一种基于电子罗盘和微机电系统的虚拟云台的制作方法

本实用新型属于测量技术领域，涉及一种基于电子罗盘和微机电系统的虚拟云台，特别是涉及将基于测量地球磁场原理的电子罗盘技术和微机电系统(以下简称mems)技术引入传统的虚拟云台，用于测量虚拟云台的相对方位角、姿态角和摄像机镜头zoom/focus信息的装置。至少包括：虚拟云台基座、虚拟云台电路板和zoom/focus采集模块三部分。所述云台基座功能为连接固定三脚架或可移动平台，安放虚拟云台电路板并为摄像机提供安全可靠的支撑和固定，且能够通过摇杆等部件对云台进行方位角、姿态角(含俯仰角和横滚角，下同)的转动。

背景技术：

虚拟现实技术是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。它融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体技术、传感器、网络以及并行处理技术等多个信息技术分支的最新发展成果，为我们创建和体验虚拟世界提供了有力的支持，从而大大推进了计算机技术的发展。vr技术的特点在于由计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机构成的三维空间，或是把其他现实环境复制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在多种感官上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。

构建一个虚拟现实系统的基本手段和目标就是利用并集成高性能计算机软硬件及各类先进的传感器，去创建一个使参与者处于一个身临其境的沉浸感，具有完美交互能力和启发构思的信息。在硬件方面，跟踪系统作为必不可少的输入设备，用以确定参与者的头、手和身躯的位置。

在虚拟现实的基础上，又出现了增强现实和混合现实的概念。其中，增强现实技术(augmentedreality，ar)是将计算机生成的虚拟信息合成到用户感知的真实世界中的一种技术，利用实时计算摄像机影像位置及角度，通过全息投影，在镜片的显示屏幕中将虚拟世界与现实世界叠加，实现对真实世界的增加和强化。混合现实技术(mixedreality，mr)是指结合真实和虚拟世界创造新的环境和可视化三维世界，物理实体和数字对象共存、并实时相互作用，是虚拟现实技术的进一步发展。从概念来看，ar和mr并没有明显的分界线，都是将虚拟的景物放入现实的场景中。在ar的视界中，出现的虚拟场景通常都是一些二维平面信息，这些信息甚至可能和我们目前看到的事物无关，功能只是在不影响我们正常视线的情况下起到提示的作用，所以这些信息会固定在那里，无论我们看哪个方向，该信息都会显示在视野中这个固定的位置上。而mr则是将虚拟场景和现实融合在一起，只有我们看向那个方向的时候，才会看到这些虚拟场景，看向其他方向时就会有其他的信息显示出来，而且这些信息和背景的融合性更强。简单来说，虚拟信息如果跟随视线移动就是ar，如果想对于真实物品固定的就是mr。

本实用新型中所提及的虚拟云台即是一种mr输入设备。云台是安装、固定摄像机的支撑设备，一般安装在固定三脚架或可移动平台上。本实用新型中的虚拟云台是模拟参与者的头部，通过测量虚拟云台的相对方位角、姿态角和摄像机镜头zoom/focus信息获得模拟参与者头部和眼部的相关运动信息。尤其是在虚拟演播室中，要想实现将计算机制作的虚拟三维场景与摄像机现场拍摄的现实图像进行数字化实时合成、使现实画面与虚拟场景能够同步变化、达到无缝融合的效果，实时、准确、可靠地获得虚拟云台的相关数据就成了整个系统的关键环节之一。

为了清楚地说明虚拟云台方位角和姿态角的工作原理，需要对几个概念作简单的说明和定义。

(1)虚拟云台的三轴方向。在本实用新型中以虚拟云台安装的摄像机镜头的光轴方向为x轴(水平纵轴)，往前为正，往后为负；与x轴在水平方向上垂直的方向为y轴(水平横轴)，往右为正，往左为负；与x、y轴构成的水平面垂直的方向为z轴(垂直轴)，往上为正，往下为负。

(2)地磁偏角。地球本身是块大磁铁，地磁北极由地球内部的稳定磁场决定，地理北极在地球的旋转轴处，是地球上经线的汇聚处。地磁偏角就是地球南北极连线与地磁南北极连线交叉构成的夹角，本文用γ表示。根据规定，磁针指北极n向东偏则磁偏角为正，向西偏则磁偏角为负。

由于地磁极不断变动，所以地磁偏角随地点的变化而变化，即便在同一地点的地磁偏角大小也随着时间的推移而不断改变。磁偏角可以用磁偏测量仪测出来，目前已经有专门的机构将各地区的磁偏角绘制成地图，并且是考虑了各种因素在内的，可以直接查找。

