一种高精姿态和方位的云台及其控制方法与流程

本发明涉及一种云台精准姿态和方位的控制技术。

背景技术：

云台是为解决普通摄像机的监控位置固定不变而产生的。云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。云台的姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。

云台根据其回转的特点可分为：水平旋转云台——仅能实现水平旋转运动，故亦称为转台。全方位云台——既能够作水平旋转运动，也能够作垂直俯仰运动，有的还能够做结合两者的复合运动。一般来说，水平旋转角度为0°～360°，垂直旋转角度为±90°。恒速云台的水平旋转速度一般在3°～10°/s，垂直速度为4°/s左右。变速云台的水平旋转速度一般在0°～32°/s，垂直旋转速度在0°～16°/s左右。

将摄象机安装在云台上，实现摄象机多个自由度运动，即可以满足对固定监控目标的快速定位，也可对大范围监控环境的全景观察。

然而在摄像机云台实际应用中，目前还不具备自动精准姿态和方位的定位功能。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种高精姿态和方位的云台及其控制方法，使得可以远程精准感知和控制摄像头的对准方向和垂直俯仰角度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高精姿态和方位的云台，其特征在于，包含：

地磁传感器，用于检测所述云台的水平转动指向；

第一角度/倾斜传感器，用于测量所述云台的垂直俯仰角度；

第一通信模块，用于将所述地磁传感器检测得到的水平转动数据上传到控制中心；

第二通信模块，用于将所述第一角度/倾斜传感器检测得到的垂直俯仰角度数据上传到控制中心。

作为进一步改进，该云台还包含：

第一陀螺仪，用于检测所述云台的水平转动转速；

第二陀螺仪，用于检测所述云台垂直俯仰方向转速；

第三通信模块，用于将所述第一陀螺仪检测到的云台水平转动速度数据上传到控制中心；

第四通信模块，用于将所述第二陀螺仪检测到的云台垂直俯仰方向转速数据上传到控制中心。

作为进一步改进，该云台还包含：

第二角度/倾斜传感器，用于校准所述云台是否水平固定；

第五通信模块，用于将所述第二角度/倾斜传感器的校准结果上传到控制中心。

作为进一步改进，该云台包含固定平台，所述第二角度/倾斜传感器设置在所述固定平台上。

作为进一步改进，该云台包含水平转动平台，通过第一电机转子安装在所述云台的固定平台上。

作为进一步改进，该地磁传感器和所述第一陀螺仪设置在所述水平转动平台上。

作为进一步改进，该云台包含垂直俯仰平台、垂直俯仰平台支撑架、第二电机转子，

所述垂直俯仰平台支撑架固定在所述水平转动平台上，所述第二电机转子与所述垂直俯仰平台支撑架活动链接，所述垂直俯仰平台固定在所述第二电机转子上，随所述第二电机转子的转动进行垂直俯仰转动；

所述垂直俯仰平台用于固定摄影摄像设备。

作为进一步改进，所述第一角度/倾斜传感器和所述第二陀螺仪固定在所述垂直俯仰平台上。

作为进一步改进，所述控制中心还用于保存各预设控制指令及该控制指令相匹配的云台水平转动指向和垂直俯仰角度的对应关系，在收到来自用户的控制指令时，根据所述对应关系控制所述云台转到与该控制指令相匹配的 水平转动指向和垂直俯仰角度。

本发明各实施方式还提供了一种高精姿态和方位的云台控制方法，包含以下步骤：

通过地磁传感器确定云台在水平面的指向角度，通过水平方位的陀螺仪确定云台在水平面的转动角速度；

通过角度/倾斜传感器确定云台的垂直俯仰角度，通过垂直俯仰方位的陀螺仪确定云台的垂直俯仰角的角速度。

作为进一步改进，该高精姿态和方位的云台控制方法还包含以下步骤：通过角度/倾斜传感器对云台的固定平台进行调平。

作为进一步改进，该高精姿态和方位的云台控制方法还包含以下步骤：在云台的控制中心保存各预设控制指令及该控制指令相匹配的云台水平转动指向和垂直俯仰角度的对应关系，在收到来自用户的控制指令时，根据所述对应关系控制所述云台转到与该控制指令相匹配的水平转动指向和垂直俯仰角度。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：在云台上设置地磁传感器，用于检测云台的水平转动指向；设置角度/倾斜传感器，用于测量云台的垂直俯仰角度。通过地磁传感器和角度/倾斜传感器可远程高精感知和控制摄像头的对准方向和垂直俯仰角度。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的高精姿态和方位的云台结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种高精姿态和方位的云台，如图1所示，包含：不可移动和转动的固定平台101、水平转动平台102、垂直俯仰平台103、交流电机转子104(第一电机转子)、交流电机转子105(第二电机转子)、垂直俯仰平台支撑架106、角度/倾斜传感器107(第一角度/倾斜传感器)、地磁传感器(电子罗盘)108、陀螺仪109(第一陀螺仪)、角度/倾斜传感器110(第二角度/倾斜传感器)、陀螺仪111(第二陀螺仪)。

首先介绍一下地磁传感器、陀螺仪和角度/倾斜传感器：

地磁传感器(电子罗盘，compass)，也叫数字指南针，是利用地磁场来定北极的一种方法。利用先进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了有力的帮助。

