专利名称：三维自动稳定摄像系统的制作方法
技术领域：
本发明属于大型机械设备的视频监控设备技术领域，特别涉及一种三维
自动稳定摄像系统，是三维(X、 Y、 Z轴)自动稳定平台^4摄像监控系统的 应用。
背景技术：
监控摄像机通过传统云台实现旋转方位的调整。当操作者需要调整监控 摄像机监视视角时，可以调整支撑摄像机的云台，达到改变摄^^姿态的目
的。当操作者调整云台的转向时，监控摄^M4之转动，摄《l^姿态得到改 变，观测角度亦可随之得到调整。因此，该云台的转动角度，即监控设备能 够监浮见的角度范围。
现有的传统云台均采用两维(x、 z轴)旋转控制即方位控制和俯仰控制
相结合的方法。通过水平的方位角0-360° (Z轴)的变化和垂直的俯仰角± 90° (X轴)的变化，实现"周围"和"上下"全方位观测(图1)。
现有的传统云台加摄像机构成的摄像系统主要工作在承载云台的栽体和 目标都M本稳定的前提下，当承载云台的载体发生随机姿态变化时(若X、 Y、 Z轴发生旋转时)或当目标发生运动时，现有的系统就不能有效完成实时 监控的任务。原来在摄像机监视范围内的物体部分或全部会偏出摄像机的监 视区域，如果传统的摄像系统就要人工不断的进行纠正，但是工作人员在实 际操作过程中，绝大多数场合，这样的操作是无法实现的。
发明内容
本发明所要解决的问题在于，克服现有技术的不足，提供一种三维自动稳定摄像系统，当承栽三维自动稳定摄像系统的载体沿X、 Y、 Z轴发生旋转时， 三维自动稳定摄像系统能自动测量各轴旋转量，经过运算处理输出修正信号， 控制三维自动稳定摄像系统的修正装置，从而保证摄像机的监视区域始终包 含要观看的物体，输出清晰稳定的视频画面。
本发明解决其技术问^1采取以下技术方案实现的
依据本发明提供的一种三维自动稳定摄像系统，包括测量装置、修正控制 装置和修正执行装置，在X轴、Y轴、Z轴方向，各有一路功能相同且又独立 的测量装置、修正控制装置、修正执行装置，所述的修正执行装置由Z、 X轴 执4亍装置20和Y轴执行装置22组成，测量装置21、 2丌分别装在Z、 X轴执 行装置和Y轴执行装置的底部水平位置上，修正控制装置30、 30 '分别^fc Z、 X轴执行装置和Y轴执行装置顶部；当扰动引起栽体的随4^态变化时， 修正控制装置根据测量装置输出的感应测量信号，经过运算处理送达修正执 行装置进行修正。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案进一步实现
前述的测量装置在X、 Y轴采用硅微机械结构倾角传感器，在Z轴采用硅 微机械结构的电子罗盘。
前述的Z轴执行装置安装在Z、 X轴执行装置的最下部，与底座法兰1固 装，下面的步进电机4为绕Z轴旋转的驱动步进电机,其Z轴执行机构在靠下 面的变速箱2内，变速箱内的主体是一对内齿传动齿轮3，绕Z轴旋转的轴心 与壳体同心，步进电机4轴头装一主动小齿轮26，通过一介轮轴27其上有两 个等齿数介轮7、 7'，与固定在变速箱的内齿传动齿轮3啮合，内齿传动齿 轮的空心轴10端安装导电滑环28,确保线缆无缠绕，实现正反方向任意角度 的旋转。
前述的X轴执行装置装在Z、 X轴执行装置的上部，步进电机8轴头装有 主动小齿轮9，与从动大齿轮9'啮合，成减速传动输出，端面装有电磁制动器11动片的从动大齿轮装于空芯输出轴10的轴径上，通过键连接，传递转 动和转矩，在骨架前支板29与从动大齿轮9'对应处装有电磁制动器11的定 子，以确保输出轴的停位准确和产生较大的保持力矩。
