拍照起什么作用（拍照比鸡还稳？这个神发明简直是手抖人士的福音！）

原创 屈珅 RoboMaster

开篇一张图带你走进今天的主题：

这是啥？怎么那么糊？这也许是我们拍照时的硬伤，手一抖，一张渣图便产生了，哪怕是单身几十年，手持相机拍照的效果依然堪忧。

有一天，有人在鸡的身上发现一个大秘密：不管鸡身怎么扭，鸡头都不会动！这简直为手抖人士开了一扇窗。只要我们把相机绑在鸡头上，即使肆意乱抖，拍出来的画面也会很稳啦！

鸡头的重大发现

于是，真的有人这么干了，在鸡头上绑了个相机，让鸡坐在抖动的游艇上，拍出来的画面果然稳得不行。

鸡头绑相机，拍照超稳

但是，如果我们随时抱着一只鸡出门，一定会迎来路人炽烈的目光。并且，养起鸡来也挺麻烦的，为了避免这些麻烦，聪明的人类还是发明了非生物云台。

三脚架上的云台

云台是什么？不准确地说，云台就是固定摄像机的一个平台。认真地说，它是一种可以多角度调节的支撑设备，就像你的脖子，可以转来转去调节角度，支撑起整个脑袋。

云台相机

为了方便讲解（显得专业），我们建立右手直角坐标系，引入三维空间的 pitch 轴、yaw 轴和 roll 轴。

三维空间

这一轴系常应用在航空中，通常默认定义 Z 轴的正方向为前方。绕 yaw 轴就是摇头，绕 pitch 轴就是点头，绕 roll 轴就是做耳朵贴肩膀的动作。

绕 roll 轴横滚

根据不同应用的需要，云台可调节的角度也有限制，轴越多，可调节角度也就越多。按照可调节角度来分类，一般可以分为单轴、两轴和三轴云台。

可调节的角度单轴云台

只能实现一个轴的转动，比如只能绕 yaw 轴水平转动的全景拍摄云台，它只能做摇头的动作。

全景拍摄云台

两轴云台

一般指能实现水平（左右）和俯仰（上下）动作的云台，也就是只能摇头和点头。机器人比赛中，一般带有射击功能的机器人都搭载两轴云台，实现多角度射击。

两轴云台

三轴云台

能实现三个轴的旋转或者动作。

三个角度

它适用于需要实现空间运动的物体，比如在空中飞行的无人机。想象一下，如果在移动飞行的无人机身上固定一个无法调节角度的手机，拍出来的画质一定糊成渣了，而三轴云台就可以将画面稳定下来。

无人机上的云台

按照控制的方式，云台又分为机械云台和电动云台。

控制方式机械云台

传统机械云台一般是用阻尼球调节角度，又可以称为球形云台，相机的三脚架云台普遍采用这种。它可以像脖子一样乱转，但是需要手亲自接触才能控制，无法远程遥控和精准移动。

球形云台

如果我在家想让隔壁邻居的云台往右转两毫米，它不仅不会转，而且不知道两毫米是多少，这时就需要电动云台了。

电动云台

电动云台需要加入电机，能实现“控制”，比如设定好路径，让云台上的摄像机自动扫描监视区域；或者远程传递电信号进行控制。

电动云台

想要实现精准控制，需要云台各部分都有完美的设计，从硬件选择、机械设计到电控，每一点都影响着云台的控制，具体的云台控制都有哪些影响因素？

云台电机

云台一般是便携的设备，用电池供电，所以云台电机主要是直流电机。直流电机又可分为无刷直流电机，和有刷直流电机。无刷电机寿命长、维护简单、体积小，而且工作状态稳定，一般作为云台电机的首选。

pitch 轴上的电机

驱动方式

直接驱动

直接驱动是指，电机轴（电机自身的轴）直接连在需要驱动的云台机械结构上，这样云台的响应速度快，动作平滑。

无刷电机直接连接

但是对于大负载的云台，电机性能的要求就会比较高，而且还要考虑每个轴所承载的物体的重心与旋转轴尽量重合，否则导致云台重心不稳，重心不稳的缺点会在下文讲到。

间接驱动

电机轴没有直接连接在被驱动的部分，而是间接传递给云台，通常采用同步带或是减速箱传动。

同时使用舵机和同步带的大负载云台

间接驱动一般能使电机能够输出更大的扭矩，从而拥有更大的负载。例如齿轮减速箱传动，通过公式 P=FV 可以看出，功率 P 一定时，速度 V 越小，力气 F 越大。

但间接驱动避免不了由此产生的齿轮啮合间隙，以及复杂的装配过程。

云台的设计

设计云台时，需要关注云台的重心调节，有人会在云台上绑电机或者绑铁块，这都是为了尽可能平衡云台每个旋转轴的负载。

超稳的云台

如何平衡云台呢？我们先介绍一些概念。

电机可以输出转矩，使机械元件转动。打个比方，你用手拧干湿毛巾的过程，就可以理解为你的手是电机，输出了转矩，而毛巾是机械元件，它产生了扭转变形。

转矩是一种力矩，力矩在物理中的定义是：

力矩=力×力臂

云台通常情况下都是处于静止状态，也就是一种平衡状态，在这个时候存在一个平衡关系：

动力矩=阻力矩

两公式合并：

动力×动力臂=阻力×阻力臂

电机提供动力，而云台上的负载则产生阻力，力臂就是力的作用点到支点的距离。在这里阻力臂就是指云台负载的重心到转轴的距离。

支点相当于转轴

我们设电机的扭矩表达式为：M=2×F×bc/2=Fbc（单匝线圈 F=BIab）。

电机模型

从式子上看出，如果电机的动力臂不变，阻力也近似看成不变，那么阻力臂越大，电机就需要产生更大的力量，才能使云台保持平衡，其实就是杠杆原理。所以，设计时应该尽量减小阻力臂的长度。

