CN105144695A - 用于启用主动稳定摄像机的指向控制的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于调整主动稳定的摄像机的指向角的方法。摄像机被配置为根据命令的指向角稳定摄像机的主动稳定系统容纳。主动稳定系统包括可以围绕系统的平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个或更多个旋转的操纵构件。所述方法包括：如果关节角度测量超出阈值窗口，则得到与操纵构件的旋转运动相关的操纵构件的关节角度测量，并且基于得到的关节角度测量在操纵构件的旋转运动方向上调整摄像机的指向角。如果关节角度测量落在阈值窗口内，则根据命令的指向角主动稳定摄像机的指向角。

Description

用于启用主动稳定摄像机的指向控制的方法和系统

技术领域

本公开涉及稳定系统，并且更具体地涉及用于照相或视频相关的应用的改进的、重量轻的、手提式或车载的摄像机稳定系统。

背景技术

在许多应用中，希望稳定有效负载使得不受振动和不需要的运动的影响。这在电影制作中尤为重要，其中由例如摄像机操作者引入的任何无意的摇晃或运动可以导致观看不舒服或成帧错误的连续镜头。

被动的稳定支架已经被用于通过使用诸如弹簧、减震器和平衡块的机械系统来减小摇晃并且平滑掉运动。然而，这些系统可以被大并笨重的来操作，并且通常需要丰富的经验来有效地控制。存在基于软件的数字稳定以及光学稳定，但是它们通常限于校正微小运动。

正变得越来越普遍的一种技术是主动稳定。目前可用的主动稳定系统使用电机来抵消由运动传感器检测到的任何运动。足够精确以检测小的振动的光学陀螺仪传感器通常用于这种系统中。然而，光学陀螺仪传感器趋向于庞大并且昂贵。

因此，希望提供一种低成本的、轻便的稳定系统，该稳定系统可以有效地除去不需要的运动，同时也向操作者提供控制和灵活性的等级以轻易和可视地捕捉他们需要的连续镜头。

发明内容

描述的本发明的实施方式提供了一种用于使得能够操纵由主动稳定系统(诸如，常平架)响应于主动稳定系统的操纵构件的旋转运动(诸如，由摄像机操作者移动的常平架手柄或常平架的部件，其中常平架附接至移动的物体(诸如，车辆)，这可以使得常平架部件经历旋转移动)主动地稳定的摄像机的指向角的方法和系统。

在一个实施方式中,本公开提供了一种用于调整容纳在配置成根据命令的指向角稳定摄像机的主动稳定系统的摄像机的指向角的方法,该系统包括操纵构件，该操纵构件围绕系统的平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个或更多个是可旋转的，该方法包括：得到与操纵构件的旋转运动相关的操纵构件的关节角度测量结果；并且如果关节角度测量结果超出阈值窗口，则基于得到的关节角度测量结果在操纵构件的旋转运动方向上调整摄像机的指向角。

在一些示例实施方式中，旋转运动围绕垂直轴被解析。

在一些示例实施方式中，该方法还包括：如果关节角度测量结果落在阈值窗口内，则根据命令的指向角主动地稳定摄像机的指向角。

在一些示例实施方式中，该方法还包括：如果关节角度测量结果落在阈值窗口内，则由主动稳定系统指示指向角锁定状态。

在一些示例实施方式中，该指示步骤包括使用主动稳定系统的视觉指示器可视地指示并且产生声音指示器中的一个或更多个。

在一些示例实施方式中，该方法还包括更新关节角度测量结果并且得到用于基于更新的关节角度测量结果调整摄像机的指向角的控制命令。

在一些示例实施方式中，更新关节角度测量结果的步骤包括如果关节角度测量结果超出阈值窗口则将关节角度测量结果减小到阈值窗口的阈值。

在一些示例实施方式中，更新关节角度测量结果的步骤包括如果关节角度测量结果落在阈值窗口内则将关节角度测量结果设置为0。

在一些示例实施方式中，该方法还包括：将强制函数应用于减小的关节角度测量结果以得到对命令的指向角的增量更新；通过增量更新更新命令的指向角；并且基于更新的命令的角度执行稳定控制环路更新以得到用于在操纵构件的旋转运动的方向上与减小的关节角度测量结果成比例地调整摄像机的指向角的控制命令。

在一些示例实施方式中，该方法还包括：执行基于角度的控制环路以得到命令的角速率；并且基于更新的关节角度测量结果和零命令的角执行稳定控制环路更新以得到用于调整指向角的控制命令。

在一些示例实施方式中，稳定控制环路更新包括：用于得到命令的倾斜速率的基于角度的外部控制环路；以及用于得到用于调整摄像机的指向角的控制命令的基于摄像机的命令的速率和当前的角速率的基于速率的内部控制环路更新。

在一些示例实施方式中，根据指向角锁定的触发器正被使用，该方法还包括：测量摄像机的当前的指向角；并且存储测量的摄像机的指向角作为命令的角度。

在一些示例实施方式中，该方法还包括：根据存储的命令的指向角主动地稳定摄像机的指向角直到指向锁定的触发器被释放。

在一些示例实施方式中，得到关节角度测量结果步骤包括：从针对平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个的致动器的解析器获得针对平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个的关节角度测量结果。

在一些示例实施方式中，针对平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个执行该方法。

在一些示例实施方式中，针对平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个执行该方法；并且针对一个轴调整摄像机的指向角。

在一些示例实施方式中，根据一个或更多个摄像机的当前指向角和系统的指向角基于以下各项中的一个来得到关节角度测量结果：(1)针对对应于平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个的轴的关节角；(2)针对不同于平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个的轴的关节角；以及(3)针对平摇轴、倾斜轴和滚动轴的两个或更多个关节角。

在一些示例实施方式中，该方法还包括：如果新的关节角度测量结果低于阈值窗口，则停止调整摄像机的指向角。

在一些示例实施方式中，得到关节角度测量结果的步骤包括：由安装在摄像机上的第一惯性测量单元测量第一角度；由位于常平架的中间位置处的第二惯性测量单元测量第二角度以得到第二测量结果；并且基于第一角度和第二角度得到关节角度测量结果。

在一些示例实施方式中，得到关节角度测量结果的步骤包括：测量针对平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的两个或更多个的关节角度；并且基于两个或更多个测量的关节角度得到关节角度测量结果。

在一些示例实施方式中，提供了一种系统，该系统包括一个或更多个处理器，并且存储器包括当被一个或更多个处理器执行时使得系统执行上述的任何方法的指令。

在一些示例实施方式中，提供了一种非暂时计算机可读介质，该介质存储用于使得处理器执行上述的任何方法的程序指令。

在另一个实施方式中，本公开提供了一种用于调整由系统容纳的摄像机的指向角的主动稳定系统，该系统被配置成根据命令的指向角稳定摄像机，该系统包括：用于支撑摄像机的支撑构件、可围绕主动稳定系统的平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个或更多个旋转的操纵构件；惯性测量单元，被配置成测量摄像机的指向角和角速率，惯性测量单元被安装在摄像机上；以及主动稳定控制器，被配置成使用由惯性测量单元提供的测量结果针对平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个或更多个执行任意的上述方法。

在一些示例实施方式中，该系统还包括：安装在系统的框架上并且配置成测量操纵构件的指向角的第二惯性测量单元，其中，主动稳定控制器还被配置成当根据任意的上述方法执行方法时使用由安装惯性测量单元和第二惯性测量单元的摄像机提供的测量结果。

在一些示例实施方式中，主动稳定系统还包括用于指示摄像机的指向角何时被锁定的指示器。

在一些示例实施方式中，该系统还被配置成允许摄像机操作者能够根据任意的上述方法针对所选择的平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个或更多个执行方法。

附图说明

现在将参照附图来详细地描述本提出的方法的示例，其中：

图1示出根据一些实施方式的用于实施根据本公开的稳定技术的3轴稳定系统的立体图；

图2是示出根据一些实施方式的3轴稳定系统的顶层元件的附接的流程图；

图3是示出根据一些实施方式的单轴稳定系统的控制元件的流程图；

图4是示出根据一些实施方式的基本惯性测量单元(IMU)的元件的流程图；

图5是示出根据一些实施方式的增强的IMU的元件的流程图；

图6是根据一些实施方式的针对直流(DC)电机的功率控制的原理图；

图7是根据一些实施方式的无刷的DC电机的增强的功率控制的原理图；

图8是示出根据一些实施方式的姿态控制环路的流程图；

图9是示出根据一些实施方式的增强的姿态控制环路的流程图；

图10是示出根据一些实施方式的具有输入机制的姿态控制环路的流程图；

图11示出了根据一些实施方式的控制稳定系统的两种方法之间的稳定性能的比较；

图12示出了根据一些实施方式的用于修改输入命令的加速度滤波器；

图13是根据一些实施方式的在用于稳定稳定系统的控制环路中的元件的详细的流程图；

图14是根据一些实施方式的用于控制摄像机的指向角的单轴稳定控制器的流程图；

图15是根据一些实施方式的具有窗口阈值以便通过旋转主动稳定系统的操纵构件能够操纵摄像机的单轴控制器的流程图；

图16是根据一些实施方式的具有强制函数以便通过旋转主动稳定系统的操纵构件能够操纵摄像机的单轴控制器的流程图；

图17示出了描绘将基于+/-20度的阈值窗口的示例强制函数同基于相同的阈值窗口的阶跃函数相比的曲线图；

图18示出了根据示例情景比较系统的世界角度(worldangle)、没有阈值窗口的示例强制函数、摄像机的指向角和关节角的变化的曲线图；

图19示出了根据图18的示例情景比较系统的世界角度、基于+/-10度的阈值窗口的示例强制函数、摄像机的指向角和关节角的变化的曲线图；

图20是根据一些实施方式的能够在处于操纵模式的同时锁定摄像机的指向角的单轴控制器的流程图；

图21是根据一些实施方式的使用两个惯性测量单元以启用操纵模式的单轴控制器的流程图；

图22是根据一些实施方式的用于响应于操纵常平架构件的旋转运动来调整主动稳定摄像机的指向角的方法的流程图；

图23是根据一些实施方式的用于响应于操纵常平架构件的旋转运动来调整主动稳定摄像机的指向角和用于锁定摄像机的指向角的方法的流程图；

图24是根据一些实施方式的用于响应于操纵常平架构件的旋转运动、使用强制函数来调整主动稳定摄像机的指向角的方法的流程图；

图25是根据一些实施方式的用于响应于旋转来调整主动稳定摄像机的指向角的方法的流程图；并且

图26是根据一些实施方式的用于启用速率模式的单轴控制器的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一些实施方式的3轴摄像机稳定系统100，也被称为常平架(gimbal)。系统100包括支撑基座110，支撑框架112被附接至该支撑基座100以通过操作者手动支撑和操作。两个手柄113被附接至支撑基座110的两侧中的一侧上的支撑框架112，以允许常平架100的两手握持操作并且对常平架100的运动全部控制。辅助框架111被附接至支撑基座110并且可以被用于将整个系统100附接至车辆或其它支撑物或底座。辅助框架111也可以被用作由操作者单手操作的手柄。此外，外围设备可以被附接至辅助框架111。

示出的系统100配备有三个电机：平摇轴电机120、倾斜轴电机140和滚动轴电机130。这些电机可以在围绕如分别由箭头121、131和141所示的装配的平摇轴线122、倾斜轴线142和滚动轴线132中的一个方向上提供旋转输入。三个电机120、130和140当一起工作时，允许常平架100内的有效负载的全范围的运动。具体地，平摇轴电机120被固定(附接、或另外永久地缚住、或是可移除的)至支撑基座110并且被配置(构造、设计等)成旋转容纳有滚动轴电机120的结构。滚动轴电机120转而被配置成旋转容纳有被配置成旋转有效负载的倾斜轴电机140的结构。

在示出的系统100中，滚动轴电机130旋转水平构件136和137被附接至的滚动横梁135。倾斜轴电机140被附接至一个水平构件137并且它的相反枢轴145被附接至其它水平构件136。倾斜轴电机140和相反枢轴145沿着附接至下管146的横向构件147旋转下管146，从而旋转附接至横向构件147的有效负载。

