一种独立式航拍云台系统的制作方法

本实用新型属于农林业航空机械技术领域，具体涉及一种可用于植保无人机等机械上的独立式航拍云台系统。

背景技术：

无人机低空遥感航拍尺度和分辨率介于卫星遥感和地面遥感之间，能有效弥补卫星遥感的实时性较差和分辨率不高的缺点，同时较地面遥感设备有更高的采集效率，正成为精准农业领域发展热点之一。云台作为承载相机的平台，是保证低空遥感图像采集质量的关键部件，同时云台的便携性、操作简易性等特性是无人机低空遥感航拍高效性的重要保证条件。

目前，农业应用遥感航拍领域内使用的无人飞行器种类较多，按结构分类有旋翼型和固定翼型，而旋翼型又分为单旋翼型和多旋翼型，每种结构的无人机对云台的安装要求都不尽相同。现有的云台大多数是非独立式的，即由机械结构部分和姿态控制电路部分等构成，云台供电、姿态调整控制信号传输等依赖于无人机的机载设备，如果无人机的机载功率较小，或者没有预留通信通道则对云台正常使用的要求较为苛刻。

技术实现要素：

本实用新型的技术目的是提供一种独立式航拍云台系统，为农业领域无人机遥感航拍提供一种简易、便携式且运行稳定的云台，可配合绝大多数无人机平台使用，也可用在其它机械上或安装在塔架上。

为实现上述技术目的，本实用新型公开的技术方案为：

一种独立式航拍云台系统，包括云台和地面控制站，所述云台通过无线通信的方式与地面控制站通信连接，所述地面控制站包括云台遥控器和设有显示屏的图像接收装置，其特征在于：

所述云台包括固定安装在空中平台或地面平台上的控制盒、附着在控制盒外的多轴向姿态调整执行机构和安装在所述执行机构末端的成像设备；

所述控制盒的电路系统包括以下组成部分：

控制单元，与所述成像设备分别连接，根据接收的图像采集触发信号，向成像设备发送采集图像的控制信号，并接收成像设备上传的图像数据；

自动拍照控制模块，与控制单元连接，根据预加载程序，向控制单元自动发送图像采集触发信号；

姿态控制模块，与所述控制单元连接，根据控制单元的输出指令向所述执行机构的驱动设备发送伺服控制信号；

无线通信模块，包括图像传输信号发射器、图像采集触发信号接收器和姿态调整信号接收器，控制单元通过所述图像传输信号发射器与所述图像接收装置通信连接，向地面控制站传输图像；所述云台遥控器通过所述图像采集触发信号接收器、姿态调整信号接收器与所述控制单元通信连接，向控制单元发送地面控制站的控制指令；

传感器系统，包括与控制单元连接的陀螺仪、加速度计和航向计，用于监测空中平台或地面平台的移动方向和姿态信息；

电源模块，为控制盒内的用电元器件、姿态调整执行机构及所述成像设备供电。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

所述自动拍照控制模块与与定位系统连接，在空中平台或地面平台到达预设拍照点时，向所述控制单元自动发送图像采集触发信号。

所述自动拍照控制模块、图像采集触发信号接收器的信号输出端分别通过缓冲器与所述控制单元的信号输入端连接，通过所述缓冲器隔离控制单元接收的信号并对接收信号进行电平转换。

为了方便用户观察系统的电量使用情况，所述电源模块设有电量显示器。

所述多轴向姿态调整执行机构的驱动设备优选采用步进电机。

所述成像设备的图像采集开关电路由继电器控制导通，所述继电器与控制单元连接。

所述继电器的驱动电路设有三极管，继电器线圈串接在电源端与所述三极管的C集电极之间，三极管的E发射极接地，B基极与控制单元的信号输出端连接，所述电源端与三极管之间还设有与继电器线圈并联的二极管，所述二极管的阳极一端与三极管连接，阴极一端与电源端连接。

所述三极管与控制单元信号输出端之间串接有一3K电阻件。

所述云台设有两个以并联方式串接在成像设备图像采集开关电路上的继电器，两继电器的通断分别由自动拍照控制模块发送的图像采集触发信号、所述图像采集触发信号接收器向控制单元输出的图像采集触发信号控制。

用于如上所述独立式航拍云台系统的控制方法，其过程如下：

一）将搭载所述空中平台或地面平台的机械或塔架安置于水平地面，使所述平台与地面保持平行，将云台安装在所述平台上，将成像设备固定在云台姿态调整执行机构的末端；

二）启动控制盒，初始化控制盒内的电路系统；

三）将成像设备调至水平，根据作业拟进行的航拍高度，将航拍高度转换为水平距离，并参照作业时的光照强度，在水平地面上设置一目标参照点，通过地面控制站的图像接收装置对成像设备采集的目标参照点图像进行观察，调节成像设备的光圈和镜头焦距，直至图像接收装置显示屏显示图像的清晰度满足要求；

