CN104881049A - 有限空间内无人机全景拍摄云台 - Google Patents

Abstract

一种有限空间内无人机全景拍摄云台，包括用于固定在无人多旋翼机机身上的扇形固定支架，扇形固定支架的外缘圆周上安装有一个旋转臂，旋转臂与扇形固定支架外缘圆周之间形成轨道移动副，扇形固定支架上通过舵机安装架安装有一个舵机，舵机转动轴上同轴安装有一个旋转臂驱动轮，该驱动轮与旋转臂之间构成转动驱动副，旋转臂上通过相机座安装有相机。本发明可同时满足：完全无盲区拍摄，满足遗产近距离及有限空间中全景拍摄要求；各个机位之间的空间重合度好，图像拼接准确性高；对相机或镜头数量没有特别限制；机身重量轻，体积小，容易实现有限空间飞行；适用于现有绝大多数多旋翼机，得到相同的拍摄效果(在多旋翼机上普适性强是本方案特点)。

Description

有限空间内无人机全景拍摄云台

技术领域

本发明属于：建筑遗产数字化、无人机云台设计及全景摄影技术领域。

背景技术

360度全景摄影是指相机于固定点旋转拍摄周边360*180度(水平360度，竖直180度)景物全景照片，照片经全景软件处理后，观看者能够以人机互动方式旋转操作，通过改变观看角度(方向)，产生可四周观望、身处其境的感觉。

全景拍摄发展迅速，已逐渐成为虚拟现实技术的一种类型。和水平移动相比，在高处拍摄视野更开阔，能够看到更多的景物。无人直升机、无人多旋翼机已经被用来拍摄空中全景图像。

无人直升机最常见的拍摄方式主要是下置云台，安装单相机，依靠直升机绕自身悬停中心旋转的能力连续旋转拍摄，类似于地面三脚架全景拍摄方法。但直升机全景拍摄存在局限性，即相机不能自由上仰拍摄，因为会受到直升机主旋翼的严重遮挡，旋翼进入视野会造成拍摄领域所谓的“穿帮”问题，因此，一般可看到的最大上仰角仅为10-25度，大于这一角度的天空为拍摄盲区，主要依靠计算机后期处理，利用另购的天空图片填充全景图片的上空盲区部分，并抹在略微上仰拍摄中偶尔出现的直升机机身痕迹。由于天空细节变化较少，因此易于替换且不易察觉，只要直升机距离周边地物远，或者具有相对的高度优势，则这种方法亦可行。从201110392818.9号专利《基于无人直升机航拍的360度空中全景互动漫游系统的制作方法》同样可以看出直升机适合于下俯拍摄。即使使用多相机组合而成的全景拍摄装置，直升机主旋翼的遮挡仍是不可避免的，例如《空中360度全景照片拍摄装置》(201320135877.2)专利申请书提出了使用多个相机组成无盲区全景拍摄球状装置，并将其安装到无人直升机上拍摄空中全景。由于机身、旋翼的遮挡，必然存在拍摄盲区。因此此种拍摄球形装置一般只适用于地面三脚架或者车顶支架等其他遮挡不严重的场合。

但在建筑、文化遗产、考古等领域拍摄全景漫游成果的时候，经常需要近距离拍摄对象以表现细节，且周边大多还有更高的建筑、山体、悬崖，例如拍摄建筑梁柱上雕刻、彩绘、悬崖上的岩画、佛教寺庙的洞窟等。此时周围环境中具有高度优势的地物必然进入全景画面的上半部分。旋翼图像与被摄对象图像重叠在一起，再难于使用前述的后期天空图像替换修补的方法来获得无上仰盲区的完整全景图像。

