CN102588718A - 一种蓝牙控制的电动全景云台及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓝牙控制的电动全景云台及控制方法，电动全景云台包括三脚架，云台主体，相机安装总成，蓝牙主机，蓝牙从机及控制电路板。云台主体由云台上盖、云台固定机体、云台连接底盘构成，云台上盖与相机安装总成固定连接，云台连接底盘与三脚架连接，云台上盖与云台固定机体分别与推力球轴承内外圈配合，云台固定机体内装有步进电机，步进电机的转轴带动云台上盖转动，步进电机与控制电路板连接，蓝牙从机嵌入到控制电路板中，接收上位机通过蓝牙主机发射的控制信号。利用步进电机精确控制旋转角度和蓝牙无线遥控的特性，提高全景拍摄的效率和质量，简化云台旋转部分的结构，降低制作难度和成本，在全景数字图像的采集中具有广泛应用价值。

Description

一种蓝牙控制的电动全景云台及控制方法

技术领域

本发明涉及数码成像设备用的辅助设备，特别涉及一种蓝牙控制的电动全景云台及控制方法，可以用于全景数字图像数据采集系统中。

背景技术

全景图像的数据采集在现代数字图像领域中的应用越来越广泛。现有的全景图像采集主要采用机械式的手动全景云台配合数字照相机来实现。这样的数据采集方式有一些不可克服的缺点和问题：首先，由人手进行云台旋转角度的设置和控制，无法很好保证精度和速度，效率和质量难以提高；其次，因为全景拍摄将会把照相机周围的景物全部采集下来，因此参与数据采集的人员很难做到自己以及自身的阴影不出现在数据采集区域的同时又能方便地控制云台和照相机。目前，也有一些电动摄像机云台，主要是安装在固定的使用地点，一般是利用涡轮蜗杆或齿轮和联轴器的方式，连接电机输出轴和云台的旋转结构部分，但这种方式云台结构比较零散，整体尺寸大，不适合经常变换场所、户外为主的摄影活动。

发明内容

本发明的目的之一是克服现有全景云台手动、机械式控制出现的问题，提供一种蓝牙控制的电动全景云台，可以稳定、高效、准确配合数字照相机采集数字图像，同时避免电机轴直接承重，保证电机转动的精度和速度，从而保证图像质量。

本发明的目的之二是克服现有全景云台的控制方法中需要近距离控制的问题，提供一种电动全景云台的蓝牙控制方法，可快速、高效、方便、远距离、无遮挡的控制云台数字照相机，进行全景采集数字图像。

为实现上述目的，本发明提供一种蓝牙控制的电动全景云台，其包括有三脚架，云台主体，相机安装总成，蓝牙主机，蓝牙从机，以及控制电路板。云台主体由云台上盖、云台固定机体、云台连接底盘构成，云台上盖与上部的相机安装总成固定连接，云台连接底盘与下部的三脚架连接，云台上盖与云台固定机体之间分别与推力球轴承内外圈配合，云台固定机体内装有步进电机，步进电机的转轴带动云台上盖转动，步进电机与控制电路板连接，蓝牙从机嵌入到控制电路板中。

进一步地，步进电机的转轴沿着轴向伸入云台上盖中央，云台上盖的侧面径向开有与云台上盖中央贯通的螺纹沉孔，螺纹沉孔内装有紧定螺钉，紧定螺钉的端部紧顶住步进电机的转轴上铣出的一段平面，步进电机的转轴通过紧定螺钉将旋转运动传递给云台上盖。

云台上盖下方的凸台与推力球轴承内圈过盈配合，云台固定机体上方的内壁与推力球轴承外圈过盈配合，云台上盖带动推力球轴承内圈旋转，云台固定机体和推力球轴承外圈保持不动，云台上盖所承受的垂直方向重力通过推力球轴承传递到云台固定机体上，再通过云台连接底盘将重力传递给三脚架。

本发明还提供电动全景云台的蓝牙控制方法，蓝牙模块包括蓝牙主机和蓝牙从机，其中，蓝牙主机作为信号发射装置，与上位机的USB接口连接，通过USB接口与上位机通信；蓝牙从机作为信号接收装置，嵌入到控制盒中的下位机中，蓝牙从机接收蓝牙主机发射的信号，控制步进电机。

蓝牙从机采用以HC-06集成模块为核心的串口模块，该串口模块的接口为TTL电平，可以直接与下位机相连，控制步进电机。

进一步地，采用了两相六线Mnebea Motor 17PM-N140-040步进电机，步进电机的驱动器采用51单片机，驱动电路以A3977SED芯片为核心，步进电机的驱动器、驱动电路与蓝牙从机集成到控制电路板中，控制电路板安装在控制盒中，控制电路板采用锂电池供电，该电池可以提供5V和12V的两种直流电压，控制电路板可以输出控制步进电机的步进信号和方向信号，从而控制步进电机的转速、转角和转向。

