CN106428595A - 一种小型无人机内置式稳像云台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型无人机内置式稳像云台，包括安装梁、安装架、壳体、姿态测量传感器、头罩、摄像头、方位电机、机架、俯仰电机、回转架和滚转电机，所述的头罩安装在壳体的顶面上，壳体底面上分布有四根安装梁，安装架安装在壳体内的底面上，滚转电机安装在安装架上，回转架安装在滚转电机的输出轴上，俯仰电机输出轴安装在回转架的安装孔里，机架安装在俯仰电机上，方位电机安装在机架上，摄像头安装在方位电机的输出轴上，姿态测量传感器安装在摄像头上。本发明可实现小型无人机在飞行过程中的变焦距稳像拍摄。控制模块根据测量传感器测得的姿态信息，采用跟随式模糊PID控制算法滤去飞机在滚转、俯仰、方位方向上的抖动，实现稳定拍摄。
Description
技术领域
本发明属于一种稳像云台技术领域，具体涉及一种小型无人机内置式稳像云台。
背景技术
无人机在飞行过程中，由于飞机转向，会导致机体姿态的倾斜；由于爬升或下降，会导致机体抬头或低头。飞机中的这种姿态变化，是随机的，大多伴随着机体的抖动，其幅度和频率也是事先不可预知的。
随着无人机技术在航测、航拍、巡线监控等领域的广泛应用，对拍摄图像质量的要求越来越高，不仅要求图像清晰、分辨率高，还要求输出图像稳定，不能抖动。在无人机上安装一种能为摄像头提供增稳技术的稳像云台是常用的做法。在现有的无人机载稳像云台中，大多采用外挂式稳像云台，即将稳像云台挂载在机腹下面。这种稳像方案已经广泛应用于多旋翼无人机、无人直升机等飞行平台，部分中大型固定翼无人机也采用这种稳像方案。
这种稳像方式在大部分无人机应用背景下具有较好的应用效果。但对于小型固定翼无人机，外挂式稳像云台难以使用。一是制约了无人机的使用方式，受使用场地制约，小型固定翼常使用机腹滑行的降落方式，这种方式要求机腹直接触底，因此无法外挂云台；二是对飞机的气动外形影响较大，外挂云台必然会增大飞机的阻力，影响飞行速度和航程。因此，针对小型固定翼无人机，设计一种内置式稳像云台，即能起和外挂式云台相同的稳像效果，又不改变无人机已有的使用方式，不降低飞机原有的技术性能指标，十分必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种小型无人机内置式稳像云台，其适用于安装在小型固定翼无人机上，能在不改变飞机使用方式和飞行性能的前提下，拍摄输出稳定的且不随飞机姿态抖动的图像。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种小型无人机内置式稳像云台，其中：包括安装梁、安装架、壳体、姿态测量传感器、头罩、摄像头、方位电机、机架、俯仰电机、回转架和滚转电机，所述的壳体为带底的圆锥筒形结构，所述的头罩采用透光率很高的球冠形光学玻璃加工而成，所述的头罩固定安装在壳体的顶面上，所述的壳体底面上沿圆周方向均匀分布有四根安装梁，所述的安装架为十字叉结构且安装架固定安装在壳体内的底面上，所述的滚转电机通过螺钉固定安装在安装架上，所述的回转架固定安装在滚转电机的输出轴上，所述的俯仰电机输出轴固定安装在回转架的安装孔里，所述的机架固定安装在俯仰电机上，所述的方位电机固定安装在机架上，所述的摄像头安装在方位电机的输出轴上且摄像头位于壳体内，所述的姿态测量传感器安装在摄像头上，所述的安装架的中心设有通孔。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的稳像云台还包括控制电缆、机体安装槽和控制模块，机身上左端沿圆周方向均匀分布有四个机体安装槽，所述的安装梁安装在机体安装槽里，所述的控制电缆左端从安装架的中心孔里穿出，所述的控制模块安装在机身内，所述的控制电缆右端与控制模块连接。
上述的姿态测量传感器选用GY-85九轴自由度IMU传感器模块。
上述的方位电机、俯仰电机和滚转电机都能实现360°转动。
上述的控制模块上安装有TMS320C5000系列DSP芯片、电源管理芯片和功率放大器。
上述的摄像头采用光学变焦摄像头。
上述的头罩为球冠形状，头罩半径和回转架在俯仰方向上运动的半径一致。
