一种无人机应急监控云台装置及其作业方法.pdf

本发明公开了一种无人机应急监控云台装置及其作业方法，监控云台装置包括有连接于无人机上的吊舱，连接于吊舱上的云台，设置于吊舱上的全景广角摄像头、控制模块、北斗模块和第一无线通信模块，设置于云台上的热像仪或摄像机，以及设置于地面上且相互连接的第二无线通信模块和控制终端；其中，全景广角摄像头、北斗模块、第一无线通信模块、热像仪或摄像机均与控制模块连接；第一无线通信模块和第二无线通信模块无线连接。本发明通过全景广角摄像头保持对周围环境的监视，当作业人员在监视视频上发现并指定了具体的目标时，系统将控制云台实现热像仪或摄像机自动对准目标，快速有效的实现以目标为基础的视频控制和目标捕获。

权利要求书1.  一种无人机应急监控云台装置，其特征在于：包括有连接于无人机上的吊舱，连接于吊舱上的云台，设置于吊舱上的全景广角摄像头、控制模块、北斗模块和第一无线通信模块，设置于云台上的热像仪或摄像机，以及设置于地面上且相互连接的第二无线通信模块和控制终端；其中，所述的全景广角摄像头、北斗模块、第一无线通信模块、热像仪或摄像机均与控制模块连接；所述的第一无线通信模块和第二无线通信模块无线连接。2.  根据权利要求1所述的一种无人机应急监控云台装置，其特征在于：还包括有设置于云台上且与控制模块连接的激光距离传感器。3.  根据权利要求1所述的一种无人机应急监控云台装置，其特征在于：所述的全景广角摄像头包括有前全景广角摄像头、后全景广角摄像头、左全景广角摄像头、右全景广角摄像头、上全景广角摄像头和下全景广角摄像头，每个摄像头的视角为120度。4.  根据权利要求1所述的一种无人机应急监控云台装置，其特征在于：所述的云台垂直连接于吊舱的基座上，云台包括有安装于云台架上的垂直轴向转轴和水平轴向转轴，垂直轴向转轴的旋转角度为360度，水平轴向转轴的旋转角度为以水平方向为基准上下各旋转45度。5.  根据权利要求2所述的一种无人机应急监控云台装置，其特征在于：所述的热像仪或摄像机、激光距离传感器并列安装在云台上，且保持朝向一致，其中，热像仪或摄像机的视角为90度。6.  根据权利要求1所述的一种无人机应急监控云台装置的作业方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)、通过全景广角摄像头保持对周围环境的监控；(2)、全景广角摄像头拍摄的视频通过第一无线通信模块传输至第二无线通信模块；(3)、地面作业人员在控制终端的视频图像中选择监控目标；(4)、控制终端根据目标在视频中的位置、无人机的位置、云台当前姿态，得出云台水平和垂直转动量，以及无人机的垂直移动量；(5)、控制终端将步骤(4)的结果发送给控制模块，控制模块自动控制无人机进行移动、云台进行转动，从而自动快速的将热像仪或摄像机对准目标，完成目标捕获。7.  根据权利要求1所述的一种无人机应急监控云台装置的作业方法，其特征在于：所述的步骤(4)的具体计算步骤为：(a)、首先判断目标位置是否位于云台视场中心范围内，由于全景广角摄像头的视场范围为120度，而云台水平轴向转轴的旋转角度为以水平方向为基准上下各旋转45度，又由于视场角度与视频像素成正比，故得出公式(1)：Y1Y=(120-90)*1/2120---(1),]]>其中，Y＝Y1+Y2，Y为全景广角摄像头的视频像素高度，Y2-Y1是热像仪或摄像机的中心视场边界高度；将公式(1)变形后，得到公式(2)，Y1=(120-90)/120*Y/2=18Y---(2),]]>又由于公式(3)：Y2=Y-Y1=78Y---(3),]]>此时得出目标的纵坐标Ya满足公式(4)：Y1≤Ya≤Y2   (4)，若满足，则目标在云台视场中心范围内；若不满足，则目标不在云台视场 中心范围内；(b)、计算云台水平转动量，由于视场角度与视频像素保持等比例，故得出公式(5)，(Xa-Xc)/(X-Xc)＝α/60   (5)，其中，Xa是目标的横坐标，Xc是全景广角摄像头的视场中心位置的横坐标，X是全景广角摄像头右极限的横坐标；由于公式(6)：Xc=12X---(6),]]>所以，得出α,见公式(7)，α=2Xa-XX*60---(7),]]>其中，α为基于所在全景广角摄像头中心方向，顺时针调整的角度值；云台先转动至所在全景广角摄像头中心方向，再顺时针转动α角度，完成云台水平转动调整；(c)、计算云台垂直转动量和飞行器垂直移动量：首先根据步骤(a)的结果分为两种情况：当目标在云台视场中心范围内，则只调整云台垂直转动量即可满足在垂直方向对准目标，无需移动飞行器；当目标不在云台视场中心范围内，则需调整飞行器高度，具体如下：当目标在云台视场中心范围内是，得出公式(8)：β=2Ya-YY*60---(8),]]>其中，β为基于所在全景广角摄像头中心方向，向上侧调整的角度值；云台先转动至所在全景广角摄像头中心方向，再向上侧转动β角度，完成云台垂直转动调整；当目标不在云台视场中心范围内，则先将云台向目标所在方向调整至极限位置即45度位置，通过激光距离传感器测出直线距离L1，通过余弦函数得出水平距离L，具体见公式(9)：由正弦函数得出基准高度差H1，具体见公式(10)：由于目标高度H2为公式(11)：H2＝L1*tanβ   (11)，得出目标调整高度差H3，见公式(12)：H3=H2-H1=tanβ*L1-22L1=(tanβ-22)*L1---(12),]]>又由于保持云台位于垂直极限位置，垂直移动，则吊舱调整高度差Hx＝H3，为公式(13)：Hx=H3=(tanβ-22)*L1---(13),]]>将公式(8)的结果带入，即得Hx。8.  根据权利要求1所述的一种无人机应急监控云台装置的作业方法，其特征在于：所述的控制模块根据激光距离传感器采集到的目标距离，得到最佳调焦值，然后控制模块控制云台对热像仪或摄像机调焦，最后人工操作控制终端，控制模块控制云台对热像仪或摄像机进行微调。

