CN213906781U - 云台控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种云台控制系统，包括可穿戴设备和云台，其中，所述可穿戴设备包括第一姿态传感器和数据传输模块，所述第一姿态传感器用于采集用户动作中的第一角度数据，所述数据传输模块用于将所述第一角度数据发送到所述云台；所述云台包括控制器和转轴电机，所述控制器接收所述角度数据，并对所述角度数据进行姿态解算及滤波后输出驱动信号，所述转轴电机依据所述驱动信号拖动云台转动到目标方向。本实施例提供的云台控制系统，利用操控者的实时姿态操控云台做出相同姿态的转动，从而达到体感控制云台的目的，降低了视频采集的控制难度，使云台操控过程更加简便灵敏；同时，可利用控制器消除画面抖动，提高了画面质量。

Description

云台控制系统

技术领域

本实用新型涉及控制技术领域，尤其涉及一种云台控制系统。

背景技术

云台是一种固定摄像机的支撑设备，它可以通过转动调整摄像机的角度，扩大摄像机的监视范围。现今，云台的转动主要依靠控制者操作摇杆进行控制，这种方法极大程度限制了摄像头控制的直观性、便利性，不能实现体感控制和人机交互，通信线路负载高或者质量差，摇杆控制增加了云台转动的延迟时间。

美国F-35头盔系统可视为一种人机交互的云台控制系统，搭配飞机机身的不同部位安装的六个摄像头，获取的实时图像与头盔保持信号的连接，这使得飞行员可以在头盔上看飞机外部的任何部位，飞行员的视线方向决定了显示内容。与传统飞机驾驶模式相比，飞行员利用头盔和各种机载传感器来操控飞机，并且所有关键飞行数据都直接投射在头盔上，飞行员不必低头查看显示屏的信息。然而，该头盔系统是军用系统，头盔结构复杂且过重，操作难度过大，导致普及率低；且云台增稳功能不够完善，导致画面抖动较大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种云台控制系统，将传统云台控制模式与体感控制相结合，用于控制云台转向，同时通过增稳模块以消除云台抖动。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种云台控制系统，包括可穿戴设备和云台。所述可穿戴设备包括第一姿态传感器和数据传输模块，所述第一姿态传感器用于采集用户动作中的第一角度数据，所述数据传输模块用于将所述第一角度数据发送到所述云台；所述云台包括控制器、转轴及与所述转轴连接的摄像头，所述控制器接收所述第一角度数据，并对所述角度数据进行姿态解算及滤波后输出驱动信号，所述转轴依据所述驱动信号拖动所述摄像头转动到目标方向。

具体地，所述第一姿态传感器为三轴陀螺仪，所述第一角度数据包括用户动作中的偏航角，翻滚角和俯仰角。

具体地，所述转轴包括偏航轴，翻滚轴和俯仰轴，每个所述转轴分别包括机械臂和至少一个转轴电机。所述机械臂用于固定所述摄像头；所述转轴电机与所述控制器信号连接，接收所述驱动信号并拖动对应的机械臂带动所述摄像头旋转；所述转轴电机为大扭矩无刷伺服电机。

具体地，所述数据传输模块包括第一无线传输单元，所述控制器包括与所述第一无线传输单元配合使用的第二无线传输单元；所述数据传输模块通过第一无线传输单元将所述第一角度数据发送到所述控制器的第二无线传输单元。

进一步地，所述云台还包括第二姿态传感器，所述第二姿态传感器与所述控制器信号连接；所述第二姿态传感器为三轴陀螺仪，用于采集所述摄像头的第二角度数据，并将所述第二角度数据反馈给所述控制器

