CN112817133A - 一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统 - Google Patents

一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统，该系统由空中执行组件和地面操作组件组成。地面操作组件包括调控模组、图像显示模组和地面数据传输模组；空中执行组件包括空中数据传输模组、液体变焦相机和驱动执行模组。液体变焦相机用于获取不同焦段下的图像。调控模组用于设置不同焦段下的液体透镜的驱动值。驱动执行模组用于改变液体变焦相机的有效焦距。图像显示模组用于显示液体变焦相机获取的图像。地面数据传输模组将调控模组的指令传输至驱动执行模组。空中数据传输模组将液体变焦相机获取的图像传输至图像显示模组。

Description

一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统
一、技术领域
本发明涉及无人机拍摄系统领域，具体地，本发明涉及一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统。
二、背景技术
随着无人机技术的飞速发展，无人机的应用场景越来越广泛，在军用、警用、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、娱乐教育等领域都发挥了极大的作用。对于拍摄系统来说，其变焦相机的光学变焦倍数越大，能拍摄的景物越远，获取到的信息越丰富。为了使一个光学系统变焦透镜组即变焦光学系统需要同时满足改变系统焦距及过程中像面位置保持不变的两个条件，传统的变焦距系统的设计方法主要有两种，一种是光学补偿法，另一种是机械补偿法，但是这两种补偿方法都要求设计精密度要求很高的驱动电机，或者是采用能够同步精确运动的精密空间凸轮。采用这两种方法设计的光学系统结构比较复杂，尺寸庞大，制作精度要求很高，并且不易在小尺寸小范围空间内实现。因此，在目前的消费级无人机航拍领域，大部分搭载的拍摄设备不支持光学变焦，虽然有少数的搭载了变焦相机，但光学变焦倍数较低，一般为2倍。因此，亟待开发一种基于液体变焦相机的成本低、响应快、轻量化、可变焦的无人机拍摄系统。近年来新兴的液体透镜主要通过外部驱动来控制液-液界面曲率从而实现焦距的调节，具有轻量化的优点。相对于传统的机械式光学变焦，基于液体透镜的变焦相机无需机械移动部件，既减小了系统内部空间，又一定程度上避免了机械磨损的问题，为无人机拍摄系统提供了新的设计思路。
三、发明内容
本发明提出了一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统。如附图1所示，该系统由空中执行组件和地面操作组件组成。其中，地面操作组件包括调控模组、图像显示模组和地面数据传输模组；空中执行组件包括空中数据传输模组、液体变焦相机和驱动执行模组。液体变焦相机由固体透镜组、液体透镜组和图像传感器组成，其中，固体透镜组包含若干片固体透镜，液体透镜组包含若干片液体透镜。液体变焦相机的功能是获取不同焦段下的图像。调控模组的功能是设置不同焦段下的液体透镜的驱动值，调控模组不仅可预制几组常用焦段下液体透镜的驱动值，同时也可以对每片液体透镜进行微调以满足实际应用场景。驱动执行模组的功能是接受调控模组的指令后对液体变焦相机进行驱动，改变液体变焦相机中每片液体透镜的界面曲率，继而改变液体变焦相机的有效焦距。图像显示模组的功能是显示液体变焦相机获取的图像。地面数据传输模组和空中数据传输模组均基于蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、IrDA、NFC或UWB等无线传输技术。地面数据传输模组的功能是将调控模组的指令传输至驱动执行模组。空中数据传输模组将液体变焦相机获取的图像传输至图像显示模组。
在初始状态下，调控模组选择初始焦段，地面数据传输模组传输预制驱动值的指令，驱动执行模组接受指令后将驱动值输出给液体变焦相机，改变液体变焦相机中每片液体透镜的界面曲率，实现有效焦距的调控，此时液体变焦相机的有效焦距为F1，后焦距为D，如附图2所示。由液体变焦相机获取图像后，经空中数据传输模组传输至图像显示模组显示。此时若图像不清晰，则通过调控模组微调每个液体透镜的驱动值，进行下一轮图像获取直至图像清晰。若初始焦段获取的清晰图像不能满足需要，则通过调控模组重新选择焦段，短焦扩大视场，长焦减小视场。选择短焦，地面数据传输模组传输预制驱动值的指令，驱动执行模组接受指令后将驱动值输出给液体变焦相机，液体变焦相机的有效焦距再次发生改变，此时液体变焦相机有效焦距为F2，后焦距保持不变仍为D，如附图3所示。此时若图像不清晰，则再次调节调控模组至得到满意的图像。整个基于液体变焦相机的无人机拍摄系统的运作流程如附图4所示。
