Kenyon Kreisel (Gyro) als Stabilisierungshilfe

04. Dezember 2012

HD Kamera mit zwei Kreiseln und Inverter, Einsatz bei Fahraufnahme

Artikel aus dem Film&TV Kamermann 3/2011 s.14ff

Immer wenn es darum geht, eine Kamera in einem beweglichen System stabil auszurichten, kommen Kreisel als stabilisierende Instrumente zum Einsatz.

 Um die stabilisierenden Kräfte eines Kreisels zu verstehen, muss man sich ein wenig mit seiner Physik beschäftigen. Der Kreisel führt eine Kreisbewegung (Rotation) aus und damit ist alles anders, als bei der allgemein bekannten gleichförmigen Bewegung, aber es gibt eine Reihe von Entsprechungen. Weil die Zusammenhänge anders sind, werden neue Begriffe eingeführt und hier sind die Entsprechungen zwischen der gleichförmigen Bewegung und der Kreisbewegung gegenüber gestellt:

 

Der Kreisel, im griechischem Gyro, ist ein starrer Körper, der um eine Achse rotiert. Idealerweise ist dieser Körper für technische Anwendungen symmetrisch aufgebaut, der Schwerpunkt liegt auf der Achse und die Masse ist symmetrisch zur Achse verteilt. (Das ist ein Sonderfall des rotierenden Körpers)  Der Kreisel wird durch eine von außen einwirkende Kraft in Schwung versetzt. In der Physik heißt der Schwung Drehimpuls und ist eine Erhaltungsgröße. Bezogen auf den Kreisel kann man sich den Drehimpuls als einen auf der Drehachse liegenden Vektor vorstellen, dessen Grösse von der Rotationsgeschwindigkeit, von der Masse des Kreisels und vom Abstand der Masse zur Drehachse abhängt, der aber erhalten bleibt, wenn keine äußere Kraft auf den Kreisel einwirkt und man die Reibung vernachlässigt. Die Wirkung der Massenverteilung kann man als Phänomen beobachten und nachvollziehen, wenn man mit waagerecht ausgestreckten Armen auf einem Bürostuhl sitzend in eine Rotation versetzt wird, die Arme an den Körper heranzieht und die Drehgeschwindigkeit dadurch erhöht und durch Ausstrecken der Arme auch wieder reduzieren kann. Eiskunstläufer nutzen diesen Effekt für ihre Pirouetten.
Bei einem Achs-symmetrischen Kreisel wirken keine aus der Rotation entstehenden Kräfte auf die Drehachse ein, deshalb nennt man sie freie Achse. Jedes um eine freie Achse rotierende Massenteilchen ist bestrebt, entsprechend der Trägheit in seiner senkrecht zur Achse stehenden Ebene zu verharren, wodurch die Kreisel-Achse selber der Trägheit folgend ihre Richtung und Position im Raum zu wahren sucht und jeder Kraft, die eine Lageveränderung erzwingen will, einen Widerstand entgegensetzt. Das Trägheitsmoment gibt die Grösse des Widerstandes an, den der Kreisel einer Änderung seiner Rotationsachse entgegensetzt und ist abhängig von der Masse, der Massenverteilung und der Achslage  Der Drehimpuls wiederrum ist abhängig vom Trägheitsmoment und der Winkelgeschwindigkeit.
Wirkt von außen eine Kraft auf die Drehachse eines Kreisels ein, dann reagiert der Kreisel mit einer Ausweichbewegung, die rechtwinklig in Drehrichtung verschoben zur Richtung der angreifenden Kraft liegt. Dieses Ausweichen bezeichnet man als Präzession. Wird ein sich drehendes Vorderrad aus einem Fahrrad einseitig an seiner horizontalliegenden Achse aufgehängt, dann wirkt auf die Anordnung die Gravitationskraft und versucht die Drehachse an der offenen Seite zum Erdmittelpunkt zu ziehen. Die Achse sinkt nun aber nicht aus der horizontalen um den Aufhängungspunkt in eine vertikale Richtung sonder die horizontale Achse beginnt sich um den Aufhängungspunkt in der horizontalen Ebene zu drehen, und zwar je nach Drehrichtung des Rades links oder rechts herum. Dieses Experiment kann man im Video bei Youtube (MIT Physics Demo -- Bicycle Wheel Gyroscope) anschauen.
Vereinfacht kann man die für einen reibungsverlustfrei rotierenden symmetrischen Kreisel geltenden Gesetzmäßigkeiten folgender Maßen beschreiben:

