CN108458224A - 主动稳定的有效负载支撑装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种适合于与摄像机有效负载一起使用的用于稳定有效负载的有效负载稳定器和方法。所述稳定器具有反馈系统，所述反馈系统通过云台向所述有效负载提供补充转矩。

Description

主动稳定的有效负载支撑装置和方法

技术领域

本发明总体上涉及惯性稳定设备和方法，并且能够应用于有效负载，诸如例如包括便携式摄影机和摄像机的图像捕捉设备。

背景技术

移动摄影机或摄像机通常需要角稳定性和空间稳定性，以获得流畅的高质量结果。一种类型的稳定器是被动惯性摄像机稳定器。被动惯性摄像机稳定器减小或避免了不希望的角运动和空间运动，同时还能由直接操作员控制受益。被动惯性稳定器用来支撑各种摄像机，包括例如轻量级手持式摄像机和大型摄像机。大多数被动稳定器需要大量的训练时间和努力从而能够在使用时在技术上是熟练的。用于轻量级摄像机的具有减小的惯性矩的被动稳定系统的有效应用需要更多的技能和技术。

尽管各种摄像机稳定系统是可供使用的，在提供有效负载平台的连续的稳定控制方面仍存在挑战。特别地，需要一种用于迷你/轻量级摄像机的主动稳定器系统。

发明内容

公开了主动稳定的有效负载支撑装置的实施例。该有效负载支撑装置具有带有第一云台轴线(例如横摇轴线)和第二云台轴线(例如倾斜轴线)的云台，其中，云台轴线垂直于该第二云台轴线。云台具有转矩生成器系统，该转矩生成器系统包括用于一个或多个云台轴线的转矩生成器。在示例性实施例中，转动测量设备测量平移轴或平移运动的表示第三云台轴线的转动角θ。处理设备配置成接收角度θ，并且存储有可执行计算机代码的一个或多个非瞬态存储设备操作性地耦合到该一个或多个处理设备。当执行该代码时，算法获得第一云台轴线转矩和第二云台轴线转矩。转矩生成器然后生成第一云台轴线转矩和第二云台轴线转矩。

还公开了可以用于本文公开的方法的有效负载支撑装置。支撑件和稳定装置的说明性装置具有布置在云台处或在云台附近的齿轮组合，以实现转矩校正。齿轮可以是扇形齿轮和驱动齿轮、直接驱动配置或其他合适的部件的组合，以实现转矩。在示例性实施例中，平移电机和倾斜电机通过同心转矩生成器连接器连接并且包含在本装置的手柄中。

附图说明

详细描述参考本文简要描述的附图。示出附图中的转动的箭头仅用来指示转动并且不将转动限制到此方向。一些附图中的部件被移除，以暴露感兴趣的其他部件。所有附图是主动稳定的有效负载支撑件、其部件或附接到其上的附件的说明性实施例。

图1描绘根据本发明的说明性实施例的稳定器。

图2是本发明的说明性实施例的框图并且描绘与说明性物理结构的对应关系。

图3是根据本发明的说明性实施例的适用于使倾斜轴线稳定的算法的信号处理框图。

图4是根据本发明的说明性实施例的适用于使平移轴线稳定的算法的信号处理框图。

图5是根据本发明的说明性实施例的适用于使横摇轴线稳定的算法的信号处理框图。

图6和图7是本发明的说明性实施例的分解图。

图8是表示待由横摇电机和倾斜电机生成的实际转矩的计算的流程图。

图9A-H示出根据本发明的说明性实施例的0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°平移轴线角的横摇和倾斜的混合因素。

图10描绘根据本发明的说明性实施例的使有效负载稳定的装置。

图11描绘根据本发明的说明性实施例的使有效负载稳定的装置的透明视图。

图12是根据本发明的说明性实施例的图11的稳定装置的平移、倾斜和横摇机构的各部分的装配图。

图13描绘根据本发明的说明性实施例的使有效负载主动稳定的装置的倾斜机构的各部件。

图14描绘根据本发明的说明性实施例的横摇运动限制机构。

图15描绘根据本发明的说明性实施例的倾斜机构的各部件。

图16描绘根据本发明的说明性实施例的具有狭槽握把的主动稳定的有效负载支撑装置的另一种配置。

图17透明地描绘根据本发明的说明性实施例的具有该握把的主动稳定的有效负载支撑装置的一部分。

图18描绘根据本发明的说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑装置的剖面图。

图19描绘根据本发明的说明性实施例的具有带有扇形下缘的握把的主动稳定的有效负载支撑装置。

图20描绘根据本发明的说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑装置的握把内的万向节。

图21描绘根据本发明的说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑装置的扇形缘握把。

图22描绘根据本发明的说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑装置，其中，横摇框架由握把支撑。

图23描绘根据本发明的说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑装置的剖面图，其中，横摇框架由握把支撑。

图24描绘根据本发明的说明性实施例的图23的主动稳定的有效负载支撑装置的第二剖面图。

图25描绘根据本发明的另一说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑装置，其中，横摇框架由握把支撑。

图26描绘根据本发明的说明性实施例的图25的主动稳定的有效负载支撑件的剖面图。

图27描绘根据本发明的说明性实施例的凸台。

图28描绘根据本发明的说明性实施例的具有透明呈现的握把的主动稳定的有效负载支撑装置的一部分，以示出小齿轮和扇形齿轮机构。

图29描绘根据本发明的说明性实施例的小齿轮和扇形齿轮机构的一部分。

图30描绘根据本发明的说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑件的前视立体图。

图31描绘根据本发明的说明性实施例的图30的主动稳定的有效负载支撑件的侧视图。

图32描绘根据本发明的说明性实施例的图30的处于折叠状态的主动稳定的有效负载支撑件。

图33示出根据本发明的说明性实施例的当主动稳定的有效负载支撑件根据配置而折叠时，倾斜扇形齿轮如何从倾斜小齿轮脱离接合。

图34描绘根据本发明的说明性实施例，显示成像设备支架的主动稳定的有效负载支撑件的一部分。

图35是根据另一说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑件俯视载台本体的立体图。

图36是图35所示的说明性实施例的侧视图。

图37是图35所示的主动稳定的有效负载支撑装置的后视图。

图38是沿图37的A-A线的剖面图。

图39是图35所示的机构的一部分的装配立体图。

图40是图38所示的机构的一部分的装配剖面图。

图41描绘根据说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑装置的分解图。

图42是图41的一部分的放大图。

图43是图41的另一部分的放大图。

图44描绘根据说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑装置的后视图。

图45是沿图44的A-A线的剖面图。

图46是图45的实施例的扇形齿轮的一部分的装配立体图。

图47是具有直接驱动电机的主动稳定的有效负载支撑件的说明性实施例。

图48描绘具有用于生成转动运动的多个齿轮的主动稳定的有效负载支撑件的另一说明性实施例。

图49描绘根据说明性实施例的稳定装置的俯视图。

图50描绘根据说明性实施例的稳定装置的等距视图。

图51描绘根据说明性实施例的稳定装置的另一等距视图。

图52描绘根据说明性实施例的稳定装置的一部分。

图53描绘根据说明性实施例的处于基本倾斜位置的稳定装置。

图54描绘根据说明性实施例的稳定装置。

图55描绘根据说明性实施例的有效负载稳定系统的电子控制单元。

图56描绘根据说明性实施例的有效负载稳定系统的电子控制单元的另一视图。

图57描绘根据说明性实施例的有效负载稳定系统的电子控制单元的另一视图。

图58描绘根据说明性实施例的有效负载稳定系统的部件的示意图。

图59描绘根据说明性实施例的有效负载稳定系统的部件的另一示意图。

具体实施方式

为了简单，摄像机将主动稳定的有效负载支撑件的说明性实施例描述为其涉及摄像机有效负载。

主动稳定的有效负载支撑件的说明性实施例包括按照互连连续反馈回路的方式耦合连接的相互独立子组件的布置。在说明性实施例中，四个可能的子组件包括：

1：平衡部件组件

平衡部件组件包括“SLED(雪橇)”结构。在通过引用结合在此的第4,017,168号美国专利中描述了说明性雪橇结构，其中，该结构被指定为“用于手持摄影的设备”。该雪橇结构将在本文按照缩写的方式被称为装备或稳定器。稳定器与有效负载(诸如摄像机和相关设备)一起将被称为“平衡部件组件”。

图1描绘根据本发明的说明性实施例的平衡部件组件。稳定器1包括用于支撑待定向的摄像机有效负载110或其他有效负载的平台120；该平台连接耦合到在平台120远处和下方延伸的坚硬空间框架130。在耦合空间框架130的远端处是经常由有用的部件(诸如电池131和/或视频监视器或简单的抗平衡重物132)组成的配重。平衡部件组件具有位于支撑有效负载的自然重心外侧和下方的偏移重心(CG)，可以在支撑有效负载的自然重心处放置全轴向云台。全轴向云台包括横摇轴线转矩生成器410、倾斜轴线转矩生成器420和平移转矩生成器430以及其他相互垂直的轴线集合。全轴向云台将平衡结构的重量转移到外部支撑件(诸如手柄)，该外部支撑件是平移转矩生成器430的一部分，同时允许平衡部件组件围绕其CG、优选地围绕任何和所有可能的转动轴线相对于外部支撑件的自由转动。操作员控件或“引导件”140附接到平衡部件组件靠近其CG，操作员可以向“雪橇”施加转向转矩，以指向或者以其他方式引导支撑有效负载，诸如对待由摄像机捕捉的主体取景。

如将示出的，稳定有效负载支撑件的说明性实施例构建并且可以向传统的平衡类型或其他稳定结构(诸如稳定器1)添加惯性稳定性，并且配合工作并且可以有利地用于自然被动角惯性。现有的主动稳定的底座尝试最小化摄像机有效负载的惯性，并且因此可能需要更准确的并且可能更昂贵的惯性传感器、更大的带宽并且可能更不稳定的反馈控制以及更精确的物理结构，以实现相同的角稳定性水平。常规的主动稳定的底座还可能更受限于支撑摄像机的大小和重量。

惯性增强特征的说明性实施例可特别应用于更新的、更小的、更轻的且更低惯性的装备，诸如The Tiffen Company,LLC销售的Steadicam 如将示出的，主动稳定的有效负载支撑件的说明性实施例倍增角惯性，这可以使得这些小型装备不那么容易受到风扰动和无意的操作员输入影响，可能地使得它们像更大的/更重的装备那样操作，而不会添加显著的重量/大小。

再次参考图1，下一部件附接到并且响应于稳定器1，即：

2：角运动感测单元。

角运动感测单元(诸如惯性测量单元(IMU))例如通常测量相对于附接到其上的物体或飞行器的重力的角转动速率和线性加速度以及定向。在说明性实施例中，所谓的“六个自由度”角运动感测单元用来通过所谓的“角速率传感器”测量附接稳定器加摄像机围绕基本上相互垂直的三条轴线的复合角转动速率，并且经由加速计测量沿着三个线性和相互垂直的轴线的空间加速度。这三个角速率传感器通常安装为与摄像机的或其他有效负载的“横摇”、“倾斜”和“平移”转动轴线对准。角运动感测单元的线性加速计通常沿着摄像机的“上下”、“左右”和“前后”轴线对准。加速计响应于穿过空间的实际线性加速度以及由于重力而产生的静态加速度，静态加速度可以用来检测参照基于地球的“竖直/水平”方向的摄像机有效负载的定向的稳态角。

根据本发明的说明性实施例，角运动感测单元优选地估计雪橇加有效负载的所有可能的运动并且允许经由以下将描述的反馈控制器算法来形成稳定反转矩。

短语“补充转矩”是指“稳定反转矩”、“反转矩”、“补充转矩”、“校正转矩”或“稳定转矩信号”，这些转矩是通过云台的附接全轴向转矩生成器4主动地施加的转矩，以实现稳定性。

通过经由角速率传感器估计平衡部件组件的转动并且经由加速计估计重力定向，算法具有形成产生由图1的响应于角运动感测单元的下一个子组件进行的稳定调整的稳定反转矩所需的信息信号，即：

3：信号处理器及其支持反馈控制器，以及其支持的两个算法方法的组合：

反馈控制器3从角运动感测单元子组件2接收运动信号并且通过算法组合产生稳定反转矩信号。这些反转矩信号由全轴向转矩生成器4转换为物理转矩，包括例如对稳定反转矩信号做出响应的三个单独的转矩生成器410、420、430。转矩生成器410、420、430分别围绕横摇轴线、倾斜轴线和平移轴线产生转矩。角运动感测单元2测量所得转动定向和速率并且产生反馈到反馈控制器3以完成产生期望的稳定性的反馈回路的代表性信号。

对图1所示的角运动感测单元子组件2做出响应并且与有效负载110协同定位的具有算法的反馈控制器3，监测待生成并连接在云台的有效负载(摄像机)侧与操作员侧之间的最大补充转矩。反馈控制器3还合成惯性增强、静态和动态摩擦和找平转矩并且对其组合，使得操作员按照优选地基本上自然的方式在稳定器的控制引导件140处经历它们，使得操作员可以不会意识到单元被主动地稳定。在主动稳定的有效负载支撑件的示例性实施例中，该设备经由稳定性增强特征以及另外对物理装备的自然被动感觉采取行动来模拟被动稳定器的感觉。