多旋翼机是近年来新出现的垂直起降飞行器，依照旋翼数量和布局，它可以分为如图1的多种类型，这些类型的共同点，也即多旋翼机与直升机相比的特征在于多旋翼机的旋翼数量增加、单个桨叶尺度缩小、旋转轴从中间位置转变为向四周分散布局。因为多旋翼机的这一特点，相机等任务荷载的安放就变得更为灵活自由，不仅在旋翼或机身下方向下拍摄，还可以在旋翼之间与其同高，水平向前拍摄，也可以在机身骨架的上方，高于旋翼的旋转平面向上拍摄。

在201210377100.7号专利《基于正多面体的360度无盲区全景视频拍摄设备》和201320135877.2号《空中360度全景照片拍摄装置》中可以看出多个相机一起触发，能同时拍摄获得各角度覆盖的全景图像。

那么是否可以将相机分为上下两组，在多旋翼机上下侧分别直接安装两组相机拍摄，得到无遮挡的全景图像呢？这样做的条件是相机必须远离机身安装才能避开旋翼遮挡，但这样会造成多个问题：

(a)下侧相机位置最低，降落时会先撞击到地面。

(b)上、下侧相机之间位置差别过大，近距离拍摄的情况下，这一差别会导致上下图像之间难于准确拼接，《一种系留气艇地空全景摄像与成像装置》(02294802.3)提出的上下无盲区全景拍摄方案是在飞艇的内部安装一个竖管，上下两端分别放置相机。但飞艇自身高度3-5米，相机上下位置差别过大，不易拼接成功，因此该方案仅适用于大气物理领域，绝对不适合洞窟等遗产细节拍摄。在多旋翼机上，即使上下相机之间距离缩小到几十公分，但由于物距可能仅有几米，也会影响图像拼接成功率，因此对于遗产有限空间拍摄，这一高低差别仍不可忽略。

(c)相机数量多，在相同成像质量的条件下，整体设备购买成本高、重量大，相同大小的旋翼机滞空时间缩短。

为了避免旋翼对镜头的遮挡，DJI公司研发了悬臂可升降的Inspire多旋翼机。悬臂升起时下置摄像头可不受遮挡地略上仰拍摄，悬臂下降时用于保护摄像头不会因降落而撞击地面。该方案并非为了全景拍摄，而主要针对视频拍摄，因此未设置上仰相机。即使安装上侧相机，该方案用于全景拍摄仍存在如下缺点：

(a)构造复杂，只能适用于“工”字形平面的多旋翼机。目前绝大多数多旋翼机都无法利用这一设计。

(b)上、下侧相机之间位置仍然差别过大，没有解决上下相机拍摄时绝对高度需保持一致的问题。

(c)和固定不动的机身相比，机身主结构可动的设计大大增加了自重，因此和其他多旋翼机相比，该机滞空时间明显缩短，并且有效载重量下降，难于同时携带多个相机。

(d)将起落架设置在旋翼下方，使得障碍物的上下尺度大幅度增加，上下侧相机要相隔更远的距离才能避开从起落架底部到旋翼的所有遮挡物。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种新型的空中全景拍摄云台——有限空间内无人机全景拍摄云台，可以完全避免无人机以及云台设备自身对拍摄的遮挡，在360度(水平)*180度(垂直)各方向都能无盲区拍摄，可在低空各个高度近距离全景展示岩画、石窟、高大古建筑(群)等各种类型建筑遗产。该云台装置的优点是适用于目前大多数类型的多旋翼无人飞行器，使之可拍摄上述全景影像。

本发明提供的有限空间内无人机全景拍摄云台，包括用于固定在无人机机身上的扇形固定支架，扇形固定支架的外缘圆周上安装有一个旋转臂，旋转臂与扇形固定支架的外缘圆周之间形成轨道移动副，扇形固定支架上通过舵机安装架安装有一个舵机，舵机转动轴上同轴安装有一个旋转臂驱动轮，该驱动轮与旋转臂之间构成转动驱动副，旋转臂上通过相机座安装有相机。