说明书一种无人机应急监控云台装置及其作业方法
技术领域
本发明涉及无人机控制领域，具体是一种无人机应急监控云台装置及其作业方法。
背景技术
目前无人机作业主要依靠地面人员分别对无人机遥控和对云台遥控，实现目标检测，不仅效率低，而且无法解决目视距离外的作业。由于无人机电源支持单次作业时间短，开发控制系统和作业系统，实现自动化从而提高效率非常必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无人机应急监控云台装置及其作业方法，可实现基于目标的全自动控制，实现快速高效的目标捕获，实用简便、工作效率高。
本发明的技术方案为：
一种无人机应急监控云台装置，包括有连接于无人机上的吊舱，连接于吊舱上的云台，设置于吊舱上的全景广角摄像头、控制模块、北斗模块和第一无线通信模块，设置于云台上的热像仪或摄像机，以及设置于地面上且相互连接的第二无线通信模块和控制终端；其中，所述的全景广角摄像头、北斗模块、第一无线通信模块、热像仪或摄像机均与控制模块连接；所述的第一无线通信模块和第二无线通信模块无线连接。
还包括有设置于云台上且与控制模块连接的激光距离传感器。
所述的全景广角摄像头包括有前全景广角摄像头、后全景广角摄像头、左全景广角摄像头、右全景广角摄像头、上全景广角摄像头和下全景广角摄像头，每个摄像头的视角为120度。
所述的云台垂直连接于吊舱的基座上，云台包括有安装于云台架上的垂直 轴向转轴和水平轴向转轴，垂直轴向转轴的旋转角度为360度，水平轴向转轴的旋转角度为以水平方向为基准上下各旋转45度。
所述的热像仪或摄像机、激光距离传感器并列安装在云台上，且保持朝向一致，其中，热像仪或摄像机的视角为90度。
一种无人机应急监控云台装置的作业方法，包括以下步骤：
(1)、通过全景广角摄像头保持对周围环境的监控；
(2)、全景广角摄像头拍摄的视频通过第一无线通信模块传输至第二无线通信模块；
(3)、地面作业人员在控制终端的视频图像中选择监控目标；
(4)、控制终端根据目标在视频中的位置、无人机的位置、云台当前姿态，得出云台水平和垂直转动量，以及无人机的垂直移动量；
(5)、控制终端将步骤(4)的结果发送给控制模块，控制模块自动控制无人机进行移动、云台进行转动，从而自动快速的将热像仪或摄像机对准目标，完成目标捕获。
所述的步骤(4)的具体计算步骤为：
(a)、首先判断目标位置是否位于云台视场中心范围内，由于全景广角摄像头的视场范围为120度，而云台水平轴向转轴的旋转角度为以水平方向为基准上下各旋转45度，又由于视场角度与视频像素成正比，故得出公式(1)：
Y1Y=(120-90)*1/2120---(1),]]>
其中，Y＝Y1+Y2，Y为全景广角摄像头的视频像素高度，Y2-Y1是热像仪或摄像机的中心视场边界高度；
将公式(1)变形后，得到公式(2)，
Y1=(120-90)/120*Y/2=18Y---(2),]]>
又由于公式(3)：
Y2=Y-Y1=78Y---(3),]]>
此时得出目标的纵坐标Ya满足公式(4)：
Y1≤Ya≤Y2   (4)，
若满足，则目标在云台视场中心范围内；若不满足，则目标不在云台视场中心范围内；
(b)、计算云台水平转动量，由于视场角度与视频像素保持等比例，故得出公式(5)，
(Xa-Xc)/(X-Xc)＝α/60   (5)，
其中，Xa是目标的横坐标，Xc是全景广角摄像头的视场中心位置的横坐标，X是全景广角摄像头右极限的横坐标；
由于公式(6)：
Xc=12X---(6),]]>
所以，得出α,见公式(7)，
α=2Xa-XX*60---(7),]]>
其中，α为基于所在全景广角摄像头中心方向，顺时针调整的角度值；云台先转动至所在全景广角摄像头中心方向，再顺时针转动α角度，完成云台水平 转动调整；
(c)、计算云台垂直转动量和飞行器垂直移动量：
首先根据步骤(a)的结果分为两种情况：当目标在云台视场中心范围内，则只调整云台垂直转动量即可满足在垂直方向对准目标，无需移动飞行器；当目标不在云台视场中心范围内，则需调整飞行器高度，具体如下：
当目标在云台视场中心范围内是，得出公式(8)：
β=2Ya-YY*60---(8),]]>
其中，β为基于所在全景广角摄像头中心方向，向上侧调整的角度值；云台先转动至所在全景广角摄像头中心方向，再向上侧转动β角度，完成云台垂直转动调整；
当目标不在云台视场中心范围内，则先将云台向目标所在方向调整至极限位置即45度位置，通过激光距离传感器测出直线距离L1，通过余弦函数得出水平距离L，具体见公式(9)：

