用于啟用主動穩(wěn)定攝像機(jī)的指向控制的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及穩(wěn)定系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于照相或視頻相關(guān)的應(yīng)用的改進(jìn)的、重量輕的、手提式或車載的攝像機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在許多應(yīng)用中，希望穩(wěn)定有效負(fù)載使得不受振動和不需要的運(yùn)動的影響。這在電影制作中尤為重要，其中由例如攝像機(jī)操作者引入的任何無意的搖晃或運(yùn)動可以導(dǎo)致觀看不舒服或成幀錯誤的連續(xù)鏡頭。
[0003]被動的穩(wěn)定支架已經(jīng)被用于通過使用諸如彈簧、減震器和平衡塊的機(jī)械系統(tǒng)來減小搖晃并且平滑掉運(yùn)動。然而，這些系統(tǒng)可以被大并笨重的來操作，并且通常需要豐富的經(jīng)驗(yàn)來有效地控制。存在基于軟件的數(shù)字穩(wěn)定以及光學(xué)穩(wěn)定，但是它們通常限于校正微小運(yùn)動。
[0004]正變得越來越普遍的一種技術(shù)是主動穩(wěn)定。目前可用的主動穩(wěn)定系統(tǒng)使用電機(jī)來抵消由運(yùn)動傳感器檢測到的任何運(yùn)動。足夠精確以檢測小的振動的光學(xué)陀螺儀傳感器通常用于這種系統(tǒng)中。然而，光學(xué)陀螺儀傳感器趨向于龐大并且昂貴。
[0005]因此，希望提供一種低成本的、輕便的穩(wěn)定系統(tǒng)，該穩(wěn)定系統(tǒng)可以有效地除去不需要的運(yùn)動，同時也向操作者提供控制和靈活性的等級以輕易和可視地捕捉他們需要的連續(xù)鏡頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]描述的本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種用于使得能夠操縱由主動穩(wěn)定系統(tǒng)(諸如，常平架)響應(yīng)于主動穩(wěn)定系統(tǒng)的操縱構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(諸如，由攝像機(jī)操作者移動的常平架手柄或常平架的部件，其中常平架附接至移動的物體(諸如，車輛)，這可以使得常平架部件經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)移動)主動地穩(wěn)定的攝像機(jī)的指向角的方法和系統(tǒng)。
[0007]在一個實(shí)施方式中，本公開提供了一種用于調(diào)整容納在配置成根據(jù)命令的指向角穩(wěn)定攝像機(jī)的主動穩(wěn)定系統(tǒng)的攝像機(jī)的指向角的方法，該系統(tǒng)包括操縱構(gòu)件，該操縱構(gòu)件圍繞系統(tǒng)的平搖軸、傾斜軸和滾動軸中的一個或更多個是可旋轉(zhuǎn)的，該方法包括:得到與操縱構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動相關(guān)的操縱構(gòu)件的關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果；并且如果關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果超出閾值窗口，則基于得到的關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果在操縱構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方向上調(diào)整攝像機(jī)的指向角。
[0008]在一些示例實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動圍繞垂直軸被解析。
[0009]在一些示例實(shí)施方式中，該方法還包括:如果關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果落在閾值窗口內(nèi)，則根據(jù)命令的指向角主動地穩(wěn)定攝像機(jī)的指向角。
[0010]在一些示例實(shí)施方式中，該方法還包括:如果關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果落在閾值窗口內(nèi)，則由主動穩(wěn)定系統(tǒng)指不指向角鎖定狀態(tài)。
[0011]在一些示例實(shí)施方式中，該指示步驟包括使用主動穩(wěn)定系統(tǒng)的視覺指示器可視地指示并且產(chǎn)生聲音指示器中的一個或更多個。
[0012]在一些示例實(shí)施方式中，該方法還包括更新關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果并且得到用于基于更新的關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果調(diào)整攝像機(jī)的指向角的控制命令。
