Kameran vakautus

[trosendahl]

Laadukkaan ilmakuvan edellytys on värinätön ja vakaa kameraripustus. Sen toteuttaminen voi tosin joskus olla enemmän tieteentekoa vaativaa toimintaa, kuin luontaisesti epävakaan multikopterin pitäminen ilmassa. Toimiva kameraripustus on minun mielestäni enemmän mekaanisten asioiden hallintaa, kuin tietoteknistä osaamista vaativaa, olkoonkin, että myös tietotekniikalla on erityisesti nykyään suosituissa harjattomilla moottoreilla toimivissa ns. brushless gimbaleissa varsin suuri merkitys, aina digitaalisista antureista prosessoinnin kautta täysin ohjelmalliseen moottorinohjaukseen asti.

Nykyisin käytössä olevat menetelmät kameran vakauttamiseen voidaan jakaa karkeasti muutamaan eri kategoriaan:

Brushless Gimbal, harjattomiin moottoreihin perustuva kameravakautus

Brushless Gimbal -tyyppinen ratkaisu on nykyään suosituin ja se tarjoaa varsin hyvän suorituskyvyn. Nimensä mukaisesti kameravakautus perustuu harjattomien moottoreiden käyttöön kameraripustuksen mekaniikan kääntämisessä. Moottorit ovat samanlaisia, kuin multikoptereiden lentomoottorit, mutta kytketty käämitykseltään vain hieman eri tavalla. Niitä ajetaan ohjelmallisesti ilmeisesti vektoripohjaisella (?) säädöllä, joka oikein viritettynä tuottaa voimakkaat mutta pehmeät liikkeet itse kameralle.

Brushless Gimbal luottaa vahvasti ohjelmistoon ja tietotekniikkaan, onhan itse moottorin pyörimään saaminenkin täysin ohjelmallinen toteutus: gimbalin ohjainkortin ohjelma aktivoi moottorin käämejä tietyllä tavalla joka saa aikaan paitsi pyörivän liikkeen, myös staattisen pidon. Moottoreita käännetään kulmanopeus- ja kiihtyvyysantureilta saadun laskennallisen paikkatiedon perusteella. Itseasiassa jotkut ohjainkortit pohjautuvat samoihin paikoitusalgoritmeihin (MultiWii), jotka pitävät itse kopterinkin ilmassa.

Brushless Gimbal -laitteiksi on tällä hetkellä olemassa muutamia vaihtoehtoja. Avoimen lähdekoodin ja laitteiston projekteista maininnan arvoisia ovat BruGi (http://sourceforge.net/projects/brushless-gimbal-brugi/) sekä Martinez (http://www.itsqv.com/QVW/index.php?title=How_To_-_Martinez_Brushless_Gimbal_Controller_Set-Up)

Kaupallisista projekteista ilmeisesti MultiWiihin pohjautuva Basecam SimpleBGC (http://www.basecamelectronics.com) on saavuttanut harrasterakenteisissa kameravakauttimissa varsin suuren suosion.

Täysin valmiita ratkaisuja ovat esimerkiksi DJI Innovationsin Zenmuse (http://www.dji.com/product/zenmuse-z15) sekä muutamien muiden valmistajien kuten Tarotin tai Walkeran tarjoamat laitteet. Zenmusen mainitsin nimeltä sen vuoksi, kun se taisi olla ensimmäinen kaupallinen harjattomiin moottoreihin perustuva kameravakautin.

Koska harjaton kameravakautin toimii hyvin samalla periaatteella, joskus jopa samalla ohjelmistolla, kuin itse kopteri, sen säätäminen toimintakuntoon noudattelee samoja lainalaisuuksia, kuin kopterin saaminen lentämään. Vaikka järjestelmien toteutukset vaihtelevat, tietäkseeni kaikki niistä perustuvat jonkinnäköiseen toteutukseen vaimennetusta tai suodatetusta PID-säätimestä, joka ajaa paikoitusta. Suomeksi sanottuna: jotta saat kameran pysymään suorassa ja käyttäytymään kauniisti, sinun tulee tuntea hieman säätöteoriaa. Vaikka tarvittavat säädöt vaihtelevat toteutuksesta riippuen, perusperiaate on kaikissa sama. Perinteinen tapa säätää PID-algoritmi on asettaa säätö ensin yliohjaamaan, jonka jälkeen säätöä asetetaan asteittain kesymmäksi. Käytännön toteutus vaihtelee riippuu käytettävästä järjestelmästä.

