Mi a gimbal?

A gimbal csapágyazott tartó, amely lehetővé teszi, hogy egy tárgy egy tengely körül elforduljon.

Meghatározás

A Collins szótár a gimbalt két vagy három, egymásra derékszögben álló csapágyazott gyűrűként írja le. A gyűrűk a tárgynak szabad felfüggesztést adnak minden síkban. A giroszkópok és az iránytűk a szokásos példák. A szót először 1570 és 1580 között jegyezték fel.

Három gimbal esetén a legbelső gyűrűn lévő tárgy független marad a tartója forgásától. Egy hajó iránytűje a hajó bólintása és bedőlése közben is függőleges marad.

Gimbalek a légijármű-műszerekben

Az FAA a gimbalt a giroszkópos repülési műszereket leíró szövegében használja. Egy giroszkóp, amely gimbal-gyűrűkön van, bármely irányban szabadon foroghat. Amikor a gyűrűk megdőlnek, megcsavarodnak vagy mozognak, a giroszkóp abban a síkban marad, amelyben először pörgött. Az FAA ezt térbeli merevségnek nevezi.

Az FAA szószedete a gimbal-gyűrűt olyan tartóként határozza meg, amely lehetővé teszi, hogy egy tárgy, például egy giroszkóp, függőleges maradjon, amikor az alapja megdől. A kettős gimbal lehetővé teszi, hogy a giroszkóp két síkban szabadon mozogjon. A fordulatjelző és csúszásjelző egyetlen gimbalt használ, amely korlátozza azokat a síkokat, amelyekben a giroszkóp megdőlhet.

Ezek a műszerekben lévő mechanikus gimbalek. A drón kamera-gimbalje ehhez kapcsolódó tartó, amely egy kamerát tart, és motorokat és érzékelőket használ.

Drón gimbal

UAV-munkában a gimbal olyan eszköz, amely fenntartja a kamera tájolását, és csillapítja a rezgést. Összeköti a drónt a kamerával. A drón gimbalben elektromos motorok működnek az elfordulás, a bólintás és a bedöntés tengelyén, általában kefe nélküli szervomotorok.

Egy többrotoros drón motorrezgéstől és hirtelen magasságváltozástól rázza a kamerát. A Sensors folyóiratban megjelent tanulmány az ilyen drónokon gimbalt ajánl az éles felvételekhez és a tervezett hosszirányú és oldalirányú átfedéshez. A merevszárnyú repülés stabilabb, a merevszárnyú drónok pedig ritkán használnak gimbalt.

Más érzékelők is lehetnek a gimbalen. A MAVLink gimbal-protokoll a drónon elhelyezett kamerák vagy más érzékelők tájolását szabályozza.

Hogyan működik a stabilizálás

A gimbal vezérlőköre öt lépésből áll. Ez a leírás a háromtengelyű, alacsony költségű gimbalt vizsgáló Sensors-tanulmányt követi.

1. Egy IMU a kamera tartóján méri a mozgást. Háromtengelyű gyorsulásmérője és háromtengelyű giroszkópja van.
2. Szűrők dolgozzák fel a nyers értékeket. Ilyenkor általában Kalman-szűrőt használnak.
3. Egy attitűd- és irányreferencia-rendszer (AHRS) kiszámítja a tájolási szögeket.
4. Egy PID-szabályozó kiszámítja a motorparancsokat.
5. Egy motorvezérlő mozgatja a kamerát, hogy kiegyenlítse a mozgást.

A vizsgált gimbal 700 Hz-en futtatta a vezérlőkörét. Más gimbalek más sebességgel dolgoznak. A gimbalban volt egy második IMU is a vezérlőkártyán, a motoroktól függetlenül felszerelve. A szerzők szerint a második IMU növeli a pontosságot, és stabilabban tartja az elfordulási tengelyt.

Egyes gimbaleknek saját stabilizációs vezérlőjük van. Az ArduPilot ezeket kefe nélküli, közvetlen hajtású gimbalnek nevezi. Ilyenkor a repülésvezérlő csak a célszöget küldi el, PWM, SBUS, MAVLink vagy soros interfészen keresztül. Szervo-gimbal esetén az ArduPilot végzi a stabilizálást.

Kéttengelyű és háromtengelyű gimbalek

A háromtengelyű gimbal a bólintást, a bedöntést és az elfordulást vezérli. A kéttengelyű gimbal csak a bólintást és a bedöntést vezérli. Az ArduPilot legfeljebb 3 tengelyű gimbalt támogat. Egyes vezérlők, például a SimpleBGC és a SToRM32, kéttengelyű és háromtengelyű változatban is kaphatók.

Az elfordulás eltér a másik két tengelytől. A gravitáció határozza meg a bólintást és a bedöntést. Az elfordulás a drónhoz vagy északhoz képest értelmezett.

Szögek, koordinátarendszerek és módok

A bólintási szög határozza meg a kamera dőlését. Az ArduPilotban a negatív bólintás lefelé irányítja a kamerát. A Föld koordinátarendszerében a -30 fokos bólintás 30 fokkal a horizont alatt van. A QGroundControl-ban a Tilt 90 a tartót közvetlenül lefelé irányítja, ez a nadir helyzet.

Két koordinátarendszer létezik. A test koordinátarendszere (body frame) a szöget magától a tartótól méri. A Föld koordinátarendszere (Earth frame) a horizonttól és az iránytű irányától méri.

A rendszerek másként nevezik el az elfordulás viselkedését.

