CN204013924U - 三维索道摄像平台及应用该平台的三维索道摄像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种三维索道摄像平台及应用该平台的三维索道摄像系统。所述摄像平台（10）包括：第一陀螺（141），第二陀螺（142）和第三陀螺（143），其中，第一陀螺（141）和第二陀螺（142）径向相互垂直，第三陀螺（143）水平安装在与第一陀螺（141）和第二陀螺（142）所在平面相垂直的轴上。根据本实用新型实施例的摄像平台、摄像系统，利用惯性原理和惯性原件（陀螺），建立一个惯性姿态基准，可以克服摄像平台在运动中造成的扰动和摄像机转动引起的章动干扰。

Description

三维索道摄像平台及应用该平台的三维索道摄像系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于搭载摄像设备的平台，具体而言，涉及一种三维索道摄像平台，以及应用了该平台的三维索道摄像系统。

背景技术

与固定摄像机位的拍摄方式相比，利用摇臂搭载摄像设备，或者采用航拍等方式，可以扩展拍摄的角度和范围。但是摇臂摄像方式仍然在拍摄范围和角度上受到很大的限制，而航拍方式也会产生画面不稳定、噪音大以及对拍摄高度和天气环境存在较高要求等诸多问题。

目前，二维索道拍摄系统已经被广泛使用于例如滑雪、田径等体育赛事的直播录影以及电影影片的拍摄之中。二维索道拍摄系统利用两条平行的吊索形成搭载摄像设备的索道，使该设备可以在吊索的延伸方向上改变拍摄位置，从而可以在精确控制拍摄的同时，得到噪音小且画面稳定的效果。不过，在二维索道拍摄系统中，拍摄设备的位置和拍摄角度仍然受到索道延伸方向的限制。

已经有人尝试设计用三条或者更多的吊索吊起摄像平台，从而实现摄像平台的三维索道控制。例如，在中国实用新型专利申请“云台牵引机”(申请号200910129079.7)中，公开了一种摄像机云台的卷扬机牵引机构，将三台或四台卷扬机安装在录制现场四周不低于5米的铝合金支架上或场馆的设备层，分别将各台卷扬机用钢丝绳与钢丝绳接环连接，摄像机云台在云台机构和摄像设备的重力作用下通过钢丝绳与卷扬机牵制，形成多方向牵引悬挂装置。

然而，在实践应用中，诸如大型体育赛事、演出活动和电影、电视剧拍摄，需要在摄像设备悬挂运动的同时实现拍摄角度的调整和稳定的拍摄，而仅仅凭借云台机构和摄像设备的重力作用无法克服平台在运动中的摆动和晃动。

实用新型内容

为了克服上述缺陷之一，根据本实用新型的一方面，提供了一种摄像平台，其包括：第一陀螺，第二陀螺和第三陀螺，其中，第一陀螺和第二陀螺径向相互垂直，第三陀螺水平安装在与第一陀螺和第二陀螺所在平面相垂直的轴上。

根据本实用新型实施例的摄像平台，可选地，第三陀螺水平安装在摄像平台控制搭载于其上的摄像设备进行旋转操作的旋转轴上。

根据本实用新型实施例的摄像平台，可选地，第一陀螺，第二陀螺和第三陀螺中的至少一个是光纤陀螺。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种三维索道摄像平台，其包括：主体机构，悬挂机构，驱动机构和控制机构，其中，主体机构包括：平衡框架，横梁，旋转框架和载荷框架，其中，横梁连接主体机构和悬挂机构；载荷框架搭载摄像设备，并通过旋转来改变该摄像设备的俯仰角度；旋转框架通过旋转来改变摄像设备的水平角度；驱动机构包括：俯仰力矩电机，俯仰角传感器，X轴旋转力矩电机，Y轴旋转力矩电机和Z轴旋转力矩电机，其中，在水平横梁的至少一端与平衡框架之间连接有X轴旋转力矩电机；Y轴旋转力矩电机与X轴旋转力矩电机正交设置；Z轴旋转力矩电机连接设置于平衡框架和旋转框架之间；俯仰力矩电机与俯仰角传感器安装在旋转框架上，电机轴与角传感器轴固定于载荷框架；控制机构包括：X轴陀螺，Y轴陀螺，Z轴陀螺和控制电路，其中，X轴陀螺相对于X轴旋转力矩电机的轴平行设置，Y轴陀螺相对于Y轴旋转力矩电机的轴平行设置，Z轴陀螺水平安装在Z轴旋转力矩电机的轴线上。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像平台，可选地，悬挂机构包括：吊架，吊架系留环，卡圈，横梁吊耳，吊架倾转轴和倾转销轴，其中，吊架倾转轴的方向对应于Y轴旋转力矩电机的轴的方向；倾转销轴的方向对应于X轴旋转力矩电机的轴的方向；吊架，卡圈，横梁吊耳，吊架倾转轴和倾转销轴组成了十字万向节结构；通过将横梁吊耳固定在横梁的中间来将悬挂机构固定于主体机构。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像平台，可选地，在吊架上方等分安装了多个铰接的吊架系留环，多根吊索对应连接到每个吊架系留环上。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像平台，可选地，吊索在系留环的 槽内缠绕一定的圈数，该圈数取决于吊索的直径和系留环的槽宽。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像平台，可选地，X轴旋转力矩电机的电机轴与倾转销轴在同一轴线上，Y轴旋转力矩电机的电机轴作用于吊架倾转轴，带动该吊架倾转轴转动。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像平台，可选地，控制电路根据陀螺感应到的角速率变化来驱动该陀螺对应的旋转力矩电机从而抵消扰动。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像平台，可选地，摄像平台还包括通信模块，传输指令信号和拍摄的图像数据。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像平台，可选地，摄像平台对称设置有两个X轴旋转力矩电机和两个Y轴旋转力矩电机。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像平台，可选地，与悬挂机构连接的吊索包括在外层的耐磨护套和在内层的由高强度纤维制成的承力结构，在该承力结构的中空部分设置有通信光纤。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像平台，可选地，在通信光纤相对于承力结构及护套的出口处，设置有滑套结构。