Kaikki ei ole kuitenkaan pelkkää tietotekniikkaa ja softaa. Suurin osa käytetyistä säätöalgoritmeista ei ole adaptiivisia, oppivia, vaan varsin yksinkertaisia, jotka eivät osaa ottaa huomioon epätäydellisyyksiä mekaniikassa. Mekaanisesti hutera ja värähtelevä kameraripustus on myrkkyä säätöjärjestelmälle, joka ei koskaan saa kameraa asettumaan vakaasti. Kun säätö ohjaa johonkin suuntaan, rimpula mekanismi värähtelee itsensä toiseen suuntaan ja kierre on valmis. Kuten on pitkään jo tiedetty, ihan kaikesta ruskeasta materiaalista ei kannata konvehteja yrittää leipoa yllättävänkin huonon jälkimaun vuoksi, eli mekaaninen rakenne on oltava kunnossa, jotta ohjelmallisella säädöllä on mitään edellytyksiä päästä vakaaseen paikoitukseen. Jotkut netistä saatavat kameragimbalrungot, kuten Black ASP, on niin rimpuloita, että vakaan kuvan saaminen sellaisenaan on käytännössä mahdottomuus nykyisillä säätöalgoritmeilla.

Mekaanisen rakenteen ohella myös tasapainotuksella on suuri merkitys kameravakauttimen moitteettoman toiminnan kannalta. Lyhyesti sanottuna, sen tulee olla tasapainossa. Itse tasapainotan gimbalin samalla tavalla kuin potkurit - kun kameraa kääntelee ilman virtoja moottoreissa, se ei saa kallistua omalla painollaan mihinkään suuntaan. Vasta, kun kamera pysyy kaikissa asennoissa paikallaan kun siitä päästää irti, se on tasapainossa gimbalin akseleihin nähden. Vastaavasti jos kameraa heilauttaa, ja vaimenevan liikkeen sijaan lopputulos on heiluri, tai se lähtee liikkeen vaimenemisen jälkeen hakeutumaan toiseen suuntaan, se ei ole tasapainossa. Vaikka tekniikka näiden laitteiden takana tekeekin melkein ihmeitä, niin silti vasta kun mekaaniset perusedellytykset on kunnossa, on ohjelmallisella säädöllä edellytykset tuottaa onnistunut lopputulos.

Monipuolisuutensa vuoksi harjattomia kameravakauttimia voidaan käyttää multikoptereissa, kädessä pidettävänä, tai 1:1 -kokoluokan lentokoneeseen tai vaikkapa riippuliitimeen kiinnitettynä:
http://m.youtube.com/watch?v=YvH2Qi7VNDk

Steadicam

Mennään seuraavaksi ajassa taaksepäin muutaman vuosikymmenen verran, aikaan ennen multikoptereita ja mikroprosessoreita. Steadicam -tyyppisen vakautuksen idea on vanha ja se perustuu vapaasti liikkuvaan kamerapuomiin, jonka toisessa päässä on kamera, toisessa vastapaino ja puomin keskellä ripustuspiste, jonka suhteen kamera vastapainoineen pääsee liikkumaan vapaasti. Itse termi "steadicam" on tavaramerkki, mutta sen tunnettavuuden vuoksi käytän sitä kuvaamaan tätä vakautintyyppiä.