在主动稳定的有效负载支撑件的示例性实施例中，操作员设置有熟悉的“亲自动手(hands on)”方式来定向平衡部件组件，同时反馈控制器3同时且协作性地采取行动以增强或以其他方式修改稳定性。

支持算法的反馈控制器3硬件由所谓的“实时信号处理器”(诸如数字信号处理器)实现。本文所使用的“实时”是指处理器将接收输入信号、根据算法对这些信号采取行动并且产生最终结果，其中延时足够短而不会消极地影响反馈控制器3及其控制结构的稳定性或性能。

在主动稳定的有效负载支撑件的说明性实施例中，使用或基于诸如本文被称为图2的“人造水平仪”算法310的诸如已知的“垂直陀螺仪”、“人造水平仪”或“姿态航向参照系统(AHRS)”算法的算法在反馈控制器3算法组合的第一部分中处理的是角运动感测单元2传感器信号。本算法接收来自附接到摄像机有效负载110的惯性传感器“参照车辆的”(在本说明性案例中，参照摄像机有效负载的)信号(诸如210a、b、c、d、e、f)并且将其转换为可以例如由后续算法320、330、340(优选地直接)使用的“参照地球的”信号(诸如350a、b、c、d、e、f)。本文使用的“参照地球的”是指人造水平仪算法310产生表示摄像机有效负载110相对于地球并且特别地相对于平行于地球的本地水平线并且因此垂直于本地重力的方向的平面的横摇/俯仰/偏转转动速率和绝对角定向。当应用于定向摄像机时，与航空器或宇宙飞船相反，使用等效术语“横摇/倾斜/平移”，而不是“横摇/俯仰/偏转”速率和绝对角。

人造水平仪算法310估计支撑有效负载的绝对基于地球的倾斜和横摇角，而不管横向加速运动。这可以联系到创建虚拟“稳定台”，摄像机平台可以虚拟地安装到该稳定台上，促进稳定性增强，诸如以下描述的那些。

注意，当涉及角稳定时，术语“惯性”、“角惯性”和“惯性矩”在本说明书中互换地使用。

现在将解释稳定性增强算法实现。根据主动稳定的有效负载支撑件的说明性实施例，现在参考图2，我们在三个平行路径中细分并实现剩余的算法方法，每个路径被分配给稳定器1的特定转动轴线并且各自产生通过附接到稳定器1的云台的全轴向转矩生成器4的相应轴线的校正转矩，即：

(1)横摇轴线算法320通过施加通过安装到云台上的转矩生成器410的补充转矩来实现水平仪找平特征。

(2)平移轴线模型跟随器算法340通过施加通过安装到云台上的转矩生成器430的平移轴线的补充转矩来实现此轴线的平移惯性增强加静态和动态摩擦。

(3)倾斜轴线模型跟随器算法330通过施加通过安装到云台上的转矩生成器420的倾斜轴线的补充转矩来实现此轴线的倾斜惯性增强加静态和动态摩擦。

需要注意，“横摇”、“平移”和“倾斜”用于说明性目的，但是如前所述，可以由其他相互垂直的轴线替代。

横摇、倾斜和平移轴线算法320、330和340之间的算法分离允许对施加于每条轴线上的不同强度进行稳定性校正，这可以是有利的，因为常规的平衡稳定装备可以呈现围绕每个主转动轴线的不同自然角惯性量。例如，倾斜和横摇轴线惯性通常大于平移惯性，这是因为典型的雪橇的高度比其深度或宽度更大。主动稳定的有效负载支撑件的说明性实施例可以创建稳定装备，该稳定装备可以按照需要对由操作员在控制手柄/引导件处感受到的所有轴线之间的角惯性均等化。

每条轴线的稳定算法的描述：

图2和图5的横摇轴线算法320-水平仪找平：

根据说明性示例的横摇轴线算法320提供水平仪找平特征，可选地不会对组件1添加移动部件。传统稳定器的操作员付出很大努力来使得稳定器保持水平。自动地完成这种低水平的杂务使得操作员能够集中精力控制在手边移动的摄像机的取景并且通过该设备来导航实现拍摄。另外，因为找平特征是通过主动云台转矩提供的，所以可以中立地平衡包括稳定器1的平衡部件组件，而不是像惯用手段那样通过重心过低。有利地，在本发明的示例性实施例中，操作员可以任意倾斜而无需对抗重心过低装备的恒定转矩，从而可以在更大的倾斜角更稳定地取景。重要地，横摇轴线算法320使得在多个或所有倾斜角维持水平仪找平并且同时在所有或许多实际速度下平移。

本发明的说明性实施可以模拟基于地面的且找平的三脚架或移动摄影车加附接到标准平移-倾斜底座的摄像机的固有地水平的水平仪。这种布置允许操作员通过按压所谓的平移-倾斜手柄来取景并跟随主体，在摄像机的水平仪保持自动地水平的同时自由地“平移且倾斜”以捕获整个主体，因此操作员无需操心。通过构建和设置，基于地面的底座的倾斜轴线通常平行于地面，使得安装摄像机通常保持水平。

参考图5，前述水平仪找平是通过使用人造水平仪算法310提供的两个信号实现的：参照地球的横摇轴线测量速率350e和绝对横摇轴线测量角度350f。横摇角布置为在摄像机水平(倾斜轴线是水平的)时读零，并且在摄像机顺时针不水平时读正数，在逆时针不水平时读负数。类似地，当摄像机不围绕横摇轴线转动时，横摇速率为零，如果顺时针转动，则为正数，如果逆时针围绕横摇轴线转动，则为负数。通过所选比例因数C1、C2分别缩放每个信号(321、322)，并且通过加法器326对其求和，以创建施加通过安装到云台上的横摇转矩生成器410的“横摇反转矩”反馈信号325，即，补充横摇转矩。通过适当选择的比例因数，创建同轴装备加摄像机找平的快速响应的反馈回路，而不管外部干扰如何。

平移和倾斜轴线算法-增强惯性加静态和动态摩擦，参考图2：

除了惯性增强之外，平移和倾斜轴线算法340、330向稳定器组件的特征添加来自参照由人造水平仪算法310提供的固定惯性坐标系的标准的基于地面的摄像机的流体阻尼平移-倾斜头，即动态和静态摩擦。静态摩擦帮助摄像机操作员通过减少的或最小的努力来维持固定的平移/倾斜定向-所谓的“锁定(lock-off)”。动态摩擦通常特别是通过长(摄远镜头)透镜来增强缓慢平移和倾斜流畅度。这些合成摩擦还可以帮助衰减由于阵风和到引导件140的过量操作员输入而导致的摄像机干扰。

平移轴线算法340和倾斜轴线算法可以完全相同但是可以采用不同的惯性、静态摩擦和动态摩擦目标，从而为每条轴线产生可分开控制的期望响应。

倾斜轴线模型跟随器算法330对人造水平仪算法310做出响应，前提是角倾斜速率350a和绝对倾斜角350b产生经由倾斜转矩生成器420施加通过全轴向转矩生成器的倾斜轴线的补充倾斜转矩335。

类似地，平移轴线模型跟随器算法340对人造水平仪算法310做出响应，前提是角平移速率350c和平移角350d产生经由平移转矩生成器430施加通过全轴向转矩生成器的平移轴线的补充平移轴线校正转矩345。

注意，平移角是相对于任意起始位置并且不是像横摇/倾斜那样是绝对的，因为人造水平仪算法无法不使用罗盘等等对于摄像机指向哪个平移方向给出绝对指示。平移轴线算法通过基于在平移角方向不是绝对的平移角变化计算校正转矩来解释这一点。

现在将参考图3和图4描述平移/倾斜轴线算法。合成惯性增强加有益摩擦添加到被动平衡部件组件的平移和倾斜轴线。采用模拟物理模型341、331的平移和倾斜轴线的算法并且采用平移和倾斜轴线模型跟随器346、336。基础技术包括构建理想化模型的实时模拟，该理想化模型在信号处理器内模拟期望的增强平衡部件组件的物理学。模拟平衡部件组件由施加到实际被动平衡部件组件的净外部平移/倾斜转矩信号343、333的估计来驱动。模拟平衡部件组件的计算期望运动然后与实际被动平衡部件组件的测量运动进行比较，并且形成迫使物理平衡部件组件的运动努力匹配模拟平衡部件组件的运动的基于运动差值的校正反馈转矩。如果全轴向转矩生成器4足够强大并且反馈回路的带宽足够高，那么平衡部件组件将通常紧密匹配(以及可能地对于操作员来说感觉几乎完全相同)理想化模拟模型。

对期望惯性特征建模的物理机构是安装在相对低摩擦轴承上的飞轮。模拟飞轮遵守牛顿的转动运动定律：如果静止(不转动)，飞轮保持如此，除非由施加外部转矩作用。如果转动，那么飞轮继续在顺时针(CW)或逆时针(CCW)方向保持恒定的角速率(例如单位是每秒的度数)，除非由施加外部转矩作用。飞轮仅具有相对于时间的两种状态，也被称为“状态”：其当前转动速率(单位是每秒的度数的正CW值或负CCW值或零)以及以度数为单位的当前角位置。如果向静止飞轮施加恒定转矩，飞轮开始从零按照一直增加的角速率转动，即，飞轮与施加转矩除以飞轮的建模惯性矩成比例地有角度地加速。等效地，飞轮的角速率随着时间从零均匀地增加。如果向飞轮施加负转矩，那么飞轮的角速率均匀地减小持续施加转矩的时间，最终停止，然后如果负转矩持续足够长，那么反转方向。

牛顿还将角位置与角速率相关：例如，如果飞轮按照每秒恒定的1度速率转动，那么飞轮的角位置在360秒内前进完整的一转或者在720秒内前进完整的两转，以此类推。

建模惯性飞轮的形态(即，随着时间变化的转矩输入产生随着时间变化的角速率和随着时间变化的角位置)可以被概括为以下方程组：

随着时间变化的角速率＝([转矩]对时间的积分)除以惯性矩。

随着时间变化的角位置＝角速率对时间的积分。注意，时间变量的“对时间的积分”仅仅是在绘制在随着时间变化的图表上的量值下方积累的“曲线下方的面积”，在时间零开始并且在当前时间结束。信号处理器为这个函数公知的积分器或累加器。

参考图3，描述模拟倾斜轴线的物理模型331的以上方程实现：转矩信号331r由除法器331s除以期望的惯性矩Imt，从而产生建模倾斜角加速度331m。积分器331d随着时间对建模倾斜角加速度331m进行积分，从而产生传递到第二积分器331g的建模倾斜速率信号331h，该第二积分器随着时间对该建模倾斜速率信号进行积分，以产生建模倾斜角331j。基于331n的状态(0或1)，选择器开关331e在331f检测到转矩不饱和时将信号331h传递到331p或者在331f检测到转矩饱和时将信号350a传递到331p。

类似地，对于平移轴线，现在参考图4：转矩信号341r由除法器341s除以期望的惯性矩Imp，从而产生建模平移角加速度341m。积分器341d随着时间对建模平移角加速度341m进行积分，从而产生传递到第二积分器341g的建模平移速率341h，该第二积分器随着时间对该建模平移速率进行积分，以产生建模平移角341j。基于341n的状态(0或1)，选择器开关341e在341f检测到转矩不饱和时将信号341h传递到341p或者在341f检测到转矩饱和时将信号350a传递到341p。

期望的模拟静态和动态摩擦转矩现在添加到简单的仅惯性飞轮模型。这等效于向飞轮添加‘制动器’。该制动器向模型施加新的相反转矩。如果模型的当前角速度为零，那么施加匹配的并且优选地与输入到模型的高达设定阈值的所有外部转矩完全相反(从其减去)的‘静摩擦’保持转矩。当施加到模型的外部转矩接近设定阈值时，逐渐‘释放制动器’(逐渐地移除保持转矩)，从而允许模型开始响应于整个外部转矩有角度地加速。当角速度接近零时，模型逐渐重新施加‘静态摩擦’制动器。这经由全轴向转矩生成器4及其控制算法(将描述)产生从摄像机侧通过云台连接到支撑件侧的制动转矩。

针对倾斜轴线参考图3，静态制动模型331a对净外部倾斜转矩信号333做出响应，并且如所述，当建模倾斜速率信号331h不为零时，将其作为倾斜转矩信号331k而直接传递该净外部倾斜转矩信号，或者当倾斜转矩信号333小于所选阈值时，将零转矩传递到倾斜转矩信号331k，同时建模倾斜速率信号331h标称为零。

针对平移轴线参考图4，第二静态制动模型341a对净外部平移转矩信号343做出响应，并且如所述，当建模平移速率信号341h不为零时，将其作为平移转矩信号341k而直接传递该净外部平移转矩信号，或者当净外部平移转矩信号343小于第二所选阈值时，将零转矩传递到平移转矩信号341k，同时建模平移信号341h标称为零。

平行于静态摩擦致动器，采用模拟动态摩擦制动部件。这是通过向模型的输入添加动态负反馈转矩来实现的，与外部转矩输入相反。动态负转矩是简单地通过创建并施加与模型的当前角速率成比例的新转矩以及将新转矩从外部转矩输入减去来实现的，其中差值施加到模型。也被称为‘动态制动系数’的比例因子控制动态制动效果的强度，并且当增加时，与拧紧常规的被动流体阻尼平移倾斜摄像机底座的“拖拽调整旋钮”相当。