根据本实用新型的又一方面，提供了一种三维索道摄像系统，其包括前述的摄像平台。

根据本实用新型的再一方面，提供了一种三维索道摄像系统，其包括前述的摄像平台，卷扬机，摄像控制台，飞行控制台以及连接在摄像平台和卷扬机之间的吊索，其中，卷扬机基于飞行控制台的控制来收放吊索；摄像控制台用于控制摄像平台和该摄像平台搭载的摄像设备以实现摄像操作。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像系统，可选地，该摄像系统还包括与卷扬机对应设置的塔架及安装在塔架顶端的滑轮组，其中，利用塔架支撑滑轮组，用卷扬机通过滑轮组来收放吊索，从而实现对摄像平台的牵引。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像系统，可选地，摄像系统通过确定滑轮组的空间位置坐标来计算摄像平台的初始空间位置坐标并且确定卷扬控制参数。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像系统，可选地，摄像控制台和/或飞行控制台包括至少一个三维操纵杆和/或至少一块触摸屏。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像系统，可选地，在摄像控制台和卷扬机之间采用无线或者有线的方式进行通信，其中，摄像控制台通过多于 一条通信线路与多于一台卷扬机通信。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像系统，可选地，摄像系统包括卷扬控制线路，该卷扬控制线路将飞行控制台和多台卷扬机连成双向环型网络。

根据本实用新型的其它方面，提供了一种实现三维索道摄像平台的惯性稳定的方法，其包括：在摄像平台发生偏转扰动的相互垂直的第一轴和第二轴上设置第一陀螺和第二陀螺，并且在与第一轴和第二轴所在平面相垂直的第三轴上水平安装第三陀螺；根据第一陀螺、第二陀螺和第三陀螺中的一个或多个检测到的摄像平台在三个轴向上的偏转来驱动对应的旋转力矩电机，以抵消偏转扰动。

根据本实用新型实施例的惯性稳定方法，可选地，在第一陀螺、第二陀螺和第三陀螺中的一个检测到摄像平台沿该陀螺对应的轴偏转后，驱动与该陀螺或轴对应的旋转力矩电机反向旋转，直到该陀螺的输出为零。

根据本实用新型实施例的摄像平台、摄像系统，利用惯性原理和惯性原件(陀螺)，建立一个惯性姿态基准，可以克服摄像平台在运动中造成的扰动和摄像机转动引起的章动干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。

图1是根据本实用新型实施例的三维索道摄像系统的示意图；

图2示意性地示出了图1所示系统实现布置后的一个例子；

图3是图1所示系统中的卷扬机的结构及外形示意图；

图4是图1所示系统中的飞行控制台的外形示意图；

图5是图1所示系统中的摄像控制台的外形示意图；

图6是图1所示系统中的摄像平台的正面示意图；

图7a是图6所示摄像平台的一个角度的立体视图，图7b是图6所示摄像平台的另一个角度的立体视图；

图8是图6所示摄像平台的悬挂机构的放大的立体示意图；

图9是图6所示摄像平台的顶面剖视图；

图10示出了Sagnac效应的原理；

图11示出了根据本实用新型实施例的摄像平台所采用的干涉式光纤陀螺的原理图；

图12示出了根据本实用新型实施例的摄像平台的单轴陀螺稳定结构的控制回路原理框图；

图13示出了根据本实用新型实施例的摄像平台的Z轴陀螺稳定结构的控制回路原理框图；

图14是图1所示系统中的吊索的一种示例性结构的示意图。

附图标记：

10 摄像平台

20 卷扬机

30 摄像控制台

40 飞行控制台

51 吊索

511 护套

512 承力结构

513 光纤

514 滑套结构

52 通信线路

53 卷扬控制线路

60 滑轮组

70 塔架

11 主体机构

111 平衡框架

112 横梁

113 旋转框架

114 搭载框架

12 悬挂机构

121 吊架

122 吊架系留环

123 卡圈

124 横梁吊耳

125 吊架倾转轴

126 倾转销轴

13 驱动机构

131 Z轴旋转力矩电机

132 俯仰力矩电机

133 俯仰角传感器

134 X轴旋转力矩电机

135 Y轴旋转力矩电机

14 控制机构

141 X轴陀螺

142 Y轴陀螺

143 Z轴陀螺

144 控制电路

145 通信模块

15 电池

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

图1示意性地示出了根据本实用新型一个实施例的三维索道摄像系统。 如图1所示，所述三维索道摄像系统包括：摄像平台10，四台卷扬机20，摄像控制台30，飞行控制台40以及连接在摄像平台10和卷扬机20之间的吊索51，连接在卷扬机20和摄像控制台30之间的通信线路52，连接在卷扬机20和飞行控制台40之间的卷扬控制线路53。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像系统，可以划分为卷扬牵引子系统、通信和数据传输子系统，以及摄像搭载和控制子系统。

其中，卷扬牵引子系统包括：卷扬机20，吊索51和飞行控制台40。由多台卷扬机20通过吊索51将摄像平台10悬挂在空中，操作员通过操作飞行控制台40来驱动卷扬机20，从而控制摄像平台10的移动。

卷扬机20的数量可以是三台、四台或者更多。通常对于体育场地或演出场馆而言，四台或者更多台的卷扬机布置与三台卷扬机的布置方案相比，可以获得更大的覆盖范围。另外，四台卷扬机的方案与更多台卷扬机的方案相比，吊索配合施力的计算更简单，硬件成本也较低。因而，图1所示的实施例优选地采用了四台卷扬机20对四条吊索51进行牵引从而实现对摄像平台10的运动控制。

图2示意性地示出了图1所示系统实现布置后的一个例子。图2的例子是将三维索道摄像系统布置于体育场的应用环境。如图2所示，在体育场的四个角附近分别布置了一个卷扬机20和一个塔架70，并在每个塔架的顶端安装了一个滑轮组60，利用塔架70支撑滑轮组60，用卷扬机20通过滑轮组60来收放吊索51，从而实现对摄像平台10的牵引。根据图2所示的方案，在体育场的四个角的垂直高度上设置牵引点，可以使得摄影平台的移动范围基本上覆盖整个体育场，从而实现全方位的拍摄。可选地，滑轮组60是可摆动左右的定滑轮。