http://en.m.wikipedia.org/wiki/Steadicam

Steadicamin käyttö multikoptereissa on vähäistä. Kaupallisia tuotteita on muutama saatavilla, joista Ecilop, (http://www.ecilop.tv), on ehkä tunnetuin. Steadicam -tyyppinen vakautus sijoittui ajallisesti servokäyttöisten kameravakauttimien ja brushless gimbalien välimaastoon ja se jäi jossain määrin väliinputoajaksi. Idea kopteriin ripustetun tasapainoon perustuvan vakauttimen ja Steadicamin välillä on täysin sama, mutta kopterissa kamerapuomin heilumista on yleensä vaimennettu puomiin jousilla kiinnitetyillä, gyro-ohjatuilla servoilla. Gyrojen ohella myös esimerkiksi Multiwii voidaan ohjelmoida ajamaan vaimennusservoja toivotulla yliohjaavalla tavalla; tästä kirjoitan lisää myöhemmin koodiesimerkin ohella.. ;-)

Edellytys steadicamin toiminnalle muiden kameravakauttimien tavoin, on huolellinen tasapainotus. Puomi tulee painottaa täysin tasapainoon, se ei saa olla ala-, eikä etenkään yläpainoinen. Epätasapainossa oleva puomi aiheuttaa sen, että sivuttaissuuntaiset kiihtyvyydet alkavat poikkeuttaa puomia keskipisteestään. Muuten tasapainotus tapahtuu samalla tavalla, kuin brushless gimbalin tai potkurin tasapainoitus.

Johtuen täysin erilaisesta toimintaperiaatteesta, Steadicam -tyyppinen vakautus käyttäytyy eri tavalla mitä brushless gimbal. Brushless gimbal pyrkii oman paikkatakaisinkytkentänsä avulla aina absoluuttiseen paikoitukseen, siinä missä steadicamin kuvassa voi esiintyä rauhallisia liikkeitä. Liikkeet ovat kuitenkin laitteen toimintaperiaatteesta johtuen rauhallisia, eikä niitä välttämättä koe häiritsevinä, siinä missä huonosti säädetyn brushless gimbalin liike on nykivää ja verrattain häiritsevää.

Etuina brushless gimbaliin nähden steadicam-tyyppisessä vakautuksessa on merkittävästi yksinkertaisempi ja edullisempi tekniikka, pienempi virrankulutus ja kevyempi paino. Molemmat tekniikat soveltuvat hyvin laadukkaan ilmakuvan tai videon tuottamiseen.

Servokäyttöinen gimbal

Ennen harjattomia gimbaleja kameravakautus toteutettiin steadicam-toteutusta lukuunottamatta servokäytöllä. Kameravakauttimen akseleita käännettiin joko hihna-, hammasratas-, tai suoravedolla. Kaupalliset toteutukset olivat verrattain kalliita ja arvokkaista ja laadukkaista servoista sekä toimintaa parantavista takaisinkytkentäratkaisuista (esim. Radian) huolimatta huomattavasti edullisemmat brushless gimbalit aiheuttivat servokäytön jäämisen käytännössä historiaan.
"Elämään jääneistä" servogimbaleista tosin maininnan arvoinen on yksinkertaiseksi tarkoitettu Super Simple Gimbal, joka soveltuu pienien esimerkiksi avaimenperäkameroiden vakautukseen ilmeisen hyvin lopputuloksin: http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1793759

Ohjelmallinen vakautus

Minkä rauta heittää, sen softa peittää. Videonkäsittelyohjelmien erilaisten vakautusalgoritmien (Adobe Premiere, VirtualDub Deshaker -laajennus ja monet muut) sijaan ohjelmallinen ratkaisu voi olla toteutettu suoraan kopterissa. Kopterin anturitiedon avulla voidaan laajakulmaisen kameran kuvasta rajata juuri sopiva vakaa kuva-alue, joka vaihtaa paikkaa kopterin senhetkisen asennon ja liikkeiden mukaan. Käytännön toteutuksia tästä ratkaisusta ei tietääkseeni vielä ole, mutta ranskalaisen Parrotin Bebop Drone ilmeisesti sisältää tällaisen järjestelmän. On mahdollista, että mekaanisen kameran kääntelyn sijaan tällaiset ratkaisut tulevat yleistymään. Pohjimmiltaanhan idea on sama, kuin digitaalikameroiden optisissa kennoa liikuttelevissa kuvanvakautusjärjestelmissä - nyt kennon liikuttamisen sijaan toivottu kuva-alue rajataan vain ohjelmallisesti anturidatan perusteella.

