CN106678523B - 三自由度电动相机调控装置 - Google Patents

三自由度电动相机调控装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三自由度电动相机调控装置，包括：基座机构、升降调整机构、俯仰调整机构、基线调整机构；升降调整机构能够带动俯仰调整机构进行升降移动；俯仰调整机构能够带动基线调整机构进行俯仰旋转；基线调整机构能够调整双目相机的基线长度。将本发明进行应用，可在无人机飞行过程中三自由度调控双目相机与无人机的相对位置；并且用于无人机飞行过程中，可以减小无人机飞控算法的控制负荷，不需要控制无人机的姿态，仅通过实时调整双目相机与载体坐标系之间的相对位置，捕获目标，辅助无人机实现自主定位导航及未知运动目标的相对姿态解算。

Description

三自由度电动相机调控装置
技术领域
本发明涉及相机调控装置，具体地，涉及三自由度电动相机调控装置。
背景技术
在现有技术中，为将相机搭载到无人机上，通常采用云台设备来实现，但是，无人机云台设备仅仅适用于搭载单目相机，对于双目相机而言，由于双目相机中的两个相机之间存在坐标位置等关联及调整，因此若简单通过两个云台分别搭载具有局限性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种三自由度电动相机调控装置。
根据本发明提供的一种三自由度电动相机调控装置，包括：基座机构、升降调整机构、俯仰调整机构、基线调整机构；
基座机构、升降调整机构、俯仰调整机构、基线调整机构依次连接；
升降调整机构能够带动俯仰调整机构进行升降移动；
俯仰调整机构能够带动基线调整机构进行俯仰旋转；
基线调整机构能够调整双目相机的基线长度。
优选地，所述升降调整机构包括升降底座25、升降电机6、升降齿轮23、升降侧挡板26、升降支撑板7、升降板24、升降连接臂27；
升降底座25设置在基座机构上；
升降电机6、升降侧挡板26、升降支撑板7设置在升降底座25上；
升降侧挡板26与升降支撑板7构成导向机构；
升降电机6通过升降齿轮23驱动升降板24在所述导向机构内升降移动；
升降板24通过升降连接臂27带动所述俯仰调整机构升降移动。
优选地，升降侧挡板26为L形板，L形板包括相互垂直的第一板部28和第二板部29；
两个升降侧挡板26的第二板部29均沿前后方向延伸，且分别位于升降支撑板7的左右两侧；
位于升降支撑板7后侧的两个升降侧挡板26的第一板部28之间端部相对，且具有间隙；在左右方向上，升降齿轮23位于所述间隙内；
所述两个升降侧挡板26的第一板部28与升降支撑板7后表面之间的间隙构成升降板24的滑动导向槽；
所述两个升降侧挡板26的第二板部29与升降支撑板7侧表面之间的间隙构成升降连接臂27的滑动导向槽。
优选地，所述俯仰调整机构包括俯仰基座30、相机俯仰控制电机16、俯仰传动轴18；
俯仰基座30连接在所述升降调整机构的升降连接臂27上；
相机俯仰控制电机16设置在俯仰基座30上；
相机俯仰控制电机16能够驱动俯仰传动轴18，由俯仰传动轴18带动所述基线调整机构进行俯仰旋转。
优选地，所述基线调整机构包括主底板21、相机侧挡板12、相机前挡板14、相机后挡板17、右相机底板33、左相机底板34、第一齿轮条31、第二齿轮条32、电机底座10、相机位移控制电机11、第一齿轮37、第二齿轮38、第三齿轮39；
主底板21的左右两侧端分别延伸出相机侧挡板12；
主底板21的前端延伸出相机前挡板14；相机前挡板14设置有测量双目相机基线长度的刻度；
主底板21的后端延伸出相机后挡板17；相机后挡板17连接所述俯仰调整机构的俯仰传动轴18；
右相机底板33、左相机底板34分别安装在主底板21的不同滑槽上以进行移动，右相机底板33与左相机底板34的移动方向之间相互平行；
右相机底板33延伸出第一齿轮条31，左相机底板34延伸出第二齿轮条32；
相机位移控制电机11通过电机底座10连接在主底板21上；
相机位移控制电机11的输出轴上紧固连接有相互分离的第一齿轮37、第二齿轮38；第一齿轮37与第一齿轮条31啮合，第二齿轮38与第一齿轮条31相互分离；第二齿轮38、第三齿轮39、第二齿轮条32依次啮合。
优选地，所述基座机构包括基座底板8、基座侧挡板5、基座后挡板3、基座顶板22；
基座后挡板3、基座侧挡板5设置在基座底板8上；
基座顶板22设置在基座侧挡板5与基座后挡板3上；
