CN105867436A - 无人飞行器及其云台系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无人飞行器及其云台系统，属于航空拍摄领域。该云台系统，用于承载一成像设备，包括：云台控制装置，该云台控制装置包括云台控制电路板和设于该云台控制电路板的云台控制电路，该云台控制电路包括处理器、电机驱动单元、第一姿态传感器、第二姿态传感器，该第一姿态传感器位于该云台控制电路板上，用于检测该云台的姿态，得到第一姿态数据，该第二姿态传感器设于该成像设备上，用于检测该成像设备的姿态，得到第二姿态数据，该处理器依据该第一姿态数据和该第二姿态数据控制该电机驱动单元使该云台保持预设的状态。本发明的无人飞行器及其云台系统具有稳定效果好、调试简单、对相机安装精度要求低以及批量生产良率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及航空拍摄技术领域，特别是涉及一种无人飞行器及其云台系统。
背景技术
无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务并能重复使用的飞行器。能够利用无线遥控设备和自身的控制装置进行控制的不载人飞行器，例如无人直升机、无人固定翼机、无人伞翼机等等。该无人机可以用于挂载拍摄装置，用于航拍、测绘、侦查等等。
无人机在飞行中的震动是不可避免的，而航拍器材(如拍摄相机)对震动很敏感，使拍摄出来的画面变得模糊，抖动，甚至使人感觉眩晕。这种抖动可以分解为三个方向上震动，飞行器的俯仰方向，横滚方向，航向方向。
目前市场上，已有很专业的云台系统，稳定效果好，负载大，但是价格高昂。现有技术比较通用的云台系统由于使用8位MCU，运算速度慢，导致出现稳定效果较差、调试复杂、对相机的安装精度要求很苛刻和大批量生产良率不高的问题。
基于此，有必要提供一种新的无人飞行器及其云台系统。
发明内容
本发明正是基于以上一个或多个问题，提供一种无人飞行器及其云台系统，用以解决现有技术中的无人飞行器中存在的稳定效果较差、调试复杂、对相机的安装精度要求很苛刻和大批量生产良率不高的问题。
本发明提供一种云台系统，用于承载一成像设备，其中，包括：云台控制装置，所述云台控制装置包括云台控制电路板和设于所述云台控制电路板的云台控制电路，所述云台控制电路包括处理器、电机驱动单元、第一姿态传感器、第二姿态传感器，所述第一姿态传感器位于所述云台控制电路板上，用于检测所述云台的姿态，得到第一姿态数据，所述第二姿态传感器设于所述成像设备上，用于检测所述成像设备的姿态，得到第二姿态数据，所述处理器依据所述第一姿态数据和所述第二姿态数据控制所述电机驱动单元使所述云台保持预设的状态。
较佳地，所述处理器依据所述第一姿态数据和所述第二姿态数据控制所述电机驱动单元使所述云台保持预设的状态，具体包括：所述处理器依据所述第一姿态数据和所述第二姿态数据采用滤波算法滤除所述云台的震动产生的噪声数据，和差分算法得到云台的准确姿态数据，然后控制所述电机驱动单元使所述云台保持预设的状态。
较佳地，所述然后控制所述电机驱动单元使所述云台保持预设的状态，具体为：采用比例积分微分控制算法将所述准确姿态数据与使所述云台保持预设的状态时对应的状态数据进行运算，产生控制所述电机驱动单元的PWM信号，使所述云台保持预设的状态。
较佳地，所述处理器包括：用于处理所述云台系统的数据的中央处理单元、用于去电源耦合来的干扰和杂波的电源滤波单元、用于连接所述电机驱动单元的电机驱动接口、用于连接所述第一姿态传感器的第一姿态传感器接口、用于连接所述第二姿态传感器的第二姿态传感器接口以及用于调节所述云台系统的调试接口。
