CN103754380A - 一种多镜头航空摄影稳定平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多镜头航空摄影稳定平台，包括吊臂机构、摄像平台、陀螺仪、设置在摄像平台内的相机和摄影控制装置；所述吊臂机构包括第一转动组件，并通过该第一转动组件与摄像平台连接；所述摄像平台内设有第二转动组件，控制该摄像平台在同时垂直于水平面和第一转动平面的第二转动平面上转动；所述陀螺仪设置在摄像平台上，并与第一转动组件和第二转动组件电连接。所述摄影控制装置包括：主控模块、传输模块、总线模块和电源模块。相对于现有技术，本发明多镜头航空摄影稳定平台，能够自动控制数码相机曝光，同时控制摄影图片实时高速传输，能够高效、快速地传输和切换。
Description
技术领域
本发明涉及一种多镜头航空摄影稳定平台，特别是一种适合于小型低空遥感无人机的稳定平台。
背景技术
无人机低空遥感系统在实现影像图制作的基础上，正在向摄影测量立体测图专用领域发展。依据航空摄影测量规范，用于摄影测量的无人机航空摄影系统对有效载荷的姿态稳定度有着严格的量化要求。而飞机在航摄时会受到机体震动和空中杂散气流的影响，有效载荷会随之改变摄影姿态，造成航摄漏洞以及摄影测量交会角过小等严重问题。
除了机身不稳定的因素外，影响航拍获取高质量影像的因素有很多，例如针对不同的地形地貌的拍摄，若不调整相机参数，采用统一的感光度、分辨率和快门速度进行拍摄，势必会得到不同的图像质量。而目前尚未出现对无人机机载相机进行自动调节和控制的装置，使得相机在不同环境条件下，针对不同地形地貌无法自动调节其参数设置，导致无人机航拍影像质量不理想。
针对上述问题，现有技术中通过使用独立的稳定平台实现无人机有效载荷的增稳控制。该平台式稳定系统具有精度高计算简单响应快的优点。但是现有技术中的独立的稳定平台存在体积大、机械结构复杂、补偿范围小和价格昂贵的缺点；同时，独立的稳定平台一般仅适用于大型军用高端无人机。
发明内容
本发明在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种多镜头航空摄影稳定平台。
本发明是通过以下的技术方案实现的：
一种多镜头航空摄影稳定平台，包括吊臂机构、摄像平台、陀螺仪、设置在摄像平台内的相机和摄影控制装置；
所述吊臂机构包括第一转动组件，并通过该第一转动组件与摄像平台连接，控制摄像平台在垂直于水平面的第一转动平面上转动；
所述摄像平台内设有第二转动组件，控制该摄像平台在同时垂直于水平面和第一转动平面的第二转动平面上转动；
所述陀螺仪设置在摄像平台上，并与第一转动组件和第二转动组件电连接，控制第一转动组件和第二转动组件的工作；
所述摄影控制装置包括：主控模块、传输模块、总线模块和电源模块，所述主控模块的输入端连接至飞行器内置的GPS定位模块，主控模块的输出端连接至所述飞行器上的至少一台相机，每台相机内均设有数据存储器；所述主控模块、传输模块和总线模块依次电连接，所述总线模块与数据存储器连接；以及电源模块为主控模块和传输模块供电。
相比于现有技术，本发明通过使用陀螺仪、第一转动组件和第二转动组件，实现摄像平台在二维平面上的调整，方便相机视轴的稳定，防止晃动。同时，通过使用陀螺仪可以省去了复杂的机械结构平台，同时具有体积小、重量轻、成本低和补偿范围更大的特点。
