CN105049733A - 一种定位拍摄辅助装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定位拍摄辅助装置及方法，其中装置包括：用于固定拍摄设备的云台机构；与拍摄目标位置一致的遥控装置，用于发出超声波信号；用于接收超声波信号的超声波传感器组，随着拍摄设备的旋转而旋转，其接收超声波信号的方向与拍摄设备的镜头视角方向一致；控制电路，根据超声波传感器组接收到的超声波信号，计算出遥控装置的方位，控制云台机构围绕垂直轴和/或水平轴旋转，使拍摄设备对准拍摄目标。通过该装置可以迅速地找到拍摄目标的大致方位，对拍摄目标进行锁定拍摄。

Description

一种定位拍摄辅助装置及方法

技术领域

本发明涉及用于摄影摄像的电子配件，尤其涉及一种可对拍摄对象进行定位的拍摄辅助装置。

背景技术

目前，传统的手机、平扳电脑、照像机等可拍摄设备都需要人工将镜头对准目标进行拍照录象等。可是随着手机，平扳电脑的普及，自拍越来越成为人们的日常需求，但是目前只有手持以及长度有限的自拍杆可以供人们使用。超出手臂或者自拍杆的较远距离的对准自己拍照的技术尚为空白。

而在自动跟踪拍摄领域，现有的技术主要有图象识别跟踪技术，红外光源跟踪技术等，这些技术有成本高且容易被干扰的缺点。

现有技术也有用超声波源跟踪目标的技术，专利ZL200710169136.5公开了一种超声波跟踪系统及相关方法，主要是通过几个麦克风响应变化频率的超声波，通过相位差来确定目标的方位，并需要通过超声波的波阵面曲率或其它技术来确定目标离摄像机的距离，这种方法几个麦克风之间需要相对较大的距离，且需要复杂的处理电路及较高性能的处理器，并需要和昂贵的可以摇摆，倾斜，变焦的可控摄像机通讯配合才能完成目标跟踪的目的，从而导致成本高昂，并且只能用于特定的摄影设备，只实用于一些专业的场合。

此外还有一些其他现有技术也公开了采用超声波来定位的技术，但是这些现有技术都必须要得知特定范围内的目标的准确三维坐标，需要准确确定超声波发射装置与接收装置之间的距离，因此都需要配合温度传感器测温等辅助技术手段，以确定超声波的准确速度，或需要较多的接收传感器和较高性能的处理器才能计算目标的准确位置，或需要较多的处理器和额外的红外传感器和无线收发模块等才能完成，这些都会必然导致成本升高，可自拍摄影摄像设备的体积增大，不能满足人们日常的需求。

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种的可拍摄设备的可遥控对准目标及自动跟踪目标的方法及装置。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术的问题，提出一种定位拍摄装置，该装置成本低，体积小，十分适用于个人娱乐。

本发明所提出的定位拍摄辅助装置，包括用于固定拍摄设备的云台机构，接收控制电路的指令，驱动拍摄设备转动至拍摄目标的方位；与拍摄目标位置一致的遥控装置，包括超声波发生电路、超声波换能器和指令输入模块，超声波发生电路根据指令输入模块发出的开关命令，通过超声波换能器向云台机构发出或停止发出超声波信号；用于接收超声波信号的超声波传感器组，包括多个超声波传感器及其接收电路，各超声波传感器随着拍摄设备的转动而转动，其接收超声波信号的方向与拍摄设备的镜头视角方向一致，各超声波传感器及其接收电路接收到同一个超声波信号后，分别向控制电路发出电平变化信号；控制电路，根据超声波传感器组的各电平变化信号的时间差，计算出遥控装置的方位，控制云台机构转动。

本发明还提出了定位拍摄方法，包括如下步骤：

步骤1：控制电路的各定时器清零，各标志位为0，开中断，准备接受超声波信号；

步骤2：遥控装置的超声波发生电路及超声波换能器发送超声波信号；

步骤3：三个超声波传感器分别接收同一个超声波信号，超声波传感器对应的超声波接收电路分别输出电平至控制电路，控制电路分别产生相应的中断，对应的计时器开始计时，执行对应的中断服务程序，对应的标志位置1；

