一种无人机正射影像云台的制作方法

专利名称：一种无人机正射影像云台的制作方法
技术领域：
本发明属于云台控制装置领域，具体来说涉及无人机机载正射影像云台的控制装置。
背景技术：
无人机用于航测过程中，由于无人机载重量小，机舱容积小，照相机安装方式通常有两 种 一种是直接垂直安装于机体上，在飞行作业过程中，飞机受到气流的影响，会产生俯仰， 滚转等姿态无规则变化，相机光轴也会随飞机姿态的变化而改变对地垂直入射角，致使拍摄 数据无规律畸变，重叠率难以保证，加大了飞行作业的难度，严重影响航测后期处理的精度 和效率。
第二种是采用云台控制技术，目前主要为两类方式1、采用倾角传感器，飞行过程中飞 机的加速度和震动对倾角传感器影响极大，误差明显，很难应用；2、采用陀螺和加速度计， 应用滤波算法计算云台的瞬间姿态变化量，引导执行机构维持初始姿态不变，此方式结构复 杂，成本极高，体积庞大，不利于应用小型无人机，且由于采用了滤波算法，推算的姿态值 必然带有误差，从而影响控制精度。
另外，现有相机的安装方式产生的光轴偏移量一般在正负5度左右，且由于安装过程中 的安装误差和飞行迎角变化，使得相机姿态参数无法评估，为后期数据的自动处理产生极大 影响。

发明内容
本发明在于提供一种无人机机载正射影像云台，通过云台的控制装置对相机进行控制， 使之在飞行过程中保持相机光轴始终垂直于大地平面，从而提高测绘精度，大量减少飞行作 业时间，并且简单轻巧、体积小、成本低，便于应用在小型无人驾驶飞机上。
本发明技术方案为 一种无人机正射影像云台，通过支架装配于无人驾驶飞机的底部， 相机通过相机支架安装于云台底座上，底座连接云台的X轴控制组和Y轴控制组，可单独或 同时沿X轴和Y轴方向转动。在无人机正射云台上装有遥控接收机和与之相连的电源。
X轴控制组包括依次相连的X轴陀螺仪、X轴电子调速器和X轴伺服器。其中，X轴陀螺 仪安装在云台底座上，与相机保持相对静止，随时检测相机在X轴的偏移角度。X轴陀螺仪 的输入端连接遥控接收机，其输出端连接X轴电子调速器。X轴电子调速器接收X轴陀螺仪 的信号并控制X轴伺服器的转动方向和转动速度。X轴伺服器安装在X轴的一端，控制X轴 作相应的转动。Y轴控制组包括依次相连的Y轴陀螺仪、Y轴电子调速器和Y轴伺服器。其中，Y轴陀螺 仪安装在云台底座上与相机保持相对静止，随时检测相机在Y轴的偏移角度。Y轴陀螺仪的 输入端连接遥控接收机，其输出端连接Y轴电子调速器。Y轴电子调速器接收Y轴陀螺仪的 信号并控制Y轴伺服器的转动方向和转动速度。Y轴伺服器安装在Y轴的一端，控制Y轴作 相应的转动。
选用的陀螺仪为压电式陀螺仪。伺服器选用空心杯电机，能够有效避免其他类型电机在 不通电情况下产生的明显磁阻现象，干扰相机的重心。
本发明的工作原理为通过测量相机光轴的偏转速率，使伺服机构产生非反向行程的可 变阻力来抑制偏转的继续，并依靠相机重力自行回复至重心位置，这一过程完全区别于传统 的云台控制方式，即通过测量偏转行程来控制伺服机构产生反向相应行程以维持原有姿态。