如果云台设计不好，一般有两个坏处：

1、损坏电机：如果阻力臂设计得很大，就要通过增大电流来增大力量,这时电机的功率也会增加，导致电机严重发热，甚至烧毁线圈。

2、电控不稳定：云台的控制会对云台进行 PID 调节，而云台的不平衡会导致动作过程中电流值突变，PID 参数也会乱掉，导致云台的剧烈抖动。

超稳的云台相机

要实现丝滑的体验效果，以及一个大写的“稳”，不仅要在结构上的足够优化，还有一套优秀的电控方案。对于双轴云台来说，云台姿态控制可以分解成对两个云台电机角度的控制。

电控的控制

目前控制电机最常用的算法就是 PID，而 PID 是基于反馈的控制器，也就是要检测云台目前的状态，然后告诉云台听，云台才能做出下一步正确的动作，这就需要运动传感器来反馈状态了。

往期回顾：《什么是机器人比赛中的PID控制？》

传感器

需要反馈的运动状态有线位移、角位移（角度）、线速度、角速度、线加速度、角加速度等等。常用传感器有：

1、 电机编码器：它会告诉你相对于底盘来说，电机转了多少圈；

2、 磁力计：类似指南针，会告诉你相对于地面来说，云台转多少圈。但是它会受到磁场干扰，比较不稳定；

3、 陀螺仪：它会告诉你云台的角速度；

4、 加速度计：它会告诉你云台的加速度。

常用的运动传感器 MPU6000 系列内部集成有一个三轴陀螺仪，可以很方便的获取三个方向的角速度。

磁力计→陀螺仪、加速度计、运动处理器→应用处理器

对于云台来说，我们需要控制的是它在空间中的角度（位置），所以需要传感器测量云台角度，及时反馈给云台。（为了取得更好的控制效果，也会测量角速度，将在下文提到。）

角度测量

角度有多种坐标系和测量方式：

1. 通过云台电机编码器获取云台相对于底盘的夹角；

2. 对陀螺仪获取的角速度进行积分，得到相对初始位置的角度；

3. 利用陀螺仪、加速度计、磁力计等传感器数据融合，解算出在地面绝对坐标系中的角度。

RoboMaster 单轴陀螺仪模块

内部有 MCU 对陀螺仪数据做处理

可以直接输出角度值

不同方式的对比

以上各种方法获取的角度信息有各自的优缺点，可以应用在不同的控制模式中。

优缺点对比

按照 PID 控制的思想，我们只反馈了云台的位置（PID 位置环），控制效果很不理想。因为在位置发生偏差后才进行校正，时间滞后较大。于是，我们引入串级控制方法。

串级控制

串级控制有位置环（控制角度）、速度环（控制角速度）和电流环（控制电流）。位置环相当于队长，指挥调节速度环，速度环相当于组长，指挥调节组员电流环，层层压榨，噢不，应该是层层指导。

以 pitch 轴云台为例，串级控制框图如下所示：

串级控制

电机编码器提供位置反馈，MPU6050 提供角速度反馈，形成双环 PID 控制。电流环和 FOC 控制则交给电机驱动板，也就是虚线框里的东西，不需要我们干预。

对三个物理量精准地控制，可以使云台更平稳地到达目标位置，受到干扰的时候尽量保持速度稳定。

其他指标

在调节位置环和速度环 PID 控制器时，我们首先要明确一定的性能指标，例如响应时间、超调量、稳态误差等。这些性能指标很大程度上是受机械结构影响的，例如云台的转动惯量、摩擦力是否均匀、结构刚度等等。

在机械结构确定的情况下，通过调节控制器、优化传感器算法、数据滤波等处理手段，可以提高控制性能。

上图是利用 J-Scope 软件采集 Yaw 轴阶跃响应测试数据，从上到下依次是位置、速度、电流信号。由图片可以看出，云台跟随效果较好，位置的阶跃响应的上升时间大概为 200ms，超调量小于 10%，没有稳态误差。输出电流经过滤波，没有高频振荡，提高了系统稳定性。

◆◆◆

云台很容易让我们联想到工业中的机械臂，它依靠编码器进行高精度控制，实际上云台就是一种机械臂。

机械臂

机械臂

想要实现一个任务, 需要规划机械臂各个关节的运动轨迹，让各关节之间相互配合，来实现这个动作。

例如要实现下图机器人头部的稳定，需要一套复杂的程序，各个关节之间的动作误差也需要很好的相互抵消或者补偿，这对技术水平要求极高。

搭载云台的机器人

工业机械臂一般是用来实现模拟人手抓取、焊接等操作，强度和精度要求都是极高的，如果拿机械臂来做相机云台，那就是大材小用了。

云台应用越来越广泛，技术的成熟不仅给摄影带来了翻天覆地的变化，甚至在飞机上，也有搭载机枪的云台。希望有一天，云台可以深入生活，在更多领域得到应用，为我们带来更多惊喜。

飞机上的云台

本期作者

山东科技大学 屈珅

RoboMaster2017

热爱骑行，偏执的四川辣子

本文来自 RoboMaster 技术智囊团屈珅，文章部分有修改。如果你也希望加入技术智囊团，请通过 robomaster@dji.com 联系我们。

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