作为本发明的进一步改进，所述吊臂机构还包括一吊臂壳体，该壳体的纵截面为倒梯形；所述第一转动组件设置在该吊臂壳体内；该第一转动组件包括与陀螺仪电连接的舵机、主动齿轮、从动齿轮和驱动转轴；该主动齿轮的中心与舵机转轴连接；该从动齿轮与主动齿轮啮合连接；该驱动转轴设置在该从动齿轮中心；该驱动转轴贯穿该吊臂壳体的前后两侧，且其两端分别外露在吊臂壳体外并位于吊臂壳体的下端；该驱动转轴的两端与摄像平台连接。进一步，通过使用主动齿轮和从动齿轮配合使用，可以使舵机的单轴输出通过两齿轮的传动带动驱动转轴的转动，实现双轴转动。将吊臂壳体的纵截面设置成倒梯形，可以减少占用的空间和吊臂的重量，同时也可以提供吊臂的刚性强度。
作为本发明的进一步改进，所述摄像平台还包括平台壳体和梁架；该平台壳体包括上壳体、下壳体和两侧壳体；所述两上下壳体对扣连接，形成一容纳空间；所述两侧壳体分别设置在上下两壳体连接处的相对两侧，并同时与上壳体和下壳体固定连接；该梁架设置在壳体内；该上壳体上设有一吊臂开口；所述吊臂壳体的下端穿过该吊臂开口，嵌设在该梁架上并通过该驱动轴与梁架的中心连接；所述第二转动组件设置在上下两壳体的连接处。作为本发明的进一步改进，所述摄像平台还包括一固定盖；该固定盖设置在上壳体与下壳体之间，并与该下壳体扣合连接；该陀螺仪设置在该固定盖上；该梁架位于固定盖的上方并位于上壳体内。进一步，通过固定盖可以将上下壳体分隔开来，避免内部器件的相互影响，同时可以承载陀螺仪和梁架。
作为本发明的进一步改进，所述下壳体内设有两组相互垂直的隔板，成“十”字型分布；其中每组隔板包括两块相互平行的隔板，形成五个相机容纳槽；该容纳槽包括由两组隔板相交处所形成的中央容纳槽和分布在该中央容纳槽的四个方位上的侧面容纳槽；所述相机分别设置在该相机容纳槽内部。进一步，通过隔板将下壳体分隔成五个相机容纳槽，可以方便相机的安装和增加摄像角度范围。
作为本发明的进一步改进，所述下壳体的相对两内侧壁上分别设有固定板，且该下壳体的两相对外侧壁上分别设有一轴架板；所述第二转动组件部件包括两个与陀螺仪电连接的舵 机和两个连接轴；所述两舵机分别通过螺钉与下壳体内的两固定板连接；该两连接轴的一端分别与轴架板相连接，该两连接轴的另一端分别与两舵机的转轴连接。进一步，通过两个舵机与连接轴的配合使用，实现摄像平台的在第二转动平面上的转动，实现调整。
作为本发明的进一步改进，所述相机包括一设在中央容纳槽内的正向相机和四个设在在侧面容纳槽内的倾斜相机；该正向相机的视轴方向垂直向下；所述四个倾斜相机的视轴方向与正向相机的视轴方向所形成的角度为30～45度。进一步，通过对五个相机的视轴角度的调整，实现摄像的多角度的捕捉，使整个摄像效果更加清晰。
作为本发明的进一步改进，所述主控模块包括：控制器、存储器、数据传输端口、串口通信端、相机控制端和GPS输入端；其中，数据传输端口与传输模块连接，从相机的数据存储器中快速获取的数据信息并传递至控制器；串口通信端与所述至少一台相机连接，实时监控相机拍摄的参数信息并传递至控制器；GPS输入端与飞行器内置的GPS定位模块连接，实时读取飞行器的位置信息并传递至控制器；所述存储器中预先储存着不同位置的相机拍摄的标准参数信息；所述控制器对所接收的上述信息进行分析，并利用相机控制端对相机进行相应的控制。
作为本发明的进一步改进，所述控模块还设有报警模块，当串口通信端监测到相机电池的电压信号低于预设值时，控制器驱动报警模块报警。
进一步，所述传输模块为USB传输器，所述相机的数据存储器为TF/SD卡。
本发明具有的优点和有益效果是：
1、本发明通过使用陀螺仪、第一转动组件和第二转动组件，实现摄像平台在二维平面上的调整，方便相机视轴的稳定，防止晃动。同时，通过使用陀螺仪可以省去了复杂的机械结构平台，同时具有体积小、重量轻、成本低和补偿范围更大的特点。
2、进一步，通过使用主动齿轮和从动齿轮配合使用，可以使舵机的单轴输出通过两齿轮的传动带动驱动转轴的转动，实现双轴转动。
