专利名称：航拍摄像机用稳定支架的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种在直升机、轻型飞机或无人机上航拍的摄像 机用的稳定支架。
背景技术：
通过空中俯瞰，是目前电视台、勘察部门等常常采用的一种工作 方式，都需要用高性能的摄像机来对地面景物拍摄，即航拍。由摄像 师从机舱内探出身、手持摄像机是十分危险的；即使将摄像机固定在 直升机、轻型飞机或无人机上，由于飞机的发动机工作会带来振动， 将降低图像的分辨率，严重影响摄像机拍摄图像的质量，或者是图像 晃动严重，会使观看图像的人眼花、甚至头晕。因此，能使航拍摄像 机不随飞机机身晃动的支架是很有必要的。
目前能使飞机装载的摄像机等系统不晃的装置在军事领域有不 少应用的实例。如美困FLIR SYSTEMS公司的ULTRAMEDIA III系列适 合直升机安装使用的球形光电吊舱，采用五个轴的陀螺稳定，转动范 围在俯仰方向是+15° 105°、方位方向是连续360° ;其UltraFORCE II
系列直升机球形光电吊舱，是四个轴的陀螺稳定，俯仰方向转动范围 是十20° -105°;还有Ultra系列、Star SAFIRE系列、BRJTE Star、 STAR—Q直升机球形吊舱、MicrosTAR II无人机球形吊舱。美国 Lockheed Maitin公司的Arrowhead系列吊舱也是直升机适用的吊舱， 横躺的桶状外形，也是具有陀螺稳定机构的光电吊舱；其TSS型光电跟踪系统是在直升机上安装使用的球形吊舱，也有稳定机构。以色列
elop和Elbit公司联合研制的細SPS吊舱与美国的Arrowhead吊舱 类似，CMPASS系列吊舱则是稳定的、球形的光电吊舱，有适合无人 机的型号。以色列IAI公司Tamam分部的POP吊舱是无人机使用的球 形光电吊舱。这些光电吊舱设计成封闭的球形或桶形，内部一般包含 电视摄像机、热像仪、激光测距机等传感器，有陀螺器件和电子学组 件，通过手柄控制，使其能够水上下、左右转动，瞄准某个目标，用 于引导或控制武器打击敌目标。这些光电吊舱的传感器用于战场上发 现目标和识别目标，根据作战的需要， 一般是追求更远的作用距离， 传感器的分辨能力只要能够分辨出是敌方目标就可以了。按照光电技 术理论的约翰逊原则，也就是目标的图像只需要有四个线对就可以 了，因此这些军用的光电吊舱中的摄像机一般是黑白的，其分辨率要 大大低于电视台等使用的广播级的摄像机，但是体积较小、重量较轻， 便于吊舱内安装其它夜视、测距等用途的传感器。考虑到飞机在战场 上的快速飞行情况，以及对其中夜视仪等贵重设备的保护，这些军用 光电吊舱就设计成风阻较小的球形或有圆角的桶形，密闭结构。因为 负载多，要在旋转等动态情况下也密封，所以其旋转运动的电机等器 件的负载能力等性能也高，加上军用夜视设备等对恶劣环境适应性的 要求，使得元器件选用级别高，军用光电吊舱的成本很高。
由于军用光电吊舱不是为一般摄像来设计的，其摄像性能大大低 于广播级的摄像机，而整个吊舱的价格、甚至一些部件的价格又大大 高于电视台的摄像机，所以，将上述军用光电吊舱用于电视航拍或勘察航拍等用途是不合适的。 .