[0013]在一些示例實(shí)施方式中，更新關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果的步驟包括如果關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果超出閾值窗口則將關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果減小到閾值窗口的閾值。
[0014]在一些示例實(shí)施方式中，更新關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果的步驟包括如果關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果落在閾值窗口內(nèi)則將關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果設(shè)置為O。
[0015]在一些示例實(shí)施方式中，該方法還包括:將強(qiáng)制函數(shù)應(yīng)用于減小的關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果以得到對命令的指向角的增量更新；通過增量更新更新命令的指向角；并且基于更新的命令的角度執(zhí)行穩(wěn)定控制環(huán)路更新以得到用于在操縱構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的方向上與減小的關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果成比例地調(diào)整攝像機(jī)的指向角的控制命令。
[0016]在一些示例實(shí)施方式中，該方法還包括:執(zhí)行基于角度的控制環(huán)路以得到命令的角速率；并且基于更新的關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果和零命令的角執(zhí)行穩(wěn)定控制環(huán)路更新以得到用于調(diào)整指向角的控制命令。
[0017]在一些示例實(shí)施方式中，穩(wěn)定控制環(huán)路更新包括:用于得到命令的傾斜速率的基于角度的外部控制環(huán)路；以及用于得到用于調(diào)整攝像機(jī)的指向角的控制命令的基于攝像機(jī)的命令的速率和當(dāng)前的角速率的基于速率的內(nèi)部控制環(huán)路更新。
[0018]在一些示例實(shí)施方式中，根據(jù)指向角鎖定的觸發(fā)器正被使用，該方法還包括:測量攝像機(jī)的當(dāng)前的指向角；并且存儲測量的攝像機(jī)的指向角作為命令的角度。
[0019]在一些示例實(shí)施方式中，該方法還包括:根據(jù)存儲的命令的指向角主動地穩(wěn)定攝像機(jī)的指向角直到指向鎖定的觸發(fā)器被釋放。
[0020]在一些示例實(shí)施方式中，得到關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果步驟包括:從針對平搖軸、傾斜軸和滾動軸中的一個的致動器的解析器獲得針對平搖軸、傾斜軸和滾動軸中的一個的關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果。
[0021 ] 在一些示例實(shí)施方式中，針對平搖軸、傾斜軸和滾動軸中的一個執(zhí)行該方法。
[0022]在一些示例實(shí)施方式中，針對平搖軸、傾斜軸和滾動軸中的一個執(zhí)行該方法；并且針對一個軸調(diào)整攝像機(jī)的指向角。
[0023]在一些示例實(shí)施方式中，根據(jù)一個或更多個攝像機(jī)的當(dāng)前指向角和系統(tǒng)的指向角基于以下各項(xiàng)中的一個來得到關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果:(I)針對對應(yīng)于平搖軸、傾斜軸和滾動軸中的一個的軸的關(guān)節(jié)角；(2)針對不同于平搖軸、傾斜軸和滾動軸中的一個的軸的關(guān)節(jié)角；以及(3)針對平搖軸、傾斜軸和滾動軸的兩個或更多個關(guān)節(jié)角。
[0024]在一些示例實(shí)施方式中，該方法還包括:如果新的關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果低于閾值窗口，則停止調(diào)整攝像機(jī)的指向角。
[0025]在一些示例實(shí)施方式中，得到關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果的步驟包括:由安裝在攝像機(jī)上的第一慣性測量單元測量第一角度；由位于常平架的中間位置處的第二慣性測量單元測量第二角度以得到第二測量結(jié)果；并且基于第一角度和第二角度得到關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果。
[0026]在一些示例實(shí)施方式中，得到關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果的步驟包括:測量針對平搖軸、傾斜軸和滾動軸中的兩個或更多個的關(guān)節(jié)角度；并且基于兩個或更多個測量的關(guān)節(jié)角度得到關(guān)節(jié)角度測量結(jié)果。