四）设定姿态调整执行机构的工作模式，所述工作模式包括锁定模式和跟随模式，所述锁定模式为控制成像设备始终保持某一固定的水平拍摄角度，不随平台的移动方向改变而发生变化；所述跟随模式为控制成像设备的水平拍摄角度与平台的移动方向始终保持一致，随着平台移动方向的改变而发生相应变化；

五）设定成像设备的工作模式，所述工作模式包括定点拍摄模式，即在自动拍照控制模块中，预先标定进行图像采集的地理信息坐标点，当自动拍照控制模块根据定位系统获取的信息，判断平台到达该地理信息坐标点时，向控制单元发送图像采集触发信，并通过控制单元将采集的图像发送至地面控制站；

六）控制植保机依照设定路线行驶，观察图像接收装置的显示屏，通过云台遥控器手动控制或控制系统自动控制姿态调整机构动作，以调整成像设备的拍摄角度，通过云台遥控器手动触发或自动拍照控制模块自动触发成像设备采集图像，完成航拍作业。

有益效果：

本实用新型提供了一种独立式航拍云台系统，可不依赖于无人机等其它机械的载供电系统和控制系统的控制而独立、稳定的运行，可简易方便的搭载在不同类型的机械或塔架上，适应性更好，通过地面控制站的图像接收装置，同时解决了拍照过程中不可视化的问题，使航拍工作更快捷有效率，尤其适用于植保无人机。

附图说明

图1为本实用新型航拍系统的结构示意图；

图2为控制盒的局部电路结构示意图；

图3为控制盒电源模块的结构示意图；

图4为继电器驱动电路的示意图。

具体实施方式

本申请中，所述空中平台指搭载在飞行器上的平台，所述地面平台是指搭载在于地面上行驶的机械、移动或固定的地面塔架上的平台，为了进一步阐明本实用新型的技术方案和技术原理，下面结合附图与具体实施例对本实用新型做进一步的介绍。

本实施例中，以无人机为例，其搭载的平台即为空中平台，如图1所示的一种独立式航拍云台系统，包括云台和地面控制站，所述云台通过无线通信的方式与地面控制站通信连接，所述地面控制站包括云台遥控器和设有显示屏的图像接收装置等组成部分。

所述云台设有一安装在无人机平台上的控制盒、附着在控制盒外的三轴向姿态调整执行机构和安装在三轴向姿态执行调整机构末端的成像设备，本实施例中，所述成像设备采用相机，图像采集为拍照。

所述三轴向姿态调整执行机构由三个小型精密直流步进电机及固定支架组成，三个步进电机的输出轴两两垂直，可实现对相机在水平、横滚和俯仰六个自由度的调节。相机的安装底座设置在姿态调整执行机构的末端，即与调节相机俯仰方向的步进电机输出轴联接，相机通过绑带固定在所述安装底座上，俯仰方向步进电机的安装座通过轻质铝板与调节相机横滚方向的步进电机输出轴联接，而横滚方向步进电机的安装座亦通过轻质铝板与调节相机水平方向的步进电机输出轴相联接，水平方向步进电机的安装座则通过轻质铝板与控制盒的外壳直接联接。电源线、步进电机脉冲信号控制线、相机拍照触发信号线、图像信号传输线等从控制盒中引出，与相应的接口相连接。

所述控制盒的电路系统包括以下组成部分：

1）控制单元，可采用单片机（MCU），与所述成像设备连接，由控制单元向相机发送拍照的控制信号，同时接收并存储相机上传的图像数据；

2）自动拍照控制模块，与控制单元连接，根据预加载程序，向控制单元自动发送图像采集触发信号；

3）姿态控制模块，所述姿态控制模块与所述控制单元连接，根据控制单元的输出指令向三轴向姿态调整执行机构的驱动设备（即各步进电机）发送伺服控制信号；

4）无线通信模块，包括图像传输信号发射器、图像采集触发信号接收器和姿态调整信号接收器，所述图像传输信号发射器与所述图像接收装置的接收端无线通信连接，控制单元通过其向地面控制站传输图像；所述图像采集触发信号接收器、姿态调整信号接收器的输入端与云台遥控器的信号输出端无线通信连接，图像采集触发信号接收器、姿态调整信号接收器的输出端与控制单元连接，向控制单元输送地面控制站的控制指令；

5）传感器模块，与控制单元连接，包括mems陀螺仪、加速度计和航向计（磁力计），用于监测无人机（平台）的行驶姿态和行驶方向信息；

6）电源模块，为控制盒内的其它用电元器件、姿态调整执行机构及所述相机供电。

上述结构中，所述自动拍照控制模块可与无人机定位系统连接，采集定位系统获取的地理位置信息，当自动拍照控制模块判断无人机（平台）到达预设拍照点时，则向所述控制单元发送图像采集触发信号。所述自动拍照控制模块、图像采集触发信号接收器的信号输出端分别通过缓冲器(Buffer)与所述控制单元的信号输入端连接，通过所述缓冲器隔离控制单元单片机接收的信号并对接收信号进行电平转换,如图2所示。

