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标题: 高稳定性云台思路分析（含Z15，老外仿Z15，CS，步进,斯坦尼康） [打印本页]

作者: liuzhong 时间: 2013-1-9 23:03
标题: 高稳定性云台思路分析（含Z15，老外仿Z15，CS，步进,斯坦尼康）
本人只是航模爱好者，非专业人士，非厂家和商家，欢迎大家探讨。（图片来自网络，如有冒犯请谅解，我将删除之）

首先表达这样一个前提：无论多么敏感的陀螺，多么快的解算速度，都不可能赶的上机架本身的晃动角速度，延时不可避免，只能缩短。因此，提高增稳云台的增稳效果有两条路，要么进一步提高陀螺-控制器-驱动的反应速度，要么，将机架本身的晃动角速度进一步减低。
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更大更重的机架

前一条路的代表是步进云台，更快的速度，更强大的驱动系统，对抗不可预知的晃动。后一条路是更大更重的机架，或者干脆将云台系统独立出来，使其不受或者少受机架晃动的影响，也就是斯坦尼康结构。两者都具有优与常规增稳云台（陀螺-控制器-舵机系统）的效果。步进云台具有通用性强的优点，而斯坦尼康系统对重心和重量非常敏感，需要大量的调整，调整好后效果也不错。
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步进云台                                                    斯坦尼康机架

但无论哪种方式，都没有达到高稳定度的境界，而目前做到这点的仅仅只有Z15云台。还有近期出现的老外仿Z15云台（根据视频，老外的仿Z15稳定度比DJI略差，且只有2轴增稳）相关链接： http://bbs.5imx.com/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=708040&extra=page%3D1&page=1 下面对这个神奇的云台进行一点简单的分析：
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回到上面的思路，要么提高系统反应速度，要么使机架更稳，Z15的系统确实在提高系统反应速度上下了不少功夫，另外，Z15云台实际上是一个变形了的斯坦尼康系统。
玩过Z15的都知道，在不通电情况下，Z15是极其顺滑的，怎么扒怎么转，如果调整好（Z15的摄像机位置需要严格的调整，使重心在3个转动轴的交点上。因此Z15采用了严格限制摄像设备的方法，简化了用户对设备安装位置的调整）当摄像机停在什么姿势上，就保持这姿势不再转动，此时就算晃动机架，摄像机的指向也只会慵懒的偏移，因为摄像机本身就是一个在角度量上独立于机架的系统（斯坦尼康）。

下面通过对比普通云台（步进云台原理相同）和Z15云台在机架晃动发生时的反应：

普通云台（开环系统-陀螺在机架或是云台上）：
                                             陀螺检测到偏移---------------------解算并向舵机发出信号----------------------------舵机动作
机架晃动给出一个角速度-云台角速度<                                                                                                                      ↓
                                             舵机维持自身角度--------带动摄像机随云台一起偏移---------舵机收到来自控制器的信号，开始动作------摄像机指向修正--------达到指定位置修正停止

普通云台（闭环系统-陀螺与摄像机固定在一起）：

机架晃动给出一个角速度---------------云台角速度-------------摄像机相对静止----------------舵机维持自身角度-------------带动摄像机随云台一起偏移--------陀螺检测到偏移----解算并向舵机发出信号-----舵机收到来自控制器的信号，对比电位器位置，开始动作---摄像机指向修正-------达到指定位置
      ↑                                                                                                                                     ↓
   ---------------------------------------------------------------------------------------------------

步进云台的修正过程类似，只是没有舵机内部比对电位器位置再动作的过程，步进电机配合驱动器有自锁能力，驱动器记忆步数对应位置（不丢步的前提下）动作的大小和速度严格受控，反应迅速，扭力大，无电位器可能造成的漂移。

开环系统相比闭环系统有更快的反应速度，闭环系统若处理不当可能会有震荡问题。

因为系统的修正总是延时的，当晃动越剧烈，也就是角速度越大，在指向修正前偏移的角度也就越大，晃动越明显。如果晃动的角速度很小，则反之，增稳后效果明显

Z15云台（确认为闭环控制系统，但非完全闭环，有接受来自飞控的机架位置信号）老外的仿Z15云台（闭环，只检测摄像机位置信号，无机架位置信号检测）.
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老外的仿Z15接线

机架晃动给出一个角速度--------云台角速度--------摄像机相对静止-------摄像机偏移-------陀螺检测到偏移-------解算并向驱动系统发出信号------驱动系统动作-摄像机修正（闭环控制见普通云台闭环系统，这里省略）---------达到指定位置