[0027]在一些示例實(shí)施方式中，提供了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個或更多個處理器，并且存儲器包括當(dāng)被一個或更多個處理器執(zhí)行時使得系統(tǒng)執(zhí)行上述的任何方法的指令。
[0028]在一些示例實(shí)施方式中，提供了一種非暫時計算機(jī)可讀介質(zhì)，該介質(zhì)存儲用于使得處理器執(zhí)行上述的任何方法的程序指令。
[0029]在另一個實(shí)施方式中，本公開提供了一種用于調(diào)整由系統(tǒng)容納的攝像機(jī)的指向角的主動穩(wěn)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置成根據(jù)命令的指向角穩(wěn)定攝像機(jī)，該系統(tǒng)包括:用于支撐攝像機(jī)的支撐構(gòu)件、可圍繞主動穩(wěn)定系統(tǒng)的平搖軸、傾斜軸和滾動軸中的一個或更多個旋轉(zhuǎn)的操縱構(gòu)件；慣性測量單元，被配置成測量攝像機(jī)的指向角和角速率，慣性測量單元被安裝在攝像機(jī)上；以及主動穩(wěn)定控制器，被配置成使用由慣性測量單元提供的測量結(jié)果針對平搖軸、傾斜軸和滾動軸中的一個或更多個執(zhí)行任意的上述方法。
[0030]在一些示例實(shí)施方式中，該系統(tǒng)還包括:安裝在系統(tǒng)的框架上并且配置成測量操縱構(gòu)件的指向角的第二慣性測量單元，其中，主動穩(wěn)定控制器還被配置成當(dāng)根據(jù)任意的上述方法執(zhí)行方法時使用由安裝慣性測量單元和第二慣性測量單元的攝像機(jī)提供的測量結(jié)果O
[0031]在一些示例實(shí)施方式中，主動穩(wěn)定系統(tǒng)還包括用于指示攝像機(jī)的指向角何時被鎖定的指示器。
[0032]在一些示例實(shí)施方式中，該系統(tǒng)還被配置成允許攝像機(jī)操作者能夠根據(jù)任意的上述方法針對所選擇的平搖軸、傾斜軸和滾動軸中的一個或更多個執(zhí)行方法。
【附圖說明】
[0033]現(xiàn)在將參照附圖來詳細(xì)地描述本提出的方法的示例，其中:
[0034]圖1示出根據(jù)一些實(shí)施方式的用于實(shí)施根據(jù)本公開的穩(wěn)定技術(shù)的3軸穩(wěn)定系統(tǒng)的立體圖；
[0035]圖2是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的3軸穩(wěn)定系統(tǒng)的頂層元件的附接的流程圖；
[0036]圖3是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的單軸穩(wěn)定系統(tǒng)的控制元件的流程圖；
[0037]圖4是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的基本慣性測量單元(MU)的元件的流程圖；
[0038]圖5是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的增強(qiáng)的IMU的元件的流程圖；
[0039]圖6是根據(jù)一些實(shí)施方式的針對直流(DC)電機(jī)的功率控制的原理圖；
[0040]圖7是根據(jù)一些實(shí)施方式的無刷的DC電機(jī)的增強(qiáng)的功率控制的原理圖；
[0041]圖8是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的姿態(tài)控制環(huán)路的流程圖；
[0042]圖9是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的增強(qiáng)的姿態(tài)控制環(huán)路的流程圖；
[0043]圖10是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有輸入機(jī)制的姿態(tài)控制環(huán)路的流程圖；
[0044]圖11示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的控制穩(wěn)定系統(tǒng)的兩種方法之間的穩(wěn)定性能的比較；
[0045]圖12示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的用于修改輸入命令的加速度濾波器；
[0046]圖13是根據(jù)一些實(shí)施方式的在用于穩(wěn)定穩(wěn)定系統(tǒng)的控制環(huán)路中的元件的詳細(xì)的流程圖；
[0047]圖14是根據(jù)一些實(shí)施方式的用于控制攝像機(jī)的指向角的單軸穩(wěn)定控制器的流程圖；
[0048]圖15是根據(jù)一些實(shí)施方式的具有窗口閾值以便通過旋轉(zhuǎn)主動穩(wěn)定系統(tǒng)的操縱構(gòu)件能夠操縱攝像機(jī)的單軸控制器的流程圖；
[0049]圖16是根據(jù)一些實(shí)施方式的具有強(qiáng)制函數(shù)以便通過旋轉(zhuǎn)主動穩(wěn)定系統(tǒng)的操縱構(gòu)件能夠操縱攝像機(jī)的單軸控制器的流程圖；
