新型電動攝影滑軌的研究與設計

黃家豪 丁潤濤 侯晶如 賴麗昭

廣東東軟學院 計算機學院 廣東 佛山 528000

引言

近年來，隨著人們生活水平的提高，短視頻行業(yè)發(fā)展火爆[1]，人們對視頻質(zhì)量的要求也隨之提高。由電子程序控制速度的電動滑軌作為專業(yè)的輔助拍攝設備進入大眾視野。經(jīng)過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，市面的電動滑軌存在售價昂貴、質(zhì)量良莠不齊、便攜性低以及交互性不足等缺陷，導致電動滑軌無法像三軸穩(wěn)定器之類的電子輔助拍攝設備那樣快速普及。

目前市面上90%以上的電動滑軌采用的是雙軌式滑動結(jié)構(gòu)[2]，平行的雙軌結(jié)構(gòu)擁有良好的平衡結(jié)構(gòu)，但該滑動結(jié)構(gòu)在長期的外力作用下，極易造成導軌形變，使得滑軌的長期穩(wěn)定性和順滑度大幅下降，而且雙軌結(jié)構(gòu)占用空間大導致便攜性降低。本項目通過研究分析發(fā)現(xiàn)，采用單軌結(jié)構(gòu)加側(cè)向滑動的橡膠輪設計不僅具有極高的便攜性，同時也擁有極高的穩(wěn)定性和可靠性。市面上的電動滑軌功能過于單一，普通電動滑軌僅能實現(xiàn)基礎的水平勻速平移延時攝影，較高級的電動滑軌在此基礎上增加了跟焦拍攝和廣角掃景模式[2]，其原理通過調(diào)節(jié)中間一條額外的軌道實現(xiàn)的相機角度的轉(zhuǎn)向，確切來說這種電動滑軌屬于三軌設計。并不具備可編程實現(xiàn)多功能多模式的基礎條件。

為改變這一現(xiàn)狀，本項目提供了一種優(yōu)化改進的方案，極大地壓縮了成本，在滿足滑軌最基本的穩(wěn)定可靠性前提下，通過改進滑軌的結(jié)構(gòu)極大降低了制作工藝的難度，解決目前電動滑軌制作要求高、成品率低的難題。同時便攜性的提高，使得電動滑軌的使用范圍更廣。功能多樣性帶來了可編程的特點，極大地豐富了相機的鏡頭語言，讓用戶有更多創(chuàng)作的空間。同時改進了目前人機交互方式的不足，讓用戶以最低的學習成本實現(xiàn)復雜且高難度的運鏡操作。

1 機械結(jié)構(gòu)設計

市面上的電動滑軌功能過于單一，普通電動滑軌僅能實現(xiàn)基礎的水平勻速平移，較高級的電動滑軌在此基礎上增加了跟焦拍攝和廣角掃景模式，其原理通過調(diào)節(jié)中間一條額外的軌道實現(xiàn)的相機角度的轉(zhuǎn)向，確切來說這種電子滑軌屬于三軌設計。并不具備可編程實現(xiàn)多功能多模式的基礎條件。本項目拋棄了上述的三軌設計方案，采用單軌與可編程電機結(jié)合的設計，可編程的特性使得功能的多樣化提供了堅實的基礎，不僅實現(xiàn)了讓相機鏡頭“動”起來的基本操作，更能讓鏡頭“活”起來。

該電動滑軌運用了重量較輕的鋁制單軌結(jié)構(gòu)，利用靜音硅膠輪組成滑塊系統(tǒng)，改進皮帶傳動結(jié)構(gòu)的缺陷，經(jīng)過深度市場調(diào)研分析，充分考慮絕大部分消費者的需求，對各種元器件進行精確選型，在盡可能降低制作成本的前提下，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠、功能多樣性、人機交互性友好的電動滑軌。

1.1 導軌結(jié)構(gòu)

