大圆环之间也通过2个短轴连接，具体的这两根短轴轴线与X轴平行。大方管（42）与大圆环（46）组成了一个万向轴结构，从而大方管绕X轴与Y轴有一定范围内的自由摆动，绕Z轴360°自由转动。使得云台在X轴Y轴方向受重力自平衡，即大方管（42）保持在铅垂位置。另外双向触电开关（12）可以使得电机绕Z轴有2个方向的转动，从而使得大方管（42）能快速转动到工作角度。

图2 一种基于手持式摄像增稳云台的转向机构总体结构图

浮动杆（41）上部即正向末端与相机固定架（33）通过铰链连接。在浮动杆的下部，与挂钩（38）通过铰链与挂钩（38）连接。浮动杆（41）由8根中部包有橡胶的摩擦杆（4），2个为一组码放，如图5所示。在摩擦杆（4）中部包有橡胶以提高与浮动杆（41）之间的摩擦力，摩擦杆（4）的两端连接有绕在沿摩擦杆（4）轴线方向的卷簧（2）。卷簧（2）压在盖板（3）内表面的圆槽内部。盖板通过螺钉（1）与大方管（42）紧密配合。

图5 一种基于手持式摄像增稳云台的增稳结构图

当云台工作时，当摄影工作人员运动时，云台会有沿Z方向的运动，受惯性力的作用，浮动杆（41）有相对于云台的一个相对运动。在理想情况下可认为这种运动是一个简谐运动。以相对运动的角度分析，假设云台固定，浮动杆（41）有一个沿Z轴方向的扰动。假设某一瞬时浮动杆（41）的运动方向沿Z轴向下，此时受摩擦力的作用8根摩擦杆（4）将绕轴线转动，此时每一根摩擦杆（4）两端的卷簧（2）将储能以吸收这种扰动，将这一扰动成比例的减小，所以大方管（42）只是1个很小的扰动，16个卷簧（2）的储能随着上述的这一间歇运动波谷的到来随之释能，回归原位，进行下一次的动作。以控制论的方法来研究这一部分是一个二阶系统，并且是一个惯性系统，从而能吸收并减小震动。从另一个角度印证了本云台的科学性。

浮动杆(41)的另一端安装有挂钩（38），挂钩（38）与浮动杆（41）通过铰链连接在一起，一般工作时可以不使用，当震动情况更加剧烈，即上述的简谐运动振幅更大，频率更高时，可以悬挂重物（例如矿泉水瓶）的方式以达到降低云台重心，从而提高其增稳效果。

图4 一种基于手持式摄像增稳云台的总成结构图

2 技术特点

与现有技术相比，本云台有以下技术特点：

（1）本装置在保留了传统的万向的基础上，实现了绕X轴Y轴的自由旋转以使得云台的重心保持铅垂。沿Z方向的增稳装置采用浮杆摩擦滚子的形式加上卷簧，相当于加入1个二阶系统惯性环节。在浮杆末端下部装有一个挂钩，在上面可以挂上矿泉水瓶等重物，从而达到降低重心、提高增稳的效果。

（2）本装置主要以机械结构为主，减少了电子器件的使用，故可靠性高，维护成本低，模块化互换性高。在高温、潮湿等恶劣的工作环境下也能够使用。

（3）经过本文分析，该云台性价比高、价格便宜、适用多种场景，前景十分广阔。