较佳地，所述电机驱动单元包括至少两个用于驱动控制所述电机驱动单元的半桥集成驱动芯片，用于去除电源耦合的电源去耦合单元，滤除电源干扰和杂波的电机电源滤波电容以及用于对所述电机驱动单元进行过流保护的电流传感器。
较佳地，所述云台系统还包括：用于固定所述云台控制装置的云台固定装置，所述云台固定装置包括：设于所述基板一端具有固定孔的固定孔部，与所述固定孔部相对的另一端设置卡扣结构，其中，还包括设于所述基板上且位于所述固定孔部两侧的筋条，所述筋条支撑所述云台控制电路板以使所述云台控制电路板的一端被所述卡扣结构扣住。
较佳地，所述云台固定装置还包括设于所述云台控制电路板上的第一固定凹槽，在固定所述云台控制电路板时，所述第一固定凹槽抵靠到所述支撑部，所述第一固定凹槽的槽底还设有半圆形固定槽。
较佳地，所述云台控制电路板在所述第一固定凹槽的相对侧设有第二固定凹槽，所述第二固定凹槽槽底设有一突起部，所述突起部上设有与所述固定孔部的固定孔相对应的第一固定孔。
较佳地，所述云台固定装置还包括弹性电触点，所述弹性电触点穿过所述基板并抵靠到所述云台控制电路板对应的触点部。
一种无人飞行器，包括飞行器本体和设于所述飞行器本体上的云台系统，其中，所述云台系统为如前任一项所述的云台系统。
本发明提供的无人飞行器及其云台系统，具有稳定效果好、调试简单、对相机安装精度要求低以及批量生产良率高的优点。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的云台系统结构示意图；
图2是图1中的云台控制装置的结构示意图。
图3是图1中的云台固定装置在云台控制电路板安装到基板时的结构示意图。
图4是图3所示的云台控制电路板安装到基板装配时另一视角下的结构示意图。
图5是图3所示的基板上的固定结构较佳实施例的示意图。
图6是图5所示的基板上的固定结构在另一视角下的示意图。
图7是图3所示的云台控制电路板的较佳实施例的结构示意图。
图8是图7的云台控制电路板的背面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。
请参见图1与图2，图1是本发明较佳实施例的云台系统结构示意图；图2是图1中的云台控制装置的结构示意图。如图1和图2所示，本发明提供一种云台系统，用于承载一成像设备，成像设备可以为常见的拍摄设备，也可以是搭载成像器件的其它电子设备，例如手机，平板电脑等。该云台系统包括：云台控制装置，所述云台控制装置包括云台控制电路板100和设于所述云台控制电路板的云台控制电路，所述云台控制电路包括处理器110、电机驱动单元120、第一姿态传感器130、第二姿态传感器140，所述第一姿态传感器130位于所述云台控制电路板上，用于检测所述云台的姿态，得到第一姿态数据，所述第二姿态传感器140设于所述成像设备上，用于检测所述成像设备的姿态，得到第二姿态数据，所述处理器依据所述第一姿态数据和所述第二姿态数据控制所述电机驱动单元使所述云台保持预设的状态。这个预设的状态，依据操作者的需要来设定，可以是保持正常的平稳状态，也可以保持俯冲飞行的状态等等。其中，第一姿态数据，含有云台或者说无人飞行器的姿态，包括：第一航向数据、第一俯仰数据、第一横滚数据；第二姿态数据主要是成像设备的姿态数据，具体包括：第二航向数据、第二俯仰数据、第二横滚数据。第一姿态传感器130、第二姿态传感器140采用六轴、九轴等多轴姿态传感器。
本发明提供的无人飞行器的云台系统，具有稳定效果好、调试简单、对相机安装精度要求低以及批量生产良率高的优点。
