一种无人机两轴云台及其控制方法与流程

1.本发明涉及无人机技术领域，特别是涉及一种无人机两轴云台及其控制方法。


背景技术：

2.无人机航拍作为一种新型拍摄方式广泛应用于影视行业以及日常娱乐中，随着小型无人机产品的广泛应用，人们对机载航拍设备的要求越来越高，传统的固定式摄像头已不能满足人们的需求，用户渴望能够自由地调整摄像头控制拍摄视角。
3.现有技术中，公开号为cn207664746u的中国专利公开了一种两轴云台用驱动装置，其包括横滚轴电机、俯仰轴电机和相机支撑座，通过配置两个互相垂直安装的直流无刷电机可以实现两自由度(即两轴)云台的稳定；此外，公开号为cn204124373u的中国专利公开了无人机双轴视频云台结构，包括固定底盘、转盘、相机支架、第一驱动机构和第二驱动机构，其利用第一驱动机构和第二驱动机构分别控制转盘和连接支架摆动实现摄像头在两个垂直轴方向上的旋转运动。
4.一方面，现有的云台结构为了实现两个方向的旋转，往往采用两个相互垂直的无刷电机或者伺服舵机组合形式，在结构上需要更大的空间，因此无法小型化；另一方面，与摄像头直接相连的第一旋转机构，往往受第二旋转机构的驱动，因此第一传动机构电机的连接线需要随摄像头一起转动，无法实现连续旋转。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种无人机两轴云台及其控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，有效减小了传统云台的体积，提高了云台控制的灵活性。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供了一种无人机两轴云台，包括支架、摄像头、上层驱动结构、下层驱动结构和导电滑环，所述摄像头设置在所述支架上，所述摄像头与所述支架转动连接，所述上层驱动结构驱动所述摄像头围绕第一轴线转动，所述摄像头的导线和所述上层驱动结构的导线均与所述导电滑环连接，所述导电滑环的旋转端与所述下层驱动结构、所述支架连接，所述下层驱动结构驱动所述摄像头围绕第二轴线转动，所述上层驱动结构和所述下层驱动结构均水平设置，所述第一轴线与所述第二轴线垂直。
8.优选地，还包括摄像头套、输出齿轮和上层齿轮，所述上层驱动结构设置在所述摄像头套上，所述摄像头与所述摄像头套连接，所述上层齿轮与所述支架连接，所述输出齿轮套设在所述上层驱动结构的输出轴上，所述输出齿轮与所述上层齿轮啮合，所述上层驱动结构驱动所述输出齿轮转动，进而带动所述摄像头和所述摄像头套围绕所述第一轴线转动。
9.优选地，所述摄像头套上设置有第一通孔，所述上层驱动结构的机身与所述摄像头套连接，所述上层驱动结构的输出轴穿过所述第一通孔；所述摄像头套的两侧分别设置有第二通孔，所述摄像头的两侧分别设置有与所述第二通孔对应的连接孔，所述支架上设
置有与所述第二通孔对应的安装孔，各所述安装孔内设置有一第一轴承，螺丝依次穿过所述第一轴承、所述上层齿轮、所述第二通孔与所述连接孔，所述摄像头套和所述摄像头均通过所述第一轴承与所述支架转动连接。
10.优选地，还包括转盘和底盘，所述转盘设置在所述底盘上方，且所述转盘与所述底盘转动连接，所述支架设置在所述转盘上，所述下层驱动结构和所述导电滑环的固定端均设置在所述底盘上，所述导电滑环的旋转端与所述转盘连接，所述转盘上开设有用于所述摄像头的导线和所述上层驱动结构的导线穿过的线孔。
11.优选地，还包括蜗杆、下层齿轮和驱动齿轮，所述蜗杆设置在所述下层驱动结构的输出轴，所述下层齿轮设置在所述底盘上，所述驱动齿轮套设在所述导电滑环的旋转端，所述蜗杆与所述下层齿轮啮合，所述下层齿轮与所述驱动齿轮啮合，所述下层驱动结构驱动所述蜗杆转动，进而带动所述下层齿轮、所述驱动齿轮、所述导电滑环和所述摄像头围绕所述第二轴线转动。