步骤4：判断所有的中断服务程序是否已经全部执行完毕，如果否，则继续等待，如果是，则各超声波传感器都已接收了同一个超声波信号，继续下一步骤；

步骤5：控制电路的单片机同一时间关闭所有定时器，关闭中断，此时各定时器得到各自的时间值，单片机根据定时器的时间值在X轴或者Y轴上的时间差计算遥控装置的方位；

步骤6：在得到拍摄目标方位后，控制电路控制云台机构，将拍摄设备超向目标方向转动，同时超声波传感器组的接收方向也跟随拍摄设备一起转动；

步骤7：各记时器清零，开中断，各标志位清零，等待下一个有效的超声波信号，循环步骤3至步骤7对拍摄设备的镜头视角进行修正，直至拍摄设备的镜头对准拍摄目标的方位。

本发明通过设置在遥控装置内的超声波发射装置可由指令输入装置控制发出超声波脉冲信号，多个超声波接收传感器响应超声波源发出的超声波脉冲信号。每个超声波传感器及其接收电路每收到一个有效超声波脉冲后分别给主控制器发出电平变化信号，主控制器通过接收到各超声波传感器及其接收电路发出的电平变化信号的时间差，计算出超声波源到每个超声波传感器的距离差，从而判断佩带遥控装置的目标所在的大致空间方位，然后控制载有拍摄设备的电动云台转动，使拍摄设备的镜头方向最终向佩带遥控装置的目标转动，从而实现遥控对准目标拍照及自动跟踪目标拍摄的目的。本发明同样还可以用于自动跟踪拍摄，当需要自动跟踪目标时，将所述开关装置处于开状态，遥控装置一直发射持续的超声波脉冲信号，接收及跟踪单元通过接受持续的超声波脉冲信号，计算目标方位，便得到持续的目标方位的位置数据流，通过持续的目标方位的位置数据流,控制电动云台支架上的拍摄装置的镜头一直对准运动的目标，便可完成自动跟踪目标拍摄的目的。由于本发明中控制电路可以不和摄像设备发生通讯关系，因此，本发明可实用于所有不需要变焦或可以自动变焦的可摄像设备。同时因为采用接收超声波脉冲的时间差的方式，抗干扰能力强。本发明所用器件少，对主控制器的性能要求不高，超声波传感器阵列中超声波传感器之间的距离小，从而可以做到体积小，成本低，非常适合个人娱乐甚至专业场合也可使用。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图；

图2是本发明的原理方框图；

图3是本发明一实施云台机构的结构示意图；

图4是本发明的流程图；

图5是本发明在一个方向上的方位计算示意图。

图中：1.遥控装置，101.指令输入装置，101A.按键，101B.拨动开关，102.超声波换能器，103.拍摄设备无线控制电路,104．超声波发生电路，2.接收及跟踪单元，3.电动云台机构，301.垂直轴电机组件，302.水平轴电机组件，303.垂直轴转动机构，304.水平轴转动机构，4.控制电路，401.主控制器,402.超声波接收电路，403.电平变化信号示意，5.超声波传感器，6，拍摄设备，7.超声波脉冲波形示意。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，详细说明本发明结构和工作原理。

如图1所示，本发明提供的定位拍摄辅助装置，其主要有遥控装置1和云台机构3这两个部件。

如图2所示，遥控装置1由拍摄目标佩带，遥控装置设置有指令输入模块101，超声波换能器102，超声波发生电路104，进一步还可以遥控装置1还包括拍摄设备无线控制电路103。指令输入模块101可以为按键101A或者拨动开关101B，或者为两者的组合，遥控装置1可以通过按键101A和拨动开关101B控制超声波发生电路发射超声波信号，超声波发生电路根据指令输入模块发出的开关命令，通过超声波换能器向云台机构发出或停止发出超声波信号。本实施例的超声波信号为超声波脉冲信号。当指令输入模块通过按键输入第一指令时，遥控装置发射若干个超声波脉冲信号，当指令输入装置通过拨动开关输入第二指令时，遥控装置根据一定的时间间隔持续发射周期性的超声波脉冲信号。

云台机构3以及设置在云台机构内的控制电路4和设置在云台机构上的超声波传感器组5一起构成了接收及跟踪单元2。

如图3所示，本实施例的云台机构3具有一个圆形底座301，底座上设有一个水平旋转台302，一根水平轴的两端分别与图中层叠的底座和水平旋转台连接，其中水平轴与底座可转动连接，与水平旋转台为固定连接，云台机构内设有驱动水平轴转动的第一电机，水平轴和第一电机组成水平轴电机组件306，使水平旋转台可以以水平轴为旋转中心围绕水平轴在360度范围内旋转（以图3中视角为基准，水平轴相对于地面垂直），水平旋转台的上方沿其径向方向，设有一对间隔的三角形支撑块303，三角形支撑块可以与水平旋转台一体成型作为一个整体，支撑块上固定着垂直轴304，云台机构内还设有驱动垂直轴转动的第二电机，垂直轴与第二电机组成垂直轴电机组件307。与垂直轴固定连接着的是安装座305，安装座上设置着用于固定拍摄设置的夹紧装置，夹紧装置可以是条形槽、吸盘或者夹子等。云台机构接收控制电路的指令，驱动拍摄设备转动至拍摄目标的方位。