具体来说，由于速率陀螺在积分后，中点会产生漂移现象，所以如果采用直接由陀螺积 分后的数值直接控制云台，会使相机光轴逐渐偏离正射角。本发明中只利用陀螺检测速率变 化，伺服机构也是非刚性连接，只产生阻尼效果，无须计算云台偏转位移，陀螺漂移现象由 相机重力自行修正，修正过程为当相机光轴偏离正射位置时，伺服器产生与偏移速率成反 比例关系的磁阻力矩阻尼其偏离的继续发生，使偏转速率趋近于零，此时磁阻力矩也逐渐趋 近于零，相机靠大于磁阻力矩的自身重力的分力逐渐向光轴垂直位置接近。在重力的作用下 相机的重心自然垂直于地面，当无人机飞行时，由于惯性、加速度等原因，相机光轴对地入 射角会产生偏移，此时与相机保持相对静止的陀螺仪会检测到相机的偏移速率，并向电子调 速器输出相应的信号，电子调速器根据接收的信号控制伺服器作相应的转动来输出相反的力 矩，以此阻尼相机偏移的发生和延续，并依靠相机重心自然恢复至与地面垂直的状态。
本发明针对无人机航空摄影测量的优点在于
1. 结构简单、体积小、成本低、重量仅为一千克左右，易于应用在无人机系统。
2. 操作简单。通过校准后，安装于云台上的相机总是垂直于大地平面，减少了起飞前的
重复定位检验。
3. 对飞机飞行姿态影响小。如果采用测量飞机姿态来修改相机姿态的方式，不但存在重
量大、成本高、相机相对机体安装角难以测定等问题，还会出现因执行机构产生的巨大反转 力矩而导致的机体结构重量增加和飞行姿态无规则变化等问题。
4. 航测的基本要求为相机垂直对地，在测区内，航线和航带照片要有一定的重叠率，分 别为60%和30%。由于飞机在空中受多种因素的影响，飞机的俯仰角和横滚角会产生无规律变 化，使得叠片率难以保证，只能靠增加照片数量和航线密度来弥补。即便如此，由于相邻照 片相对错位，在后期处理时，控制点难以采集，给航片拼接的自动批处理带来 难，只能进 行人工干预，不但大幅降低了后期处理的效率，也严重影响了成图的精度。本发明可控制相机垂直入射角保持在国家航测标准，即正负3度以内，使无规律的入射角在许可范围内变化， 减少人为参与，精度大幅提高，且可量化。同时，飞行作业的航线密度也可大幅减少，提高 了作业效率，减少呢飞行风险。
5.本发明还可应用于航空摄像，作为机载基准平台搭载摄像机及其相应控制机构，可大 幅提高无人机摄像的画面稳定性，获得良好的摄像效果。


图l是本发明所述无人机正射影像云台连接关系图； 图2是本发明所述无人机正射影像云台仰视图； 图3是本发明所述无人机正射影像云台正视图。
图示说明l-电源，2-遥控接收机，3-X轴控制组，4-Y轴控制组，5-X轴压电陀螺仪， 6-X轴电子调速器，7-X轴空心杯电机，8-Y轴压电陀螺仪，9-Y轴电子调速器，10-Y轴空 心杯电机，11-云台支架，12-X轴，13-Y轴，14-相机，15-相机支架。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图3所示,无人机正射影像云台通过云台支架11装配于无人机的底部，相机14 通过相机支架15安装于云台底座上，底座由云台的X轴控制组3和Y轴控制组4控制，可单 独或同时沿X轴12和Y轴13方向转动。
X轴控制组3包括依次相连的X轴压电陀螺仪5、X轴电子调速器6和X轴空心杯电机7。 X轴压电陀螺仪5安装在云台底座上，与相机14保持相对静止。X轴压电陀螺仪5的输入端 连接遥控接收机2，其输出端连接X轴电子调速器6。 X轴电子调速器6接收X轴压电陀螺仪 5的信号并控制X轴空心杯电机7的转动方向和转动速度。X轴空心杯电机7安装在X轴12 的一端，控制X轴12作相应的转动。