较佳地，所述处理器110依据所述第一姿态数据和所述第二姿态数据控制所述电机驱动单元使所述云台保持预设的状态，具体包括：所述处理器110依据所述第一姿态数据和所述第二姿态数据采用滤波算法滤除所述云台的震动产生的噪声数据，和差分算法得到云台的准确姿态数据，然后控制所述电机驱动单元120使所述云台保持预设的状态。这里的滤波算法可以采用常见滤波算法，如高斯滤波算法。处理器110采用Stm32f103RCT6，这是一个32位单片机，主频为72MHZ，PWM单元均使用16位定时器，使PWM的分辨率达到1/65536，对电机驱动单元120的控制更加细腻和准确，共使用了6路PWM来做两个轴向的无刷电机控制。
较佳地，所述然后控制所述电机驱动单元120使所述云台保持预设的状态，具体为：采用比例积分微分控制算法(PID控制算法)将所述准确姿态数据与使所述云台保持预设的状态时对应的状态数据进行运算，产生控制所述电机驱动单元的PWM信号，使所述云台保持预设的状态。
较佳地，所述处理器包括：用于处理所述云台系统的数据的中央处理单元111、用于去电源耦合来的干扰和杂波的电源滤波单元115、用于连接所述电机驱动单元的电机驱动接口112、用于连接所述第一姿态传感器的第一姿态传感器接口113、用于连接所述第二姿态传感器的第二姿态传感器接口114以及用于调节所述云台系统的调试接口116。
在一个较佳实施例中，所述电机驱动单元120包括至少两个用于驱动控制所述电机驱动单元的半桥集成驱动芯片，用于去除电源耦合的电源去耦合单元，滤除电源干扰和杂波的电机电源滤波电容以及用于对所述电机驱动单元进行过流保护的电流传感器。具体地，电机驱动单元120内的驱动电路使用内含3个半桥的集成芯片DRV8313，而外部带有电源去偶电容和电源滤波电容，自带电流传感器用于过流保护，可以驱动三相无刷电机。采用3个半桥集成芯片的好处是分立元件少，更容易生产和维修，还自带保护电路。无刷电机采用三相步进电机的控制模式，可以迅速的正转反转，并且获得精确的步进角度。
还有，为使整个云台控制装置工作电源更稳定，该云台控制装置还包括电源管理单元，包括：开关电源电路，指示灯电路,与云台控制电路的触点连接的电源接口。此电源管理单元，使用的是一个DC2DC的非线性降压芯片，其作用是提高电源的使用效率，降低LDO线性降压芯片带来的压降损耗，将12V电压直接转换为3.3V。另外的一片LDO线性降压芯片是用于在没有外部12V电源时，可以使用USB的5V作为调试时的供电。
进一步地，所述云台系统还包括：用于固定所述云台控制装置的云台固定装置，关于本发明的云台固定装置请一并图3、图4、图5、图6图7及图8，图3是图1中的云台固定装置在云台控制电路板安装到基板时的结构示意图；图4是图3所示的云台控制电路板安装到基板装配时另一视角下的结构示意图；图5是图3所示的基板上的固定结构较佳实施例的示意图；图6是图5所示的基板上的固定结构在另一视角下的示意图；图7是图3所示的云台控制电路板的较佳实施例的结构示意图；图8是图7的云台控制电路板的背面结构示意图。
所述云台固定装置包括：设于所述基板一端具有固定孔的固定孔部，与所述固定孔部相对的另一端设置卡扣结构，其中，还包括设于所述基板上且位于所述固定孔部两侧的筋条，所述筋条支撑所述云台控制电路板以使所述云台控制电路板的一端被所述卡扣结构扣住。
进一步地，所述云台固定装置还包括设于所述云台控制电路板上的第一固定凹槽，在固定所述云台控制电路板时，所述第一固定凹槽抵靠到所述支撑部，所述第一固定凹槽的槽底还设有半圆形固定槽。
进一步地，所述云台控制电路板在所述第一固定凹槽的相对侧设有第二固定凹槽，所述第二固定凹槽槽底设有一突起部，所述突起部上设有与所述固定孔部的固定孔相对应的第一固定孔。
进一步地，所述云台固定装置还包括弹性电触点，所述弹性电触点穿过所述基板并抵靠到所述云台控制电路板对应的触点部。