考虑到系统的可移动性能，可选地，图2所示的塔架可以是自行式液压升降塔架。在图2中，四个塔架分别被设置在体育场的四个角落。各个塔架70的底座连线所围成的形状可以是与体育场形状相匹配的矩形，也可以是梯形、平行四边形，还可以是非平面的空间四边形形状。也就是说，各个塔架70的底座连线构成的基准面可以是平面也可以不是平面。可选地，悬挂吊点距离基准面可以等高。或者，各个塔架70的升起高度或者在各个塔架70上的滑轮组60的安装高度也可以有差异，也就是说，各个滑轮组60到达所述基准面的距离或者相对于地面的垂直高度可以是不同的。

根据本实用新型的实施例，在实施三维索道摄像系统的设置安装后，确定各个滑轮组60的空间位置坐标(更精确地，确定各个滑轮组60的牵引点(或悬挂点，二者有微小差异)的空间位置坐标)，然后计算摄像平台10的初始空间位置坐标并且确定卷扬控制参数，从而通过四台卷扬机20和相应的吊索51来实现对摄影平台10的悬动和悬停控制。

由于卷扬控制的运算主要基于各个滑轮组60的空间位置坐标，并且不要求多个滑轮组60设置在同一水平面上，因此，在例如体育场馆和演出场馆的室内场地，可以将滑轮组60安装在场馆顶棚内侧，例如安装在支撑架或者灯光架上，能保证吊索51对摄像平台10的无障碍牵引即可。这种方式可以省去塔架70的安装调试，也可以适用于更多的场地应用。

在图2示出的一部分卷扬牵引子系统中，还包括了滑轮组60和塔架70。这种设计往往取决于卷扬机20与摄像平台10的空间相对位置关系。例如，在拍摄远距离空中走钢丝或水上竞技时，卷扬机20可以设置在高于摄像平台10的位置，这时就可以不再使用塔架70，也可以不使用独立的滑轮组60。在不使用独立的滑轮组60的应用中，可以用卷扬机20的牵引点的空间位置取代滑轮组60的牵引点的空间位置来建立坐标系和计算初始参数。

图3示意性地示出了卷扬机的结构及外形。卷扬系统的作用是通过卷筒不同方向、不同速度的转动和制动，控制悬挂吊索的收放和锁止，从而牵引摄像平台10在空中的三维悬动飞行和悬停。卷扬系统由机械结构和驱动电控系统两部分组成。其中，机械结构包括：卷扬机座(含箱体)、卷筒、排线器、机械传动装置、制动器五部分组成。

图4是飞行控制台的外形示意图。如图4所示，飞行控制台40包括两个操纵摇杆41和42。操纵杆41的功用包括：向前推，摄像平台10前进；向后拉，摄像平台10后退；向左压操纵杆41，摄像平台10向左平动；向右压操纵杆41，则摄像平台10向右平动。操纵杆42的功用包括：向前推，摄像平台10下降，向后拉，摄像平台10上升。对二维操纵杆41的操作也可以是45度操作，即控制左前、右前、左后和右后四个方向上的移动。

图4所示的飞行控制台40具有两个摇杆41和42，一般需要使用两只手进行操作。可选地，可以采用三维摇杆(通常具有集成于摇杆主体的按钮或者旋钮)，这样用一只手即可实现对于摄像平台10的飞行控制操作。可选地，飞行控制台40还包括一个或者多个显示屏43，在其上显示摄像平台10 的空间位置，显示方式可以是通过计算得到的数字模拟图像，也可以是摄像平台10搭载的摄像设备所拍摄到的影像，还可以是用其它摄像设备追踪拍摄到的含有摄像平台10的画面。

图5示意性地示出了摄像控制台的外形。摄像控制台30包括有操纵杆31，用于操纵摄像机镜头聚焦/变焦、用于图像锁定等的旋钮、按钮和开关32。在操作时，前推操纵杆31，摄像机向下倾转，后拉操纵杆31，摄像机向上倾转；左压操纵杆31，摄像机向左旋转，右压操纵杆31，摄像机向右旋转。可选地，可以将所述用于聚焦/变焦/图像锁定等的旋钮、按钮和开关32全部或者一部分集成于操纵杆31，可以增加单手操作的适用情形，也可以简化控制台。

可选地，摄像控制台30还包括一个或者多个显示屏33，在其上显示摄像平台10搭载的摄像设备所拍摄到的影像。显示屏33可以用来监控拍摄效果，也可以辅助拍摄操作。例如，使得摄像控制台30工作于自动模式(相对于操作操纵杆31的手动模式)，然后利用诸如鼠标或者摇杆的控制组件在屏幕上选定或者缩放目标图像，系统自动控制摄像平台10及其搭载的摄像设备进行相应的操作；还可以将显示屏33制作成触摸屏，通过触摸方式在显示屏33上进行控制操作。这种自动模式，可以根据需要快速调整摄像范围及对象，并可以再结合自动光圈调整及图像识别技术，使得摄像更具有实时性。

在图1所示的摄像系统中，飞行控制台40和摄像控制台30是两台相互独立的设备。可选地，可以通过一个控制台来实现飞行控制台40和摄像控制台30的功能。如前所述，可以通过两个操纵杆来分别实现飞行控制和摄像控制，这样一个操作员即可以实现对于摄像平台10和摄像设备的操作；此外，也可以利用触摸屏、鼠标等辅助手段来进行飞行控制和摄像控制；再者，可以通过编程来实现对摄像平台10和摄像设备的自动操作和/或预定操作。