所述的机架将电机、摄像头、姿态测量传感器连接在一起，并通过安装架与壳体连接在一起，所述的壳体外形和无人机的头部形状保持一致，头部安装有玻璃头罩。所述的安装梁将壳体与机身连接在一起。壳体后盖设有通孔，电机、姿态测量传感器和摄像头的控制线从该通孔导出，连接到安装在机身内部的控制模块。
整个稳定平台通过3个伺服电机将3个框架机座连接在一起，使得各框架轴之间能自由转动，框架配置由内到外依次为方位框架、俯仰框架和滚转框架。
3个伺服电机用于驱动各自对应的框架转动，各框架轴对应的旋变即稳定平台相对载体在方位、俯仰和滚转3个方向上相对于飞机机体坐标系的姿态变化参数，该参数能及时反馈到控制模块。
姿态测量传感器选用GY-85九轴自由度IMU传感器模块，安装在摄像机上方，此模块包含三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴磁场传感器，其主要作用是用于测量摄像头相对于飞机机体坐标系的旋转运动矩阵或旋转四元数等参数。
控制模块由一块TMS320C5000系列DSP芯片、电源管理芯片、功率放大器等组成。设计了一种跟随式模糊PID控制算法，该算法根据固定翼无人机飞行特点设计，可滤去无人机飞行过程中的滚转运动；滤去方位和俯仰方向的高频抖动，保留方位和俯仰方向的跟随运动，并输出控制信号驱动电机作出相应的动作。
玻璃头罩设计成球冠形状，其半径和俯仰框架在俯仰方向上运动的半径一致，选用高透光率的光学玻璃加工而成，球冠面到俯仰中心的距离按照摄像机在7倍焦距工作时的状态进行计算配置，可确保摄像机在1～20光学变焦时都能输出清晰的图像。
本发明的具体实施方案如下：
(1)根据图纸加工好安装架、安装梁、壳体、玻璃头罩等部件，购置好电机、传感器、摄像头、芯片、导线等部件。
(2)将电机、摄像头、传感器、安装架、安装梁安装好，将固定翼无人机机体切割下来，在机身内部牢固放置能和安装梁连接的结构件，通过安装梁将整个云台安装在无人机头部。
(3)制作好控制模块电路板，将控制算法灌装好，将控制模块安装在机身内部；
(4)连接好控制模块和机头云台的控制线等电气部分；
(5)上电，调试，使得控制模块和云台结构能协调工作；并设定好电机的初始位置，装配完毕。
本发明的优点在于以下几点：
(1)不额外增加无人机外挂物，可在不改变原有无人机外形和气动布局的前提下，实现稳像功能；
(2)内置封闭式云台，使得框架运动不受外界风力影响，减少由于风力作用而导致云台的抖动；
(3)结构简单，通用性好，便于安装在多种无人机平台；
(4)通过配置的小型光学变焦摄像机，可以实现变焦焦距拍摄；
(5)质量轻，成本低廉、费效比高，便于大量使用。
附图说明
图1是本发明云台内部结构示意图；
图2是本发明云台在无人机上安装结构示意图。
其中的附图标记为：安装梁1、安装架2、壳体3、姿态测量传感器4、头罩5、摄像头6、方位电机7、机架8、俯仰电机9、回转架10、滚转电机11、控制电缆12、机体安装槽13、控制模块14、机身15、机翼16。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
一种小型无人机内置式稳像云台，其中：包括安装梁1、安装架2、壳体3、姿态测量传感器4、头罩5、摄像头6、方位电机7、机架8、俯仰电机9、回转架10和滚转电机11，所述的壳体3为带底的圆锥筒形结构，所述的头罩5采用透光率很高的球冠形光学玻璃加工而成，所述的头罩5固定安装在壳体3的顶面上，所述的壳体3底面上沿圆周方向均匀分布有四根安装梁1，所述的安装架2为十字叉结构且安装架2固定安装在壳体3内的底面上，所述的滚转电机11通过螺钉固定安装在安装架2上，所述的回转架10固定安装在滚转电机11的输出轴上，所述的俯仰电机9输出轴固定安装在回转架10的安装孔里，所述的机架8固定安装在俯仰电机9上，所述的方位电机7固定安装在机架8上，所述的摄像头6安装在方位电机7的输出轴上且摄像头6位于壳体3内，所述的姿态测量传感器4安装在摄像头6上，所述的安装架2的中心设有通孔。
实施例中，还包括控制电缆12、机体安装槽13和控制模块14，机身15上左端沿圆周方向均匀分布有四个机体安装槽13，所述的安装梁1安装在机体安装槽13里，所述的控制电缆12左端从安装架2的中心孔里穿出，所述的控制模块14安装在机身15内，所述的控制电缆12右端与控制模块14连接。