• Az ArduPilotban van Yaw Lock és Yaw Follow. A Lock a Föld koordinátarendszerében tartott elfordulási célértéket tartja meg. A Follow a kamerát a drónnal együtt mozgatja.
• A MAVLink jelzőbiteket használ a drónhoz képest, illetve északhoz képest értelmezett elforduláshoz.
• A PX4 állandó tájolást tud tartani. Ilyenkor a bedöntést vízszinten, az elfordulást északon és a beállított bólintást tartja.

Az érdeklődési terület (ROI) a kamerát egy talajponton rögzíti. A gimbal ezután követi a pontot, miközben a drón mozog. Az érdeklődési terület törlésére szolgáló parancs visszaállítja a tartót az alapmódba. A MAVLink-protokollban egy gimbal-kezelő oldja fel az ütköző parancsokat, és továbbítja őket a gimbal-eszköznek. Egy kezelő egy eszközt szolgál ki.

Mit tesz a gimbal a felmérési felvételekért

A gimbal rögzítve tartja a kamerát egy beállított helyzetben. Ez többnyire vízszintes vagy függőleges, a gimbal korlátain belül más helyzetek is lehetségesek.

A Sensors-tanulmány egy alacsony költségű háromtengelyű gimbalt vizsgált. Repülés-szimulációban a kamera bedöntése és bólintása 2,56, illetve 1,97 fokos tartományon belül maradt. A szórások 0,46, illetve 0,36 fok voltak. Maga a hordozó 69,90, illetve 93,18 fokos tartományban mozgott. Valódi repüléseken a kamera tájolásának stabilitása 3-szorosára javult 15 fokos dőlési korlát mellett beltérben, és 6-szorosára javult 25 fokos dőlési korlát mellett kültérben. A szerzők szerint a gimbal jobb képgeometriát, hosszirányú és oldalirányú átfedést ad. Ezek a számok egyetlen alacsony költségű gimbalből származnak. Más gimbal más eredményt adhat.

Nadir és ferde felvételek

A gimbal billenti a kamerát, így egy kamera készíthet nadir és ferde felvételeket is. Egy 2021-es ISPRS-cikk egy MAVLink-parancsot ír le, amely a kamera kioldását a gimbal mozgásához köti. Egy gimbalezett kamera így ugyanabban az átrepülésben készít ferde felvételeket, mint nadir felvételeket, többkamerás berendezés nélkül.

A ferde felvételek fontosak térképek és 3D modellek esetén. James és Robson azt találta, hogy a közel párhuzamos látási irányú UAV-képhálózatok széles, függőleges kupolás hibát mutathatnak. A ferde felvételek hozzáadása csökkenti azt. A nadir felvétel szócikk a geometriát magyarázza.

Gimbal kalibráció

A gimbal kalibráció főként az IMU kalibrálását jelenti. Az alacsony költségű IMU-k érzékelőinek skálafaktora pontatlan, és tengelyeik nem pontosan merőlegesek egymásra. A kalibráció csökkenti ezeket a hibákat.

A Sensors-tanulmány egypontos kalibrációt használt. Az IMU vízszintes felületen mozdulatlanul állt, miközben a vezérlő mérte a gyorsulásmérő adatait. A szerzők azt javasolják, hogy kalibrálás közben kerüljük a rezgést, és a használati hőmérséklethez közeli levegőhőmérsékleten kalibráljunk.

Más gimbalek más módon kalibrálnak. Egy archivált ArduPilot-vezérlő bekapcsoláskor IMU-kalibrálást futtat, és a pilóta az első 10 másodpercben nem érintheti a gimbalt. Egy folyamatosan világító piros LED jelzi, hogy a kalibrálás kész. A lépések vezérlőnként eltérnek. Kövesse az Ön által használt gimbal kézikönyvét.

A drift összefüggő jelenség. Az alacsony költségű gimbal a Sensors-tanulmányban körülbelül 1 fokot sodródott percenként a bedöntési tengelyen. A szerzők szinte teljesen megszüntették, amikor az AHRS-t úgy állították be, hogy csak a gyorsulásmérő adatait használja. Szerintük a szoftver nem tudta kalibrálni a giroszkópokat.

A kamerakalibráció más folyamat. Megkeresi a kamera belső tájolását, például a gyújtótávolságát és a lencsetorzítását.

Műszaki adatok

A gimbal műszaki adatai termékadatok, nem szabvány. Például a DJI Zenmuse H20 adatlapja 0,01 fokos szögrezgési tartományt ad meg. Bólintásban -132,5 és +42,5 fok közötti a mechanikai tartomány, bedöntésben -90 és +60 fok között, elfordulásban pedig mindkét irányban 330 fok. A vezérelhető tartomány bólintásban -120 és +30 fok, elfordulásban mindkét irányban 320 fok. Hasonlítsa össze az Ön által használt termékek adatlapjait.

Gimbalek a repülőtéri ellenőrzésben

A TarmacView felületi felvételezései a gimbalt -90 fokon tartják, a nadir helyzetben. A TarmacView repülési terve minden útpontra eltárolja a gimbal bólintását. Repülés után a TarmacView összeveti a ténylegesen repült gimbal-bólintást azzal, amelyet a terv elrendelt. Megjelöli azt a repült bólintást, amely hosszabb ideig marad a parancsolt tartományon kívül, mint amennyi egy tervezett gimbalművelet ideje, mert ez kézi beavatkozásra utal. Az ellenőrzés csak tanácsadó jellegű, és nem változtatja meg az eredményt.