所述的扇形固定支架的扇形圆心角为180度。所述的驱动轮与旋转臂之间构成的转动驱动副为摩擦轮驱动副或齿轮驱动副。所述的旋转臂的两端各设置有一个旋转臂堵头。所述的旋转臂上的相机座为两个，两个相机座上各安装有一个相机，两个相机座的一端分别铰接在旋转臂上，另一端通过角度微调螺丝固定在一起构成铰接相机座。所述的旋转臂上与相机相对的另一侧安装有一个平衡重物。

本发明的优点和积极效果：

本发明方案同时满足建筑遗产有限空间中全景漫游拍摄的以下各项要求：

(a)完全无盲区拍摄，满足遗产近距离及有限空间中全景拍摄要求。本方案通过旋转臂在扇形支架上的转动，使相机可以先后达到最高点和最低点并分别处于正确的上仰、下俯拍摄角度上，避开多旋翼机的遮挡，获得完全无盲区的360*180度全景图像。本方案完全解决了201110392818.9专利申请中存在的上仰拍摄限制问题。

(b)各个机位之间的空间重合度好，图像拼接准确性高。把气压高度计的通气口固定到铰接相机座的中央，使之与相机所在高度一致，这样当旋转臂高度变化时，仍可以通过气压计相应调节升力大小，进而调节机身高度，保持相机的拍摄高度不变，使得上下两组拍摄的照片能够准确拼接。

(c)对相机或镜头数量没有特别限制。标准做法是使用两个对置的相机，也可以使用多个相机以避免飞行器绕竖轴旋转连续拍摄动作。而《基于正多面体的360度无盲区全景视频拍摄设备》等专利，都是使用多个相机才能获得无盲区视野。在相同成像质量条件下，本方案使用更少的相机，更节约成本。

(d)机身重量最轻，体积最小，容易实现有限空间飞行。相机数量少。起落架尺寸小、重量轻，这样使得很小的多旋翼机也可以承载本云台，能够适应空域狭窄的有限空间环境。

(e)适用于现有的绝大多数多旋翼机，得到相同的拍摄效果。扇形支架底部有安装孔，可以被方便地固定于多旋翼机中央机身的上表面，现有的四旋翼、六旋翼、八旋翼等多种多旋翼机都可以安装，因此和DJI公司研发的Inspire多旋翼机机身变形的方案相比，该云台不仅制造、安装更简单，最重要的优势在于应用的普适性更好，该云台使得目前无法拍摄全景的多旋翼机也可以实现拍摄，而不用更改自身结构。

(f)对多旋翼机飞行无干扰。云台动作过程中，重心保持不变，对多旋翼机飞行姿态和位置的保持无影响。

附图说明

图1是现有常见的多旋翼机布局(引自DJI公司产品手册)。

图2是本发明全景拍摄云台立面图(旋转臂水平状态)。

图3是全景拍摄云台立面图(旋转臂一侧旋转、相机下侧拍摄状态)。

图4是全景拍摄云台立面图(旋转臂另一侧旋转、相机上侧拍摄状态)。

图5是全景拍摄云台轴测图(旋转臂另一侧旋转、相机上侧拍摄状态)。

图6是全景拍摄云台在多旋翼机上安装立面图(相机远离机身，避开旋翼遮挡)。

图7是云台在多旋翼机上安装顶视图(云台旋转臂处于水平状态)。

图8是多旋翼机上的可调位置起落架正面图。

图9是多旋翼机上的可调位置起落架侧面图。

图10是全景拍摄云台剖面图。

图11是全景拍摄云台上的铰接相机座放大图。

图中，1扇形固定支架，2位置可调起落架，3舵机，4旋转臂驱动轮，5旋转臂堵头，6铰接相机座，7相机，8角度微调螺丝，9气压计通气管，10旋转臂，11条状橡胶层，12平衡重物(包括电池等)，13旋翼机机身，14旋翼，15旋翼电机，16安装孔，17舵机安装架，18气压高度计，19电机悬臂，20起落架紧固螺丝。