如图1所示，飞行控制台40对于摄像平台10的运动的控制可以是通过卷扬机20和吊索51来实现的。在图2所示的方案中，进一步通过塔架70和滑轮组60。具体而言，飞行控制台40通过与各台卷扬机20的通信来对其进行控制，从而最终实现对于摄像平台10的悬动/悬停控制。飞行控制台40与卷扬机20之间的通信可以通过无线或者有线的方式来实现。无线方式可 以省去布线，更简单便捷。但是，对于一些电磁干扰比较严重的工作环境，有线方式更加安全、稳定，诸如对应地连接在飞行控制台40和卷扬机20之间的卷扬控制线路53。

此外，对于前述卷扬系统，可以设置吊索调节功能。在卷扬系统搭建时，可对每台卷扬机20设置吊索收放按钮，人工辨别和调试吊索的松紧程度。

卷扬系统也可以具有自动控制模式，通过螺旋上升与下降、直线、任意弧度、圆的算法，提供多种预设轨迹的存储与调用，从而执行预设飞行轨迹，诸如长方形、正多边形、圆轨迹；并可以进一步修改参数，如：飞行速度、高度、半径、弧度等。自动模式向手动模式的转换，采取操纵杆优先的做法，即当系统执行预设功能后，如操纵杆有动作，则自动控制模式自动解除，飞行控制交给操纵杆来执行。

前述卷扬系统还可以具有适应的安全措施。例如，吊索拉力检测：实时对四根吊索逐一进行拉力检测，当检测到拉力超过安全范围或某一根吊索拉力为零时则立刻制动悬停；电机状态实时监控：实时监控电机的工作状态，当电机发生故障时，在给电机断电的同时，对卷筒制动；制动信号输出：飞行中为保证控制精度，须对卷扬绞盘卷筒进行制动，以保持四根吊索的张力基本一致，当操纵杆回中时，则在停止电机转动的同时，对四个卷扬机同时发出制动信号(脉冲)对卷筒进行制动以保持吊索的张力。这种同时制动的方式优选地用于空间位正方体或长方体，对于不等边的四方体可采用人工干预判断绳缆的松紧程度。还可设置紧急制动功能：在飞行控制台40和四个卷扬机20的醒目位置，安装(红色的)紧急制动按钮，在飞行中，任何一个按钮被触动，系统都会立刻制动。

在图1中，通过通信线路52来实现摄像控制台30和卷扬机20之间的通信。该通信线路52承载复合数据，所谓复合数据是指，既承载操纵指令信号也承载数据信号。其中，操纵指令信号用来控制摄像平台10以及安装于摄像平台10的摄像设备，例如，使摄像机对准被拍摄对象的方位控制(左右旋转、上下俯仰)和对摄像机工作状态的操控(聚焦/变焦、光圈等)；数据信号包括由所述摄像设备所采集的图像影像数据。通信线路52可以是无线线路，也可以是有线线路。如果采用有线线路，则可以用光纤连接到卷扬机20，再通过吊索51内部的光纤连接到摄像平台10。可选地，采用波分复用的方式，用一根光纤既下传视频图像，又上传控制信号。如果采用无线线 路，则通过无线方式与卷扬机20通信，再通过吊索51内部的光纤与摄像平台10通信。无论在摄像控制台30和卷扬机20之间采用无线或者有线的方式进行通信，只需要建立一条摄像控制台30——卷扬机20——摄像平台10的通信通路即可。在图1中，摄像控制台30通过两条通信线路52与两台卷扬机20通信，相应地，该两台卷扬机20与摄像平台10之间的各自的吊索51中含有光纤，这种设计可以备份通信通路，增加数据稳定性。

卷扬控制线路53设置于飞行控制台40和多台卷扬机20之间，其网络拓扑结构可以是如通信线路53的星型结构，即一台飞行控制台40分别与各台卷扬机20通信。这种结构的优点是可以在同一个时钟周期对各台卷扬机20进行指令操作。但是，如果其中一台卷扬机20发生通信故障，那么整个卷扬系统便无法工作了。可选地，采用如图1所示的卷扬控制线路53的网络拓扑结构，即环型拓扑结构，飞行控制台40和各台卷扬机20均作为网络上的节点，且与一般的环型网络不同，该网络可以实现双向网络。这样，当两个相邻节点之间的网络发生通信故障时，系统可在极短的时间内，自动改变为双向通信模式，仍可保证通信畅通。卷扬控制线路53还可以包括动力电源线，从而实现飞行控制台40向卷扬机20的供电。类似地，卷扬控制线路53也可以通过无线方式来实现。

根据本实用新型的实施例，可以考虑采用Beckhoff公司的实时以太网技术EtherCAT(用于控制与自动化技术的以太网)，其具有性能优异、拓扑结构灵活和组态简单等特点。EtherCAT突破了传统现场总线系统的限制，可在30μs内处理1000个分布式I/O，网络规模几乎无限，可实现最佳纵向集成。通过EtherCAT，高成本的以太网星型拓扑结构可以用简单的总线型或树型结构代替(EtherCAT通过非常经济有效的标准以太网卡(NIC)进行管理)，且无需昂贵的专用组件。因系统主站(例如，飞行控制台40或摄像控制台30)与从站(例如卷扬机20或其驱动器)间的环形回路全部是用内部集成了EtherCAT技术的EtherCAT端子模块与光纤搭建的，与一般的总线端子模块不同(现场总线协议数据在总线耦合器中被转换到内部的、独立于现场总线的端子模块总线)，每个EtherCAT端子模块都使用完整的EtherCAT协议。除带有E-bus接口的EtherCAT端子模块之外，也可通过EtherCAT总线耦合器BK1120来连接带有K-bus接口的成熟的标准总线端子模块。这样的结构，当系统的从站间任意一点发生断路故障时， 系统都可在1个时钟周期内将单向通信变为双向通信，而确保网络畅通。

可选地，用一个通信网络实现前述的通信线路52和卷扬控制线路53，即用一个主通信模块接入网络，并且该主通信模块与飞行控制台40和摄像控制台30通信。可选地，如前所述，飞行控制台40和摄像控制台30集成在一起，则所述主通信模块嵌入该集成的控制器。这样的统一的网络可以采用前述的星型拓扑结构或者环型拓扑结构。

利用上述的网络结构，可以使得根据本实用新型的三维索道摄像系统具有以下优点中的一种或几种：质量可靠、稳定性高；采样时间快；性价比高；支持以太网、光纤网等多种通信方式；电子接口模块化，体积小，易于安装固定；采用无螺钉电气连接，便于布线，免维护。

图6是图1所示系统中的摄像平台的正面示意图。图7a是图6所示摄像平台的一个角度的立体视图，图7b是图6所示摄像平台的另一个角度的立体视图。其中，图7a示出了图6所示摄像平台10的X、Y、Z垂直参照系。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像系统中的摄像平台10主要包括：主体机构11，悬挂机构12，驱动机构13，控制机构14和电池15，如图6所示。其中，主体机构11可以起到物理支撑的作用，悬挂机构12实现吊索51对于摄像平台10的悬挂和悬动，在其上设置吊索51对摄像平台10的着力点；驱动机构13实现框架结构和搭载设备的旋转调节以及主动运动补偿；控制机构14用于实现摄像平台10在摄像过程中的自稳定调节、摄像控制和数据传输，电池15负责向摄像平台10供电。可选地，在通过吊索51供电的方案中，摄像平台10也可以不具有电池15。

主体机构11包括：平衡框架111，横梁112，旋转框架113和载荷框架114。其中，平衡框架111是摄像平台10的主体框架；横梁112将主体机构11与悬挂机构12连接起来；旋转框架113通过旋转来改变摄像设备的水平角度(即相对于X轴Y轴平面)；载荷框架114用于搭载所述摄像设备，并通过旋转来改变摄像设备的俯仰角度(即相对于Z轴)。旋转框架113和载荷框架114相互协作，能够控制摄像机绕Z轴和俯仰轴转动，结合三维悬动飞行，实现全方位无死角的动态连续拍摄。

具体而言，控制机构14和电池15设置在平衡框架111的上方；悬挂机构12设置在平衡框架111的中部位置，与横梁112相连接；旋转框架113 设置在平衡框架111的下方，并与载荷框架114连接；载荷框架114用于搭载摄像设备，并可做俯仰运动，例如在-110°～+45°的范围内俯仰运动；所搭载的设备可以是标清摄像机、高清摄像机等摄像设备，也可以是胶片摄影设备。可以通过设置横梁112的位置来改变上下重量分布。这种上下配重的方式可以辅助平衡摄像平台10在Z轴方向上的扰动。

图8的放大视图进一步示出了悬挂机构12的结构。悬挂机构12包括：吊架121，吊架系留环122，卡圈123，横梁吊耳124，吊架倾转轴125，和倾转销轴126。其中，吊架倾转轴125的方向对应于Y轴方向，倾转销轴126的方向对应于X轴方向，吊架121，卡圈123，横梁吊耳124，吊架倾转轴125和倾转销轴126组成了十字万向节结构。Y轴旋转力矩电机135施力于吊架倾转轴125。横梁112的中间设有铰接吊挂点，通过将横梁吊耳124固定在铰接吊挂点来将悬挂机构12固定于横梁112。通过十字万向节结构和横梁吊耳124的固定，使得摄像平台10的主体机构11连同驱动机构13、控制机构14和电池15能够相对于悬挂机构12在X轴和Y轴方向上旋动。

在吊架121上方，等分安装了四个铰接的吊架系留环122。三维索道摄像系统的四根吊索51对应连接到吊架系留环上。连接的方式可以是结扣连接。可选地，将吊索51在系留环122内绕几圈后，把多余的绳索端头用压板、螺钉压在系留环122的侧壁上。这样做与单纯结扣相比的好处在于，利用系留环122外表面与吊索51间的摩擦力，有效减小了绳索端头的受力，考虑到摄像平台10和所搭载摄像设备共几百斤的自重，增强了连接安全性。吊索51在系留环122的槽内缠绕的圈数一般与吊索51的直径和系留环122的槽宽相适应，例如，为四圈。另外，可选地，吊架系留环122的数目可以不与吊索51的数目相同，以适应更多吊索牵引的工作情形。另外，吊架系留环122是可以根据需要安装拆卸的。

悬挂机构12为各条吊索51提供了着力点，并通过与横梁的万向连接，将主体机构11等悬吊于多条吊索51的合力点。这样，在摄像平台10的运动过程中，摄像平台10处于悬吊状态，可以在一定范围内自由摆动，这就使得摄像平台10的自稳定成为可能。也就是说，通过摄像平台10自身的机构来反馈平衡摄像平台10在运动中的扰动或摆动，从而能够保持稳定，实现在运动中的清晰拍摄。

驱动机构13包括：Z轴旋转力矩电机131，俯仰力矩电机132，俯仰角 传感器133，X轴旋转力矩电机134和Y轴旋转力矩电机135。其中，X轴旋转力矩电机134，Y轴旋转力矩电机135和Z轴旋转力矩电机131用于摄像平台10的自稳定。俯仰力矩电机132和俯仰角传感器133用于控制所搭载的摄像机的俯仰操作。具体而言，在水平横梁112的至少一端与所述平衡框架111之间连接有X轴旋转力矩电机134；Y轴旋转力矩电机135与X轴旋转力矩电机134正交设置；Z轴旋转力矩电机131连接设置于平衡框架111和旋转框架113之间；载荷框架114的两侧分别由俯仰力矩电机132和俯仰角传感器133与旋转框架113轴连接，也就是说，俯仰力矩电机132与俯仰角传感器133安装在旋转框架113上，电机轴与角传感器轴固定于载荷框架114。如图8所示，X轴旋转力矩电机134的电机轴与倾转销轴126在同一轴线上，即两条轴线重合；Y轴旋转力矩电机135的电机轴作用于吊架倾转轴125，带动吊架倾转轴125转动，两条轴线也重合。这种轴线重合的方式，可以实现电机旋转力矩的线性补偿；也可以采用X轴旋转力矩电机134的电机轴与倾转销轴126不在同一轴线上和/或Y轴旋转力矩电机135的电机轴与吊架倾转轴125不在同一轴线上的方案，这样对于电机旋转力矩而言，补偿量非线性，所需电机力矩更大。