在上位机中设置云台所需的参数，设定云台单次旋转的角度和旋转的次数，或者设定云台总的旋转角度和分割旋转的次数、旋转速度、方向以及每次旋转之间的时间间隔，信号通过上位机上的蓝牙主机发出后，将被安装在三脚架上控制盒内的蓝牙从机接收，从而控制步进电机按照指令旋转相应的角度和次数，在每次旋转后步进电机将停顿一定时间，以便计算机软件遥控照相机进行拍摄。

上位机是计算机，下位机包括控制电路板；控制盒设置在三脚架上，蓝牙从机直接嵌入控制盒中的控制电路板。

本发明中的云台主要是用于户外活动频繁、位置变换较多的摄影活动，因此要求这个装置尽量做成一体，把电机和相关的机械部分封装成一个整体，然后能很方便的与现有的三角架相连接，便于摄影活动的开展。由于电机是直接安装在三角架和照相机之间，因此，在机械设计时重点要考虑以下因素：

1.云台和相机的重力会引起一个向下的轴向力，电机在转动时这个力不能由电机或电机轴来承担，因这个轴向力会使电机和电机轴弯曲和侧偏，影响电机转动的精度和速度，甚至会使电机轴卡死；

2.在把整个装置尽量合理地封装在一起避免零散的前提下，应尽量使结构小巧完整，同时还要控制其高度，避免整个云台头重脚轻，影响云台的稳定性和牢固性。

本发明有效地将相机和相机安装总成的重量分散在固定部件上，使步进电机及其转轴不承受任何的轴向压力，保证云台整体的稳定性和电机旋转运动的准确性。而且电动全景云台充分利用了步进电机可以精确控制旋转角度和无线遥控的特性，同时利用计算机程序设计和控制技术，提高全景拍摄的效率和质量。本发明根据全景数字拍摄的具体特点，简化了云台旋转部分的结构，降低了制作的难度和成本，在全景数字图像的采集和其它需要精确控制水平旋转运动的场合中具有广泛的应用价值。

附图说明

图1是本发明的立体示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的云台主体结构放大示意图；

图4是本发明的控制系统示意图；

图5是本发明的控制电路板原理图；

图6是本发明的蓝牙主机和蓝牙从机安装以及工作示意图；

图7是本发明的下位机程序总体流程图；

图8是本发明的上位机程序总体流程图。

附图标记：

1.云台连接底盘    2.云台固定机体    3.云台上盖    4.步进电机

5.推力球轴承              6.X方向水平滑动导轨座

7.X方向水平滑动导轨       8.Y方向水平滑动导轨

9.Y方向水平滑动导轨座    10.相机水平支架    11.垂直支架

12.相机快装板      13.云台接盘    14.三脚架    15.控制盒

16.步进电机转轴    17.紧定螺钉    18.螺纹沉孔

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参见图1-3，本发明蓝牙控制的电动全景云台包括云台主体，相机安装总成，三脚架14，控制盒15，蓝牙主机和蓝牙从机以及控制电路板。其中，云台主体由云台上盖3、云台固定机体2、云台连接底盘1构成；相机安装总成属于常规技术，包括X方向水平滑动导轨座6、X方向水平滑动导轨7、Y方向水平滑动导轨8、Y方向水平滑动导轨座9、导轨上方的相机水平支架10、垂直支架11和相机快装板12。

云台上盖3与上部的相机安装总成固定连接，云台连接底盘1与下部的三脚架14连接。在云台主体内部的驱动部分中，包括位于云台固定机体2中的步进电机4以及承受轴向力的推力球轴承5。整个云台主体通过标准的云台接盘13与三脚架14相连接。悬挂在三脚架14下的是控制盒15，控制盒15内装有蓝牙从机和步进电机驱动电路的控制电路板以及锂电池，为整个云台提供控制信号和电源。采用这种结构方式，不但有效地减少整个装置的大小和高度，而且使整个装置更加完整，便于使用。

云台上盖3与云台固定机体2之间采用推力球轴承5旋转配合，利用推力球轴承5承受云台上盖3上方所有部件的重量产生的轴向力，并将该力传递给位于云台上盖3下方的云台固定机体2，再通过云台连接底盘1和云台接盘13，最终将重力传递给三脚架14。这样的结构有效地将轴向力分散在固定部件上，使步进电机4及其输出轴不承受任何的轴向压力，保证云台整体的稳定性和电机旋转运动的准确性。