上述结构具体如图3至图8所示，该云台固定装置用于固定云台控制电路板10至一无人飞行器的基板20上，包括：设于所述基板20一端具有固定孔的固定孔部23，与所述固定孔部23相对的另一端27设置卡扣结构22，其中，还包括设于所述基板20上且位于所述固定孔部23两侧的筋条21、24，所述筋条21、24支撑所述云台控制电路板以使所述云台控制电路板的一端被所述卡扣结构扣住。
本发明的无人飞行器的云台固定装置通过将固定孔、卡扣以及筋条组合实现云台电路控制板的固定，具有结构简单，固定稳定性良好，易于拆装且成本低廉的有益效果。
进一步地，所述卡扣结构22在所述基板20上表面上，包括远离所述基板20的顶部和连接所述顶部与所述基板的支撑部，所述顶部与所述基板平行。在卡扣结构22的顶部投影到基板20上的位置为一条形通孔25。
在一个较佳实施例中，所述固定孔部23自所述基板20上表面穿过所述基板20，并突出于所述基板20的下表面。
在一个较佳实施例中，所述云台固定装置还包括设于所述云台控制电路板上的第一固定凹槽13，在固定所述云台控制电路板20时，所述第一固定凹槽13抵靠到所述支撑部。
在一个较佳实施例中，所述第一固定凹槽13的槽底还设有半圆形固定槽17。该半圆形固定槽17作为扩展的固定件，可以依据实际情况，将螺丝穿过该半圆形固定槽17，以进一步固定云台控制电路板20至飞行器本体的基板上。
本发明较佳实施例提供的云台控制电路板，包括：用于设置云台控制电路的控制电路板本体10，设于所述控制电路板本体10上的两个第一缓冲孔12a、12b，所述第一缓冲孔12a、12b用于安装防云台震动的缓冲件，在所述控制电路板本体10第一侧的两个所述第一缓冲孔12a、12b之间设有用于对所述控制电路板本体10进行限位固定的第一固定凹槽13。
进一步地，所述云台控制电路板本体10的与所述第一侧相对的第二侧设有第二固定凹槽，所述第二固定凹槽的槽底设有一突起部11。所述突起部11中设有一固定孔14。该固定孔14用于进一步固定云台控制电路板本体11，通过螺钉或者膨胀条形塑料件穿过固定孔14再插入飞行器本体上相对应的孔实现。
较佳地，在所述云台控制电路板本体的第二侧的所述第二固定凹槽的两槽壁侧分别设有一个第二缓冲孔12c、12d，两个所述第二缓冲孔12c、12d与两个所述第一缓冲孔12a、12b首尾依次相连呈一矩形形状。
较佳地，所述第一固定凹槽的槽底设有半圆形固定槽18。半圆形固定槽18可以作为加强固定或扩展固定，根据需要用螺钉等穿过固定到飞行器本体上。所述半圆形固定槽18与所述固定孔14相对设置。
较佳地，所述突起部11与所述第二固定凹槽的两槽壁形成的截面呈W形形状，且突起部11的顶部、第二固定凹槽的两槽壁的顶部均为平滑的弧形形状。
请进一步参见图8，所述控制电路板本体的背面设有电触点接触部15，所述电触点接触部14设有多个接触点，与飞行器上的设置的电触点接触，作为控制电路板本体的供电接口，无需外接导线，使得结构简单。较佳地，所述电触点接触部位于所述控制电路板本体的背面的中心区域。
较佳地，所述云台固定装置还包括弹性电触点28，所述弹性电触点28穿过所述基板20上的通孔26并抵靠到所述云台控制电路板对应的触点部15。
较佳地，所述弹性电触点28的数量为六个，且排成至少两排。如排成两排，每排设置3个，或者排成3排，每排设置两个。
本发明的云台固定装置的装配固定过程如图3和图4所示，将云台电路控制板10的第一固定凹槽13正对基板20上的卡扣结构22，然后沿X方向移动，并用云台电路控制板10的下底面接触筋条21，之后沿筋条21滑动，并使第一固定凹槽13抵靠卡扣结构22的支撑部，并使弹性电触点28与云台电路控制板10的电触点部准确对位，之后用固定连接件(如螺丝等)穿过云台电路控制板的第一固定孔，以及基板上的固定孔部23的固定孔进一步固定。在弹性电触点28的作用力下使得整个云台电路控制板10更进一步稳定地固定到基板上。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