超声波传感器组5固定在云台机构的安装座上，各超声波传感器的超声波接收方向和放置在安装座上的拍摄设备的镜头视角方向一致，随着拍摄设备一起转动，各超声波传感器及其接收电路接收到同一个超声波信号后，分别向控制电路发出电平变化信号。本实施例中，采用三个超声波传感器5构成超声波传感器组，三个超声波传感器以其中一个为原点，另外两个分别位于相对于原点的X轴和Y轴上。其中位于X轴的两个超声波传感器用于确定目标的水平方位，位于Y轴的两个超声波传感器用于确定拍摄目标的垂直方位。X轴或者Y轴上的两个超声波传感器之间的距离和控制电路的主控制器的记时频率有关，主控制器记时频率越高，距离可以越小，如果主控制器记时频率为20兆时，可以到2CM左右，减少误差。在其他实施例中，还可以安装三个以上超声波传感器，均匀分布在X轴/Y轴上。

控制电路根据超声波传感器组的各电平变化信号403的时间差，计算出遥控装置的方位，控制云台机构转动。控制电路包括超声波接收电路以及主控制器，超声波传感器组的每一个超声波传感器对应一组超声波接收电路402，分别接到单片机的三个中断输入接口，当超声波传感器收到设定频率的超声波脉冲时，超声波接收电路会输出电压变化信号，单片机的三个中断口收到电压变化信号后，会分别产生中断，执行各自的中断服务程序。

超声波接收电路输出可由主控制器401识别的电平变化信号。每个超声波传感器及其接收电路每收到一个超声波脉冲后分别给主控制器401发出电平变化信号405，主控制器401通过接收到电平变化信号的时间差，也即每个超声波传感器收到同一个超声波信号的时间差，计算出超声波源即遥控装置到每个超声波传感器的距离差值，从而判断佩带遥控装置的目标所在的大致空间方位，从而控制置于云台机构3上的拍摄设备6的镜头方向向佩带超声波发生装置的拍摄目标转动。若循环以上动作，从而实现遥控对准目标拍照及自动跟踪目标拍摄的目的。

当按下按键101A时，遥控装置通过超声波换能器102和超声波发生电路104发射超声波脉冲，当松开按键101A时，遥控装置停止发射超声波脉冲，这样的有益效果是，当按下按键101A时，接收及处理单元就会控制可摄像装置的镜头向佩带遥控装置的目标转动，当可摄像设备的镜头对准目标后，松开按键101A，电动云台机构静止，便完成遥控对准目标的目的，这时可通过拍摄设备无线控制电路103遥控拍摄设备6对目标进行拍照。将拨动开关101B处于开状态时，遥控装置一直发射持续的超声波脉冲信号，接收及跟踪单元通过接受持续的超声波脉冲信号，计算目标方位，便得到持续的目标方位的位置数据流，通过持续的目标方位的位置数据流,控制固定于电动云台支架上的拍摄装置的镜头一直对准运动的目标，便可完成自动跟踪目标拍摄的目的。

超声波脉冲，超声波接收电路可识别的频率的超声波周期性的出现，相邻两个有效频率的超声波脉冲间隔的时间Tm至少足够主控制器计算一次时间差。

控制电路中的主控制器401，可以是能完成记时并进行必要的计算，并控制电动云台电机组件的任何电路和装置，例如单片机（MCU）、可编程门阵列(FPGA)等类似装置，一实施实例中，作为优选主控制器采用的是单片机（MCU）。

如图4所示，本发明的定位拍摄辅助设备的具体工作步骤如下：

步骤1：主控制器上电、系统初始化。

步骤2：三个定时器清零，开中断，准备接受超声波信号。其中各超声波传感器分别对应三个中断，三个中断对应三个不同的定时器。开中断后，三个中断服务程序处于待中断状态，当各超声波传感器接受到遥控装置1发出的超声波脉冲信号时，主控制器就会分别产生3个中断，分别执行对应的三个中断服务程序，三个中断服务程序的流程为：启动对应的定时器。定时器开始计时。将对应的中断标志位置1，表示已执行。