为了将步进电机转轴16输出的旋转运动传递给云台上盖3，步进电机转轴16沿着轴向伸入云台上盖3的中央，而云台上盖3的侧面径向开有与云台上盖3中央贯通的螺纹沉孔18，螺纹沉孔18内装有紧定螺钉17，步进电机转轴16上铣有一段平面，利用紧定螺钉17将该平面顶紧定位，保证紧定螺钉17与步进电机转轴16同步旋转运动，而紧定螺钉17是通过螺纹与云台上盖3相连接，最终步进电机4带动云台上盖3旋转，从而带动与云台上盖3固定连接的相机安装总成。步进电机4固定在云台固定机体2中，信号线和电源线通过云台连接底盘1的缺口与悬挂在三脚架14下的控制盒15内的控制电路板、蓝牙从机和锂电池相连接。

图4本发明的控制系统示意图，利用51单片机控制步进电机，C语言编写下位机，VB设计上位机界面，在上位机(例如：计算机)上设置云台运动所需的各种参数，由上位机上的蓝牙主机发出指令，安装在三脚架上控制盒内的蓝牙从机接收指令，从而驱动步进电机，控制云台按要求进行转动。

在本实施例中，控制云台运动的几个主要参数为：速度、每次转动之间的时间间隔、转动的方式以及转动的方向等，转动方式分为两种：方式一设定每次转动的角度和转动的次数，方式二设定转动总的角度和转动的次数。在上位机中，利用VB编写的界面程序设定以下内容：①.转动的方式：每次转动的角度和次数或转动总的角度和次数；②.速度：根据需要可以设定较快或较慢的转动速度，但一般在摄影中相机等属于比较贵重的设备，因此速度也不能太快；③.设定间隔时间，在此时间间隔内保证相机有足够的时间进行拍摄，可以根据拍摄的需要进行调整；④.旋转方向：顺时针方向或逆时针方向。

图5是本发明的控制电路板的原理图。在本实施例中采用了两相六线Mnebea Motor 17PM-N140-040步进电机，步进电机的驱动器采用51单片机，驱动电路以A3977SED芯片为核心，蓝牙从机采用以HC-06集成模块为核心的串口模块，将上述三个部分集成到控制电路板中，并将其安装到控制盒15中，控制电路板采用锂电池供电，电池可以提供5V和12V的两种直流电压，控制电路板可以输出控制步进电机的步进信号和方向信号，从而控制步进电机的转速、转角和转向。

图6为本发明的蓝牙主机和蓝牙从机的安装以及工作示意图，蓝牙模块包括蓝牙主机和蓝牙从机两大部分，一部分是安装在上位机(例如计算机)的蓝牙管理软件和连接到上位机的蓝牙主机，另一部分是嵌入到控制电路板中的蓝牙从机，控制电路板设置在下位机中的控制盒15内部。蓝牙管理软件负责蓝牙主机和蓝牙从机之间的匹配和通信管理，蓝牙主机支持USB通信，蓝牙从机采用以HC-06集成模块为核心的串口模块，该串口模块的接口为TTL电平，可以直接与下位机相连，控制步进电机。蓝牙主机通过USB接口与上位机通信，并发送信号，使下位机能接收上位机发送的控制信号。

图7是本发明的下位机总体流程图，其程序采用C语言在Keil-UV2的开发环境下编写，下位机主要包括以下几个模块：

1)基本I/O模块：I/O是单片机与外围设备数据输入输出的主要通道，在此用到的I/O主要有：P1.0-脉冲输出口，P1.1-方向信号输出口，P1.2-使能信号输出口，P3.0-串口通讯发送口，P3.1-串口通讯接收口；

2)脉冲产生模块：脉冲的产生只需利用P1.0的高低电平交替变换，这样就可以给驱动器一个下降沿，定时器延时的时间即为脉冲的周期。因此，通过控制定时器的溢出时间，就可以达到控制电机转速的目的；

3)串口通讯模块：串口通讯前首先要设定串口的工作方式和波特率等，在本发明中，选用定时器1的工作方式2，8为自动重转载，产生9600bps的波特率；

4)中断函数模块：主要是根据上位机发送的数据格式来判断接收到的是什么命令，然后做出相应的动作。

图8是本发明的上位机总体流程图，上位机是进行人机交换的界面，其程序采用VB开发，其主要作用是提供一个交互的界面，以便操作人员设置云台所需的参数，并利用蓝牙主机发送控制信号，上位机主要包括下面几个模块：