通过对比，可以发现Z15与普通的闭环控制云台并没有太大不同，其区别在于云台的驱动部分没有自锁力矩，也几乎没有阻尼，只要摄像机指向不变，无论机架怎么晃动，都不会去驱动摄像机运动。而普通云台和步进云台在未收到修正信号前，都会锁定自己的位置，也就是带动摄像机的指向一起动，收到信号后才修正回来。

结合之前的分析，Z15精确的调整重心的位置使得机架的晃动对摄像机影响甚小，驱动部分在未收到修正指令前不会动作并干涉摄像机，摄像机自身缓慢的偏转速度给系统足够的时间修正而不被肉眼发觉明显的晃动。当然，系统高反应速度，精确的传感器，优秀的算法也是必须的。

CS云台在外表上看起来比较普通，但配合CS的机架仍有不错的效果，一方面CS机架本身确实有较高的稳定度，另一方面，虽然不知道CS云台所采用的舵机种类，但从公开的CS云台调整资料，其对摄像机位置要求较高，调整方式同Z15，驱动系统阻力很小，可能采用类似Z15的驱动方式，但为开环或半开环结构。
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因此，高稳定度云台的要求并非只是在修正速度上与机架的晃动赛跑，因为这个比赛永远也跑不赢，将机架的晃动与摄像机隔离，才是有效的解决方法。

老外的仿Z15云台就是很好的例子，采用闭环控制系统的无刷电机直驱加上精细调整的重心。另外一个廉价的高稳定度解决方案，就是斯坦尼康机架配合独立的增稳云台，斯坦尼康系统过滤来自机架的高速晃动，使其缓慢柔和，增稳云台再进行最后的修正，需要注意的是这样的组合存在震荡的可能。

作者: njzcwn 时间: 2013-1-9 23:19
楼主分析的太好了

作者: yxlcc 时间: 2013-1-9 23:23
分析有点意思。

作者: ly4328887 时间: 2013-1-9 23:34
研究一下

作者: Dukeczn 时间: 2013-1-9 23:51
不错，期待成品

作者: seanshuai 时间: 2013-1-9 23:55
好思路感谢楼主

作者: hifiafrica 时间: 2013-1-10 00:01
步进也罢，舵机也罢。其实都是伺服机构而已。

从伺服机构来看，最重要的就是机构的输出功率。z15目前使用了是一个外转子的三相交流伺服，其实就是个高效率无刷电机，但是带高精度的数码盘位置反馈，输出功率大概有几十W，记得有次看坛上转载信息显示，z15电机的输出功率有70W左右，这个目前讲很高。

步进电机的优势是不需要数码盘反馈，但是输出功率都很小，所以你看目前有些步进电机的云台，电机个头不小。当然TAOBAO上有些带位置反馈的步进电机，其实更接近三相交流伺服了，只是驱动器是特制的。

舵机的输出功率不上不下，现在一个高压舵机的输出功率也可以到20W左右，这个看起来比较尴尬。

所以现在有山寨的一些云台用无刷电机，这样输出功率大，使用专用控制器后，也可以做到一定精度的位置控制。

z15最大的问题是输出功率如此巨大的前提下，控制的重量却很小，为了解决一些技术难题，旋转重心和机械转轴完全重合等等，导致云台重量居高不下。

Z15的模式很难扩大控制更重的相机，那样水涨船高，普通直机或者多轴都无法搞定。所以DJI目前在整Gopro的云台。

Z15正因为反应速度太快，所以功率大而载重小。但其实真正的航拍需要这么快速度吗，这个是可以商榷的，有些舵机减速的云台同样拍的很好，说明只要机子本身调试过关，减震到位，不需要那么高的反应速度。

亚托最新云台就是普通舵机减速，说这个云台完全不成显然就有点扯了。

Z15为了追求很高的机械反应速度，牺牲了很多其他特性，看着很炫，其实完全没有必要。没有任何机器航拍时需要那么高的反应速度的，航拍基本还是角度不变或者缓慢变化的的拍摄，只要你机械调整到位，震动过滤干净。。。。。。

反过来说，Z15的速度再快，也不可能和机械震动的频率比，这也就是某些Z15表现很好，某些Z15表现狗屎一样。

说到底，云台只是飞行器的一部分，你飞行器的调整没过关，再好的云台都是白搭。

作者: tibhar 时间: 2013-1-10 00:11
分析的不错！

作者: zuiaimoxing 时间: 2013-1-10 00:21
学习学习！

作者: ljkvn 时间: 2013-1-10 00:26
无刷电机云台估计是2013年的新玩物了

作者: 栋栋 时间: 2013-1-10 00:39
老外的只能说可以做，但是Z15的姿态环并不在托盘上，而在WKM 或者ACE ONE 的IMU里。

作者: cqhxgk 时间: 2013-1-10 00:53
精辟

作者: mrdgchen 时间: 2013-1-10 01:07
还是得弄合适的啊。。

作者: 老鬼 时间: 2013-1-10 01:11
有深度!过瘾!

