Fotoequipment II: 3-Achs-Brushless-Gimbal für DSLRs

Zusammen mit einem ebenso fotografiebegeisterten Kumpel entstand dieses Projekt. Zugegebenermaßen übersteigt es das vorherige Fotografie-Projekt, den Kamera-Dolly um Einiges an Komplexität. Wer schon mal mit einem PID-Regler zu tun hatte weiß, dass das vernünftige Einstellen der Parameter ein langwieriger Prozess werden kann. Auch finanziell ist das Projekt etwas höher einzuordnen – durch den Einsatz von großen Motoren mit Leistungsreserve muss man mit ungefähr 150-250€ für das Projekt rechnen, eher mehr wenn man Kleinteile wie Schrauben und Muttern nicht schon daheim rumliegen hat.

Aber was ist denn nun ein Gimbal? Aus technischer Sicht bezeichnet man damit eine kardanische Aufhängung, Gimbal ist lediglich der englische Name dafür. In der klassischen Anwendung reicht ein tiefer Schwerpunkt des zentralen Objektes aus, um es unabhängig zur Umgebung in der gleichen, stabilen Position zu halten. Nach diesem Prinzip arbeiten auch sogenannte Schwebestative. Zum Filmen habe ich mir mal eines gekauft gehabt – und schnell wieder verkauft. Der eine Nachteil war definitiv schon mal das hohe Gewicht; damit so ein Schwebestativ wirksam funktionieren kann, braucht es für eine Spiegelreflexkamera schon ein Gegengewicht im Bereich um 1 kg. Das weit Schlimmere war jedoch das Austarieren – entweder war ich nicht feinfühlig genug oder das verbaute Kardangelenk war schuld – aber die Kamera war unmöglich für längere Zeit in ein Gleichgewicht zu bringen. Grrr.

Zu meinem Glück gibt es hier eine elektronische Alternative. Wer die Entwicklung der Kameradrohnen in den letzten Jahren etwas mitverfolgt hat, wird bestimmt auch schon über die Halterung der Kameras gestaunt haben. Seit einiger Zeit schon wird diese nicht einfach nur schnöde am Copter befestigt, sondern über ein elektronisches Gimbal aktiv in einer stabilen Position gehalten, unabhängig von eventuellen Flugturbulenzen oder -Bewegungen. Wie kann so ein komplexes, mechatronisches System funktionieren? Vor allem für so wenig Geld? Die Antwort darauf liegt teilweise bei den Handys…

Durch die millionenfache Herstellung für den Tablet- und Smartphone-Markt sind Beschleunigungssensoren zum einen massiv verbessert worden und gleichzeitig rapide im Preis gefallen. Ein sehr bekannter Vertreter hierfür ist der MPU6050. Ein kombinierter Beschleunigungs- und Kreiselsensor, in seiner ultra-kompakten Bauform bezeichnet man ihn als MEMS (Microelectromechanical Systems). Dieser 4×4 mm kleine Baustein erfasst also Bewegungen in sechs Richtungen, bereitet sie intern auf und gibt die Ergebnisse dann über I2C an einen Controller weiter. Diese Technik wäre vor 10-20 Jahren noch unbezahlbar gewesen, heute ist der Chip für ein paar Taler erhältlich.

Der Beschleunigungssensor ist maßgeblich für die Funktion des Gimbals. Er wird mechanisch mit der Kamera verbunden. Widerfährt der Kamera nun eine (unerwünschte) Beschleunigung, so teilt er dies dem Mikrocontroller mit. Auf diesem läuft ein Regler der die Sensorinformation an seinen Eingang geliefert bekommt. An seinem Ausgang stehen die elektrischen Motoren des Gimbals. So verwurstet er das Sensorsignal also in einen dreiphasigen Strom und erzeugt so eine Gegenbewegung an der Kamera. Die Software und Hardware dafür gibt es bereits fertig, Marktführer dafür ist der Entwickler AlexMos, er vertreibt die Boards mittlerweile unter BaseCam Electronics:

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Hier zu sehen ist noch die alte 8-bit Version auf Arduino-Basis (bzw. ATmega 328P), bei einem Neukauf würde ich mittlerweile zur leistungsstärkeren 32-bit ARM-Version raten.

Die Programmierung und Kalibrierung der Software funktioniert über eine Java-Applikation und ist daher relativ plattformunabhängig möglich. Im Netz lassen sich zu diesem Thema unglaublich viele – und gute Anleitungen finden.

Mein Kumpel, ein Mechatronik-Student, hat sich um den mechanischen Aufbau gekümmert. Mittels Creo hat er die Pläne für den Rahmen erstellt. Diese Pläne wurden dann bei einer metallverarbeitenden Firma in der Nähe in Auftrag gegeben – somit hatten wir dann zwei professionell gefertigte (gelasert und gebogen) Aluminium-Rahmen. Natürlich muss es für den Nachbau nicht ganz so schick und fancy sein, mit etwas handwerklichem Geschick und Werkzeug lässt sich so ein Rahmen aus allen erdenklichen Materialien herstellen.  🙂

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Zum Schluss noch ein Wort zu den Motoren:

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Wir haben uns für leistungsstarke 5208-Motoren entschieden – die sind definitiv großzügig dimensioniert. Wer etwas mehr auf den Preis achten will, kann hier auch auf kleinere Motoren ausweichen. Besonders, wenn nur eine spiegellose Kompaktkamera damit stabilisiert werden soll.

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