3、进一步，通过对五个相机的视轴角度的调整，实现摄像的多角度的捕捉，使整个摄像效果更加清晰。
4、进一步，还能根据飞行器飞行过程中的飞行位置来对数码相机的当前设置进行调整，从而使得飞行器在不同的飞行高度都能拍摄出高质量的照片，获得有用的航拍数据。此外，本发明还实现了摄影图片的实时高速传输，也利用实现了多个图片数据存储器的读取、传输和切换。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明的三轴陀螺的外部示意图。
图2是本发明的三轴陀螺的剖面图。
图3是本发明的三轴陀螺的爆炸图。
图4是本发明的吊臂机构的结构示意图。
图5是本发明的摄像平台的下壳体的结构示意图。
图6是本发明的摄影控制装置的内部结构方框图。
图7是本发明的摄影装置中主控模块的结构示意图。
具体实施方式
请同时参阅1～3，其中，图1是本发明的三轴陀螺的外部示意图，图2是本发明的三轴陀螺的剖面图，图3是本发明的三轴陀螺的爆炸图。
本发明的一种多镜头航空摄影稳定平台，包括吊臂机构1、摄像平台2、设置在摄像平台内的相机3、陀螺仪4、摄影控制装置5、主控模块51、传输模块52、总线模块53、电源模块54、GPS定位模块55、61…6N---相机、71…7N---TF/SD卡、控制器511、存储器512、数据传输端口513、串口通信端514、相机控制端515、GPS输入端516。
所述吊臂机构1包括第一转动组件11，并通过该第一转动组件11与摄像平台2连接，控制摄像平台2在垂直于水平面的第一转动平面上转动。所述摄像平台2内设有第二转动组件24，控制该摄像平台2在同时垂直于水平面和第一转动平面的第二转动平面上转动；所述陀螺仪4设置在摄像平台2上，并与第一转动组件11和第二转动组件24电连接，控制第一转动组件11和第二转动组件24的工作。
请参阅图4，其为本发明的吊臂机构1的结构示意图。所述吊臂机构1包括第一转动组件11、吊臂壳体12和挂板13。具体的，所述吊臂壳体12的纵截面为倒梯形。所述挂板13设在在吊臂壳体12的上端。所述第一转动组件11设置在该吊臂壳体12内。该第一转动组件11包括与陀螺仪4电连接的舵机111、主动齿轮112、从动齿轮113和驱动转轴114；该主动齿轮112的中心与舵机111转轴连接；该从动齿轮113与主动齿轮112啮合连接；该驱动转轴114设置在该从动齿轮113中心；该驱动转轴114贯穿该吊臂壳体12的前后两侧，且其两端分别外露在吊臂壳体12外并位于吊臂壳体12的下端；该驱动转轴114的两端与摄像平台2连接。
所述摄像平台2包括平台壳体21、梁架22、固定盖23和第二转动组件24。所述平台壳体21包括上壳体211、下壳体212和两侧壳体213；该上壳体211和下壳体212对扣连接， 形成一容纳空间。两侧壳体213设在该两上下壳体连接处的相对两侧，以固定连接两上壳体211和下壳体212。进一步，所述侧壳体213与下壳体212之间还设有一加强板2131。
请参阅图5，其为本发明的摄像平台2的下壳体212的结构示意图。具体的，所述上壳体211上设有一吊臂开口2111。所述下壳体212内设有多个隔板2121；该隔板2121与下壳体212的内壁连接，形成多个相机容纳槽；该相机容纳槽的底部分别设有摄像开口。进一步，所述下壳体212内设有两组相互垂直的隔板2121，成“十”字型分布；其中每组隔板2121包括两块相互平行的隔板2121，形成五个相机容纳槽。具体的，所述容纳槽包括由两组隔板2121相交处所形成的中央容纳槽和分布在该中央容纳槽的四个方位上的侧面容纳槽。其中，所述相机3分别设置在该相机容纳槽内部。
所述下壳体212的相对两内侧壁上分别设有固定板2122，且该下壳体212的两相对外侧壁上分别设有一轴架板2123。具体的，所述侧壳体213设在两轴架板2123的外侧。