前述的Y轴执行装置，其前端是摄像机12，中间部分是双联齿轮16变 速箱，末尾结构是作为动力源的步进电机17;步进电机作为凸缘电机结构将 轴头伸进双联齿轮16变速箱，带动小齿轮18旋转，小齿轮通过双联齿轮19 将动力传递到被动齿轮14，被动齿轮拖动变速箱外的靠板15，带动90°弯板 13及与其固定的摄像机12形成传动链，使摄#4^在步进电机的拖动下完成 "Y"轴方向的±90°范围内的旋转。
前述的修正控制装置由电源电路、参数设置电路、信令输入电路、角度 记忆电路、CPU控制电路、角度补偿电路、驱动电路组成，信令输入电路、参 数设置电路和角度补偿电路分别连接CPU控制电路的输入，CPU控制电路的输 出连接驱动电路，CPU控制电路双向连接角度记忆电路，电源电路为各个部分 电皿供工作电压；当收到控制器发出的人工控制命令时，信令输入电路进 行信令转换并传送给CPU控制电路，CPU根据員设置电路对自身参数的设置 对信令进行分析解码，通过驱动电路驱动转过相应角度，并同时通过角度记 忆电路记忆三维自动稳定摄像系统栽体平台的当前角度值及三轴向目前相对 初始零点的位置，作为新的摄像机定位值；当扰动引起承栽三维自动稳定摄 像系统的载体沿X、 Y、 Z轴发生姿态变化时，测量装置将检测的三轴向目前 的实际角度输入至角度补偿电路，角度补偿电路将测量信息传送给CPU, CPU 根据角度补偿算法算出角度补偿值，并驱动修正执行装置补偿角度，使摄像 机的监视区域保持不变，从而实现自动稳定视频画面的目的。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果.
本发明具有智能化自动稳定、自动调整的特点，实现了沿X轴、Y轴、Z 轴三维立体空间的随机性自动稳定调整。 一般意义上的稳定是靠人工实现的， 即当摄像装置的载体出现平面两维偏移时，由人工进行逆向操作克服偏移，实现稳定。本发明采用了世界上先进的电子陀螺稳定技术，并沿X轴、Y轴、 Z轴三维方向各设置了一套，当系统的承载平台沿任何一轴发生随机变化(沿 X、 Y、 Z轴发生旋转)，测量装置立即给出偏移信号并传输到修正控制装置、 修正控制装置经过运算处理输出修正信号，修正执行装置予以即时修正。测 量装置采用硅微机械结构倾角传感器，由于硅微机械结构倾角传感器的灵敏 度、感应速度远大于偏移速度，配合修正执行装置的高运转速度就使系统达 到自动稳定的目的，有效地完成实时监控的任务。
本发明的具体实施方式
由以下实施例及其附图详细给出。
图1 :现有技术中两维(X、 Z轴)观测图2:本发明的三维(X、 Y、 Z轴)观测图3:本发明的控制原理框图4:本发明的装置随栽体在Z轴变化示意图5:本发明的装置随栽体在X轴变化示意图6:本发明的装置随载体在Y轴正常示意图7:本发明的装置随载体在Y轴变化示意图8:本发明的Z轴执行装置结构图
图9:本发明的X轴执行装置结构图
图10:本发明的Y轴执行装置结构图
图11:本发明的控制电路原理框图12:本发明的控制电路原理图13:本发明的程序工作il明。
图中l.底座法兰，2.变速箱，3.内齿传动齿轮，4.步进电机，5.旋转 台，6.密封圈，7、 7'.介轮8.步进电机，9.主动小齿轮，9'从动大齿轮 10.空心轴，11.电磁制动器，12.才聂{|^， 13.90°弯板，14.净皮动齿轮，15.靠板，16.双联齿轮，17.步进电机，18.小齿轮，19.双联齿轮，20. Z、 X轴 执行装置，21、 21'.测量装置，22.Y轴执行装置，23.障碍物，24.目标， 25.行车路线。26.主动小齿轮，27.介轮轴，28.导电滑环。29.骨架前支板， 30、 30:修正控制装置。