12.优选地，所述底盘的底部设置有固定孔，所述导电滑环的固定端设置在所述固定孔中；所述底盘的侧壁开设有用于图传天线通过的图传天线通过孔；所述下层驱动结构设置在所述底盘上的卡座上，所述下层齿轮与所述底盘上的安装座转动连接。
13.优选地，所述上层驱动结构和所述下层驱动结构均为减速步进电机。
14.优选地，还包括下层电路板，所述下层电路板包括信号转换模块和图传模块，所述信号转换模块设置有pwm1输入端、pwm2输入端、v输入端、g输入端、a+输出端、a-输出端、b+输出端、b-输出端、c+输出端、c-输出端、d+输出端和d-输出端，所述图传模块设置有v输出端、g输出端和s输出端，所述图传模块的v输出端、g输出端和s输出端通过所述导电滑环与所述摄像头连接，所述信号转换模块的a+输出端、a-输出端、b+输出端和b-输出端通过所述导电滑环与所述上层驱动结构连接，所述信号转换模块的c+输出端、c-输出端、d+输出端和d-输出端与所述下层驱动结构连接。
15.优选地，所述信号转换模块包括主控芯片和两个驱动芯片，所述主控芯片通过两个io端口分别接收pwm1和pwm2信号，pwm1和pwm2信号通过信号转换程序后，分别经一所述驱动芯片驱动所述上层驱动结构和所述下层驱动结构。
16.本发明还提供了一种所述的无人机两轴云台的控制方法，包括以下步骤：
17.由接收机输出的pwm1信号作为输入信号连接至主控芯片的io1端口；
18.判断pwm1-1500的符号，若为正，则配置主控芯片的io2端口dir1＝1，反之，输出dir1＝0；
19.选取比例系数k1，配置主控芯片的io3端口输出方波信号step1，其频率由k1|pwm1-1500|决定；
20.将io2端口与io3端口分别连接至一驱动芯片的dir1和step1端口；
21.一驱动芯片将输入的dir1和step1信号转换为a+、a-、b+、b-，并通过导电滑环连接至下层驱动结构；
22.同时，由接收机输出的pwm2信号作为输入信号连接至主控芯片的io4端口；
23.判断pwm2-1500的符号，若为正，则配置主控芯片的io5端口dir2＝1，反之，输出dir2＝0；
24.选取比例系数k2，配置主控芯片的io6端口输出方波信号step2，其频率由k2|
pwm2-1500|决定；
25.将io5端口与io6端口分别连接至另一驱动芯片的dir2和step2端口；
26.另一驱动芯片将输入的dir2和step2信号转换为c+、c-、d+、d-，连接至下层驱动结构。
27.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
28.本发明避免了传统云台需要两个电机垂直排布的布局方式，大大减少了云台体积；采用本发明的电路连线方式，可以使摄像头实现360度无死角旋转，且没有限位可以无限连续绕导电滑环的轴线旋转。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明的无人机两轴云台示意图；
31.图2为本发明的无人机两轴云台示意图(去除底盘)；
32.图3为本发明的转盘上部个结构示意图一；
33.图4为本发明的转盘上部个结构示意图二；
34.图5为图4的爆炸图；
35.图6为本发明的上层驱动结构、摄像头套和摄像头爆炸图；
36.图7为本发明的转盘、导电滑环和驱动齿轮结构示意图；
37.图8为本发明的底盘内部各结构示意图；
38.图9为本发明的下层驱动结构、导电滑环、下层齿轮和驱动齿轮结构示意图；
39.图10为本发明的图传模块、信号转换模块、导电滑环、摄像头、上层驱动结构和下层驱动结构控制关系示意图；