结果是，动态制动的飞轮模型与仅惯性版本不同地对转矩输入做出响应。在给定恒定的转矩输入的情况下，仅惯性版本随着一直增加的角速率连续地加速。随着施加动态制动，模型有角度地加速，直至动态制动负转矩等于外部转矩，从而导致优选地净零转矩施加到模型，这因此稳定到恒定的角速率运动。这通常将紧密地对流体阻尼平移倾斜底座的期望性能特征进行建模。

对于倾斜轴线，动态制动模型331b对当前的建模倾斜速率信号331h做出响应，通过“动态制动的倾斜轴线系数”对其缩放，并且产生倾斜动态制动转矩331n，使用减法器331c从静态制动模型331a修改的倾斜转矩信号331k减去该倾斜动态制动转矩。

对于平移轴线，动态制动模型341b对当前的建模平移速率信号341h做出响应，通过“动态制动的平移轴线系数”对其缩放，并且产生动态制动转矩341n，使用减法器341c从静态制动模型341a修改的平移转矩信号331k减去该动态制动转矩。

根据说明性实施例，对所描述的动态制动特征的修改包括根据装备转速来调整‘动态制动系数’。例如，我们通常针对低转速施加最大动态制动，通常对当使用长(摄远镜头类型)透镜时所谓的缓慢平移和倾斜移动进行这种操作。另一方面，传统的被动装备的自然“无摩擦”行为允许操作员通过向装备施加某个转矩并且简单地使其“漂移(coast)”来跟随主体而发起的非常流线型的转动平移和倾斜移动。如果我们逐渐地将动态制动系数在某个轴向转速以上减小到零，我们可以允许这种类型的操作员移动，而不会损失有益的摩擦增强的低平移/倾斜稳定性。因此，由倾斜和平移轴线算法的动态制动模型331b、341b分别实现的‘动态制动系数’可以是相应的建模速率331h、341h的非线性函数，而不是简单的比例缩放常数。

另外，根据说明性实施例，并且如上所述，对于模拟倾斜和平移轴线的物理模型331、341与实际被动结构类似地做出响应，它们如稳定器组件1那样做出响应(由转矩驱动)。也就是，模型仅仅或者主要对由操作员施加到控制引导件140和/或由外部干扰(诸如风/空气阻力和不平衡转矩)施加的转矩做出响应。模型优选地不对施加通过全轴向转矩生成器4的转矩做出响应，物理装备1也对这些转矩做出响应。换言之，模型优选地不是由从由人造水平仪算法提供的运动信号导出的全部转矩驱动，因为模型对物理装备所感受到的所有转矩做出响应(因为角运动感测单元固定到装备)，包括补充转矩，不存在产生不同结果的配置，因为也被称为“总转矩”。代表操作员输入和外部干扰的“净外部转矩”应当是模型的唯一驱动器。

根据该说明性实施例，轴线算法(诸如算法320、330或340)具有足够的信息来估计这个量。我们首先通过对轴线(平移或倾斜)角速率与人造水平仪算法(也就是，估计速率信号随着时间的斜率)进行差分来估计总转矩。这个差分器输出是围绕轴线的角加速度的测量值。再一次使用牛顿定律之一，我们得出：

“总转矩”＝“结构惯性矩”乘以“角加速度”

其中，“结构惯性矩”是可以仅针对我们控制的特定物理装备轴线测量一次的已知物理恒定值。

我们还知道通过全轴向转矩生成器围绕轴线生成的“补充转矩”，因为该补充转矩被生成并施加为该轴线算法的最终结果，因此：

针对每条轴线，“净外部转矩”＝“总转矩”减去“补充转矩”。

这是施加到模拟物理模型的值。这用期望的惯性和摩擦特征完成了模型，该模型可以提供角速率和位置目标以在下一个算法中使用。

特别对于倾斜轴线，参考图3，使用总倾斜转矩估计器334估计“总倾斜转矩”337，该总倾斜转矩估计器通过信号差分器334a对倾斜轴线测量速率350a进行差分，然后使用乘法器334b通过表示围绕倾斜轴线334c的已知结构惯性的常量来缩放差分器输出，以形成‘总倾斜转矩’337。

最终，我们使用减法器332从‘总倾斜转矩’337减去已知的‘补充倾斜转矩’335，以产生施加到模拟倾斜轴线的物理模型331的‘净外部倾斜转矩’333。

对于平移轴线，参考图4，使用总平移转矩估计器344估计‘总平移转矩’347，该总平移转矩估计器通过信号差分器344a对所测得的平移速率348a进行差分，然后使用乘法器344b通过表示围绕平移轴线344c的已知结构惯性的常量来缩放差分器输出，以形成‘总平移转矩’347。

最终，使用减法器342从‘总平移转矩’347减去已知的‘补充平移转矩’345，以产生施加到模拟平移轴线的物理模型341的“净外部平移转矩”343。

本说明性实施例的剩余子算法适用平移和倾斜轴线，现在将描述模型跟随器：

在模型跟随器算法中，模拟轴线物理模型331、341变成‘主模型参照系’并且提供以上描述的建模的角速率和位置目标。整个平衡部件组件经由来自转矩生成器4的补充倾斜和平移转矩335、345变成将被推动或强迫的“从模型”，以匹配由模拟物理主模型所指示的速率和位置目标。如果从模型与主模型之间的差异足够小，那么总平衡部件组件可以通过模型所模拟的稳定性增强的物理特征来近似实际装备对用户做出响应并给用户感觉。

人造水平仪算法310提供装备的每条受控轴线的测量速率和定向。从此，可以形成反馈回路，以产生每条轴线的最终补充转矩。物理从模型的测量速率和定向与主模型的建模速率和位置目标通过相减进行比较。这些差值被缩放并求和以形成该轴线的最终补充转矩。更特别地，可以使用以下方程：

“补充转矩”＝K1乘以(建模速率减去测量速率)

加上

K2乘以(建模角度减去测量角度)

该方程形成负反馈回路，其中，回路的带宽和阻尼由反馈系数K1、K2的选择控制。K1和K2优选地被设置为尽可能大，以最大化从主模型的保真。然而，通常，实际的惯性传感器具有一些残余电噪声，如果这些系数被设置得太大，这些电噪声将把抖动引入到系统中；因此，最优解将针对本发明的各个示例变化。

选择“补充转矩”的极性，使得如果物理从模型‘落后’主模型，那么产生推进从模型通过来自转矩生成器的转矩的正“补充转矩”，使得从模型赶上主模型，相反地，如果从模型超过主模型，那么生成器处的负转矩缩回从模型，使得从模型‘回落’到主模型的位置目标。

特别地对于倾斜轴线，参考图3，模型跟随器336是通过首先使用减法器336a从建模倾斜速率信号331h减去倾斜轴线测量速率350a从而形成差值336f来实现的。其次，使用减法器336d从建模倾斜角331j减去倾斜轴线测量角350b，以形成差值336g。最终，分别使用常量乘法器336b和336e通过常量Kt1、Kt2缩放差值336f、336g并且经由加法器336c求和，以形成最终补充倾斜转矩335。

对于平移轴线，参考图4，模型跟随器346是通过首先使用减法器346a从建模平移速率信号341h减去平移轴线测量速率348a从而形成差值346f来实现的。其次，使用减法器346d从建模平移角341j减去平移轴线测量角348b，以形成差值346g。最终，分别使用常量乘法器346b和346e通过常量Kp1、Kp2缩放差值346f、346g并且经由加法器346c求和，以形成最终补充平移转矩345。

对于本说明性实施例，这完成了单独地施加到平移和倾斜轴线的基本轴线算法。

平移和倾斜轴线算法的附加方面

可以通过本发明的各个说明性实施例解决所描述的标准“物理模拟模型加模型跟随器”算法的实际缺点。只要所生成的补充转矩足够大从而能够克服操作员施加的转矩强度并且将因此使物理装备基本上与模型对准，前述算法便有效。

对于本发明的任何实际实现方式，全轴向转矩生成器4可以具有有限的最大转矩，这是由于所采用的实际转矩电机的大小和重量限制。

假设例如简单地采用上述标准常规算法。如果操作员施加一直增加的转矩，‘从模型’(物理结构)将忠实地跟随‘主’模型，并且本装置将准确地提供惯性增强和摩擦的期望稳定性特征，直至全轴向转矩生成器4到达其最大可用转矩。此时，平衡部件组件的‘感觉’突然改变，因为不存在迫使装备与模型匹配的足够附加补充转矩。平衡部件组件将立即失去合成惯性，并且当操作员继续施加更多转矩时将出乎意料地加速。当物理结构的定向前进时，物理结构开始显著地超过模型的位置目标。操作员最终感测到感觉变化并且本能地开始减小或释放施加到装备的转矩。转矩生成器反馈回路最终解除饱和并且感测到平衡部件组件有角度地位于模型的位置目标前方，使得在相反方向施加迫使物理装备快速地“回落”以与模型匹配的最大转矩。这产生人们可能觉得令人讨厌并且非常不可接受的‘伺服不稳定性’或‘逆向弹回’物理行为，因为算法试图在物理装备与模型之间重新建立位置匹配。

本发明的说明性实施例解决了上述缺点。不是采用具有固定建模惯性矩和固定动态制动摩擦系数的标准物理模型，而是本系统自动地响应于例如围绕每条受控轴线增加所测得的角速率的函数随时间减小上述两个模型参数。

因此，当操作员围绕所选轴线施加恒定转矩时，围绕该轴线的所测得的角速率逐渐地增加，并且建模惯性矩和动态制动强度逐渐地减小。这致使物理装备开始比期望的更快速地加速，但是足够逐渐地以产生由操作员感测的及时提示，从而允许操作员在转矩生成器到达最大并且可能不利结果发生之前减小施加转矩。

如果操作员忽略上述提示反馈特征，那么可以通过首先感测轴线转矩生成器何时到达其最大转矩饱和点来进一步缓解上述注意到的不可接受的‘弹回’效应。当这种情况发生时，模拟物理模型的角位置目标被超驰并且由落后于物理角位置某个恒定量的角位置目标替换，该恒定量等于当发生饱和时存在的模型-物理差值。这个修改可以确保模型-物理角位置偏差足够小，使得当操作员最终释放对手柄的控制时，发生很小的弹回或‘没有弹回’。

优选地，对模拟物理模型的这些新颖修改的结果是，本发明的说明性实施例的稳定结构按照可重复的且可控制的方式对操作员的输入做出响应，使得尽管可能不一定理想地通过固定的增强惯性加摩擦做出响应，但仍可以在甚至没有经验的操作员手里完全有效果。

特别地对于倾斜轴线，参考图3；倾斜轴线修改是通过首先响应于建模倾斜角速率信号331h增加来减小动态制动模型331b内的“动态制动的倾斜轴线系数”来实现的。另外，除法器331s内的建模惯性矩Imt随着建模倾斜速率信号331h的增加而减小。这提供了上述期望的操作员提示。其次，‘转矩饱和检测器’331f指示倾斜轴线转矩生成器420何时到达其最大值，并且作为响应，切换开关331e何时到达其向下位置，通过开关331e输出331p连接到积分器的输入，用倾斜轴线测量速率350a替换建模倾斜速率信号331h。这具有致使建模倾斜角331j落后或超前倾斜轴线测量角350b不多于当发生饱和时存在的差值的期望效果，这是防止围绕倾斜轴线的弹回不稳定性所需要的。

类似地对于平移轴线，参考图4；平移轴线修改是通过首先响应于建模平移角速率信号341h增加来减小动态制动模型341b内的“动态制动的平移轴线系数”来实现的。另外，除法器341s内的建模惯性矩Imp随着建模平移速率信号341h的增加而减小。这提供了上述期望的操作员提示。其次，另一个‘转矩饱和检测器’341f指示平移转矩生成器430何时到达最大值，并且作为响应，切换开关341e到达其向下位置，通过开关341e的输出341p连接到积分器的输入，用平移轴线测量速率348a替换建模平移速率信号341h。这具有致使建模平移角341j落后或超前平移轴线测量角348b不多于当发生饱和时存在的差值的期望效果，这是防止围绕平移轴线的弹回不稳定性所需要的。

尽管独立稳定算法各自已经被描述为被分配给装备的单独的物理转动轴线，但本发明的说明性实施例的范围包括另一个同时在所有其可能的转动中对三维结构的物理运动建模，然而这些轴线之间可能存在不同的角惯性。组合算法经由通过附接到装备的云台的全轴向转矩生成器施加的三维校正转矩向量来创建稳定性增强。转矩向量与待连接转矩所围绕的轴线(在三维中)对准，并且具有表示待连接在云台的‘操作员’侧和‘有效负载’侧之间的生成器转矩的量值(顺时针或逆时针)。

通过进一步的修改，在本发明的说明性实施例中说明并解决所描述的横摇、倾斜、平移算法的另一个观察到的并且通常是不令人期望的行为：特别地，当物理结构倾斜到接近90度的高倾斜角时，也被称为‘顶点’角，前述横摇水平仪找平算法接近奇点，其中，标准平移倾斜底座的模拟崩溃并且变成无结果的。