基座底板8、基座顶板22具有允许所述升降调整机构的升降板24通过的通孔；
基座顶板22设置有与无人机连接螺栓匹配的螺孔2。
优选地，所述俯仰调整机构包括水平仪19。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)将本发明进行应用，可在无人机飞行过程中三自由度调控双目相机与无人机的相对位置；并且用于无人机飞行过程中，可以减小无人机飞控算法的控制负荷，不需要控制无人机的姿态，仅通过实时调整双目相机与载体坐标系之间的相对位置，捕获目标，辅助无人机实现自主定位导航及未知运动目标的相对姿态解算。
(2)本发明还可根据应用场景修改双目相机的升降高度和双目相机基线长度；其成本更低，具有便于拆卸、组装、安装的特点，可以根据不同应用场景，适配安装不同尺寸型号的双目相机。比如将双目相机应用到室内导航和室外自主导航定位两种场景中，所采用的相机型号是不同的，本装置可根据需求，无需更换设备可实现自由切换。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的整体结构示意图。
图2为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的可控自由度示意图，其中，旋转箭头表示其中一个自由度是，即可以绕该轴旋转，Y轴为前后方向。
图3为无人机载体坐标系与双目相机坐标系之间的关系示意图。
图4为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的系统分解图。
图5为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的俯视图。
图6为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的前视图。
图7为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的侧视图。
图8为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的分解图。
图9为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的局部图。
图10为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的局部图。
图11为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的基线调整机构的俯视图。
图12为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的基线调整机构的结构示意图。
图13、图14共同示出本发明提供的三自由度电动相机调控装置的基线调整机构的调控原理图。
图15为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的升降调整机构的结构示意图。
图16为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的升降调整机构中升降板伸出顶板的结构示意图。
图17为本发明提供的三自由度电动相机调控装置的升降调整机构中升降板伸出底板的结构示意图。
图18为本发明提供的三自由度电动相机调控装置与无人机之间的理想放置情况。
图19为本发明提供的三自由度电动相机调控装置与无人机之间的偏斜放置情况。
图中：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种三自由度电动相机调控装置，包括：基座机构、升降调整机构、俯仰调整机构、基线调整机构；基座机构、升降调整机构、俯仰调整机构、基线调整机构依次连接；升降调整机构能够带动俯仰调整机构进行升降移动，获得第一自由度；俯仰调整机构能够带动基线调整机构进行俯仰旋转，获得第二自由度；基线调整机构能够调整双目相机的基线长度，获得第三自由度。通过基座机构与无人机之间的无人机螺栓与螺孔的连接，还可以获得旋转的第四自由度。