实施例中，姿态测量传感器4选用GY-85九轴自由度IMU传感器模块。
实施例中，方位电机7、俯仰电机9和滚转电机11都能实现360°转动。
本发明中的姿态测量传感器4、摄像机头6、方位电机7、俯仰电机9和滚转电机11均有信号控制线，信号控制线汇总成控制电缆12，控制电缆12从安装架2中心孔穿出，连接到安装在机身15内部的控制模块14上。
实施例中，方位电机7能在方位方向进行360°转动，当飞机在转向等动作时，方位方向不可避免会抖动，姿态测量传感器4将感知方位方向上的转动及抖动信号，并发送至安装在机身内部的控制模块14，控制模块14进行滤波处理后，输出给稳定的转向信号给方位电机7，使得摄像头6平稳转向。
实施例中，俯仰电机9能在俯仰方向进行360°转动，同理，能在控制模块14的控制下动作，能将飞机飞行过程中在俯仰方向上的抖动过滤掉，使得摄像头6在俯仰方向上平稳动作。
实施例中，滚转电机11在滚转方向进行360°转动。飞机在转向、爬升等过程中，机体不可避免发生倾斜，但摄像头6无需跟随飞机进行滚转运动，因此控制模块14会滚转电机11向飞机倾斜的反方向转动，抵消飞机的滚转运动，起到稳像效果。
实施例中，摄像机6可接受地面遥控信号，实施1～30倍光学变焦。
本发明可安装在固定翼飞机的头部，以替代机身下悬挂的外置式稳像吊舱。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种小型无人机内置式稳像云台，其特征在于：包括安装梁(1)、安装架(2)、壳体(3)、姿态测量传感器(4)、头罩(5)、摄像头(6)、方位电机(7)、机架(8)、俯仰电机(9)、回转架(10)和滚转电机(11)，所述的壳体(3)为带底的圆锥筒形结构，所述的头罩(5)采用透光率很高的球冠形光学玻璃加工而成，所述的头罩(5)固定安装在壳体(3)的顶面上，所述的壳体(3)底面上沿圆周方向均匀分布有四根安装梁(1)，所述的安装架(2)为十字叉结构且安装架(2)固定安装在壳体(3)内的底面上，所述的滚转电机(11)通过螺钉固定安装在安装架(2)上，所述的回转架(10)固定安装在滚转电机(11)的输出轴上，所述的俯仰电机(9)输出轴固定安装在回转架(10)的安装孔里，所述的机架(8)固定安装在俯仰电机(9)上，所述的方位电机(7)固定安装在机架(8)上，所述的摄像头(6)安装在方位电机(7)的输出轴上且摄像头(6)位于壳体(3)内，所述的姿态测量传感器(4)安装在摄像头(6)上，所述的安装架(2)的中心设有通孔。
2.根据权利要求1所述的一种小型无人机内置式稳像云台，其特征在于：还包括控制电缆(12)、机体安装槽(13)和控制模块(14)，机身(15)上左端沿圆周方向均匀分布有四个机体安装槽(13)，所述的安装梁(1)安装在机体安装槽(13)里，所述的控制电缆(12)左端从安装架(2)的中心孔里穿出，所述的控制模块(14)安装在机身(15)内，所述的控制电缆(12)右端与控制模块(14)连接。
3.根据权利要求1所述的一种小型无人机内置式稳像云台，其特征在于：所述的姿态测量传感器(4)选用GY-85九轴自由度IMU传感器模块。
4.根据权利要求1所述的一种小型无人机内置式稳像云台，其特征在于：所述的方位电机(7)、俯仰电机(9)和滚转电机(11)都能实现360°转动。
5.根据权利要求2所述的一种小型无人机内置式稳像云台，其特征在于：所述的控制模块(14)上安装有TMS320C5000系列DSP芯片、电源管理芯片和功率放大器。
6.根据权利要求1所述的一种小型无人机内置式稳像云台，其特征在于：所述的摄像头(6)采用光学变焦摄像头。
7.根据权利要求6所述的一种小型无人机内置式稳像云台，其特征在于：所述的头罩(5)为球冠形状，头罩(5)半径和回转架(10)在俯仰方向上运动的半径一致。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170222 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |