CN107483781B - 一种无人艇云台摄像机自调平的稳定装置 - Google Patents

一种无人艇云台摄像机自调平的稳定装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无人艇云台摄像机自调平的稳定装置，包括自稳定云台支承机构、减重机械手臂机构、支承轴和底座，云台摄像机与自稳定云台支承机构的云台安装架固定连接，所述自稳定云台支承机构的电机固定架与减重机械手臂机构的末端连接板固定连接，所述减重机械手臂机构通过连接板连接支承轴上端，所述支承轴底端与底座固连。本发明能够解决无人艇航行中受到海浪的影响而摇摆晃动等情况下，云台摄像机位置不稳定导致拍摄画面过于抖动，引起的图像不稳、视觉效果差等问题。本发明操作简单、动态响应迅速准确、稳定可靠，能够使云台摄像机保持稳定状态，从而大幅度优化视频采集效果。

Description

一种无人艇云台摄像机自调平的稳定装置
技术领域
本发明涉及一种稳定装置，特别地涉及一种无人艇云台摄像机自调平的稳定装置。
技术背景
无人艇作为一种新型的海上智能体，在现代军事以及工程领域运用规模相当广泛，具体可用于执行扫雷、反潜、反恐攻击等军事任务以及海上港口监视和搜救等民用任务。而无人艇自主识别周围环境、目标以及障碍物，主要是通过对周围场景图像信息进行采集、随后对采集视频或图像中的水面目标提取特征并加以识别来实现的，因此视觉系统就成为了其配备的主要设备之一。由于海上环境复杂，客观存在的水面波动和无人艇的高速运行，会导致目标视频图像抖动模糊，影响后续处理。
目前所研究的获取清晰视频图像的方法主要有两种：一种是对采集的视频进行数字图像处理，即利用计算机等高速、大规模集成数字硬件，对从获得图像信息转换来的数字信号进行某些数字运算或处理，如去除图像噪声、增强信息微弱的图像、校正失真的图像等方法，从而提高图像的质量、以达到人们所期望的效果；另一种是利用人工手持或远程操纵对摄像机进行调整平衡、或使用一些半自主摄像机稳定器来保持摄像机位姿的稳定。前者运用起来算法较为复杂、不易上手，并且所获得的视频及图像的质量不高是客观存在的事实，对其进行数字图像处理作为后续弥补的方案，只是对视频及图像本身的缺陷有所削弱，不能从根本上避免或消除、进而从根本上保证图像的清晰度、获得高质量的视频及图像；后者所用的稳定器造价昂贵，需人工使用稳定器对摄像机进行操作，不能完全避免摄像机的晃动、对使用技巧要求较高、稳定效果不佳、鲁棒性差，不能满足较高的画面稳定要求。所以迫切需要一种结构相对简单、操作容易上手、动态响应迅速准确、稳定可靠，并可以省去人工操作的稳定装置，来更好地保持云台摄像机的稳定状态，从而大幅度优化视频采集效果。
发明内容
本发明的目的在于解决水面波动使得高速航行的无人艇发生摇晃，使得无人艇上所配置的云台摄像机随之晃动等情况下，导致所采集到的目标视频图像抖动模糊等问题，提供一种结构相对简单、易于运行和维护、操作容易上手、性能稳定可靠的无人艇云台摄像机自调平的稳定装置。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种无人艇云台摄像机自调平的稳定装置，包括自稳定云台支承机构、减重机械手臂机构、支承轴和底座，云台摄像机与自稳定云台支承机构的云台安装架固定连接，所述自稳定云台支承机构的电机固定架与减重机械手臂机构的末端连接板固定连接，所述减重机械手臂机构通过连接板连接支承轴上端，所述支承轴底端与底座固连。