Muut

Think outside the box. Edellämainittujen toimivaksi todettujen ratkaisujen ohella myös erilaisia kokeellisia virityksiä kameran vakauttamiseen on liian monia listattavaksi. Ecilop-kuvauskopterin kehittäjä on kunnostautunut näiden kehittelyssä, joten lienee paikallaan liittää parit linkit hänen sivuilleen tähän, joista löytyy hyvinkin erikoisia virityksiä:

http://www.myresearch.lt/blog/onboard_camera/onboard_camera.phtml
http://ecilop.com/data/ecilop-eco_pr.phtml

Värinänvaimennus

Tasapainotettu ja suorituskykyinen kameravakautin, toteutustekniikasta riippumatta, ei välttämättä yksistään riitä tuottamaan laadukasta kuvaa. Toisaalta taas pelkkä hyvin vaimennettu kameraripustus voi tuottaa riittävän hyvää kuvaa ilman aktiivista vakautustakin. Multikopteri, runkorakenteesta, moottoreista ja potkureista riippuen, voi tuottaa enemmän tai vähemmän värinää, aina kameran kuvaan asti. Nopeatahtinen värinä aiheuttaa kuvan muuttumisen aaltoilevaksi, tärisevää hyytelöä muistuttavaksi, jonka vuoksi ilmiölle on annettu nimi "Jello". Se pilaa videokuvan täysin ja tekee valokuvista sumeita.

Värinöiden poistamiseen ensimmäinen toimenpide on potkureiden tasapainotus. Mikäli se ei auta, on syytä tarkastella myös moottoreita. Halvat kiinalaiset harjattomat moottorit eivät välttämättä ole ulkopyörijänsä osalta alkuunkaan tasapainossa. Kun tällaista epäkeskoa pyörittää 10 000 kierrosta minuutissa, on ruma jälki kuvassa taattu.

Kun potkurit ja moottorit on saatu tasapainoon, on syytä tarkastella myös muun kopterin rakennetta. Onko rakenne sellainen, että se värähtelyn vaimentamisen sijaan voimistaa niitä tai alkaako peräti koko laite resonoimaan tietyllä taajuudella? Onko kopterin rakenne jämäkkä, tuntuuko laite yhdestä kulmasta nostettuna kuin yhdestä palasta veistetyltä vai meinaako toinen nurkka retkahtaa. Jos näin tapahtuu, voi odottaa myös erinäisiä ongelmia resonanssien kanssa. Valmistusmateriaaleista puu on tunnetusti värinöitä vaimentavaa.

Mikäli on itse rakentamassa runkoa, voi olla paikallaan tehdä kopterin rungosta kaksiosainen. Toiseen osaan runkoa kiinnitetään vain moottorit ja potkurit ja toiseen, värinänvaimentimilla kiinnitettyyn osaan, kiinnitetään itse kameraripustus sekä kopterin ohjainkortti. Värinänvaimenninkumeja eri tarkoituksiin löytää ruuvikaupoista tai ebaystä, rautakaupoista harvoin löytää M4 -kokoa pienempiä.

