基于無人飛行器雙鏡頭三軸自穩(wěn)云臺(tái)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹玉林

（山東中科衛(wèi)泰智能科技有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

近幾年無人機(jī)行業(yè)迅速發(fā)展，在民用和軍事領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。常見的無人旋翼飛行器，在飛行過程中，由主旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)生的振動(dòng)，會(huì)對(duì)整個(gè)飛控系統(tǒng)的控制產(chǎn)生不利影響，會(huì)出現(xiàn)飛行過程中的不平穩(wěn)現(xiàn)象，從而對(duì)攝像機(jī)拍攝畫面的穩(wěn)定性造成很大影響，為了避免這種情況，通常會(huì)在多旋翼無人飛行器的中心盤下方安裝自穩(wěn)云臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)拍攝過程造成攝像機(jī)晃動(dòng)的補(bǔ)償，從而保證拍攝畫面的穩(wěn)定性。

無人機(jī)所掛載的云臺(tái)部件采用集成式設(shè)計(jì)，將自穩(wěn)云臺(tái)、高清攝像機(jī)、無線圖傳集成一體，配合多旋翼無人機(jī)可全天候完成穩(wěn)定、清晰的視頻采集和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。由于無人機(jī)的機(jī)身空間小、負(fù)載、續(xù)航時(shí)間有限等原因。因此，為了航拍對(duì)于目標(biāo)獲得高質(zhì)量的、不間斷的實(shí)時(shí)視頻傳輸，在滿足功能的前提下，本文設(shè)計(jì)一款體積小，重量輕的小型三軸雙光自穩(wěn)云臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行各項(xiàng)環(huán)境分析。

1 云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

云臺(tái)部件掛于無人機(jī)平臺(tái)上飛至空中執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，云臺(tái)通過它的視頻傳輸部分將云臺(tái)實(shí)時(shí)拍攝的視頻傳輸?shù)降孛娑嗽O(shè)備，其中控制云臺(tái)俯仰，航向和變焦等功能是通過地面端設(shè)備發(fā)出控制指令由數(shù)據(jù)傳輸鏈路傳至飛機(jī)，再由飛機(jī)傳輸?shù)皆婆_(tái)。

圖1 云臺(tái)部件功能原理圖

攝像機(jī)固定于高精度三軸自穩(wěn)云臺(tái)，自穩(wěn)云臺(tái)保證攝像機(jī)或者測(cè)繪機(jī)構(gòu)的姿態(tài)始終朝向設(shè)定的方向并在振動(dòng)中保持圖像的穩(wěn)定。通過高清低延時(shí)圖傳模塊，可以將攝像機(jī)采集到的高清圖像通過無線數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)街笓]中心，圖傳模塊的頻率、帶寬等參數(shù)通過調(diào)頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。攝像機(jī)具有三十倍光學(xué)變焦、829萬像素高清鏡頭，高清HDMI信號(hào)輸出，視頻輸出分辨率最高為1920×1080P/60，攝像機(jī)前端支持最大4K分辨率存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)，具有低功耗、大光圈、快速自動(dòng)對(duì)焦、圖像穩(wěn)定清晰等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 云臺(tái)部件圖

雙鏡頭三軸[1]自穩(wěn)云臺(tái)裝置，安裝在無人飛行器的中心盤下方，包括有鏡頭組件機(jī)構(gòu)、橫滾控制組件機(jī)構(gòu)、俯仰控制組件機(jī)構(gòu)和減震組件機(jī)構(gòu)。

（1）橫滾控制機(jī)構(gòu)包括電機(jī)護(hù)蓋，橫滾電機(jī)，橫滾電機(jī)連接板和橫滾電機(jī)國(guó)定座，橫滾電機(jī)連接板固定連接在橫滾電機(jī)固定座上，橫滾電機(jī)位于電機(jī)護(hù)蓋與橫滾電機(jī)連接板之間，實(shí)現(xiàn)橫滾±45°的轉(zhuǎn)動(dòng)角度（角度誤差為±1°）。

（2）俯仰控制機(jī)構(gòu)包括前電機(jī)護(hù)蓋，俯仰電機(jī)，電機(jī)連接軸和俯仰電機(jī)國(guó)定座，俯仰電機(jī)固定座固定連接在橫滾電機(jī)固定座上，俯仰電機(jī)位于前電機(jī)護(hù)蓋內(nèi)，且與電機(jī)連接軸連接，實(shí)現(xiàn)俯仰-90°～+30°的轉(zhuǎn)動(dòng)角度（角度誤差為±1°）。

（3）鏡頭組件機(jī)構(gòu)包括一個(gè)三十倍變焦高清鏡頭和一個(gè)熱成像鏡頭，三十倍變焦高清鏡頭和熱成像鏡頭之間設(shè)置有一鏡頭連接固定板，鏡頭連接固定板上設(shè)置有與電機(jī)連接軸連接的螺孔，姿態(tài)采集電路板安裝在上殼體內(nèi)，跟隨鏡頭實(shí)現(xiàn)多方位轉(zhuǎn)動(dòng)而保持平穩(wěn)。

（4）偏航組件機(jī)構(gòu)包括電機(jī)護(hù)蓋，偏航電機(jī)，電機(jī)國(guó)定座，偏航電機(jī)國(guó)定在電機(jī)國(guó)定座上，偏航電機(jī)位于電機(jī)護(hù)蓋與電機(jī)國(guó)定座之間，實(shí)現(xiàn)偏航±350°轉(zhuǎn)動(dòng)（角度誤差為±1°）。