如果观察到被动常规基于地面的平移-倾斜头的可以达到90度倾斜的行为，那么当接近倾斜‘顶点’时，发生令人感兴趣的现象：在‘平移’方向推动平移-倾斜手柄围绕其横摇轴线并且在机构锁定并且参照摄像机的平移不再可行的真实顶点渐增地‘横摇’摄像机。尽管在顶点处，但仍能够倾斜远离顶点并且围绕摄像机的横摇轴线横摇，但是将无法围绕摄像机的平移轴线平移。在常规的平移倾斜底座中避免了通常被称为‘云台锁定’的这种行为，因为这些底座在某种程度上受约束于小于+/-90度倾斜范围。

当本发明的示例性实施例自由地携带在手中时，很少或者没有物理方式来避免操作员倾斜通过顶点，另外，传统的承载本体的类型底座允许通过顶点的可控倾斜定向，因为操作员可以定位云台以避免云台锁定，这是由于云台轴线未被约束为与摄像机的轴线对准。

因此，替代算法规则是合乎情理的并且可以对本发明的说明性实施例有益。

极限倾斜角的横摇轴线修改：

对于倾斜角范围，也就是在水平线+/-80度等等内，所描述的横摇轴线找平算法占主导。超出预定角，当接近顶点时，横摇轴线到水平线的驱动逐渐在反馈强度方面减小，并且逐渐由趋向维持当前的摄像机横摇角的‘仅惯性’算法替换。稳定器的说明性实施例依赖于物理结构的被动横摇惯性并且另外预期转变到横摇轴线主动惯性增强，这类似于由所描述的平移/倾斜惯性增强算法所提供的。

特别地，对于横摇轴线，参考图5；倾斜轴线测量角350b施加到函数生成器327，该函数生成器如图所示产生变量增益信号输出328，当倾斜角接近顶点并且180度远离顶点时，该变量增益信号输出将增益减小到零。变量增益信号输出328被施加到乘法器323、324，从而当接近顶点、反顶点角时减小横摇转矩反馈强度。

极限倾斜角的平移轴线修改：

所描述的平移轴线算法对由人造水平仪算法提供的参照地球的平移速率和平移角测量值做出响应。测量参照地球平移轴线基本上与本地重力竖直地对准。当例如手持式或身体携带式物理结构倾斜到顶点时，地球平移轴线不再合理地与摄像机的平移轴线对准而是实际上接近90度正交关系。因此，当感测到倾斜角超过所设定的‘极限’阈值时，本发明的说明性实施例将平移轴线算法修改为替代地对定向到摄像机的自身平移轴线的测量角和速率渐增地做出响应。因此，在极限倾斜角处，平移轴线算法使得摄像机围绕其自身的平移轴线而不是基于地球的轴线稳定。这可以将平移轴线从严格的基于地球的平移倾斜底座模型及其不期望的云台锁定行为‘解锁’。

实际上并且注意，已经发现如果平移转矩生成器的轴线与摄像机的自然平移轴线很好地对准，可以从与摄像机平移轴线而不是地球对准轴线对准的惯性传感器连续地向平移轴线算法提供平移速率和定向的测量值。这种布置可以自然地处置所有倾斜角的平移行为，包括上述‘通过顶点的’倾斜角情况，而无需响应于倾斜角对算法做出修改。

为了实现前述平移轴线修改，参考图4；当图2的测量倾斜角350b超过所选阈值时，分别用参照摄像机的平移轴线测量速率和角210c、210d替换参照地球的平移轴线测量速率和角350c、350d。或者，如果平移转矩生成器轴线与摄像机的平移轴线合理地对准，那么参照地球的平移轴线测量速率和位置350c、350d由参照摄像机的平移轴线测量速率和角210c、210d永久地替换并且将它们输入到图4的平移轴线算法。更特别地，再次参考图4，标准交叉混合元件348c、348d用来根据由产生所选交叉混合小数348e的函数生成器348f所确定的测量倾斜角350b逐渐地分别用参照摄像机的平移轴线测量速率和角210c、210d替换参照地球的平移轴线测量速率和角350c、350d。前述交叉混合元件通过将第一输入乘以零与一之间的所选小数并且将第二输入乘以一减去所选小数并且对这两个乘积求和来操作。

被动跨云台连接件

可以做出使能单手支撑加定向的另外的修改。如果操作员转动手柄超过云台的最大角范围，特别是对于通常采用有限角范围语音线圈的横摇和倾斜轴线而言，那么外部手柄与内部组件之间的弹性连接可以提供指引摄像机有效负载以平滑地有角度地加速的‘软端停止’特性。可以在通过引用结合在此的第2011/0080563A1号美国专利公开中发现这种设备的示例。本发明的示例性实施例具有不受限的或几乎不受限的平移角转动范围，但是还显示出横跨平移轴线的弹性连接，以有效地允许一只手承载加定向。当操作员的自由手需要将车辆转向等等时，一只手操作模式特别有用。本文公开的算法可以应用到这种弹性连接的平移轴线转矩生成器。

如前所述，本发明的说明性实施例可以为直接并且本地亲自动手控制稳定设备的操作员增强稳定性。然而，可以实现为远程摄像机平台产生所描述的稳定性特征的遥控变体。

在本发明的第一遥控应用中，采用典型的被动遥控操纵杆等等。操纵杆的信号被转换为表示转矩命令，并且对这些传输的命令与前述反馈控制器已经提供的命令求和，该和被传递到全轴向转矩生成器。结果是，基于操纵杆的转矩命令替换亲自动手的操作员的那些命令。

在本发明的第二遥控说明性实施例中，前述被动操纵杆等等被所谓的‘力反馈’或‘触觉反馈’输入设备替换。在本发明的说明性实施例中，设备是由经由来自人造水平仪算法的反馈提供的实际摄像机定向角按照上电的方式反映性地驱动。远程操作员现在手里具有控制表面，通过该控制表面定向远程平台安装摄像机，其方式为使得可以非常像本发明的稳定器的说明性实施例的亲自动手的操作员的情况。

所描述的反馈控制器3提供‘补充’转矩信号，一个信号用于待通过最终的基础子模块控制的每条轴线。

4：全轴向转矩生成器：

全轴向转矩生成器子组件连接到稳定器组件1的‘雪橇’的全轴向云台，并且响应于由算法反馈控制器3提供的‘补充转矩’信号。

全轴向转矩生成器连接在云台的支撑侧与有效负载侧之间。全轴向转矩生成器通过云台将转矩定向在“雪橇”加支撑摄像机有效负载与平行于操作员的支撑侧之间。

该子组件可以采用各种方法和部件，但是所得转矩优选地是精确受控的和统一的，而不管云台的任意角位置。候选转矩生成器包括由恒流功率放大器驱动的常规永磁体DC电机以及可以是转动小于一整转的单个线圈永磁体DC电机的‘语音线圈致动器’。

在本发明的示例性实施例中，所选转矩生成器或电机附接到云台的每个可转动的万向节，使得转矩可以连接在该万向节的静止侧与转动侧之间。电机可以布置为使得其重量不会使得组件的中立平衡失衡，并且电机本体定位不会干扰操作员触及控制手柄/引导件。

由于反馈控制器3形成参照摄像机有效负载的主轴的校正补充转矩(平移、倾斜和横摇)，所以全轴向转矩生成器必须将这一点考虑在内。一些云台布置具有不一定与摄像机的转动轴线对准的转动轴线。这种布置的仅云台平移轴线与摄像机的平移轴线对准。云台的其他两条轴线替代地与摄像机的平衡中心及其所有抗平衡质量对准。

第一转动万向节附接到操作员支撑件，其轴线垂直于第一万向节的第二转动万向节附接到第一万向节的转动侧，并且最终第二转动万向节的转动侧附接到平移轴线万向节的静止侧，该平移轴线万向节的轴线基本上垂直于第一和第二万向节轴线，其中摄像机有效负载附接到平移万向节的转动侧。当摄像机平移时，其横摇和倾斜轴线相对于第一万向节和第二万向节轴线转动。

因此，反馈控制器3所产生的补充校正转矩必须转动与摄像机有效负载110的横摇和倾斜轴线对准的转矩，并且替代地将其与实际第一万向节、第二万向节轴线对准。这是通过反馈控制器3实现的，前提是反馈控制器经由附接的角传感器生成的信号来接收平移万向节的当前角。

对于本发明的手持式说明性实施例，轴线万向节的顺序逆转，如常规方式那样。参考图2，横摇轴线转矩生成器410的静止侧通过其基本上与摄像机的横摇轴线平行的轴线而附接到平台120。转子线圈组件411附接到横摇/倾斜引导件140、附接到倾斜转动万向节的倾斜转子线圈组件421，其轴线基本上垂直于横摇万向节的轴线。最终，倾斜轴线转矩生成器420的静止侧附接到平移转矩生成器输出轴431的转动侧，该输出轴的轴线基本上垂直于横摇和倾斜万向节的轴线，平移转动万向节嵌入在还用作由操作员的手携带的手柄430的平移轴线转矩生成器中。

在本说明性实施例中，这些轴线可以与反馈控制器3所提供的摄像机的那些轴线足够对准，使得横摇、倾斜和平移校正补充转矩可以直接通过附接到云台的相应转动万向节的转矩生成器4施加，而无需转动万向节角感测。

在一个这种手持式说明性实施例中，现在参考图1和图2，使用用于横摇和倾斜轴线转矩生成器410、420的语音线圈电机为云台的横摇和倾斜轴线实现全轴向转矩生成器4，其中每个电机的定子、转子对应于所描述的横摇、倾斜轴线万向节的静止侧、转动侧。最终，通过嵌入在操作员手里的手柄内部的标准DC电机来实现平移轴线转矩生成器430，该手柄包含平移轴线转矩生成器430，平移转矩穿过手柄与附接到剩余装备结构的连接倾斜转动万向节420之间。

为了进一步理解本优选手持式说明性实施例的横摇和倾斜轴线的云台布置，参照示出分解图的图6。如图所示，横摇轴线将转动语音线圈电机用作横摇轴线转矩生成器410，其静止侧或定子侧固定地附接到物理结构的摄像机侧，并且其转子线圈组件411附接到直角板140b。转子线圈组件411内部示出的径向轴承411a，该径向轴承的内侧紧固到板410a，通过螺钉紧固到横摇轴线转矩生成器410的定子，如图所示。转子线圈组件411内的轴承411a的外侧牢固地附接到组合组件411、140b、421。转子线圈组件411内的轴承411a的中心轴线标称地或精确地与云台的横摇轴线重合。

类似地，倾斜轴线将语音线圈电机用作倾斜轴线转矩生成器，其定子侧牢固地附接到平移转矩手柄组件，所述平移转矩手柄组件包含平移轴线转矩生成器430，经由连接框431a的平移转矩生成器输出轴431。倾斜转子线圈组件421牢固地附接到直角板140b。在倾斜转子线圈组件421内部示出标准径向轴承421a，该径向轴承的内侧紧固到板420a，通过螺钉紧固到倾斜轴线生成器420的定子侧，如图所示。倾斜转子线圈组件421内的轴承421a的外侧牢固地附接到组合组件411、140b、421。

倾斜转子线圈组件421内部的标准径向轴承421a的外侧的中心轴线基本上与云台的倾斜轴线重合。

通过构建直角板140b，横摇和倾斜轴线及其相应的轴承411a、421a的那些轴线在物理装备1的重心处或附近相交。另外，平移轴线优选地与平移转矩手柄输出轴431的中心轴线重合，其中轴线额定地或精确地穿过横摇和倾斜轴线的交点。配重431b基本上平衡组件421、420的重量，使得它们的共同重心基本上与平移轴线重合，从而允许平衡部件组件的重心基本上与云台轴线的交点重合。

操作员控制表面140a附接到直角板140b。控制表面140a例如是纹理部分球体，其中心基本上与横摇、倾斜、平移轴线的交点以及物理装备1的重心重合。其他类型的操作员控制界面在本发明的范围内。还可以通过本公开的实施例的方法和组件实现允许类似的或可媲美的自由度的各种类型的云台和其他设备。

操作员可以向纹理球体施加平移和倾斜转向转矩，以定向支撑摄像机有效负载。如所构建的，本手持式说明性实施例的控制表面140a仅允许操作员在平移和倾斜方向定向，因为横摇轴线由横摇轴线算法320自动地维持水平。

对于前述手持式说明性实施例，通过采用例如常见的永磁体DC(PMDC)电机在操作员所携带的手柄内实现平移轴线转矩生成器430。通过在图7的布置中使用如图所示的PMDC电机，可以在操作员携带的手柄内实现平移转动万向节的基本上不受限的转动，从而有可能允许操作员在稳定器周围‘行走’，以采取最佳操作位置，而无需在稳定器继续在特定期望的角方向指向时重新握持手柄。

现在参考图7：标准PMDC电机430c或其他合适电机的定子本体牢固地附接到平移转矩生成器输出轴431，该轴如图所示可以是中空的。电机430c的电源线430g、430h进入轴431并且如图所示离开该轴，以将电力连接到电机430c。具有嵌入式标准径向轴承430a的顶端帽盖430b自由地围绕轴431转动，同时牢固地接合手柄壳体430e的顶端。最终，底端帽盖430f牢固地接合手柄壳体430e的底端，同时电机430c的输出轴430d穿过底端帽盖430f的中心孔中的中心孔并且牢固地接合到该中心孔。