图9是图6所示摄像平台沿剖面A-A的剖视图，主要示出了摄像平台10的控制机构14。如图9所示，控制机构14包括：X轴陀螺141，Y轴陀螺142，Z轴陀螺143，控制电路144和通信模块145。其中，X轴陀螺141，Y轴陀螺142和Z轴陀螺143分别是用于检测摄像平台10三个轴向偏转的传感器，为摄像平台10的自稳定控制提供依据。在空间位置上，X轴陀螺141和Y轴陀螺142均在X-Y平面上，且径向相互垂直(或者分别平行与X轴、Y轴)，Z轴陀螺143则是水平安装在Z轴轴线上的。

控制电路144也用于摄像平台10的自稳定控制，并根据指令控制摄像平台10的操作以及所搭载的摄像设备的操作，并可以对拍摄所得数据进行处理，以用于传输。通信模块145用于传输指令和拍摄数据等。通信模块145可以是无线通信模块，例如，无线收、发射信机；如果采用光纤通信，通信模块145也可以是光端机。

主体机构11，驱动机构13和控制机构14协同完成摄像平台10的摄像控制和自稳定控制。

为了实现多自由度全方位无死角连续拍摄，如前所述，根据本实用新型 实施例的三维索道摄像系统，利用吊索51牵引摄像平台10在三维空间悬动飞行和悬停，这会给摄像平台10带来扰动。扰动包括：(1)吊索牵引摄像平台在快速启动、加速、减速、急停等状态交变时产生的惯性扰动，以及摄像平台在空间不同位置时因四根吊索拉力不同导致的姿态变化，合称之为牵引力扰动；(2)由于摄像平台采用吊索悬挂牵引，所以牵引吊架与平台主体(基座)为柔性连接，当为实现多方位拍摄而通过旋转框架113带动摄像机左右转动或者通过搭载框架114带动摄像机俯仰运动时，也会对摄像平台10引入因反作用力而产生的扰动，称之为基座扰动，这类似于物理学上的章动；(3)由于三维索道摄像平台多是在室外应用，所以会受到风的影响。这种因风造成的扰动，称之为风阻扰动。

根据本实用新型实施例的摄像平台10，首先通过平衡框架111来隔离牵引力扰动。平衡框架111是一个双轴陀螺稳定框架，通过对X、Y两个正交轴的主动闭环控制，隔离了牵引力扰动，从而使整个摄像平台10在惯性空间里始终保持垂直状态。具体而言，水平横梁112至少一端与平衡框架111之间连接有X轴旋转力矩电机134，在摄像平台10的运动中，当平衡框架111发生X方向扰动时，X轴陀螺141感应到角速率的变化，经控制电路144，驱动X轴旋转力矩电机134反向旋转，直到X轴陀螺141的输出为零，主动抵消了扰动，达到X方向的惯性稳定；同理，当平衡框架111发生Y方向扰动时，Y轴陀螺142感应到角速率的变化，经控制电路144，驱动Y轴旋转力矩电机135反向旋转，直到Y轴陀螺142的输出为零，主动抵消扰动，达到Y方向的稳定。如图7b所示，电机的扭矩沿电机减速器轴向该轴的两端传递。对比图7a，X轴旋转力矩电机的扭矩沿X轴传递，Y轴旋转力矩电机的扭矩沿Y轴传递。可以设置一个X轴旋转力矩电机和一个Y轴旋转力矩电机，也可以对称设置两个X轴旋转力矩电机和两个Y轴旋转力矩电机，这种对称设置可以实现辅助平衡的效果。

X轴陀螺141和Y轴陀螺142可以是光纤陀螺。光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光学陀螺，所谓Sagnac效应，是指同一光路中两个相向传播的光的光程差与其旋转速度的解析关系，其原理见图10。

图10中所示光路是由N匝光纤构成的，由光源发出的光进入光路，经A点的分路器BS分成逆时针传输和顺时针传输两路，它们以相同的速度传播，经过同样的距离2πNa重新在BS汇合。如果系统是静止的，则两路光 经历了完全相同的光程，因此它们的相位也相同。然而，如果该圆形光路以角速度Ω沿顺时针旋转的话，两路光到达汇合点的时间是不相同的(此时A点已经移到A′的位置)，存在一个时间差。

图11示出了根据本实用新型实施例的摄像平台所采用的干涉式光纤陀螺的原理图。从图中可见，来自光源的光束通过分束器成了两束光，这两束光分别从光纤线圈的两端耦合进入光纤传感线圈并反向传输。从光纤线圈两端出来的光，通过合束器后又重新复合，并产生干涉。如果光纤线圈处在静止状态，从光纤线圈两端出来的两束光的相位差为零。如果光纤线圈以角速度ω旋转，这两束光会由于Sagnac效应而产生相位差。

与传统机电陀螺相比，光纤陀螺具有以下优点：①零件少，无运动部件，结构牢固稳定，具有较强的耐冲击和抗加速度的能力；②无机械传动部件，不存在摩擦阻力和磨损问题，因而具有较长的使用寿命；③光纤线圈较长，增长了激光束的检测光路，使检测灵敏度和分辨率提高了好几个数量级；④相干光的传播时间极短，原理上可认为是上电即启动(瞬间启动)；⑤可直接输出数字信号，且信号稳定可靠，能直接与计算机接口连接；⑥具有较宽的动态范围；⑦结构简单、体积小、质量轻、价格低。

根据本实用新型实施例的摄像平台10，采用两个在水平面内正交安装的光纤陀螺141和142作为角度传感元件，采用两个在水平面内正交安装的加速度计(集成于控制电路144)作为位置传感元件，二者共同构成了摄像平台10的空间基准；采用两个在水平面内正交安装的力矩电机134和135作为主动执行器件；当牵引力扰动使平衡框架姿态与垂直状态产生偏差，DSP控制器通过采集位置传感器和速度传感器(光纤陀螺)的偏差信号利用位置闭环和速度闭环控制产生对电机的驱动信号，信号经驱动放大送给力矩电机134和135，使电机输出反向力矩，从而使摄像平台10始终保持竖直状态。由于竖直状态下两正交回路之间相互耦合较小，故两个伺服控制回路可以分别设计为单轴陀螺稳定结构，图12给出了该伺服控制回路的原理框图。

