CN107990879A - 无人机云台的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种无人机云台的控制方法，在飞行器上对称挂载有一对相机，其特征在于，当接收到快门触发指令，执行以下步骤：S1)根据飞行器姿态增加补偿角度，控制单轴舵机云台向前转动一个固定角度，然后触发两台相机同时拍一张照片；S2)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向，触发两台相机拍一张照片；S3)控制单轴舵机云台向后转动一个固定角度，触发两台相机拍一张照片；S4)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向。本发明通过科学合理的控制方法，实现倾斜影像的低成本、高效率获取。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机云台的控制方法。
背景技术
随着科学技术的发展，无人机的应用越来越广泛，包括消防、公共安全、电站巡检等各个方面，无人机具有近距离勘察、地面遥控、反应迅速，机动能力强的强大优势，使得其应用具有多个优点，近年，由于数字化城市建设、安防、森林防火等需求，需要通过航拍的方式构建三维地理信息图。无人机由于轻便灵活、编程能力强、环境要求低等优点，可以做到随时需要随时起飞。三维建模的拍摄常采用倾斜摄影技术，倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项摄影建模技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过五个不同的角度采集影像，能建立真实的地物三维模型。但是，它需要在无人机的云台上挂载五部相机，并需要在同一飞行平台上搭载多台传感器，增加了多旋翼无人机的载重。因此，本案申请人开发了一款通过挂载两个相机而实现三维建模的双蝶座无人机，并开发了科学有效的无人机云台的控制方法，从而减轻了无人机的负重要求，满足轻量化的设计要求。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种无人机云台的控制方法，通过对挂载在四旋翼无人机上的两相机进行角度调整、拍摄控制，完成航拍的方式构建三维地理信息图的任务，以克服现有技术中的不足之处。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：一种无人机云台的控制方法，在飞行器上对称挂载有一对相机，其特征在于，当接收到快门触发指令，执行以下步骤：S1)根据飞行器姿态增加补偿角度，控制单轴舵机云台向前转动一个固定角度，然后触发两台相机同时拍一张照片；
S2)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向，触发两台相机拍一张照片；
S3)控制单轴舵机云台向后转动一个固定角度，触发两台相机拍一张照片；
S4)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向。
上述无人机云台的控制方法，其特征在于，当飞行器在停飞状态时，执行步骤S1)—S4)，当飞行器在飞行状态时，若接收到快门触发指令，执行以下步骤：
S11)根据飞行器姿态增加补偿角度，控制单轴舵机云台向前转动一个固定角度，然后触发两台相机同时拍照，读取飞行器下行数据，解析出GPS位置及飞行高度信息，在TF卡记录第一个GPS位置及高度；
S12)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向，触发两台相机同时拍照，读取飞行器下行数据，解析出GPS位置及飞行高度信息，在TF卡上记录第二个GPS位置及高度；
S13)控制单轴舵机云台向后转动一个固定角度，触发两台相机同时拍照，读取飞行器下行数据，解析出GPS位置及飞行高度信息，在TF卡上记录第三个GPS位置及高度；
S14)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向。
在飞行器下方设置云台组件和机架，在机架中心位置安装舵机，所述舵机驱动机架绕Y轴方向旋转，所述机架对称相向设置有一对相机，所述相机倾斜安装，所述机架上设有相机旋转机构，所述相机旋转机构使相机可绕X轴方向旋转，所述机架与云台组件枢装连接。