因此，携带在操作员手里的手柄壳体430e能够围绕平移轴线输出轴431转动，而不会扭转电机430c的电源线430g、430h。

本发明的另外的说明性实施例提供用于解决平衡装置的重心过低的替代或附加手段。维持‘水平’(雪橇‘横摇’轴线完全对应于本地水平线)以及‘净空高度’(维持所需拍摄的必需倾斜角度)是操作员通常希望完成的两项任务。这两项任务常规地是通过与被调整为略微在整个雪橇的平衡中心上方居中的云台位置来协助的。不存在任何显著的横向加速度，这导致轻微的重心过低。重心过低通常在横向加速期间导致摆动，诸如开始、停止或转弯；并且难以恒定地维持与标称倾斜角的任何后续期望改变。

尽管如此，来自这个选择性重心过低的倾斜和横摇反馈常常被认为是必要的，使得操作员学习施加中和摆动所需的瞬态角反压力。这通常需要大量的技能。本发明的说明性实施例提供用于解决这种现象的替代手段。

本发明的另外的说明性实施例提供用于常规的稳定装置云台组件的‘电力辅助的云台’替换，在其他说明性实施例中采用本文描述的基本上无加速的角检测方法和硬件，连接到用于向至少两个云台/万向节叉轴线施加适当的辅助转矩的新颖装置，而不管以下事实：角可能会变化地并且持久地与‘横摇’和‘倾斜’的固定雪橇轴线解除连接。

前述说明性实施例具有基本上固定的施加转矩轴线，不像根据拍摄需求的瞬态地位于围绕雪橇中心立柱的轴线的任何地方定位的传统的稳定装置云台万向节叉，并且施加到这些云台轴线的任何‘转矩’辅助必须成比例地将这些差别移位的角定向考虑在内，以进行校正。本发明的另外的说明性实施例(所述实施例的各个方面可与其他示例性元素一起使用)因此添加围绕雪橇‘平移’轴线的光、数字或模拟计数器，即使操作员移动身体，所述光、数字或模拟计数器仍追踪常规的稳定装置云台万向节叉的瞬态位置，以及因此添加围绕装备的从侧面向前向后的万向节叉，同时获得拍摄。当其瞬态关系相对于实际雪橇的‘横摇’和‘倾斜’轴线改变时，该平移轴线计数器与相关联的新算法一起追踪云台转矩的总和与角方向性之间的比例。

本发明的该说明性实施例的计数器硬件和软件算法追踪这个角关系以适当地为分别围绕由图表中的常规万向节叉耳轴轴承(“倾斜”)表示的轴线以及万向节叉自身的垂直轴线(“横摇”)(诸如轴承轴线)操作的转矩生成器的输出供电并且建立向量。这允许中立地平衡雪橇，并且因此不是摆动的，并且仍提供维持雪橇的水平所需的直接净转矩辅助，并且另外通过对‘倾斜’轴线角连续地供电来维持期望的‘净空高度’。

图9将在下文加以详述，其示出了当万向节叉围绕平移轴承移动360度时，耳轴(“倾斜”)电机与万向节叉(“横摇”)电机对比以持续影响横摇轴线向右所需的转矩的相对百分比和方向。注意，中央箭头指示每次迭代的“向前”方向。

转矩到生成器的百分比分配是转矩向量转动。我们希望将由算法产生的参照摄像机(或正在平衡的其他有效负载)的横摇、倾斜转矩向量转动为与附接到装备并且与装备的操作员侧对准的实际云台转矩生成器对准的新的横摇、倾斜转矩向量。转矩向量转动直接与平移角相关。

用于转动图8所示的二维(2D)向量的标准方程是：

X'＝X*cosθ-Y*sinθ

Y'＝X*sinθ+Y*cosθ

其中，X、Y是来自算法的分别待施加到对准有效负载的横摇、倾斜轴线的期望补充转矩信号。X’、Y’是分别待由分别附接到操作员侧横摇、倾斜云台轴线的云台“横摇”和“倾斜”电机生成的实际转矩。θ是平移轴承转动的360度测量值的角部分，并且当云台“横摇”轴线与有效负载横摇轴线对准时并且云台“倾斜”轴线与有效负载“倾斜”对准时θ为零。

可以通过与本装置及其用途兼容的任何已知方法感测平移轴承转动的度数。示例包括：标准线性电压计、正弦余弦电压计、角解析器(使用转子和定子线圈的磁角感测)和光编码器，都是通常需要角复位的相对类型和传送角信号而不需要任何复位手段的绝对类型。

转向图8，将描述待由横摇和倾斜电机生成的实际转矩的计算。框502指示补充有效负载倾斜转矩值“Y”，并且框504指示补充有效负载横摇值“X”。框506提供平移轴角θ。步骤508和510分别示出cosineθ和sineθ。在步骤512中，有效负载倾斜转矩值“Y”乘以cosθ。在步骤514，有效负载横摇转矩值“X”乘以sinθ。在步骤512和514中生成的结果在步骤516中相加，以获得待由框518提供的云台倾斜电机生成的实际转矩Y’。

待由云台横摇电机生成的实际转矩由框520示出并且通过以下步骤获得：在步骤522中，来自框502的补充有效负载倾斜转矩“Y”乘以sinθ。在步骤524中，补充有效负载横摇转矩“X”乘以cosθ。在步骤526，从在步骤524中生成的结果减去来自步骤522的结果，以在框520中获得实际转矩“X”。

如果将0°、90°、180°、270°的θ插入以上方程，将分别得到图9A、图9C、图9E和图9G所示的混合因素。图9A示出当云台横摇和倾斜轴线与有效负载横摇和倾斜轴线对准时的混合因素值，对于横摇轴线是+100％并且对于倾斜轴线是零。在这种配置中θ＝0，使得不需要调整。图9c示出当θ＝90°时的配置，这对应于因素对于横摇轴线是零并且对于倾斜轴线是-100％。图9E表示当θ＝180°时的配置，其中，因素对于倾斜轴线是零并且对于横摇轴线是-100％。在θ-270°°，倾斜因素是+100％，并且横摇因素是零，如图9G所示。图9D、图9F和图9H示出从初始45°附加增量90°，其中，图9D中的混合因素(θ＝135°)对于横摇和倾斜轴线都是-70.7％；图9F中的混合因素(θ＝225°)对于倾斜轴线是+70.7％并且对于横摇轴线是-70.7％；并且图9H中的倾斜和横摇轴线的因素(θ＝315°)是+70.7％。在45°，为横摇轴线获得+70.7％，并且为倾斜轴线获得-70.7％，如图9B所示。这是有意义的，因为在45°，转矩电机具有更少的机械优点并且各自需要更多的转矩来实现参照有效负载轴线的最终算法请求转矩，现在转动45°远离转矩生成器轴线。

因为云台转矩间隔开90°来施加，所以它们不是加法的而是遵守向量相加方程：

其中：

使用上述各种计算公式和装置，可以为期望的‘净空高度’预设倾斜轴线，就像自动地预设横摇轴线以找平。

图10示出根据说明性实施例的用于使有效负载稳定的装置600，其中可以应用本文描述的方法。手柄602容纳平移电机604，该平移电机在说明性实施例的图11的透明视图中可见。平移电机604生成载台610围绕平移轴线612的角运动。倾斜电机606相对于手柄602的纵轴生成围绕倾斜轴线608到倾斜载台610的角运动。横摇电机614围绕横摇轴线618转动横摇框架616。横摇框架616的轮廓可以滚入互补间隙，诸如在外框架内或载台610下方。当包含位于载台610上的有效负载时，平移、倾斜和横摇轴线612、608、618分别通常在握把620处或者粗略地在装置600的重心处或附近汇聚。

握把620提供操作员控制表面以使得用户能够通过手指压力来控制平移、横摇和倾斜运动。优选地，这种手动控制可以克服一个或多个电机的力。当用户释放握把620上的压力时，电机将使用本文描述的算法保持位置。握把620可以被设计为“独立地”漂浮并且保持参照载台610或随着手柄602横摇。

如图12的说明性实施例所示，横摇框架616牢固地附接到凸台628、630。凸台628、630能够围绕倾斜轴线608转动。底座626在凸台628、630之间延伸并且牢固地附接到手柄602内的平移电机的轴662，使得底座626能够围绕图11所示的平移轴线612转动。

如图10所示，区域622、624中存在足够的空隙，以方便使用握把620，即为用户的手指提供空间以操作握把620，从而能够围绕轴线608、612、618中的一条或多条轴线移动。

图13示出倾斜机构的各个部件，其中移除了装置600的各部件以实现更好的可见性。图15提供倾斜机构的附加部件；然而，并不包括选择部件，以容易理解。底座626在底座626的与手柄602相对的端部可转动地附接到连杆634。连杆634围绕轴线636转动通过枢轴638。钟形壳体640在枢轴642处转动地附接到连杆634，该枢轴位于连杆634的与底座626相对的端部。钟形壳体640进一步连接到倾斜电机606的轴，使得倾斜电机606的轴以及钟形壳体640相对于连杆634在枢轴642处围绕轴线644转动，并且进而连杆634在枢轴638处围绕轴线636转动，并且最终底座626围绕轴线608转动。倾斜电机606的本体附接到横摇框架616。如图12所示，轴线608穿过通过螺栓固定到横摇框架616的凸台628、630，并且因此当倾斜电机606转动钟形壳体640时，平移电机轴662相对于轴线608转动。其他机构或部件能够用于与钟形壳体640相同的目的，诸如附加链节，该附加链节将连接在倾斜电机轴与连杆634之间。返回图12，握把620被示出为通过螺栓固定到凸台628、630。凸台628、630通过螺栓固定到横摇框架616，使得握把620保持参照横摇框架616并且随着手柄602横摇。

如根据说明性实施例的图12和图14所示，销646布置在横摇框架616的狭槽648内。销646牢固地固定到外框架。当框架616转动时，销646的位置在狭槽648内改变。销646的相对偏移由狭槽的端部限制。这用作限制横摇框架616的转动的止挡件。如果期望握把620独立地漂浮并且保持相对于载台610保持，握把620能够牢固地固定到销646。

外框架650连接到载台610并且直接地或者通过载台610连接到翼梁652。翼梁652在铰链656处铰接到第二翼梁654，以允许本装置折叠。电池660或与有效负载相关联的其他部件位于翼梁654的端部处或者朝向该端部。配重658能够用来通过放置在载台610上的有效负载使得装置600平衡。配重658可以是可调整的，例如通过添加或消除配重的部分或者通过使得配重沿着螺纹轴前进。放置配重658可以直接位于轴线608、618、612的交点处并且平行于载台610上的摄像机底座表面。在这样做时，垂直地朝向或者远离载台610上的摄像机底座表面调整配重658不应当影响设备600在横摇或倾斜轴线上的总体平衡。

有利地，在本装置的说明性实施例中，可以使用有刷电机。具有小齿轮比的有刷电机可以特别适合本装置。说明性比率是4：1或10：1。小齿轮比允许通过向握把620施加压力来相对容易地驱动电机。由本文描述的算法提供的人工增加的惯性允许使用有刷电机。无刷电机通常产生比相同大小的有刷电机大得多的转矩。无刷电机通常经历磁齿槽，这是在电机轴旋转甚至断电时穿过电机轴的不想要的转矩。非常高的回路带宽和快速的响应时间可以克服这种齿槽，但是有效负载然后由反馈系统非常牢固地保持并且结果是无法由与握把的直接接触引导，如本发明的说明性实施例中。注意，在本装置的一些说明性实施例中，可以使用无刷电机。

图16描绘根据本装置的说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑装置700的另一种配置。支撑装置700具有握把702，该握把具有从第二区段706的底部延伸的第一握把区段704。第二握把区段706的直径比第一握把区段704的直径大。在本说明性实施例中，第一和第二握把区段704、706通常是圆柱形的。第一握把区段704的外表面沿着其长度基本上是线性的，不像图12示出的握把620是曲线的。第一握把区段704可以具有统一贯穿直径或者可以成角度以在截锥配置下改变度数。

如图16和图24所示，第二握把区段706具有狭槽708、710，在横摇框架712转动通过偏移时，这些狭槽容纳横摇框架712。横摇电机714功能性地连接到横摇框架712以向横摇框架712施加转动运动。图19示出横摇框架712处于水平位置。图16示出在其偏移极限处的横摇框架712，使得该横摇框架布置在狭槽708中。

狭槽708、710通常是握把702内的弧形狭缝，诸如图16所示。握把702可以例如在诸如图10-15所示的主动稳定的支撑系统上使用。狭槽握把配置将同样比悬臂式版本更牢固。

有效负载支撑装置600的角偏移范围的说明性上限是约±30°至约±35°。有效负载支撑装置700的角偏移范围的说明性上限是约±40°至约±45°。取决于各部分的规范，诸如握把直径和位于手柄726内的平移电机的轴724的长度，横摇框架616和712的偏移可以变化。