以上对本发明所提供的一种无人飞行器及其云台系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种云台系统，用于承载一成像设备，其特征在于，包括：云台控制装置，所述云台控制装置包括云台控制电路板和设于所述云台控制电路板的云台控制电路，所述云台控制电路包括处理器、电机驱动单元、第一姿态传感器、第二姿态传感器，所述第一姿态传感器位于所述云台控制电路板上，用于检测所述云台的姿态，得到第一姿态数据，所述第二姿态传感器设于所述成像设备上，用于检测所述成像设备的姿态，得到第二姿态数据，所述处理器依据所述第一姿态数据和所述第二姿态数据控制所述电机驱动单元使所述云台保持预设的状态。
2.如权利要求1所述的云台系统，其特征在于，所述处理器依据所述第一姿态数据和所述第二姿态数据控制所述电机驱动单元使所述云台保持预设的状态，具体包括：所述处理器依据所述第一姿态数据和所述第二姿态数据采用滤波算法滤除所述云台的震动产生的噪声数据，和差分算法得到云台的准确姿态数据，然后控制所述电机驱动单元使所述云台保持预设的状态。
3.如权利要求2所述的云台系统，其特征在于，所述然后控制所述电机驱动单元使所述云台保持预设的状态，具体为：采用比例积分微分控制算法将所述准确姿态数据与使所述云台保持预设的状态时对应的状态数据进行运算，产生控制所述电机驱动单元的PWM信号，使所述云台保持预设的状态。
4.如权利要求2所述的云台系统，其特征在于，所述处理器包括：用于处理所述云台系统的数据的中央处理单元、用于去电源耦合来的干扰和杂波的电源滤波单元、用于连接所述电机驱动单元的电机驱动接口、用于连接所述第一姿态传感器的第一姿态传感器接口、用于连接所述第二姿态传感器的第二姿态传感器接口以及用于调节所述云台系统的调试接口。
5.如权利要求1所述的云台系统，其特征在于，所述电机驱动单元包括至少两个用于驱动控制所述电机驱动单元的半桥集成驱动芯片，用于去除电源耦合的电源去耦合单元，滤除电源干扰和杂波的电机电源滤波电容以及用于对所述电机驱动单元进行过流保护的电流传感器。
6.如权利要求1至5任一项所述的云台系统，其特征在于，所述云台系统还包括：用于固定所述云台控制装置的云台固定装置，所述云台固定装置包括：设于所述基板一端具有固定孔的固定孔部，与所述固定孔部相对的另一端设置卡扣结构，其中，还包括设于所述基板上且位于所述固定孔部两侧的筋条，所述筋条支撑所述云台控制电路板以使所述云台控制电路板的一端被所述卡扣结构扣住。
7.如权利要求6所述的云台固定装置，其特征在于，所述云台固定装置还包括设于所述云台控制电路板上的第一固定凹槽，在固定所述云台控制电路板时，所述第一固定凹槽抵靠到所述支撑部，所述第一固定凹槽的槽底还设有半圆形固定槽。
8.如权利要求7所述的云台固定装置，其特征在于，所述云台控制电路板在所述第一固定凹槽的相对侧设有第二固定凹槽，所述第二固定凹槽槽底设有一突起部，所述突起部上设有与所述固定孔部的固定孔相对应的第一固定孔。
9.如权利要求8所述的云台固定装置，其特征在于，所述云台固定装置还包括弹性电触点，所述弹性电触点穿过所述基板并抵靠到所述云台控制电路板对应的触点部。
10.一种无人飞行器，包括飞行器本体和设于所述飞行器本体上的云台系统，其特征在于，所述云台系统为权利要求1至9任一项所述的云台系统。
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