有效负载将通常是通过摄像机安装布置150安装至系统的摄像机。摄像机安装布置150通常是限定了用于与摄像机的安装部分上的相应凹槽接合的一个或更多个突出物的台板、“鞋状物”等的形式。然而，可以提供各种联接、接合、和/或固定以便将摄像机固定到安装布置150，包括但不限于螺纹、夹子、滑动和锁定机制等(未示出)。

三个正交轴线122、132和142的交叉点152优选地保持通常固定，而与三个电机120、130和140中的任一个的旋转无关。为了安装在稳定系统100中的摄像机实现“被动的稳定性”，随不同的摄像机设计而变化的摄像机的重心(COG)应当位于或尽可能接近三个正交轴122、132和142交叉的点152。

通过将摄像机COG放置在交叉点152，由系统的横向加速度干扰施加于摄像机的转矩被减小或者甚至消除。此外，虽然在旋转轴处有摩擦力，但是有效负载的惯性本身趋向于使得有效负载保持指向方向。通过将这些或一些其它形式的被动稳定合并到系统100的布置中，主动稳定的功耗被保持最低，尤其是当不在运动中时。

在稳定系统100中提供了调整方法，以便调整安装至安装布置150的摄像机的COG。例如，在图1中，安装布置150被配置成能够实现相对于每个正交轴安装的摄像机的重新定位。相对于一轴线为安装到安装布置150的摄像机的COG定心将致使摄像机相对于该轴线“平衡”。换言之，摄像机COG将处于相对于该轴的中性点，优选地位于该轴上或位于该轴的水平或垂直平面上。沿着每个正交轴为摄像机的COG定心将提供平衡的摄像机。

图1仅描述了适于执行在本公开中描述的稳定技术的常平架结构的示例。支撑结构和致动器以及它们的布置在不同的实施方式之间有所变化，并且可以随例如常平架组件的预期用途而变化。例如，支撑结构布置可以被改变以阻止在特定方向上有效负载的视野的可能阻碍，适应于调整更大或更小的有效负载等。

图2是示出根据一些实施方式的3轴常平架结构的顶层元件如何被链接在一起的流程图。支撑基座200支撑常平架结构的其余部分，并且可以被安装至车辆、固定的结构或由摄像机操作者手持。支撑基座200使得整个常平架结构在拍摄期间能够被移动至不同的位置，同时允许常平架结构的其它部件独立于移动的支撑基座200而旋转。当摄像机在拍摄一个场景的同时正被移动时，这种布置特别有用。

在图2的常平架结构的示例性实施方式中，支撑基座200被连接至平摇轴结构211，该平摇轴结构211容纳用于关于平摇轴旋转常平架结构的其余部分的平摇轴致动器212。关于平摇轴的旋转(“摇镜头”)是关于垂直轴并且在水平面内的旋转。在本文公开的系统中，相对于常平架结构描述平摇旋转。

平摇轴致动器212被连接至滚动轴结构221，以启用滚动轴结构221的平摇旋转。滚动轴结构221容纳用于关于滚动轴旋转常平架结构的其余部分的滚动轴致动器222。关于滚动轴的旋转(“滚动”)是关于相对于常平架结构向前方指向的轴的旋转，并且通常被用于旋转地平线。

滚动轴致动器222被连接至倾斜轴结构231，以启用倾斜轴结构231的滚动旋转。倾斜轴结构231可以容纳用于关于倾斜轴旋转常平架结构的其余部分的倾斜轴致动器232。关于倾斜轴的旋转(“倾斜”)是关于跨过(左到右)常平架结构水平运转的轴的旋转，因此允许相对于常平架结构上下旋转。

致动器212、222和232以及支撑结构211、221和231被串联连接至有效负载240。因此，由这些致动器中的每个进行的旋转导致有效负载240的相应旋转，从而允许在常平架结构内的有效负载240的旋转的完全控制。有效负载240是将被稳定的物体并且通常是摄像机。

致动器212、222和232通常是电机，但是可以是能够给予滚动运动的任何其它致动器。致动器也可以是耦接至曲柄的线性致动器或用于将线性运动转化为旋转运动的其它机制。系统内致动器关于每个各自的轴的旋转的范围优选地但是未必为360°。如果限定，沿着一些或所有轴的旋转的范围可以被限制。此外，例如，运动的范围可以受限于致动器和/或周围的支撑结构的物理限制。

支撑结构和致动器被链接的顺序不限于图2中所示的顺序，并且可以随例如常平架的预期用途或配置而变化。在图1中，例如，平摇轴电机120被附接至支撑基座110，从而允许有效负载平摇整个360°范围，而常平架结构不会阻挡有效负载的视野。然而，在该配置中基本上向上倾斜有效负载会导致结构阻挡有效负载的视野。因此，在示出的系统100中，平摇移动优先于其它倾斜或滚动移动。然而，通过在平摇轴电机之前将倾斜轴电机链接至支撑基座反而允许全范围的无障碍倾斜运动。

此外，致动器和轴结构的特定顺序可以被布置以缓和接线和连接的复杂。例如，如果支撑基座210仅包括手柄，则平摇轴致动器212可以被安装在与滚动轴致动器222相同的结构221中，允许平摇轴致动器和滚动轴致动器的公共布线被互联并且是更短的。

IMU(惯性测量单元)250被附接至有效负载240以监视有效负载240的运动和指向方向。IMU确定角位置，以下也称为有效负载的姿势。姿势测量由相对于一般与地球表面对齐的基准标架的俯仰(倾斜)、滚动和横摆(平摇)组成。另选地，可以相对于例如拍摄装置上的支撑基座200或任意基准位置和/或方向进行姿势测量。运动或“扭转”的测量包括测量在相同轴中倾斜、滚动和横摆的变化速率。本公开有时指的是像俯仰(倾斜)速率、滚动速率和横摆(平摇)速率的这些变化速率。

控制元件(控制器)260处理由IMU250测量的姿势和运动，以提供输出驱动信号，以便在闭合环路反馈中操作/驱动致动器212、222和232。控制元件从外部源270接收目标(期望的)摄像机方向。外部源270考虑摄像机操作者的意图收集数据，并且或者处理该数据以得到期望的摄像机方向(例如，指向角或扭转速率)，或向控制元件260提供数据以得到期望的摄像机方向。在单个操作者模式下，操作者可以通过操纵常平架手柄或使用拇指操纵杆或常平架上的其它控制器来指示他的或她的意图。在双操作者模式下，远程操作者可以使用例如经由无线电线路与常平架进行通信的远程控制器来表示他的或她的意图。

在指向角和/或需要的运动上的外部干扰通过控制环路向致动器施加矫正的控制信号来补偿。这些信号可以是通过致动器的运动的加速度、制动或反转。信号可以表示转矩命令，使得常数值将实现违反物理惯性矩的有效负载240的恒定加速度。这是可取的，但不是必需的，对于控制器来实现无过冲或延误最佳的控制，同时也给了最好的响应速度(最高控制带宽)。优选的是，致动器是牢固的并且常平架结构是坚硬的，以避免控制带宽内的共振或弯曲。

在一些实施方式中，常平架被简化为少于3个可控制的轴。例如，当将由控制的机身的旋转自然地提供第三个平摇轴时，可以在VTOLUAV(垂直起飞和着陆无人驾驶飞行器)上使用2轴常平架。

图3提供了针对单轴的控制系统的详细的概述。相对于常平架中其它轴的运动由图3的相同的控制系统或相似的控制系统控制。

在图3中，支撑基座300被直接连接至轴结构311或通过中间构件(诸如，其它轴结构)。轴结构311容纳被耦接至有效负载370以关于轴旋转有效负载的致动器312。致动器312到有效负载370的联接可以是直接联接(诸如，轴)或经由直接连接至有效负载370的中间元件。致动器312能够提供旋转力矩被应用于有效负载370，以根据它的关于轴的惯性矩引起有效负载370的角加速度。

图3的控制系统还包括用于测量致动器和它的输出轴之间的关节角度的元件330。通过提供关节角度测量结果，元件330允许控制系统确定致动器与有效负载之间的实际角度以对例如摩擦转矩力作出解释。形成元件330的特定的设备在不同的实施方式之间变化，并且包括但不限于电阻电位器、光学快门轮编码器、磁性霍尔解析器、和/或具有可变磁阻传感器的齿轮。

除了由致动器312施加于有效负载370的转矩力之外，有效负载370也可以经历关于同一轴的扰动力380。当支撑基座300被旋转时，这种扰动力可以例如由致动器轴的摩擦引起。如果有效负载370关于轴不平衡，则当支撑基座300受制于横向加速度时扰动力380也可以出现。

如图3所示，IMU360确定有效负载370的姿势和运动，并且向控制功能340输出各自的测量结果。安装IMU360的有效负载和控制功能340的组合提供用于取消任何扰动力380并实现期望的运动和/或恒定的设置姿势而没有不需要的干扰的方法。

除了有效负载370的实际姿势和运动数据之外，控制功能340也接收期望的运动或指向命令(例如，由接收器352提供的)经由遥控设备351与远程的电视操作者进行无线通信。远程操作者可以扭转常平架并且监视远程图像监视器上的反馈以拍摄或瞄准应用。这允许一个操作者掌握常平架以进行平移移动以及另一个操作者(即，远程操作者)控制摄像机的指向角的双操作者模式。

另选地，或另外，期望的运动和指向命令两者可以由使用基于手柄的操纵杆或旋钮(诸如，倾斜的拇指旋轮控制)的常平架指使。在一些实施方式中，图3的控制系统使用相关的关节角度测量结果330通过监视支撑基座运动来指挥扭转。对于扭转和/或指向命令来自人工源(诸如，目标计算机或被安装在诸如单脚架、三脚架、人、车辆等的另一种结构上的IMU)也是可能的。

控制功能340的输出被功率控制块放大，该功率控制块将电流从电源321(诸如，可充电电池)转换为与致动器312兼容的形式。功率控制322优选地是可再生的并且能够提供致动器312的刹车并从移动的有效负载370恢复能量，从而提高功率控制322的效率。例如，如果在一个方向上存在旋转运动并且需要反转，那么致动器和功率控制提取存储在有效负载中的旋转能量并且补充电源。在一些实施方式中，致动器312以相等的容量被加速和减速，并且完全可逆。

图4示出了根据一些实施方式的用于确定姿态和运动的基本IMU400的元件。基本IMU400的简单版本仅提供运动作为输出，但是没有姿态测量(数据)。这种设备包括输出随关于它们各自的正交轴的运动(扭转)变化的陀螺仪410、420和430，但是没有3轴加速度计440。为了解析在零运动处陀螺仪的输出，采用了一种算法对长时间范围进行平均并且假设短期干扰，但是基本上在长时间范围上没有移动。该算法形成这样的高通滤波器，即，用于减去将在零运动时被观察到的DC偏移的高通滤波器。DC偏移可以随时间变化，例如，由于设备的温度和老化的差异引起的。

光学陀螺仪随着在长时间范围的零运动而经历了非常小的漂移。然而，他们通常是昂贵的和笨重的，并且因此可以不总是适合于手持便携式稳定设备。作为光学陀螺仪的替代物，低成本的MEM(微电子机械)设备可以用作IMU传感器。MEM设备被完全集成并且包括所有管理电路以运行提供简单数字或模拟接口的电子产品。多个轴可以由单个部件来检测，允许非常紧凑的传感器和IMU，并且因此使得有效负载上的最佳布置。然而，这种低成本的MEM设备会遭遇由于温度和老化的差异引起的时间上的漂移。它们通常也比更大、更昂贵的设计(诸如，光学陀螺仪)具有更高的噪声(随机游走)。

为了将低成本/尺寸传感器包括在IMU400中并且确保IMU400的精度，低成本/尺寸传感器需要频繁地被补偿和更新。为了该目的，在一些实施方式中，IMU400包括3轴加速度计440，该3轴加速度计通过测量相对于重力的加速度得到俯仰和滚动姿态。这些姿态测量结果然后被用于校正陀螺仪410、420和430的漂移。具体地，如果加速度计得到的俯仰和滚动姿态是恒定的，那么推断各自的陀螺仪应当正记录零速率。