图17示出具有透明示出的握把702的主动稳定的有效负载支撑系统的一部分，由此暴露平移、倾斜和横摇机构的各部件以及用于将握把702固定到载台718的说明性紧固机构。

螺栓720、722被示出为将握把702固定到载台718。可以采用附加螺栓或其他紧固机构。握把702因此参照载台718并且独立于横摇框架712而移动。这与图10-15中示出的参照横摇框架616的握把620显著不同。

现在提供示例性握把702的尺寸。第一握把区段704的说明性外径是1.25英寸，并且说明性外径范围是约1.2英寸至约1.3英寸。从第一握把区段704的开口到与第二握把区段706的界面测量的第一握把区段704的说明性长度是约0.40英寸至约0.45英寸。有效负载大小将是决定有效负载支撑装置的各个部分的最优尺寸的一个因素。部件的关系也将影响部件的尺寸和运动范围。例如，与平移轴724的长度相关的握把702的底部、手柄726的顶部的位置以及倾斜轴线730的相对位置将影响最大倾斜偏移。

图16示出相对于握把702倾斜的手柄726。在图16，另外的倾斜由手柄726与握把702之间的接触限制。倾斜电机732和横摇电机714的位置能够偏离附图所示的位置。替代位置可以是期望的，以避免干扰其他支撑装置部件或者更好地使系统平衡。

图18是根据本发明的说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑装置700的一部分的剖面图。在图18中,横摇框架712处于非水平位置。倾斜电机732附接到横摇框架712，从而与其一起横摇。握把702参照载台718，从而不与横摇框架712一起横摇。底座734布置在附接到横摇框架712的凸台736、738之间。底座734进一步附接到平移轴724。

图20描绘根据本发明的说明性实施例的穿过握把702的底部向上观察的视图。手柄726在本视图中成角度，但是在不成角度的模式下在握把702下方直接延伸。当横摇框架712在远离水平位置的第一方向上横摇时，狭槽710、742容纳该横摇框架712，并且当横摇框架712在远离水平位置的相反方向上横摇时，狭槽708和与狭槽742相对的狭槽(未示出)容纳该横摇框架。图20另外示出凸台736、738以及布置在这些凸台之间的底座734。

图19示出根据说明性实施例的具有更小直径握把区段746和更大直径握把区段748的扇形边缘握把744。更大直径握把区段748的两个相对部分750、752与散布的延伸的更小直径部分754以及相对的延伸部分一起形成狭槽，横摇框架712能够转动进入这些狭槽。更小直径握把区段746不是按照握把620和702的方式与更大直径握把区段堆叠，即，界面的所有点位于同一平面中。而是，更小直径握把区段746的各部分延伸到存在更大直径握把区段748的水平，诸如更小直径握把区段746的部分754。第二更小直径握把部分存在相对的握把部分754(但是不可见)，并且还延伸到与更大直径握把区段748的部分相同的水平面。延伸到更大直径握把区段748的水平面的更小直径握把部分在操作员控制装置时提供由操作员使用的附加握把表面积。这能够对由于握把744的下部边缘处的材料减少所导致的表面积减小做出补偿，以形成扇形边缘756。在本发明的说明性实施例中，更小直径握把区段754的直径大约为1.3英寸，说明性范围是1.25英寸至约1.35英寸。平移轴760的说明性直径是约0.25英寸。

图20–21示出握把744的扇形边缘756的功能。图20和图21示出朝向握把744倾斜的手柄726。图21示出平移轴760遇到握把744的点。扇形边缘756内的凹陷758在平移轴760向上朝向握把744倾斜时提供容纳该平移轴760的空间。均匀地围绕扇形边缘756间隔开的三个附加凹陷允许平移轴760以比在不存在凹陷的情况下更大的角倾斜。凹陷是在握把744的扇形边缘756内的缺口。可以使用缺口的其他数量、配置和分布，前提是它们允许实现容纳平移轴760的期望功能和范围。

图20提供万向节798的视图，提供了垂直的转动轴线，一条围绕横摇轴线731，一条围绕倾斜轴线730。当平移轴760围绕倾斜轴线730倾斜并且载台718围绕横摇轴线731横摇时，扇形边缘756的底部中的四个凹陷758、764、766、768为平移轴760延伸到握把744内提供空间，以与直线边缘握把的倾斜限制相比增加可能的倾斜程度。凹陷758、764、766、768的中心位于由万向节798的两条轴线(倾斜轴线730和横摇轴线731)形成的每个象限的中间点角(即，45°)。这个中间点表示在相等地使用两个万向节时产生的偏移，由此最大化手柄726距离竖直方向的角度。

图21示出上述握把744的以下特征：凹陷758、764、766、768；较大直径握把部分752；较小直径握把部分754；以及扇形边缘756。

图22-24示出根据本发明的另外的说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑装置。图22示出具有透明示出的握把778的本装置的一部分，以暴露云台部件并且将握把778连接到装置的各个部分。握把778相对于载台718通过牢固地通过螺栓770、772固定在一侧并且通过附加螺栓固定到相反侧(未示出)。图22中透明示出的握把778的大直径握把区段748和相对的握把区段具有足够容纳螺栓770、772以及用于将握把778固定到载台718的任何附加螺栓的厚度。

如图23中的剖面可见，握把778进一步经由轴承784、786固定到凸台782，由此提供横摇轴线788。凸台782通过螺栓790、792、794和未示出的附加螺栓固定到横摇框架712，螺栓790在图22可见，但是可以使用其他紧固机构或配置。图27示出具有四个孔791、793、795、797的说明性凸台782，螺栓790、792、794以及一个附加螺栓穿过这四个孔而布置。凸台782还具有开口802、804、806、808，以容纳万向节798，其中一条转动轴线穿过开口802、804，并且第二基本上垂直的轴线穿过开口806、808。

图23所示的说明性实施例不同于前述配置，因为横摇框架712终止并且由轴承784、786支撑在握把778内，从而将横摇轴线放置成穿过握把778。图23还示出了平移轴线762和倾斜轴线730。

图24是图22和图23的主动稳定的有效负载支撑装置的剖面图。由于横摇框架712固定到凸台782，该凸台进而固定到握把778，所以横摇框架712无需在手柄726的两侧延伸以进行支撑。如图24可见，横摇框架712仅需要朝向横摇电机714延伸。进一步如图22-24所示的是平移轴760，该平移轴固定到握把778，使得握把778呈现由包含在手柄726中的平移电机796产生的平移运动。

图25和图26示出根据说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑件，其中，类似于图23所示的说明性实施例，具有相当于载台718的握把779。握把779经由单个轴承776固定到凸台782。这不同于图23所示的说明性实施例，其中，握把778经由两个轴承784、786固定到凸台782。

图28示出根据所公开的装置的说明性实施例的具有透明呈现的握把802的主动稳定的有效负载支撑装置800的一部分，以示出产生并控制横摇和倾斜运动的小齿轮和扇形齿轮机构804。图29示出小齿轮和扇形齿轮机构804。扇形横摇齿轮806生成横摇运动，而扇形倾斜齿轮808产生倾斜运动。电机812经由倾斜小齿轮816驱动扇形倾斜齿轮808。电机814经由小齿轮818驱动扇形横摇齿轮806。握把802具有延伸区段810，例如用来容纳电路。

图30和图31分别示出根据所公开的装置的说明性实施例的主动稳定的有效负载支撑件800的立体图和侧视图。成像设备820通过支架822固定到有效负载支撑件。支架822能够相对于握把802移动，如图31的箭头830所示。如图32所示，可以例如通过螺钉854和螺纹接纳部件856来调整移动，其中螺钉的前进由旋钮852控制。成像设备820和支架822相对于本装置的中心线824的位置影响系统的平衡。中心线824是延伸通过本装置的重心的虚拟竖直线。通常，用户将希望中心线824与成像设备820的竖直中心线重合，前后并且侧向重合。本装置和相关联的有效负载将被设置为使得中心线824穿过手柄834的纵轴以及倾斜、横摇和平移轴线的单个汇聚点。但是支架822向成像设备的一侧添加重量。这可以由围绕重心分布的进一步影响系统的平衡的多个部件抵销。所描绘的延伸握把区段810抵销翼梁826、828的相反重量。图31仅示出了一组翼梁。相对翼梁840、842存在于装置中，例如图30所示。在说明性实施例中容纳三个双A电池的电池盒832可以与中心线824一致或者位于任一侧上。延伸件838用作配重，该延伸件可以永久地固定在特定位置。可替代地，延伸件838或其他形式的配重可以按照需要添加或移除，以进一步影响装置的期望平衡。在说明性实施例中，延伸件838对未负载的支撑装置(即未在电池盒832中安装电池和成像设备820)的翼梁826、828、840、842进行平衡。

支撑装置800可以折叠以储存，如图32所示。参考图28、图32和图33，示出握把802内的狭槽836。当有效负载支撑装置800的手柄834向上折叠时，平移轴844容纳在狭槽836中。翼梁826、828朝向彼此折叠并且进一步朝向手柄834折叠。类似地，翼梁840、842朝向彼此折叠并且进一步朝向手柄834折叠，使得手柄834位于翼梁826、828、840、842之间，例如图32所示。一个或多个横梁(未示出)可以并入该组翼梁之间，以在折叠本装置时用作手柄834的止挡件。横梁将例如在翼梁826与840之间延伸。

如图33所示，当折叠本装置时，倾斜扇形齿轮808从倾斜小齿轮816脱离接合。倾斜扇形齿轮808和狭槽836的相对位置被设计成确保当向上折叠手柄834时倾斜扇形齿轮808从倾斜小齿轮816脱离接合。

如图32所示，支架822通过围绕轴线846枢转而朝向翼梁826、828、840、842折叠。例如，如图34可见，支架822具有夹具848，当展开本装置时，该夹具将成像设备820固定到有效负载支撑件800。夹具848优选地是弹簧加载的，但是替代机构可以用来将夹具848与成像设备820牢固地接合在期望的位置。当支架822处于折叠位置时，夹具848位于电池盒832附近。电池盒832具有夹具接合部件，以在折叠有效负载支撑件时将电池盒832固定在适当位置。夹具接合部件可以具有各种配置，只要该部件接合夹具848以将装置固定在折叠位置即可。

在本发明的另外的说明性实施例中，手柄不是折叠的，而是保持“竖直”，并且其他部件朝向手柄折叠或者与其“呈直线”。

图35-39示出主动稳定的有效负载支撑装置900的另外的说明性实施例，其可以包括本文示出或描述的其他说明性实施例的部件。图35是俯视载台本体902的主动稳定的有效负载支撑装置900的立体图。图36是说明性实施例的侧视图。图37是主动稳定的有效负载支撑装置900的后视图。图38是贯穿图37的线A-A的剖面图。图39是载台本体902内的机构的放大立体图。图40是载台本体902内的机构的放大剖面图。

主动稳定的有效负载支撑装置900包括具有附接到或集成到其上的握把904的载台本体902。可以按照各种方式来配置载台本体902，前提是载台本体按照需要与本装置的其他部件相关联，例如但不限于枢轴935、936，并且能够配置成允许在本装置上或者结合本装置来支撑有效负载。载台本体902和握把904围绕向由主动稳定的有效负载支撑装置900支撑的或固定到其上的有效负载施加横摇和倾斜运动的倾斜扇形齿轮928和横摇扇形齿轮942。扇形齿轮928、942附接到或集成到框架958。框架958能够具有各种配置，前提是允许围绕相关联的轴线进行必要的转动。框架例如可以被认为是云台装置的区段，并且可以例如采取云台万向节叉的形式或替换云台万向节叉。手柄906围绕倾斜电机908和平移电机910。倾斜电机908和平移电机910的本体不相对于握把904转动。

倾斜电机908附接到倾斜电机驱动轴924。倾斜轴线驱动齿轮926附接到倾斜电机驱动轴924。倾斜轴线驱动齿轮926与倾斜扇形齿轮928功能性地接合。倾斜扇形齿轮928附接到或集成到框架958。框架958在倾斜轴线枢轴930、932处枢转地附接到主支撑轴934，从而允许框架958相对于主支撑轴934围绕倾斜轴线918转动。框架958还进一步在横摇轴线枢轴935、936或其他合适的附接机构处附接到载台902。当倾斜轴线驱动齿轮926转动时，这致使倾斜扇形齿轮928转动，并且因此框架958和载台本体902围绕倾斜轴线918在垂直于倾斜轴线驱动齿轮926的转动的平面内倾斜。固定到载台本体902的有效负载因此也将围绕倾斜轴线918转动。

横摇电机920围绕横摇轴线922转动固定到主动稳定的有效负载支撑装置900的有效负载。横摇电机轴938连接到横摇轴线驱动齿轮940。横摇轴线驱动齿轮940与横摇扇形齿轮942功能性地接合。横摇扇形齿轮942附接到或集成到框架958。框架958通过转动部件(诸如横摇轴线枢轴935、936)连接到载台本体902。因此，当横摇电机920向横摇轴线驱动齿轮940并且因此向横摇扇形齿轮942施加角运动时，附接到载台本体902的有效负载将围绕横摇轴线922转动。

当包含位于由载台本体902或其他载台结构支撑的载台的有效负载时，平移、倾斜和横摇轴线916、918、922分别通常在握把904处汇聚或者大致在主动稳定的有效负载支撑装置900的中心处或附近汇聚。