所述云台组件包括云台板和云台架，所述云台架下侧设有轴承，所述机架包括两平行设置的支撑板、连接两支撑板的竖板，所述舵机设置在两竖板之间，所述舵机的输出轴连接其中一个竖板。
所述竖板上设置中心轴套，所述舵机的输出轴与中心轴套连接，所述机架上还设有相机安装环，所述相机安装环与相机旋转机构连接，在两平行设置的支撑板之间设置舵机安装框，所述舵机固定在舵机安装框上。
所述补偿角度为α，当读取到飞行器俯仰姿态时，通过函数把字符串Angle转换为浮点数，解析得出俯仰角α，其中Angle是飞行器俯仰姿态数据，所述函数的公式是：α＝atof(Angle)，飞行器俯角姿态时，α为负值，飞行器仰角姿态时，α取正值。
本发明的有益效果是：本发明因减小了挂载相机数量，从而使总体积较小型，能够使用小型无人机作为运载平台，实现倾斜影像的低成本、高效率获取。
本发明的控制方法包括角度补偿和GPS位置监测控制，一方面使每一组照片都有GSP位置，建模更准确。另一方面，可实现不管飞行器的姿态怎样变化，始终保证云台向前、向后转动的角度相对于垂直方向基本不变，确保照片的质量和均匀度。
附图说明
图1为本发明控制方法的总体框架示意图。
图2为使用本发明控制方法的双蝶座无人机的机架结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接。也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
参见图1-2，双蝶座无人机包括无人机、机架1、云台组件2、舵机17、相机3，在机架中心位置安装舵机，舵机驱动机架绕Y轴方向旋转，机架对称相向设置有一对相机，相机倾斜安装，机架上设有相机旋转机构，相机旋转机构使相机可绕X轴方向旋转，机架与云台组件枢装连接。通过上述结构调整，无人机搭载双相机便可完成全角度倾斜拍摄，相比较原有的五相机组成的倾斜拍摄系统，本方案能减少系统负载，降低无人机载重的要求，使无人机作业效率大幅度地提高，减少制造成本，使无人机拍摄轻便化。
云台组件包括云台板21和云台架22，云台架下侧设有轴承。机架包括两平行设置的支撑板、连接两支撑板的竖板，舵机设置在两竖板之间，舵机的输出轴连接其中一个竖板。竖板上设置中心轴套，舵机的输出轴与中心轴套连接，舵机输出轴驱动中心轴套旋转，从而带动机架旋转，使相机可绕Y轴旋转，从而拍摄不同角度的图像照片。机架上还设有相机安装环，相机安装环与相机旋转机构连接，相机旋转机构驱动相机绕X轴拍摄。在两平行设置的支撑板之间设置舵机安装框，舵机固定在舵机安装框上。机架两端设有限位杆，防止相机倾斜过度。支撑板、竖板设置多处减重镂空。支撑板、竖板、云台板是碳纤维板件，以保证足够的强度和轻量化要求。
无人机三维成像系统的建模方法总括而言包括三个步骤：1)获取地面管理单元的多个图像数据；2)对多个图像数据进行处理；3)提取处理后的多个图像的特征点，根据特征点，将不同图像上的特征点进行匹配，根据匹配结果获取三维模型。
本发明的双蝶座无人机控制系统基本功能主要包括：控制两台相机对焦、拍照、唤醒待机状态，通过USB线同时读取两台相机照片，根据飞行器姿态控制单轴舵机云台向前、向后转动，读取飞行器下行数据，解析出GPS位置信息，记录于TF卡，可通过USB接口升级系统固件。本发明的双蝶座无人机控制系统在获取所述地面管理单元的多个图像数据的步骤中，其工作流程如下：
1、上电，系统初始化完成后，LED指示灯不断闪烁，等待外部指令；
2、当飞行器没有起飞时，如果此时接收到快门触发指令，控制系统会执行以下四步
动作：
(1)根据飞行器姿态增加补偿角度，控制单轴舵机云台向前转动一个固定角度，然后触发两台相机同时拍一张照片；
(2)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向，又触发两台相机拍一张照片；
(3)控制单轴舵机云台向后转动一个固定角度，触发两台相机拍一张照片；
(4)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向。
此时由于飞行器没有起飞，所以不会记录GPS数据。
3、当控制系统检测到飞行器起飞了，LED指示灯由闪烁转为常亮，系统在TF卡上建
立一个文件，如果此时接收到快门触发指令，控制系统会执行以下四步动作：
(1)根据飞行器姿态增加补偿角度，控制单轴舵机云台向前转动一个固定角度，然后触发两台相机同时拍一张照片，读取飞行器下行数据，解析出GPS位置及飞行高度信息，在TF卡上记录此时的GPS位置及高度；