此外，通过整合从陀螺仪确定的角运动，姿态也可以从陀螺仪得到。更具体地，姿态的变化需要增加并且然后为了从起始点到终点的移动减小角速率。通过整合角速率的曲线(通常数字上)，可以得到旋转角度。诸如梯形、Runge-Kutta、Simpsons的整合方法也可以被采用，并用于给出需要的精度和/或可用的处理资源。以某一间隔周期地执行整合以与整个控制环路相应，例如以400-500Hz。由陀螺仪整合得到的方向角与由参照地球的重力的3轴加速度计直接解析的角度进行对比。应用周期的校正以最小化两个测量结果之间的差异。

当校准的加速度计趋向于在长时间范围上提供比漂移的陀螺仪更精确的读数时，加速度计读数被用于校正陀螺仪的偏差和数值范围。偏差被设置为在零运动情况下的误差，并且被用作恒定的旋转偏移(推断未发生的运动)。该数值范围被设置为陀螺仪得到的偏差的量级内的误差。因此，有可能例如基于卡尔曼滤波器和四元数角表示来构造传感器融合算法450，用以获得针对运动(角速度)和指向方向(姿态)的精确和补偿的读数。一般来说，传感器融合算法450从陀螺仪410、420和430获取高带宽的读数，并且使用来自加速度计440的较低带宽读数校准他们以增加其精度。两种类型的传感器是互补的，并且有时它们的组合是通过被称为互补滤波器完成的。许多不同的传感器的结构/组合是可能的。

如本文所述的，IMU400通常是能够通过不同类型的传感器的组合充分地得到运动和姿态的可靠测量以提供控制解决方案。然而，虽然通过结合传感器，使用更便宜、更小的传感器的一些不精确的影响得到缓解，进一步的精度问题可以在更复杂的移动期间被引入。例如，如果常平架是由转弯的移动的车辆携带时，则所描述的IMU400可能弄错径向加速度为重力加速度，从而通过引入滚动运动到有效负载错误评估有效负载的运动。这种向有效负载不正确地引入滚动运动是特别不希望的，因为来自水平线的水平的偏差在电影艺术中是容易被注意到的。

图5示出了根据一些实施方式的增强的IMU500。类似于IMU400，IMU500包括陀螺仪510、520和530以及3轴加速度计540，陀螺仪510、520和530的输出随关于它们各自的正交轴的运动(扭转)而变化。然而，不像IMU400，IMU500也包括附加的传感器以在横向和径向加速期间改善IMU的性能。这些附加的传感器可以包括3轴罗盘580和GPS系统570，该GPS系统570可以被用于得到常平架的实际的航向、位置和速度。通过将重力矢量与已知的地球磁矢量进行比较而获得实际航向。通过解析这些矢量，航向矢量被获得并且然后被用于校正横摆轴陀螺仪530的漂移。航向矢量给IMU500提供用于比较由陀螺仪获得的数据的固定参考。IMU400不具有这种参考并且依赖于长期平均方法以推断陀螺仪偏移偏差。此外，GPS针对东和北方向得到的速度与航向矢量一起被解析以获得被用于校正错误的测量的加速度值和/或用于径向移动常平架基板的重力加速度，从而解决水平漂移问题。

更具体地，来自加速度计540的加速度读数被整合以得到速度，该速度然后经由GPS得到的速度使用另一个卡尔曼滤波器结构来被比较和校正。这些速度可以相对于GPS位置被进一步利用又一个卡尔曼滤波器整合和比较。最终结果是使用加速和具有来自GPS的读数的更慢的集合的校正的整合得到的速度和位置的高带宽测量。这些高带宽测量对于允许诸如摄像机的指向角的自动校正的更高阶的常平架功能是有用的。加速度计读数通过上述过程被校正以去除零偏漂移(类似于陀螺仪)并且使能够得到未受径向加速度影响的精确的重力参考矢量。

在一些实施方式中，IMU500也包括气压计传感器560，该气压计传感器560使IMU500能够得到附加的高度变化(姿态)信息。具体地，基于气压计的高度变化信息趋向于比基于GPS的高度信息更精确。气压计可以以大约5cm的精度解析高度。然而，GPS传感器通常以仅2.5mCEP(圆概率误差)的精度解析高度，因为GPS信号除了不断变化的卫星星座之外遭受环境和反射干涉现象。尽管GPS传感器可以提供长期精确数据，但是它们在短时间帧(诸如，秒的时间段)上漂移。如上所述，在IMU500中，由气压计传感器560得到的测量结果然后以类似于GPS数据的方式使用卡尔曼滤波器与由加速度计540得到的测量结果融合。得到的GPS数据也可以与气压计数据融合以提供长期校正，例如，如果存在由于风或天气导致的本地气压变化。

如上相对于图2所述，在一些实施方式中，用于旋转有效负载的致动器是DC电机。图6示出了根据一些实施方式的用于控制DC电机600的功率控制系统的示例。包含四个开关-开关S1601、开关S2602、开关S3603、和开关S4604的桥被布置成从电源(诸如，电池610)向电机600提供可逆的电流。在一些实施方式中，这些开关是诸如BJT(双极结型晶体管)或更常用的NMOSFET(N型金属氧化物半导体场效应晶体管)的晶体管。在图6的布置中，如果开关S1601和S4604闭合时，则电机600将在向前的方向上运行，而如果开关S3603和S2602闭合时，则电机600将在向后的方向上运行。如果电机600处于运动状态(诸如，向前运行)，倒转开关以触发向后转动将有效地应用再生制动经由发电机效应返回到电源，直到物理反转发生。

在一些实施方式中，为了以最小阻尼过度和最快的响应时间实现控制特性，通过电动机来调节电流。具体地，通过与用于所需的方向上的其他开关协作调制任何一个开关的占空比，可以与电机的自电感结合实现脉冲平均，从而降低以平滑的方式施加的电压和电流。例如，实现50％的占空比将减半需要被施加于电机600的电池电压。在一些实施方式中，PWM频率被设置为不给予高开关损耗并且近似于取决于电机电感的平滑电流的速率。此外，通过设置可听范围之上的频率，磁发电机结构噪声(否则污染声轨)可以被减小或去除。

产生针对NMOSFET开关的栅极驱动通常在低侧电源轨上更容易。因此，在一些实施方式中，底部开关S2602和S4604使用脉冲宽度调制(“PWM”)被切换。当顶部开关S1601和S3603为电机600选择方向时(与PWM开关S2602和S4604合作)，反相器662确保仅一个方向被开关S1601和S3603逻辑上选择。微处理器640产生PWM脉冲，调节它们以实现期望的驱动电流和方向。该电流可以经由电流监视器620(诸如，与霍尔设备(halldevice)搭配的分流电阻)被监视，并且然后使用模拟至数字转换器(ADC)630被送入至微处理器640。

在一些实施方式中，电机600被设计以在失速条件下操作并且能够持续转矩，而不用通过加热或烧断。这可以通过用足够大数量的匝数缠绕电机600来实现，使得电阻增加至完整的电源电压可以以可接受的电流被应用于电机600。这将是最大转矩条件，并且它允许放大在较低电流时的磁效应的大量的匝数。

优选的是，将电机600与电源电压匹配，使得PWM上0至100％的占空比相当于整个转矩范围。这将提供由于自带大量电线匝数的更高的电感引起的PWM信号的感应平滑。与此同时，由于稳定系统中的电机的运动通常是短(通常小于一秒)，来自高转电机绕组的大的返电磁场(EMF)是不太可能导致明显不利的影响。

在一些实施方式中，以互补的方式操作PWM开关。例如，如果开关S3603为了在一个方向上运动被通电，那么开关S1601和S2602使用PWM被互补地切换至彼此，使得当开关S1601处于打开时，开关S2602关闭，同时当开关S1601处于关闭时，开关S2602处于打开。尽管这种配置需要来自微处理器的附加的PWM输出，但是也提供了改善的效率，例如，通过主动的飞转而不是使用N-FET开关的体二极管(其否则将引起更大的电压降)。在这种配置中，当互补N-FET开关被开启(在主动飞轮期间)时，这将引入低电阻并且对于通常的电流，电压下降将可能小于0.1V。

为了提供更安静、或者甚至沉默和平滑的驱动和/或为了消除磁发电机收缩噪声污染拍摄声轨，PWM通常被设置为以较高的频率被操作。例如，在一些实施方式中，PWM频率被设置为典型的听得见的频率范围(例如，高于20kHz)以外。

在一些实施方式中，致动器是3相BLDC电机(无刷DC电机)。这种电机通常更有效率，能够实现比2相电机更高的转矩，并且不限于整流器刷子的加热正如基本的DC电机。图7示出了用于控制3相BLDC电机700的示例功率控制系统。

由六个开关S1701、S2702、S3703、S4704、S5705、和S6706提供三相桥。电机700通过观察提供位置的角反馈的解析器760来换向。电机700中的线圈的通电被布置以使用带有开关对的6步变换序列与解析器760协作实现向前或反向运动。解析器760可以是基于光学、电阻或霍尔的设备，并且可以具有3个输出以实现解析代码。

图7的功率控制系统的其余的部件类似于上述图6的功率控制系统的部件操作。具体地，电池710向六个开关701至706供应电力。电流由电流监视器720监视并且使用模拟至数字转换器(ADC)730被送入微处理器740。微处理器740的输出A'771、B'772和C'773连接至顶部开关S1701、S3703和S5705，同时底部开关S2702、S4704和S6706被从微处理器740馈入PWM信号。

应当注意，电机600和700和用于分别控制图6和图7的它们的功率控制系统仅用于说明性的目的描述。取决于物理和/或商业需求可以使用其它类型的电极和功率控制系统。例如，电机可以被构造成外转以通过磁铁几何的性质实现针对给定的直径更大的转矩，或电机可以是基于尔巴赫阵列(Halbacharray)方法的具有新奇磁铁阵列的扁平物以实现针对给定尺寸的更大的转矩等级。适合于实现本文所述的实施方式的电机的又一个示例是传统的感应电机。

图8示出了用于实现闭环控制的简单的反馈环路。IMU850确定有效负载840的诸如角速率的运动。在PID(比例-积分-微分)速率控制元件810，有效载荷840的测量的角速度与提供作为输入的期望的转换(运动)速率进行对比，以向电源控制元件820输出“设定转矩'命令。功率控制元件820向致动器830提供了驱动电流，该致动器830向有效负载840施加转矩，使得它在所希望的方向上加速，这由IMU850再次测量。作为结果，环路处于闭环反馈。不等同于希望的扭转速率的运动将被放大为错误并且补偿控制信号将被提供给功率控制元件820和致动器830。

图8的控制环路依赖于检测运动的变化，而不是角度的变化。因此，如果存在导致姿态被颠簸到新的位置的扰动，则图8的控制环路可能不能够校正各自的位置变化。

此外，在慢动作控制期间，摩擦和静摩擦可能会干扰运动，引起运动的非恒定速率。这可能是不希望的，特别是在用控制需要是精细的长焦距镜头拍摄期间。此外，当使用更便宜、更小的MEM传感器时，传感器的输出可能遭受确定的速率中的随机游走和噪声，这会以不可靠的漂移明显地影响它们的性能。

图9示出了包括用于处理以上指出的一些问题的角度控制环路的增强的控制环路。类似于图8的控制环路，在图9中，PID速率控制元件920接收(作为输入)期望的运动速度以及从IMU960检测到的有效载荷950的角速度。接着，PID速率控制元件920将转矩值设置为到功率控制元件930的输入，该功率控制元件930随后为致动器940设置所需的驱动电流以实现转矩值。然而，与图8的姿态控制环路不同，在图9的控制环路中，除了考虑有效负载950的运动，期望的(命令的)和检测(测量的、得到的)的角度也被考虑。更具体地，P(比例)角度控制元件910接收(作为输入)针对有效负载950的期望的角度以及有效负载950的检测的角度，如由IMU960所确定的。P角度控制元件910然后为将导致所期望的角度的运动设置的速率。比例环路感测期望的和测量的角度之间的误差，并且旨在保持该误差最小。以这种方式，由于摩擦、静摩擦和随机游动导致的误差通过绝对姿态是主要控制变量的方式被有效消除掉。