所述固定盖23设置在上壳体211与下壳体212之间，并与该下壳体212扣合连接；所述梁架22位于固定盖23的上方并位于上壳体211内。所述吊臂壳体12的下端穿过上壳体211的吊臂开口2111，嵌设在该梁架22上并通过该驱动转轴114与梁架22的中心连接；所述第二转动组件24设置在上下两壳体的连接处。
所述第二转动组件24包括两个与陀螺仪4电连接的舵机241和两个连接轴242；所述两舵机241分别通过螺钉与下壳体212内的两固定板2122连接。所述两连接轴242的一端分别与轴架板2123相连接，该两连接轴242的另一端分别与两舵机241的转轴连接。
所述相机3包括一设在中央容纳槽内的正向相机3和四个设在在侧面容纳槽内的倾斜相机3；该正向相机3的视轴方向垂直向下；所述四个倾斜相机3的视轴方向与正向相机3的视轴方向所形成的角度为30～45度。
所述陀螺仪4设置在该固定盖23上。并且，该陀螺仪4同时与第一转动组件11和第二转动组件24电连接，控制第一转动组件11和第二转动组件24的工作。
该摄影控制装置5设置在飞行器上，与该飞行器上5台用于航拍的数码相机连接，这5台数码相机分别位于飞行器的不同位置，朝向不同的方位，从而可方便地拍摄不同角度的画面。该飞行器中设置有GPS定位模块。
本发明的三轴陀螺的稳定平台可以安装在直升机等飞行器上；在遭遇气流影响产生的颠簸或晃动时，可以通过本发明的稳定平台自动调节位置，以保证摄像过程中的稳定。具体的，通过陀螺仪4检测摄像平台2的位置信息，当摄像平台2出现倾斜或晃动时，该陀螺仪4控制第一转动组件11和第二转动组件24进行工作。其中，该第一转动组件11的舵机111在接收到陀螺仪4的信号后，通过主动齿轮112和从动齿轮113控制驱动转轴114的转动；该驱 动转轴114与梁架22连接，控制梁架22的转动，从而可以控制摄像平台2实现在第一转动平面上的转动，以调整摄像角度。同理，该第二转动组件24中的舵机241在接收到陀螺仪4的信号后，通过连接轴242控制轴架板2123的转动，从而可以控制该摄像平台2实现在第二转动平面上的转动，调整摄像角度。而因为该第一转动平面和第二转动平面时相互垂直的，所以可以实现在二维平面上的任意角度的调整。
本发明具有多种变形实施例，比如，所述的相机3的分布位置可以根据不同情况任意调整，也可以根据具体情况调整相机3的视轴角度。
相比于现有技术，本发明通过使用陀螺仪4、第一转动组件11和第二转动组件24，实现摄像平台2在二维平面上的调整，方便相机3视轴的稳定，防止晃动。同时，通过使用陀螺仪4可以省去了复杂的机械结构平台，同时具有体积小、重量轻、成本低和补偿范围更大的特点。
请参阅图6，为本发明的摄影控制装置的内部结构方框图。该摄影控制装置5其包括：主控模块51、传输模块52、总线模块53和电源模块54。其中，主控模块51为单片机，如可选用价格低、处理速度快、系统中断响应能力强的ARM处理器。传输模块52优选为USB2.0传输控制器，可选用高速传输芯片。总线模块53可采用总线收发器，负责总线数据的收发。主控模块51的输入端连接至飞行器内置的GPS定位模块55，主控模块51的输出端连接至所述飞行器上的N台相机61…6N，每台相机内均设有数据存储器，在本实施例中数据存储器为TF/SD卡71，72…7N，并且N为5。主控模块51、传输模块52和总线模块53依次电连接，在具体实施过程中，这三个主要功能模块分别设置在三块电路板上，以排线形式连接。该总线模块51还与数据存储器71…7N连接。电源模块54为主控模块51和传输模块52供电。