具体实施方式

实施例、

1.有限空间内无人机全景拍摄云台

如图2至图7所示，本发明提供的有限空间内无人机全景拍摄云台，包括用于固定在无人机机身上的扇形固定支架1，扇形固定支架的扇形圆心角为180度。扇形固定支架的外缘圆周上安装有一个旋转臂10，旋转臂的两端各设置有一个旋转臂堵头5，旋转臂与扇形固定支架的外缘圆周之间形成轨道移动副，扇形固定支架上通过舵机安装架17安装有一个舵机3，舵机转动轴上同轴安装有一个旋转臂驱动轮4，该驱动轮与旋转臂之间构成转动驱动副，所述的转动驱动副可以为摩擦轮驱动副(如本例)，或者采用齿轮驱动副等。旋转臂上通过相机座安装有相机7。所述的旋转臂上的相机座为两个，两个相机座上各安装有一个相机，两个相机座的一端分别铰接在旋转臂10上，另一端通过角度微调螺丝8固定在一起构成铰接相机座6。

所述的旋转臂上与相机相对的另一侧安装有一个平衡重物12(包括电池等)。

(1)全景拍摄云台。

全景拍摄云台的主体是扇形固定支架和旋转臂。扇形固定支架底部有安装孔16，可以用于固定在多旋翼机机身13上(见图6、7、10)，扇形固定支架中间有大面积的减轻孔，用于减轻自身重量，扇形固定支架顶部为“T”形截面以形成半圆轨道。旋转臂同样为半圆，其截面为躺倒的“C”形，抱在半圆支架的“T”形截面轨道上，两者中间涂抹润滑脂以保证旋转臂可以在“T”形轨道上顺畅滑动，旋转臂下方一侧装有条状的橡胶层11，与旋转臂驱动轮4上的橡胶层接触,用于提高摩擦力。旋转臂驱动轮的转动轴穿过扇形固定支架的空档，与另一边的舵机相连，舵机机身则通过舵机支架17安装在扇形固定支架上，由此旋转臂驱动轮的旋转可以带动旋转臂沿“T”形半圆轨道运动。旋转臂的橡胶层两端有突出的旋转臂堵头5作为限位，防止旋转臂驱动轮的左右推拉动作导致旋转臂超出行程。

在半圆旋转臂一端的外侧装有两个对置的铰接相机座6，其中一个相机座宽度略窄，可以插进另一个相机座端部的槽孔内，基本呈45度斜角交叉放置，两个相机座的交叉部分水平穿过一个松紧角度微调螺丝8，螺丝松开后两个相机座可以微转动，用于微调两个相机的俯仰角(参加图11)。两个相机7对置固定于铰接相机座6上，常见的微型鱼眼相机镜头上下视野角应约为120度。这样相机之间有30度左右的视野重叠区域，满足软件自动拼接图像需要。在必要时，也可以根据机身旋翼等障碍物位置对相机的俯仰角或镜头视野进行微调。此外，在两个相机的中间三角形区域内固定气压计通气管9的端部，气压计通气管9另一端平时悬置，当云台安装到多旋翼上时，与多旋翼自动驾驶仪上的气压高度计18相连。

在旋转臂另一端的外侧可固定与两个相机总重量相近的重物12，例如无线电接收机及其供电电池、相机快门控制电路等。舵机、相机快门线均按照本领域公知公用的方法与无线电接收机相连。

本方案建议相机两个对置，但也可以是四个对置或者更多个。优选两个相机的目的是保证竖直方向的重叠率，而水平方向的多角度重叠拍摄主要靠多旋翼飞行器绕自身轴旋转，在旋转过程中相机多次曝光来完成。若安装水平视野更大的镜头，或者安装更多的相机，例如四个、六个对置相机，则可以一次性拍摄半个天球的全部所需照片，拍摄过程更短，不需要多旋翼机自转，不过相应的设备重量大幅度增加。反之则相机数量或者重量下降，相应的另一侧电池配重下降，因此可以适应较小的、载重量较少的多旋翼机在狭小空间中拍摄。因此两个相机为本方案最优选择，但如实际需要，也可在旋转臂上增加相机安装数量。