倾斜电机908通过同心电机连接器912连接到平移电机910。平移电机轴914安装到手柄906。轴承946、948允许手柄906与主支撑轴934之间的相对转动。因为平移电机轴914安装到手柄906，所以平移电机轴914生成载台本体902相对于手柄906围绕平移轴线916的角运动。

图41是主动稳定的有效负载支撑件900的分解图。图42和图43是图41的各部分的放大图。图41-43示出手柄906，通过同心电机连接器912连接到平移电机910的倾斜电机908插入该手柄中。倾斜轴线驱动轴924从倾斜电机908延伸通过帽盖950。帽盖950与手柄906通过螺纹接合。主支撑轴934围绕倾斜轴线驱动轴924并且穿过帽盖950而布置。还示出了载台本体902和将载台本体902附接到框架958的附接部件，即横摇轴线枢轴935、936。倾斜轴线驱动轴924穿过位于手柄906顶部处或附近的轴承946、948而布置。主支撑轴934进一步穿过载台本体902内的轴承954而布置。

提供引线引导开口956a、b、c、d以使电线穿过，以便操作电机和任何其他电子部件。可以包括适于该结构和用途的任何数量的开口。

图44是主动稳定的有效负载支撑装置的另外的说明性实施例的后视图。图45是贯穿图44的线A-A的剖面图，示出框架958以角度α倾斜回去。狭槽964容纳主支撑轴934，在这种倾斜配置中，特别是当本装置折叠时，需要该主支撑轴。图45示出说明性角度α，其中在贯穿横摇枢轴960的线与贯穿横摇电机轴972的线之间大致形成角度。在示例性实施例中，角度α位于约10°至约20°的范围内。

横摇电机轴972转动横摇轴线驱动齿轮966。横摇扇形齿轮968在本实施例中是倾斜的，所以必须修改这些部件中的一个或多个而不改变横摇轴线驱动齿轮966的定向，使得它们功能性地接合，诸如有斜面。图46是图45的实施例的扇形齿轮968、970的一部分的放大立体图，其中，示出了齿轮相对于彼此的角度。

横摇枢轴960、962在与非倾斜版本中的点不同的点处与倾斜载台本体976介接，以容纳倾斜配置。

图47和图48示出主动稳定的有效负载装置的另外的说明性实施例。这些装置具有云台978，该云台具有第一云台轴线980和第二云台轴线982，其中，该第一云台轴线基本上垂直于该第二云台轴线。云台还能够围绕与平移轴988的纵向中心线重合的平移轴线转动。平移轴线与第一云台轴线980和第二云台轴线982相互垂直。云台978具有万向节叉992，该万向节叉可枢转地附接到云台平移轴承部件994，以围绕第二云台轴线982转动，其中，万向节叉992在第一枢轴996以及与所述第一枢轴996相对的第二枢轴998处附接到云台平移轴承部件988。

图47描绘具有直接驱动电机以产生围绕第一云台轴线980和第二云台轴线982的角运动的同轴或全轴向转矩生成器的说明性实施例。呈电机984形式的第一转矩生成器布置在万向节叉芯柱1000处并且产生围绕第一云台轴线980的转动运动。呈电机986a、b形式的第二转矩生成器产生围绕第二云台轴线982的转动运动。在本实施例中，每个电机986a、b之一布置在平移轴988的任一侧上、在万向节叉902到云台平移轴承部件994的连接处。

图48描绘同轴或全轴向转矩生成器的说明性实施例，该转矩生成器包括由电机986c转动的功能性连接的驱动齿轮驱动的扇形或弧形齿轮形式的第一齿轮1006，以产生围绕第二轴线982的角运动。第二弧形或圆形齿轮1008功能性地连接到由电机984转动的驱动齿轮，以产生围绕第一云台轴线980的转动。平移轴线计数器990可以用来即使在操作员围绕装备从侧面向前向后移动其身体并且因此移动万向节叉992时追踪云台万向节叉992的角位置，同时获得他或她的拍摄。平移轴线计数器990提供角度θ，将该角度输入到处理设备，该处理设备包括用来执行算法(如以下另外描述的)的计算机代码。当其关系相对于实际雪橇的第一云台轴线或第二云台轴线(可以例如是“横摇”和“倾斜”轴线)变化时，平移轴线计数器990追踪云台转矩之和与角方向之比。

电机984和986a、b、c接合以围绕第一云台轴线980和第二云台轴线982调整本装置可以通过除了所描述的齿轮之外的装置来进行，前提是它们与支撑装置的结构和用途兼容。

图47还描绘附接到或集成到芯柱1000并且配置成附接到抗平衡臂(诸如例如平衡臂)的丫叉槽1004。抗平衡臂可以包括具有弹性构件的平行四边形链节，该弹性构件用来对抗支撑装置和有效负载支撑件的重量。

在示例性实施例中，装置上的一个或多个转矩生成器是无刷电机。

已经描述了可以包含传感器的主动稳定的有效负载支撑件的各实施例。关联传感器能够位于各种位置，至少部分地取决于有效负载支撑件的配置以及所使用的方法和算法。在示例性实施例中，角感测单元(IMU)与摄像机或其他有效负载协同定位，具有分别与摄像机的横摇、倾斜、平移转动轴线同轴并且对其做出响应的IMU横摇、倾斜、平移角感测装置。

在另外的说明性实施例中，IMU通过对耳轴轴线角度做出响应的第一角感测装置、对基本上垂直于耳轴轴线和平移立柱轴线的轴线做出响应的第二角感测装置(所述装置基本上对万向节叉轴线角度做出响应)以及围绕平行于平移立柱的轴线做出响应的第三角感测装置而附接到云台的外平移轴承支撑件。注意，尽管传感器无需位于单个单元内，但是可以是布置在彼此不同的位置处的分开的传感器。

转动测量设备990功能性地安装在有效负载支撑装置内以测量平移轴的转动角θ。一个或多个处理设备配置成接收角度θ。存储有可执行计算机代码的一个或多个非瞬态存储设备操作性地连接到该一个或多个处理设备并且执行计算机以实施以下方法，该方法包括：

从所述转动测量设备接收角度θ；

计算cosineθ和sineθ；

接收所选补充横摇转矩；

接收所选补充倾斜转矩；

将所述补充有效负载倾斜转矩与cosineθ的乘积以及所述补充有效负载倾斜转矩与sineθ的乘积相加，以获得第二云台轴线转矩；

将所述补充有效负载第一转矩与sineθ的乘积以及所述补充有效负载第一转矩与cosineθ的乘积相减，以获得第一云台轴线转矩；

致使所述第二转矩生成器生成所述第二云台轴线转矩；以及

致使所述第一转矩生成器生成所述第一云台轴线转矩。

在说明性实施例中，当第一云台轴线980与有效负载横摇轴线对准并且第二云台轴线982与有效负载倾斜轴线对准时，角度θ等于零。然而，零参照可以被校准为参照云台轴线的其他合适的配置。

支撑和定向装置及方法的说明性实施例可以包括以下特征中的一些或全部：

a)通过云台施加到有效负载的补充反转矩，同时保持对直接操作员接触做出响应，以引导并定向支撑平衡扩展有效负载；

b)对主动稳定的三轴平台进行直接操作员控制，其中，在实际使用期间，操作员不直接接触该三轴装置，而且操作员使用遥控器接口(诸如操纵杆等等)来远程地电子地控制该三轴装置；

c)增加支撑扩展有效负载的惯性矩，而不增加重量、旋转飞轮或增加大小、通过云台向扩展有效负载提供补充反转矩而增加的惯性、与由操作员或者通过干扰有意地施加的与外部转矩成比例并且相反的转矩；

d)参照静态惯性坐标系的动态摩擦产生阻力反馈转矩，该阻力反馈转矩随着角速率而增加，并且当操作员施加转矩以转动扩展有效负载的定向时能够由操作员感受到。期望的动态摩擦阻尼抑制操作员转矩脉冲和外部干扰(诸如风摩擦)；

e)参照静态惯性坐标系的静态摩擦转矩反馈，使得当通过直接操作员控制实现具体的平移和倾斜定向并且设备静止时，将倾向于一旦操作员已经释放对附接到有效负载的操作员控制表面的控制并且甚至当由于外力而轻微失衡或扰动时维持该定向；

f)通过云台施加到扩展平衡有效负载的反馈转矩，所述转矩旨在对准有效负载的倾斜轴线以基本上平行于本地水平仪或者等效地垂直于重力方向的测量值，甚至当操作员继续施加平移和倾斜转矩来定向有效负载时也如此；以及

g)施加上述补充转矩，使得稳定器相对不受阻碍地操作。

本发明包括一种使具有多个转矩生成器的诸如本文描述的那些平衡部件组件稳定的方法。在本发明的说明性实施例中，该方法包括以下步骤：

a)使用角运动感测单元测量并提供平衡部件组件围绕三个基本上相互垂直的轴线的角速度和定向运动，其中，这种角速率和定向运动包括由操作员输入和外部干扰产生的运动；

b)提供包括用于这三个基本上相互垂直的轴线的期望角速率和定向运动的物理模型；

c)使用信号处理器分别为这三条基本上相互垂直的轴线中的每一条轴线对所测得的角速率和定向运动与建模的角速率和定向运动进行比较，从而为这些基本上相互垂直的轴线中的每一条轴线产生比较结果；

d)基于相应的比较结果为这些基本上相互垂直的轴线中的每一条轴线生成补充转矩信号；

e)将每个补充转矩信号施加到相应的转矩生成器；

f)重复步骤(a)至(e)，以形成反馈回路。

这三条基本上相互垂直的轴线可以例如对应于平移、倾斜和横摇。分开的算法可以用于所述基本上相互垂直的轴线中的每一条轴线，以产生所测得的角速率和定向运动与建模的角速率和定向运动的比较。补充转矩信号可以增加平衡部件组件的角惯性。

可以将参照固定惯性坐标系的静态转矩和摩擦转矩添加到物理模型的建模的倾斜转矩和建模的平移转矩。可以随着时间根据围绕每条基本上相互垂直的轴线中的每一条增加的所测得的角速率来自动地减小惯性矩和动态制动摩擦的系数。

该方法可以包括提供低于补充转矩限制的阈值转矩以及当外部转矩到达阈值转矩时减小补充转矩，由此向操作员发信号以减小操作员转矩输入。当外部转矩偏离阈值转矩时，重新施加补充转矩。

本发明包括：陀螺仪稳定Steadicam类型的云台替换组件，包括：

远离“雪橇载台”的水平和倾斜感测装置；

位于所述云台组件上的平移角感测装置(在云台平移轴承的内环与外环之间检测)；

用于机动化云台耳轴组件以影响云台万向节叉对立柱角度定中心的装置；

用于同轴地机动化云台万向节叉轴承轴组件以影响丫叉与云台万向节叉轴之间的角关系的装置；以及

用于根据瞬态云台角将耳轴与万向节叉电机的基本上垂直的影响集成的计算装置(位于所述载台上或所述云台上)，以致使Steadicam“雪橇”找平并且同时保持所选倾斜角，而不管操作员在他或她的设备的侧面或后面的位置的改变。

本发明的说明性实施例包括一种用于稳定有效负载的装置，该装置包括：具有全轴向转矩生成器的装备，该全轴向转矩生成器包括横摇转矩生成器、倾斜转矩生成器和平移转矩生成器；反馈控制器；该全轴向转矩生成器由反馈控制器所生成的补充转矩输出信号驱动；角运动感测单元，能够测量由该全轴向转矩生成器产生的角速率和定向运动，其中，该角速度和定向运动包括操作员输入和外部干扰所产生的运动；该反馈控制器具有信号处理器，该信号处理器功能性地连接到角运动感测单元，以接收所测得的速率和所测得的定向作为输入。该信号处理器包括人造水平仪算法、横摇轴线算法、倾斜轴线算法和平移轴线算法。该信号处理器能够通过相应的算法处理所测得的角速率和定向运动，以产生将施加到平移轴线、倾斜轴线和横摇轴线中每一者的补充转矩信号，当施加时，该补充转矩信号修改角速率和角位置，以符合物理模型。

电子结构和相关机械结构能够包括用于向本装置所支撑的有效负载施加横摇、倾斜和平移的任何手柄和相关机构。

本装置可以具有用于控制围绕平移轴线和倾斜轴线的运动的操作员控制表面，其中，围绕横摇轴线的运动仅由反馈控制器控制。

摄像机稳定系统的实施例的稳定技术、方法和理论可以应用于更大的稳定雪橇，但存在一些差异。

常规的“雪橇”，诸如蒂芬公司以名义销售的“雪橇”，依赖于摄像机、监视器和电池的相对大的质量，以产生用于图像的角稳定的惯性。这些雪橇还使用这些质量来平衡雪橇以从摩擦很低的三轴云台竖直垂下。为了让这些更大系统的雪橇竖直垂下，其重心必须在支撑的三轴云台下方。在典型雪橇的情况下，当其如此平衡和移动时，雪橇的行为像长摆锤一样，并且图像离开水平，除非操作者进行干预。摄像机稳定系统操作的基本技能之一是预期此摆动动作并且防止出现该摆动动作。重心越在支撑云台下方，摆动效应越强，并且操作者就要做越多的工作来防止摆动。