陀螺仪(gyroscope)是用来测量角运动装置。

角度/倾斜传感器一般由加速度计制成，加速度计(accelerometer)测量加速度的仪表。加速度计能够满足苛刻条件下高精度倾角传感的应用，制成角度/倾斜传感器，可以用于设备的倾斜角度测量和平台调平系统。

接下来对该高精姿态和方位的云台进行具体说明：

整个云台需要通过固定平台101来实现完全水平固定，水平转动平台102 通过交流电机转子104安装在云台的固定平台101上，随交流电机转子104的转动进行水平旋转。地磁传感器108和陀螺仪109设置在水平转动平台102上。垂直俯仰平台103依靠支撑架106固定在水平转动平台102上，交流电机转子105与垂直俯仰平台的支撑架106活动链接，垂直俯仰平台103的初始位置平行于水平转动平台102，垂直俯仰平台103固定在交流电机转子105上，随交流电机转子105的转动进行垂直俯仰转动；该垂直俯仰平台103用于固定摄影摄像设备。角度/倾斜传感器107和陀螺仪111固定在垂直俯仰平台103上。

从上述结构可以看出，通过角度/倾斜传感器110来判断固定平台101是否在水平面内。角度/倾斜传感器110起到两个作用，一是在初始安装云台时用来校准固定平台101是否处于水平状态；二是云台在使用过程中，实时监测固定平台101是否倾斜，并及时检修。该云台包含第五通信模块，用于将角度/倾斜传感器110的校准结果上传到控制中心(控制服务器)；该第五通信模块可以集成在角度/倾斜传感器110内，也可以独立设置。

水平转动平台102需要平行地安装在固定平台101之上，并通过交流电机转子104来控制其360°转动。水平转动平台102的指向(以摄像头对准方向为水平转动平台102的指向)由地磁传感器108来确定，其转速由陀螺仪109测定。该平台还包含第一通信模块，用于将地磁传感器108检测得到的水平转动数据上传到控制中心；第三通信模块，用于将陀螺仪109检测到的云台水平转动速度数据上传到控制中心。其中，第一通信模块可以集成在地磁传感器108中，也可以独立设置；第三通信模块可以集成在陀螺仪109中，也可以独立设置。

放置摄像机的垂直俯仰平台103通过垂直俯仰平台支撑架106固定在水平转动平台102上。其垂直俯仰角度的控制则通过交流电机转子105来实现，垂直俯仰角度由角度/倾斜传感器107测量，其转速通过陀螺仪111测量。该平台还包含第二通信模块，用于将角度/倾斜传感器107检测得到的垂直俯仰角度数据上传到控制中心；第四通信模块，用于将陀螺仪111检测到的云台垂直俯仰方向转速数据上传到控制中心。其中，第二通信模块可以集成在角度/倾斜传感器107中，也可以独立设置；第四通信模块可以集成在陀螺仪111中，也可以独立设置。

可见，本实施方式通过地磁传感器和角度/倾斜传感器可远程精准感知和控制摄像头的对准方向和垂直俯仰角度。

作为进一步改进，控制中心还可以用于保存各预设控制指令及该控制指令相匹配的云台水平转动指向和垂直俯仰角度的对应关系，在收到来自用户的控制指令时，根据该对应关系控制云台转到与该控制指令相匹配的水平转动指向和垂直俯仰角度。其中，该控制指令可以是语音指令，控制指令可以由用户预设和更改。

本发明第二实施方式涉及一种高精姿态和方位的云台控制方法，通过地磁传感器确定云台在水平面的指向角度，通过水平方位的陀螺仪确定云台在水平面的转动角速度；通过角度/倾斜传感器确定云台的垂直俯仰角度，通过垂直俯仰方位的陀螺仪确定云台的垂直俯仰角的角速度。通过角度/倾斜传感器对云台的固定平台进行调平。

具体地说，首先要实现整体云台的调平。利用加速度计制成的角度/倾斜 传感器技术，设计平台调平系统，对云台的固定平台进行调平。

然后，确定云台在水平面的指向角度(相对于正北方向)。利用地磁传感器(电子罗盘)测试云台在水平面的指向角度，云台的水平面的转动角速度由陀螺仪来检测。

接着，确定云台的垂直俯仰角度(相对于水平面)。利用由加速度计技术制成的角度/倾斜传感器技术，测试云台的垂直俯仰角度。同时云台的垂直俯仰角的角速度由陀螺仪来检测。

本实施方式利用地磁传感器(电子罗盘)检测水平方向的指向，角度/倾斜传感器检测垂直俯仰角度，陀螺仪检测转动过程中的角速度。通过这些传感技术云台的姿态(二维)和变化情况就完全可精准获知，实现云台的全自动控制。

作为进一步改进，还可以在云台的控制中心保存各预设控制指令及该控制指令相匹配的云台水平转动指向和垂直俯仰角度的对应关系，在收到来自用户的控制指令时，根据该对应关系控制该云台转到与该控制指令相匹配的水平转动指向和垂直俯仰角度。其中，该控制指令可以是语音指令，控制指令可以由用户预设和更改。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。