Как устроены подвесы со стабилизацией на квадрокоптерах DJI?

Даже если вы не планируете заниматься аэросъемкой на серьезном уровне, создавать карты в формате 3D или заниматься такими вещами, как исследования с помощью лазерного дальномера (Lidar) и создание изображений определенных объектов с помощью датчиков, вам, как будущему коптероводу наверняка будет интересно узнать, как работает съемочная система на дронах компании DJI, а в особенности как устроена и функционирует ее знаменитая система стабилизации на подвесах для воздушных камер.

Без работающей технологии стабилизации DJI даже любительская воздушная съемка не принесет большого удовольствия из-за потери качества, ведь летающая камера снимает в более экстремальных условиях, чем наземная. Что уж говорить про решение комплексных задач профессионального порядка, когда требуется предельно высокое качество, детализированность и плавность кадров. Современные системы стабилизации должны идти в ногу с инновациями в области беспилотных летательных аппаратов и быть совместимыми с ключевыми компонентами, например, полетным контроллером, чтобы функционировать эффективно и адекватно ситуации.   

Неважно, будете ли в будущем серьезно заниматься воздушной кинематографией или профессиональными съемками, небольшой обзор – введение в конструкцию систем стабилизации DJI поможет вам лучше понимать работу своей летающей камеры, даже если она относится к любительскому классу. В конечном счете, кто знает, может быть вам захочется чего-то более серьезного, чем съемки для своего аккаунта в Facebook/Вконтакте или личного видеоблога. И этот обзор поможет вам правильно выбрать лучший подвес для воздушной камеры. Наконец, вы сами начнете понимать, как работает вся система и научитесь устранять возникающие проблемы.

Помимо таких важных вещей, как 3-осевые бесколлекторные двигатели, блоки управления подвесом (GCU), инерциальный измерительный блок (IMU) и антивибрационные системы, вы узнаете еще много полезного для своей будущей работы с воздушной камерой.

Для чего предназначены системы стабилизации воздушной съемки?

Основная задача подвеса с системой стабилизации, устанавливаемого на квадрокоптер, дать оператору (пилоту) возможность фотографировать или снимать видео без влияния на качество кадров вибрации или дрожания камеры. Внешние воздействия на съемочную систему возникают в ходе маневров дрона в воздухе, из-за работы двигателей и пропеллеров, а также от воздействия ветра или других внешних факторов.  

Как правило, на подавляющем большинстве моделей коптеров камера может двигаться по желанию оператора. Если для работы камеры используется специальный подвес вроде DJI Zenmuse или DJI Ronin-MX, то возможностей для съемки становится еще больше, поэтому такие комплексы активно применяются для профессиональной съемки.

Виртуозная работа камеры обеспечивается, кроме всего прочего, идеальной работой 3-осевого подвеса со стабилизацией, который с помощью своих трех бесколлекторных двигателей может регулировать положение камеры по трем осям (панорамирование, поворот, наклон) после команды оператора. В то же время инерциальный измерительный блок (IMU) реагирует на движение и использует три специальных двигателя для стабилизации камеры.

Однако чистой механики, пусть и очень совершенной, недостаточно для эффективного функционирования подвеса в столь сложных условиях. поэтому на помощь приходят алгоритмы, позволяющие стабилизатору замечать разницу между преднамеренным движением камеры по команде с пульта или мобильного устройства (панорамирование или съемки в движении) от непреднамеренного движения, вызванного вибрацией или тряской во время маневра. Алгоритмы помогают стабилизатору заставить камеру работать плавно без дерганий и тряски.

Революция в управлении воздушными камерами

Буквально за пару последних лет система управления беспилотниками и воздушными съемочными комплексами пережила быструю эволюцию, если даже не революцию. Еще несколько лет тому назад вы могли управлять камерой, установленной на дрон, весьма ограниченно. Никакого тотального контроля! Оператору часто приходилось сначала включать камеру еще до взлета и ставить ее на запись. Ну а менять положение или другие настройки камеры – об этом нечего было и говорить. По сути, после взлета дрона вы, как оператор, почти полностью теряли контроль над камерой.

