很多航拍飞行器玩家们都会遇见抖动的问题，一个“抖索”就会导致拍摄的画面不清晰。本文从影视航拍原理出发，主要针对航拍画面容易出现的画面抖动问题“果冻效应”进行了研究。分析了产生抖动的原因，并提出了相应的解决方案，通过调整机身重心、螺旋桨和电机调平、飞控参数设定、云台安装调试等方法，达到理想的拍摄效果。

      首先简要介绍航拍的基本原理，这对分析视频抖动是十分必要的。同时也简要介绍本文的研究背景和意义。

随着航空模型技术的不断发展，多轴飞行器（以下简称多轴）凭借其特有的优势而得到广泛的使用。相对于传统的固定翼飞机（图1-1左）而言，多轴具备可垂直起降、携带方便、可悬停等优势，而相比于直升飞机（图1-1中），多轴同样具有结构简单、易于操作的优势。多轴可加载各类载荷实现不同功能，其中运用最为广泛的便是加载各类摄影摄像设备来实现航拍功能。

图1-1 三类常见飞行器：固定翼飞机（左）、直升飞机（中）和多轴飞行器（右）

      影视航拍需要的是一个灵活、方便、稳定的“自由摇臂”，而多轴特性恰好满足这样的要求：不需要空旷平整的起降环境、可垂直起降并自由飞行、悬停精度高、稳定性好、携带方便、结构简单，所以多轴目前被广泛应用于各类航拍活动。但是相比于传统摇臂，用多轴航拍极易出现画面抖动等现象，如何消除抖动对于航拍来说是非常重要的。

      多轴一般是按照螺旋桨的个数和位置来分类的，常见的有4轴、6轴、8轴等，当然也有Y型甚至其他构造的。图1-2展示了几种常见的多轴类型。

图1-2 常见多轴飞行器类型

      可以看到，多轴为保持重心在其几何中心，都为对称结构。不仅如此，为了抵消螺旋桨产生的扭矩，各螺旋桨的旋转方向也都与相邻的螺旋桨相反。

      多轴在原理上都是相同的，但轴数的多少会对其特性有所影响。以四轴和八轴为例，四轴相对较为灵活，八轴相对较为安全。也就是说，八轴在飞行过程中，如果某一轴上的电机突然因故障而停止转动，它还是可以平稳飞行和降落的，而四轴由于其构造的限制是不能做到的。

      下面以作者自己搭建的一款实验用小型六轴飞行器（图1-3）为例，简单介绍一下多轴的基本原理。简单来说，一个多轴由飞行控制器（简称飞控）、电调、电机、螺旋桨、机架、脚架、电池、遥控器构成。当然还有任务载荷：相机、云台、图传等。图1-4简要展示了该六轴的工作原理。

图1-3 作者搭建的实验用6轴飞行器

图1-4 6轴飞行器工作原理示意

飞控通过陀螺仪、磁强计（电子罗盘）和GPS数据，不断调整每个螺旋桨的转速来修正当前飞行姿态，使多轴在飞行的过程中保持平稳，避免其因倾斜过大而坠落。无论是飞手人工操作，还是通过地面站设置航点自主飞行，最终的控制都是由飞控来完成的，飞控是多轴的“核心大脑”。常见的飞控品牌有大疆、零度智控、XAircraft等，当然也有一些开源飞控，如APM之类。

图1-5 三种具有代表性的飞控

图1-5中，左边的为大疆公司生产的A2商业飞控，具备一键起飞、一键返航、热点环绕等便捷功能。中间的为零度智控公司生产的“双子星”飞控，该飞控采用双冗余备份的设计思路，当一台飞控出现故障时，飞行器的操作权会交给备份的飞控，提高了飞行安全性。最右边的为开源飞控APM，它的优势在于功能多样，使用者可根据自身需要完成开发，但这也要求一定的专业知识。

      多轴的动力一般由高性能的锂电池提供。电池连接电子调速器（简称电调），电调根据飞控信号的指令输出适当的电流给电机，电机再带动螺旋桨旋转，从而实现飞行。那么，四轴就需要四只电调、四只电机和四只螺旋桨，八轴则各需八只。

      多轴起飞后，如果没有任何操作，它将保持高度和位置悬停在空中。加大油门后它就垂直上升，反之下降。只操作前后（俯仰）左右（横滚）操纵杆，飞机便会保持当前高度向前后左右移动。当然，只动方向操纵杆，飞机便会原地旋转。由此可见，多轴的操作相对其他飞行器而言是简便的。

      传统的摄影整备器材大都具有良好的稳定性，以保证拍摄过程中摄影机可以平滑而稳定的移动，即使使用斯坦尼康甚至肩扛摄影机拍摄，由于没有高频振动，拍摄的画面都是稳定的。
然而航拍由于其特殊性，螺旋桨和电机始终处于高速旋转状态，加之在空中受重力、气象等影响，画面抖动甚至出现“果冻”就成为航拍最大的难题。本章主要介绍“果冻效应”并分析产生抖动的原因。