用于控制摄像机的方向的典型操纵杆基于操纵杆的位置确定扭转速率。由于图9的控制环路取一个角作为输入，而不是所期望的扭转速率，所以操纵杆的扭转速率输出应当被转换为优选的角度。图10示出了图9的控制环路如何可以适于采取基于扭转的输入。来自控制输入(诸如，操纵杆)的期望的扭转速率在采样和保持元件1020处以频率间隔被进行采样。例如，由时钟1010确定该频率间隔。在一些实施方式中，频率频率被设置在400Hz和500Hz之间。然而，该范围仅是示例性的，并且频率间隔可以是低于400Hz或在500Hz以上。

然后，使用输出指向角的恒定变化的恒定时期在积分器1030处整合采样的扭转速率。该指向角的变化模仿扭转，但实际上是许多密切相关的顺序不同的指向的命令。这些变化的指向角被发送至P角度控制1040，该P角度控制1040还接收有效负载1080的检测的角度，如由IMU1090所确定的。P角度控制元件1040为将导致所期望的角度的运动设置速率。然后它向PID速率控制单元1050发送运动的需要的速率，该PID速率控制单元1050也从IMU1090接收有效负载1080的检测的角速率。该PID速率控制元件1050设置转矩值作为到功率控制1060的输入，该功率控制1060随后为致动器1070设置所需的驱动电流以实现转矩值。

图11示出在图8中示出的速率控制系统和图10中示出的角度扭转控制系统的性能的差异。曲线图1110示出了针对机械静摩擦和传感器随机游走导致从期望的、光滑的扭转1112所得的扭转1111的偏差的速率控制系统随时间的角度的变化。曲线图1120示出了针对角度扭转控制系统的随时间的角度的变化。实际的运动112(如图所示)比曲线图1110的相应的运动1111更平滑。这是因为，姿态(或角度)回路自动补偿不稳定误差，并且仅留下与小步幅相关联的轻微波纹，如实际运动1126偏离期望的运动1127小步幅的放大部分1125中所示。例如，为了在500Hz以10℃/s扭转需要每步仅0.02°的步幅，导致非常光滑的运动的外观。

在一些实施方式中，输入的命令(诸如，经由操纵杆提供的操作者命令)可以被修改或过滤以导致期望的控制效果。例如，操作者可能希望减小输入信号的急动，并且希望具有运动的逐渐开始、随后一段恒定的运动、以及然后运动的逐渐停止。这种效果可能难以手动实现。图12示出了如何改善和改变在控制环路处通过引入滤波器到环路而接收的输入。

具体地，如图10和图12中，采样和保持元件1220以由时钟1210确定的频率对期望的扭转速率进行采样。然而，不像图10，其中采样的速率被直接输入到积分器，在图12中，采样的速率被输入到用于过滤的加速度滤波器1230，并且仅经滤波的信号然后在积分器1240处被积分，该积分器1240为控制环路的其余部分设置角度。曲线图1250示出了可能的响应曲线1251，示出了输入扭转速率如何可以被过滤以产生更可取的、更光滑的结果。

在一些实施方案中，滤波器1230基于对称非因果最小二乘滤波器(类似于维纳滤波器)，其具有长度，并且因此具有存储器或定期采样。每个新的采样速率被引入到用作移动缓冲的滤波器。滤波器1230使用的直线拟合，并且取在该线拟合的中间点的值。当缓冲器充满类似样本时，该拟合将是期望的(命令的)输入值。例如，如果缓冲器充满20个零，并且10°/s的值的新的采样被引入，那么最小二乘拟合的斜率将是浅的并且给出期望的值的中间点低估。然而，如果缓冲器充满20个样本，每个具有10°/s的值，那么该斜率将是平坦的，并且如所命令的给出10°/s的投影的中间点。如果缓冲器处中间充满相似的采样，则拟合的斜率可以是正的或负的，并且可以以加速或减速的方式变化-命令的输出相对于命令的输入。滤波器230可以使用没有指挥运动的历史样本的混合物，以及正指挥运动的最近的样本。一旦滤波器1230被用常数输入值冲洗，输出也是恒定的并且不变的。如果运动被命令停止，那么滤波器通过在输出处给出零逐渐冲洗。滤波器的平滑具有可以通过改变滤波器的长度进行剪裁的期望的特征。其它的，诸如Savitzky-Golay、或基于FIR的更加数字上高效率滤波器也可以被当作滤波器1230。

图13示出了根据一些实施方式的数字PID控制环路的更详细的图。测量的IMU角速率和角度以由时钟1311确定的控制环路节拍速率被采样并且被保持在1310。在一些实施方式中，控制环路节拍速率与到致动器的驱动更新一致。测量的角度与期望的设置角度之间的差异在1320处被计算，并且产生的误差在1322处乘以角环路P(比例的)增益1321，以产生针对内环路的命令设置速率。

来自乘法器1322的命令设置速率在1330处被从测量的IMU角速率1310减去，并且产生的误差在1322处乘以内P速率环路增益1331。相同的误差也在每次时钟更新时在1340处被求积分并且在1350处被微分，其中积分器1340的输出在1342处乘以积分(I)增益设置(恒定的)1341，同时微分器1350的输出在1352处乘以微分(D)增益常数1351。这三次乘法1332、1342和1352的结果在聚合器1360处被求和，形成针对内速率控制的PID环路。

在一些实施方式中，聚合器1360的输出在控制限幅器1370处被限幅以减少饱和度的潜在的问题(诸如，需要太多转矩)。该输出也可以通过作为基于FIR(有限脉冲响应)和IIR(无限脉冲响应)技术的数字低通或陷波滤波器的可选的滤波器1380被馈送。滤波器1380通常被配置为与可能另外干扰控制环路响应的结构共振相关的减缓问题。例如，滤波器1380可以被配置以便在控制不稳定点或在某些可能导致机械共振的频率陷波Hi-Q峰之前切断。在一些实施方式中，速率限制器(未示出)被包括在外控制环路中，以限制扭转速率-来自乘法器1322的命令设置速率。聚合器1360的输出最终达到用以激励致动器的控制输出并且引起移动。

在一些实施方式中，PID环路的增益设置1321、1331、1342和1352是可调整的。以这种方式，具有最小过冲的期望的控制响应和快速响应(没有不稳定)可以被实现和/或调整。P增益设置整体环路增益以减小干扰误差。I增益设置在较长时间范围上的小误差的精度，从而有效地设置时间常数。利用I增益，有限误差可以完全被消除。D增益设置一些预测的输出，特别是帮助快速运动，并且通常用来改善速度响应。在一些实施方式中，控制环路仅基于两个P环路。然而，在一些其它的实施方式中，为了更好的性能引入I和D增益。

图14示出了用于控制由主动稳定系统(常平架)容纳的有效负载(例如，摄像机1410)的倾斜角的单轴稳定控制过程1400。过程1400使用无刷直流电机1420控制摄像机1410的倾斜角，基于由IMU1430获得的测量结果确定需要的调整。IMU1430被安装在摄像机1410的主体上或另外与摄像机1410处于同一位置(例如，在摄像头上)，以便能够感测(测量、确定、提供、获得等)摄像机1410的位置和速度。如关于图9更详细讨论的，这样的IMU包含GPS、3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴罗盘和气压计，并且包含了传感器融合算法，该传感器融合算法使IMU1430能够准确地推得到与摄像机相关的3维(3D)位置和平移速度。在一些实施方式中，由IMU获得的测量结果是cm和cm/s精度。

IMU1430以固定的更新速率更新其测量结果。然而，不是所有的测量结果必须以相同的速率更新。例如，从由加速度计感测的数据得到的测量结果可以具有与由陀螺仪感测到的数据得到的测量结果(例如，分别160Hz和500Hz)不同的更新速率。因此，当更新速率针对不同的IMU传感器而不同时，对应于较低更新速率的单个测量结果可以与对应于较高的更新速率的不同的测量结果组合被使用。

由整体IMU和它的部件采用的更新速率一般取决于IMU部件的技术特征和/或要求、期望的精确度、计算特性、计算要求等。例如，典型的基于MEM的陀螺仪能够提供1kHz以上的读数。此外，使用较低的更新速率来获得加速度计测量结果(例如，160Hz)比起获得陀螺仪的测量结果(例如，400-500Hz)允许IMU从两个传感器得到可靠的测量结果，并且还通过不执行不会在其他方面提高IMU的可靠性和精度的计算以保存计算能力和存储器。另外，小常平架结构可能比本身具有较大的惯性阻尼的较大、重的单位需要更快的控制。通过采样更大数量的读数以便更好地平均化获得的精度可能需要相对于大于可以是在干扰噪声中构成的频率的控制带宽来平衡。在一些情况下，然而，以较低的速率(诸如，50Hz)实现的控制例如在安装在车辆上的主动稳定系统中可能是足够的。

稳定控制过程1400采用基于比例-积分-微分控制技术的闭环机电反馈。摄像机1410的倾斜角(姿态)和倾斜速率(运动，扭转)两者被考虑以确定倾斜角更新。稳定控制过程包括两个嵌套环路、用于校正角度误差的外环路和用于校正控制误差和稳定倾斜运动的内环路循环。

外部的、基于角度的环路包括P控制元件1440，该P控制元件1440接收如由IMU1430检测的摄像机1430的倾斜角度1434和针对摄像机1410的命令倾斜角度1444作为输入。命令角度1444通常反映在当时实际的或远程的摄像机操作者的意图。更具体地，命令倾斜角度1444可以由远程操作者经由远程链路、由摄像机操作者经由控制设备(诸如，拇指操纵杆)设置，或从由举升和操纵常平架手柄(诸如，图1所示的手柄113)的操作者所表达的意图得到，并且基于常平架关节角度来确定。P控制元件1440比较命令和测量的倾斜角，并且为将导致命令倾斜角的运动设置命令倾斜速率1446。具体地，P控制元件1440感测命令的倾斜角度1444和测量的倾斜角度1434之间的误差，通过比例增益常数放大该误差，并且将所放大的误差送入内环路，从而最小化角度误差。

内部的、基于速率的闭环反馈包括PID控制元件1450，该PID控制元件1450接收如由IMU1430检测的摄像机1410的倾斜速率1436和如由控制元件1440设置的命令倾斜速率1446作为输入。PID控制元件1450比较这两个倾斜速率，以检测控制误差，使用比例、积分和微分常数对其进行放大以设置用于控制无刷DC电机1420的运动(或另一种致动器，诸如，电机、齿轮箱、皮带减速驱动等)的控制信号1452(诸如，转矩值)。具体地，PID控制元件1450的输出经由驱动器输出元件1460被送入无刷DC电机1420，以形成整体的闭环反馈电路，从而引起无刷DC电机1420的加速、减速(制动)、或反向运动。驱动器输出元件1460向电机1420输出的3相电流，并且连同角度分解器1470一起形成用于准确控制3相电流并且取决于电机相位角的局部控制环路。在一些实施方式中，驱动器输出元件1460的输出有效地控制由电机1420产生的转矩以加速/减速的常平架的倾斜旋转。

通常，稳定控制过程具有固定的更新速度(例如，400Hz)，以便使能够由稳定控制器1400离散控制决策。然而，更新速率可以比较慢、或更快，这取决于主动稳定常平架的具体的设计。此外，在一些实施方式中，稳定控制过程1400是数字化和使用软件实现的。

根据特定的应用，随着伺服电机分别采用倾斜、滚动和平摇轴，稳定控制过程1400针对倾斜、滚动和平摇轴中的一些或全部被复制。响应于由稳定控制过程针对各自的轴发出的命令，这些电机自动操作校正到摄像机的指向方向的干扰，以便针对每个轴保持恒定的指向角(姿态)。