作者: ttc 时间: 2013-1-10 05:06
LZ继续

作者: 戒不掉的爱2011 时间: 2013-1-10 08:09

作者: dxf520 时间: 2013-1-10 10:36
其实现在测试的所有步进云台，都是用的伺服系统了。

作者: scottzijiezhang 时间: 2013-1-10 11:31
同一楼主，觉得中心中心真的的很重要，角动量决定了效率啊

作者: liuzhong 时间: 2013-1-10 13:47
本帖最后由 liuzhong 于 2013-1-10 13:50 编辑

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cinestar 云台个人喜欢这个超过Z15，外置电位器，开环系统，也可以闭环，看用怎样的控制器。国内有很多人在仿造这个了，已经出了成品，实际效果不明。
此云台对机架稳定性要求较高，高速通场时可以看出晃动，不过完全可以通过后期修正，其挂载能力强，可以挂多种机器。在这点上Z15无法与其相比，不过Z15可以做到完全不用后期增稳，这点对普通用户是很有吸引力的。

其实关于增稳云台，有个误区就是对航拍有需求的客户（甲方，不是航拍方）看的是最终效果，交到其手上的片子好就行，至于这个航拍过程怎么折腾，他是不管的。从这点上看，当云台的稳定度达到一定程度后，素材的原片通过后期增稳处理已经非常漂亮了，那么这个航拍业务就算成了。当客户对素材提出更高要求后，挂载能力差的云台无法上更好的机器，再稳也达不到客户要求。特别是有些客户出于对面子或者习惯的考虑，对微单这类设备看不上眼......

作者: liuzhong 时间: 2013-1-10 13:57
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比利时的flying-cam

其云台增稳修正速度非常慢，但其机体很稳定，其秘密在于旋翼头，另外其可以挂载胶片机，对这机器客户基本无话可说，当然，价格也是按起落数算的，请得起的都是大户。

作者: 达闻西密码 时间: 2013-1-10 15:18
一句话，调好你的飞行器吧。

作者: scyscy 时间: 2013-1-10 20:46

作者: mihaobo 时间: 2013-1-10 22:21

hifiafrica 发表于 2013-1-10 00:01
步进也罢，舵机也罢。其实都是伺服机构而已。

从伺服机构来看，最重要的就是机构的输出功率。z15目前使用 ...

有深度！

作者: m92fs 时间: 2013-1-11 08:53
论坛就需要这样的好贴！

作者: 模界二郎神 时间: 2013-1-11 17:54
好帖子，顶起来

作者: kt2002 时间: 2013-1-12 12:40
必须顶

作者: XIEYUNFENG 时间: 2013-1-12 17:52
帮顶

作者: 小哥哥 时间: 2013-1-12 17:56
謝謝分享

作者: 冬日之雪 时间: 2013-1-13 13:43
你好，我想请教下，小厮机架我也有，但有个问题一直不明白，就是为什么要飞控云台输出给陀螺然后输出给舵机，陀螺在中间起到什么作用呢？当做一个电子阻尼器？还是作为一个闭环IMU在使用？

作者: 极速龙 时间: 2013-1-13 20:43

hifiafrica 发表于 2013-1-10 00:01
步进也罢，舵机也罢。其实都是伺服机构而已。

从伺服机构来看，最重要的就是机构的输出功率。z15目前使用 ...