1)串口通讯模块：设置串口通讯的各种参数，打开蓝牙管理器后，点击“打开串口”，串口指示灯指示串口状态；

2)转角指示模块：刻度分辨率为5°/格，指针指示的刻度表示相机转过的角度；

3)电机参数模块：可设定相机转动时转动的速度、方向以及停留时间间隔等参数，输入参数后，按下设定按钮即可设定电机参数；

4)选择方式选择模块：可选择两种输入方式中的一种，方式一为每次转角和旋转的次数，方式二为总的转角和旋转的次数，按确定即可向下位机发送转角命令；

5)停止和复位按钮：停止按钮可任意时刻停止步进电机转动；复位按钮可以随时停止步进电机转动并将转角指针复位；

6)帮助菜单：进入帮助菜单，可查看上位机的界面介绍、操作向导和应急处理等帮助信息。

上位机的控制和设定流程为：1)设置串口通讯的各种参数，打开蓝牙管理器后点击“打开串口”；2)设定云台的转动方式：单次的转动角度和旋转的次数，或者设定总的旋转角度和旋转的次数；3)设置电机的参数：转动速度、方向以及每两次旋转之间的时间间隔；4)设定完成后按下“确定”按钮即可向下位机发送信息，从而控制云台按设定的参数进行运动。在上位机中还设置用于紧急情况的停止和复位按钮以及帮助菜单等。

具体的设置、工作过程为：先将照相机安装在云台上部的垂直安装板上，调整X方向水平滑动导轨7、Y方向水平滑动导轨8这两个水平导轨，使照相机镜头节点与云台旋转中心在同一垂直线上，打开照相机和云台电源并设置照相机拍摄参数；然后操作人员离开拍摄位置在掩蔽物后就位，同时在上位机中设置云台所需的参数，可以设定单次旋转的角度和旋转的次数，或者设定总的旋转角度和分割旋转的次数。信号通过上位机上的蓝牙主机发出后，将被安装在三脚架上的蓝牙从机接收，从而控制步进电机按照指令旋转相应的角度和次数，通过支架的旋转部分将旋转运动传递给全景云台的旋转部分，使旋转部分连同数字照相机一起按照设定的参数进行运动。在每次旋转后步进电机将停顿一定时间，以便计算机软件遥控照相机进行拍摄。在完成一个全景拍摄周期后，将提示操作人员拍摄完成。

Claims (8)

1.一种蓝牙控制的电动全景云台，其包括有三脚架，云台主体，相机安装总成，蓝牙主机，蓝牙从机及控制电路板，云台主体由云台上盖、云台固定机体、云台连接底盘构成，云台上盖与上部的相机安装总成固定连接，云台连接底盘与下部的三脚架连接，其特征是：云台上盖与云台固定机体之间分别与推力球轴承内外圈配合，云台固定机体内装有步进电机，步进电机的转轴带动云台上盖转动，步进电机与控制电路板连接，蓝牙从机嵌入到控制电路板中。

2.根据权利要求1所述的电动全景云台，其特征是：步进电机的转轴沿着轴向伸入云台上盖中央，云台上盖的侧面径向开有与云台上盖中央贯通的螺纹沉孔，螺纹沉孔内装有紧定螺钉，紧定螺钉的端部紧顶住步进电机的转轴上铣出的一段平面，步进电机的转轴通过紧定螺钉将旋转运动传递给云台上盖。

3.根据权利要求1或2所述的电动全景云台，其特征是：云台上盖下方的凸台与推力球轴承内圈过盈配合，云台固定机体上方的内壁与推力球轴承外圈过盈配合，云台上盖带动推力球轴承内圈旋转，云台固定机体和推力球轴承外圈保持不动，云台上盖所承受的垂直方向重力通过推力球轴承传递到云台固定机体上，再通过云台连接底盘将重力传递给三脚架。

4.一种蓝牙控制的电动全景云台的控制方法，其特征是：蓝牙模块包括蓝牙主机和蓝牙从机，其中，蓝牙主机作为信号发射装置，与上位机的USB接口连接，通过USB接口与上位机通信；蓝牙从机作为信号接收装置，嵌入到控制盒中的下位机中，蓝牙从机接收蓝牙主机发射的信号，控制步进电机。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是：步进电机的驱动器采用51单片机，驱动电路以A3977SED芯片为核心，步进电机的驱动器、驱动电路与蓝牙从机集成到控制电路板中，控制电路板安装在控制盒中，控制电路板采用锂电池供电，该电池提供5V和12V的两种直流电压，控制电路板输出控制步进电机的步进信号和方向信号，控制步进电机的转速、转角和转向。

6.根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征是：在上位机中设置云台所需的参数，设定云台单次旋转的角度和旋转的次数，或者设定云台总的旋转角度和分割旋转的次数、旋转速度、方向以及每次旋转之间的时间间隔，信号通过上位机上的蓝牙主机发出后，将被安装在三脚架上控制盒内的蓝牙从机接收，控制步进电机按照指令旋转相应的角度和次数，在每次旋转后步进电机将停顿一定时间，以便计算机软件遥控照相机进行拍摄。

7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是：蓝牙从机采用以HC-06集成模块为核心的串口模块，所述串口模块的接口为TTL电平。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征是：控制盒设置在三脚架上，蓝牙从机直接嵌入控制盒中的控制电路板。

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