本发明可依据需求实时调节液体变焦相机的焦段，具有较大且连续的清晰成像范围，同时功耗、寿命和稳定性相比机械变焦相机有明显优势；本发明设计了两个轮次的图像获取和判断，以此确保获得清晰的图像。此外，本发明可同时实现两种模式的变焦拍摄：模式一，固定飞行高度后，对某一固定场景进行变焦拍摄，局部放大场景，捕获和显示场景的细节信息；模式二，固定拍摄物体，调整无人机方位和高度，通过变焦调节，可实时、清晰和全方位地拍摄物体，获得物体的三维信息，以便构建物体的三维模型。因此，本发明更具有实际应用价值。
优选地，液体透镜组中每片液体透镜通过外部驱动改变液-液界面曲率，实现变焦功能，采用的液体透镜类型为电润湿驱动液体透镜、介电泳力驱动液体透镜、机械马达驱动的弹性薄膜液体透镜、磁控液体透镜或电子肌肉驱动的液体透镜等。
优选地，液体变焦相机中液体透镜组的组数A≥1，固体透镜组的组数B≥0；单个液体透镜组中液体透镜的个数M≥1，单个固体透镜组中固体透镜个数Q≥1。
优选地，图像传感器为CCD或CMOS。
优选地，驱动控制模组为直流电压驱动模组、交流电压驱动模组、液压驱动模组、热压驱动模组或电磁驱动模组等。
优选地，数据传输模组为蓝牙数据传输模组、Wi-Fi数据传输模组、ZigBee数据传输模组、IrDA数据传输模组、NFC数据传输模组或UWB数据传输模组等。
四、附图说明
附图1为本发明的系统结构示意图。
附图2为有效焦距为F1时的液体变焦相机的原理示意图。
附图3为有效焦距为F2时的液体变焦相机的原理示意图。
附图4为基于液体变焦相机的无人机拍摄系统工作流程示意图。
附图5为实施例中有效焦距为F1＝15mm时的液体变焦相机调焦仿真图。
附图6为实施例中有效焦距为F2＝45mm时的液体变焦相机调焦仿真图。
附图7为实施例中有效焦距为F3＝60mm时的液体变焦相机调焦仿真图。
上述各图中的图示标号为：
(1)第一固体透镜组、(2)液体透镜组、(3)第二固体透镜组、(4)图像传感器、(5)第一固体透镜、(6)第二固体透镜、(7)第一液体透镜、(8)第二液体透镜、(9)第三固体透镜、(10)第四固体透镜。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有完全按比例绘制。
五、具体实施方式
下面详细说明本发明提出的一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本实施例中的一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统由空中执行组件和地面操作组件组成。其中，地面操作组件包括调控模组、图像显示模组和地面数据传输模组；空中执行组件包括空中数据传输模组、液体变焦相机和驱动执行模组。液体变焦相机从无限远物面到像面依次为第一固体透镜组、液体透镜组、第二固体透镜组和CCD，其功能是获取不同焦段下的图像。调控模组的功能是设置不同焦段下的液体透镜的驱动值，调控模组不仅可预制几组常用焦段下液体透镜的电压驱动值，同时也可以对每片液体透镜进行微调以满足实际应用场景。驱动执行模组的功能是接收调控模组的指令后将驱动电压输出给液体变焦相机，改变液体变焦相机中液体透镜的界面曲率。图像显示模组的功能是显示液体变焦相机获取的图像。地面数据传输模组和空中数据传输模组均基于蓝牙无线传输技术。地面数据传输模组的功能是将调控模组的指令传输至驱动执行模组，空中数据传输模组将液体变焦相机获取的图像传输至图像显示模组。
本发明的一个实施例为：无人机为精灵Phantom 4Pro，地面操作组件和空中执行组件基于禅思Zenmuse X5S制作，液体透镜组中使用的液体透镜为39N0液体透镜。液体变焦相机包括固体透镜组、液体透镜组和图像传感器，其焦距介于15mm-60mm之间。从无限远物面到像面从左到右依次为第一固体透镜、第二固体透镜、第一液体透镜、第二液体透镜、第三固体透镜、第四固体透镜和图像传感器，其中第一固体透镜的折射率介于1.45与1.55之间，焦距介于7mm与11mm之间；第二固体透镜的折射率介于1.55与1.65之间，焦距介于-548mm与-552mm之间；第三固体透镜的折射率介于1.15与1.55之间，焦距介于214mm与218mm之间；第四固体透镜的折射率介于1.50与1.60之间，焦距介于-1mm与-5mm之间。
本实施例预制了15mm、45mm及60mm等三个焦段。当第一液体透镜和第二液体透镜的预制驱动电压为21V和62V时，液体变焦相机有效焦距为15mm，如附图5所示；当第一液体透镜和第二液体透镜的预制驱动电压为23V和34V时，液体变焦相机有效焦距为45mm，如附图6所示；当第一液体透镜和第二液体透镜的预制驱动电压为26V和21V时，液体变焦相机有效焦距为60mm，如附图7所示，本实施例中的液体变焦相机可实现4倍连续光学变焦。

