CN111043485B - 一种两轴全自动跟踪云台及其跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两轴全自动跟踪云台及其跟踪方法，两轴全自动跟踪云台包含舱体、安装臂、安装板、第一电机、第二电机、支撑轴承、工业相机、陀螺仪和控制模块；安装臂包含第一侧板、第二侧板和底板；支撑轴承的外圈和第二侧板固连；第一电机固定在安装板上，其输出轴和底板的下端面垂直固连；舱体一侧旋转柱、另一侧固定第二电机；第二电机的输出轴和第一侧板的内壁垂直固连，旋转柱和支撑轴承的内圈同轴固连；控制模块根据工业相机拍摄的图像和陀螺仪的感应信息控制第一电机、第二电机工作。本发明能够在控制系统及反馈信息下做到实时跟随，其运动过程响应迅速，超调可忽略不计，能够准确识别跟随目标物。

Description

一种两轴全自动跟踪云台及其跟踪方法

技术领域

本发明涉及到一种全自动器械，尤其涉及一种两轴全自动跟踪云台及其跟踪方法。

背景技术

专利2019J498T中涉及到的一种两轴云台，包括平移轴结构和俯仰轴结构，其平移轴结构的平移轴上固定一环形磁铁，并跟随平移轴转动，平移轴结构的电机座上固定一平移驱动板，平移驱动板上固定一磁编码芯片，环形磁铁与磁编码芯片相对且同轴设置，两者之间设有间距；平移轴转动时，磁编码芯片感应所述环形磁铁的转动角度，传输给所述平移驱动板，并通过平移驱动板来调整平移轴的转动。该发明是使用磁编码芯片感应所述环形磁铁的转动角度，由于传感器的纯数据反馈容易发生干扰并容易造成数据损失，影响控制的精度和响应速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种两轴全自动跟踪云台。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种两轴全自动跟踪云台，包含舱体、安装臂、安装板、第一电机、第二电机、支撑轴承、工业相机、陀螺仪和控制模块；

所述安装臂呈U字型，包含第一侧板、第二侧板和底板，其中，所述底板的两端分别和第一侧板的下端、第二侧板的下端固连；所述第二侧板上设有用于安装所述支撑轴承的通孔；

所述支撑轴承设置在所述第二侧板的通孔中，其外圈和所述第二侧板固连；

所述第一电机固定在所述安装板上，其输出轴朝上、且输出轴和所述底板的下端面垂直固连，用于带动安装臂相对于安装板转动；

所述第二电机固定在所述舱体的一侧，且第二电机的输出轴所在直线垂直于第一电机输出轴所在直线；所述舱体的另一侧对应于第二电机设有旋转柱，所述旋转柱和第二电机的输出轴同轴；

所述第二电机的输出轴和所述第一侧板的内壁垂直固连，所述旋转柱和所述支撑轴承的内圈同轴固连，使得第二电机能够带动所述舱体相对于所述安装臂绕第二电机的输出轴和旋转柱转动；

所述工业相机、陀螺仪、控制模块均设置在所述舱体上，所述工业相机用于拍摄目标的图像并将其传递给所述控制模块；所述陀螺仪用于获得舱体的俯仰角度、偏航角度和滚转角度，并将其传递给所述控制模块；

所述控制模块分别和工业相机、陀螺仪、第一电机、第二电机电气相连，用于根据工业相机拍摄的图像和陀螺仪的感应信息控制第一电机、第二电机工作，使得工业相机能够持续跟踪拍摄目标。