图2-1 “果冻效应”原理示意

      如图2-1所示，左边方框内展示的是卷帘式快门（左）与全局快门（右）曝光的区别。可以看到，卷帘快门在拍摄物体时，是一个逐行扫描的过程，这个过程虽然很短，但是在拍摄高速物体时，便会出现右边方框展示的情况。由于相对运动，最终的成像结果与拍摄物体差别很大。

图2-2 两种快门拍摄高速运转螺旋桨

      图2-2反映了这种现象，可以看到卷帘快门在拍摄高速物体时，出现了“果冻”现象。

图2-3 航拍“果冻”效应

      同理，当进行航拍时，虽然拍摄物体相对来说不会高速运动，但是由于飞行器螺旋桨的高速转动会引起摄影机本身的高频振动，那么在航拍时如果没有避开这些振动，拍摄时就必然产生果冻效应。

      图2-3是严重的航拍“果冻”画面，由于抖动严重，所拍摄的画面出现了扭曲变形，原本笔直的道路都弯曲了，根本无法使用。目前用于航拍的摄影机或微单大都是卷帘快门，即使有了全局快门的小型高清摄影机，在拍摄时没有出现“果冻”，但是抖动造成的后果就是画面模糊，依然无法达到电影画面的要求。

      用于航拍的设备里面，产生振动的主要来源就是机身的振动，也就是动力系统（电机、螺旋桨）在产生和传输动力时产生的振动。动力系统产生的振动属于高频振动，如果没有对其进行处理，就会在画面中产生果冻效应。

      环境影响主要是周围气象因素给飞行器带来的抖动。在非恶劣飞行条件下，飞控可以很好地自适应地修正环境影响，使飞行器保持平稳飞行状态，所以调整设置飞控板的参数，就可以很好地解决环境的影响。

      云台是连接摄影机到飞行器的设备，云台通过控制无刷电机来实现摄影机在俯仰、方位、横滚三个方向上的运动。如果云台在安装时使用的减振球不当，或者云台的参数设置不合适，便会影响到正常的拍摄。

      正如我们在拍摄影片时一样，应当把问题尽量在前期解决。如果视频含有严重的“果冻效应”，那么后期是无法完全修复利用的。所以本章就重点研究如何在前端，也就是航拍设备上，把抖动消除。

在组装航拍飞行器时，要尽量保证重心在其几何中心。虽然飞控可以自适应地调整各螺旋桨的转速，使飞行器保持水平，但是如果飞行器重心偏差过大，由图1-4可以看出，这必然导致某个电机高速运转，以维持飞行器水平。长此以往，会带来两个问题：第一是安全问题，长期高速运转的电机故障率会增大，甚至烧毁，导致坠落；第二，如果该电机起飞时就已经高速运转，那么起飞后其可调节余量变小，在遇到微风或者飞行器需要机动时，就会显得“力不从心”，导致出现飞行器倾斜或者抖动，这会对拍摄的画面带来影响。

      调整重心可通过调整电池的位置实现。重心调整后的飞行器，在悬停时，各电机的转速近乎相等，飞行稳定性增强。

螺旋桨在制造过程中，很难保证两边桨叶的重力刚好相抵。也就是说，一只螺旋桨会存在两边桨叶重量不等，或者重心不在同一位置的问题。虽然这个差距非常小，甚至不足1g差距，但是在飞行器飞行时，螺旋桨的转速大约在转每分钟，螺旋桨即使存在非常小的不平衡，一旦旋转起来，也会造成很大的抖动，而且这样的抖动属于高频振动，就会造成前文中提到的果冻效应。

      首先，我们需要对螺旋桨进行静平衡的调平。可以利用简单的工具进行调整，如图3-1所示。我们可以在较轻的一端贴少量透明胶带，或者喷漆增重，直到达到平衡状态。

图3-1 螺旋桨的静平衡调整

      其次，我们需要将螺旋桨安装在电机上，一起进行动平衡的调整。动平衡的调整比较复杂，这里推荐利用激光笔的方法。

图3-2 动平衡的调整

      如图3-2所示，将电机和螺旋桨装在一根长棍（木质较好）上，在长棍上安置一面小镜子，用激光笔将激光打在镜子上，观察反射光线的形态。如果激光笔投影出的是一条线，或者是其他杂乱的图形，就需要变换胶条位置（胶条贴在电机上），直至投影出一个点为止。调整后的螺旋桨和电机由于具有良好的平衡性，会大幅减少振动的产生。

图3-3 调整前后振动监测对比

      图3-3展示的实验结果，是同一电机、相同转速，在调整平衡前后的振动测量结果。可以看出，调整后的振动相对减少。

      多轴的飞控是一个闭环自动控制系统，简单来说就是“出现干扰、经过传感器传递给中控，再由中控发出调整指令，调节干扰”这样一个过程，如图3-4：

图3-4 闭环自动控制系统

      举例来说，在航拍时，一阵微风吹来，首先是飞控系统中的IMU（惯性测量单元）传感器感受到飞行器偏离水平位置，然后它将信息传递到中控处理单元，中控得知飞行器出现偏离后便发出调整指令到各个电机，各个电机根据指令调整各自的转速，从而来消除倾斜。