Сейчас этого нет и в помине. Все последние модели беспилотников в том или ином виде оснащаются системами стабилизации и подвесами. Камера и подвес контролируются пилотом (а порой даже вторым оператором через ведомый пульт), так как их система управления интегрирована в общую систему управления беспилотником. Вы можете легко управлять всем или отдельными элементами комплекса с земли с помощью пульта или мобильного устройства (смартфона или планшета). Камеру можно использовать для живой трансляции, причем не только в видеохостингах и социальных сетях, но и с помощью дополнительных устройств прямо на телеканале (последний вариант очень подходит для современных журналистов). Появились и другие интересные функции, о которых можно рассказывать отдельно.

Из каких компонентов состоит подвес?

На схеме выше изображен подвес DJI Zenmuse Z15-5D III (HD), который можно использовать для установки на него камеры Canon 5D Mark III. По своему устройству большинство современных моделей подвесов напоминают Zenmuse Z15. Поэтому, если вы разберетесь в этих компонентах, вы поймете устройство и других моделей подвесов для беспилотников.

В чем разница между 2- и 3-осевыми подвесами?

Главное отличие в качестве съемки, так как 3-осевые подвесы обеспечивают лучшую стабилизацию при видеосъемке по сравнению с 2-осевыми подвесами. Причина проста. В то время как 3-осевые модели стабилизируют по трем осям (рыскание, тангаж и крен), двухосевые подвесы только по оси тангажа и крена.

Если у подвеса имеется 3-осевая стабилизация, то он способен либо значительно уменьшить, либо даже полностью устранить эффект “желе”. Это происходит за счет работы третьего двигателя, поглощающего нежелательные движения по оси рыскания. Правда, у трехосевых подвесов есть и недостатки: больший вес и цена, большее потребление энергии из-за наличия своих двигателей.

Как работает “механика” подвеса?

Для движения подвеса используются три модуля с сервоприводами (для панорамирования, поворота и наклона системы). Как правило, DJI и другие производители изготавливают подвесы, включая их компоненты, с учетом особенностей конкретных камеры (обычно рекомендованные модели указываются особо) и матрицы. Такой подход к конструкции должен обеспечивать идеальную съемку, ведь подвес уже “заточен” на вес и баланс конкретной камеры.

Почти все современные подвесы для беспилотников работают (точнее, приводятся в движение) благодаря бесколлекторным (бесщеточным) двигателям. Отличие бесколлекторного двигателя от коллекторного (щеточного) заключается в принципе подачи электрического тока на коммутатор или электромагниты, заставляющие вращаться ротор. Поскольку в бесколлекторном двигателе нет щеток, то передача тока и вращение ротора происходит не механически посредством щеток (как в коллекторном), а с помощью электроники и без физического контакта.

Обычному пользователю может показаться, что именно отсутствие щеток и физического контакта – это базовое отличие двух моделей электродвигателя, однако это не совсем так. Важным элементом является наличие электромагнитов по периметру ротора, о чем уже упоминалось. Они могут располагаться в виде крестовины. Благодаря такой конструкции обеспечивается эффективность бесколлекторных двигателей и экономится питание.

Как подвес дрона двигается по осям?

• Панорамирование (рыскание): движение рыскания – это боковое движение подвеса/камеры влево или вправо. У большинства подвесов для беспилотников имеется движение на 360 градусов. Если ваш дрон оснащен убирающимися шасси, то такое устройство предоставляет для камеры на подвесе полный круговой обзор на 360 градусов. Например, дроны DJI Inspire 1 и DJI Inspire 2 оснащены поднимающимися “лучами” с шасси, позволяющими камере производить съемку в любом направлении.
• Крен: положительный угол крена поднимает подвес / камеру влево или вправо. Zenmuse Z15 выше имеет + / -15 градусов крена.
• Наклон (тангаж): движение подвеса и камеры вверх и вниз. На приведенной выше схеме подвеса видно, что она имеет диапазон перемещения от -90 до +15.

Амортизатор вибраций (демпфер)

Если вам придется когда-либо разбирать подвес или увидеть его в разобранном виде, то вы обязательно обратите внимание на пластину со специальными элементами из резины, напоминающими что-то вроде рессор или амортизаторов. Это и есть один из важнейших компонентов современного подвеса – амортизатор вибраций или демпфер.

