CN207523954U - 无人机载高光谱相机增稳云台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无人机载高光谱相机增稳云台，包括机械框架、云台控制器、IMU模块和三个无刷直流电机，机械框架包括外环框架、中环框架和内环框架，使用稳固性好的碳纤板基座和铝柱框架配合塑料，质量轻，大大增加了无人机的续航时间。在拍摄过程中，相机始终垂直向下，无需地面人员手动调控云台的俯仰角和横滚角，解决了每次安装都需重新调校三轴平衡的繁琐工序问题，使操作更简便，很大的提高了工作效率。

Description

无人机载高光谱相机增稳云台

技术领域

本实用新型涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机载高光谱相机增稳云台。

背景技术

无人机机载相机的成像质量在很大程度上受到无人机飞行姿态变化的制约，要使机载相机视轴稳定，就必须为相机提供一个具有空间稳定性的惯性平台。稳定云台是机载相机的载体，用来隔离无人机姿态的变化以及机体震动、风阻力矩等扰动，保证无人机机载相机的视轴稳定。

无人机机载相机能否正常拍摄出高质量的低空遥感影像，关键是相机的视轴相对地面保持稳定。因此，在相机拍摄的过程中，要求无人机始终保持水平、匀速地飞行，并且还要保持无人机姿态的稳定。当无人机匀速稳定地飞行时，机载相机视轴能够均匀地扫描地面，从而能够获得高质量、无失真的低空遥感图像。实际中，空中的风速、气流以及风向的变化都会引起无人机的姿态发生变化，且当无人机体积越小、重量越轻时，这种影响越为严重。无人机姿态变化的直接影响是相机光轴抖动，从而导致获得的图像发生畸变。

稳定云台由于能够隔离机体的扰动，因此逐渐成为高精度航空测量系统的重要组成部分。同时，为了使相机视轴能够灵活地在指定的航道角度上切换，稳定云台还可以按照给定指令进行转动。因此，从伺服控制的角度来看，机载相机稳定云台，其实质是视轴稳定与目标跟踪系统。目标跟踪是在视轴稳定的基础之上进行的，控制视轴指向目标位置，高精度的视轴稳定和目标跟踪性能要通过先进的控制算法的精心设计来实现。

利用稳定云台可以提高航测的效率，提高所获遥感图像的质量，减轻工作人员的工作强度。利用稳定云台可以降低航拍时载机的等级要求，减少拍摄作业对于天气等多种环境因素的依赖，可以有效提高拍摄效果和后期处理的质量。利用稳定云台能够使相机跟踪指定目标，使相机能够在更大的范围内拍摄。

目前无人机电动云台有两轴的，有三轴的，在无人机上，三轴云台对无人机的前进、后退等飞机姿态的变化，能进行影像稳定弥补。在主流航拍无人机上比较常见，比如大疆Phantom 3等。其优点是对航拍时的画面有全方位的稳定，保证画面清晰稳定；缺点是工程造价较贵，由于电机控制，所以相对会耗电，降低航拍的续航时间。两轴是三轴的缩减版，定位低端，两轴的能够降低成本，省去了垂直方向上的稳定补偿，对耗电也会有所帮助，大疆Phantom 2 代用的就是两轴云轴。

目前市场上的通用无人机电动云台，如大疆公司的“如影”系列，为了适应不同的挂载设备的应用需求，在电动增稳云台的结构设计，机械框架，承重材料，无刷直流电机类型，主控制板等方面均要向通用性，普适性考虑。而对于目前市场上的通用无人机电动云台，如大疆公司的“如影”系列，为了适应不同的挂载设备的应用需求，在电动增稳云台的结构设计，机械框架，承重材料，无刷直流电机类型，主控制板等方面均要向通用性，普适性考虑。而对于微型高光谱相机，其在工作时，只需满足相机始终垂直向下拍摄即可，在拍摄过程中，无需地面人员手动调控云台的俯仰角和横滚角。例如Headwall公司在 2014年推出的Nano-HyperSpec微型机载高光谱相机，其体积仅为7.7x 7.7x 12.0cm，重量仅为0.68kg，相比之下，现有的通用化的无人机云台在满足挂载重量的前提下都存在:1)自身较重(金属臂)，极大得缩短了无人机的作业时间；2)3轴平衡调节复杂，每次飞行计划前都需要重新调校；3)通用的单个 1/4”的相机固定孔位，需要重新设计金属转接板，且固定不够牢靠；4)功能繁复，不利于现场人员快速上手操作。因而为类似Nano-Hyperspec高光谱相机设计专用的，特殊定制的电动增稳云台就是目前急需解决的问题。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种无人机载高光谱增稳云台，以适应微型高光谱相机。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种无人机载高光谱相机增稳云台，包括机械框架、云台控制器、IMU模块和三个无刷直流电机，