一般说来，平衡框架111在X、Y向的陀螺稳定下，无论怎样运动，均应始终保持竖直状态，此时所搭载摄像机拍摄的画面即是稳定清晰的。操纵摄像机做俯仰运动时引起的扰动，也是由X、Y轴的陀螺稳定系统主动抵消的。同时，俯仰角传感器133和俯仰力矩电机132组成了独立的闭环系统，用于驱动摄像机的俯仰运动。

如前所述，由于整个摄像平台10是依靠万向吊架和四根吊索柔性连接的，当操纵摄像机俯仰或左右旋转时，会引起平衡框架111绕Z轴旋转运动，也就是前述的基座扰动，这类似于物理学上的章动。这时，须引入第三个维度的调节，即Z轴的角稳定调节。为此，根据本实用新型实施例的摄像平台10，设置了Z轴陀螺和相应的控制电路。例如，当操纵摄像机左右转动时，平衡框架111会因章动而产生顺、逆时针的扰动。Z轴陀螺143感应到角速率的变化，经控制电路144，驱动Z轴旋转力矩电机131反向旋转，主动抵消扰动，达到Z方向的稳定。

Z轴旋转力矩电机131的驱动包括两方面：一方面是旋转所述旋转框架113的信号所指示的控制量，另一方面是控制电路144根据Z轴陀螺143的感应量计算的平衡信号所指示的调节量。具体而言，例如，当希望左转摄像机跟踪目标时，产生了第一个量——控制量(左转)；但由于Z轴陀螺143感知了产生章动(平衡框架111反方向旋转(右转))的趋势，控制电路144产生了一个纠正章动的量——调节量(左转)；因而，如果要实现预期转动角度，则须是控制量(预期的转角)+调节量(纠正章动产生的)。

类似前述的单轴陀螺稳定平台的伺服控制回路理，Z轴陀螺143作为速度传感器件，结合Z轴旋转力矩电机131，在DSP上构建了单轴陀螺伺服稳定结构，实现基座扰动隔离平衡。摄像平台10由于悬挂和自重的原因，在Z轴方向上基本不会发生扰动(前述的扰动是围绕Z轴旋转)，因此与Z轴陀螺对应的控制回路相当于图12的控制回路原理框图去除位置环，具体如图13所示。可选地，Z轴陀螺也是光纤陀螺。

由此，通过双轴陀螺稳定结构(X轴、Y轴)和Z轴闭环伺服控制分别消除了牵引力扰动和基座扰动，保证了搭载在其上面的摄像机输出稳定可靠的高质画面。

由于拍摄现场的电磁环境复杂，为了高清视频信号无损远程传输，优选地，使用光纤进行传输。进一步，为了不与吊索互相干扰、互相影响，考虑采用符合强度要求的内含通信光纤的综合吊索。

图14示意性地示出了图1所示系统中的吊索的一种示例性结构。该吊索51包括在外层的耐磨护套511和在内层的由高强度纤维制成的承力结构512。承力结构512的中空部分设置有一根通信光纤513，在通信光纤513与承力结构512及护套511的出口处，装有一滑套结构514。吊索51的两端 部分51a和51b不含光纤，用做与卷扬机20的绞盘滚筒和摄像平台10的吊架系留环122分别连接。

采用这样的结构设计，可保证吊索51在受到拉力时，只有护套511内的高强度纤维的扭绞结构(承力结构512)受力，光纤513基本不承受轴向拉力。而因纤维弹性模量引起的蠕变，则由滑套结构514缓解。

吊索51中的通信光纤513的两端连接到光端机。系统采用波分复用制，下行信道传输摄像机所拍摄的视频信号，上行信道传输对旋转框架113和搭载框架114进行旋转以及对摄像机的推、拉、摇、移、光圈、变/聚焦的操作信号。

根据本实用新型实施例的三维索道摄像系统(也称为“万向鹰眼三维索道摄像系统”)，通过控制四台卷扬系统的四根吊索协调收放，牵引摄像平台在水平方向(X/Y轴)和垂直方向(Z轴)的三维空间里悬动和悬停(飞行)；并且利用惯性原理和惯性原件(陀螺)，建立一个惯性姿态基准；利用水平基准测量摄像机纵摇角和横摇角，利用方位基准测量方位的变化量；综合计算这些数据并通过伺服系统隔离吊索在运动中造成的扰动和摄像机转动引起的章动干扰，满足高清摄像机在大范围空间内，不同位置不同视角无干扰的稳定取景需要，为影视拍摄、体育赛事及大型晚会现场转播等场合提供大场景、360°、无干扰的移动拍摄条件。

以上所述仅是本实用新型的示范性实施方式，而非用于限制本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (20)

1.一种摄像平台(10)，其特征在于，包括：第一陀螺(141)，第二陀螺(142)和第三陀螺(143)，其中，第一陀螺(141)和第二陀螺(142)径向相互垂直，第三陀螺(143)水平安装在与第一陀螺(141)和第二陀螺(142)所在平面相垂直的轴上。

2.根据权利要求1所述的摄像平台(10)，其特征在于，所述第三陀螺(143)水平安装在所述摄像平台(10)控制搭载于其上的摄像设备进行旋转操作的旋转轴上。

3.根据权利要求1所述的摄像平台(10)，其特征在于，所述第一陀螺(141)，第二陀螺(142)和第三陀螺(143)中的至少一个是光纤陀螺。

4.一种三维索道摄像平台(10)，其特征在于，包括：主体机构(11)，悬挂机构(12)，驱动机构(13)和控制机构(14)，其中，

所述主体机构(11)包括：平衡框架(111)，横梁(112)，旋转框架(113)和载荷框架(114)，其中，所述横梁(112)连接所述主体机构(11)和所述悬挂机构(12)；所述载荷框架(114)搭载摄像设备，并通过旋转来改变该摄像设备的俯仰角度；所述旋转框架(113)通过旋转来改变所述摄像设备的水平角度；