О важности этого блока говорит круг задач, которые он призван выполнять: снижать или демпфировать вибрацию средних и высоких частот, генерируемую дроном и направляемую к камере. При этом демпфер допускает низкочастотное движение пластины вместе с движением корпуса беспилотника. Если приходится менять этот элемент подвеса, то не стоит экономить, тем более, что его общая стоимость не такая уж и высокая. Качественные профессиональные демпферы изготавливаются с применением композитных материалов и качественной резины для амортизирующих шариков.

Что такое инерциальный измерительный блок (IMU) и для чего он нужен?

У большинства моделей современных подвесов, например, у линейки DJI Zenmuse, имеется встроенный инерциальный измерительный блок. Кроме того, у подвесов Zenmuse есть дополнительный встроенный инфракрасный модуль. Блок IMU работает на основе специальных алгоритмов, обеспечивающих не только полную стабилизацию съемочного процесса, но удобный и простой контроль над всей системой. Так как блок IMU уже встроен в подвес, то никакого дополнительного оборудования или проводки не потребуется. А это позволяет снизить вес и быстрее выполнять съемку. Например, вы можете дистанционно управлять затвором, используя инфракрасный приемник.

У IMU может возникать смещение по времени как изначально, так и после установки. Если угол обзора правильный, то камера снимает горизонт в виде прямой линии. Но если угол обзора смещен, то тогда возникают проблемы с наклоном горизонта. Впрочем, не стоит сильно беспокоиться из-за этого, так как существует несколько методов исправить данный недостаток, включая метод калибровки подвеса и дронов.

Возвращаясь к IMU, отметим перечень задач, которые оно призвано выполнять: измерение и передача информации об удельной силе тела, измерение и передача данных об угловой скорости, а иногда и о магнитном поле, окружающем тело. Выполняются данные задачи с помощью комбинации акселерометров и гироскопов, а также иногда с помощью магнитометров. В этом качестве данные, собранные с датчиков IMU, позволяют компьютеру отслеживать местоположение подвеса и летательного аппарата (подобные блоки устанавливаются на самолеты, дроны и другие устройства, а не только на подвесы).

Блок управления подвесом (GCU)

Блок управления подвесом (GCU), по сути представляет вариант компьютера, получающего данные с гироскопов. На их основе оне передает команды на двигатели подвеса, указывая им, как нужно двигаться. Блок управления подвесом обычно подключается к системе управления полетом и активно с ней взаимодействует. Система управления полетом помогает контролировать работу подвеса. Одновременно блок управления отвечает за вывод видеоинформации на видеолинк для передачи видеосигнала. Системы управления полетом по-другому называют полетными контроллерами. У DJI выпущено уже несколько поколений таких устройств, например, DJI N3 и DJI A3.

Камеры и датчики

Все вышеперечисленные детали бесполезны без камеры или датчика для воздушной фотосъемки, видеосъемки или 3D-изображений. Подвес должен иметь специальные правильные крепления, винты и кабели для подключения камеры к подвесу и блоку управления.

Дополнительные компоненты для подвеса и камеры

Для решения профессиональных задач пользователи могут дооснащать свою летающую платформу с подвесом и камерой различным оборудованием. Так часто делается в строительстве, геодезии и других сферах профессиональной деятельности, где требуются точные данные измерения наземных объектов с воздуха, составления карт и 3D-моделей объектов.

Например, пользователь может установить на свой дрон датчик телеметрии DJI IOSD Mark II, который взаимодействует с камерой и подвесом. Но его преимущество не только в эффективном выполнении прямых задач. В его конструкции имеется встроенный модуль BEC. С его помощью можно подключить батарею типа 3S – 6S LiPo, чтобы подавать питание на камеру и основной контроллер.

А поскольку такие устройства, как DJI IOSD MARK II, работают вместе с полетным контроллером, то вы получаете еще и дополнительные выгоды в виде стабильного пилотирования и уменьшения вибрации, которая может негативно повлиять на подвес и работу камеры.

Теперь вы знаете хотя бы в общем то, как устроены и как функционируют подвесы для летающих камер DJI. Какие же подвесы для съемки можно считать лучшими, об этом читайте в нашем специальном обзоре.