优选地，所述控制器为增量型PID控制器。

进一步地，云台控制系统还包括与所述摄像头信号连接的显示器。所述摄像头跟随所述转轴的机械臂调整角度，用于实时采集图像数据；所述显示器用于接收并展示所述图像数据。

优选地，所述摄像头采用光学变焦混合数码变焦的摄像头。

优选地，所述可穿戴设备为智能眼镜，所述显示器为双目显示器。

优选地，所述显示器和所述摄像头通过无线方式连接。

与现有技术相比，本实用新型提供的云台控制系统具有以下有益效果：

本实用新型提供的云台控制系统将传统的云台控制模式与体感控制相结合，由于操控设备是穿戴的，控制模式为体感控制，优化了原本复杂的摇杆机械结构，使操控过程更加简便灵敏；利用操控者的实时姿态操控云台做出相同姿态的转动，从而达到体感控制云台的目的，降低了视频采集的控制难度；同时，利用控制器消除画面抖动，提高了画面质量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例中体感交互云台控制系统的模块化示意图；

图2为本实用新型实施例中体感交互云台控制系统的另一模块化示意图；

图3为本实用新型实施例中的采用的一种三轴云台结构示意图；

图4为本实用新型实施例中闭环PID控制系统原理图；

图5为本实用新型实施例中的采用的一种三轴云台的摄像头安装示意图；

附图标记：

1-偏航轴， 2-俯仰轴，

3-翻滚轴， 4-机械臂，

5-底座， 6-安装固定点，

7-摄像头安装处， 8-摄像头。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实施例公开了一种云台控制系统，包括可穿戴设备和云台。其中，可穿戴设备包括第一姿态传感器和数据传输模块，第一姿态传感器用于采集用户动作中的第一角度数据，数据传输模块用于将第一角度数据发送到云台；云台包括控制器、转轴及与转轴连接的摄像头8，控制器接收第一角度数据，并利用其内置的姿态解算模块和滤波算法模块对第一角度数据进行姿态解算及滤波后输出驱动信号，转轴依据驱动信号拖动摄像头8转动。云台还包括与控制器信号连接的第二姿态传感器，第二姿态传感器用来采集摄像头8转动的第二角度数据，并将第二角度数据反馈给所述控制器，以便控制器测量第一角度数据与第二角度数据间的误差并提供补偿。本云台控制系统的用户端还包括与摄像头8信号连接的显示器，用于接收并展示摄像头8采集的图像数据。

本实施例提供的云台控制系统，将传统的云台控制模式与体感控制相结合，取代了原本复杂的摇杆机械结构，利用操控者的实时姿态操控云台做出相同姿态的转动，从而达到体感控制云台的目的，降低了视频采集的控制难度，使云台操控过程更加简便灵敏；同时，可利用控制器消除画面抖动，提高了画面质量。

在具体实施中，第一姿态传感器和第二姿态传感器可采用三轴陀螺仪、三轴加速度计或三轴电子罗盘实现，用于运动姿态测量，实时输出用户动作中的第一角度数据或摄像头8转动的第二角度数据，该第一角度数据和第二角度数据都是以偏航角，翻滚角和俯仰角表示的三维姿态数据。这种方式采集到的角度信息相对更加精确，无盲区且灵敏度高，同时功耗低，成本也低。

值得注意的是，云台中的第二姿态传感器可以采用一个三轴陀螺仪等集成的三轴姿态传感器仅采集摄像头8转动的第二角度数据，也可以采用三个或多个陀螺仪等单轴姿态传感器分别测量云台三个机械臂4的转动信息，并将三个机械臂4的转动信息整合成完整的第二角度数据。

该第一姿态传感器或第二姿态传感器也可采用光学标签传感器，即通过感应贴在固定方位的标签来判断方位角度，这种方式实现的传感器实现方式简单且功耗低，成本低。

第一姿态传感器采集的用户动作中的第一角度数据将通过数据传输模块中的第一无线传输单元发送至云台控制器中的与第一无线传输单元配合使用的第二无线传输单元，第一无线传输单元与第二无线传输单元可采用蓝牙连接方式实现，分别设有相同的蓝牙接口，所述蓝牙接口包括SPI接口、UAR接口、PWM接口中的一种或多种。第一无线传输单元与第二无线传输单元还可采用无线电通信等方式，以适用于远距离通信，补偿蓝牙连接方式的距离限制。