[0050]圖17示出了描繪將基于+/-20度的閾值窗口的示例強(qiáng)制函數(shù)同基于相同的閾值窗口的階躍函數(shù)相比的曲線圖；
[0051]圖18示出了根據(jù)示例情景比較系統(tǒng)的世界角度(world angle)、沒有閾值窗口的示例強(qiáng)制函數(shù)、攝像機(jī)的指向角和關(guān)節(jié)角的變化的曲線圖；
[0052]圖19示出了根據(jù)圖18的示例情景比較系統(tǒng)的世界角度、基于+/-10度的閾值窗口的示例強(qiáng)制函數(shù)、攝像機(jī)的指向角和關(guān)節(jié)角的變化的曲線圖；
[0053]圖20是根據(jù)一些實(shí)施方式的能夠在處于操縱模式的同時鎖定攝像機(jī)的指向角的單軸控制器的流程圖；
[0054]圖21是根據(jù)一些實(shí)施方式的使用兩個慣性測量單元以啟用操縱模式的單軸控制器的流程圖；
[0055]圖22是根據(jù)一些實(shí)施方式的用于響應(yīng)于操縱常平架構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來調(diào)整主動穩(wěn)定攝像機(jī)的指向角的方法的流程圖；
[0056]圖23是根據(jù)一些實(shí)施方式的用于響應(yīng)于操縱常平架構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來調(diào)整主動穩(wěn)定攝像機(jī)的指向角和用于鎖定攝像機(jī)的指向角的方法的流程圖；
[0057]圖24是根據(jù)一些實(shí)施方式的用于響應(yīng)于操縱常平架構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、使用強(qiáng)制函數(shù)來調(diào)整主動穩(wěn)定攝像機(jī)的指向角的方法的流程圖；
[0058]圖25是根據(jù)一些實(shí)施方式的用于響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)來調(diào)整主動穩(wěn)定攝像機(jī)的指向角的方法的流程圖；并且
[0059]圖26是根據(jù)一些實(shí)施方式的用于啟用速率模式的單軸控制器的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0060]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的3軸攝像機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)100，也被稱為常平架(gimbal)。系統(tǒng)100包括支撐基座110，支撐框架112被附接至該支撐基座100以通過操作者手動支撐和操作。兩個手柄113被附接至支撐基座110的兩側(cè)中的一側(cè)上的支撐框架112，以允許常平架100的兩手握持操作并且對常平架100的運(yùn)動全部控制。輔助框架111被附接至支撐基座110并且可以被用于將整個系統(tǒng)100附接至車輛或其它支撐物或底座。輔助框架111也可以被用作由操作者單手操作的手柄。此外，外圍設(shè)備可以被附接至輔助框架111。
[0061]示出的系統(tǒng)100配備有三個電機(jī):平搖軸電機(jī)120、傾斜軸電機(jī)140和滾動軸電機(jī)130。這些電機(jī)可以在圍繞如分別由箭頭121、131和141所示的裝配的平搖軸線122、傾斜軸線142和滾動軸線132中的一個方向上提供旋轉(zhuǎn)輸入。三個電機(jī)120、130和140當(dāng)一起工作時，允許常平架100內(nèi)的有效負(fù)載的全范圍的運(yùn)動。具體地，平搖軸電機(jī)120被固定(附接、或另外永久地縛住、或是可移除的)至支撐基座110并且被配置(構(gòu)造、設(shè)計等)成旋轉(zhuǎn)容納有滾動軸電機(jī)120的結(jié)構(gòu)。滾動軸電機(jī)120轉(zhuǎn)而被配置成旋轉(zhuǎn)容納有被配置成旋轉(zhuǎn)有效負(fù)載的傾斜軸電機(jī)140的結(jié)構(gòu)。
[0062]在示出的系統(tǒng)100中，滾動軸電機(jī)130旋轉(zhuǎn)水平構(gòu)件136和137被附接至的滾動橫梁135。傾斜軸電機(jī)140被附接至一個水平構(gòu)件137并且它的相反樞軸145被附接至其它水平構(gòu)件136。傾斜軸電機(jī)140和相反樞軸145沿著附接至下管146的橫向構(gòu)件147旋轉(zhuǎn)下管146，從而旋轉(zhuǎn)附接至橫向構(gòu)件147的有效負(fù)載。
[0063]有效負(fù)載將通常是通過攝像機(jī)安裝布置150安裝至系統(tǒng)的攝像機(jī)。攝像機(jī)安裝布置150通常是限定了用于與攝像機(jī)的安裝部分上的相應(yīng)凹槽接合的一個或更多個突出物的臺板、“鞋狀物”等的形式。然而，可以提供各種聯(lián)接、接合、和/或固定以便將攝像機(jī)固定到安裝布置150，包括但不限于螺紋、夾子、滑動和鎖定機(jī)制等(未示出)。