本发明还包含限位装置，所述限位装置包含限位环和限位条；

所述限位环为设有扇形缺口的圆环，固定在所述第二侧板的外壁上、和所述第二侧板上的通孔同轴；

所述旋转柱从所述第二侧板的通孔中伸出至所述限位环中；

所述限位条一端和所述旋转柱垂直固连，另一端伸入至所述限位环的缺口中，用于限定所述舱体相对于安装臂的旋转角度。

本发明还公开了一种该两轴全自动跟踪云台的跟踪方法，包含以下步骤：

步骤1），工业相机拍摄目标的图像并将其传递给所述控制模块，陀螺仪获得舱体和工业相机的俯仰角度、偏航角度和滚转角度，并将其传递给所述控制模块；

步骤2），控制模块接收图像，将图像内容划为三个分别存以RGB三个通道的颜色信息的二维矩阵，调用ROS框架系统，开启多线程运算；

步骤3），对图像信息做矩阵变换，根据预设的工业相机的内参数据还原图像失真内容，并做色彩空间转化，对像素点信息初步处理；

步骤4），对像素点信息初步处理后的图像信息做阈值化分析，初步筛选背景信息，去除大片干扰物，并做图像腐蚀膨胀操作，减少噪声点干扰，得到筛选出的前景信息；

步骤5），对筛选出的前景信息做主成分分析，通过坐标空间转化，找到主成分信息所在在的空间位置；

步骤6），根据目标的长度、宽度、形状信息，筛选符合比例条件的成分，得到目标在图片内的坐标位置；

步骤7），控制模块计算目标在图片内的坐标位置与图像中心的误差值；

步骤8），根据工业相机的俯仰角度、偏航角度、滚转角度、以及当前目标在图片内的坐标位置与图像中心的误差值进行姿态解算和PID调节，计算第一电机、第二电机的转动占空比信号，并根据第一电机、第二电机的转动占空比信号控制第一电机、第二电机转动以实现目标跟随。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 结构简单，使用方便；

2. 闭环控制增大了响应速度，实现云台与遥控操纵的几乎完全同步；

3. 图像处理的高速反馈，保障了云台自动跟随的实时性；

4. 检测的高准确率，实现了准确自动识别与跟随。

附图说明

图1是两轴全自动跟踪云台的总体安装图；

图2是两轴全自动跟踪云台的总体安装右视图；

图3是两轴全自动跟踪云台的跟踪方法的流程示意图。

图中，1-舱体，2-安装臂，3-第一电机，4-第二电机，5-旋转柱，6-工业相机，7-安装板，8-限位条，9-限位环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

如图1所示，本发明公开了一种两轴全自动跟踪云台，包含舱体、安装臂、安装板、第一电机、第二电机、支撑轴承、工业相机、陀螺仪和控制模块；

所述安装臂呈U字型，包含第一侧板、第二侧板和底板，其中，所述底板的两端分别和第一侧板的下端、第二侧板的下端固连；所述第二侧板上设有用于安装所述支撑轴承的通孔；

所述支撑轴承设置在所述第二侧板的通孔中，其外圈和所述第二侧板固连；

所述第一电机固定在所述安装板上，其输出轴朝上、且输出轴和所述底板的下端面垂直固连，用于带动安装臂相对于安装板转动；

所述第二电机固定在所述舱体的一侧，且第二电机的输出轴所在直线垂直于第一电机输出轴所在直线；所述舱体的另一侧对应于第二电机设有旋转柱，所述旋转柱和第二电机的输出轴同轴；

所述第二电机的输出轴和所述第一侧板的内壁垂直固连，所述旋转柱和所述支撑轴承的内圈同轴固连，使得第二电机能够带动所述舱体相对于所述安装臂绕第二电机的输出轴和旋转柱转动；

所述工业相机、陀螺仪、控制模块均设置在所述舱体上，所述工业相机用于拍摄目标的图像并将其传递给所述控制模块；所述陀螺仪用于获得舱体的俯仰角度、偏航角度和滚转角度，并将其传递给所述控制模块；

所述控制模块分别和工业相机、陀螺仪、第一电机、第二电机电气相连，用于根据工业相机拍摄的图像和陀螺仪的感应信息控制第一电机、第二电机工作，使得工业相机能够持续跟踪拍摄目标。