因此，主动稳定的摄像机常平架自动校正到摄像机的指向方向的干扰，并且基于陀螺仪的反馈和送入到主动稳定控制器的命令姿态为摄像机保持恒定的指向角。当摄像机操作者能够翻译或移动摄像机的位置时，远程操作者通常需要诸如经由远程链路使用操纵杆或其他控制器改变摄像机的指示方向(平摇、倾斜和滚动角/速率)。即，两个操作者必须同时转换和指向常平架(摄像机)。因此，当分别控制摄像机的转换路线和指向平面时，成功拍摄需要摄像机操作者和远程操作者之间的谨慎合作。这种双操作者控制布置的另一复杂性在于，多个无线电发射机、外部设备和资源被使用来支持它。另选地，摄像机操作者他自己或她自己可以能够在手持式主动稳定系统上使用拇指操纵杆或其他控制器设置期望的角度。然而，类似于双操作者的方法，单操作者控制方法可以危及常平架机动并且难以始终如一地使用以实现期望的结果。

为了解决该问题，在一些实施方式中，主动稳定控制器适于使摄像机操作者能够通过旋转、倾斜、平摇，或另外使用操纵构件(诸如，常平架手柄)移动常平架支撑基座来操纵摄像机的指向方向，以覆盖摄像机平摇、倾斜和滚动的每个可能的运动而不牺牲主动稳定的好处。此外，在一些实施方式中，主动稳定系统可以被安装在移动物体(诸如，车辆、人、动物等)上。在这种实施方式中，由于摄像机的旋转运动将由移动的物体的运动引起，与摄像机处于旋转关系的常平架的任何部件可以用作操纵构件。

图15示出了根据一些实施方式的对单轴(倾斜轴)主动稳定控制器(控制过程)(诸如，相对于图14所讨论的稳定控制过程)进行的适当的修改，以使摄像机操作者能够通过旋转(操纵、移动等)操纵构件1522(诸如，常平架手柄)来操纵或改变主动稳定摄像机1510的指向方向。可以对用于控制摄像机的平摇角度的平摇轴主动稳定控制器和对用于控制摄像机的滚动角度的滚动轴主动稳定控制器进行类似的修改。

更具体地，类似于稳定控制过程1400，主动稳定控制过程(控制器)1500实现了两个嵌套控制环路：基于角度的外环路和基于速率的内环路。如在图14中，基于速率的内环路是由PID控制元件1550控制的PID环路。PID控制元件1550接收如由IMU1530检测的摄像机1510的倾斜速率1536，并且将其与由基于角度的外环路确定和提供的倾斜速率1544进行比较以检测控制误差。PID控制元件1550使用比例、积分和微分常数(参数)来放大该控制误差以设置用于控制无刷DC电动机1520的运动的控制信号1552。PID控制元件1550的输出然后经由驱动器输出元件1522被送入无刷DC电机1520，以形成整体的闭环反馈电路，从而引起无刷DC电机1520的加速、减速(制动)、或反向运动。

然而，与执行基于摄像机的测量倾斜角1434和命令的倾斜角1444的外控制环路的图14的稳定控制器不同，例如，从远程操作者接受作为“设置点”，稳定控制器1500的基于角度的外控制环路反而处理针对操纵构件1522和摄像机安装的IMU1530之间的关节角度的关节角度测量结果。可以从致动器轴解析器输出1526获得这种测量结果。为了基于关节角度测量结果使摄像机的指向方向的操纵能够响应于操纵构件1522的旋转，控制器1500的基于角度的环路被配置为有效地归零倾斜的关节角度。即，当摄像机的指向(倾斜)角是与关节(倾斜)角同样有效时，主动稳定控制器是稳定的和收敛的。因此，外环路的控制元件1540接收零命令角1564和由例如致动器1520的内部解析器提供的窗口关节角度测量结果1562作为输入。

此外，虽然在一些实施方式中，控制器1500的基于角度的控制环路类似于控制器1400的基于角度的环路是P控制环路，但是控制器1500的基于角度的环路不必一定是P控制环路。相反，在一些实施方式中，该环路被配置为PI控制回路。P控制参数提供了对较大的误差的更强(或更快)的响应，而I控制参数设置当选择足够大的值时可以被调谐以提供缓慢和流畅的响应的时间常数(参数)。然而，在一些其它实施方式中，基于角度的外环路被配置为类似于图14的主动稳定控制器的外控制环路的P控制环路。

为了防止主动稳定系统(常平架)移动，摄像机操作者需要连续将关节角度保持在零值。这在实践中是难以实现的，并且有可能是需要不断修正(稳定)的小角度误差。在控制器1500的情况下，由于导致摄像机的指向角被无意改变的偶然的运动，产生的视频的质量肯能受到影响。为了解决这一潜在的问题，在一些实施方式中关于获得的关节角度测量结果设置阈值窗口1560(阈值函数)。当关节角度测量结果1526落在阈值窗口1560内时，如由阈值函数1560输出和由控制元件1540注册并处理的关节角度测量结果1562等于零。然而，当关节角度测量结果1526超过设定的阈值窗口时，阈值函数1560将关节角度测量结果1526减小阈值窗口的阈值以得到接着被提供给控制元件1540的关节角度测量结果1562。这可以描述为以下内容：

If(angle_measured>angle_threshold)

thenangle_out＝angle_measured–anglethreshold；

If(angle_measured<-angle_threshold)

thenangle_out＝angle_measured+anglethreshold,

其中，angle-measured是关节角度测量结果1526，angle-out是关节角度测量结果1562，并且angle_threshold是设为[-angle_threshold,+angle_threshold]的阈值窗口1560的值。

因此，阈值函数1560有效地设置了盲带区，其中，摄像机操作者至少在一定程度上无需担心精确的和一致的指向。即，当操纵构件1522的旋转运动落在由阈值窗口定义的盲区内时，摄像机的指向角始终保持在命令的指向角的值。然而，只要操纵构件的摄像机操作者的旋转运动超出盲带区域(导致相应的关节角度测量结果超出阈值窗口)时，控制器1500就将开始响应于操纵构件1522的旋转运动并且正比于angle_out值通过重复执行外和内控制环路缓慢地改变摄像机的指向角。

在一些实施方式中，摄像机操作者被提供有操纵构件的当前运动是否落入盲带区内的可见指示。例如，控制器1500可以包括可见的指示器(诸如，发光二极管(LED))，其响应于由阈值函数1560作出的决定(诸如，当旋转运动在盲带区的内部(或外部)时)点亮。以这种方式，摄像机操作者具有关于他或她的操纵运动是否会影响摄像机的指向角的明确指示。虽然可视的指示器是优选的，但是也可以使用其它的指示手段(例如，声音(诸如，由致动器通过在某个频率或相位操纵它的整流信号产生的声音))，以便引起磁电限制产生的噪声而不影响致动器的运动控制有效性。

虽然阈值窗口的阈值可以是预先设定的或预先确定的，在一些实施方式中，它是可调节的并且通常被设置在10度和30度之间。然而，它也可以是更大或更小的，这取决于拍摄情况、环境、摄像机操作者的偏好和/或能力等。例如，具有稳定的手的摄像机操作者可以决定通过将阈值设置为零有效地停用阈值窗口。另外，摄像机操作者针对不同的拍摄场景和/或不同的轴可以被提供有多个预先设定的阈值。此外，当诸如图15的控制器的主动稳定控制器超过平摇、倾斜和滚动轴被实现并激活时，可以针对不同的轴设置不同的阈值。

在一些实施方式中，为了提供流畅的响应，用于改变摄像机的指向角的非线性强制函数作为关节角度误差的函数代替基于角度的外环路的I控制参数被采用。图16示出了根据一些实施方式的对单轴(倾斜轴)主动稳定控制器(控制过程)(诸如，相对于图14所讨论的稳定控制过程)进行的适当的修改，以将强制函数合并到控制器并且使摄像机操作者操纵或改变主动稳定摄像机1610的指向方向。可以对用于控制摄像机的平摇角度的平摇轴主动稳定控制器和对用于控制摄像机的滚动角度的滚动轴主动稳定控制器进行类似的修改。

稳定控制过程(控制器)1600的基于角度和速率的控制环路通常与图14的控制器1400的相同。更具体地，控制器1600实现了分别具有P控制元件1640和PID控制元件1650的基于角度的P环路以及基于速率的PID环路。P控制元件接收并比较由IMU1630检测的摄像机1610的倾斜角1634和命令倾斜角1636以发出随后被提供给基于速率的PID环路的命令倾斜速率1646。PID控制元件1650也接收如由IMU1630所检测的摄像机1610的倾斜速率1636，并且比较这两个倾斜速率以检测控制误差，它用比例、积分和微分常数(参数)被放大以设置用于控制无刷DC电机1620的移动的控制信号1652。PID控制元件1650的输出然后经由驱动器输出元件1622被送入无刷DC电机1620，以形成整体的闭环反馈电路，从而引起无刷DC电机1620的加速、减速(制动)、或反向运动。

因此，类似于主动稳定控制过程1400，主动稳定控制过程1600能够执行用于稳定摄像机的指向方向的主动稳定过程。然而，不像稳定控制过程1400基于命令倾斜角1444保持摄像机的指向角(例如，从远程操作者经由远程链路接收作为“设置点”)，稳定控制过程1600使摄像机操作者能够通过和响应于常平架操纵构件(诸如，手柄、支撑基座、安装构件等)的旋转(操纵、运动等)改变摄像机的指向方向。

虽然本文的描述使用常平架手柄作为操纵构件的主要示例，但是如果操纵构件是例如附接于移动的物体(诸如，车辆、无人驾驶飞行器等)的支撑基座或安装构件，则类似的原理适用。也就是说，虽然摄像机操作者不主动地操纵操纵构件，但是操纵构件经历了由于主动稳定系统附接至的常平架的物体的移动导致的旋转运动。例如，车辆转弯将导致操纵构件相对于平摇轴的旋转运动。

更具体地，在图16的示例中，稳定控制过程1600基于关节角度测量结果并使用强制函数1660确定命令倾斜角度1644。具体地，强制函数1660处理关节角度测量结果1626，以确定用于由积分器1662更新(数值积分)命令的倾斜角1644的增量更新。更新的命令角度1644在每个控制环路更新被提供给P控制元件1640，以正常的稳定方式进行处理。也就是说，对于每个控制环路循环(更新、“记号”等)，强制函数1660的输出被添加到命令的指向角，其中，控制回路更新的P/PID环路部分根据新的更新命令的指向角稳定摄像机的指向角。该过程使得主动稳定系统(常平架)在期望的方向以一定的速率操纵摄像机。

如果摄像机操作者停止移动操纵构件并将操纵构件保持在相同的姿态，那么由于逐渐变小的误差导致变化速率随着每次更新将减小直到指向角的运动停止。如果强制函数包含了阈值窗口并且阈值窗口的阈值超过零，则摄机的指向角运动在阈值窗口的边框(边缘)处将停止。如果摄像机操作者选择连续地移动操纵构件，那么该摄像机的指向方向也将开始改变(虽然以不同的速率)，直到达到平衡速率，有效地匹配但滞后的操纵构件被移动的速。也就是说，摄像机的指向方向的运动的初始时期涉及加速时期直至达到平衡。摄像机操作者能够通过以较快或较慢的速率移动操纵构件来控制该加速度。

通常，摄像机的指向角响应于操纵构件的旋转的行为(运动)在很大程度上取决于强制函数1660的性质。强制函数1660通常是被设计以针对小角度输出非常小的值和针对大角度输出很大的值的非线性函数。优选地，强制函数是奇对称的同时在截距为零处跨过该轴。例如，在一些实施方式中强制函数由下式表示：

F(angle)＝S×angleⁿ(1)

其中，角度为关节角度测量结果1626，n是功率因数，优选地是奇数，并且S是用于按比例缩放强制函数以达到期望的行为的标度常数。

此外，强制函数通常被设计以给出正输出到正角度，和负输出到负角度。也就是说，如果例如转向右边被主动稳定系统解释为增加的平摇角度的值，则强制函数将随着每个控制环路更新增加命令的角度，如果倾斜向下被系统解释为减小倾斜角度的值，则强制函数将随着每个控制环路更新降低命令的角度等。