非常赞同你所说的：“云台只是飞行器的一部分，你飞行器的调整没过关，再好的云台都是白搭”。不过亚托开发的是用于直升机的云台，多轴飞行器所产生的晃动或者说震动同直升机是不同的。众所周知，因为结构关系，直升机的运动是靠机械结构来完成的。而多轴飞行器靠的是电动机的转速差来完成。因此，当多轴飞行器需要稳定因外界因素而产生的干扰时其本身给予的修正后会同时产生了不稳定状态。比如四轴飞行器如果在稳定高度的状态下悬停。如果一个方向来风的话如果电机修正，那其机架必定会不稳定。因为只有4个电机，既需要修正又需要维持高度和方位对于只有四个电机的飞行器来说非常难。所以，电机越多的多轴飞行器越是稳定。所以才会产生了Z15这个专门针对多轴飞行器的云台。但是相反的，如果将亚托那样的的直升机云台用于多轴飞行器上，就很难达到像Z15这样的效果。
其次，我们可以把云台增稳看成一种“被动增稳”，因为任何飞行器不可能达到完全的稳定悬停。所以当陀螺仪检测出来机架的晃动或者说倾斜时，便给予执行机构指令来消除机架产生的倾斜或晃动。但是相机的位置并不是安装于机架中间，（多数都安装在机架的底部或者前部）。因此，如果相机离机架越是远，飞机所产生的倾斜越是会被放大。因此，小弟估计Z15之所以要同DJI自家的飞控系统连接才能使用其一就是因为会产生这个“倾斜角度差”。（当然也有其自身的商业目的）。总之，这是一个非常高深的课题，需要牵涉到许许多多的方面。以上这些只是我自己摸索感觉出来的。不对的地方欢迎指正！

作者: 468357 时间: 2013-1-14 03:12
楼主神帖！我没玩过云台，最近看到俄罗斯佬的仿ZI5，自己也做了个类似的驱动板，起初追求快速响应，360hz的陀螺检测，开环下速度确实很快，但是始终一卡一卡的（youtu be上看到个老外测试从500到1Khz的陀螺仪速度都是一样卡），后来我加了阻尼好了很多。现在把传感器移到相机上，加了PID始终更卡。一直纠结着是陀螺仪速度不够，还是驱动或者PID还是电机本身有问题。这几天不断反复看了哦螺丝老的视频，才注意到他们的电机控制和我的表现有很大不同，比如轻易压到一个角度然后很缓慢的回中，还有他们的云台都在不通电的情况先测试过CG，我才注意到我的2根铝管随便搭的云台可能重心有问题。。。然后看到楼主的帖子今晚可以安心睡觉了：）

作者: archfly 时间: 2013-1-14 08:50
收藏了细细看

作者: archfly 时间: 2013-1-14 08:51
不错，收藏

作者: 望三 时间: 2013-1-14 10:18

作者: 天穹 时间: 2013-1-14 13:15
技术贴要顶！
个人认为航拍增稳会向两个方向发展，以后云台以机械增稳为主，辅助以电子增稳，这样可能反应速度会大大提高；或者改进摄相机，让它的镜头本身就有自稳能力，这样就不用云台了！

作者: 冬日之雪 时间: 2013-1-19 13:30
小厮上飞控云台输出在接陀螺起到的是什么作用，陀螺起到什么作用，还有，相机为350克内的云台重量为360克，用3.5公斤的数字舵机在加350克的阻尼器够吗？

作者: chenaitu 时间: 2013-1-24 19:19
难得好帖子强力顶

作者: 太和盛世 时间: 2013-1-27 00:18
感谢楼主。最近在学习云台

作者: 摩天轮1111 时间: 2013-1-27 02:00
cs一样是闭环，和无刷云台对比就是一个是6050做闭环一个是电位器做闭环，就按一般的舵机说起来还是可以认为是闭环呢，舵机里面一样有电位器，只是这个东西放到哪个环节上了，这个闭环是从哪开始闭的了，到是有一点我赞成，把机体的振动和云台隔开

作者: kingofpop 时间: 2013-1-27 08:06
好帖子。学到了很多东西。顶下cinestar，准备入这个云台哦。

作者: junli8250 时间: 2013-2-2 11:28
好贴,,学习学习

作者: sz_works 时间: 2013-3-25 15:50
mark机体很稳定

作者: radiochen 时间: 2013-3-27 00:13
很好的帖子，学到不少的知识

作者: whdlyq 时间: 2013-3-27 16:01
分析得很好专家的感觉

作者: yklee 时间: 2013-3-29 19:58
好帖！现在这样的技术贴越来越少了

作者: 625468960 时间: 2013-3-29 21:30
很好的教材，要是以后有廉价的无刷云台出来就好了

作者: LDYW 时间: 2013-7-2 17:17

hifiafrica 发表于 2013-1-10 00:01
步进也罢，舵机也罢。其实都是伺服机构而已。

从伺服机构来看，最重要的就是机构的输出功率。z15目前使用 ...

你说的太好了

真想给你掌声呀！！！交个朋友

作者: Caballer 时间: 2013-7-3 00:43
不错
受教

作者: Dragonboy 时间: 2013-7-3 03:34
专业呀，认真学习了

作者: xiangzi1260 时间: 2013-7-3 13:39

学习了

作者: 我爱远行 时间: 2013-7-4 19:48
新人学习，先顶后看，回复是一种美德。

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