由正弦函数得出基准高度差H1，具体见公式(10)：

由于目标高度H2为公式(11)：
H2＝L1*tanβ          (11)，
得出目标调整高度差H3，见公式(12)：
H3=H2-H1=tanβ*L1-22L1=(tanβ-22)*L1---(12),]]>
又由于保持云台位于垂直极限位置，垂直移动，则吊舱调整高度差Hx＝H3，为公式(13)：
Hx=H3=(tanβ-22)*L1---(13),]]>
将公式(8)的结果带入，即得Hx。
所述的控制模块根据激光距离传感器采集到的目标距离，得到最佳调焦值，然后控制模块控制云台对热像仪或摄像机调焦，最后人工操作控制终端，控制模块控制云台对热像仪或摄像机进行微调。
本发明的优点是：
本发明通过全景广角摄像头保持对周围环境的监视，当作业人员在监视视频中选择指定的目标，系统将控制云台实现热像仪或摄像机自动对准目标，快速有效的实现以目标为基础的视频控制和目标捕获。
附图说明
图1是本发明无人机应急监控云台控制原理的结构框图。
图2是本发明吊舱和云台的结构示意图。
图3是本发明全景广角摄像头及云台视场的示意图。
图4是本发明测算云台水平转动量的示意图。
图5是本发明测算云台垂直转动量和飞行器垂直移动量的示意图。
具体实施方式
见图1和图2，一种无人机应急监控云台装置，包括有连接于无人机上的吊舱1，连接于吊舱1上的云台2，设置于吊舱1上的全景广角摄像头3、控制模 块4、北斗模块5和第一无线通信模块6，设置于云台2上的热像仪或摄像机7，设置于云台2上的激光距离传感器8，以及设置于地面上且相互连接的第二无线通信模块9和控制终端10；其中，全景广角摄像头3、北斗模块5、第一无线通信模块6、热像仪或摄像机7、激光距离传感器8均与控制模块4连接；第一无线通信模块6和第二无线通信模块9无线连接。
见图1和图2，其中，全景广角摄像头3包括有前全景广角摄像头31、后全景广角摄像头32、左全景广角摄像头33、右全景广角摄像头34、上全景广角摄像头35和下全景广角摄像头36，每个摄像头的视角为120度；云台2垂直连接于吊舱1的基座上，云台2包括有安装于云台架21上的垂直轴向转轴22和水平轴向转轴23，垂直轴向转轴22的旋转角度为360度，水平轴向转轴23的旋转角度为以水平方向为基准上下各旋转45度；热像仪或摄像机7、激光距离传感器8并列安装在云台上，且保持朝向一致，其中，热像仪或摄像机7的视角为90度。
一种无人机应急监控云台装置的作业方法，包括以下步骤：
(1)、通过全景广角摄像头3保持对周围环境的监控；
(2)、全景广角摄像头3拍摄的视频通过第一无线通信模块6传输至第二无线通信模块9；
(3)、地面作业人员在控制终端10的视频图像中选择监控目标A；
(4)、控制终端10根据目标A在视频中的位置、无人机的位置、云台2当前姿态，得出云台2水平和垂直转动量，以及无人机的垂直移动量，具体计算步骤为：
(a)、见图3，首先判断目标A位置是否位于云台2视场中心范围内，由于全景广角摄像头3的视场范围为120度，而云台水平轴向转轴23的旋转角度为以水平方向为基准上下各旋转45度，又由于视场角度与视频像素成正比，故得出公式(1)：