图3-5 自动控制系统被动量变化的动态特性

      那么，中控所发出的调整指令的大小就非常重要，这个值我们可以称之为感度。对于感度，不同品牌的飞控可能会有不同的名称，但意义相同。图3-5中，横轴为时间，纵轴为振动，虚线为理想的稳定状态。

可以看到，图3-5,a的感度太低，虽然能够缓慢地调整到理想状态，但是太过迟钝。b的感度适中，飞行器会迅速地调整到稳定值。c和d都是感度过大，其中c表现为一直在振荡，也就是飞行器一直在修正倾斜，每一次的修正都会导致飞行器向另一边倾斜，于是飞行器就会一直振荡，航拍的画面也会出现抖动。d中感度太大，直接将飞行器倾斜角度修正到超出安全角度的程度，从而导致坠机。

      由上述可以看到，调整飞控单元中的感度值对于航拍的质量和安全都是十分重要的。

      飞行器在购买时，会带有一个感度的建议值，我们调整时需要根据这个建议值来调整。具体的做法是：

      （4）增大感度值直至飞行器出现轻微振荡，这时再略微调小感度值，至飞行器可以平稳飞行。

      合理的感度值应既能保证飞行器的平稳飞行，又能实现飞行器的机动性。

      航拍云台并不是直接加挂在飞行器的机架上，而是需要通过减振设备连接的，最常见的便是减振球（图3-6）。当然还有其他减振设备，但原理都相仿。

      减振球能避免飞行器机身将过多的振动传递到摄影机，从而起到缓冲的作用。但减振设备也需要针对飞行器来科学合理地挑选和安装。

      减振球在选择时应该避免共振现象。一般来说，150kHz是航拍直升机的主要振动频率段，100kHz是小型四旋翼飞行器的主要振动频率段，60kHz是大型多旋翼飞行器主要的振动频率段。我们需要根据飞行器来进行合适的选择。也可以在云台上加挂一个监测振动的传感器来监测振动，通过调换不同软硬程度的减振球来达到最好的效果。

      首先将云台正确地安装到飞行器，然后再将摄影机安装到云台。目前市场上有许多公司生产的专用云台，其调试非常简便，用户可以直接根据手册进行简单调试即可。图3-7为常见的三轴云台各器件示意图。

      在安装摄影机时主要注意调整好重心，在不通电的情况下，摄影机也应该处于水平位置。之后就是连接好线路，保证遥控器能够正确控制云台运动。

      安装好摄影机和云台后，需要调整云台参数。目前云台都是专用云台，如BMPCC云台、GH4云台等，出厂参数不建议改动。

      如果云台在出厂参数下出现振颤等现象，就需要调整PID等参数。需要连接云台到PC，进入调参软件进行调试。

      图3-8为SBGC调试软件界面，其他各调参软件大都类似，这里简要介绍各主要参数意义与调试要点。

图3-8 云台调参软件

      P ：定义对干扰的响应。P值越大，反应速度越快。也可以解释为“增益”传感器信号之前，它会被传递给电机。这个值从零慢慢增加，直至稳定的质量变好。太高的值可能导致系统自激（可见增加振荡）。如果从主框架的振动被传递到摄影机平台，它们可能导致简单的自我激励和不平衡。

      D ：定义抑制反应。它有助于防止低频振荡，但过高值可能会引入系统中的高频率的噪音，这种情况下可能会增加振动。应保持它尽可能接近零。

      I ：定义反应的速度。这个值表示云台对操作员控制的反应。高值让摄影机迅速返回到地平线，低值让摄影机缓慢回到地平线。

      Power：定义对每个电机的输出功率。设置从0到255，其中255是最大的可用功率。过高会导致电机过热，过低则扭矩不够。

      其余参数，文章不做介绍，用户可以查阅对应的用户手册进行调整。一些高级的云台经过调试会带有很多功能，比如定点跟踪、自适应摇动等，这些功能对于提升画面的美感是非常有用的。

      影视航拍对画面的质量要求较高，在拍摄前需要做大量工作，以确保拍摄的安全和质量。画面抖动是航拍中最易出现的问题之一。本文通过讲解航拍原理，结合实验，分析并找出了导致画面出现振动甚至“果冻”的主要因素：机身平衡性、电机和螺旋桨的平衡性、飞控中感度的调整、云台的合理安装。

图4-1 未经调整拍摄的画面效果

图4-2 调试后拍摄的画面效果

      通过合理地调整上述的各项参数和部件，可以实现航拍的稳定无抖动。图4-1是组装好后直接飞行拍摄的画面，在观看视频时，有轻微“果冻”，视频清晰度会下降。调整后画面质量有较大提升（图4-2）。

      本文主要从前期准备的角度出发，分析了航拍中产生抖动的各种原因，并提出了相应的解决方案。但是并没有研究如何在后期进一步消除视频的抖动，这是值得研究的一个方向。

      文中为了更清晰的反映每一个环节，使用了作者自己搭建的一套小型航拍平台，所有的器件都是单独购置并组装的，没有针对常用的套机（例如S1000、HighOne等）去展开讨论，所述经验仅供参考。