高稳定性云台思路分析（含Z15，老外仿Z15，CS，步进,斯坦尼康）

liuzhong · 发表于 2013-1-9 23:03

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。

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。

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：

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）.

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。

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。

我爱远行 · 发表于 2013-7-4 19:48

新人学习，先顶后看，回复是一种美德。

xiangzi1260 · 发表于 2013-7-3 13:39

学习了

Dragonboy · 发表于 2013-7-3 03:34

专业呀，认真学习了

Caballer · 发表于 2013-7-3 00:43

不错
受教

LDYW · 发表于 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

625468960 · 发表于 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

yklee · 发表于 2013-3-29 19:58

好帖！现在这样的技术贴越来越少了

whdlyq · 发表于 2013-3-27 16:01

分析得很好专家的感觉

radiochen · 发表于 2013-3-27 00:13

很好的帖子，学到不少的知识

sz_works · 发表于 2013-3-25 15:50

mark机体很稳定

junli8250 · 发表于 2013-2-2 11:28

好贴,,学习学习

kingofpop · 发表于 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。

摩天轮1111 · 发表于 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

太和盛世 · 发表于 2013-1-27 00:18

感谢楼主。最近在学习云台

chenaitu · 发表于 2013-1-24 19:19

难得好帖子强力顶

冬日之雪 · 发表于 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？

天穹 · 发表于 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！

望三 · 发表于 2013-1-14 10:18

archfly · 发表于 2013-1-14 08:51

不错，收藏

高稳定性云台思路分析（含Z15，老外仿Z15，CS，步进,斯坦尼康）

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