1. Die Rotationsachse bleibt im Raum stabil, d.h. die  Richtung der Rotationsachse bleibt parallel zu sich selbst.
2. Auf Parallelverschiebungen und Drehbewegungen um die Rotationsachse reagiert der Kreisel wie ein ruhender Körper gleicher  Masse.
3. Auf Kräfte die die Rotationsachse in einem Punkt drehen wollen, reagiert der Kreisel mit senkrechtem Ausweichen.

Bei technischen Anwendungen wird der Kreisel in einer Achshalterung so gelagert, dass er möglichst verlustfrei rotieren kann. Die Achshalterung ist oft als kardanisches System ausgeführt und erlaubt das Ausrichten in verschiedenen Ebenen. Kreisel und Lagerung bezeichnet man als Kreiselinstrument oder Gyroskop.
  

Gyroskop mit schwenkbar gelagertem Kreisel.

Unerwünschte Kamerabewegungen

Ist eine Kamera in einem beweglichen System wie Auto, Boot oder Flugzeug montiert, dann wirken sowohl erwünschte Lageveränderungen wie unerwünschte Lageveränderungen auf die Kamera. Die erwünschten Veränderungen sind die kontinuierlichen möglichst gleichmäßigen Veränderungen der Kameraachse im Raum, die in ihrer Gesamtheit den Eindruck einer Kamerafahrt oder Bewegung ergeben. Sie werden von den unerwünschten Lageveränderungen überlagert. Letztere kann man in zwei Arten unterteilen:

1. Horiontale oder vertikale Verschiebungen der Kamera parallel zur Bildebene (Shift)

2. Drehen der Kamera um die Bildachse (Rollen des Bildes, Kippen des Horizonts)
oder Drehen der Kamera um einen Punkt auf der Bildachse (horizontales oder vertikales Verschwenken)

Die Störungen unter Punkt 1 treten beispielsweise auf, wenn das Kamerafahrzeug über einen Unebenheit fährt und als ganzes angehoben wird. Die Auswirkungen solcher Lageveränderungen der Kamera sind im Bild nur an der Verschiebung der in der Raumtiefe gestaffelten Objekte zu sehen und unauffälliger, je weiter die Objekte von der Kamera entfernt sind. Dreht man durch die Frontscheibe eines Autos und die Kamera wird in Relation zum Auto durch eine von außen wirkende Kraft angehoben, während die Objektivachse parallel bleibt, dann macht sich das im Bild nur störend bemerkbar, wenn beispielsweise der Fahrzeuganschnitt als extremer Bildvordergrund zum entfernten Außenblick verschoben wird. Bei unendlich weit entfernten Objekten wäre bei solchen Lageverschiebungen überhaupt kein Unterschied wahrnehmbar. Der Kreiselstabilisator ist bei Lageveränderungen dieser Art unwirksam.

 

Beispiel: Senkrechtes Verschieben einer parallel Ausgerichteten Kamera um den Hub von 15 cm, siehe Vordergrund Blumenkästen, Fenster im Hintergrund 42 Meter entfernt.
Sensor wie 35mm Film, Bennweite 35mm.

Bewegungsstörungen unter Punkt 2 sind Lageveränderungen bei denen die Objektivachse um sich selbst oder einen auf ihr liegenden Punkt gedreht wird oder pendelt. Obwohl das Kamerabajonett um nur 2mm seitlich verschoben wurde, ist die Wirkung bei den 42 Meter entfernten Fenstern enorm. In der Unendlichkeit wäre der Verschiebung unendlich groß. Ungewollte Dreh-, Schwenk- oder Kipp-Bewegungen der Kamera können optimal mit Kreiselstabilisatoren unterdrückt werden. 