Y轴控制组4包括包括依次相连的Y轴压电陀螺仪8、 Y轴电子调速器9和Y轴空心杯电 机10。 Y轴压电陀螺仪8安装在云台底座上，与相机14保持相对静止。Y轴压电陀螺仪8的 输入端连接遥控接收机2，其输出端连接Y轴电子调速器9。 Y轴电子调速器9接收Y轴压电 陀螺仪8的信号并控制Y轴空心杯电机10的转动方向和转动速度。Y轴空心杯电机10安装 在Y轴13的一端，控制Y轴13作相应的转动。
电源l、遥控接收机2、 X轴电子调速器6和Y轴电子调速器9安装在无人机机体上。电 源1与遥控接收机2相连接并向其他设备提供电力。
无人机起飞前，使用倾角传感器等设备测量与相机光轴垂直的平面的X轴、Y轴的倾角，通过增减配重使倾角趋近于0° ，使相机14光轴靠重力自然垂直于地面。无人机飞行过程中， 当相机14光轴对地入射角在X轴12方向产生偏移时，与相机保持相对静止的X轴压电陀螺 仪5会检测到相机14的偏移速率，并向X轴电子调速器9输出相应的信号，X轴电子调速器 9根据接收的信号控制X轴空心杯电机7作相应的转动来输出相反的力矩，以阻尼相机14偏 移的发生和延续，并依靠相机14的重心自然恢复至与地面垂直的状态。当相机14光轴对地 入射角在Y轴13方向产生偏移时，其反应控制过程与X轴12相同。
本发明不限于上述实施例，对于本领域技术人员来说，对本发明的上述实施例所做出的 任何显而易见的改进或变更都不会超出仅以举例的方式示出的本发明的实施例和所附权利要 求的保护范围。
权利要求
1.一种无人机正射影像云台，通过云台支架(11)装配于无人机的底部，相机(14)安装于云台底座上，底座由云台的X轴控制组(3)和Y轴控制组(4)控制，其特征在于所述无人机正射云台装有遥控接收机(2)和与所述遥控接收机(2)相连的电源(1)；所述X轴控制组(3)包括依次相连的X轴陀螺仪(5)、X轴电子调速器(6)和X轴伺服器(7)；所述X轴陀螺仪(5)安装在云台底座上并与所述遥控接收机(2)相连接。所述Y轴控制组(4)包括依次相连的Y轴陀螺仪(8)、Y轴电子调速器(9)和Y轴伺服器(10)；所述Y轴陀螺仪(8)安装在云台底座上并与所述遥控接收机(2)相连接。
2. 如权利要求l所述的无人机正射影像云台，其特征在于所述X轴陀螺仪(5)和Y 轴陀螺仪(8)为压电式陀螺仪。
3. 如权利要求l所述的无人机正射影像云台，其特征在于所述X轴伺服器(7)和Y 轴伺服器(10)为空心杯电机。
全文摘要
本发明涉及一种无人机正射影像云台，通过云台的控制装置对相机进行控制，使之在飞行过程中保持相机光轴始终垂直于大地平面，从而提高测绘精度，大量减少飞行作业时间。无人机正射影像云台装配于无人驾驶飞机的底部，相机安装于云台底座上，底座连接云台的X轴控制组和Y轴控制组；X轴控制组和Y轴控制组分别包含依次相连的陀螺仪、电子调速器和伺服器，且陀螺仪依次连接遥控接收机和电源。当无人机飞行时，相机光轴对地入射角会产生偏移，此时陀螺仪检测相机的偏移速率并向电子调速器输出相应的信号，电子调速器控制伺服器作相应转动来输出相反的力矩，以此阻尼相机偏移的发生和延续，并依靠相机重心自然恢复至与地面垂直的状态。
文档编号B64D47/00GK101554925SQ20091008388
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月11日 优先权日2009年5月11日
发明者韬 董 申请人:韬 董