(2)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向，触发两台相机拍一张照片，读取飞行器下行数据，解析出GPS位置及飞行高度信息，在TF卡上记录此时的GPS位置及高度；
(3)控制单轴舵机云台向后转动一个固定角度，触发两台相机拍一张照片，读取飞行器下行数据，解析出GPS位置及飞行高度信息，在TF卡上记录此时的GPS位置及高度；
(4)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向。
本发明设置角度补偿的控制模块，增加角度补偿的目的是：不管飞行器的姿态怎样变化，始终保证云台向前、向后转动的角度相对于垂直方向基本不变，确保照片的质量和均匀度。
同时，本发明设置有GPS位置监测模块，增加GPS位置监测的目的是为了使每一组照片都有GSP位置，使建模更准确。
本发明方法中，读取数据和固件升级流程是这样的：在上电状态，把控制系统用USB线与电脑连接，此时，USB指示灯亮，电脑上显示两台相机的盘符，因此可以从中读取两台相机的照片。然后，通过控制板上的升级按键，可利用USB线接通电脑进行固件升级。
所述补偿角度为α，当读取到飞行器俯仰姿态时，通过函数把字符串Angle转换为浮点数，解析得出俯仰角α，其中Angle是飞行器俯仰姿态数据，所述函数的公式是：α＝atof(Angle)，飞行器俯角姿态时，α为负值，飞行器仰角姿态时，α取正值。
云台舵机的控制方法是这样的：将飞行器的下行数据按组别排列，其中至少包括飞行器俯仰姿态数据，当读取到飞行器俯仰姿态时，执行以下步骤：S1)通过函数把字符串Angle转换为浮点数，解析得出俯仰角α，Angle是飞行器俯仰姿态数据；S2)根据舵机控制摆动角度β计算舵机实际要转动的角度γ；S3)根据舵机实际要转动的角度得出舵机的控制脉冲宽度。α＝atof(Angle)，γ＝β—α；其中，舵机向前摆动时，β取正值，舵机向后摆动时，β取负值；飞行器俯角姿态时，α为负值，飞行器仰角姿态时，α取正值；舵机的控制脉冲宽度为：PPM＝1.52–γ/3.14*180/100(ms)。
具体是：飞行器下行数据格式以“#”号加序号开头。第七组的第一个数为飞行器滚转姿态，第七组第二个数为飞行器俯仰姿态，通过读取这两个数据可以知道当前飞行器的滚转角度和俯仰角度。格式如下：
接收到完整的一组数据后，判断是否为第七组数据，若是，以“，”为间隔把字符串分割，若只需用到俯仰角度姿态，则读取第二个数，设为Angle，通过以下函数把字符串Angle转换为浮点数，单位为弧度。
α＝atof(Angle)。
舵机为脉冲位置控制(PPM)，脉冲周期为20ms，脉冲宽度在0.92-2.12ms间变化，角度由30°-150°变化，则角度与脉宽的对应关系为：0.1ms对应10°；当脉冲宽度为1.52ms时，云台的方向为90°垂直向下。
舵机云台初始角度为90°垂直向下，若要控制舵机向前摆动角度β，先判断飞行器的俯仰角度α的方向，若α为负，则飞行器的俯角为|α|，舵机应转动的角度为：
γ＝β+|α|；
若α为正，则飞行器的仰角为|α|，舵机应转动的角度为：
γ＝β-|α|；
则最终给舵机的控制脉冲宽度为：
PPM＝1.52–γ/3.14*180/100(ms)；
这样增加角度|α|补偿后，不管飞行器姿态怎样变化，都能保证舵机向前转动的角度相对于垂直方向始终与β基本一致。
若要控制舵机向后摆动角度β，先判断飞行器的俯仰角度α的方向，若α为负，则飞行器的俯角为|α|，舵机应转动的角度为：
γ＝β-|α|；
若α为正，则飞行器的仰角为|α|，舵机应转动的角度为：
γ＝β+|α|；
则最终给舵机的控制脉冲宽度为：
PPM＝1.52+γ/3.14*180/100(ms)；
这样增加角度|α|补偿后，不管飞行器姿态怎样变化，都能保证舵机向后转动的角度相对于垂直方向始终与β基本一致。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同替换所限定，在未经创造性劳动所作的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种无人机云台的控制方法，在飞行器上对称挂载有一对相机，其特征在于，当接收到快门触发指令，执行以下步骤：S1)根据飞行器姿态增加补偿角度，控制单轴舵机云台向前转动一个固定角度，然后触发两台相机同时拍一张照片；
S2)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向，触发两台相机拍一张照片；