 

Beispiel: seitliches Verschwenken des Kamerabajonetts um 2mm, Drehpunkt ist das unter dem Bildfenster befindliche Kameragewinde; die Verschiebung entspricht etwa einem Winkel von 4°. Fenster im Hintergrund 42 Meter entfernt.
Sensor wie 35mm, 55mm Brennweite.

Der Kenyon Kreisel

Nach einem Ingenieursstudium am MIT und vielen Erfindungen im Bereich der Flugzeug- und Schiffsnavigation meldete der 1899 geborene Theodor W. Kenyon im April 1950 einen stabilizer for sighting devices zum Patent an, den nach ihm benannten Kenyon Stabilisator. Im April 1957 reichte er eine verbesserte Version beim Patentamt ein, die im Wesentlichen bis heute unverändert in dieser Form gebaut wird.

 

Befestigungsplatte mit Stativgewinde

Der Kenyon Kreisel sieht aus wie ein großes schwarzes Überraschungs-Ei und außer der Befestigungsschraube, wahlweise mit ¼“ oder 3/8“ Gewinde und einem Stromkabel gibt es sonst an diesem Gerät nichts zu bedienen. Im Inneren des Stabilisators befinden sich zwei in je einer Ebene schwenkbare Gyroskope, die identisch gebaut sind und in Ruhestellung eine Rotationsachse parallel zur längsten Seite des Stabilisators haben [18-18a]. Die beiden Kreiselkäfige sind je in einer zur Rotationsachse senkrecht stehenden Ebene schwenkbar, wobei die Schwenkachsen [13,13a] der Käfige (Gimbal) zur Senkrechten [V] des Stabilisators symmetrisch links und rechts um einen Gesamtwinkel [A+Aa] von deutlich kleiner als 90° und ungefähr 75° gegeneinander versetzt sind. Diese Anordnung hat sich bei vielen Versuchen als die Beste herausgestellt, auch weil so die Schwenkachsen der Käfige nicht mit der horizontalen und vertikalen Stabilisierungsachse zusammenfallen.
 

 

Abbildung 1 (Patent 1957)

Die Schwenkbewegung der Kreiselkäfige wird durch ein Stoßblech [20,20a] begrenzt, das beim Erreichen der maximalen Drehung auf einen Gummipuffer stößt. Drei Spiralfedern [38a] halten den Kreiselkäfig spannungsfrei in der Nulllage. Durch rutschend gelagerte Befestigung der Federn werden diese auch bei maximaler Auslenkung des Käfigs nicht übermäßig gedehnt oder verdreht. Die Federn dienen gleichzeitig zur Spannungsversorgung des im Kreiselkörpers befindlichen elektrischen Rotors.

 

Abbildung 2 (Patent 1958)

Die beiden Rotoren drehen sich gegenläufig damit sich Kräfte aus der Präzession aufheben. Die Beschleunigung auf ca. 22 000 Umdrehungen dauert 10 Minuten; nach der Anlaufphase reduziert sich die Spannungsaufnahme um ein Drittel. Die genauen Leistungsdaten sind für die unterschiedlichen Modelle in einer Tabelle aufgeführt. Der Stabilisator ist wartungsfrei aufgebaut und das Gehäuse ist hermetisch abgeschlossen und wird im Innern mit Helium gefüllt. Das Helium hilft die Laufgeräusche und die Temperatur zu minimieren.

Der Kenyon Stabilisator wird in fünf Ausführungen und drei Baugrössen geliefert. Der KS12 mit 7,7kg ist nur für Einbauten an Rigs und Schwenkköpfen gedacht und für den Handbetrieb nicht geeignet. Die Typen KS8 und KS6 sind so wie auch KS4/KS2 von der Größe her baugleich unterscheiden sich aber durch das Gewicht der Kreisel und somit durch ihre Wirkung.