摄像机操作者可以为特定场景通过调节曲线形状和阈值窗口定制强制函数的行为。以这种方式，有可能执行适合长变焦镜头的高精细指向控制，接近行动运动和其它情况。

如上所述，类似于图15的控制器1500，控制器1600经由阈值窗口设置盲带区。然而，不像当跨过盲带区域的边界时导致摄像机的几分突然的动作的控制器1500，控制器1600以针对小的误差的小步幅和针对增加的误差的大得多的步幅改变摄像机的指向角。以这种方式，在穿过盲带区域边界的急缓度被降低并且实现更为流畅的运动。当命令的角度随着每个更新循环基于强制函数输出增大/减小时，指向角将逐渐等同于阈值窗口边缘(边界)(例如，如果操纵运动被停止)。在这一点上，强制函数的结果将成为零并且指向角运动将停止。强制函数方法还允许通过简单的移动操纵构件到更极端的角度立即和快速运动(人应该是必需的)。

图17示出了描述基于+/-20度的阈值窗口的示例强制函数1710同基于相同的阈值窗口的阶跃函数1720相比的曲线图1700；强制函数1710是根据上升到第五功率的角度误差的非线性曲线。如图所示，强制函数1710在接近阈值窗口时提供小输出并且迅速增加其输出远离阈值窗口。也就是说，强制函数在阈值窗口的附近近似阶跃函数1720，平滑函数1720的阶跃并且在极端处提供强烈的效果。

图18和19示出了针对某些示例性场景比较系统的世界角1840和1940、强制函数1810和1910、摄像机的指向角1830和1930和系统的操纵构件和摄像机安装的IMU之间的关节角度1820和1920的变化的曲线图1800和曲线图1900。

在图18中，没有阈值窗口已被设定(阈值窗口已被设定为等于零)，而在图19中，强制函数是基于+/-10度的阈值窗口。在图18和19的情形下，主动稳定系统最初是在0度(水平位置)，那么它的角度通过向上操纵(旋转)操纵构件被迅速增加至23度，并且然后根据到达23度角它的运动被停止。换句话说，主动稳定系统在23度处返回到静止状态。该运动由世界角度线1840反射，在罗盘坐标中反射操纵构件的(手柄)角。

描述在操纵构件与摄像机安装的IMU之间的关节角度的变化的关节角度线1820在指导摄像机开始移动的大约6度处出现峰值。然后，关节角度线1820跟随系统的恒定运动。在摄像机开始移动的时候建立的系统和摄像机的动作之间的延迟被保持直到系统停下来。此后，关节角度线1820趋向于零，虽然相当慢，但是由于它赶上。以这种方式，在摄像机上是微妙的缓慢停止和视觉吸引力可以在拍摄视频中实现。

在图18和19中，强制函数1810是以特定的(任意的)比例因子缩放以实现期望的视觉效果的三次函数。可以调整该缩放因子。反映摄像机的实际指向角的变化的摄像机的指向角线1830有效地落后于世界操纵构件线1840(当系统停止移动时慢慢地、顺利地赶上)。

图19示出与图18相同的情形，随着阈值窗口已经被设置为+/-10度的差异。因此，虽然该系统的角度(操纵构件的角度)从0度变化至23度，但是摄像机的指向角在运动停止的点上仅从0度变化至13度。这种差异反映了所选择的阈值窗口的值。此外，由于设定的阈值窗口，强制函数1910的输出针对高达10度的角度为零。以这种方式，指向角1930的运动关于系统运动1940被延迟。在系统停止移动之后，关节角度线1920在约16度处达到峰值然后趋向10度(上阈值)。

虽然，如相对于所图16至19所描述的，强制函数应用于控制角度更新，在一些实施方式中，代替地强制函数被用于控制角速率更新。通过比较如由IMU测量的关节角度(例如，倾斜角)和常平架姿态(例如，倾斜姿态)，确定了误差，对于此相同的强制函数被应用于得到供给到基于速率的控制环路的更新的命令的角速率。因此，如果由IMU测量的关节角度与姿态是不一样，则将命令操纵运动。可以以相同的方式应用阈值窗口。

在一些实施方式中，对于主动稳定控制器(诸如，控制器1500和1600)的进一步增强进行了介绍。图20示出了使摄像机操作者能够暂时锁定当前摄像机的指向角返回到正常稳定模式以保持锁定角度的主动稳定控制器2000。换句话说，控制器2000为摄像机操作者提供了用来在意愿(操纵模式)下禁止响应于操纵构件的旋转运动的摄像机的指向角的操纵并且保持最后测量的指向角的机会。

更具体地，图20通过引入用于禁止操纵模式的触发器2070和采样和保持元件2072以及用于使基于关节角度的外控制环路的替代物能够启用正常的稳定过程的P控制元件2076扩展了图15的稳定控制过程1500。触发器2070是位于操纵构件2022上或在对于摄像机操作者触手可及的主动稳定系统中的另一个位置的按钮、致动器等。通过推、拉、或以其它方式接合触发器270，摄像机操作者禁止操纵模式，锁定当前指向角作为被控制器2000保持的角度直到触发器2070被释放。

为了这个目的，当触发器2070被使用时，采样和保持单元2072被指示采样摄像机的当前指向角(姿态)并且将其存储为新的命令的指向角。此外，响应于触发器2070正被使用，点锁定开关2078将从PI控制元件2040到PID控制元件2050的输入路径切换至从P控制元件2076到PID控制元件2050的第二输入路径。也就是说，点锁定开关2078有效地将由控制元件2040控制的基于关节角度的外PI环路与由P控制元件2076控制的基于倾斜角度的环路置换。根据切换至第二输入路径，控制器2000能够根据由采样和保持元件2072存储和供应的命令的角度2074执行正常的稳定过程(诸如，关于图14所描述的)。以这种方式，如由IMU2030在触发器2070被使用的时候测量的摄像机的指向角2034成为命令的指向角2074并且被保持，直到触发器2070被释放。

当触发器2070被释放时，点锁定开关2078将控制环路切换回原始输入路径，从而将控制器2000恢复到操纵模式并且使摄像机操作者能够执行平滑驾驶。因此，通过结合触发器2070以禁止操纵模式，当他/她肯定他/她已经锁定镜头并且不需要改变摄像机的指向角时，摄像机操作者无需担心无意中穿过盲带区域的外部。因此，当不需要它的好处时，与窗口阈值函数的使用相关的某些不确定性被除去。

主动稳定系统可以包括单个触发器作为一个整体来禁止操纵模式，或以具有针对平摇、倾斜和滚动轴中的每个或一些的用于禁止操纵模式的单独的触发器。此外，在一些实施方式中，一种混合模式被实现，其中，远程操作者经由操纵杆等控制相对于轴(例如，倾斜轴)中的一个的摄像机的指向角，并且常平架握持操作者使用操纵功能控制针对另一个轴(例如，平摇轴)的摄像机的指向角。该混合模式可能特别适合于拍摄追逐场面，其中，当倾斜控制需要将是更适合于远程操作者的更微妙的技巧时，常平架操作者更能够预见到所需的平摇运动。

在一些实施方式中，摄像机(常平架)操作者被提供有在操纵构件上显示的小的HD以本地辅助镜头取景。

图15、图16和图20的控制器1500、1600和2000分别使摄像机操作者能够转换摄像机，以也可视地以平稳的方式控制摄像机指向角而不牺牲主动稳定的好处。为了控制操纵构件(诸如，常平架手柄)的驾驶，操作者在指定方向上转动操纵构件(手柄)，并且常平架(主动稳定系统)流畅地跟踪运动，相应地调整摄像机的指向角。例如，在名义上的水平姿态，常平架保持水平。如果操作者向前倾斜常平架的手柄，那么常平架开始以正比于操纵构件的旋转运动的速率向下倾斜(在一些实施方式中仅在阈值窗口边界已经被跨越之后)。向后倾斜常平架手柄将导致常平架的向上运动以及倾斜的摄像机的指向角。以这种方式，通过上下倾斜手柄(绕倾斜轴的旋转操纵构件)，摄像机操作者控制摄像机的指向倾斜角。以类似的方式对平摇角和滚动角进行处理和控制。

摄像机操作者可以针对某些轴或所有轴选择锁定操纵模式(例如，仅针对平摇动作激活操纵模式)。如果摄像机操作者将滚动手柄(操纵构件)远离水平并且然后也应用平摇，同样直观的运动将被要求并且是适用的。

虽然，控制器1500、1600和2000被描述使用相对于对应于控制的指向角的轴的关节角度测量结果(例如，针对平摇角度操作的平摇关节角度测量结果)，但是可以需要不同轴的关节角度测量结果的情景以适当地支持操纵模式。因此，在一些实施方式中，主动稳定控制器(诸如，控制器1500，1600和2000)被配置为确定这种场景并将获得所需的测量结果。

例如，当摄像机操作者向后和向上倾斜手柄以达到一些额外的高度，滚动关节正在执行平摇和平摇关节正在执行滚动。因此，尽管摄像机操作者可能仍然需要用于平摇的操纵模式，但是如果手柄在平摇意义上被移动，则滚动关节变成命令的测量。也就是说，控制器1500、1600和2000将获得滚动关节角度测量结果以执行相对于图15、图16和图20中针对平摇轴描述的方法。

此外，在某些情况下，可能需要针对超过一个轴的关节角度测量结果。例如，在约45度的平摇角，滚动和平摇关节角度测量结果两者是必需的，以使控制器1500、1600和2000能够确定可能的指向角的调整。在这种情况下，在一些实施方式中，控制器1500，1600和2000使用四元数的方法解释的操纵运动，(例如，通过应用从手柄(操纵构件)指向矢量到参考的常平架应用数学变换的平摇运动)。以这种方式，例如，平摇操纵运动运动总可以被解释平摇运动，不管手柄的姿态，因为该解释是基于Z轴旋转的。也就是说，在这种实施方式中，运动围绕垂直轴线相对于地球重力矢量基于针对两个或三个轴的关节角的测量结果被解析，并且然后被提供给控制环路作为命令指向方向的变化。需要稍微不同的方法存在的这种特殊的情况(诸如，刚刚描述的示例)通常基于摄像机的当前指向角和/或操纵构件的当前指示角被确定。在肯定确定的情况下，然后进行对于本文描述的方法的相应的调整(诸如，如何得到关节角度测量结果)。

在一些实施方式中，代替测量关节角和利用它们来经由例如强制函数直接控制摄像机的指向角，使用由位于操纵构件(诸如，手柄)上的第二IMU获得的测量结果。图21示出了采用的第二IMU2180以启用操纵模式的控制器2100的示例。由控制器2100实现的控制环路通常与由相对于图15讨论的控制器1500实现的控制环路是相同的。然而，不像以基于关节角度测量结果的操纵模式确定为基础的控制器1500，控制器2100从摄像机安装的IMU2130获得的摄像机角度测量结果2134和从操纵构件安装的IMU2180获得的操纵构件角度测量结果2184以在控制元件2186(例如，使用四元数方法)得到相关的关节角度测量结果2126。然后，以与图15的关节角度测量结果1526相同的方式使用相关的角度测量结果2126。

虽然，已经不参考强制函数描述了图20和图21，但是控制器2000和2100两者可以被重新配置为使用相对于图16所讨论的方法合并强制函数。

图22示出了根据一些实施方式的用于响应于操纵常平架构件(诸如，手柄)的旋转运动调整主动稳定摄像机的指向角的方法。如上所述，方法2200不依赖于强制函数启用操纵模式。

方法2200开始于与常平架操纵构件的旋转运动联合得到关节角度或相关角度的步骤2205。如相对于例如图15、图16、图20和图21所描述的，这取决于常平架(主动稳定系统)的当前指向角，可以从针对相应轴的关节角的直接测量(诸如，从各自的致动器的解析器)、针对不同的轴的关节角度的直接测量、针对不同轴的关节角度测量的组合(步骤2210)和/或通过比较来自两种不同的IMU的直接角测量(摄像机安装的IMU和操纵构件(手柄)安装的IMU(步骤2215)得到关节(相对的)角度测量结果。