步骤3：判断三个标志位是否都已置1，如果否，则继续等待，如果是，则三个传感器都已接收了同一个超声波脉冲，可以执行下一步骤。

步骤4：同一时间关闭所有定时器，关闭中断。从每个超声波传感器接收到超声波信号开始分别计时，到最后统一停止计时，此时三个定时器会分别得到三个时间值T1、T2、T3，这三个时间值分别对应关闭定时器时，三个超声波脉冲信号已到达各超声波传感器的时间值。

步骤5：计算时间差。假设T2对应位于原点的超声波传感器的时间值，T1对应位于Y轴上的超声波传感器的时间值，T3对应位于X轴上的超声波传感器的时间值。其中T1和T2的差值ΔTy用于确定目标在垂直方向的方位，T2和T3的差值ΔTx用于确定目标在水平方向的方位。

步骤6：判断时间差值是否已在设定的对准范围内，如果是，则表示已对准，下一步直接跳转到下面的步骤9（电机组件不动作）。如果否，则表示未对准，下一步执行下面的计算目标方位和控制电机组件的动作。

步骤7：通过T1和T2的差值ΔTy和T2和T3的差值ΔTx，计算目标所在的方向位。

图5示意了一个目标方位快速计算方法的实施例，该方法用于计算目标的大致方位。

P点为目标位置，L为目标离超声波传感器502的距离，以计算水平方向的目标方位为例，ΔL为目标到传感器502与到传感器503的距离差。S为两个传感器502与传感器503之间的距离。θ即为目标方位角，β为L与S的夹角。

首先：，则θ=β-90°。

其中，0≤ΔL≤S,两个传感器502与传感器503之间的距离S为固定值，定时器1，定时器2，定时器3按单片机的系统时钟fosc计数，声速按25摄式度346米/秒计算，则ΔL与计时差值ΔTx的关系为：ΔL=(ΔTx/fosc)*346。考虑到拍摄的最佳有效距离及需要遥控拍照的距离，目标离超声波传感器502的距离L应取0.5米以上。当传感器的距离S为20mm时，经过计算，当已知ΔTx，并考虑声速随温度的变化，L在0.5米以上变化时，得出的目标方位角的最大变化范围仅在1°左右。因此，L例如取最佳拍摄距离2米，声速例如按25摄式度346米/秒计算,当已知ΔTx，传感器的距离S例如取20mm（传感器的距离S实际应用时为固定值）,不管目标距离接收与跟踪单元在有效距离0.5米以上如何变化，及温度在常温度下如何变化，得出的θ角的最大偏差只在1°左右。完全能满足确定目标大致方位的需要。因此，该实施例将L和声速都取固定值来计算。只要得到ΔTx，就可以算出离跟踪单元距离在0.5米以上的目标的大致方位。在单片机的实际编程时，为了减少系统的计算时间，可先计算好一系列ΔTx与目标方位角θ的对应列表，这样在得到一个ΔTx的值时，便可通过查表的方式得到对应的目标水平方向方位角。同样的方法可算出目标垂直方向的方位角。

步骤8：在得到目标方位后，控制云台电机组件，将摄像设备镜头向目标方向转动。超声波阵列的接收方向也跟随向目标方向转动。

步骤9：记时器清零，开中断，标志位F1,F2,F3清零，回到步骤3，等待下一个有效的超声波脉冲，循环对目标方位进行修正。

在一实施实例中，如有需要测定目标与接收及跟踪单元的距离，则可以通过分别在遥控装置和收及跟踪单元上增加传感器来确定目标与接收及跟踪单元的距离。如可在遥控装置增加射频发射装置，射频发射装置与超声波发射装置同步发射射频脉冲，在目标与接收及跟踪单元增加射频接收装置，这样可以通过接收射频脉冲与接收超声波脉冲的时间差计算目标与接收及跟踪单元的距离。

上面所述的垂直，水平都是在一般正常使用的方向，也可以指在其他使用位置的相对方向，只是用于方便解释该发明。此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限制本发明。本发明除了用于图1所示的手机拍照支架外，还可以用于其他场合，如可以用于PC摄像头、无人机自动跟踪拍摄等。

应当理解的是，上述针对具体实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种定位拍摄辅助装置，其特征在于，包括：