S3)控制单轴舵机云台向后转动一个固定角度，触发两台相机拍一张照片；
S4)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向。
2.根据权利要求1所述无人机云台的控制方法，其特征在于，当飞行器在停飞状态时，执行步骤S1)—S4)，当飞行器在飞行状态时，若接收到快门触发指令，执行以下步骤：
S11)根据飞行器姿态增加补偿角度，控制单轴舵机云台向前转动一个固定角度，然后触发两台相机同时拍照，读取飞行器下行数据，解析出GPS位置及飞行高度信息，在TF卡记录第一个GPS位置及高度；
S12)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向，触发两台相机同时拍照，读取飞行器下行数据，解析出GPS位置及飞行高度信息，在TF卡上记录第二个GPS位置及高度；
S13)控制单轴舵机云台向后转动一个固定角度，触发两台相机同时拍照，读取飞行器下行数据，解析出GPS位置及飞行高度信息，在TF卡上记录第三个GPS位置及高度；
S14)控制单轴舵机云台回到垂直向下方向。
3.根据权利要求2所述无人机云台的控制方法，其特征在于，在飞行器下方设置云台组件和机架，在机架中心位置安装舵机，所述舵机驱动机架绕Y轴方向旋转，所述机架对称相向设置有一对相机，所述相机倾斜安装，所述机架上设有相机旋转机构，所述相机旋转机构使相机可绕X轴方向旋转，所述机架与云台组件枢装连接。
4.根据权利要求3所述无人机云台的控制方法，其特征在于，所述云台组件包括云台板和云台架，所述云台架下侧设有轴承，所述机架包括两平行设置的支撑板、连接两支撑板的竖板，所述舵机设置在两竖板之间，所述舵机的输出轴连接其中一个竖板。
5.根据权利要求4所述无人机云台的控制方法，其特征在于，所述竖板上设置中心轴套，所述舵机的输出轴与中心轴套连接，所述机架上还设有相机安装环，所述相机安装环与相机旋转机构连接，在两平行设置的支撑板之间设置舵机安装框，所述舵机固定在舵机安装框上。
6.根据权利要求2所述无人机云台的控制方法，其特征在于，所述补偿角度为α，当读取到飞行器俯仰姿态时，通过函数把字符串Angle转换为浮点数，解析得出俯仰角α，其中Angle是飞行器俯仰姿态数据，所述函数的公式是：α＝atof(Angle)，飞行器俯角姿态时，α为负值，飞行器仰角姿态时，α取正值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 528305 No.7 No.2 Jianye Middle Road, Ronggui Science and Technology Industrial Park, Shunde District, Foshan City, Guangdong Province Applicant after: Magnesium Kezhongsi Technology (Foshan) Co.,Ltd. Address before: 528305 No.7 No.2 Jianye Middle Road, Ronggui Science and Technology Industrial Park, Shunde District, Foshan City, Guangdong Province Applicant before: Foshan Anlcom Technology Co.,Ltd. Address after: 528305 No.7 No.2 Jianye Middle Road, Ronggui Science and Technology Industrial Park, Shunde District, Foshan City, Guangdong Province Applicant after: Foshan Anlcom Technology Co.,Ltd. Address before: 528305 No.7 No.2 Jianye Middle Road, Ronggui Science and Technology Industrial Park, Shunde District, Foshan City, Guangdong Province Applicant before: FOSHAN AIRCAM UAV TECHNOLOGY Corp. |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180504 |