0 前言
三轴稳定云台，就是在三维立体空间的环境下，通过空间三个方位对物体进行稳定控制和自适应定位。它用于测量载体的姿态变化做出反应以稳定平台上的设备。简单的理解就是通过X/Y/Z三个轴向的控制，使中心设备达到理想中的平衡[1]。由三轴环架、电子线路模块和传感器组件等惯性测量单元组成[2]，主要用于目标导航、自动识别、跟踪和定位[3]。在运行过程中，由于其拥有很高的稳定性和灵活性，因此在航空航天、军工等领域，稳定云台一直有着很高的应用价值。
如今的社会已经走过了产品单一化阶段，正在迈向一个多功能化的时代，人们对生活中接触到的产品功能要求更加多元化，人性化。因此，一些功能单一的产品将逐渐被淘汰。另外，随着科技的进步，生活水平的不断提高，人们对产品品质的要求也越来越高，因此，高品质加上多功能化的产品将会主导未来市场。中国大约有9.5亿人使用智能手机[4]，如今智能手机的普及，使人们对手机的依赖程度进入到一个全新的时代，随着智能手机摄影和拍照技术的不断完善，厚重、不便的摄影机、照相机将逐渐退出普通人民的视野，人们越来越习惯在出门或游玩时只带着小巧轻便的智能手机。
因此，为满足人们的生活需要，本文提出一种手持智能手机三轴稳定云台结构，为手机稳定云台的发展抛砖引玉，望未来手机稳定云台能出现在消费市场上，如有不妥之处，敬请指教。
1 三轴稳定云台原理
三轴云台是由空间上三个互相垂直的框架构成。其中，内框称为俯仰框，中框称为方位框，外框称为横滚框。它们分别负责控制中心设备的俯仰运动、方位运动和横滚运动。当云台载体受外界环境影响发生震动或倾斜时，安装在云台上的速率陀螺就能够直接测量并获得中心设备视轴的偏差，经过控制算法计算并输出适当的控制信号来驱动相应视轴的驱动电机，产生平衡力矩，使中心设备消除偏差，保持目标位置稳定[5,6]。
外框和外框轴安装在基体上，绕纵轴做滚动运动；中框和中框轴安装在外框上面，绕外框做方位运动；内框和内框轴安装在中框上面，绕中框运动。整个系统由四个坐标系构成：载体基座坐标系、外框坐标系、中框坐标系和内框坐标系[7-9]。
由方位轴与方位电机构成方位子系统，位于整个控制系统的最外层；由横滚轴与横滚电机构成横滚子系统，位于整个系统的中间层；由俯仰轴与俯仰电机构成俯仰子系统，位于整个系统的最内层。方位子系统控制方位轴转动时，带动整个设备系统绕方位轴转动；横滚子系统控制横滚轴转动时，带动俯仰子系统与横滚子系统绕横滚轴转动，方位子系统不受其影响；俯仰子系统控制俯仰轴转动时，带动设备部分绕俯仰轴转动，方位子系统与横滚子系统均不受其影响[10]。通过三个子系统绕其自身轴转动，调整整个设备系统的姿态，并隔离各种扰动，保持设备稳定。其结构简图如图1[5]。

图1 三轴稳定云台结构简图
Fig.1 Three-axis stabilized head structure diagram
2 手持相机三轴稳定云台分析
市场上已经出现的手持相机三轴稳定云台：飞宇 G3Ultra 三轴手持稳定云台是一款为GoPro量身打造的三轴手持稳定云台，只适合GoPro 3、GoPro 3+两款相机，其余不适合，想用其他相机拍摄的朋友就比较遗憾。该云台能够实现以下三种模式：模式1：航向跟随模式；模式2：航向和俯仰跟随模式；模式3：锁定模式[11]。其结构如图2。
飞宇 G3Ultra 三轴手持稳定云台是通过安装在云台上的速率陀螺仪直接测量并获得相机视轴的偏差，经过控制算法计算并输出适当的控制信号反馈给相应的驱动电机，产生平衡力矩，使云台消除偏差，保持相机的目标位置稳定。
本文根据市场上已出现的手持相机三轴稳定云台结构理念，进行手持手机三轴稳定云台的结构研究。


图2 飞宇 G3Ultra 三轴手持稳定云台
Fig.2 Feiyu G3Ultra three-axis stabilized PTZ handheld
3 手机三轴稳定云台结构研究
根据三轴稳定云台结构原理及手机稳定云台的使用条件，设计了适用于智能手机的三轴稳定云台，其原理如下。
用软头固定螺栓和限位弹簧片固定手机，通过USB接口将手机与三轴稳定云台的控制系统连接，通过操作按钮直接控制手机拍照或摄像，设备的控制系统对拍照或拍摄的过程中出现的抖动或震动进行实时监控，通过控制横滚驱动电机、方位驱动电机、俯仰驱动电机对手机进行调控。横滚驱动电机驱动横滚框绕手柄轴线旋转，方位驱动电机驱动方位框在横滚框（外圈）内旋转，俯仰电机驱动俯仰框（手机框）做俯仰运动。理论上电机驱动横滚框可做360度旋转，方位框可做90度旋转，俯仰框可做360度旋转。智能手机三轴稳定云台三维结构简图如图3。
方位框封装在横滚框内，不仅起到导轨的作用，还能对方位驱动装置进行保护。俯仰框与方位框在同