在具体实施中，数据传输模块可以通过STM32单片机内置的寄存器和通信的单元来实现，STM32是32位哈弗结构单片机，数据处理速度快且低成本、低功耗，不会增加可穿戴设备或云台的负载。

值得注意的是，本实施例中控制器为增量型PID控制器，可以采用STM32单片机实现，包含内置的姿态解算算法模块及滤波算法模块，以分别处理第一姿态传感器和第二姿态传感器所采集的第一角度信息和第二角度信息，并输出频率稳定且无噪音的驱动信号。其中，姿态解算算法模块烧录有Mahony算法等姿态解算算法中的一种或多种，滤波算法模块烧录有限幅滤波算法，消除抖滤波算法等滤波算法中的一种或多种。

在具体实施中，云台可采用如图3所示的三轴云台，包括偏航轴1，俯仰轴2和翻转轴3，每个转轴分别包括其对应的机械臂4和至少一个转轴电机，机械臂4可通过绑带等方式将摄像头8固定在摄像头安装处7；转轴电机与控制器信号连接，接收驱动信号并拖动对应的机械臂4带动摄像头8旋转，以实时采集到的全角度无盲区的视野图像信息。转轴电机可采用大扭矩无刷伺服电机，由单片机控制，具有噪音低，体积小，重量轻，出力大，响应快，转速高，惯量小，转动平滑，力矩稳定的优势。

值得注意的是，本实施例中偏航轴1，俯仰轴2和翻转轴3的数量分别为一个，也可采用两个或多个，只需要对应各自的机械臂4即可，使得摄像头8视野的角度调整更灵活，在此不做限定。云台控制器输出的驱动信号发送给机械臂4各自对应的转轴电机，以拖动三个机械臂4做出对应的转动，协同作用以控制摄像头8转动到目标坐标。

另外，上述实施例中的云台的控制器还可包含一个如图3所示的增量PID算法模块，其中输入信号是由通过可穿戴端第一姿态传感器所采集的第一角度信息经过姿态解算算法和滤波算法处理后的目标坐标，反馈信号是由通过云台第二姿态传感器所采集的第二角度信息经过姿态解算算法和滤波算法处理后的实际坐标，输入信号与反馈信号做差产生的误差信号将作为控制器PID算法模块的输入，并输出补偿上述驱动信号，实现云台转动自稳定的效果。

值得注意的是，本实施例中的姿态解算算法、滤波算法、PID算法均为现有算法，用其他相同作用的现有算法均可实现，在此不做限定。

本实施例的云台可通过安装固定点6加装于无人机，操控者转向方向即视角转动方向，达到体感控制镜头转向进行拍摄的目的，监控范围大；同时，体感控制技术大大降低延迟时间，更有利于对图像实时捕捉。

在本实施例中，摄像头8可采用光学变焦与数码变焦混合的模式，以观察较远的图像时得到更清晰的成像。显示器可以采用双目显示器，以便配合智能眼镜的使用，使人机交互更加便捷；也可采用各种其他类型的显示器，以适应不同场景的应用，并接收摄像头8实时采集的图像数据。

摄像头8到显示器的图像数据传输可以通过如图1所示的直接传输方式，即，可通过摄像头8到显示器的无线方式进行传输；也可以采用如图2所示的通过分别内置于数据传输模块的第一无线传输单元和控制器中的第二无线传输单元进行数据传输，即，摄像头8将采集到的图像数据发送给控制器中的第二无线传输单元，第二无线传输单元将图像数据发送到数据传输模块的第一无线传输单元，第一无线传输单元将图像数据发送到显示器。