因此，有必要设计和制造一种既能够满足电视、勘察等航拍的图 像重量，又能够具有如军用光电吊舱那样隔离振动的稳定装置。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种航拍摄像机用稳定支架，避免一般 电视台手持或固定支架在航拍情况下的晃动等问题，同时也可以避免 借助军用固定吊舱来航拍所带来的图像质量不满足广播级要求、且成 本过高、负载过大的问题，对传统广播级摄像机固定适用，又能够具 有陀螺稳定能力，能够在直升机、轻型飞机或无人机上安装使用的支 架。
本实用新型的目的是通过如下措施来达到， 一种航拍摄像机用稳 定支架，包括支架主体、传输线揽和遥控终端，其中支架主体由方位 转台和俯仰托架组成，其特征是俯仰托架悬挂在方位挂架上，方位挂 架与其上的方位转台机械连接，托架体通过同轴安装的两组轴承、一 个横滚电机与俯仰托架连接，摄像机安装在托架体上的过渡组件上， 方位转台上有连接机构，可以与飞机挂架刚性固定，方位转台上的电 缆与飞机机舱内的遥控终端连接，陀螺组件安装在托架体底部。
在俯仰托架的下部有可以相对侧面部件俯仰转动的水平部件，侧
面部件与水平部件之间有俯仰电机、俯仰轴承、俯仰角度敏感器件； 水平部件上安装有横滚台架，横滚台架上安装有反映三轴特性的陀 螺、横滚电机、横滚轴承、托架体、过渡组件。
在水平部件绕侧面部件的俯仰旋转轴、横滚台架绕水平部件的横滚旋转轴与俯仰托架绕方位转台的方位旋转轴互为正交。
本实用新型的航拍摄像机稳定支架，与传统的手持或一般固定方 式摄像相比，具有隔离飞机振动影响的优势；对摄像师来说，通过遥
控操作也更加安全。与军用光电吊舱相比，是专门为电视台等需要广 播级视频图像性能的用户设计的，直接配置广播级摄像机，摄像性能 好；而且不必考虑军用产品所需的昼夜通用、各种恶劣天气下使用等 要求， 一般选用大大低于军品级价格的工业级元器件，设计负载也较
小，成本相对会较低；采用了可以上下、前后调节的台架过渡组件， 能够与多种广播级电视摄像机配合固定，满足不同用户的需要；该支 架也可以选配体积一般小于广播级摄像机的家用、安防或工业级的摄 像机，安装在飞机或升降桅杆上，实现其它需要稳定拍摄的应用。
图1是本实用新型支架主体的侧视图。 图2是本实用新型支架主体的前视图。
具体实施方式
航拍稳定支架是由方位转台6和俯仰托架4构成的支架主体、传 输线缆、遥控终端等部分组成。航拍稳定支架的支架主体(方位转台 6、俯仰托架4)和摄像机1组合安装在一起，通过方位转台基座与飞 机固定， 一般挂在飞机机腹、或飞机挂架7下；对于直升机、轻型飞 机等有人飞机来说，传输线缆直接连接遥控终端和支架主体，遥控终 端安装在飞机舱内，由摄像师操作，能够遥控控制支架旋转、俯仰运 动；对于无人机，传输线缆与无人机的视频、数据双向传输机连接，遥控终端安装在无人机地面控制站上，也连接其传输设备，也可以远 距离遥控支架主体方位、俯仰转动。
方位转台6有方位电机、方位角度敏感器件、方位轴承、方位壳 体、电子箱、电气接口等部件，能够绕方位轴旋转。
俯仰托架4下挂固定在方位转台6上，随方位转台6转动。俯仰 托架4有侧面部件、水平部件、横滚台架、俯仰电机、俯仰轴承、俯 仰角度敏感器件、反映三轴特性的陀螺、托架体3、过渡组件2等。 俯仰托架4的下部有可以相对侧面部件俯仰转动的水平部件，侧面部 件与水平部件之间有俯仰电机、俯仰轴承、俯仰角度敏感器件；水平 部件上安装有横滚台架，横滚台架上安装反映三轴特性的陀螺、横滚 电机、横滚轴承、托架体、过渡组件2等。
水平部件绕侧面部件的俯仰旋转轴、横滚台架绕水平部件的横滚 旋转轴与俯仰托架绕方位转台的方位旋转轴互为正交。摄像机1安装 在托架体上的过渡组件2上，能够在控制指令下绕方位轴承、俯仰轴 承、横滚轴承分别或同时旋转。
传输线缆向支架主体传输来自遥控终端的控制指令；向遥控终端 传输来自支架主体上摄像机的视频信号和支架的姿态等信息。