[0064]三個正交軸線122、132和142的交叉點(diǎn)152優(yōu)選地保持通常固定，而與三個電機(jī)120、130和140中的任一個的旋轉(zhuǎn)無關(guān)。為了安裝在穩(wěn)定系統(tǒng)100中的攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)“被動的穩(wěn)定性”，隨不同的攝像機(jī)設(shè)計而變化的攝像機(jī)的重心(COG)應(yīng)當(dāng)位于或盡可能接近三個正交軸122、132和142交叉的點(diǎn)152。
[0065]通過將攝像機(jī)COG放置在交叉點(diǎn)152，由系統(tǒng)的橫向加速度干擾施加于攝像機(jī)的轉(zhuǎn)矩被減小或者甚至消除。此外，雖然在旋轉(zhuǎn)軸處有摩擦力，但是有效負(fù)載的慣性本身趨向于使得有效負(fù)載保持指向方向。通過將這些或一些其它形式的被動穩(wěn)定合并到系統(tǒng)100的布置中，主動穩(wěn)定的功耗被保持最低，尤其是當(dāng)不在運(yùn)動中時。
[0066]在穩(wěn)定系統(tǒng)100中提供了調(diào)整方法，以便調(diào)整安裝至安裝布置150的攝像機(jī)的C0G。例如，在圖1中，安裝布置150被配置成能夠?qū)崿F(xiàn)相對于每個正交軸安裝的攝像機(jī)的重新定位。相對于一軸線為安裝到安裝布置150的攝像機(jī)的COG定心將致使攝像機(jī)相對于該軸線“平衡”。換言之，攝像機(jī)COG將處于相對于該軸的中性點(diǎn)，優(yōu)選地位于該軸上或位于該軸的水平或垂直平面上。沿著每個正交軸為攝像機(jī)的COG定心將提供平衡的攝像機(jī)。
[0067]圖1僅描述了適于執(zhí)行在本公開中描述的穩(wěn)定技術(shù)的常平架結(jié)構(gòu)的示例。支撐結(jié)構(gòu)和致動器以及它們的布置在不同的實(shí)施方式之間有所變化，并且可以隨例如常平架組件的預(yù)期用途而變化。例如，支撐結(jié)構(gòu)布置可以被改變以阻止在特定方向上有效負(fù)載的視野的可能阻礙，適應(yīng)于調(diào)整更大或更小的有效負(fù)載等。
[0068]圖2是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的3軸常平架結(jié)構(gòu)的頂層元件如何被鏈接在一起的流程圖。支撐基座200支撐常平架結(jié)構(gòu)的其余部分，并且可以被安裝至車輛、固定的結(jié)構(gòu)或由攝像機(jī)操作者手持。支撐基座200使得整個常平架結(jié)構(gòu)在拍攝期間能夠被移動至不同的位置，同時允許常平架結(jié)構(gòu)的其它部件獨(dú)立于移動的支撐基座200而旋轉(zhuǎn)。當(dāng)攝像機(jī)在拍攝一個場景的同時正被移動時，這種布置特別有用。
[0069]在圖2的常平架結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施方式中，支撐基座200被連接至平搖軸結(jié)構(gòu)211，該平搖軸結(jié)構(gòu)211容納用于關(guān)于平搖軸旋轉(zhuǎn)常平架結(jié)構(gòu)的其余部分的平搖軸致動器212。關(guān)于平搖軸的旋轉(zhuǎn)(“搖鏡頭”)是關(guān)于垂直軸并且在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。在本文公開的系統(tǒng)中，相對于常平架結(jié)構(gòu)描述平搖旋轉(zhuǎn)。
[0070]平搖軸致動器212被連接至滾動軸結(jié)構(gòu)221，以啟用滾動軸結(jié)構(gòu)221的平搖旋轉(zhuǎn)。滾動軸結(jié)構(gòu)221容納用于關(guān)于滾動軸旋轉(zhuǎn)常平架結(jié)構(gòu)的其余部分的滾動軸致動器222。關(guān)于滾動軸的旋轉(zhuǎn)(“滾動”)是關(guān)于相對于常平架結(jié)構(gòu)向前方指向的軸的旋轉(zhuǎn)，并且通常被用于旋轉(zhuǎn)地平線。
[0071]滾動軸致動器222被連接至傾斜軸結(jié)構(gòu)231，以啟用傾斜軸結(jié)構(gòu)231的滾動旋轉(zhuǎn)。傾斜軸結(jié)構(gòu)231可以容納用于關(guān)于傾斜軸旋轉(zhuǎn)常平架結(jié)構(gòu)的其余部分的傾斜軸致動器232。關(guān)于傾斜軸的旋轉(zhuǎn)(“傾斜”)是關(guān)于跨過(左到右)常平架結(jié)構(gòu)水平運(yùn)轉(zhuǎn)的軸的旋轉(zhuǎn)，因此允許相對于常平架結(jié)構(gòu)上下旋轉(zhuǎn)。
[0072]致動器212、222和232以及支撐結(jié)構(gòu)211、221和231被串聯(lián)連接至有效負(fù)載240。因此，由這些致動器中的每個進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致有效負(fù)載240的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，從而允許在常平架結(jié)構(gòu)內(nèi)的有效負(fù)載240的旋轉(zhuǎn)的完全控制。有