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式
、结构、 特征及其功效，详细i兌明如后。参见图2~13， 一种三维自动稳定摄像系统，包括测量装置、修正控制 装置和修正执行装置，在X轴、Y轴、Z轴方向，各有一路功能相同且又独立 的测量装置、修正控制装置、修正执行装置，所述的修正执行装置由Z、 X轴 执行装置20和Y轴执行装置22组成，测量装置21、 21'分别装在Z、 X轴执 行装置和Y轴执行装置的底部水平位置上，修正控制装置30， 30 "分别装在 Z、 X轴执行装置和Y轴执行装置顶部；当扰动引起栽体的随机姿态变化时， 修正控制装置根据测量装置输出的感应测量信号，经过运算处理送达修正执 行装置进行修正。测量装置在X、 Y轴采用硅微机械结构倾角传感器，在Z轴采用硅微机械 结构的电子罗盘。应用陀螺原理的主要想法是该稳定系统是一个自主式的稳 定系统。所谓"自主式"的稳定系统，就是不依赖于其它装置提供辅助测量、 控制信息、辅助控制执行手段的稳定系统。自己建立一个测量基准，该基准 在恶劣的环境中能够保持稳定、准确。陀螺正是实现这一基准的理想部件。图4是(车或船载)三位自动稳定摄像系统跟踪目标的俯视图。若以Z 轴为参照轴，当遇到障碍必须躲避时，摄像系统需沿着图示弧线前进。此时 摄像机与被跟踪目标沿Z轴的角度会随机形成任意角度。这个角度被称作对 于原先直线的偏移角(扰动)，即以"Z"轴为中心的偏移会使被跟踪目标丢 失。为了^^正上述偏移角我们在三维自动稳定摄像系统底部水平位置安装了 硅微结构的电子罗盘。测量偏移的角度，输出修正信号，并把信号输送到修正控制装置进行l务正控制。同理，对于沿X轴、Y轴出现的偏移，我们可以通 过采取前述的办法进4亍解决。图5、 6、 7所示。以上只是单方向定性的将"X"、 "Y"、 "Z，，三轴的扰动进行了简单的介绍。 车、船运行往往不是单纯的某一轴向产生扰动。而是以三维同时扰动的形式 出现。此时测量装置会将三维扰动信号同时发往修正控制装置。由修正控制 装置根据测量装置输出的测量信号，经过运算处理送达修正执行装置进行修 正。修正执行装置会三维同时动作，向相反的方向旋转纠正偏差，保持正常 的监控。Z轴执行装置(如图8 )安装在Z、 X轴执行装置的最下部，与底座法兰1 固装，下面的步进电机4为绕Z轴旋转的驱动步进电机，其Z轴执行机构在靠 下面的变速箱2内，变速箱内的主体是一对内齿传动齿轮3，绕Z轴旋转的轴 心与壳体同心，步进电机4轴头装一主动小齿轮26，通过一介轮轴27其上有 两个等齿数介轮7、 7'，与固定在变速箱的内齿传动齿轮3啮合，内齿传动 齿轮的空心轴10端安装导电滑环28,确保线缆无缠绕，实现正反方向任意角 度的旋转。当修正控制装置将"Z"纠偏角度指令传到步进电机后，步进电机 将按照指令旋转，拖动旋转部分向扰动相反的方向旋转，保证摄^4^随时跟 踪目标。旋转部分和固定部分采取同轴旋转形式。其间的密封结构采用端面 密封。在旋转部分和变速箱的顶面之间采用 "A"型端面密封圈。使整机具 有可靠的防雨效果。X轴执行装置(如图9 )装在Z、 X轴执行装置的上部，步进电机8轴头 装有主动小齿轮9，与从动大齿轮9'啮合，成减速传动输出，端面装有电磁 制动器11的动片，从动大齿轮装于空芯输出轴10的轴径上，通过键连接， 传递转动和转矩，在骨架前支板29与从动大齿轮9'对应处装有电磁制动器11的定子，以确保输出轴的停位准确和产生较大的保持力矩。