Y1Y=(120-90)*1/2120---(1),]]>
其中，Y＝Y1+Y2，Y为全景广角摄像头的视频像素高度，Y2-Y1是热像仪或摄像机的中心视场边界高度；
将公式(1)变形后，得到公式(2)，
Y1=(120-90)/120*Y/2=18Y---(2),]]>
又由于公式(3)：
Y2=Y-Y1=78Y---(3),]]>
此时得出目标A的纵坐标Ya满足公式(4)：
Y1≤Ya≤Y2   (4)，
若满足，则目标A在云台视场中心范围内；若不满足，则目标A不在云台视场中心范围内；
(b)、见图4，计算云台2水平转动量，由于视场角度与视频像素保持等比例，故得出公式(5)，
(Xa-Xc)/(X-Xc)＝α/60   (5)，
其中，Xa是目标A的横坐标，Xc是全景广角摄像头的视场中心位置C的横坐标，X是全景广角摄像头右极限的横坐标；
由于公式(6)：
Xc=12X---(6),]]>
所以，得出α,见公式(7)，
α=2Xa-XX*60---(7),]]>
其中，α为基于所在全景广角摄像头中心方向，顺时针调整的角度值；云台先转动至所在全景广角摄像头中心方向，再顺时针转动α角度，完成云台水平转动调整；
(c)、见图5，计算云台垂直转动量和飞行器垂直移动量：
首先根据步骤(a)的结果分为两种情况：当目标A在云台视场中心范围内，则只调整云台垂直转动量即可满足在垂直方向对准目标A，无需移动飞行器；当目标A不在云台视场中心范围内，则需调整飞行器高度，具体如下：
当目标A在云台视场中心范围内是，得出公式(8)：
β=2Ya-YY*60---(8),]]>
其中，β为基于所在全景广角摄像头中心方向，向上侧调整的角度值；云台先转动至所在全景广角摄像头中心方向，再向上侧转动β角度，完成云台垂直转动调整；
当目标A不在云台视场中心范围内，则先将云台向目标A所在方向调整至极限位置即45度位置，通过激光距离传感器测出直线距离L1，通过余弦函数得出水平距离L，具体见公式(9)：

由正弦函数得出基准高度差H1，具体见公式(10)：

由于目标A高度H2为公式(11)：
H2＝L1*tanβ      (11)，
得出目标A调整高度差H3，见公式(12)：
H3=H2-H1=tanβ*L1-22L1=(tanβ-22)*L1---(12),]]>
又由于保持云台位于垂直极限位置，垂直移动，则吊舱调整高度差Hx＝H3，为公式(13)：
Hx=H3=(tanβ-22)*L1---(13),]]>
将公式(8)的结果带入，即得Hx。
(5)、控制终端10将步骤(3)的结果发送给控制模块4，控制模块4自动控制无人机进行移动、云台2的转轴进行转动，从而自动快速的将热像仪或摄像机7对准目标A，完成目标A捕获；
(6)、控制模块4根据激光距离传感器8采集到的目标A距离，得到最佳调焦值，然后控制模块4控制云台对热像仪或摄像机7调焦，最后人工操作控制终端10，控制模块4控制云台对热像仪或摄像机7进行微调。