所述升降调整机构包括升降底座25、升降电机6、升降齿轮23、升降侧挡板26、升降支撑板7、升降板24、升降连接臂27；升降底座25设置在基座机构上；升降电机6、升降侧挡板26、升降支撑板7设置在升降底座25上；升降侧挡板26与升降支撑板7构成导向机构；升降电机6通过升降齿轮23驱动升降板24在所述导向机构内升降移动；升降板24通过升降连接臂27带动所述俯仰调整机构升降移动。升降侧挡板26为L形板，L形板包括相互垂直的第一板部28和第二板部29；两个升降侧挡板26的第二板部29均沿前后方向延伸，且分别位于升降支撑板7的左右两侧；位于升降支撑板7后侧的两个升降侧挡板26的第一板部28之间端部相对，且具有间隙；在左右方向上，升降齿轮23位于所述间隙内；所述两个升降侧挡板26的第一板部28与升降支撑板7后表面之间的间隙构成升降板24的滑动导向槽；所述两个升降侧挡板26的第二板部29与升降支撑板7侧表面之间的间隙构成升降连接臂27的滑动导向槽。
所述俯仰调整机构包括俯仰基座30、相机俯仰控制电机16、俯仰传动轴18；俯仰基座30连接在所述升降调整机构的升降连接臂27上；相机俯仰控制电机16设置在俯仰基座30上；相机俯仰控制电机16能够驱动俯仰传动轴18，由俯仰传动轴18带动所述基线调整机构进行俯仰旋转。
所述基线调整机构包括主底板21、相机侧挡板12、相机前挡板14、相机后挡板17、右相机底板33、左相机底板34、第一齿轮条31、第二齿轮条32、电机底座10、相机位移控制电机11、第一齿轮37、第二齿轮38、第三齿轮39；主底板21的左右两侧端分别延伸出相机侧挡板12；主底板21的前端延伸出相机前挡板14；相机前挡板14设置有测量双目相机基线长度的刻度；主底板21的后端延伸出相机后挡板17；相机后挡板17连接所述俯仰调整机构的俯仰传动轴18；右相机底板33、左相机底板34分别安装在主底板21的不同滑槽上以进行移动，右相机底板33与左相机底板34的移动方向之间相互平行；右相机底板33延伸出第一齿轮条31，左相机底板34延伸出第二齿轮条32；相机位移控制电机11通过电机底座10连接在主底板21上；相机位移控制电机11的输出轴上紧固连接有相互分离的第一齿轮37、第二齿轮38；第一齿轮37与第一齿轮条31啮合，第二齿轮38与第一齿轮条31相互分离；第二齿轮38、第三齿轮39、第二齿轮条32依次啮合。
具体地，利用本发明在无人机飞行过程中，可以根据相机与目标的距离，在一定范围内调整相机间的基线长度；齿轮处俯视图如图11至图14所示，主动轮分为前后两部分，记为第一齿轮、第二齿轮，中间空隙部分半径较小且无齿轮，前半部分带动前齿轮条，后半部分带动作为从动轮的第三齿轮旋转，从动轮带动后齿轮条。两个齿轮条与安装相机的两个平板分别为整体，其结构如图12所示。当电机驱动时，第一齿轮与第三齿轮之间转速相同且方向相反，带动第一齿轮条、第二齿轮条向相反的方向移动而且速度与距离相同。即可完成相机基线调整。)
所述基座机构包括基座底板8、基座侧挡板5、基座后挡板3、基座顶板22；基座后挡板3、基座侧挡板5设置在基座底板8上；基座顶板22设置在基座侧挡板5与基座后挡板3上；基座底板8、基座顶板22具有允许所述升降调整机构的升降板24通过的通孔，以便于在获得更大的移动范围的同时节省材料与减少体积；基座顶板22设置有与无人机连接螺栓匹配的螺孔2。
具体地，所述基座机构用于连接无人机，可调控相机坐标系原点与无人机质心在Z轴方向的距离，所述基座机构与无人机之间通过螺孔与无人机上的螺栓连接，连接方式具有普适性；基座后挡板3通过螺钉与基座底板8、基座侧挡板5连接固定。
初始状态时，螺孔2中轴垂直双目相机的光轴所在平面，通过查看水平仪19调整双目相机光轴所在平面与平行。其中，该处水平仪19的作用是检测，无人机连接螺栓1在安装时，判断本发明提供的整个装置是否在Z轴方向上有小角度的倾斜或偏移，即在初始状态，我们假定双目相机的光轴是平行的，且两个光轴所在平面与螺孔2的中心轴方向是垂直的；例如：如图18所示为装置的理想放置情况，相机所在平台为水平，但是在实际安装中可能会出现如图19所示情况，相机所在轴不水平，这时水平仪19将反映出装置处于不水平状态，即需要重新调整安装螺钉与无人机的连接，使其水平。
根据本发明提供的三自由度电动相机调控装置，其安装步骤包括：
(1)安装固定双目相机，通过所述基线调整机构调整双目相机之间的初始基线长度；
(2)装配所述基座机构与升降调整机构，使所述基座机构与地面水平；
(3)调整升降板的位置，使所述基线调整机构安装在无人机上时与地面有一定的距离；
(4)通过俯仰调整机构调整俯仰电机连接轴，调平相机平面；
(5)用螺钉固定安装基座挡板，使顶板与地板平行，螺孔中轴线与地面垂直；