Y轴执行装置(22)(如图10),其前端是4聂像才几12，中间部分是双联齿 轮16变速箱，末尾结构是作为动力源的步进电机17;步进电机作为凸缘电机 结构将轴头伸进双联齿轮16变速箱，带动小齿轮18旋转，小齿轮通过双联 齿轮19将动力传递到被动齿轮14，被动齿轮拖动变速箱外的靠板15，带动 90°弯板13及与其固定的摄像机12形成传动链，使摄^4几在步进电机的拖 动下完成"Y"轴方向的±90。范围内的旋转。当修正控制装置发出纠正"Y" 轴偏转的信号后，步进电机(17)通过二级传动的变速箱输出，使摄像机产生 以"Y"轴为中心的旋转，使摄^^始终保持初始的水平位置。修正控制装置(如图11、 12)由电源电路、^:设置电路、信令输入电 路、角度记忆电路、CPU控制电路、角度补偿电路、驱动电路组成，信令输入 电路、参数设置电路和角度补偿电路分别连接CPU控制电路的输入，CPU控制 电路的输出连接驱动电路，CPU控制电路双向连接角度记忆电路，电源电路为 各个部分电M供工作电压；当收到控制器发出的人工控制命令时，信令输 入电路进行信令转换并传送给CPU控制电路，CPU根据Wt设置电路对自身参 数的设置对信令进行分析解码，通过驱动电路驱动转过相应角度，并同时通 过角度记忆电路记忆三维自动稳定摄像系统载体平台的当前角度值及三轴向目前相对初始零点的位置，作为新的摄4I4^定位值；当扰动引起承载三维自动稳定摄像系统的载体沿X、 Y、 Z轴发生姿态变化时，测量装置将检测的三 轴向目前的实际角度输入至角度补偿电路，角度补偿电路将测量信息传送给 CPU, CPU根据角度补偿算法算出角度补偿值，并驱动修正执行装置补偿角度， 使摄^^的监视区域保持不变，从而实现自动稳定视频画面的目的。其中 I电源电路实现AC24V-DC12V-DC5V的电压转换，为整个系统供电。 II 信令输入电路将RS-485控制信令转换为TTL电平信号。iii cpu控制电路根据云台自身参数设置对接收的数据进行分析处理并执行相应动作；同 时完成三维自动稳定摄像系统的角度补偿的分析处理工作。 iv驱动电路将cpu发出的控制信号转换为驱动信号驱动相应轴向的修正装置运转。 v 角度记忆电路记忆三维自动稳定摄像系统载体平台的当前角度值及三轴向目前相对初 始零点的位置，作为新的摄像机定位值 vi角度补偿电路将角度测量装置的当前角度测量信息传送给cpu。 vn a设置电路 设置云台的地址码、协议等参数。 本发明的程序工作说明见图13。
权利要求
1.一种三维自动稳定摄像系统，包括测量装置、修正控制装置和修正执行装置，其特征在于在X轴、Y轴、Z轴方向，各有一路功能相同且又独立的测量装置、修正控制装置、修正执行装置，所述的修正执行装置由Z、X轴执行装置(20)和Y轴执行装置(22)组成，测量装置(21、21′)分别装在Z、X轴执行装置和Y轴执行装置的底部水平位置上，修正控制装置(30，30′)分别装在Z、X轴执行装置和Y轴执行装置顶部；当扰动引起载体的随机姿态变化时，修正控制装置根据测量装置输出的感应测量信号，经过运算处理送选修正执行装置进行修正。
2. 根据权利要求1所述的三维自动稳定摄像系统，其特征在于所述的测量 装置在X、 Y轴采用硅微机械结构倾角传感器，在Z轴采用硅微机械结构的 电子罗盘。
3. 根据权利要求1所述的三维自动稳定摄像系统，其特征在于所述的Z轴 执行装置安装在Z、 X轴执行装置的最下部，与底座法兰(1)固装，下面 的步进电机(4 )为绕Z轴旋转的驱动步进电机，其Z轴执行机构在靠下面 的变速箱(2),变速箱内的主体是一对内齿传动齿轮(3),绕Z轴旋转的 轴心与壳体同心，步进电机(4)轴头装一主动小齿轮(26),通过一介轮 轴(27)其上有两个等齿数介轮(7、 7')，与固定在变速箱的内齿传动齿 轮(3)啮合，内齿传动齿轮的空心轴(10)端安装导电滑环(28)，确保 线缆无缠绕，实现正反方向任意角度的旋转。。