如图2所示，本发明还包含限位装置，所述限位装置包含限位环和限位条；

所述限位环为设有扇形缺口的圆环，固定在所述第二侧板的外壁上、和所述第二侧板上的通孔同轴；

所述旋转柱从所述第二侧板的通孔中伸出至所述限位环中；

所述限位条一端和所述旋转柱垂直固连，另一端伸入至所述限位环的缺口中，用于限定所述舱体相对于安装臂的旋转角度。

如图3所示，本发明还公开了一种该两轴全自动跟踪云台的跟踪方法，包含以下步骤：

步骤1），工业相机拍摄目标的图像并将其传递给所述控制模块，陀螺仪获得舱体和工业相机的俯仰角度、偏航角度和滚转角度，并将其传递给所述控制模块；

步骤2），控制模块接收图像，将图像内容划为三个分别存以RGB三个通道的颜色信息的二维矩阵，调用ROS框架系统，开启多线程运算；

步骤3），对图像信息做矩阵变换，根据预设的工业相机的内参数据还原图像失真内容，并做色彩空间转化，对像素点信息初步处理；

步骤4），对像素点信息初步处理后的图像信息做阈值化分析，初步筛选背景信息，去除大片干扰物，并做图像腐蚀膨胀操作，减少噪声点干扰，得到筛选出的前景信息；

步骤5），对筛选出的前景信息做主成分分析，通过坐标空间转化，找到主成分信息所在在的空间位置；

步骤6），根据目标的长度、宽度、形状信息，筛选符合比例条件的成分，得到目标在图片内的坐标位置；

步骤7），控制模块计算目标在图片内的坐标位置与图像中心的误差值；

步骤8），根据工业相机的俯仰角度、偏航角度、滚转角度、以及当前目标在图片内的坐标位置与图像中心的误差值进行姿态解算和PID调节，计算第一电机、第二电机的转动占空比信号，并根据第一电机、第二电机的转动占空比信号控制第一电机、第二电机转动以实现目标跟随。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种两轴全自动跟踪云台的跟踪方法，所述两轴全自动跟踪云台包含舱体、安装臂、安装板、第一电机、第二电机、支撑轴承、工业相机、陀螺仪和控制模块；

所述安装臂呈U字型，包含第一侧板、第二侧板和底板，其中，所述底板的两端分别和第一侧板的下端、第二侧板的下端固连；所述第二侧板上设有用于安装所述支撑轴承的通孔；

所述支撑轴承设置在所述第二侧板的通孔中，其外圈和所述第二侧板固连；

所述第一电机固定在所述安装板上，其输出轴朝上、且输出轴和所述底板的下端面垂直固连，用于带动安装臂相对于安装板转动；

所述第二电机固定在所述舱体的一侧，且第二电机的输出轴所在直线垂直于第一电机输出轴所在直线；所述舱体的另一侧对应于第二电机设有旋转柱，所述旋转柱和第二电机的输出轴同轴；

所述第二电机的输出轴和所述第一侧板的内壁垂直固连，所述旋转柱和所述支撑轴承的内圈同轴固连，使得第二电机能够带动所述舱体相对于所述安装臂绕第二电机的输出轴和旋转柱转动；

所述工业相机、陀螺仪、控制模块均设置在所述舱体上，所述工业相机用于拍摄目标的图像并将其传递给所述控制模块；所述陀螺仪用于获得舱体的俯仰角度、偏航角度和滚转角度，并将其传递给所述控制模块；

所述控制模块分别和工业相机、陀螺仪、第一电机、第二电机电气相连，用于根据工业相机拍摄的图像和陀螺仪的感应信息控制第一电机、第二电机工作，使得工业相机能够持续跟踪拍摄目标；

其特征在于，所述两轴全自动跟踪云台的跟踪方法包含以下步骤：

步骤1），工业相机拍摄目标的图像并将其传递给所述控制模块，陀螺仪获得舱体和工业相机的俯仰角度、偏航角度和滚转角度，并将其传递给所述控制模块；

步骤2），控制模块接收图像，将图像内容划为三个分别存以RGB三个通道的颜色信息的二维矩阵，调用ROS框架系统，开启多线程运算；

步骤3），对图像信息做矩阵变换，根据预设的工业相机的内参数据还原图像失真内容，并做色彩空间转化，对像素点信息初步处理；

步骤4），对像素点信息初步处理后的图像信息做阈值化分析，初步筛选背景信息，去除大片干扰物，并做图像腐蚀膨胀操作，减少噪声点干扰，得到筛选出的前景信息；

步骤5），对筛选出的前景信息做主成分分析，通过坐标空间转化，找到主成分信息所在的空间位置；

步骤6），根据目标的长度、宽度、形状信息，筛选符合比例条件的成分，得到目标在图片内的坐标位置；

步骤7），控制模块计算目标在图片内的坐标位置与图像中心的误差值；

步骤8），根据工业相机的俯仰角度、偏航角度、滚转角度、以及当前目标在图片内的坐标位置与图像中心的误差值进行姿态解算和PID调节，计算第一电机、第二电机的转动占空比信号，并根据第一电机、第二电机的转动占空比信号控制第一电机、第二电机转动以实现目标跟随。

2.根据权利要求1所述的两轴全自动跟踪云台的跟踪方法，其特征在于，两轴全自动跟踪云台还包含限位装置，所述限位装置包含限位环和限位条；

所述限位环为设有扇形缺口的圆环，固定在所述第二侧板的外壁上、和所述第二侧板上的通孔同轴；

所述旋转柱从所述第二侧板的通孔中伸出至所述限位环中；

所述限位条一端和所述旋转柱垂直固连，另一端伸入至所述限位环的缺口中，用于限定所述舱体相对于安装臂的旋转角度。