智能化索道攝像系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

蘭州市第一中學(xué) 甘肅 蘭州 730050

1 引言

索道攝影系統(tǒng)是一種重要的影視特種拍攝設(shè)備，在影視拍攝、比賽直播、大型戶外直播等多種場合都被廣泛應(yīng)用。目前，市面上多家公司和機構(gòu)都提供了各種功能的索道攝影系統(tǒng)可供選擇，但是這些專用的攝影設(shè)備往往價格昂貴，讓普通攝影、攝像愛好者難以承受。因此本文設(shè)計了一款價格低廉的智能化索道攝影系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)攝像平臺的運動拍攝，而且還可以根據(jù)使用者的需求，編程實現(xiàn)多種與眾不同的拍攝方式。

2 智能化索道攝影系統(tǒng)的總體設(shè)計

智能化索道攝影系統(tǒng)采用單索道方式，實現(xiàn)一維運動控制，影像信號通過無線傳輸?shù)姆绞絹韺崿F(xiàn)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可分為索道系統(tǒng)和攝像云臺兩部分，這兩部分互相獨立，因此具有互換性和擴展性。系統(tǒng)可搭載專業(yè)微單、單反和輕型電影機等多種設(shè)備的輕型云臺，應(yīng)用范圍廣泛。而索道系統(tǒng)還可分為承載和傳動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制模塊、和控制軟件四個部分，實現(xiàn)多種與眾不同的操作方式。系統(tǒng)可以控制攝像云臺自動在索道上進行長距離延時拍攝、遙控拍攝、定速運動等多種拍攝模式。系統(tǒng)各部分組成及相互之間關(guān)系如圖1所示。以下對各模塊組成和功能分別進行具體介紹和說明。

圖1 智能化索道攝影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 智能化索道攝影系統(tǒng)的硬件模塊

3.1 攝像云臺 本系統(tǒng)采用的是電動云臺，可實現(xiàn)攝像設(shè)備的平移、俯仰、橫滾三種運動控制。攝影云臺使用的是深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的如影Ronin-S型云臺。該云臺可搭載多種相機、手機和微型攝影機，可搭載設(shè)備的最大寬度為205mm，最大高度為150mm，負(fù)載重量最大為3.6kg。云臺與智能化索道攝影系統(tǒng)之間的機械安裝接口是M4螺紋接口。攝像云臺自帶電池，無需外部供電。云臺在平移、俯仰和橫滾三個方向上的最大可控轉(zhuǎn)速為360°/s。攝影云臺支撐藍牙4.0通訊方式，可通過手機或其他專用控制器來控制云臺的運動。拍攝到的圖片或者視頻可以存儲在攝像、攝影器材上，等拍攝完畢之后再拷貝，或者使用威固原子500SDI圖像傳輸設(shè)備對圖片和視頻數(shù)據(jù)進行實時傳輸。

3.2 索道系統(tǒng)

1)承載和傳動系統(tǒng)。承載和傳動系統(tǒng)的功能是承載系統(tǒng)中的其他模塊，并通過滑輪、皮帶和傳動機構(gòu)實現(xiàn)運動控制。傳動系統(tǒng)的傳動方式借鑒了其他索道攝影系統(tǒng)的設(shè)計思路，通過齒輪和皮帶實現(xiàn)傳動。系統(tǒng)包括兩個同步滑輪，一個帶有兩個傳動輪的傳動軸、電機傳動輪和傳動皮帶。工作時，電機先帶動電機傳動輪旋轉(zhuǎn)，再通過皮帶帶動傳動軸旋轉(zhuǎn)，最后通過兩條皮帶帶動同步滑輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)在索道上自動運動。索道采用直徑為5mm的包膠鋼絲，經(jīng)過理論計算，完全滿足安全要求。傳動系統(tǒng)中的同步滑輪還可以替換成雙槽滑輪。

2)電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)的作用是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，保證各部分電路能夠正常工作。電源系統(tǒng)由兩塊6S鋰電池組、電源接口和連接導(dǎo)線構(gòu)成。電源系統(tǒng)的電池總?cè)萘繛?000m AH，電源系統(tǒng)可以通過USB口充電，電源系統(tǒng)的輸出包括24V(電機控制)和5V(嵌入式系統(tǒng)供電)兩部分。

3)控制模塊?？刂颇K就好像是整個系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)管理和控制整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)[1]。控制模塊的外殼采用鋁鎂合金材料，這樣設(shè)計能夠減輕系統(tǒng)的總重量。控制模塊采用模塊化設(shè)計，電機輸出端機械接口為D型帶螺紋孔輸出軸，這樣整個控制模塊既可以用于本系統(tǒng)，還可以用于其他手動控制軌道，這樣增加了整個系統(tǒng)的適用性和互換性?？刂颇K內(nèi)部包括四個小部分：驅(qū)動模塊、嵌入式系統(tǒng)模塊、液晶顯示模塊和遙控模塊。

驅(qū)動模塊的功能是為傳動系統(tǒng)提供動力，由直流無刷電機和電機驅(qū)動器構(gòu)成。嵌入式系統(tǒng)模塊發(fā)送控制信號給驅(qū)動模塊來控制系統(tǒng)的運動，從而實現(xiàn)不同的運動模式，同時還具有控制模式選擇和參數(shù)設(shè)定的功能。顯示模塊的功能是顯示當(dāng)前系統(tǒng)的運行狀態(tài)和控制模式，使用者還可以通過觸摸屏進行控制模式選擇和參數(shù)設(shè)置。遙控模塊的作用是通過遙控的方式來控制系統(tǒng)運行。

4 智能化索道攝影系統(tǒng)的軟件模塊

智能化索道攝影系統(tǒng)的軟件模塊的功能為系統(tǒng)狀態(tài)控制和運行參數(shù)顯示。軟件采用C語言編寫，調(diào)用了多個STM32庫函數(shù)和開發(fā)板例程中的函數(shù)來實現(xiàn)電機控制、液晶屏顯示、模式選擇和參數(shù)設(shè)定等功能。

智能化索道攝影系統(tǒng)總共有三種工作模式：遙控拍攝模式、定速運動模式和延時拍攝模式。遙控拍攝模式是利用遙控器來控制系統(tǒng)運行狀態(tài)的模式，在這種模式下，控制模塊通過一個繼電器將系統(tǒng)控制權(quán)交給遙控器，控制模塊不參與任何控制。定速運動模式和延時拍攝模式都是由控制模塊實現(xiàn)電機控制，這時遙控器將不再起作用。定速運動模式是在使用者設(shè)定好的運行速度下進行運動，這時需要輸入的參數(shù)包括運動方向、運動速度、運行時間等參數(shù)。延時拍攝模式在使用者設(shè)定好的運行參數(shù)下運動，可實現(xiàn)系統(tǒng)“?！摺！摺钡倪\行狀態(tài)，這種模式也是本系統(tǒng)區(qū)別于其他索道攝影系統(tǒng)的關(guān)鍵點。

5 總結(jié)

采用STM32微處理器為核心的智能化索道攝影系統(tǒng)，可以較好的實現(xiàn)索道攝影系統(tǒng)的運動控制，可根據(jù)使用者的需求任意改變控制模式和控制方式。系統(tǒng)經(jīng)過多次實驗和測試，證明了該設(shè)計和控制方法的可行性。本系統(tǒng)具有操作簡單，擴展性和互換性好，使用方便，智能化和價格低廉等優(yōu)點，非常適合攝影、攝像愛好者使用。