用于固定拍摄设备的云台机构，接收控制电路的指令，驱动拍摄设备转动至拍摄目标的方位；

与拍摄目标位置一致的遥控装置，包括超声波发生电路、超声波换能器和指令输入模块，超声波发生电路根据指令输入模块发出的开关命令，通过超声波换能器向云台机构发出或停止发出超声波信号；

用于接收超声波信号的超声波传感器组，包括多个超声波传感器及其接收电路，各超声波传感器随着拍摄设备的转动而转动，其接收超声波信号的方向与拍摄设备的镜头视角方向一致，各超声波传感器及其接收电路接收到同一个超声波信号后，分别向控制电路发出电平变化信号；

控制电路，根据超声波传感器组的各电平变化信号的时间差，计算出遥控装置的方位，控制云台机构转动。

2.如权利要求1所述的定位拍摄辅助装置，其特征在于，所述超声波传感器组包括三个超声波传感器，三个超声波传感器以其中一个为原点，另外两个分别位于相对于原点的X轴和Y轴上。

3.如权利要求1所述的定位拍摄辅助装置，其特征在于，所述超声波信号为超声波脉冲信号。

4.如权利要求3所述的定位拍摄辅助装置，其特征在于，所述指令输入模块输入第一指令时，遥控装置发射若干个超声波脉冲信号，所述指令输入装置输入第二指令时，遥控装置根据一定的时间间隔持续发射周期性的超声波脉冲信号。

5.如权利要求4所述的定位拍摄辅助装置，其特征在于，所述指令输入模块包括按键和拨动开关，所述第一指令通过按键发出，所述第二指令通过拨动开关发出。

6.如权利要求1至5任意一项所述的定位拍摄辅助装置，其特征在于，所述遥控装置还包括用于控制拍摄设备拍照的无线控制电路。

7.如权利要求1至5任意一项所述的定位拍摄辅助装置，其特征在于，所述云台机构包括：底座、设置在底座上的水平旋转台、连接底座和水平旋转台的水平轴、驱动水平轴转动带动水平旋转台相对于底座水平转动的第一电机、设置在水平旋转台上的两个间隔支撑块、固定在支撑块之间的垂直轴、驱动垂直轴转动的第二电机、与所述垂直轴固定的安装座、设置在安装座上用于固定拍摄设置的夹紧装置。

8.如权利要求7所述的定位拍摄辅助装置，其特征在于，所述夹紧装置为安装槽或者吸盘或者夹子。

9.一种如权利要求1所述的定位拍摄辅助装置的定位拍摄方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：控制电路的各定时器清零，各标志位为0，开中断，准备接受超声波信号；

步骤2：遥控装置的超声波发生电路及超声波换能器发送超声波信号；

步骤3：三个超声波传感器分别接收同一个超声波信号，超声波传感器对应的超声波接收电路分别输出电平至控制电路，控制电路分别产生相应的中断，对应的计时器开始计时，执行对应的中断服务程序，对应的标志位置1；

步骤4：判断所有的中断服务程序是否已经全部执行完毕，如果否，则继续等待，如果是，则各超声波传感器都已接收了同一个超声波信号，继续下一步骤；

步骤5：控制电路的单片机同一时间关闭所有定时器，关闭中断，此时各定时器得到各自的时间值，单片机根据定时器的时间值在X轴或者Y轴上的时间差计算遥控装置的方位；

步骤6：在得到拍摄目标方位后，控制电路控制云台机构，将拍摄设备超向目标方向转动，同时超声波传感器组的接收方向也跟随拍摄设备一起转动；

步骤7：各记时器清零，开中断，各标志位清零，等待下一个有效的超声波信号，循环步骤3至步骤7对拍摄设备的镜头视角进行修正，直至拍摄设备的镜头对准拍摄目标的方位。

10.如权利要求9所述的定位方法，其特征在于，所述步骤5中，单片机通过读取X轴/Y轴的两个超声波传感器之间的时间差ΔT_x与拍摄目标的方位角度θ的关系列表，对云台机构进行调整，所述时间差与拍摄目标方位角度的对应关系计算公式为：θ＝β-90°，ΔL＝(ΔTx/fosc)*346其中，L为距离拍摄目标较近的超声波传感器与拍摄目标的距离，ΔL为X轴/Y轴的两个超声波传感器与拍摄目标的距离差，S为两个超声波传感器之间的距离，β为L与S的夹角，fosc为单片机的系统频率。