Värinänvaimentimista mainitsemisen arvoisia ovat Taican geelivaimentimet:
http://fi.rsdelivers.com/product/geltec-co-ltd/a-1/gel-bush-type-a-1/0474874.aspx
Silikonia muistuttavasta materiaalista valettuja puslia sekä liimapintaista mattoa käytetään herkän elektroniikan asennukseen ja materiaalin kyky vaimentaa värähtelyä on erinomainen. Halpoja nämä geelipuslat ja -matot eivät ole, mutta väittäisin näiden olevan parhaita. Jos jello-efekti ei näillä kameran kuvasta poistu (toki edellisten toimenpiteiden ohella), se ei siitä katoa millään. Kiinalaisista vaimenninkumitateista, joita gimbal-sarjojen mukana tulee, ei samana päivänä näiden kanssa kannata puhua, ne kiinalaiset tatit ovat lähinnä näön vuoksi. Suomesta näitä voi ostaa joko RS Finlandilta tai porilaiselta iPcmaxilta: http://www.ipcmax.com/index.php?cPath=192_193

Huomionarvoista on myös se, että kaikki tässä postauksessa mainitut tekniikat, erityisesti brushless gimbal ja steadicam, pystyvät tuottamaan vakaampaa kuvaa, kuin mitä on esimerkiksi nähtävillä 20-30 vuotta vanhoissa, isolla rahalla tehdyissä elokuvissa. Harrasterakenteisena, lentävästä alustasta käsin. Aika hyvin, vai mitä...? ;-)

[Ves@]

Mulla roikkuu nex5 octon pohjassa tämmöisessä kimbaalissa.
Joku mossin kortti jota ei voi päivitellä, pelannu kuitenkin ihan kohtalaisesti.
Irledille tosin piti rakennella pieni teline, ettei tartte teipillä kameraan kiinnittää.

[aprepo]

Pienenä unelmana takaraivossa on saada ensi kesään mennessä aikaiseksi kuvaukseen soveltuva kopteri ja tuli vastaan kohtuullisen edullinen gimbali:
http://www.banggood.com/FPV-Gopro3-2-Axis-Brushless-Gimbal-With-Controller-For-DJI-Phantom-p-908068.html

2D brushless gimbaali GoPro:lle ohjainkortteineen ja moottoreineen, 54EUR kotiin tuotuna. Ei varmaan juuri halvemmaksi voi mennä.
Ainakin tämän perusteella tuo saattaisi jopa toimia:
https://www.youtube.com/watch?v=O9-ucpNks6g

Varsinaisesti tekisi mieli hankkia samantien 3D gimbaali, mutta luulen että tuo voisi olla lähempänä "melko hyvä melko halvalla" budjettia ja alkuunsa ihan riittävä...

[zapster]

Pienenä unelmana takaraivossa on saada ensi kesään mennessä aikaiseksi kuvaukseen soveltuva kopteri ja tuli vastaan kohtuullisen edullinen gimbali:
http://www.banggood.com/FPV-Gopro3-2-Axis-Brushless-Gimbal-With-Controller-For-DJI-Phantom-p-908068.html

Mulla on toi sama gimbaali, en ole vielä päässy kokeilemaan miten toimii kun pitäis rakennella se spiderin keulalle.

[rotomoto]

Minulla näitä kaksi kpl. Kevyt hiilikuitu malli
http://www.ebay.com/itm/281191868897?ssPageName=STRK:MEWNX:IT&_trksid=p3984.m1497.l2649

[trosendahl]

Minulla näitä kaksi kpl. Kevyt hiilikuitu malli
http://www.ebay.com/itm/281191868897?ssPageName=STRK:MEWNX:IT&_trksid=p3984.m1497.l2649

Kiitoksia vinkistä, piti pistää tilaukseen itsekin kun vaikutti varsin hyvältä hinta-hupisuhteeltaan! ;-)

[trosendahl]

Minulla näitä kaksi kpl. Kevyt hiilikuitu malli
http://www.ebay.com/itm/281191868897?ssPageName=STRK:MEWNX:IT&_trksid=p3984.m1497.l2649

Minkälainen muuten tuo kiinnitys on jolla tuo tulee kopteriin? Mikä "pulttijako", onko tuo joku Phantomin standardikiinnitys vai mikä? Ajattelin vaan että tuossa olisi voinut rakennella tuota odotellessa jo valmiit kiinnityspisteet kopteriin. ;-)