(3)方位角。电子罗盘应用在载体上，地理方位角定义为载体纵轴方向在水平面上的投影与地理北极的夹角。用0°～360°范围的角度值表示。载体纵轴方向指向地理北极(正北)，地理方位角为0°，载体纵轴方向指向正东，地理方位角为90°，载体纵轴方向指向正南，地理方位角为180°，载体纵轴方向指向正西，地理方位角为270°。而载体纵轴方向在水平面上的投影与地磁北极的夹角定义为地磁方位角。本文地磁方位角用β表示，地理方位角用ψ表示。ψ＝β+γ。相对方位角，这是相对于虚拟云台的初始状态而言的，虚拟云台复位时(含上电复位和人工复位，下同)的相对方位角为0°，俯视虚拟云台时顺时针方向为正，逆时针方向为负，范围分别为0～180°以及0～-180°。

(4)姿态角。电子罗盘中不可缺少的一部分是对载体倾斜姿态的测量，它是动态测量中非常重要的一个方面。姿态角包括两部分：俯仰角和横滚角。以水平面为基准，电子罗盘系统载体的纵轴方向与其在水平面投影的夹角称为俯仰角，用φ表示，本文中规定上仰力正，下俯为负；罗盘平面上与横轴方向与其在水平面投影的夹角称为横滚角，用θ表示，本文中规定右转为正，左转为负。

(5)初始状态。指虚拟云台复位时状态。在该状态时相对方位角和姿态角均清零，在虚拟云台复位之前，均需人工将虚拟云台调整至呈与水平面平行状态，并将虚拟云台的方位角转至欲拍摄画面的正中方向。

技术实现要素：

目前测量虚拟云台方位角、姿态角的相关技术主要有两种：

1、利用传统的旋转编码器，通过使用机械传动装置将云台的方位角、姿态角的运动转化为相对应的旋转编码器的角度变化，通过测量相关旋转编码器的角度获得虚拟云台的方位角和姿态角的信息。这也是目前世界上绝大多数虚拟云台所采用的方案。

2、利用摄像机及计算机图形处理的方案。通过配套的摄像机对粘贴在天花板上的众多标签进行图像采集，并由计算机对采集到的图像中标签位置的变化进行运算，从而得到虚拟云台的相关位置及方位角、姿态角信息。传统的编码器方案由于要进行比较精密的机械加工且对装配工艺要求较高，因此制造成本较高，制造周期较长、有机械磨损，可靠性较低。摄像机及计算机图形处理的方案也存在成本较高、精度较低、可靠性较低等问题。因此市场需要一种制造简单、成本较低、精度较高、运行可靠的虚拟云台。

本实用新型的目的在于提供一种基于电子罗盘和mems的摄像机云台相对方位角和姿态角以及镜头zoom/focus数据同步测量装置。充分使用电子部件来替代、简化、增强、综合机械部件。提高虚拟云台系统的性价比和可靠性、可有效降低系统的维护工作量和成本。

实现本实用新型的技术解决方案为：至少包括：虚拟云台基座、虚拟云台电路板和zoom/focus采集模块三部分，所述云台基座功能为连接固定三脚架或可移动平台，安放虚拟云台电路板并为摄像机提供安全可靠的支撑和固定，且能够通过摇杆等部件对云台进行方位角、姿态角的转动，所述的虚拟云台电路板包含了姿态角测量电路、由x轴、y轴和z轴构成的三轴地磁测量电路、电源电路、信号处理电路、视频场同步分离芯片、复位按键、led指示灯或lcd显示屏等部分。

姿态角测量电路采用mems传感器配合相应的信号调理电路。

三轴地磁测量电路使用安装在虚拟云台电路板上的平行于三轴上的地磁传感器及其配套信号调理电路测量出水平面上三个轴上的磁场强度分量。

电源电路使用安装在虚拟云台电路板上的相关ac/dc或dc/dc芯片及其外围电阻、电容、电感等零件将外部输入的直流或交流电源转变为虚拟云台内部工作所需要的相应电压直流电源的电路。

zoom/focus采集模块包含传动齿轮、安装支架及旋转编码器，安装在摄像机镜头上，通过两组齿轮，分别将摄像机镜头的zoom/focus转动传递给相应的旋转编码器，测量摄像机镜头的zoom/focus数据。

通过视频场同步分离芯片将场同步信号提取出来，并以场同步信号同步采样并输出虚拟云台相对方位角、姿态角以及摄像机镜头的zoom/focus数据给数字化视频合成计算机。