所述自稳定云台支承机构由云台安装架、陀螺仪和加速度传感器、电机盘形固定架、三对直线电机与弹簧、球笼式万向节、弹簧盘形固定架、配重砝码、中间轴和支承架组成，具体结构为：云台摄像机与云台安装架固定连接，所述陀螺仪和加速度传感器固定在云台安装架底面，云台安装架底面与中间轴上端固定连接，中间轴下端与球笼式万向节固定连接，球笼式万向节下端与支承架的轴上端面固定连接，球笼式万向节与弹簧固定架活动连接，弹簧固定架和三条弹簧活动连接，三条弹簧分别与三个直线电机一一对应固定连接，三个直线电机与电机固定架活动连接，支承架的托盘上放置的配重砝码数量根据实际情况进行调整；所述陀螺仪和加速度传感器将采集到的信号实时地传动到直线电机驱动电路的单片机中，电机驱动电路的单片机根陀螺仪和加速度传感器所采集到的信号，计算出云台摄像机在当前采集时刻下相对于上一采集时刻下的偏移量，并根据偏移量大小计算出控制信号进而控制三个直线电机的运动。
所述减重机械手臂机构由减重机械前臂和减重机械上臂通过人字形前上臂连接板活动连接，其具体结构为：减重机械前臂的两条H形金属板一端通过人字形前上臂连接板与减重机械上臂的一条长H形金属板和一条短H形金属板前端活动连接。
所述减重机械前臂由两条H形金属板、末端连接板和三条第一稳定弹簧组成，所述减重机械上臂由一条长H形金属板、两条短H形金属板、一个L形连接板和一个阻尼器构成的平行四边形机构与两条第二稳定弹簧组成，具体结构为：所述减重机械前臂的两条H形金属板前端分别与末端连接板活动连接，另一端通过人字形前上臂连接板与减重机械上臂的一条长H形金属板和一条短H形金属板前端活动连接，减重机械前臂的两条H形金属板之间连接有一条第一稳定弹簧，减重机械上臂的两条H形短金属板各自的一端分别与阻尼器的两端活动连接，三者所组机构与减重机械上臂的一条H形长金属板之间活动连接一个L形连接板，L形连接板的上端与连接板固定连接，末端连接板与人字形连接板之间有两条第一稳定弹簧、L形连接板与人字形连接板之间有两条第二稳定弹簧。
本发明与现有技术相比较，具有以下明显优点及突出性进步：
采用陀螺仪和加速度传感器来检测云台摄像机运动的方向和大小，结构紧凑、灵敏度高、工作可靠性强。三对直线电机与弹簧及电机、弹簧盘形固定架构成的三自由度位姿调整平台实时调整摄像机的姿态，拥有传统并联机器人的结构紧凑、承载能力强、定位精度高、动态响应迅速准确等优点，同时又具备工作空间大的优势，能够适应无人艇所带来的较为剧烈的晃动、实现对云台姿态、位移的调整，维持摄像机的稳定从而采集到清晰度高、连贯的视频图像，且云台与云台安装架直接接触固定，可以保证较小的累积误差。采用的万向节机构能够实时检测到轻微的晃动，并及时自动补偿不稳定的部分，进一步保证了摄像机位姿的高稳定性。配重砝码的数量可以根据实际情况进行调整，这使得本装置易于适应不同重量的云台摄像机，大大增加了系统的灵活性。减重机械手臂机构采用了基于弹簧的被动重力平衡技术，能够补偿机构及云台摄像机的重量、有效抵消部分或全部会导致摄像机晃动的外载荷，从而维持机构的静态平衡、提高结构的承载能力。减重机械手臂机构具有充分的机动性，成本低、操作简单、性能稳定、易于运行和维护。
附图说明
图1是一种无人艇云台摄像机自调平的稳定装置的整体结构示意图。
图2是一种无人艇云台摄像机自调平的稳定装置的结构主视图。
图3是自稳定云台支承机构的结构示意图。
图4是自稳定云台支承机构的结构主视图。
图5是减重机械手臂机构的结构主视图。
图6是图5的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图，详述本发明的具体结构和工作原理。
如图1和图2所示，一种无人艇云台摄像机自调平的稳定装置，包括自稳定云台支承机构、减重机械手臂机构、支承轴18和底座17，云台摄像机与自稳定云台支承机构的云台安装架1固定连接，所述自稳定云台支承机构的电机固定架3与减重机械手臂机构的末端连接板11固定连接，所述减重机械手臂机构通过连接板19连接支承轴18上端，所述支承轴18底端与底座17固连。