Claims (7)

1.一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统，该系统由空中执行组件和地面操作组件组成；其中，地面操作组件包括调控模组、图像显示模组和地面数据传输模组；空中执行组件包括空中数据传输模组、液体变焦相机和驱动执行模组；液体变焦相机由固体透镜组、液体透镜组和图像传感器组成，其中，固体透镜组包含若干片固体透镜，液体透镜组包含若干片液体透镜；液体变焦相机的功能是获取不同焦段下的图像；调控模组的功能是设置不同焦段下的液体透镜的驱动值，调控模组不仅可预制几组常用焦段下液体透镜的驱动值，同时也可以对每片液体透镜进行微调以满足实际应用场景；驱动执行模组的功能是接受调控模组的指令后对液体变焦相机进行驱动，改变液体变焦相机中每片液体透镜的界面曲率，继而改变液体变焦相机的有效焦距；图像显示模组的功能是显示液体变焦相机获取的图像；地面数据传输模组和空中数据传输模组均基于蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、IrDA、NFC或UWB等无线传输技术；地面数据传输模组的功能是将调控模组的指令传输至驱动执行模组；空中数据传输模组将液体变焦相机获取的图像传输至图像显示模组；
在初始状态下，调控模组选择初始焦段，地面数据传输模组传输预制驱动值的指令，驱动执行模组接受指令后将驱动值输出给液体变焦相机，改变液体变焦相机中每片液体透镜的界面曲率，实现有效焦距的调控，此时液体变焦相机的有效焦距为F1，后焦距为D；由液体变焦相机获取图像后，经空中数据传输模组传输至图像显示模组显示；此时若图像不清晰，则通过调控模组微调每个液体透镜的驱动值，进行下一轮图像获取直至图像清晰；若初始焦段获取的清晰图像不能满足需要，则通过调控模组重新选择焦段，短焦扩大视场，长焦减小视场；选择短焦，地面数据传输模组传输预制驱动值的指令，驱动执行模组接受指令后将驱动值输出给液体变焦相机，液体变焦相机的有效焦距再次发生改变，此时液体变焦相机有效焦距为F2，后焦距保持不变仍为D；此时若图像不清晰，则再次调节调控模组至得到满意的图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统，其特征在于，该系统可同时实现两种模式的变焦拍摄：模式一，固定飞行高度后，对某一固定场景进行变焦拍摄，局部放大场景，捕获和显示场景的细节信息；模式二，固定拍摄物体，调整无人机方位和高度，通过变焦调节，可实时、清晰、全方位地拍摄物体，获得物体的三维信息，以便构建三维模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统，其特征在于，液体透镜组中每片液体透镜通过外驱动改变液-液界面曲率，实现变焦功能，采用的液体透镜类型为电润湿驱动液体透镜、介电泳力驱动液体透镜、机械马达驱动的弹性薄膜液体透镜、磁控液体透镜或电子肌肉驱动的液体透镜等。
4.根据权利要求1所述的一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统，其特征在于，液体变焦相机中液体透镜组的组数A≥1，固体透镜组的组数B≥0；单个液体透镜组中液体透镜的个数M≥1，单个固体透镜组中固体透镜个数Q≥1。
5.根据权利要求1所述的一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统，其特征在于，驱动控制模组为直流电压驱动模组、交流电压驱动模组、液压驱动模组、热压驱动模组或电磁驱动模组等。
6.根据权利要求1所述的一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统，其特征在于，数据传输模组为蓝牙数据传输模组、Wi-Fi数据传输模组、ZigBee数据传输模组、IrDA数据传输模组、NFC数据传输模组或UWB数据传输模组等。
7.根据权利要求1所述的一种基于液体变焦相机的无人机拍摄系统，其特征在于，图像传感器可采用CCD或CMOS。
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