在具体实施中，可穿戴设备与云台的数据传输模块和控制器的数据传输可以采用无线传输方式，也可以采用有线传输方式。有线方式下的信号传输将更加稳定和安全，例如，应用于汽车驾驶或飞机驾驶等对实时性需求较高的场景，将一个或多个云台安装在汽车或飞机外部以采集视野，显示器安装在汽车或飞机内部的驾驶室中，驾驶员利用可穿戴设备操控云台上的摄像头8转动方向以获取想要的视野。无线模式则可以实现更远距离的信息传输，例如，将云台加装在航空教学培训无人机上，用户通过可穿戴设备控制云台上摄像头8的转动，并利用头戴式双目显示器或其他显示设备接收摄像头8实时回传的图像数据，可实现更为逼真的座舱飞行视角模拟，大大增强飞行模拟效果与飞行模拟体验；将云台加装在遥控赛车上，显示器安装在遥控赛车控制者面前或穿戴设备中，遥控赛车控制者通过可穿戴设备控制赛车，使遥控赛车控制者身临其境，以车内视角完成控制，大大降低实车操作时的高额成本，但依然可获得较为真实的体验；应用于战场、实验室、灾区等具有危险性的场景中，将云台加装在机器人上，显示器安装在机器人控制者面前或穿戴设备中，可穿戴设备用户是机器人控制者，既可以通过远程控制保障人身安全，又可以以第一人称视角，实时掌控现场环境情状况。传输方式可以使用数字信号图像传输技术，即能够在实时传输图像信息的情况下，又能保证图像清晰。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，各个“模块”、“单元”等不一定代表具体名称及包含器件的数量，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的数量和特定的连接方式，因此不能理解为对本实用新型的限制。具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种云台控制系统，其特征在于，包括可穿戴设备和云台，其中，

所述可穿戴设备包括第一姿态传感器和数据传输模块，所述第一姿态传感器用于采集用户动作中的第一角度数据，所述数据传输模块用于将所述第一角度数据发送到所述云台；

所述云台包括控制器、转轴及与所述转轴连接的摄像头，所述控制器接收所述角度数据，并对所述角度数据进行姿态解算及滤波后输出驱动信号，所述转轴依据所述驱动信号拖动所述摄像头转动到目标方向。

2.根据权利要求1所述的云台控制系统，其特征在于，所述第一姿态传感器为三轴陀螺仪，所述第一角度数据包括用户动作中的偏航角，翻滚角和俯仰角。

3.根据权利要求2所述的云台控制系统，其特征在于，所述转轴包括偏航轴，翻滚轴和俯仰轴，每个所述转轴分别包括机械臂和至少一个转轴电机，其中，

所述机械臂用于固定所述摄像头；

所述转轴电机与所述控制器信号连接，接收所述驱动信号并拖动对应的机械臂带动所述摄像头旋转；所述转轴电机为大扭矩无刷伺服电机。

4.根据权利要求1所述的云台控制系统，其特征在于，所述数据传输模块包括第一无线传输单元，所述控制器包括与所述第一无线传输单元配合使用的第二无线传输单元；

所述数据传输模块通过第一无线传输单元将所述第一角度数据发送到所述控制器的第二无线传输单元。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的云台控制系统，其特征在于，所述云台还包括第二姿态传感器，所述第二姿态传感器与所述控制器信号连接；

所述第二姿态传感器为三轴陀螺仪，用于采集所述摄像头的第二角度数据，并将所述第二角度数据反馈给所述控制器。

6.根据权利要求5所述的云台控制系统，其特征在于，所述控制器为增量型PID控制器。

7.根据权利要求3所述的云台控制系统，其特征在于，云台控制系统还包括与所述摄像头信号连接的显示器，其中，

所述摄像头跟随所述转轴的机械臂调整角度，用于实时采集图像数据；

所述显示器用于接收并展示所述图像数据。

8.根据权利要求1或7所述的云台控制系统，其特征在于，所述摄像头采用光学变焦混合数码变焦的摄像头。

9.根据权利要求7所述的云台控制系统，其特征在于，所述可穿戴设备为智能眼镜，所述显示器为双目显示器。

10.根据权利要求9所述的云台控制系统，其特征在于，所述显示器和所述摄像头通过无线方式连接。

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