40.其中：100-无人机两轴云台；1-摄像头，101-连接孔；2-摄像头套，201-第二通孔，202-第一通孔；3-支架；4-第一轴承；5-螺丝；6-上层齿轮；7-转盘，701-线孔；8-上层驱动结构；9-导电滑环；10-驱动齿轮；11-下层齿轮；12-第二轴承；13-下层驱动结构；14-底盘，1401-安装座，1402-卡座，1403-固定孔，1404-图传天线通过孔。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本发明的目的是提供一种无人机两轴云台及其控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，有效减小了传统云台的体积，提高了云台控制的灵活性。
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
44.实施例一
45.如图1-图10所示：本实施例提供了一种无人机两轴云台100，包括支架3、摄像头1、上层驱动结构8、下层驱动结构13和导电滑环9，摄像头1优选fpv摄像头，摄像头1设置在支架3上，摄像头1与支架3转动连接，上层驱动结构8驱动摄像头1围绕第一轴线转动，摄像头1的导线和上层驱动结构8的导线均与导电滑环9连接，导电滑环9的旋转端与下层驱动结构13、支架3连接，下层驱动结构13驱动摄像头1围绕第二轴线转动，上层驱动结构8和下层驱动结构13均水平设置，第一轴线与第二轴线垂直。
46.具体地，本实施例中，还包括摄像头套2、输出齿轮和上层齿轮6，上层驱动结构8设置在摄像头套2上，摄像头1与摄像头套2连接，上层齿轮6与支架3连接，输出齿轮套设在上层驱动结构8的输出轴远离上层驱动结构8的机身的一端，输出齿轮与上层齿轮6啮合，上层驱动结构8驱动输出齿轮转动，进而带动摄像头1和摄像头套2围绕第一轴线转动。
47.本实施例中，摄像头套2上设置有第一通孔202，上层驱动结构8的机身与摄像头套2连接，上层驱动结构8的输出轴穿过第一通孔202且上层驱动结构8的输出轴与摄像头套2转动连接；摄像头套2的两侧分别设置有第二通孔201，摄像头1的两侧分别设置有与第二通孔201对应的连接孔101，支架3上设置有与第二通孔201对应的安装孔，各安装孔内设置有一第一轴承4，第一轴承4、上层齿轮6、第二通孔201与连接孔101同轴设置，螺丝5依次穿过第一轴承4、上层齿轮6、第二通孔201与连接孔101，且螺丝5与连接孔101螺纹连接，摄像头套2和摄像头1均通过第一轴承4与支架3转动连接。
48.本实施例中，还包括转盘7和底盘14，转盘7设置在底盘14上方，且转盘7与底盘14转动连接，支架3的下端设置在转盘7上，下层驱动结构13设置在底盘14上的卡座1402上且与卡座1402固定连接，底盘14的底部设置有固定孔1403，导电滑环9的固定端设置在固定孔1403中且与固定孔1403同轴紧配连接，导电滑环9的旋转端与转盘7的下表面的轴套同轴紧配连接，转盘7上开设有用于摄像头1的三根导线和上层驱动结构8的四根导线穿过的线孔701，底盘14的侧壁开设有用于图传天线通过的图传天线通过孔1404。
49.本实施例中，还包括蜗杆、下层齿轮11和驱动齿轮10，蜗杆设置在下层驱动结构13的输出轴，下层齿轮11设置在底盘14上，且下层齿轮11与底盘14上的安装座1401通过第二轴承12转动连接，驱动齿轮10套设在导电滑环9的旋转端且与导电滑环9的旋转端同轴紧配连接，蜗杆与下层齿轮11啮合，下层齿轮11与驱动齿轮10啮合，下层驱动结构13驱动蜗杆转动，进而带动下层齿轮11、驱动齿轮10、导电滑环9和摄像头1围绕第二轴线转动。
50.本实施例中，上层驱动结构8和下层驱动结构13均为减速步进电机。
51.本实施例中，还包括下层电路板，下层电路板包括信号转换模块和图传模块，信号转换模块设置有pwm1输入端、pwm2输入端、v输入端、g输入端、a+输出端、a-输出端、b+输出端、b-输出端、c+输出端、c-输出端、d+输出端和d-输出端，图传模块设置有v输出端、g输出端和s输出端，图传模块的v输出端、g输出端和s输出端通过导电滑环9与摄像头1连接，信号转换模块的a+输出端、a-输出端、b+输出端和b-输出端通过导电滑环9与上层驱动结构8连接，信号转换模块的c+输出端、c-输出端、d+输出端和d-输出端与下层驱动结构13连接。
