一種獨立式航拍云臺系統的制作方法

本實用新型屬于農林業航空機械技術領域，具體涉及一種可用于植保無人機等機械上的獨立式航拍云臺系統。

背景技術：

無人機低空遙感航拍尺度和分辨率介于衛星遙感和地面遙感之間，能有效彌補衛星遙感的實時性較差和分辨率不高的缺點，同時較地面遙感設備有更高的采集效率，正成為精準農業領域發展熱點之一。云臺作為承載相機的平臺，是保證低空遙感圖像采集質量的關鍵部件，同時云臺的便攜性、操作簡易性等特性是無人機低空遙感航拍高效性的重要保證條件。

目前，農業應用遙感航拍領域內使用的無人飛行器種類較多，按結構分類有旋翼型和固定翼型，而旋翼型又分為單旋翼型和多旋翼型，每種結構的無人機對云臺的安裝要求都不盡相同。現有的云臺大多數是非獨立式的，即由機械結構部分和姿態控制電路部分等構成，云臺供電、姿態調整控制信號傳輸等依賴于無人機的機載設備，如果無人機的機載功率較小，或者沒有預留通信通道則對云臺正常使用的要求較為苛刻。

技術實現要素：

本實用新型的技術目的是提供一種獨立式航拍云臺系統，為農業領域無人機遙感航拍提供一種簡易、便攜式且運行穩定的云臺，可配合絕大多數無人機平臺使用，也可用在其它機械上或安裝在塔架上。

為實現上述技術目的，本實用新型公開的技術方案為：

一種獨立式航拍云臺系統，包括云臺和地面控制站，所述云臺通過無線通信的方式與地面控制站通信連接，所述地面控制站包括云臺遙控器和設有顯示屏的圖像接收裝置，其特征在于：

所述云臺包括固定安裝在空中平臺或地面平臺上的控制盒、附著在控制盒外的多軸向姿態調整執行機構和安裝在所述執行機構末端的成像設備；

所述控制盒的電路系統包括以下組成部分：

控制單元，與所述成像設備分別連接，根據接收的圖像采集觸發信號，向成像設備發送采集圖像的控制信號，并接收成像設備上傳的圖像數據；

自動拍照控制模塊，與控制單元連接，根據預加載程序，向控制單元自動發送圖像采集觸發信號；

姿態控制模塊，與所述控制單元連接，根據控制單元的輸出指令向所述執行機構的驅動設備發送伺服控制信號；

無線通信模塊，包括圖像傳輸信號發射器、圖像采集觸發信號接收器和姿態調整信號接收器，控制單元通過所述圖像傳輸信號發射器與所述圖像接收裝置通信連接，向地面控制站傳輸圖像；所述云臺遙控器通過所述圖像采集觸發信號接收器、姿態調整信號接收器與所述控制單元通信連接，向控制單元發送地面控制站的控制指令；

傳感器系統，包括與控制單元連接的陀螺儀、加速度計和航向計，用于監測空中平臺或地面平臺的移動方向和姿態信息；

電源模塊，為控制盒內的用電元器件、姿態調整執行機構及所述成像設備供電。

在上述方案的基礎上，進一步改進或優選的方案還包括：

所述自動拍照控制模塊與與定位系統連接，在空中平臺或地面平臺到達預設拍照點時，向所述控制單元自動發送圖像采集觸發信號。

所述自動拍照控制模塊、圖像采集觸發信號接收器的信號輸出端分別通過緩沖器與所述控制單元的信號輸入端連接，通過所述緩沖器隔離控制單元接收的信號并對接收信號進行電平轉換。

為了方便用戶觀察系統的電量使用情況，所述電源模塊設有電量顯示器。

所述多軸向姿態調整執行機構的驅動設備優選采用步進電機。

所述成像設備的圖像采集開關電路由繼電器控制導通，所述繼電器與控制單元連接。

所述繼電器的驅動電路設有三極管，繼電器線圈串接在電源端與所述三極管的C集電極之間，三極管的E發射極接地，B基極與控制單元的信號輸出端連接，所述電源端與三極管之間還設有與繼電器線圈并聯的二極管，所述二極管的陽極一端與三極管連接，陰極一端與電源端連接。