(2)位置可调起落架。

多旋翼机原有的各种起落架有可能不适用本云台，例如会遮挡下置拍摄的视野，或者在云台动作时产生机械碰撞，因此在必要时，可拆卸换成本方案中的专用起落架(见图8、图9)。该起落架配有可松紧调节的起落架紧固螺丝20，若松开螺丝，则可在电机臂上从旋翼电机到机身之间的位置自由移动安放，前提是其长度不会超过从下侧镜头到旋翼外侧翼尖的连线，即不会对拍摄产生额外的遮挡即可。

2.全景拍摄方法：

(1)起飞前准备。

将全景拍摄云台通过扇形固定支架安装到多旋翼机机身的上表面，必要时将多旋翼机原有起落架换成本方案中的起落架。将气压计通气管悬置端与气压高度计的通气口相连(图6)，使得气压高度计可以实时测量相机高度变化并通过原有的机身自控系统加以补偿。此外通过微调相机的安装角度使得不论在上侧还是下侧拍摄，旋翼等机身部件都不会进入镜头视野之中。调整完毕后，舵机旋转以保持旋转臂处于基本水平状态(两端处在大致相同的高度)，不致过度倾斜导致撞到地面。

(2)拍摄过程。

多旋翼机起飞并到达期望的拍摄位置后，旋转臂驱动轮带动旋转臂直至被堵头截停，此时使得相机到达最低点，相机拍摄的同时人员控制多旋翼机水平旋转半圈，获得下半球的无遮挡全景图像。然后旋转臂驱动轮带动旋转臂向相反方向转动180度至另一侧堵头制动，相机到扇形固定支架的最高点，此时多旋翼机再次绕自身中轴水平旋转半圈，相机进行上半球拍摄。因气压高度计的通气口位于相机附近，因此伴随相机的上下运动，飞行器会自动调整自身高度以补偿旋转臂动作导致的相机高度变化，尽量维持相机在拍摄过程中绝对高度不变。

相机先在下侧还是先上侧拍摄不影响最终成果，因此先上侧拍摄也是可以的。

3)拍摄完成后降落。

上、下侧拍摄均完成后，旋转臂从竖立状态回转约90度，恢复成为近似水平状态，此时旋翼机可以使用起落架安全触地降落。

Claims (6)

1.一种有限空间内无人机全景拍摄云台，其特征在于该全景拍摄云台包括用于固定在无人多旋翼机机身上的扇形固定支架，扇形固定支架的外缘圆周上安装有一个旋转臂，旋转臂与扇形固定支架的外缘圆周之间形成轨道移动副，扇形固定支架上通过舵机安装架安装有一个舵机，舵机转动轴上同轴安装有一个旋转臂驱动轮，该驱动轮与旋转臂之间构成转动驱动副，旋转臂上通过相机座安装有相机。

2.根据权利要求1所述的有限空间内无人机全景拍摄云台，其特征在于所述的扇形固定支架的扇形圆心角为180度。

3.根据权利要求1所述的有限空间内无人机全景拍摄云台，其特征在于所述的驱动轮与旋转臂之间构成的转动驱动副为摩擦轮驱动副或齿轮驱动副。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的有限空间内无人机全景拍摄云台，其特征在于所述的旋转臂的两端各设置有一个旋转臂堵头。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的有限空间内无人机全景拍摄云台，其特征在于所述的旋转臂上的相机座为两个，两个相机座上各安装有一个相机，两个相机座的一端分别铰接在旋转臂上，另一端通过角度微调螺丝固定在一起构成铰接相机座。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的有限空间内无人机全景拍摄云台，其特征在于所述的旋转臂上与相机相对的另一侧安装有一个平衡重物。