4. 根据权利要求l所述的三维自动稳定摄像系统，其特征在于所述的X轴 执行装置装在Z、 X轴执行装置的上部，步进电机(8)轴头装有主动小齿 轮(9)，与从动大齿轮(9')啮合，成减速传动输出，端面装有电磁制动 器(11)动片的从动大齿轮装于空芯输出轴(10)的轴径上，通过键连接，传递转动和转矩，在骨架前支板(29)与从动大齿轮(9')对应处装有电 磁制动器Ul)的定子，以确保输出轴的停位准确和产生较大的保持力矩。
5. 根据权利要求l所述的三维自动稳定摄像系统，其特征在于所述的Y轴 执行装置，其前端是摄像机U2)，中间部分是双联齿轮(16)变速箱，末 尾结构是作为动力源的步进电机(17);步进电机17作为凸缘电机结构将 轴头伸进双联齿轮(16)变速箱，带动小齿轮(18)旋转，小齿轮通过双 联齿轮(19 )将动力传递到被动齿轮(14 )，被动齿轮拖动变速箱外的靠板(15),带动90。弯板(13)及与其固定的摄〗1^ (12)形成传动链，使摄 H4M^步进电机的拖动下完成"Y"轴方向的±90°范围内的旋转。
6. 根据权利要求l所述的三维自动稳定摄像系统，其特征在于所述的修正 控制装置由电源电路、Wt设置电路、信令输入电路、角度记忆电路、CPU 控制电路、角度补偿电路、驱动电路组成，信令输入电路、参数设置电路 和角度补偿电路分别连接CPU控制电路的输入，CPU控制电路的输出连接驱 动电路，CPU控制电路双向连接角度记忆电路，电源电路为各个部分电M 供工作电压；当收到控制器发出的人工控制命令时，信令输入电路进行信 令转换并传送给CPU控制电路，CPU根据^设置电路对自身^L的设置对 信令进行分析解码，通过驱动电路驱动转过相应角度，并同时通过角度记 忆电路记忆三维自动稳定摄像系统载体平台的当前角度值及三轴向目前相 对初始零点的位置，作为新的摄像机定位值；当扰动引起承载三维自动稳 定摄像系统的载体沿X、 Y、 Z轴发生姿态变化时，测量装置将检测的三轴 向目前的实际角度输入至角度补偿电路，角度补偿电路将测量信息传送给 CPU， CPU根据角度补偿算法算出角度^M尝值，并驱动修正执行装置^hf尝角 度，使摄^^的监视区域保持不变，从而实现自动稳定视频画面的目的。
全文摘要
本发明涉及一种三维自动稳定摄像系统，包括测量装置、修正控制装置和修正执行装置，在X轴、Y轴、Z轴方向，各有一路功能相同且又独立的测量装置、修正控制装置、修正执行装置，所述的修正执行装置由Z、X轴执行装置和Y轴执行装置组成，测量装置分别装在Z、X轴执行装置和Y轴执行装置的底部水平位置上，修正控制装置分别装在Z、X轴执行装置和Y轴执行装置顶部；当扰动引起载体的随机姿态变化时，修正控制装置根据测量装置输出的感应测量信号，经过运算处理送达修正执行装置进行修正，保证摄像机的监视区域始终包含要观看的物体，达到保持摄像机输出画面稳定及图像清晰的目的。本发明具有智能化自动稳定、自动调整的特点。
文档编号G05D3/20GK101403848SQ20081015308
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者刘玉城, 卢国珠, 建 张, 张子方, 李家骏, 殷亚雷, 肖锦明 申请人:天津市联大通讯发展有限公司