所述三極管與控制單元信號輸出端之間串接有一3K電阻件。

所述云臺設有兩個以并聯方式串接在成像設備圖像采集開關電路上的繼電器，兩繼電器的通斷分別由自動拍照控制模塊發送的圖像采集觸發信號、所述圖像采集觸發信號接收器向控制單元輸出的圖像采集觸發信號控制。

用于如上所述獨立式航拍云臺系統的控制方法，其過程如下：

一）將搭載所述空中平臺或地面平臺的機械或塔架安置于水平地面，使所述平臺與地面保持平行，將云臺安裝在所述平臺上，將成像設備固定在云臺姿態調整執行機構的末端；

二）啟動控制盒，初始化控制盒內的電路系統；

三）將成像設備調至水平，根據作業擬進行的航拍高度，將航拍高度轉換為水平距離，并參照作業時的光照強度，在水平地面上設置一目標參照點，通過地面控制站的圖像接收裝置對成像設備采集的目標參照點圖像進行觀察，調節成像設備的光圈和鏡頭焦距，直至圖像接收裝置顯示屏顯示圖像的清晰度滿足要求；

四）設定姿態調整執行機構的工作模式，所述工作模式包括鎖定模式和跟隨模式，所述鎖定模式為控制成像設備始終保持某一固定的水平拍攝角度，不隨平臺的移動方向改變而發生變化；所述跟隨模式為控制成像設備的水平拍攝角度與平臺的移動方向始終保持一致，隨著平臺移動方向的改變而發生相應變化；

五）設定成像設備的工作模式，所述工作模式包括定點拍攝模式，即在自動拍照控制模塊中，預先標定進行圖像采集的地理信息坐標點，當自動拍照控制模塊根據定位系統獲取的信息，判斷平臺到達該地理信息坐標點時，向控制單元發送圖像采集觸發信，并通過控制單元將采集的圖像發送至地面控制站；

六）控制植保機依照設定路線行駛，觀察圖像接收裝置的顯示屏，通過云臺遙控器手動控制或控制系統自動控制姿態調整機構動作，以調整成像設備的拍攝角度，通過云臺遙控器手動觸發或自動拍照控制模塊自動觸發成像設備采集圖像，完成航拍作業。

有益效果：

本實用新型提供了一種獨立式航拍云臺系統，可不依賴于無人機等其它機械的載供電系統和控制系統的控制而獨立、穩定的運行，可簡易方便的搭載在不同類型的機械或塔架上，適應性更好，通過地面控制站的圖像接收裝置，同時解決了拍照過程中不可視化的問題，使航拍工作更快捷有效率，尤其適用于植保無人機。

附圖說明

圖1為本實用新型航拍系統的結構示意圖；

圖2為控制盒的局部電路結構示意圖；

圖3為控制盒電源模塊的結構示意圖；

圖4為繼電器驅動電路的示意圖。

具體實施方式

本申請中，所述空中平臺指搭載在飛行器上的平臺，所述地面平臺是指搭載在于地面上行駛的機械、移動或固定的地面塔架上的平臺，為了進一步闡明本實用新型的技術方案和技術原理，下面結合附圖與具體實施例對本實用新型做進一步的介紹。

本實施例中，以無人機為例，其搭載的平臺即為空中平臺，如圖1所示的一種獨立式航拍云臺系統，包括云臺和地面控制站，所述云臺通過無線通信的方式與地面控制站通信連接，所述地面控制站包括云臺遙控器和設有顯示屏的圖像接收裝置等組成部分。

所述云臺設有一安裝在無人機平臺上的控制盒、附著在控制盒外的三軸向姿態調整執行機構和安裝在三軸向姿態執行調整機構末端的成像設備，本實施例中，所述成像設備采用相機，圖像采集為拍照。