请参阅图7，是主控模块的主要构成图，如图7所示，主控模块51包括：控制器511、存储器512、数据传输端口513、串口通信端514、相机控制端515和GPS输入端516。数据传输端口513具体为5组I/O端口，依次与传输模块52和总线模块53通信，分别向5张TF/SD卡中读取数据信息。串口通信端514作为调试观察串口，可用于实时监控飞行器上各台相机的拍摄参数，使控制器511及时了解相机的状态，采取适当的调控措施。GPS输入端516可实时读取飞行器的GPS定位模块55所采集的当前位置信息，并将当前位置信息传输至控制器511，控制器511根据飞行器当前所处位置，将该位置所对应的预存于存储器512内的相机参数与串口通信端514所监测到的参数进行比对，若当前参数信息与预设值不同，则进行相应的调整，从而使得相机在不同位置时能够实时自动调节其参数值，使其拍摄出高质量的图片。相机参数可以包括像素数、分辨率、感光度、快门速度等，预存的参数信息根据相机 型号的不同而不同。相机控制端14根据控制器10给出的控制指令对相机的参数进行调控，从而使得相机在不同位置时能够实时自动调节其参数值，使其拍摄出高质量的图片。
作为优选，在本实施例的主控模块中还可以设置其他辅助模块，如Flash存储模块和低电压报警模块等。采用Flash存储模块，可以有选择性地保存相机操作的数据，可采用SPI方式和主控模块通信。采用低电压报警模块，可以采集相机电池的电压信号，设置阈值，如3v，当电池电压低于3v时，驱动报警器报警。
在本发明中，传输模块52通过总线模块53的收发功能读取储存在相机TF/SD卡中的信息，并将信息高速传输至主控模块51。具体为采用四数据线SDIO模式与总线模块3进行通信，S1-SDCLK-C是SD卡驱动时钟，由传输模块52提供，S1-SDDATA0-C、S1-SDDATA1-C、S1-SDDATA2-C、S1-SDDATA3-C是TF/SD卡的数据线，S1-SDCDM-C为SD卡CMD线，TF/SD卡通过CMD线接收传输模块52的控制命令和返回状态命令，同时CMD线和主控模块51通信，接受主控模块51的调度，S1-SDCDN为TF/SD卡状态探测线，高电平（2.4-3.3V）表示没有探测到卡，低电平（0-0.3V）表示已探测到卡，S1-SDWP写保护线；S1-DM、S1-DP为USB2.0的数据线，经过磁珠过滤后接USB方型端口，USB口是四线制，3.3V电源经过电感为USB通信模块供电，减少了外部的电磁干扰。
在本发明中，电源模块54具体包括电源转换电路。电源转换电路采用国标12v直流电源，12v正电压经过瞬态抑制防静电保护稳压管和高阻抗电阻连接至地（GND）形成稳压保护。12v正电压经过铝电解电容正极滤波后，通过开关电源转换芯片将12V电压转换为5V电压输出，同时经过稳压管负极稳压、电感过滤、电解电容滤波之后形成稳定可靠的5V电压电路供后继电路使用；该稳定的5V电压再经过转换芯片转换为3.3V电压供主控模块及其他IC芯片使用。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。
Claims (10)
1.一种多镜头航空摄影稳定平台，其特征在于：包括吊臂机构、摄像平台、陀螺仪、设置在摄像平台内的相机和摄影控制装置；
所述吊臂机构包括第一转动组件，并通过该第一转动组件与摄像平台连接，控制摄像平台在垂直于水平面的第一转动平面上转动；
所述摄像平台内设有第二转动组件，控制该摄像平台在同时垂直于水平面和第一转动平面的第二转动平面上转动；
所述陀螺仪设置在摄像平台上，并与第一转动组件和第二转动组件电连接，控制第一转动组件和第二转动组件的工作；