導軌采用歐標2040鋁型材加側(cè)向滑動硅膠輪的單軌設計方案，導軌材質(zhì)為成本較低的鋁材質(zhì)。歐標2040鋁型材如圖1所示，目前市面上的電動滑軌大多采用了成本昂貴的碳纖維材質(zhì)，這也是電動滑軌售價昂貴的主要原因之一。碳纖維的密度約為1.5～2.0g/cm3，鋁的密度約為2.7g/cm3，兩者在同等規(guī)格下的重量差距不大，就材料的特性而言，鋁制品相對于碳纖維材料具有優(yōu)秀的耐磨、熱穩(wěn)定、耐高溫腐蝕的特性[5]，因此在保證較低重量的情況下，選擇環(huán)境適應性強且壽命更長的鋁材質(zhì)。

圖1 歐標2040鋁型材

圖2 歐標2040鋁型材截面圖

1.2 滑塊結(jié)構(gòu)

得益于歐標2040鋁型材的特殊結(jié)構(gòu)，使得側(cè)滑輪結(jié)構(gòu)得以應用，采用自行設計3～5mm厚度的亞克力板作為滑塊底板，靜音硅膠輪作為滑軌導輪，該結(jié)構(gòu)常應用于3D打印機，經(jīng)過多年的改進優(yōu)化，已經(jīng)完全滿足高精度的需求。此結(jié)構(gòu)滑動流暢細膩且維護簡單，不需要添加潤滑油。相較于鋼珠式滑塊，能減少震動對拍攝畫面的影響，同時還具備低噪音的優(yōu)點。

1.3 傳動結(jié)構(gòu)

傳動結(jié)構(gòu)的設計采用齒輪式皮帶傳動[3]，本項目根據(jù)歐標2040鋁型材的特殊結(jié)構(gòu)改進了皮帶的傳動結(jié)構(gòu)，將皮帶巧妙的隱藏于導軌的凹槽內(nèi)，有效解決日常環(huán)境中灰塵顆粒物黏附傳動皮帶造成的抖動，延長了傳動裝置的壽命，使得滑軌整體更美觀、一體性更高。皮帶傳動具有高效、易維護的特點。該設計使得滑軌整體結(jié)構(gòu)更加緊湊、便攜性也有所提高。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 硬件選型

電動滑軌屬于專業(yè)級拍攝輔助裝備，售價昂貴。根據(jù)市場調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，電動滑軌制作成本高是主要因素，硬件選型需要考量功能實現(xiàn)與成本之間的關系，為實現(xiàn)平穩(wěn)的平移效果和細膩的偏航角度調(diào)節(jié)、可擴展的多功能設計、人機交互友好的設計需求?？刂齐娐返脑O計可以分為驅(qū)動、反饋和通信三個部分。單片機與電機驅(qū)動電路是整個系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)電動滑軌的橫向平穩(wěn)運動與偏航運動的基礎；位置感應電路是實現(xiàn)多功能運動的重要一環(huán)；按鍵與OLED屏幕的組合構(gòu)成用戶交互最直接的控制反饋體驗。通信部分的設計需要考慮兼容性，其負責與手機移動端進行通信，因此技術成熟的藍牙4.0方案成為首選。

（1）主控芯片

主控芯片為久經(jīng)市場考驗的STM8單片機，這意味著擁有大量的資料與解決方案，利于開發(fā)者的快速開發(fā)。同時隨著大規(guī)模的生產(chǎn)，STM8單片機的成本下降，使得該單片機的性價比極高。該單片機擁有16Mhz主頻，屬于低功耗型單片機，整個核心系統(tǒng)電路板面積極小，非常適合開發(fā)便攜式設備，它所附帶的外設足于滿足該電動滑軌設計所需的功能需求。

（2）電機驅(qū)動

電機驅(qū)動部分采用42行星減速步進電機，該電機體積小易安裝具有高精度、大力矩、低噪音、免維護的優(yōu)點，步進電機的步距角為1.8°，整機輸出的靜力矩為15.3kgf.cm，完全滿足項目需求，配合步進電機驅(qū)動高細分技術，達到更高精確度的控制，使每 個脈沖轉(zhuǎn)動的角度更小、更平滑。在電機的驅(qū)動選擇方面，以低成本的步進電機加上閉環(huán)控制系統(tǒng)的方案代替價格昂貴的伺服電機驅(qū)動方案，改進后的閉環(huán)步進電機與伺服電機的差距減小，足以滿足項目對高精度的要求。