所述三軸向姿態調整執行機構由三個小型精密直流步進電機及固定支架組成，三個步進電機的輸出軸兩兩垂直，可實現對相機在水平、橫滾和俯仰六個自由度的調節。相機的安裝底座設置在姿態調整執行機構的末端，即與調節相機俯仰方向的步進電機輸出軸聯接，相機通過綁帶固定在所述安裝底座上，俯仰方向步進電機的安裝座通過輕質鋁板與調節相機橫滾方向的步進電機輸出軸聯接，而橫滾方向步進電機的安裝座亦通過輕質鋁板與調節相機水平方向的步進電機輸出軸相聯接，水平方向步進電機的安裝座則通過輕質鋁板與控制盒的外殼直接聯接。電源線、步進電機脈沖信號控制線、相機拍照觸發信號線、圖像信號傳輸線等從控制盒中引出，與相應的接口相連接。

所述控制盒的電路系統包括以下組成部分：

1）控制單元，可采用單片機（MCU），與所述成像設備連接，由控制單元向相機發送拍照的控制信號，同時接收并存儲相機上傳的圖像數據；

2）自動拍照控制模塊，與控制單元連接，根據預加載程序，向控制單元自動發送圖像采集觸發信號；

3）姿態控制模塊，所述姿態控制模塊與所述控制單元連接，根據控制單元的輸出指令向三軸向姿態調整執行機構的驅動設備（即各步進電機）發送伺服控制信號；

4）無線通信模塊，包括圖像傳輸信號發射器、圖像采集觸發信號接收器和姿態調整信號接收器，所述圖像傳輸信號發射器與所述圖像接收裝置的接收端無線通信連接，控制單元通過其向地面控制站傳輸圖像；所述圖像采集觸發信號接收器、姿態調整信號接收器的輸入端與云臺遙控器的信號輸出端無線通信連接，圖像采集觸發信號接收器、姿態調整信號接收器的輸出端與控制單元連接，向控制單元輸送地面控制站的控制指令；

5）傳感器模塊，與控制單元連接，包括mems陀螺儀、加速度計和航向計（磁力計），用于監測無人機（平臺）的行駛姿態和行駛方向信息；

6）電源模塊，為控制盒內的其它用電元器件、姿態調整執行機構及所述相機供電。

上述結構中，所述自動拍照控制模塊可與無人機定位系統連接，采集定位系統獲取的地理位置信息，當自動拍照控制模塊判斷無人機（平臺）到達預設拍照點時，則向所述控制單元發送圖像采集觸發信號。所述自動拍照控制模塊、圖像采集觸發信號接收器的信號輸出端分別通過緩沖器(Buffer)與所述控制單元的信號輸入端連接，通過所述緩沖器隔離控制單元單片機接收的信號并對接收信號進行電平轉換,如圖2所示。

如圖3所示，所述電源模塊，包括DC-DC電壓轉換電路，主要功能是給控制單元提供5V和3.7V供電電壓、相機提供12V直流電壓、步進電機提供5V直流電壓、圖像傳輸信號發射器提供5V直流電壓和兩遙控信號接收器提供3.7V電壓。所述電源模塊還包括總體電量顯示器，方便云臺在使用時用戶對系統所剩余電量的判斷。

所述相機的拍照開關電路由電磁繼電器控制導通，所述電磁繼電器與控制單元連接。如圖4所示，所述電器繼電器的驅動電路設有NPN型硅三極管S9013和玻封開關二極管LL4148，電磁繼電器線圈串接在電源端VCC與所述三極管的C集電極之間，三極管的E發射極接地GND，B基極與控制單元的信號輸出端連接，所述玻封二極管與繼電器線圈并聯，所述二極管的陽極一端與三極管連接，陰極一端與電源端連接，三極管與控制單元信號輸出端之間串接有一3K電阻件。當VCC端無電壓時（2、5引腳壓差為0），電磁繼電器1、4觸點閉合，此時處于常態，當VCC端相對GND端的電壓大于3V時（額定值是5V），電磁繼電器1、3觸點閉合，則接通相機的拍照開關電路。而VCC端相對GND端的電壓值由所述三極管控制，當繼電器驅動電路收到拍照觸發信號時，即三極管的B基極（圖中OUT CHI TASK）有輸入信號，由于VCC端5V電壓的存在，三極管導通，起到開關作用，此時電磁繼電器線圈通電，觸發相機開關，當拍照觸發信號消失時，電磁繼電器失電，相機的拍照開關電路斷開。玻封開關二極管LL4148的設置可為繼電器線圈反電動勢釋放提供通道。當電磁繼電器導通時，電流由引腳2流向引腳5，再流經三極管至GND端；當觸電磁繼電器斷開后，此時繼電器中殘余電流由引腳2流向引腳5，流向玻封開關二極管LL4148的陽極至陰極，之后流入引腳2，形成回路，直至消耗殆盡。