复位按键是安装在虚拟云台电路板上，用于给虚拟云台人工复位，将相对方位角、姿态角清零。

led指示灯或lcd显示屏安装在虚拟云台电路板上，led指示灯用于指示当前设备的工作状态、lcd显示屏用于指示当前设备的工作状态及数据信息。

附图说明

图1是本实用新型的电路部分总体框图。

地磁场数据测量按其测量磁场的传感器种类的不同，目前市场上销售的电子罗盘可分为以下有三种：磁通门式电子罗盘、霍尔效应式电子罗盘和磁阻效应式电子罗盘。

横滚角测量电路和俯仰角测量电路的原理相同。均采用mems传感器配合相应的信号调理电路。根据被测量的物理量分为mems角度传感器(或称倾角传感器)、mems角速度传感器、mems角加速度传感器。根据所选择传感器的不同，相应的信号调理电路也不同。如果在本实用新型中使用角度传感器测量姿态角，如输出为电压型，则相应的信号调理电路主要为电压比例放大电路。如使用mems角速度传感器或mems角加速度传感器测量横滚角和俯仰角，需使用电压输出类型的传感器，角速度传感器通常需使用一次积分电路将角速度信号转变为角度信号，角加速度传感器通常使用二次积分电路将角加速度信号转变为角度信号，同时需要搭配相应的电压复位按键电路用于在云台处于初始状态时将积分电路的输出电压清零，如有需要也可以搭配相关的电压比例放大电路。

关于信息处理电路方面，本实用新型的信息处理电路的核心包括但不限于cpu、fpga或dsp等具有信息处理功能的部件。姿态角和地磁测量电路均为模拟电压输出，因此在信息处理方面均采用adc采样后送cpu、fpga或dsp等处理核心部件。镜头zoom/focus传感器选用增量值旋转编码器或绝对值旋转编码器，如使用增量值旋转编码器则可将编码器a、b相信号输入硬件正交计数器芯片计数后送往cpu、fpga或dsp等处理核心部件或直接将编码器a、b相信号连接cpu、fpga或dsp等处理核心部件的外部中断输入引脚由软件进行编码器计数，如使用绝对值旋转编码器，则将编码器输出信号接至cpu、fpga或dsp等处理核心部件的输入引脚供读取。

电源电路是将外部输入的直流或交流电源转变为虚拟云台内部工作所需要的相应电压直流电源的电路。

led指示灯用于指示当前设备的工作状态、lcd显示屏用于指示当前设备的工作状态及数据信息。

具体实施方式

使用安装在虚拟云台内平行于x、y、z轴上的包括但不限于磁通门式、霍尔效应式和磁阻效应式地磁传感器及其配套信号调理电路测量出水平面上三个轴上的磁场强度分量hx、hy和hz，同时使用安装在虚拟云台内平行于x、y轴上的mems及其信号调理电路测量出俯仰角φ和横滚角θ，根据下列公式可计算得到地球坐标系下磁场强度hx^*和hy^*：

hx^*＝hx*cosφ+hy*sinθ*sinφ-hz*cosθ*sinφ(公式1)

hy^*＝hy*cosθ+hz*sinθ(公式2)

再根据公式计算出地磁方位角β：

β＝arctan(hy^*/hx^*)(公式3)

考虑到反正切函数的值域β∈[-90°，90°]，且使地磁方位角在0°-360°的范围表示，根据(公式1)、(公式2)、(公式3)，以及对罗盘坐标系和水平坐标系变换的分析，各坐标轴和不同的象限内β的值分别为：

(1)当hx^*＞0，hy^*＝0时，β＝0°；(公式4)

(2)当hx^*＝0，hy^*＜0时，β＝90°；(公式5)

(3)当hx^*＜0，hy^*＝0时，β＝180°；(公式6)

(4)当hx^*＝0，hy^*＞0时，β＝270°；(公式7)

(5)当hx^*＞0，hy^*＜0时，β＝-arctanhy^*/hx^*；(公式8)

(6)当hx^*＜0时，β＝180°-arctanhy^*/hx^*；(公式9)

(7)当hx^*＞0，hy^*＞0时，β＝360°-arctanhy^*/hx^*；(公式10)

根据上式算出的地磁方位角，只需加上当地的地磁偏角(可通过查询相关磁偏角地图或使用磁偏测量仪测量出来，并通过串口输入/输出端口将该信息提供给信息处理电路)即可求得此时的地理方位角。根据虚拟云台的初始状态时的地理方位角和此时的地理方位角，计算出虚拟云台相对方位角。

使用安装在摄像机镜头上的zoom/focus采集模块(含传动齿轮、安装支架及旋转编码器)测量摄像机镜头的zoom/focus数据。

通过视频场同步分离芯片将场同步信号提取出来，并以场同步信号同步采样并输出上面提到的三组测量数据(虚拟云台相对方位角、虚拟云台姿态角以及摄像机镜头的zoom/focus数据)给数字化视频合成计算机。