在步骤2220，进行在步骤2205得到的角度是否超出(位于外)阈值窗口的确定。通常，当角度在阈值窗口范围内时，相应的运动被解释为无意的干扰并且这种干扰被校正以保持摄像机的命令的指向角。换句话说，摄像机的指向瞄准角被锁定。为了实现该结果，如步骤2230，关节(相对的)角度被更新为0，表示不需要操纵运动，并且被提供给基于角度的控制环路(步骤2240)。

在一些实施方式中，摄像机操作者被提供有指向角被锁定的指示。这样的指示器通知摄像机操作者摄像机的指向角将被保持(稳定)，不管操纵构件的一些旋转运动。因此，方法2200包括可视地表示摄像机的指向示角被锁定的可选步骤2225。指示器包括但不限于LED指示灯、屏幕指示器等。尽管可以使用声音指示器代替，但是通常不使用这样的选择，以便不影响录音。

如果在步骤2220a进行在步骤2205得到的角度超过阈值窗口的判定，则该方法前进到步骤2235。在该步骤，关节(相对的)角度测量结果被减小阈值窗口的值。以这种方式，可以实现正比于超过阈值的角度值的运动。然后，更新的角度测量结果被提供给基于角度的控制环路。

在步骤2240执行基于角度的控制环路。如参照图15所描述的，通过由基于角度的控制环路归零关节角度来实现不使用强制函数的操纵模式。也就是说，基于零命令的角度和更新的关节角度执行基于角度的控制环路。因此，如果方法2200经由步骤2225到达步骤(原始测量结果落在阈值窗口内)，则步骤2240的输出将为零并且没有操纵运动/将命令针对指向的调整。应当注意，指向角仍然可以被调整以保持命令的指向角(修正运动)。然而，如果方法2200经由步骤2235到达到步骤2240(原始测量结果超出阈值)，在步骤2240，将基于更新的关节角度得到命令的速率。

在步骤2245，基于步骤2240的输出(命令的速率)和如由摄像机安装的IMU获得的当前的角度执行基于速率的内控制环路，以得到用于控制摄像机的指向角命令。该命令随后在步骤2250被提供给致动器以供执行。

该方法2200通常描述了可以由主动稳定控制器(诸如，图15的控制器1500)执行的方法，以启用操纵模式。如果当前关节(相对的)角度测量结果落在阈值窗口内，则将不命令从命令的角度得到的操纵运动。相反，命令的角度将被保持，并且只有校正运动可以被命令。也就是说，阈值窗口内的任何干扰被校正以保持命令的角度。然而，如果当前关节(相对的)角度测量结果超出阈值窗口，则将发出命令以在操纵构件的旋转运动的方向上调整摄像机的指向角。由于设定的阈值窗口，调整运动将延迟操纵构件的运动。

图23示出了根据一些实施方式的用于响应于操纵常平架构件(诸如，手柄)的旋转运动调整主动稳定摄像机的指向角的另一种方法。如上所述，方法2300不依赖于强制函数启用操纵模式。然而，方法2300通过合并用于禁止操纵向模式的触发器膨扩展方法2200。

方法2300开始于测量与常平架操纵构件的旋转运动联合的关节角度的步骤2305。此外，摄像机的当前角度和角速率也例如由摄像机安装的IMU测量。在步骤2310，做出关于指向角锁定触发器(诸如，专用按钮、致动器、或其它控制器)是否被启用(只是被启用或继续被使用)判定。如相对于图20更详细描述的，通过启用触发器，摄像机操作者禁止操纵模式，切换至正常稳定模式。此外，虽然在图23中未示出，但是当触发器被启用而不是继续被使用时，摄像机的指向角的当前测量例如由存储和保持元件保存为命令的角度。如果触发器被启用，则方法2300前进以基于命令的角度和在步骤2305测量的角度执行基于角度的外控制环路更新。

当响应于触发器被启用执行步骤2315时，由基于角度的控制环路更新有效地处理的命令角度和测量角度是相同的，并且不需要操纵角度调整(指向角是完全稳定的)。否则，命令的角度和测量的角度可以是不同的，并且指向角的轻微的校正调整可能被需要以保持稳定。将在步骤2340由基于速率的控制环路更新基于当前测量的倾斜速率和在步骤2315得到的命令的倾斜速率得到这样的调整，作为控制命令发出并且在步骤2350向各自的致动器输出。

如果在步骤2310，进行指向角锁定触发器没有被启用或者已被释放的判定，那么操纵模式被激活并且摄像机的指向角响应于操纵构件的旋转运动将被操纵。步骤2320、2325、2330、2335、2340、2345、和2350通常分别复制步骤2220、2235、2225、2230、2240、2245、和2250，相对于图22所描述的并以相同的方式被执行。也就是说，该方法2300通常可以被看作是通过合并禁止在意愿操纵模式下的特征的方法2200的扩展，如相对于图20的更详细地描述的。

图24示出了根据一些实施方式的用于响应于操纵常平架构件的旋转运动使用强制函数调整主动稳定摄像机的指向角的方法2400。方法2400开始于测量与常平架操纵构件的旋转运动联合的关节角度被测量结果或另外(例如，从各自的致动器的解析器)获得的步骤2405。此外，可以从来自摄像机安装的IMU和位于主动稳定系统的某处(例如，在操纵构件上、常平架的中间位置(诸如滚梁)等)的第二IMU的角度测量结果的组合推断关节角度测量结果。然后，该方法前进到步骤2410以应用阈值窗口函数。

步骤2410、2415、2420、和2425大体上分别类似于方法2200的步骤2220、2225、2230、和2235的，并且以类似的方式被执行。在步骤2430，强制函数(诸如，相对于图16至图19所讨论的强制函数)被应用于更新的关节角度以得到针对摄像机的命令的指向角的增量更新。如果方法2400经由步骤2420到达步骤2430(关节角度测量结果落在阈值窗口内)，强制函数被有效地应用于零值。因此，强制函数的输出也是零，并且命令的角度保持相同。也就是说，在步骤2435、2440、和2445，摄像机的指向角将被维持，修正落在阈值窗口内的干扰。有效地，由于没有进行对命令的角度的调整，包括嵌套控制环路的正常的稳定过程被执行。

然而，如果方法2400经由步骤2425到达步骤2430(关节角度测量值超出阈值窗口)，则强制函数在超出的阈值窗口被应用于关节角度(关节角度减小到阈值)以得到增量更新。然后，使用增量更新更新命令的角度以得到新的命令角度。如上所述，步骤2435、2440、和2445是通常是被执行以执行用于保持摄像机的指向角的正常的稳定过程的步骤。然而，因为命令的角度在步骤2430已经被更新，、步骤2435、2440、和2445提供了在操纵构件的旋转运动的方向上的摄像机的指向角的操纵调整。此外，由于强制函数被用于确定对命令的角度的增量更新，由于基于新近获得的测量重复步骤2435、2440和2445，这些步骤产生指向角运动正比于操纵构件的旋转运动，如通过由阈值降低的关节角度值所限定的。

图25示出了根据一些实施方式的用于响应于操纵常平架构件的旋转运动调整主动稳定摄像机的指向角的一般方法。该方法开始于确定是否指向角锁定触发器被启用的可选步骤。如果判定结果是肯定的，则在步骤2535操纵模式被禁止并且摄像机的指向角正根据命令的角度例如以相对于图23所描述的方式主动稳定。另外，可选的是视觉上指示摄像机的当前指向角被锁定的步骤2520(例如，相对于图22更详细地描述)。

如果指向角锁定触发器没有被启用，与常平架操纵构件的旋转运动相关的关节角度测量在步骤2510被得到。如相对于例如图15、图16、图20至图22所描述的，这取决于操纵构件(或常平架)的当前指向角和/或摄像机的当前的指向角，可以从针对相应轴的关节角的直接测量、针对不同的轴的关节角度的直接测量、针对不同轴的关节角度测量的组合、和/或通过比较来自两种不同的IMU的直接角测量(摄像机安装的IMU和操纵构件(手柄)安装的IMU)的组合得到关节角度测量结果。然后，在步骤2515(分别类似于方法2200、2300和2400的步骤2220、2310、和2410)，将得到的关节角度测量结果相对于阈值窗口进行评估。测量结果落入阈值窗口内意味着当前指向角应当根据命令的指向角在步骤2535被稳定。也就是说，如果指向角受到一些干扰，可以对指向角进行校正调整以稳定它。可视地表示摄像机的当前指向角被锁定的可选步骤2520角也可以被执行。

如果关节角度测量结果超出阈值窗口，则方法2500前进至步骤2530，其中，摄像机的指向角在操纵构件的旋转运动的方向上基于得到的关节角度测量结果被调整。步骤2530可以包括关于相对于图22至24的操纵模式所描述的任何方法。也就是说，步骤2530可以包括将关节角度测量结果减少阈值窗口的值，应用强制函数，执行基于角度和速率的控制环路和/或所描述的方法的任何变化。

方法2200、2300、2400、和2500中的每种可以针对关于相应的轴的倾斜、平摇和滚动轴中的一个或更多个被执行。另外，方法2200、2300、2400、和2500中的每种可以仅针对一个或更多个轴被激活只为一个轴的一个或更多个激活。例如，通过激活仅针对平摇轴的方法2200、2300、2400、或2500，在远程操作者保持负责调节倾斜的同时，摄像机操作者能够操纵摄像机的平摇角度，或反之亦然。

图26示出了根据一些实施方式的用于使摄像机响应于操纵构件2622的旋转运动和关于操纵构件的定位(速度操纵模式)操纵的单轴控制器2600。通常，速度操纵模式使摄像机操作者能够通过从水平面移动操纵构件命令摄像机的指向角的运动以开始运动，并且将操纵构件返回到基本上水平的平面以停止运动。指向角运动(摄像机的指向角是变化多快)的速度由操纵构件2622从水平面倾斜多远来确定。该运动与操纵构件2622的旋转运动(倾斜)在同一方向上。在一些实施方式中，阈值窗口函数2660在速度模式(类似于这里所讨论的操纵模式)下被实现，以便允许摄像机操作者的一些误差空间并且防止无意的运动。

例如，如果操作者向前倾斜常平架手柄跨过阈值窗口的边界，那么摄像机开始以正比于估计(相关)的角度的速率向下倾斜。通过使手柄向后并返回到阈值窗口，将停止指向角的运动。以这种方式，摄像机操作者能够通过稍微旋转操纵构件(并不是所有的方式)控制摄像机的指向角(倾斜)，能够启动运动，指示运动方向，并且当达到期望的指向角时通过将手柄返回到原来的位置停止运动。当期望极端的指向角(诸如，距离水平面的上述45度)时，速度操纵模式可能是特别适当的。具体地，操纵速度模式改善了摄像机操作者控制摄像机的指向倾斜角的便利(例如，摄像机操作者不必一直以向上的姿势握持手柄)。应当注意，类似的原理适用于关于垂直平面的平摇角度。

为了启用速度操纵模式，控制器2600实现分别由P控制元件2640和PID控制元件2650控制的基于角度和基于速率的控制环路。两个回路通常以与以上相对于图14所讨论的控制器1400的控制环路相同的方式执行。然而，当命令的角度1444输入到控制器1400的P环路作为设置点时，控制器2600从相对的关节角度数据得到命令的倾斜角2644。

具体地，元件2660关于水平面设置阈值窗口。元件2660从位于操纵构件2622上的IMU2680接收姿态测量结果2689，并且确定接收到的测量结果是否超出设定的阈值窗口。当操纵构件姿态2689超出阈值时，元件2660将该姿态2689减小阈值窗口的绝对值，并且向采样和保持单元2672提供得到的有窗的倾斜姿态(角度)2662。采样和保持单元2672例如基于本文所讨论的整合方法确定用于更新摄像机的指向角的倾斜速率步幅2673(更新)。在一些实施方式中，可选的强制函数2668被利用来产生步进速率2673。强制函数2668大体上类似于以上相对于图16至图19所讨论的强制函数，尽管可能功率不同。通常，强制函数2668被用于形成指向角运动，使之顺畅，特别是当与阈值边界相交时，而不是使之跳跃。