遥控终端包括遥控手柄、供电接口、显示器接口、控制电子箱等 部件。
如图1和图2所示，摄像机1安装在过渡组件2上，可以拆卸， 但安装后相互不能运动，过渡组件2根据不同型号的摄像机选择不同 的高度和连接孔位置，以便摄像机l安装后，整个支架主体的重心位置尽可能少的变动；过渡组件2与托架体3连接，相互之间也不能运 动；托架体3通过同轴安装的两组轴承、 一个横滚电机与俯仰托架4 连接，可以在横滚电机的驱动下绕该轴(图2下部虚线所示)旋转，使 摄像机1绕其拍摄轴线横滚运动，运动幅度受摄像机1外壳尺寸与俯 仰托架4之间的间隙限制，轴上有一个旋转变压器测量横滚位置俯 仰托架4悬挂在方位挂架5上，连接位置(图1中部)也安装有轴承和 一个俯仰电机，俯仰托架4可以在俯仰电机驱动下绕方位挂架5旋转， 使摄像机1绕其拍摄轴线俯仰运动，运动幅度受摄像机1上部外壳与 方位挂架5之间的间隔限制，轴上有一个旋转变压器测量俯仰位置； 方位挂架5与其上部的方位转台6机械连接，有一组轴承和一个方位 电机，通过控制方位电机，可以使方位挂架5及其连接的俯仰托架4、 托架体3、摄像机l等一起绕方位轴转动，有一个旋转变压器测量方 位位置。方位转台6上有连接机构，可以与飞机挂架7刚性固定。陀 螺组件8安装在托架体3底部。方位转台6上的电缆与飞机机舱内的 遥控终端连接。
当飞机振动引起摄像机1方位运动时，与摄像机1固定连接的托 架体3也会有同样的运动，其上的陀螺会敏感到托架体3上的扰动信 号，向控制处理器传输信号，控制处理器经过处理后，向方位电机发 出控制信号，经过功率放大电路后，驱动方位电机，反向旋转，直到 消除该扰动的影响，即稳定了摄像机1及其托架体3。同样道理，当 飞机引起俯仰或横滚反向的扰动，伺服系统将控制俯仰电机或横滚电 机反向旋转，直到抵消扰动的影响。从而使摄像机1稳定在惯性空间内。控制系统的软件由计算机语言编程。
当飞机上的摄像师或无人机控制站的摄像师要操控摄像机1作 方位旋转时.发出的控制指令首先到达控制处理器，由控制处理器处 理后，向方位电机提供指令，再经过功率放大电路后，驱动方位电机 旋转指定的角度，实现控制。同样道理，摄像师可以控制摄像机l作 '附1叩々w T貝7农松"J ， iiA 7两疋扱用/艾的需要。
摄像师操控摄像机的变倍、光圈等与支架主体无关的信息时，提 供传输电缆直接传递到摄像机上，实现拍摄控制。
伺服控制电路和功率放大电路等安装在遥控终端内。与三个轴的 陀螺和电机通过线缆连接。
陀螺可以是多个单轴的或者一个多轴的陀螺，可以用挠性陀螺、 液浮陀螺、光纤陀螺、激光陀螺或硅陀螺。伺服方式可以采用模拟的 或数字的系统。
航拍摄像机稳定支架调试后保持摄像机相对大地水平面平行，飞 机运动后当摄像机偏离水平面时，对三个轴的运动敏感的陀螺器件会 测量出偏离量，然后自动将偏离量传送到方位转台内的电子箱处理电 路，然后计算后给发生偏离的那个轴上的电机发出方向旋转指令，使 其回到原轴线位置，实现稳定。每个轴的稳定控制原理和流程相同。 从而保持摄像机保持一直与地平线平行。该支架主体是一种三轴稳定 的。
当摄像师用手柄控制支架主体上的摄像机转动时，通过手柄输出 某个轴的偏移量，电子箱处理后传输到支架主体上的那个轴的电机，200820221822.2使其旋转，通过方位或俯仰角度敏感器件和陀螺结合，实时检测、比 较，判断电机是否旋转到位，没有就继续驱动，直到与所给出的位置 符合。从而实现遥控。方位和俯仰轴的控制原理和流程基本相同，横 滚旋转由陀螺、横滚电机、轴承自动驱动，保持横滚轴与初始调试状 态不变。
这种摄像机稳定支架倒过来安装在桅杆项部时，摄像机必须反过
来安装，保持图像不会倒转；同时，俯仰旋转的限位设置(有机械和
电气两种控制方式)要相应变化，以适应对俯视摄像的要求。
对于不考虑摄像机横滚影响的情况，上述机构可以去掉横滚台架 部分，相应简化一个敏感横滚旋转的陀螺、及其电机、电子箱部件， 简化为只有方位旋转和俯仰旋转、能两轴稳定的支架主体。