如果操作者通过接近支撑云台的重心来平衡雪橇，那么会减少摆动效应和随之的预防工作，但会损失对水平的触觉反馈，这对于操作者来说是挑战。操作者必须在没有任何触觉反馈的情况下越来越多地集中于保持框架水平，而无论摄像机稳定系统在空间中是否移动。

所期望的是中立地平衡、自然惰性雪橇，该雪橇人为地产生垂直定位和操作者反馈。该雪橇将产生经典平衡的摄像机稳定雪橇的感觉，但可以在减少的负面摆动后果也不损失水平的情况下进行平衡和操作，从而不用操作者更多地集中于有技巧的取景。

图49-54描绘所公开的摄像机稳定系统的说明性实施例，该摄像机稳定系统包含附接到具有三轴云台1102的摄像机稳定雪橇1100的多个传感器和电机。图55-59描绘根据说明性实施例的用于实现系统过程的电子控制单元。在一个说明性实施例中，传感器包含三个角速率传感器1104、1106、1108，三个加速度计1110、1112、1114和平移计数器1116。

传感器可以在对准或固定到雪橇1100顶部上的摄像机1122的罩壳1120中。柔性接线可以将传感器连接到云台1102的云台万向节叉1124。两个主电机1128、1130、云台万向节叉轴线电机和耳轴电机分别附接到锁定到云台万向节叉1124的支撑臂1132，并且彼此以90°定向。还可以采用第三电机1118，该第三电机可以兼做平移计数器。如果采用第三电机1118，那么该第三电机平行于“平移”轴线1136而动作，并且在稳定雪橇1100向上或向下倾斜时提供附加的“找平”转矩。经由可调整的皮带和滑轮，电机1128用于围绕与支撑手柄1134成90°的平面转动地驱动云台1102。电机1130作用于耳轴的轴线。

之所以使用平移计数器1116是因为确定水平的摄像机1122和传感器1110、1112、1114未相对于云台支撑手柄1134固定，因此电机1128、1130不一定对准到摄像机横摇(水平)或摄像机倾斜。平移计数器1116记录摄像机1122与电机1128、1130之间的围绕平移轴线1136的平移转动或定向，因此对两个电机的适当校正将相对于照相机1122保持雪橇1100水平或呈期望的角度。

在一个示例性实施例中，摄像机稳定系统1100的部件是可以容易移除的，或者容易附接到标准的和可能未修改的云台1102。电机1128、1130的支撑臂1132经由旋入两个耳轴1140、1142之一中的单个帽盖1138而附接到云台万向节叉1124。云台耳轴从动滑轮1144b经由螺丝而附接到相对的耳轴。云台万向节叉轴线从动滑轮1148b经由固定螺丝而附接到云台支撑手柄1134。平移计数器1116的磁传感器1158经由支架1152和螺丝而附接到平移轴承1156的外环1154。

该系统可以配置成足够小，以保持附接到云台1102来用于“正常”操作并且还用于在标准情况下进行存储。

云台耳轴滑轮1144连接到云台的外部平移轴承座圈1154。连接到外部平移轴承座圈1154上的支架1152的螺丝防止云台耳轴滑轮1144相对于外部平移轴承座圈1154转动。

平移计数器1116包括附接到外部平移轴承座圈1154的平移计数器传感器1158以及附接到平移轴承1156的内部座圈1155的参考环1160，该参考环锁定到摄像机定向。所示出的平移计数器传感器1158和参考环1160是磁性的，但平移计数器系统可以是光学、静电或机械的。通常，在双电机配置中，非机械系统的系统由于附加的摩擦而为优选的，但不能排除使用机械系统。

如果平移计数器传感器1158是使用定位成围绕平移轴线1136驱动雪橇1100的第三电机1118的系统的一部分，那么可以使用机械连接(正齿轮系或皮带和滑轮系统)。在雪橇1100相对于水平面等上下倾斜多于25°时，第三电机1118可为所期望的。例如参看图53和图54。摄像机1122越倾斜，使摄像机保持与水平仪水平就越来越随平移轴承1156而变。使电机作用于平移轴线1136可以比驱动电机1128、1130更高效。如果摄像机1122直接上下指向，那么平移轴线1136将一般100％或几乎100％地定向到摄像机水平。

通常，当摄像机1122上下径向地指向时，例如，如图53所示，那么将摄像机1122锁定到水平仪就变得越来越不重要。在如所示的双电机配置中，可以实现由电子控制单元1162和关联传感器实施的方法以在雪橇1100越来越倾斜时减少并且最终阻隔电机1128、1130的效应。

操作者可以在需要时迫使雪橇1100离开水平。如果期望野蛮地离开水平的拍摄，操作者可以临时地停用系统，从而致使雪橇1100的行为更像常规的雪橇。

图55描绘容纳电子器件来控制摄像机稳定系统1100的说明性电子控制单元(ECU)1162。参看图58，ECU 1162容纳操作性地连接到一个或多个非瞬态存储设备1182的一个或多个处理器1180，在所述存储设备上存储了可执行计算机代码，所述计算机代码在由所述一个或多个处理器执行时致使系统实施本文描述的方法以使摄像机和雪橇装置稳定。计算机可读介质含有可以由系统的处理器实现以实施期望的步骤的代码，并且可以是(例如)易失性和非易失性、可移除和非可移除介质，包含(但不限于)ROM、PROM、EPROM、EEPROM、RAM、SRAM、DRAM和快闪存储器。

传感器1104、1106、1108、1110、1112、1114、1116与输入/输出子系统或总线1198通信。存储器1182和处理器1180也与总线1198通信。存储器1182和处理器1180可以包含多个处理器和存储器设备，但为了简单，在本文使用单个处理器和存储器设备。总线1198另外功能性地连接到电机1128、1130和任选的第三电机1118。

在图55和图56中示出的例如呈接口面板1164形式的用户接口，允许用户临时地关闭平移计数器并且通过平移计数器按钮1166将平移计数器设定为零。摄像机倾斜角按钮1168允许用户设定摄像机倾斜角。对于允许左手操作或右手操作的系统，采用左/右开关1170在操作之间改变。可以经由电力开关1172开启和关闭该系统。可以采用用于向输入设备提供信号的其他用户接口，所述用户接口配置成诸如经由按钮、开关、触摸屏等接受用户选择，并且向输入设备传输所述信号或作为输入设备。

图57描绘可以是(例如)后方面板的ECU 1162的另一视图。连接器1174将ECU 1162连接到电机1118、1128、1130。可以使用响应性转盘1176来设定传感器1104、1106、1108、1110、1112、1114的响应性，其中传感器1104、1106、1108是测量附接的稳定器加摄像机围绕三条基本上相互垂直的轴线(诸如“横摇”、“倾斜”和“平移”转动轴线)的角转动速率的角速率传感器，并且传感器1110、1112、1114是用于测量沿着三条线性和相互垂直的轴线(诸如“上下”、“左右”和“前后”轴线)的空间加速度的加速度计。可以通过力转盘1178来设定到电机1128、1130的力的水平。

图59是根据一个说明性实施例的摄像机稳定系统1184的一部分的示意图，其中，可以实施摄像机稳定方法。传感器1104、1106、1108、1110、1112、1114、1116向ECU 1162输出信号。ECU 1162在框1186中接受传感器输出信号。在框1188中处理所接受的信号。在框1190中将经过处理的信号映射到调整。在框1192中编码经过调整的信号。在框1192中，将经编码的调整信号传输到致动单元1194。致动单元1194作用于摄像机稳定雪橇1100的电机1128、1130和平移计数器1116。

ECU 1162的部件可以并入到单个设备中或者可以是功能性地连接的多个设备。本领域技术人员将了解在ECU 1162中可以包括以实现本文描述的方法和系统的各实施例的其他或附加的部件，并且因此，此类知识被视为是本公开固有包含的。

在图49-53示出的实施例中，电机1128、1130附接到电枢1132，该电枢锁定到云台万向节叉1124。还有可能经由不同支架将耳轴电机1130附接到平移轴承外部座圈1154并且将耳轴滑轮1144b附接到万向节叉1124，和/或将万向节叉轴线电机1128附接到云台支撑手柄1134并且将从动滑轮附接到云台万向节叉。

应注意，本申请的部分涉及“摄像机稳定”，但装置和方法可以应用于使其他有效负载水平和稳定。

可以通过多种方式体现本发明，例如，系统、方法或设备。本发明包括本文描述的方法以及用来执行这些方法的处理器，包括存储设备和部件以及任何关联程序代码。

本发明包括根据本文描绘或描述的实施例、它们的等效物和包括前述元件的任何可能组合的装置中的任一者的主动稳定的有效负载支撑件、非暂时性计算机可读介质以及使有效负载稳定的方法。

已经描述了本发明的各种说明性实施例，每个说明性实施例具有不同的元素组合。本发明不限于所公开的具体实施例，而是可以包括所公开的元素的不同组合、省略一些元素或者通过这种结构的等效物来替换元素。

尽管已经通过说明性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将容易想到附加优点和修改。因此，在其更宽泛的方面，本发明不限于本文示出并描述的特定细节。可以例如通过对除了摄像机之外的有效负载和部件的不同位置实现本发明来做出修改而不背离本发明的精神和范围。因此，希望本发明不限于特定说明性实施例，而是在所附权利要求书及其等效物的整个精神和范围内进行理解。

Claims (7)

1.一种根据本文描述的任一实施例的有效负载稳定装置。

2.根据权利要求1所述的有效负载稳定装置，包括：

具有云台的有效负载支撑装置，所述云台具有第一云台轴线和第二云台轴线，其中，所述第一云台轴线基本上垂直于所述第二云台轴线；

所述云台具有转矩生成器系统；

所述转矩生成器系统包括用于围绕所述第一云台轴线生成转矩的第一转矩生成器和用于围绕所述第二云台轴线生成转矩的第二转矩生成器；

平移轴，所述平移轴附接到所述云台；

转动测量设备，所述转动测量设备用于测量所述平移轴的转动角θ；

一个或多个处理设备，所述一个或多个处理设备配置成接收角度θ；

一个或多个非瞬态存储设备，在所述一个或多个非瞬态存储设备上存储有可执行计算机代码，所述一个或多个非瞬态存储设备操作性地连接到所述一个或多个处理设备，其中，所述计算机代码在被执行时执行以下方法，所述方法包括：

从所述转动测量设备接收角度θ；

计算cosineθ和sineθ；

接收所选补充横摇转矩；

接收所选补充倾斜转矩；

将所述补充倾斜转矩与cosineθ的乘积以及所述补充倾斜转矩与sineθ的乘积相加，以获得第二云台轴线转矩；

将所述补充第一转矩与sineθ的乘积以及所述补充第一转矩与cosineθ的乘积相减，以获得第一云台轴线转矩；

致使第一转矩生成器生成所述第二云台轴线转矩；以及

致使第二转矩生成器生成所述第一云台轴线转矩。

3.根据权利要求2所述的有效负载稳定器，其中：

所述云台具有万向节叉，所述万向节叉可枢转地附接到云台平移轴承部件，以围绕所述第二云台轴线转动，其中，所述万向节叉在第一枢轴以及与所述第一枢轴相对的第二枢轴处附接到所述云台平移轴承部件；

所述第二转矩生成器包括：

第一电机，所述第一电机配置成围绕所述第一枢轴生成转矩；以及

第二电机，所述第二电机配置成围绕所述第二枢轴生成转矩。

4.一种根据本文描述的任一实施例的稳定有效负载的方法。

5.根据权利要求4所述的方法，包括：

从所述转动测量设备接收角度θ；

计算cosineθ和sineθ；

接收所选补充横摇转矩；

接收所选补充倾斜转矩；

将所述补充倾斜转矩与cosineθ的乘积以及所述补充倾斜转矩与sineθ的乘积相加，以获得第二云台轴线转矩；

将所述补充第一转矩与sineθ的乘积以及所述补充第一转矩与cosineθ的乘积相减，以获得第一云台轴线转矩；

致使第一转矩生成器生成所述第二云台轴线转矩；以及

致使第二转矩生成器生成所述第一云台轴线转矩。

6.一种上面存储有计算机代码的非瞬态计算机可读介质，当在一个或多个处理器上执行时，所述计算机代码致使计算机系统执行本文描述的用于使有效负载稳定的方法中的任一方法。

7.根据权利要求6所述的非瞬态计算机可读介质，其中，所述计算机代码在被执行时执行以下方法，所述方法包括：

操作性地连接到所述一个或多个处理设备，其中，所述计算机代码在被执行时执行以下方法，所述方法包括：

从所述转动测量设备接收角度θ；

计算cosineθ和sineθ；

接收所选补充横摇转矩；

接收所选补充倾斜转矩；

将所述补充倾斜转矩与cosineθ的乘积以及所述补充倾斜转矩与sineθ的乘积相加，以获得第二云台轴线转矩；

将所述补充第一转矩与sineθ的乘积以及所述补充第一转矩与cosineθ的乘积相减，以获得第一云台轴线转矩；

致使第一转矩生成器生成所述第二云台轴线转矩；以及

致使第二转矩生成器生成所述第一云台轴线转矩。