Regelung einer stabilisierten Plattform für Film- und Fernsehkameras

Abstract

Bei der Aufnahme von Film- und Videosequenzen wird als Stilmittel häufig eine bewegte Kameraführung eingesetzt, welche eine Stabilisierung der Kamera zur Unterdrückung von unerwünschten Bewegungen voraussetzt. In dieser Arbeit wird zur Stabilisierung einer dynamisch bewegten Kamera ein tragbares, aktiv geregeltes Trägersystem bestehend aus einer dreiachsigen, kardanischen Aufhängung und einem vom Bediener getragenen Ausleger vorgestellt. Dieses Systemkonzept zeichnet sich durch seine Flexibilität aufgrund der hohen Anzahl an Freiheitsgraden aus. Die Problemstellung besteht in dem mechatronischen Entwurf einer geeigneten Aktorik, Sensorik und Regelung des Systems. Als Grundlage für diese Aufgaben wird zuerst die Kinematik des Systems modelliert, eine Lösung der inversen Kinematik angegeben und die Bewegungsgleichungen hergeleitet. Danach wird die Aktorik auf Basis von Messergebnissen eines Antriebs mit Riemengetriebe und eines Direktantriebs festgelegt. Die Aufgabenstellung im Bereich der Sensorik besteht in der Messung der Orientierung mittels Inertialsensoren. Es wird ein Sensorkonzept bestehend aus zwei, an unterschiedlichen Stellen angebrachten inertialen Messeinheiten (inertial measurement unit, IMU) erstellt und es werden Kalman-Filter zur Fusion der Messdaten entworfen. Der Zweck der Sensorfusion ist es, aus den fehlerbehafteten Einzelmessungen der Inertialsensoren eine Schätzung der gesuchten Orientierung anzugeben, welche eine höhere Genauigkeit als bei der Verwendung von nur einer IMU aufweist. Nach einem Vergleich der Messergebnisse von drei verschiedenen Kalman-Filtern wird deren Tauglichkeit in dem betrachteten System geprüft. Zum Abschluss wird eine Regelung des Systems entworfen, deren Ziel die Ausrichtung der Kamera in einer vorgegebenen Orientierung ist. Die Regelung ist dabei in der Lage, durch Bewegungen des Bedieners verursachte Störungen der Orientierung der Kamera zu kompensieren. Es wird eine Regelungsstrategie vorgestellt, welche eine Vorsteuerung zur Störgrößenkompensation und eine Fehlerregelung der Orientierung der Kamera aufweist. Diese Regelung wird in einem Versuchsaufbau implementiert und anhand der resultierenden Messergebnisse bewertet.

Camera movements are often used in movie scenes to change the perspective or to create more engaging video shots. To avoid distracting changes of the line of sight by unwanted motions of the moved camera, an inertial stabilization of the camera is required. In this work, a mobile camera stabilization system composed of a fully actuated gimbal and a boom carried by an operator is presented. This system is characterized by its flexibility in operation because of the high number of degrees of freedom. The problem under consideration is the design of the actuation, the sensors and the control of the system. First, the kinematics of the system is modeled, the solution of the inverse kinematics is given and the equations of motion are derived. Concerning the actuation, a direct drive and a motor with a belt drive are investigated experimentally. For measuring the orientation of the camera, two inertial measurement units (IMUs) are used which are mounted on two different locations. The orientation is given by fusing the erroneous measurements of the IMUs by a Kalman filter that gives better results than calculating the orientation from a single IMU only. This is shown by comparing the measurement results of three different Kalman filters. Finally, the control of the attitude of the camera is discussed. The control task is aligning the camera with a desired orientation despite disturbances of the system that are induced by movements of the operator. A control strategy is proposed, that includes a feedforward compensation of the disturbances and a feedback control of the orientation. This method is implemented on an experimental setup and results are discussed by means of measurement results.