Weil der Kenyon Stabilisator hauptsächlich in Flugzeugen eingesetzt wurde, um Ferngläser oder Kameras bei der Aufklärung oder Luftbildfotografie zu stabilisieren, wird die übliche Bordspannung von 115V mit 400 Hz verwendet. Die hohe Herz-Zahl reduziert in der Luftfahrttechnik die Baugröße von Transformatoren und die Spannung von 115 V hat bei größerer Leistungsaufnahme Vorteile gegenüber Spannungen von 24V, reduziert Kabeldicken und stellt einen günstigen Kompromiss hinsichtlich des Isolationsaufwandes dar.
Wer den Kenyon Stabilisator außerhalb eines Flugzeuges verwendet, braucht einen entsprechenden Konverter den es als kleinen Kasten für Batteriespannungen von 12V oder 24V gibt und der diese in 115V 400Hz umwandelt Den Stabilisator niemals an anderen Spannungsquellen betrieben, das kann die internen Motore zerstören.
Für den Einsatz mehrerer Stabilisatoren werden auch Spannungswandler mit zwei oder vier Anschlüssen geliefert. Die aktuellen Konverter sind für alle Stabilisatoren KS2 bis KS8 gleich.

Inverter für KS6  ca. 1980

 

Anwendungen

Der Kenyon Stabilisator ist ein sehr empfindliches Gerät und sollte wie ein rohes Ei behandelt werden. Schläge und Stöße gegen das Gehäuse können die Gehäusekappen beschädigen. Das Gehäuse wird undicht und das im Innern befindliche Helium strömt aus. Entscheidend für die Wirkung des Stabilisators ist der Gleichlauf der Kreisel. Extreme Erschütterungen können die Lager der Kreisel beschädigen, führen zu einem unruhigen Lauf des Kreisels und erhöhen auch den Geräuschpegel, den der Stabilisator macht. Bei laufendem Stabilisator sind Tonaufnahmen nur mit Einschränkungen möglich, wobei der Geräuschpegel je nach Zustand von Gerät zu Gerät stark variiert. Gut gepflegte Stabilisatoren sind laufruhig und bei Einsatz im Straßenverkehr manchmal nicht zu hören.

Jede Drehbewegung des Stabilisators führt zum Auslenken der Kreiselkäfige in seinem Inneren. Das Auslenken der Kreiselkäfige macht langsame Schwenks möglich und durch die besondere Anordnung der Kreisel reagiert der Stabilisator anders als ein vergleichbarer Kreisel mit starrer Achse. Bei schnellen Drehbewegungen schlagen die Kreiselkäfige auf die Endstopper und verursachen einen Ruck im System; zusätzlich wird die Wirkung der Präzession spürbar, was man als ein Bocken der Stabilisators beschreiben kann, da er versucht der Drehbewegung auszuweichen. Extreme Bewegungen belasten die Lager und führen zu schnellerem Verschleiß.

 

Montage und Anordnung
Der Stabilisator muss fest mit der Kamera oder dem Kamerarig verschraubt sein; bei einer lockeren Verbindung würde sich der Stabilisator wegdrehen und dann gegebenen Falls anschlagen und einen Ruck verursachen. In welcher Lage der Stabilisator optimal angebracht wird, darüber gehen die Meinungen der Anwender auseinander und jeder glaubt ein optimales Konzept gefunden zu haben.

Grundsätzlich gilt:
Der Stabilisator hat parallel zur Längsseite des Gehäuses die Rotationsachse. Der Stabilisator kann widerstandslos nur um diese Achse gedreht werden. Allen anderen Dreh- und Kippbewegungen setzt er den Widerstand seines Trägheitsmoments entgegen. Alle Bewegungen des Systems parallel zur Rotationsachse bleiben vom Stabilisator unbeeinflusst.

