基于無人飛行器雙鏡頭三軸自穩云臺裝置設計與實現

曹玉林

（山東中科衛泰智能科技有限公司，山東 濟南 250101）

0 引言

近幾年無人機行業迅速發展，在民用和軍事領域有著非常廣闊的應用前景。常見的無人旋翼飛行器，在飛行過程中，由主旋翼、發動機等產生的振動，會對整個飛控系統的控制產生不利影響，會出現飛行過程中的不平穩現象，從而對攝像機拍攝畫面的穩定性造成很大影響，為了避免這種情況，通常會在多旋翼無人飛行器的中心盤下方安裝自穩云臺，以實現對拍攝過程造成攝像機晃動的補償，從而保證拍攝畫面的穩定性。

無人機所掛載的云臺部件采用集成式設計，將自穩云臺、高清攝像機、無線圖傳集成一體，配合多旋翼無人機可全天候完成穩定、清晰的視頻采集和數據傳輸任務。由于無人機的機身空間小、負載、續航時間有限等原因。因此，為了航拍對于目標獲得高質量的、不間斷的實時視頻傳輸，在滿足功能的前提下，本文設計一款體積小，重量輕的小型三軸雙光自穩云臺，并對其進行各項環境分析。

1 云臺結構設計

云臺部件掛于無人機平臺上飛至空中執行相應的任務，云臺通過它的視頻傳輸部分將云臺實時拍攝的視頻傳輸到地面端設備，其中控制云臺俯仰，航向和變焦等功能是通過地面端設備發出控制指令由數據傳輸鏈路傳至飛機，再由飛機傳輸到云臺。

圖1 云臺部件功能原理圖

攝像機固定于高精度三軸自穩云臺，自穩云臺保證攝像機或者測繪機構的姿態始終朝向設定的方向并在振動中保持圖像的穩定。通過高清低延時圖傳模塊，可以將攝像機采集到的高清圖像通過無線數據鏈路傳輸到指揮中心，圖傳模塊的頻率、帶寬等參數通過調頻器進行調節。攝像機具有三十倍光學變焦、829萬像素高清鏡頭，高清HDMI信號輸出，視頻輸出分辨率最高為1920×1080P/60，攝像機前端支持最大4K分辨率存儲卡存儲，具有低功耗、大光圈、快速自動對焦、圖像穩定清晰等優點。

圖2 云臺部件圖

雙鏡頭三軸[1]自穩云臺裝置，安裝在無人飛行器的中心盤下方，包括有鏡頭組件機構、橫滾控制組件機構、俯仰控制組件機構和減震組件機構。

（1）橫滾控制機構包括電機護蓋，橫滾電機，橫滾電機連接板和橫滾電機國定座，橫滾電機連接板固定連接在橫滾電機固定座上，橫滾電機位于電機護蓋與橫滾電機連接板之間，實現橫滾±45°的轉動角度（角度誤差為±1°）。

（2）俯仰控制機構包括前電機護蓋，俯仰電機，電機連接軸和俯仰電機國定座，俯仰電機固定座固定連接在橫滾電機固定座上，俯仰電機位于前電機護蓋內，且與電機連接軸連接，實現俯仰-90°～+30°的轉動角度（角度誤差為±1°）。

（3）鏡頭組件機構包括一個三十倍變焦高清鏡頭和一個熱成像鏡頭，三十倍變焦高清鏡頭和熱成像鏡頭之間設置有一鏡頭連接固定板，鏡頭連接固定板上設置有與電機連接軸連接的螺孔，姿態采集電路板安裝在上殼體內，跟隨鏡頭實現多方位轉動而保持平穩。

（4）偏航組件機構包括電機護蓋，偏航電機，電機國定座，偏航電機國定在電機國定座上，偏航電機位于電機護蓋與電機國定座之間，實現偏航±350°轉動（角度誤差為±1°）。

（5）減震機構包括上固定板、下固定板和設置于上固定板、下固定板之間的柔性減震組件，下固定板與偏航電機國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]產生的高頻震動傳送到云臺，避免云臺工作時拍攝到不穩定的畫面，柔性減震組件對于云臺減震起到關鍵性作用。

本設計利用橫滾電機固定座將橫滾控制機構、俯仰控制機構、偏航控制機構、減震組件機構以及鏡頭組件機構固定安裝在一起，實現了雙鏡頭組件機構在偏航、橫滾、俯仰軸規定的角度要求范圍內自由轉動的目的，滿足了產品結構簡單緊湊和結構輕量化的要求，本設計通過偏航控制機構、橫滾控制機構和俯仰控制機構實現對鏡頭組件機構的控制調節，通過可見光變焦高清鏡頭和熱成像鏡頭，實現了在光線充足的環境和無光線昏暗的環境隨意切換使用，滿足了市場對微小型多旋翼無人飛行器在不同環境下飛行搜尋的多功能需求。

2 云臺高低溫環境測試

試驗要求：工作溫度范圍為-20℃～60℃，貯存溫度范圍-45℃～65℃。

執行標準：GJB 150.4A-2009

圖3 低溫試驗曲線圖

2.1 低溫試驗方法

（1）按規定對試驗樣機進行初始測試，確定樣機能夠正常工作并且圖像控制功能正常；

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

（3）待試驗樣機溫度穩定后，繼續存儲24h，然后目測云臺外觀是否正常；

（4）若測試結果正常，試驗樣機斷電，將試驗箱的空氣溫度調節到標準大氣條件，直至試驗樣機達到溫度穩定；

（5）試驗樣機加電工作，進行最后檢測，若測試結果正常，則表明受試設備通過低溫試驗。

2.2 高溫試驗方法：

執行標準： GJB 150.3A-2009

圖4 高溫試驗曲線圖

（1）按規定對試驗樣機進行初始測試，確定樣機能夠正常工作并且圖像控制功能正常；

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

（3）待試驗樣機溫度穩定后，繼續存儲48h；

（4）將試驗箱內溫度調節到標準大氣條件，保持在該標準大氣條件下，直至試驗樣機溫度穩定；

（5）若測試結果正常，將試驗箱的溫度調節至+60℃；

（6）若測試結果正常，試驗樣機斷電，將試驗箱的空氣溫度調節到標準大氣條件，直至試驗樣機達到溫度穩定；

（7）試驗樣機加電工作，進行最后檢測，若測試結果正常，則表明受試設備通過高溫試驗。

根據GJB150.3A-2009、GJB150.4A-2009的要求，經過高低溫試驗后，對云臺的外觀、發射機的輸出功率、載噪、圖像、錄像等，云臺的俯仰、橫滾、偏航、變焦、錄像等功能進行檢驗，各項功能均正常。根據以上試驗可以看出本云臺可以在環境溫度差別比較大的場所正常工作。

3 結語

綜上所述，本研究自主設計的多旋翼自主三軸自穩云臺，對云臺結構和應用環境進行了分析說明，得到的相關結果證實了本設計是合理的。本設計的三軸自穩云臺裝置結構比較復雜，體積小，結構比較緊湊，其對于加工和裝配工藝要求比較高，所以在設計時要最大化的減少誤差。本三軸自穩云臺可實現與無人機飛行器快速插接配合，拆裝操作方便，大大提高了三軸自穩云臺的應用領域，以及滿足市場不斷發展的需求。