如图3和图4所示，所述自稳定云台支承机构由云台安装架1、陀螺仪和加速度传感器2、电机盘形固定架3、三对直线电机4与弹簧6、球笼式万向节7、弹簧盘形固定架8、配重砝码9、中间轴5和支承架10组成，具体结构为：云台摄像机与云台安装架1固定连接，所述陀螺仪和加速度传感器2固定在云台安装架1底面，云台安装架1底面与中间轴5上端固定连接，中间轴5下端与球笼式万向节7固定连接，球笼式万向节7下端与支承架10的轴上端面固定连接，球笼式万向节7与弹簧固定架8活动连接，弹簧固定架8和三条弹簧6活动连接，三条弹簧6分别与三个直线电机4一一对应固定连接，三个直线电机4与电机固定架3活动连接，支承架10的托盘上放置的配重砝码9数量根据实际情况进行调整；所述陀螺仪和加速度传感器2将采集到的信号实时地传动到直线电机驱动电路的单片机中，电机驱动电路的单片机根陀螺仪和加速度传感器2所采集到的信号，计算出云台摄像机在当前采集时刻下相对于上一采集时刻下的偏移量，并根据偏移量大小计算出控制信号进而控制三个直线电机4的运动。
如图5和图6所示，所述减重机械手臂机构由减重机械前臂和减重机械上臂通过人字形前上臂连接板13活动连接，其具体结构为：减重机械前臂的两条H形金属板12一端通过人字形前上臂连接板13与减重机械上臂的一条长H形金属板21和一条短H形金属板16前端活动连接。
所述减重机械前臂由两条H形金属板12、末端连接板11和三条第一稳定弹簧22组成，所述减重机械上臂由一条长H形金属板21、两条短H形金属板16、一个L形连接板20和一个阻尼器15构成的平行四边形机构与两条第二稳定弹簧14组成，具体结构为：所述减重机械前臂的两条H形金属板12前端分别与末端连接板11活动连接，另一端通过人字形前上臂连接板13与减重机械上臂的一条长H形金属板21和一条短H形金属板16前端活动连接，减重机械前臂的两条H形金属板12之间连接有一条第一稳定弹簧22，减重机械上臂的两条H形短金属板16各自的一端分别与阻尼器15的两端活动连接，三者所组机构与减重机械上臂的一条H形长金属板21之间活动连接一个L形连接板20，L形连接板20的上端与连接板19固定连接，末端连接板11与人字形连接板13之间有两条第一稳定弹簧22、L形连接板20与人字形连接板13之间有两条第二稳定弹簧14。
本发明的一种无人艇云台摄像机自调平的稳定装置工作原理如下：
如图2所示，本发明的一种无人艇云台摄像机自调平的稳定装置中，减重机械手臂机构首先发生作用，该机构通过基于弹簧的被动重力平衡技术，自动补偿机构及云台摄像机的重量。如图5所示，减重机械手臂机构的H形金属板都与稳定弹簧系统相连，在水面波动使得高速航行的无人艇发生摇晃的情况下，弹簧系统产生形变，可使平行四边形机构发生移动，弹簧系统产生的拉力可有效抵消部分或全部会导致无人艇上配备的云台摄像机发生晃动的外载荷，使得与减重机械手臂机构连接的云台摄像机和自稳定云台支承机构仅受到较小的柔性冲击；此外，减重机械手臂机构中每条稳定弹簧的连接点都是可调的，可以根据不同型号的云台摄像机和不同的海面情况调节手臂的减重与稳定能力。选择适合的弹簧可以使得整个过程中弹簧的形变较小，而弹簧的形变越小，则减重机械手臂机构连接的云台摄像机和自稳定云台支承机构的位移越小，那么云台摄像机的抖动就会越小，综上所述，减重机械手臂机构对云台摄像机有减震、稳定的功能。
如图2所示，经过减重机械手臂机构的减震、稳定后，云台摄像机和自稳定云台支承机构可能会发生较小的位置移动和角度转动。如图3所示，自稳定云台支承机构中的三自由度位姿调整平台由三对直线电机与弹簧及电机、弹簧盘形固定架构成，当陀螺仪和加速度传感器将采集到的云台摄像机位姿变化信号实时传送到该平台的直线电机驱动电路的单片机中，三自由度位姿调整平台根据控制信号控制三个直线电机的运动，进而实时调整摄像机的姿态。通过三条直线电机的配合运动，就能实现云台在X轴、Y轴、Z轴方向的移动及X轴、Y轴的转动，实现摄像机稳定位姿的维持，从而采集到清晰度高、连贯的视频图像。