如图3所示，所述电源模块，包括DC-DC电压转换电路，主要功能是给控制单元提供5V和3.7V供电电压、相机提供12V直流电压、步进电机提供5V直流电压、图像传输信号发射器提供5V直流电压和两遥控信号接收器提供3.7V电压。所述电源模块还包括总体电量显示器，方便云台在使用时用户对系统所剩余电量的判断。

所述相机的拍照开关电路由电磁继电器控制导通，所述电磁继电器与控制单元连接。如图4所示，所述电器继电器的驱动电路设有NPN型硅三极管S9013和玻封开关二极管LL4148，电磁继电器线圈串接在电源端VCC与所述三极管的C集电极之间，三极管的E发射极接地GND，B基极与控制单元的信号输出端连接，所述玻封二极管与继电器线圈并联，所述二极管的阳极一端与三极管连接，阴极一端与电源端连接，三极管与控制单元信号输出端之间串接有一3K电阻件。当VCC端无电压时（2、5引脚压差为0），电磁继电器1、4触点闭合，此时处于常态，当VCC端相对GND端的电压大于3V时（额定值是5V），电磁继电器1、3触点闭合，则接通相机的拍照开关电路。而VCC端相对GND端的电压值由所述三极管控制，当继电器驱动电路收到拍照触发信号时，即三极管的B基极（图中OUT CHI TASK）有输入信号，由于VCC端5V电压的存在，三极管导通，起到开关作用，此时电磁继电器线圈通电，触发相机开关，当拍照触发信号消失时，电磁继电器失电，相机的拍照开关电路断开。玻封开关二极管LL4148的设置可为继电器线圈反电动势释放提供通道。当电磁继电器导通时，电流由引脚2流向引脚5，再流经三极管至GND端；当触电磁继电器断开后，此时继电器中残余电流由引脚2流向引脚5，流向玻封开关二极管LL4148的阳极至阴极，之后流入引脚2，形成回路，直至消耗殆尽。

所述云台设有两个以并联方式串接在相机拍照开关电路上的继电器，两继电器的通断分别由飞控系统发送的图像采集触发信号、所述图像采集触发信号接收器向控制单元输出的图像采集触发信号触发，则任何一个继电器导通都能让相机动作，如图2所示 。

一种用于如上所述独立式航拍云台系统的控制方法，过程如下：

一）将无人机安置于水平地面，使平台与地面保持平行，将云台安装在无人机平台上，将相机固定在云台姿态调整机构的末端；

二）启动控制盒，初始化控制盒内的电路系统，将控制盒与无人机定位系统连接；

三）对于不能自动调节光圈和镜头焦距的相机，可将成像设备调至水平，根据作业拟进行的航拍高度，将航拍高度转换为水平距离，并参照作业时的光照强度，在水平地面上设置一目标参照点，通过地面控制站的图像接收装置对成像设备采集的目标参照点图像进行观察，调节成像设备的光圈和镜头焦距，直至图像接收装置显示屏显示图像的清晰度满足要求；

四）设定姿态调整机构的工作模式，所述工作模式包括锁定模式和跟随模式，所述锁定模式为控制成像设备在水平面上的拍摄角度不随无人机的航向(即平台移动方向)改变而发生变化，保持锁定的拍摄方向，即当无人机航向变化时，云台不动作，若姿态调整执行机构发生了随动，控制单元可根据陀螺仪、航向计、加速度计等传感器获取的信息，比对无人机和相机的初始状态，通过姿态调整执行机构对相机姿态实施复位补偿；所述跟随模式为成像设备相对地面在水平方向上的拍摄角度随着无人机的航向改变而发生相应变化，即飞机航向变化时，控制单元根据陀螺仪、航向计、加速度计等传感器获取的信息，比对无人机和相机的初始状态，通过姿态调整执行机构对相机姿态实施补偿，使相机投影在水平面上的拍摄方向与无人机航向始终保持一致；

五）设定成像设备的工作模式，所述工作模式包括定点拍摄模式，即在自动拍照空中模块的加载程序中预先标定进行图像采集的地理信息坐标点，当自动拍照控制模块根据定位系统传送的信息，判断无人机（平台）到达该地理信息坐标点时，向控制单元发送图像采集触发信，并通过控制单元将采集的图像发送至所述地面控制站的图像接收装置中；

六）起飞无人机，控制无人机依照设定航线飞行，观察图像接收装置的显示屏，通过云台遥控器手动控制或控制单元自动控制姿态调整机构动作，以调整相机的拍摄角度，通过云台遥控器手动触发或自动拍照控制模块自动触发成像设备采集图像，直至完成航拍作业。

本实用新型航拍系统根据相对外部重力参考系的变化，通过步进电机的动作产生各个轴向上适当地反扭力，达到抵消云台相对某个方向上运动，实现云台稳定的目的，其控制模型为：利用陀螺仪和加速度计相控制单元反馈无人机的角速度和加速度变化，可知无人机姿态相对于重力参考系的变化，以变化值为控制对象，采用闭环PID控制算法补偿偏差值，是给电机输出的PWM控制信号。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。