Die spezielle Lagerung der Achskäfige zur Vertikalachse des Stabilisator-Gehäuses soll nach Vorgabe des Erfinders die horizontale Achse stärker als die vertikale Achse stabilisieren. Dadurch sollen die Erschütterungen eines Handgehaltenen Beobachungsinstruments besser eliminiert werden. Der Stabilisator wird zu diesem Zweck mit der Rotationsachse parallel zur Sichtachse unter oder auf der Kamera montiert. Ein so montierter Kenyon Stabilisator dämpft zwar alle vertikalen und horizontalen Schwenks (Tilt und Pan) verhindert aber nicht die Drehbewegungen um die Kameraachse (Roll).

 

Foto-Aufnahmen aus der Hand, links ohne, rechts mit Stabilisator, Stabilisator Rotationsachse parallel zur Kameraachse, 1/8 Sekunde Belichtungszeit, 35mm Sensor, 200mm Brennweite, Ausschnitt ¼ des Gesamtbildes

Wird der Stabilisator mit der Rotationsachse parallel zur Horizontalen des Bilds montiert, dann stabilisiert er zunächst den Horizont gegen Kippen (Roll) und bremst gleichzeitig ein horizontales Pendeln, während vertikale Schwenks (Tilt) nicht gedämpft werden. Diese Anordnung würde sich empfehlen, wenn man aus einem Hubschrauber dreht und Schwenks nach unten ausführen will.
Auf der sicheren Seite ist, wer mehrere Stabilisatoren verwenden kann. Mit zwei Stabilisatoren (angeordnet wie ein in der Aufsicht liegendes Kreuz) kann man eine Kamera in allen drei Raumachsen ausreichend stabilisieren (Eingangsfotos dieses Artikels). In Gyro-stabilisierten Hubschrauberaufhängungen werden gerne auch drei Kreisel in allen drei Achsen verwendet.

 
Hubschrauber Aufhängung der Firma Euroheli.com mit drei Kenyon Stabilisatoren in drei senkrecht aufeinanderstehenden Achsen  (Foto: Euroheli.com)

 

Der Film, der wohl am meisten von den Kenyon Stabilisatoren profitiert hat und der dem Kameramann Jost Vacano eine Oskar Nominierung einbrachte, ist Das Boot (1981). Für die Szenen im Inneren des U-Bootes hat sich Vacano eine Arriflex IIc Kamera mit einer schwenkbaren Sucherlupe ausstatten lassen (die Firma lieferte später diese Version als IIIC) und unter der Kamera zwei Kenyon Kreisel montiert, einen horizontal und einen vertikal stehend. Mit dieser Apparatur sind die schnellen Szenen gedreht und Vacano konnte auch durch die engen Türöffnungen im Inneren des Bootes springen. Ein Steadicam wurde – wie oft fälschlich berichtet – beim Boot nicht verwendet.

 

Jost Vacano demonstriert bei einer BVK Veranstaltung 1987 mit seiner Arriflex und zwei Kenyon Stabilisatoren wie er durch die engen Luken des Boots stieg (Foto HA.Lusznat)

Ich selbst benutze seit 20 Jahren Kenyon KS6 Comander und für den Steadicam-Einsatz habe ich eine Halterung für zwei KS6 mit schräggestellten Achsen dicht am Post . Es gibt Anwendungen, bei denen sind die Stabilisatoren übereinander schräg montiert, mit sich kreuzenden Achsen. Andere bevorzugen horizontal und senkrecht ausgerichtete Stabilisatoren.

 

Kenyon Stabilisatoren am Steadicam Rig mit zwei schräggestellten Achsen.

 

Stabilisator Einsatz auf dem Motorad am Easy Rig hängend

An welchem Rig und in welcher Lage auch immer die Stabilisatoren montiert werden, eines muss auf alle Fälle beachtet werden: Das Kamera-Rig muss vor allem bei laufenden Stabilisatoren vom Fahrzeug entkoppel sein, entweder durch die Hände des Kameramanns, durch eine schwingende Aufhängung, durch einen Steadicamarm oder einen Gummiseilzug. Sind die Stabilisatoren fest mit einem wackelnden Fahrzeug verbunden und können sich nicht ausrichten, dann nehmen sie über kurz oder lang vor allen an den Lagern der Kreisel Schaden.

Hans Albrecht Lusznat