（3）姿態(tài)傳感器

姿態(tài)傳感器的加入，使得電動滑軌擁有了姿態(tài)感應的能力。采用九軸傳感器MPU9250，該傳感器內(nèi)部采用了3軸陀螺儀、3軸加速度計和3軸磁力計，自帶的數(shù)字運動處理器（DMP）硬件加速引擎，可以整合九軸傳感器數(shù)據(jù)，向應用端輸出完整的 9 軸融合演算數(shù)據(jù)。因此采用DM實現(xiàn)姿態(tài)解算，這降低了運動處理運算對單片機的負荷，同時大大降低了開發(fā)難度。

（4）藍牙

藍牙采用HC-05芯片，其在空曠處有效距離能達到10-20米，空中的速率達到2Mbps,性價比超高。主要通過串口TTL接口實現(xiàn)AT指令設置和查詢相關參數(shù)，同時實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)透傳。

2.2 滑軌的算法設計

能夠勻速平移運動是每個滑軌的基礎功能，實現(xiàn)勻速平移功能主要是由PWM信號控制的步進電機。在視頻創(chuàng)作時，相機運鏡的起幅和落幅是很有講究的[4]，對整個鏡頭的流暢度有著極高的要求。當沒有緩沖距離時，畫面驟起驟停，對整個畫面的觀感影響極大[2]。因此為了解決這一問題，該滑軌加入了梯形、S曲線、U形等算法，用戶只要改變自變量時間t的參數(shù)就能實現(xiàn)不同的組合。此設計能夠通過調(diào)節(jié)各類參數(shù)，讓用戶最大限度的發(fā)揮電動滑軌的優(yōu)勢。讓好的想法不因滑軌的局限性而無法實現(xiàn)。

2.3 移動端控制APP設計

此電動攝影滑軌不僅僅能實現(xiàn)勻速平移功能，除此之外還具有勻變速延時攝影模式[4]、掃景模式、勻變速追焦模式、自定義關鍵幀模式、360度橫掃模式、變速搖擺模式及用戶自定義等多種模式。實體按鍵與旋鈕的人機交互友好性與移動端APP控制完美結(jié)合，更方便用戶定義不同的功能模式，拍攝出質(zhì)量更高的短視頻。

勻變速延時攝影模式：用戶可選擇延時攝影的方式為勻速還是變速，如果選擇勻速，則至需要設置的時常，滑軌會自動從左往右或是從右往左進行勻速平穩(wěn)的平移運動。如果選擇為變速延時攝影，則由用戶設置時間與速度的曲線。

掃景模式：在勻速延時攝影的基礎上，通過操控偏行方向的電機，實現(xiàn)最大為720°的掃景拍攝。

勻變速追焦模式：追焦模式就是滑軌移動的時候，通過改變偏航的角度，實現(xiàn)鏡頭畫面中心始終追蹤物體的拍攝手法?？蓪崿F(xiàn)勻速或是變速的效果，其中變速由用戶手動控制。

自定義關鍵幀模式：用戶在拍攝之前，先手動控制滑軌的運動軌跡，此時可設置定格時間、位置等信息，然后保存運動軌跡的數(shù)據(jù)后進行軌跡復原播放。從而實現(xiàn)自定義關鍵幀的效果。

專業(yè)模式：專業(yè)模式是自由度最高的模式，可以設置電機的算法、啟停時間、啟停角度、啟停速度與運行速度，最大限度的發(fā)揮電動滑軌自由度高優(yōu)勢，以便達到用戶的期望效果。

3 結(jié)束語

優(yōu)化后的電動滑軌方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計合理、系統(tǒng)性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，它不僅能通過物理按鍵旋鈕進行模式切換、速度調(diào)節(jié)、方向控制等基礎操作，即使脫離手機控制，依然能進行工作。配合移動端app進行更高級的自定義操作。以用戶的體驗感優(yōu)先為原則，改進當前市面上電動滑軌的不足之處，適應現(xiàn)階段消費者的需求、適應如今高速發(fā)展的智能時代，使用此電動滑軌能提高視頻拍攝的質(zhì)量，能極大地豐富鏡頭語言。