本实用新型的一个实例是三轴稳定的支架方案。摄像机是SONY 3CCDHDV DVCAM摄像机。方位电机选用J180LY006永磁直流力矩电动 机，峰值堵转转矩为20Nm，连续堵转转矩达11Nm，配1个ZYS 718 系列150型角接触球轴承。俯仰电机采用J75LYX01永磁直流力矩电 动机，峰值堵转转矩2Nm，连续堵转转矩1Nm，配两个ZYS 718系列 60型角接触球轴承。横滚电机采用60LY013永磁直流力矩电动机， 峰值堵转转矩0. 75Nm，连续堵转转矩0.4Nm，配两个ZYS 718系列 45型角接触球轴承。陀螺为3个F70M—M光纤陀螺仪，正交安装， 与三个旋转轴反向一致。陀螺的零偏稳定性〈0.27hr(lcO，动态范 围士3007s，带宽》200Hz。方位旋变传感器采用J65XFS001，俯仰和 横滚旋变传感器采用78XFD004。选用TMS320F2812芯片做为伺服控制系统的处理器。
该稳定支架的方位稳定精度0.25mrad(350度范围)，俯仰、横滚 稳定精度0. 2mmd。航拍摄像机稳定支架方位控制范围土175"，俯仰控 制范围-60° +5('，横滚控制范围士8(T。
本实用新型的另一个实例是两轴稳定的支架方案。不考虑摄像机 横滚影响的情况，将托架体3与俯仰托架4固定连接，不含轴承和电 机。陀螺为一个两轴挠性陀螺，型号TNZ-2B，灵敏度《0.0057s，测 速范围07s 士807s，敏感方位和俯仰旋转。摄像机、电机、轴承、 旋变传感器与三轴稳定的支架方案相同。在方位轴上安装了 40环的 旋转连接器，连通支架主体与遥控终端之间的电气、信号接口，使得 摄像机稳定支架主体能够360。连续旋转。
该方案是两轴稳定的支架主体，方位稳定精度为0.22mrad，俯 仰稳定精度为0. 15mrad，方位控制范围360"Xn，俯仰控制范围-60" +5"。
权利要求1、一种航拍摄像机用稳定支架，包括支架主体、传输线揽和遥控终端，其中支架主体由方位转台(6)和俯仰托架(4)组成，其特征是俯仰托架(4)悬挂在方位挂架(5)上，方位挂架(5)与其上的方位转台(6)机械连接，托架体(3)通过同轴安装的两组轴承、一个横滚电机与俯仰托架(4)连接，摄像机(1)安装在托架体上的过渡组件(2)上，方位转台(6)上有连接机构，可以与飞机挂架(7)刚性固定，方位转台(6)上的电缆与飞机机舱内的遥控终端连接，陀螺组件(8)安装在托架体(3)底部。
2、 如权利要求1所述的一种航拍摄像机用稳定支架，其特征是所述 的俯仰托架(4)的下部有可以相对侧面部件俯仰转动的水平部件，侧 面部件与水平部件之间有俯仰电机、俯仰轴承、俯仰角度敏感器件； 水平部件上安装有横滚台架，横滚台架上安装有反映三轴特性的陀螺 组件(8)、横滚电机、横滚轴承、托架体(3)和过渡组件(2)。
3、 如权利要求2所述的一种航拍摄像机用稳定支架，其特征是所述 的水平部件绕侧面部件的俯仰旋转轴、横滚台架绕水平部件的横滚旋 转轴与俯仰托架绕方位转台的方位旋转轴互为正交。
专利摘要本实用新型提供一种航拍摄像机用稳定支架，包括支架主体、传输线揽和遥控终端，其中支架主体由方位转台和俯仰托架组成，其特征是俯仰托架悬挂在方位挂架上，方位挂架与其上的方位转台机械连接，托架体通过同轴安装的两组轴承、一个横滚电机与俯仰托架连接，摄像机安装在托架体上的过渡组件上，方位转台上有连接机构，可以与飞机挂架刚性固定，方位转台上的电缆与飞机机舱内的遥控终端连接，陀螺组件安装在托架体底部。本实用新型不仅对传统广播级摄像机固定适用，又能够具有陀螺稳定能力，能够在直升机、轻型飞机或无人机上安装使用，所拍图像质量清晰稳定，成本低，负载小。
文档编号F16M11/02GK201287830SQ20082022182
公开日2009年8月12日 申请日期2008年10月14日 优先权日2008年10月14日
发明者蓬 易, 进 杨 申请人:西安展翼航空科技有限公司