新型電動攝影滑軌的研究與設計

黃家豪 丁潤濤 侯晶如 賴麗昭

廣東東軟學院 計算機學院 廣東 佛山 528000

引言

近年來，隨著人們生活水平的提高，短視頻行業發展火爆[1]，人們對視頻質量的要求也隨之提高。由電子程序控制速度的電動滑軌作為專業的輔助拍攝設備進入大眾視野。經過調查分析發現，市面的電動滑軌存在售價昂貴、質量良莠不齊、便攜性低以及交互性不足等缺陷，導致電動滑軌無法像三軸穩定器之類的電子輔助拍攝設備那樣快速普及。

目前市面上90%以上的電動滑軌采用的是雙軌式滑動結構[2]，平行的雙軌結構擁有良好的平衡結構，但該滑動結構在長期的外力作用下，極易造成導軌形變，使得滑軌的長期穩定性和順滑度大幅下降，而且雙軌結構占用空間大導致便攜性降低。本項目通過研究分析發現，采用單軌結構加側向滑動的橡膠輪設計不僅具有極高的便攜性，同時也擁有極高的穩定性和可靠性。市面上的電動滑軌功能過于單一，普通電動滑軌僅能實現基礎的水平勻速平移延時攝影，較高級的電動滑軌在此基礎上增加了跟焦拍攝和廣角掃景模式[2]，其原理通過調節中間一條額外的軌道實現的相機角度的轉向，確切來說這種電動滑軌屬于三軌設計。并不具備可編程實現多功能多模式的基礎條件。

為改變這一現狀，本項目提供了一種優化改進的方案，極大地壓縮了成本，在滿足滑軌最基本的穩定可靠性前提下，通過改進滑軌的結構極大降低了制作工藝的難度，解決目前電動滑軌制作要求高、成品率低的難題。同時便攜性的提高，使得電動滑軌的使用范圍更廣。功能多樣性帶來了可編程的特點，極大地豐富了相機的鏡頭語言，讓用戶有更多創作的空間。同時改進了目前人機交互方式的不足，讓用戶以最低的學習成本實現復雜且高難度的運鏡操作。

1 機械結構設計

市面上的電動滑軌功能過于單一，普通電動滑軌僅能實現基礎的水平勻速平移，較高級的電動滑軌在此基礎上增加了跟焦拍攝和廣角掃景模式，其原理通過調節中間一條額外的軌道實現的相機角度的轉向，確切來說這種電子滑軌屬于三軌設計。并不具備可編程實現多功能多模式的基礎條件。本項目拋棄了上述的三軌設計方案，采用單軌與可編程電機結合的設計，可編程的特性使得功能的多樣化提供了堅實的基礎，不僅實現了讓相機鏡頭“動”起來的基本操作，更能讓鏡頭“活”起來。

該電動滑軌運用了重量較輕的鋁制單軌結構，利用靜音硅膠輪組成滑塊系統，改進皮帶傳動結構的缺陷，經過深度市場調研分析，充分考慮絕大部分消費者的需求，對各種元器件進行精確選型，在盡可能降低制作成本的前提下，實現穩定可靠、功能多樣性、人機交互性友好的電動滑軌。

1.1 導軌結構

導軌采用歐標2040鋁型材加側向滑動硅膠輪的單軌設計方案，導軌材質為成本較低的鋁材質。歐標2040鋁型材如圖1所示，目前市面上的電動滑軌大多采用了成本昂貴的碳纖維材質，這也是電動滑軌售價昂貴的主要原因之一。碳纖維的密度約為1.5～2.0g/cm3，鋁的密度約為2.7g/cm3，兩者在同等規格下的重量差距不大，就材料的特性而言，鋁制品相對于碳纖維材料具有優秀的耐磨、熱穩定、耐高溫腐蝕的特性[5]，因此在保證較低重量的情況下，選擇環境適應性強且壽命更長的鋁材質。

圖1 歐標2040鋁型材

圖2 歐標2040鋁型材截面圖

1.2 滑塊結構

得益于歐標2040鋁型材的特殊結構，使得側滑輪結構得以應用，采用自行設計3～5mm厚度的亞克力板作為滑塊底板，靜音硅膠輪作為滑軌導輪，該結構常應用于3D打印機，經過多年的改進優化，已經完全滿足高精度的需求。此結構滑動流暢細膩且維護簡單，不需要添加潤滑油。相較于鋼珠式滑塊，能減少震動對拍攝畫面的影響，同時還具備低噪音的優點。

1.3 傳動結構

傳動結構的設計采用齒輪式皮帶傳動[3]，本項目根據歐標2040鋁型材的特殊結構改進了皮帶的傳動結構，將皮帶巧妙的隱藏于導軌的凹槽內，有效解決日常環境中灰塵顆粒物黏附傳動皮帶造成的抖動，延長了傳動裝置的壽命，使得滑軌整體更美觀、一體性更高。皮帶傳動具有高效、易維護的特點。該設計使得滑軌整體結構更加緊湊、便攜性也有所提高。