(6)通过螺栓连接本发明装置与无人机，使该装置与地面保持一定距离。
3)双目相机的坐标系统与无人机的坐标系统的变换关系已知，即在无人机飞行过程中调整相机的位置，则变换后的相机姿态与无人机坐标系之间的变换关系已知(可计算)，如图3所示。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种三自由度电动相机调控装置，其特征在于，包括：基座机构、升降调整机构、俯仰调整机构、基线调整机构；
基座机构、升降调整机构、俯仰调整机构、基线调整机构依次连接；
升降调整机构能够带动俯仰调整机构进行升降移动；
俯仰调整机构能够带动基线调整机构进行俯仰旋转；
基线调整机构能够调整双目相机的基线长度；
所述升降调整机构包括升降底座(25)、升降电机(6)、升降齿轮(23)、升降侧挡板(26)、升降支撑板(7)、升降板(24)、升降连接臂(27)；
升降底座(25)设置在基座机构上；
升降电机(6)、升降侧挡板(26)、升降支撑板(7)设置在升降底座(25)上；
升降侧挡板(26)与升降支撑板(7)构成导向机构；
升降电机(6)通过升降齿轮(23)驱动升降板(24)在所述导向机构内升降移动；
升降板(24)通过升降连接臂(27)带动所述俯仰调整机构升降移动；
升降侧挡板(26)为L形板，L形板包括相互垂直的第一板部(28)和第二板部(29)；
两个升降侧挡板(26)的第二板部(29)均沿前后方向延伸，且分别位于升降支撑板(7)的左右两侧；
位于升降支撑板(7)后侧的两个升降侧挡板(26)的第一板部(28)之间端部相对，且具有间隙；在左右方向上，升降齿轮(23)位于所述间隙内；
所述两个升降侧挡板(26)的第一板部(28)与升降支撑板(7)后表面之间的间隙构成升降板(24)的滑动导向槽；
所述两个升降侧挡板(26)的第二板部(29)与升降支撑板(7)侧表面之间的间隙构成升降连接臂(27)的滑动导向槽。
2.根据权利要求1所述的三自由度电动相机调控装置，其特征在于，所述俯仰调整机构包括俯仰基座(30)、相机俯仰控制电机(16)、俯仰传动轴(18)；
俯仰基座(30)连接在所述升降调整机构的升降连接臂(27)上；
相机俯仰控制电机(16)设置在俯仰基座(30)上；
相机俯仰控制电机(16)能够驱动俯仰传动轴(18)，由俯仰传动轴(18)带动所述基线调整机构进行俯仰旋转。
3.根据权利要求1所述的三自由度电动相机调控装置，其特征在于，所述基线调整机构包括主底板(21)、相机侧挡板(12)、相机前挡板(14)、相机后挡板(17)、右相机底板(33)、左相机底板(34)、第一齿轮条(31)、第二齿轮条(32)、电机底座(10)、相机位移控制电机(11)、第一齿轮(37)、第二齿轮(38)、第三齿轮(39)；
主底板(21)的左右两侧端分别延伸出相机侧挡板(12)；
主底板(21)的前端延伸出相机前挡板(14)；相机前挡板(14)设置有测量双目相机基线长度的刻度；
主底板(21)的后端延伸出相机后挡板(17)；相机后挡板(17)连接所述俯仰调整机构的俯仰传动轴(18)；
右相机底板(33)、左相机底板(34)分别安装在主底板(21)的不同滑槽上以进行移动，右相机底板(33)与左相机底板(34)的移动方向之间相互平行；
右相机底板(33)延伸出第一齿轮条(31)，左相机底板(34)延伸出第二齿轮条(32)；
相机位移控制电机(11)通过电机底座(10)连接在主底板(21)上；
相机位移控制电机(11)的输出轴上紧固连接有相互分离的第一齿轮(37)、第二齿轮(38)；第一齿轮(37)与第一齿轮条(31)啮合，第二齿轮(38)与第一齿轮条(31)相互分离；第二齿轮(38)、第三齿轮(39)、第二齿轮条(32)依次啮合。
4.根据权利要求1所述的三自由度电动相机调控装置，其特征在于，所述基座机构包括基座底板(8)、基座侧挡板(5)、基座后挡板(3)、基座顶板(22)；
基座后挡板(3)、基座侧挡板(5)设置在基座底板(8)上；
基座顶板(22)设置在基座侧挡板(5)与基座后挡板(3)上；
基座底板(8)、基座顶板(22)具有允许所述升降调整机构的升降板(24)通过的通孔；
基座顶板(22)设置有与无人机连接螺栓匹配的螺孔(2)。
5.根据权利要求1所述的三自由度电动相机调控装置，其特征在于，所述俯仰调整机构包括水平仪(19)。
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