所述驱动机构(13)包括：俯仰力矩电机(132)，俯仰角传感器(133)，X轴旋转力矩电机(134)，Y轴旋转力矩电机(135)和Z轴旋转力矩电机(131)，其中，在所述水平横梁(112)的至少一端与所述平衡框架(111)之间连接有所述X轴旋转力矩电机(134)；所述Y轴旋转力矩电机(135)与所述X轴旋转力矩电机(134)正交设置；所述Z轴旋转力矩电机(131)连接设置于所述平衡框架(111)和所述旋转框架(113)之间；所述俯仰力矩电机(132)与所述俯仰角传感器(133)安装在所述旋转框架(113)上，电机轴与角传感器轴固定于所述载荷框架(114)；

所述控制机构(14)包括：X轴陀螺(141)，Y轴陀螺(142)，Z轴陀螺(143)和控制电路(144)，其中，所述X轴陀螺(141)相对于所述X 轴旋转力矩电机(134)的轴平行设置，所述Y轴陀螺(142)相对于所述Y轴旋转力矩电机(135)的轴平行设置，所述Z轴陀螺(143)水平安装在所述Z轴旋转力矩电机(131)的轴线上。

5.根据权利要求4所述的摄像平台(10)，其特征在于，所述悬挂机构(12)包括：吊架(121)，吊架系留环(122)，卡圈(123)，横梁吊耳(124)，吊架倾转轴(125)和倾转销轴(126)，其中，所述吊架倾转轴(125)的方向对应于所述Y轴旋转力矩电机(135)的轴的方向；所述倾转销轴(126)的方向对应于所述X轴旋转力矩电机(134)的轴的方向；所述吊架(121)，卡圈(123)，所述横梁吊耳(124)，所述吊架倾转轴(125)和所述倾转销轴(126)组成了十字万向节结构；通过将所述横梁吊耳(124)固定在所述横梁(112)的中间来将所述悬挂机构(12)固定于所述主体机构(11)。

6.根据权利要求5所述的摄像平台(10)，其特征在于，在所述吊架(121)上方等分安装了多个铰接的吊架系留环(122)，多根吊索(51)对应连接到每个所述吊架系留环(122)上。

7.根据权利要求6所述的摄像平台(10)，其特征在于，所述吊索(51)在所述系留环(122)的槽内缠绕一定的圈数，该圈数取决于所述吊索(51)的直径和所述系留环(122)的槽宽。

8.根据权利要求5所述的摄像平台(10)，其特征在于，所述X轴旋转力矩电机(134)的电机轴与所述倾转销轴(126)在同一轴线上，所述Y轴旋转力矩电机(135)的电机轴作用于所述吊架倾转轴(125)，带动该吊架倾转轴(125)转动。

9.根据权利要求4所述的摄像平台(10)，其特征在于，所述控制电路(144)根据所述陀螺感应到的角速率变化来驱动该陀螺对应的旋转力矩电机从而抵消扰动。

10.根据权利要求4所述的摄像平台(10)，其特征在于，所述摄像平台 (10)还包括通信模块(145)，传输指令信号和拍摄的图像数据。

11.根据权利要求4所述的摄像平台(10)，其特征在于，所述摄像平台(10)对称设置有两个X轴旋转力矩电机(134)和两个Y轴旋转力矩电机(135)。

12.根据权利要求4所述的摄像平台(10)，其特征在于，与所述悬挂机构(12)连接的吊索(51)包括在外层的耐磨护套(511)和在内层的由高强度纤维制成的承力结构(512)，在该承力结构(512)的中空部分设置有通信光纤(513)。

13.根据权利要求12所述的摄像平台(10)，其特征在于，在所述通信光纤(513)相对于所述承力结构(512)及所述护套(511)的出口处，设置有滑套结构(514)。

14.一种三维索道摄像系统，其特征在于，包括根据权利要求1-13中任何一项所述的摄像平台(10)。

15.一种三维索道摄像系统，其特征在于，包括：根据权利要求1-13中任何一项所述的摄像平台(10)，卷扬机(20)，摄像控制台(30)，飞行控制台(40)以及连接在所述摄像平台(10)和所述卷扬机(20)之间的吊索(51)，其中，

所述卷扬机(20)基于所述飞行控制台(40)的控制来收放所述吊索(51)；

所述摄像控制台(30)用于控制所述摄像平台(10)和该摄像平台(10)搭载的摄像设备以实现摄像操作。

16.根据权利要求15所述的摄像系统，其特征在于，该摄像系统还包括与所述卷扬机(20)对应设置的塔架(70)及安装在塔架(70)顶端的滑轮组(60)，其中，利用所述塔架(70)支撑所述滑轮组(60)，用所述卷扬机(20)通过所述滑轮组(60)来收放所述吊索(51)，从而实现对所述摄像平台(10)的牵引。

17.根据权利要求16所述的摄像系统，其特征在于，所述摄像系统通过确定所述滑轮组(60)的空间位置坐标来计算所述摄像平台(10)的初始空间位置坐标并且确定卷扬控制参数。

18.根据权利要求15所述的摄像系统，其特征在于，所述摄像控制台(30)和/或所述飞行控制台(40)包括至少一个三维操纵杆和/或至少一块触摸屏。

19.根据权利要求15所述的摄像系统，其特征在于，在所述摄像控制台(30)和所述卷扬机(20)之间采用无线或者有线的方式进行通信，其中，所述摄像控制台(30)通过多于一条通信线路(52)与多于一台卷扬机(20)通信。

20.根据权利要求15所述的摄像系统，其特征在于，所述摄像系统包括卷扬控制线路(53)，该卷扬控制线路(53)将所述飞行控制台(40)和多台卷扬机(20)连成双向环型网络。