所述摄影控制装置包括：主控模块、传输模块、总线模块和电源模块，所述主控模块的输入端连接至飞行器内置的GPS定位模块，主控模块的输出端连接至所述飞行器上的至少一台相机，每台相机内均设有数据存储器；所述主控模块、传输模块和总线模块依次电连接，所述总线模块与数据存储器连接；以及电源模块为主控模块和传输模块供电。
2.根据权利要求1所述多镜头航空摄影稳定平台，其特征在于：所述吊臂机构还包括一吊臂壳体，该壳体的纵截面为倒梯形；所述第一转动组件设置在该吊臂壳体内；该第一转动组件包括与陀螺仪电连接的舵机、主动齿轮、从动齿轮和驱动转轴；该主动齿轮的中心与舵机转轴连接；该从动齿轮与主动齿轮啮合连接；该驱动转轴设置在该从动齿轮中心；该驱动转轴贯穿该吊臂壳体的前后两侧，且其两端分别外露在吊臂壳体外并位于吊臂壳体的下端；该驱动转轴的两端与摄像平台连接。
3.根据权利要求1所述多镜头航空摄影稳定平台，其特征在于：所述摄像平台还包括平台壳体和梁架；该平台壳体包括上壳体、下壳体和两侧壳体；所述两上下壳体对扣连接，形成一容纳空间；所述两侧壳体分别设置在上下两壳体连接处的相对两侧，并同时与上壳体和下壳体固定连接；该梁架设置在壳体内；该上壳体上设有一吊臂开口；所述吊臂壳体的下端穿过该吊臂开口，嵌设在该梁架上并通过该驱动轴与梁架的中心连接；所述第二转动组件设置在上下两壳体的连接处。
4.根据权利要求3所述多镜头航空摄影稳定平台，其特征在于：所述摄像平台还包括一固定盖；该固定盖设置在上壳体与下壳体之间，并与该下壳体扣合连接；该陀螺仪设置在该固定盖上；该梁架位于固定盖的上方并位于上壳体内。
5.根据权利要求4所述多镜头航空摄影稳定平台，其特征在于：所述下壳体内设有两组相互垂直的隔板，成“十”字型分布；其中每组隔板包括两块相互平行的隔板，形成五个相机容纳槽；该容纳槽包括由两组隔板相交处所形成的中央容纳槽和分布在该中央容纳槽的四个方位上的侧面容纳槽；所述相机分别设置在该相机容纳槽内部。
6.根据权利要求3所述多镜头航空摄影稳定平台，其特征在于：所述下壳体的相对两内侧壁上分别设有固定板，且该下壳体的两相对外侧壁上分别设有一轴架板；所述第二转动组件部件包括两个与陀螺仪电连接的舵机和两个连接轴；所述两舵机分别通过螺钉与下壳体内的两固定板连接；该两连接轴的一端分别与轴架板相连接，该两连接轴的另一端分别与两舵机的转轴连接。
7.根据权利要求5所述多镜头航空摄影稳定平台，其特征在于：所述相机包括一设在中央容纳槽内的正向相机和四个设在在侧面容纳槽内的倾斜相机；该正向相机的视轴方向垂直向下；所述四个倾斜相机的视轴方向与正向相机的视轴方向所形成的角度为30～45度。
8.根据权利要求1所述多镜头航空摄影稳定平台，其特征在于：所述主控模块包括：控制器、存储器、数据传输端口、串口通信端、相机控制端和GPS输入端；其中，数据传输端口与传输模块连接，从相机的数据存储器中快速获取的数据信息并传递至控制器；串口通信端与所述至少一台相机连接，实时监控相机拍摄的参数信息并传递至控制器；GPS输入端与飞行器内置的GPS定位模块连接，实时读取飞行器的位置信息并传递至控制器；所述存储器中预先储存着不同位置的相机拍摄的标准参数信息；所述控制器对所接收的上述信息进行分析，并利用相机控制端对相机进行相应的控制。
9.根据权利要求8所述多镜头航空摄影稳定平台，其特征在于：所述主控模块还设有报警模块，当串口通信端监测到相机电池的电压信号低于预设值时，控制器驱动报警模块报警。
10.根据权利要求9所述多镜头航空摄影稳定平台，其特征在于：所述传输模块为USB传输器，所述相机的数据存储器为TF/SD卡。
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