积分器2674以倾斜更新速率更新存储在采样和保持单元2672中的命令的角度，并且向用于稳定的P环路提供更新的命令倾斜角度。由于命令的倾斜角已经被更新，稳定P和PID环路的执行将导致在由操纵构件2622的旋转运动所指示的方向上的指向角运动。时钟2676定义用于采样有窗的倾斜姿态和确定的倾斜速率步幅的更新速率。这种更新速率通常对应于P和PID环路的更新速率。只要操纵构件2622的倾斜角度超出设定的阈值窗口，即使操纵构件2622不再移动，命令的角度2644将继续被更新，使的指向角移动。

在一些实施方式中，从如由致动器2620的分解器通过减法提供的IMU倾斜角度2634和倾斜关节角度2624推断操纵构件2622的角度(姿态)。

在本文中示出和描述的实施方式中的操作的执行顺序或性能不是必需的，除非另有规定。此外，不是所有的操作是必须执行的。也就是说，本文描述的操作/步骤(例如，相对于图15、图16和图20至图25)可以以任何顺序来执行，除非另有规定，并且实施方式可以比本文所公开的包括附加的或更少的操作/步骤。例如，具体选择的顺序和/或方法的步骤的数量可以取决于摄像机操作者的喜好和/或常平架稳定系统和/或摄像机和/或它们的部件的技术规格。进一步预期的是，在进行或执行特定操作/步骤之前、同时或之后，另一个操作是根据所描述的实施方式。

在本文中示出和描述的实施方式中的操作的执行顺序或性能不是必需的，除非另有规定。此外，不是所有的操作是必须执行的。也就是说，本文描述的操作/步骤(例如，相对于图15、图16和图20至图26)可以以任何顺序来执行，除非另有规定，并且实施方式可以比本文所公开的包括附加的或更少的操作/步骤。例如，具体选择的顺序和/或方法的步骤的数量可以取决于摄像机操作者的喜好和/或常平架稳定系统和/或摄像机和/或它们的部件的技术规格。进一步预期的是，在进行或执行特定操作/步骤之前、同时或之后，另一个操作是根据所描述的实施方式。

本文所描述的方法和操作可被编码为在计算机可读介质中体现的可执行指令，包括但不限于，非临时性计算机可读存储器、存储设备、和/或存储器设备。这种指令当由处理器(或计算机、处理器、和/或其它设备中的一个或更多个)执行时使得处理器(或计算机、处理器、和/或其它设备中的一个或更多个)能够执行至少一部分本文中所描述的方法。非临时性计算机可读存储介质包括但不限于易失性存储器、非易失性存储器、诸如磁盘驱动器的磁和光存储设备、磁带、CD(致密盘)、DVD(数字多功能盘)、诸如微型SD存储卡的闪存卡、或能够存储代码和/或数据德其它介质。

方法和过程也可以部分或完全地体现在硬件模块或装置或固件中，使得当硬件模块或设备被激活时，它们执行的相关的方法和过程。方法和过程可以使用代码、数据、和硬件模块或装置的组合来体现。

处理系统、环境和/或配置的示例可以适用于与本文所述的实施方式的使用，包括但不限于，嵌入式计算机设备、个人计算机、服务器计算机(特定或云(虚拟)服务器)、手持或膝上型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、机顶盒，可编程消费电子产品、移动电话、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括任何上述系统或设备等的分布式计算环境。在本公开中描述的硬件模块或装置包括但不限于应用特定的集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用或共享的处理器、和/或其它硬件模块或装置。

应当理解，本公开内容包括在上述的实施方式中陈述的可选功能的组合排列。具体地，应当理解，设置在所附的从属权利要求中陈述的特征与可以被提供的任何其它有关独立权利要求组合被公开，并且本公开不限于仅这些从属权利要求与他们最初依赖的独立权利要求的特征的组合。

应当进一步理解，本文所讨论的多个参数和设置在主动稳定系统被初始化的时候和/或在使用时(例如，在拍摄期间)是可以由摄像机操作者和/或远程操作者调节的。更具体地，在一些实施中方式，远程操作者可以使用远程控制器、计算机(或其它处理设备)运行建立/调整应用、或经由远程链路、诸如无线电(例如，蜂窝、Wi-Fi、蓝牙)的无线或有线(例如，光纤、缆线等)与主动稳定系统和/或摄影机通信的任何其它设备设置或调整任何在此讨论的参数和设置。设置/调整应用向它的用户(例如，远程操作者、摄像机操作者、或其它)提供图形界面(GUI)，该图形界面使得用户能够为主动稳定系统和/或摄像机选择并调整所需的参数和/或设置，激活或停用由包括用于选择或所有轴(平摇、倾斜、滚动)的主动稳定系统和/或摄像机等支持的不同的模式。相应的命令(数据、值)被发送到主动稳定系统和/或摄像机，一边更新各自的参数和设置。也就是说，用户能够使用安装在设备或在基于网络上的特殊设计的应用程序控制和各种参数和摄像机和/或主动稳定系统的设置，和/或远程激活/停用不同的模式。可调参数和设置包括但不限于摄像机的设置(例如，焦点设置(诸如，透镜的焦距))；例如到拍着的物体的距离、高度等；各种阈值、缩放因子、强制函数、控制环路设置(诸如，PID增益，最大和/或最小值，滤波器设置和带宽，针对不同的轴的设置，传感器设置，存储设置，控制速率，校准，偏移等)。该应用程序还可以通知用户系统的/摄像机的状态和当检测到错误时语音报警。

此外，虽然本发明已经就各种具体实施方式进行了描述，本领域技术人员将认识到本发明可以在权利要求的精神和范围内的修改来实践。

Claims (22)

1.一种用于调整由被配置成根据命令的指向角来稳定摄像机的主动稳定系统所容纳的摄像机的指向角的方法，所述系统包括操纵构件，所述操纵构件围绕所述系统的平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个或更多个能够旋转，所述方法包括：

得到与所述操纵构件的旋转运动相关的所述操纵构件的关节角度测量结果；以及

如果所述关节角度测量结果超出所述阈值窗口，则基于所得到的关节角度测量结果在所述操纵构件的所述旋转运动的方向上调整所述摄像机的所述指向角。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述旋转运动被围绕垂直轴解析。

3.根据权利要求1述的方法，所述方法还包括：

如果所述关节角度测量结果在所述阈值窗口内，则根据所述命令的指向角主动地稳定所述摄像机的所述指向角。

4.根据上述权利要求中的任意一项所述的方法，所述方法还包括：

如果所述关节角度测量结果在所述阈值窗口内，则由所述主动稳定系统指示指向角锁定的状态。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述指示步骤包括以下步骤中的一个：

使用所述主动稳定系统的可视指示器可视地指示所述指向角锁定的状态；以及

产生声音指示器以指示所述指向角锁定的状态。

6.根据上述权利要求中的任意一项所述的方法，所述方法还包括：

更新所述关节角度测量结果，其中，所述更新步骤包括：

如果所述关节角度测量结果超出所述阈值窗口，则将所述关节角度测量结果减小所述阈值窗口的阈值，以及

如果所述关节角度测量结果在所述阈值窗口内，则将所述关节角度测量结果设置为0；以及

基于所更新的关节角度测量结果得到用于调整所述摄像机的所述指向角的控制命令。

7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括：

将强制函数应用于所减小的关节角度测量结果，以得到对所述命令的指向角的增量更新；

通过所述增量更新来更新所述命令的指向角；以及

基于所更新的命令的角度来执行稳定控制环路更新，以得到用于在所述操纵构件的所述旋转运动的方向上与所减小的关节角度测量结果成比例地调整所述摄像机的所述指向角的所述控制命令。

8.根据权利要求6述的方法，所述方法还包括：

执行基于角度的控制环路，以得到命令的角速率；并且

基于所更新的关节角度测量结果和零命令的角执行稳定控制环路更新，以得到用于调整所述指向角的所述控制命令。

9.根据权利要求7和8中的任意一项所述的方法，其中，所述稳定控制环路更新包括：

基于角度的外控制环路，所述基于角度的外控制环路用于得到命令的倾斜速率；以及

基于速率的内部控制环路更新，所述基于速率的内部控制环路更新基于所述摄像机的命令的速率和当前的角速率，用于得到用于调整所述摄像机的所述指向角的所述控制命令。

10.根据上述权利要求中的任意一项所述的方法，其中，在指向角锁定的触发器被启用时，所述方法还包括：

测量所述摄像机的当前指向角；并且

存储所测量的所述摄像机的指向角作为所述命令的角度。

11.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：

根据所存储的所述命令的指向角主动地稳定所述摄像机的所述指向角，直到所述指向锁定的触发器被释放。

12.根据上述权利要求中的任意一项所述的方法，其中，得到关节角度测量结果的步骤包括：

从针对所述平摇轴、所述倾斜轴和所述滚动轴中的一个的致动器的解析器获得针对所述平摇轴、所述倾斜轴和所述滚动轴中的所述一个的所述关节角度测量结果。

13.一种针对所述平摇轴、所述倾斜轴和所述滚动轴中的一个执行的根据上述权利要求中的任意一项所述的方法。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，根据所述摄像机的当前指向角和所述系统的指向角中的一个或更多个，基于以下各项中的一个来得到所述关节角度测量结果：(1)对应于所述平摇轴、所述倾斜轴和所述滚动轴中的所述一个的轴的关节角；(2)针对不同于所述平摇轴、所述倾斜轴和所述滚动轴中的所述一个的轴的关节角；以及(3)针对所述平摇轴、所述倾斜轴和所述滚动轴的关节角中的两个或更多个关节角。

15.根据权利要求1和2中的任意一项所述的方法，所述方法还包括：

如果新的关节角度测量结果在所述阈值窗口内，则停止调整所述摄像机的所述指向角。

16.根据权利要求1至11中的任意一项所述的方法，其中，得到关节角度测量结果的步骤包括：

由安装在所述摄像机上的第一惯性测量单元测量第一角度；

由位于常平架的中间位置的第二惯性测量单元测量第二角度，以得到第二测量结果；并且

基于所述第一角度和所述第二角度得到所述关节角度测量结果。

17.根据权利要求1至11中的任意一项所述的方法，其中，得到关节角度测量结果的步骤包括：

针对所述平摇轴、所述倾斜轴和所述滚动轴中的两个或更多个测量关节角度；并且

基于两个或更多个所测量的关节角度得到所述关节角度测量结果。

18.一种存储有用于使得处理器执行根据权利要求1至14所述的方法的程序指令的非临时性计算机可读介质。

19.一种用于调整所容纳的摄像机的指向角的主动稳定系统，所述系统被配置为根据命令的指向角稳定所述摄像机，所述系统包括：

支撑构件，所述支撑构件用于支撑所述摄像机；

操纵构件，所述操纵构件围绕所述主动稳定系统的平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个或更多个能够旋转；

惯性测量单元，所述惯性测量单元被配置成测量所述摄像机的指向角和角速率，所述惯性测量单元被安装在所述摄像机上；以及

主动稳定控制器，所述主动稳定控制器被配置为使用由所述惯性测量单元提供的所述测量结果针对平摇轴、倾斜轴和滚动轴中的一个或更多个执行根据权利要求1至15中的任意一项所述的方法。

20.根据权利要求19所述的系统，所述系统还包括：

第二惯性测量单元，所述第二惯性测量单元安装在所述系统的框架上并且被配置为测量所述操纵构件的指向角，其中，

所述主动稳定控制器还被配置为使用由安装有惯性测量单元的所述摄像机和所述第二惯性测量单元提供的所述测量结果、针对所述平摇轴、所述倾斜轴和所述滚动轴中的一个或更多个执行根据权利要求16所述的方法。

21.根据权利要求19到20中的任意一项所述的系统，所述系统还包括：

指示器，所述指示器用于指示所述摄像机的所述指向角何时被锁定。

22.根据权利要求19至21中的任意一项所述的系统，所述系统还被配置为允许摄像机操作者能够针对所述平摇轴、所述倾斜轴和所述滚动轴中的所选择的一个或更多个执行根据权利要求1至17中的任意一项所述的方法。