52.本实施例中，信号转换模块包括主控芯片和两个驱动芯片，主控芯片优选stm32主控芯片，驱动芯片优选tmc2209驱动芯片，stm32主控芯片通过两个io端口分别接收pwm1和pwm2信号，pwm1和pwm2信号通过信号转换程序后，分别经一tmc2209驱动芯片驱动上层驱动
结构8和下层驱动结构13。
53.工作时，接收机输出pwm1信号经信号转换模块，得到a+、a-、b+、b-四路信号，经导电滑环9连接至上层驱动结构8，驱动上层驱动结构8转动，其转动方向由pwm1-1500的符号决定，转动速度由k1|pwm1-1500|决定。上层驱动结构8的输出齿轮通过上层齿轮6配合驱动摄像头1绕上层齿轮6的轴线(第一轴线)旋转。
54.接收机输出pwm2信号经信号转换模块，得到c+、c-、d+、d-四路信号，连接至下层驱动结构13，驱动下层驱动结构13转动，其转动方向由pwm2-1500的符号决定，转动速度由k2|pwm2-1500|决定。下层驱动结构13的蜗杆驱动下层齿轮11转动，下层齿轮11驱动驱动齿轮10转动，驱动齿轮10带动导电滑环9转动，导电滑环9带动转盘7旋转，转盘7通过支架3带动摄像头1绕导电滑环9的轴线(第二轴线)旋转。
55.本实施例的无人机两轴云台100的体积小于38mm*38mm*38mm，重量小于15g，适用于14mm/19mmfpv摄像头；本实施例避免了传统云台需要两个电机垂直排布的布局方式，大大减少了云台体积；采用本实施例的电路连线方式，可以使摄像头1实现360度无死角旋转，且没有限位可以无限连续绕导电滑环9轴线旋转。
56.本实施例采用微型减速步进电机，利用减速组、蜗杆传动方式实现两轴方向旋转，而不用将电机垂直摆放，同时利用导电滑环实现上层驱动结构的连续旋转，缩小体积的同时，提高了云台的灵活性。
57.实施例二
58.本实施例提供了一种实施例一无人机两轴云台100的控制方法，包括以下步骤：
59.由接收机输出的pwm1信号作为输入信号连接至stm32主控芯片的io1端口；
60.判断pwm1-1500的符号，若为正，则配置stm32主控芯片的io2端口dir1＝1，反之，输出dir1＝0；
61.选取比例系数k1，配置stm32主控芯片的io3端口输出方波信号step1，其频率由k1|pwm1-1500|决定；
62.将io2端口与io3端口分别连接至一tmc2209驱动芯片的dir1和step1端口；
63.一tmc2209驱动芯片将输入的dir1和step1信号转换为a+、a-、b+、b-，并通过导电滑环9连接至下层驱动结构13；
64.同时，由接收机输出的pwm2信号作为输入信号连接至stm32主控芯片的io4端口；
65.判断pwm2-1500的符号，若为正，则配置stm32主控芯片的io5端口dir2＝1，反之，输出dir2＝0；
66.选取比例系数k2，配置stm32主控芯片的io6端口输出方波信号step2，其频率由k2|pwm2-1500|决定；
67.将io5端口与io6端口分别连接至另一tmc2209驱动芯片的dir2和step2端口；
68.另一tmc2209驱动芯片将输入的dir2和step2信号转换为c+、c-、d+、d-，连接至下层驱动结构13。
69.本实施例中，可将pwm1和pwm2信号设置死区保护，防止无人机两轴云台100误动作。
70.采用本实施例可以实现遥控控制，也可根据齿轮减速比和程序设置的比例系数实现精确的角度控制。
71.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。