机械框架包括外环框架、中环框架和内环框架，分别对应外环无刷直流电机、中环无刷直流电机和内环无刷直流电机，外环框架安装在无人机上，在外环无刷直流电机的驱动下绕竖直方向做滚动运动；中环框架安装在外环框架上面，在中环无刷直流电机的驱动下绕外环框架做俯仰运动；内环框架安装在中环框架上面，在内环无刷直流电机的驱动下绕中环框架做偏航运动；

高光谱相机安装在内环框架的中心平台上，三个无刷直流电机分别连接 IMU模块，IMU模块连接云台控制器，IMU模块固定在云台控制器上，云台控制器固定在外环框架上；

外环框架、中环框架和内环框架所围成的空间与微型高光谱相机的尺寸相适应。

本实用新型的无人机载高光谱增稳云台，使用稳固性好的碳纤板基座和铝柱框架配合塑料，质量轻，大大增加了无人机的续航时间。其中机械框架的大小正好可以安装一个微型高光谱相机，所包括的外环框架、中环框架和内环框架对应三轴运动，既可以承托微型高光谱相机，又可以保证飞行过程中微型高光谱相机的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型无人机载高光谱增稳云台的整体结构示意图；

图2为本实用新型无人机载高光谱增稳云台的背面结构示意图；

图3为本实用新型无人机载高光谱增稳云台的坐标系示意图；

图4为本实用新型无人机载高光谱增稳云台的工作原理示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型无人机载高光谱增稳云台的结构和工作原理作进一步的说明。

无人机的负载重量是无人机能持久航拍续航的关键因素，所以本机载高光谱增稳云台选取了重量轻、稳固性好的碳纤板基座和铝柱框架配合塑料为云台的基座框架，并且加入了十二个轻型橡胶减震球作为避震结构。相机稳定平台主要由机械框架和无刷直流电机3组成，框架结构由碳纤板、减震球、铝柱、铝金属臂组成。云台轴包括俯仰轴、滚转轴和偏航轴。采用铝合金框架，结构轻巧，加入减震球减少机械振动等干扰，保证飞行器在高速飞行中仍能精准的保证机载相机稳定。

三轴稳定云台涵盖了空间外环框架1、中环框架4和内环框架5三个转动自由度，一般内环框架5和中环框架4对应无人机的仰俯运动和偏航运动，外环框架1对应滚动运动。无人机载相机安装在内环的中心平台上，无人机飞行过程中，由于该平台包括有三个方位的转动自由度，从而能够保证无人机机载相机与无人机的运动很好的隔离。

图1描述了三轴稳定云台各个框架之间的运动关系，外框和外框轴是安装在无人机上，绕纵轴做滚动运动；中框和中框轴是安装在外框上面，绕外框做方位运动；内框和内框轴是安装在中框上面，绕中框运动。如图3所示，整个系统由四个坐标系构成：载体基座坐标系、外框坐标系、中框坐标系和内框坐标系。

本机载高光谱增稳云台安装在大疆经纬M600六旋翼无人机上，高稳定性航拍无刷云台是指能够达到像素级稳定效果的采用微型三轴无刷电机3、检测框架轴角度的传感器、主控制器(集成了电机的驱动模块)组合成的稳定平台。

为了达到高稳定效果，采用闭环控制方式和集成了高精度三轴陀螺仪和加速度器的传感器的IMU模块。如图4所示，IMU模块要将陀螺的角速度和加速度计的信息传送到控制器，每个驱动器也要将当前的电机位置传送到控制器(用于各轴角度计算、投影)，控制器也要将每个驱动器要达到的目标转动力矩发送到各个驱动器。

上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种无人机载高光谱相机增稳云台，其特征在于，

包括机械框架、云台控制器、IMU模块和三个无刷直流电机，

机械框架包括外环框架、中环框架和内环框架，分别对应外环无刷直流电机、中环无刷直流电机和内环无刷直流电机，外环框架安装在无人机上，在外环无刷直流电机的驱动下绕竖直方向做滚动运动；中环框架安装在外环框架上面，在中环无刷直流电机的驱动下绕外环框架做俯仰运动；内环框架安装在中环框架上面，在内环无刷直流电机的驱动下绕中环框架做偏航运动；

高光谱相机安装在内环框架的中心平台上，三个无刷直流电机分别连接IMU模块，IMU模块连接云台控制器，IMU模块固定在云台控制器上，云台控制器固定在外环框架上；

外环框架、中环框架和内环框架所围成的空间与微型高光谱相机的尺寸相适应。

2.根据权利要求1所述的无人机载高光谱相机增稳云台，其特征在于，

所述微型高光谱相机为Nano-Hyperspec高光谱相机。

3.根据权利要求2所述的无人机载高光谱相机增稳云台，其特征在于，

所述机械框架采用碳纤板基座和铝柱框架。