如图3所示，云台摄像机和所述云台安装架、支承轴、万向节机构、配重砝码、支承架组合成一个万向节杠杆结构。所述配重砝码的数量可以根据实际情况进行调整，这使得本装置易于适应不同重量的云台摄像机，大大增加了系统的灵活性。通过调整配重砝码的数量，可将该杠杆结构的重心控制在万向节的重心，保证整条杠杆竖立并保持垂直不动，利用平衡和惯性能够消除旋转角度；所述万向节机构承托着整个杠杆结构的重量，同时其提供的低摩擦阻力功能，能够实时检测到轻微的晃动，并有效减少和隔离外部作用力的影响、及时自动补偿不稳定的部分，进一步保证了摄像机位姿的高稳定性，使摄像机拍出平稳顺畅的画面。

Claims (2)

1.一种无人艇云台摄像机自调平的稳定装置，包括自稳定云台支承机构、减重机械手臂机构、支承轴(18)和底座(17)，其特征在于：云台摄像机与自稳定云台支承机构的云台安装架(1)固定连接，所述自稳定云台支承机构的电机固定架(3)与减重机械手臂机构的末端连接板(11)固定连接，所述减重机械手臂机构通过连接板(19)连接支承轴(18)上端，所述支承轴(18)底端与底座(17)固连；
所述减重机械手臂机构由减重机械前臂和减重机械上臂通过人字形前上臂连接板(13)活动连接，其具体结构为：减重机械前臂的两条H形金属板(12)一端通过人字形前上臂连接板(13)与减重机械上臂的一条长H形金属板(21)和一条短H形金属板(16)前端活动连接；
所述减重机械前臂由两条H形金属板(12)、末端连接板(11)和三条第一稳定弹簧(22)组成，所述减重机械上臂由一条长H形金属板(21)、两条短H形金属板(16)、一个L形连接板(20)和一个阻尼器(15)构成的平行四边形机构与两条第二稳定弹簧(14)组成，具体结构为：所述减重机械前臂的两条H形金属板(12)前端分别与末端连接板(11)活动连接，另一端通过人字形前上臂连接板(13)与减重机械上臂的一条长H形金属板(21)和一条短H形金属板(16)前端活动连接，减重机械前臂的两条H形金属板(12)之间连接有一条第一稳定弹簧(22)，减重机械上臂的两条H形短金属板(16)各自的一端分别与阻尼器(15)的两端活动连接，三者所组机构与减重机械上臂的一条H形长金属板(21)之间活动连接一个L形连接板(20)，L形连接板(20)的上端与连接板(19)固定连接，末端连接板(11)与人字形连接板(13)之间有两条第一稳定弹簧(22)、L形连接板(20)与人字形连接板(13)之间有两条第二稳定弹簧(14)。
2.根据权利要求1所述的无人艇云台摄像机自调平的稳定装置，其特征在于：所述自稳定云台支承机构由云台安装架(1)、陀螺仪和加速度传感器(2)、电机盘形固定架(3)、三对直线电机(4)与弹簧(6)、球笼式万向节(7)、弹簧盘形固定架(8)、配重砝码(9)、中间轴(5)和支承架(10)组成，具体结构为：云台摄像机与云台安装架(1)固定连接，所述陀螺仪和加速度传感器(2)固定在云台安装架(1)底面，云台安装架(1)底面与中间轴(5)上端固定连接，中间轴(5)下端与球笼式万向节(7)固定连接，球笼式万向节(7)下端与支承架(10)的轴上端面固定连接，球笼式万向节(7)与弹簧固定架(8)活动连接，弹簧固定架(8)和三条弹簧(6)活动连接，三条弹簧(6)分别与三个直线电机(4)一一对应固定连接，三个直线电机(4)与电机固定架(3)活动连接，支承架(10)的托盘上放置的配重砝码(9)数量根据实际情况进行调整；所述陀螺仪和加速度传感器(2)将采集到的信号实时地传动到直线电机驱动电路的单片机中，电机驱动电路的单片机根陀螺仪和加速度传感器(2)所采集到的信号，计算出云台摄像机在当前采集时刻下相对于上一采集时刻下的偏移量，并根据偏移量大小计算出控制信号进而控制三个直线电机(4)的运动。
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