2 控制系統設計

2.1 硬件選型

電動滑軌屬于專業級拍攝輔助裝備，售價昂貴。根據市場調研分析發現，電動滑軌制作成本高是主要因素，硬件選型需要考量功能實現與成本之間的關系，為實現平穩的平移效果和細膩的偏航角度調節、可擴展的多功能設計、人機交互友好的設計需求?？刂齐娐返脑O計可以分為驅動、反饋和通信三個部分。單片機與電機驅動電路是整個系統的重要組成部分，是實現電動滑軌的橫向平穩運動與偏航運動的基礎；位置感應電路是實現多功能運動的重要一環；按鍵與OLED屏幕的組合構成用戶交互最直接的控制反饋體驗。通信部分的設計需要考慮兼容性，其負責與手機移動端進行通信，因此技術成熟的藍牙4.0方案成為首選。

（1）主控芯片

主控芯片為久經市場考驗的STM8單片機，這意味著擁有大量的資料與解決方案，利于開發者的快速開發。同時隨著大規模的生產，STM8單片機的成本下降，使得該單片機的性價比極高。該單片機擁有16Mhz主頻，屬于低功耗型單片機，整個核心系統電路板面積極小，非常適合開發便攜式設備，它所附帶的外設足于滿足該電動滑軌設計所需的功能需求。

（2）電機驅動

電機驅動部分采用42行星減速步進電機，該電機體積小易安裝具有高精度、大力矩、低噪音、免維護的優點，步進電機的步距角為1.8°，整機輸出的靜力矩為15.3kgf.cm，完全滿足項目需求，配合步進電機驅動高細分技術，達到更高精確度的控制，使每 個脈沖轉動的角度更小、更平滑。在電機的驅動選擇方面，以低成本的步進電機加上閉環控制系統的方案代替價格昂貴的伺服電機驅動方案，改進后的閉環步進電機與伺服電機的差距減小，足以滿足項目對高精度的要求。

（3）姿態傳感器

姿態傳感器的加入，使得電動滑軌擁有了姿態感應的能力。采用九軸傳感器MPU9250，該傳感器內部采用了3軸陀螺儀、3軸加速度計和3軸磁力計，自帶的數字運動處理器（DMP）硬件加速引擎，可以整合九軸傳感器數據，向應用端輸出完整的 9 軸融合演算數據。因此采用DM實現姿態解算，這降低了運動處理運算對單片機的負荷，同時大大降低了開發難度。

（4）藍牙

藍牙采用HC-05芯片，其在空曠處有效距離能達到10-20米，空中的速率達到2Mbps,性價比超高。主要通過串口TTL接口實現AT指令設置和查詢相關參數，同時實現串口數據透傳。

2.2 滑軌的算法設計

能夠勻速平移運動是每個滑軌的基礎功能，實現勻速平移功能主要是由PWM信號控制的步進電機。在視頻創作時，相機運鏡的起幅和落幅是很有講究的[4]，對整個鏡頭的流暢度有著極高的要求。當沒有緩沖距離時，畫面驟起驟停，對整個畫面的觀感影響極大[2]。因此為了解決這一問題，該滑軌加入了梯形、S曲線、U形等算法，用戶只要改變自變量時間t的參數就能實現不同的組合。此設計能夠通過調節各類參數，讓用戶最大限度的發揮電動滑軌的優勢。讓好的想法不因滑軌的局限性而無法實現。

2.3 移動端控制APP設計

此電動攝影滑軌不僅僅能實現勻速平移功能，除此之外還具有勻變速延時攝影模式[4]、掃景模式、勻變速追焦模式、自定義關鍵幀模式、360度橫掃模式、變速搖擺模式及用戶自定義等多種模式。實體按鍵與旋鈕的人機交互友好性與移動端APP控制完美結合，更方便用戶定義不同的功能模式，拍攝出質量更高的短視頻。

勻變速延時攝影模式：用戶可選擇延時攝影的方式為勻速還是變速，如果選擇勻速，則至需要設置的時常，滑軌會自動從左往右或是從右往左進行勻速平穩的平移運動。如果選擇為變速延時攝影，則由用戶設置時間與速度的曲線。

掃景模式：在勻速延時攝影的基礎上，通過操控偏行方向的電機，實現最大為720°的掃景拍攝。

勻變速追焦模式：追焦模式就是滑軌移動的時候，通過改變偏航的角度，實現鏡頭畫面中心始終追蹤物體的拍攝手法?？蓪崿F勻速或是變速的效果，其中變速由用戶手動控制。

自定義關鍵幀模式：用戶在拍攝之前，先手動控制滑軌的運動軌跡，此時可設置定格時間、位置等信息，然后保存運動軌跡的數據后進行軌跡復原播放。從而實現自定義關鍵幀的效果。

專業模式：專業模式是自由度最高的模式，可以設置電機的算法、啟停時間、啟停角度、啟停速度與運行速度，最大限度的發揮電動滑軌自由度高優勢，以便達到用戶的期望效果。

3 結束語

優化后的電動滑軌方案系統結構設計合理、系統性能優良、結構穩定，它不僅能通過物理按鍵旋鈕進行模式切換、速度調節、方向控制等基礎操作，即使脫離手機控制，依然能進行工作。配合移動端app進行更高級的自定義操作。以用戶的體驗感優先為原則，改進當前市面上電動滑軌的不足之處，適應現階段消費者的需求、適應如今高速發展的智能時代，使用此電動滑軌能提高視頻拍攝的質量，能極大地豐富鏡頭語言。