所述云臺設有兩個以并聯方式串接在相機拍照開關電路上的繼電器，兩繼電器的通斷分別由飛控系統發送的圖像采集觸發信號、所述圖像采集觸發信號接收器向控制單元輸出的圖像采集觸發信號觸發，則任何一個繼電器導通都能讓相機動作，如圖2所示 。

一種用于如上所述獨立式航拍云臺系統的控制方法，過程如下：

一）將無人機安置于水平地面，使平臺與地面保持平行，將云臺安裝在無人機平臺上，將相機固定在云臺姿態調整機構的末端；

二）啟動控制盒，初始化控制盒內的電路系統，將控制盒與無人機定位系統連接；

三）對于不能自動調節光圈和鏡頭焦距的相機，可將成像設備調至水平，根據作業擬進行的航拍高度，將航拍高度轉換為水平距離，并參照作業時的光照強度，在水平地面上設置一目標參照點，通過地面控制站的圖像接收裝置對成像設備采集的目標參照點圖像進行觀察，調節成像設備的光圈和鏡頭焦距，直至圖像接收裝置顯示屏顯示圖像的清晰度滿足要求；

四）設定姿態調整機構的工作模式，所述工作模式包括鎖定模式和跟隨模式，所述鎖定模式為控制成像設備在水平面上的拍攝角度不隨無人機的航向(即平臺移動方向)改變而發生變化，保持鎖定的拍攝方向，即當無人機航向變化時，云臺不動作，若姿態調整執行機構發生了隨動，控制單元可根據陀螺儀、航向計、加速度計等傳感器獲取的信息，比對無人機和相機的初始狀態，通過姿態調整執行機構對相機姿態實施復位補償；所述跟隨模式為成像設備相對地面在水平方向上的拍攝角度隨著無人機的航向改變而發生相應變化，即飛機航向變化時，控制單元根據陀螺儀、航向計、加速度計等傳感器獲取的信息，比對無人機和相機的初始狀態，通過姿態調整執行機構對相機姿態實施補償，使相機投影在水平面上的拍攝方向與無人機航向始終保持一致；

五）設定成像設備的工作模式，所述工作模式包括定點拍攝模式，即在自動拍照空中模塊的加載程序中預先標定進行圖像采集的地理信息坐標點，當自動拍照控制模塊根據定位系統傳送的信息，判斷無人機（平臺）到達該地理信息坐標點時，向控制單元發送圖像采集觸發信，并通過控制單元將采集的圖像發送至所述地面控制站的圖像接收裝置中；

六）起飛無人機，控制無人機依照設定航線飛行，觀察圖像接收裝置的顯示屏，通過云臺遙控器手動控制或控制單元自動控制姿態調整機構動作，以調整相機的拍攝角度，通過云臺遙控器手動觸發或自動拍照控制模塊自動觸發成像設備采集圖像，直至完成航拍作業。

本實用新型航拍系統根據相對外部重力參考系的變化，通過步進電機的動作產生各個軸向上適當地反扭力，達到抵消云臺相對某個方向上運動，實現云臺穩定的目的，其控制模型為：利用陀螺儀和加速度計相控制單元反饋無人機的角速度和加速度變化，可知無人機姿態相對于重力參考系的變化，以變化值為控制對象，采用閉環PID控制算法補償偏差值，是給電機輸出的PWM控制信號。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，本實用新型要求保護范圍由所附的權利要求書、說明書及其等效物界定。