（5）減震機(jī)構(gòu)包括上固定板、下固定板和設(shè)置于上固定板、下固定板之間的柔性減震組件，下固定板與偏航電機(jī)國(guó)定座固定連接在一起，柔性減震組件可以阻隔由無人飛行器[2-6]產(chǎn)生的高頻震動(dòng)傳送到云臺(tái)，避免云臺(tái)工作時(shí)拍攝到不穩(wěn)定的畫面，柔性減震組件對(duì)于云臺(tái)減震起到關(guān)鍵性作用。

本設(shè)計(jì)利用橫滾電機(jī)固定座將橫滾控制機(jī)構(gòu)、俯仰控制機(jī)構(gòu)、偏航控制機(jī)構(gòu)、減震組件機(jī)構(gòu)以及鏡頭組件機(jī)構(gòu)固定安裝在一起，實(shí)現(xiàn)了雙鏡頭組件機(jī)構(gòu)在偏航、橫滾、俯仰軸規(guī)定的角度要求范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的目的，滿足了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊和結(jié)構(gòu)輕量化的要求，本設(shè)計(jì)通過偏航控制機(jī)構(gòu)、橫滾控制機(jī)構(gòu)和俯仰控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡頭組件機(jī)構(gòu)的控制調(diào)節(jié)，通過可見光變焦高清鏡頭和熱成像鏡頭，實(shí)現(xiàn)了在光線充足的環(huán)境和無光線昏暗的環(huán)境隨意切換使用，滿足了市場(chǎng)對(duì)微小型多旋翼無人飛行器在不同環(huán)境下飛行搜尋的多功能需求。

2 云臺(tái)高低溫環(huán)境測(cè)試

試驗(yàn)要求：工作溫度范圍為-20℃～60℃，貯存溫度范圍-45℃～65℃。

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GJB 150.4A-2009

圖3 低溫試驗(yàn)曲線圖

2.1 低溫試驗(yàn)方法

（1）按規(guī)定對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行初始測(cè)試，確定樣機(jī)能夠正常工作并且圖像控制功能正常；

（2）試驗(yàn)樣機(jī)處于非通電狀態(tài)，將其正確放入試驗(yàn)箱內(nèi)，試驗(yàn)箱加電降溫（溫度變化速率不大于3℃/min，以下均同），將箱內(nèi)溫度降低到貯存溫度-45℃±0.5℃；

（3）待試驗(yàn)樣機(jī)溫度穩(wěn)定后，繼續(xù)存儲(chǔ)24h，然后目測(cè)云臺(tái)外觀是否正常；

（4）若測(cè)試結(jié)果正常，試驗(yàn)樣機(jī)斷電，將試驗(yàn)箱的空氣溫度調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，直至試驗(yàn)樣機(jī)達(dá)到溫度穩(wěn)定；

（5）試驗(yàn)樣機(jī)加電工作，進(jìn)行最后檢測(cè)，若測(cè)試結(jié)果正常，則表明受試設(shè)備通過低溫試驗(yàn)。

2.2 高溫試驗(yàn)方法：

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)： GJB 150.3A-2009

圖4 高溫試驗(yàn)曲線圖

（1）按規(guī)定對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行初始測(cè)試，確定樣機(jī)能夠正常工作并且圖像控制功能正常；

（2）試驗(yàn)樣機(jī)處于非通電狀態(tài)，將其正確放入試驗(yàn)箱內(nèi)，試驗(yàn)箱加電降溫（溫度變化速率不大于3℃/min，以下均同），將箱內(nèi)溫度降低到貯存溫度65℃±0.5℃；

（3）待試驗(yàn)樣機(jī)溫度穩(wěn)定后，繼續(xù)存儲(chǔ)48h；

（4）將試驗(yàn)箱內(nèi)溫度調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，保持在該標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，直至試驗(yàn)樣機(jī)溫度穩(wěn)定；

（5）若測(cè)試結(jié)果正常，將試驗(yàn)箱的溫度調(diào)節(jié)至+60℃；

（6）若測(cè)試結(jié)果正常，試驗(yàn)樣機(jī)斷電，將試驗(yàn)箱的空氣溫度調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，直至試驗(yàn)樣機(jī)達(dá)到溫度穩(wěn)定；

（7）試驗(yàn)樣機(jī)加電工作，進(jìn)行最后檢測(cè)，若測(cè)試結(jié)果正常，則表明受試設(shè)備通過高溫試驗(yàn)。

根據(jù)GJB150.3A-2009、GJB150.4A-2009的要求，經(jīng)過高低溫試驗(yàn)后，對(duì)云臺(tái)的外觀、發(fā)射機(jī)的輸出功率、載噪、圖像、錄像等，云臺(tái)的俯仰、橫滾、偏航、變焦、錄像等功能進(jìn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)功能均正常。根據(jù)以上試驗(yàn)可以看出本云臺(tái)可以在環(huán)境溫度差別比較大的場(chǎng)所正常工作。

3 結(jié)語

綜上所述，本研究自主設(shè)計(jì)的多旋翼自主三軸自穩(wěn)云臺(tái)，對(duì)云臺(tái)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行了分析說明，得到的相關(guān)結(jié)果證實(shí)了本設(shè)計(jì)是合理的。本設(shè)計(jì)的三軸自穩(wěn)云臺(tái)裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積小，結(jié)構(gòu)比較緊湊，其對(duì)于加工和裝配工藝要求比較高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要最大化的減少誤差。本三軸自穩(wěn)云臺(tái)可實(shí)現(xiàn)與無人機(jī)飛行器快速插接配合，拆裝操作方便，大大提高了三軸自穩(wěn)云臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域，以及滿足市場(chǎng)不斷發(fā)展的需求。