專利名稱：一種藍牙控制的電動全景云臺及控制方法
技術領域：
本發明涉及數碼成像設備用的輔助設備，特別涉及一種藍牙控制的電動全景云臺及控制方法，可以用于全景數字圖像數據采集系統中。
背景技術：
全景圖像的數據采集在現代數字圖像領域中的應用越來越廣泛。現有的全景圖像采集主要采用機械式的手動全景云臺配合數字照相機來實現。這樣的數據采集方式有一些不可克服的缺點和問題首先，由人手進行云臺旋轉角度的設置和控制，無法很好保證精度和速度，效率和質量難以提高；其次，因為全景拍攝將會把照相機周圍的景物全部采集下來，因此參與數據采集的人員很難做到自己以及自身的陰影不出現在數據采集區域的同時又能方便地控制云臺和照相機。目前，也有一些電動攝像機云臺，主要是安裝在固定的使用地點，一般是利用渦輪蝸桿或齒輪和聯軸器的方式，連接電機輸出軸和云臺的旋轉結構部分，但這種方式云臺結構比較零散，整體尺寸大，不適合經常變換場所、戶外為主的攝影活動。

發明內容
本發明的目的之一是克服現有全景云臺手動、機械式控制出現的問題，提供一種藍牙控制的電動全景云臺，可以穩定、高效、準確配合數字照相機采集數字圖像，同時避免電機軸直接承重，保證電機轉動的精度和速度，從而保證圖像質量。本發明的目的之二是克服現有全景云臺的控制方法中需要近距離控制的問題，提供一種電動全景云臺的藍牙控制方法，可快速、高效、方便、遠距離、無遮擋的控制云臺數字照相機，進行全景采集數字圖像。為實現上述目的，本發明提供一種藍牙控制的電動全景云臺，其包括有三腳架，云臺主體，相機安裝總成，藍牙主機，藍牙從機，以及控制電路板。云臺主體由云臺上蓋、云臺固定機體、云臺連接底盤構成，云臺上蓋與上部的相機安裝總成固定連接，云臺連接底盤與下部的三腳架連接，云臺上蓋與云臺固定機體之間分別與推力球軸承內外圈配合，云臺固定機體內裝有步進電機，步進電機的轉軸帶動云臺上蓋轉動，步進電機與控制電路板連接， 藍牙從機嵌入到控制電路板中。進一步地，步進電機的轉軸沿著軸向伸入云臺上蓋中央，云臺上蓋的側面徑向開有與云臺上蓋中央貫通的螺紋沉孔，螺紋沉孔內裝有緊定螺釘，緊定螺釘的端部緊頂住步進電機的轉軸上銑出的一段平面，步進電機的轉軸通過緊定螺釘將旋轉運動傳遞給云臺上
至 JHL ο云臺上蓋下方的凸臺與推力球軸承內圈過盈配合，云臺固定機體上方的內壁與推力球軸承外圈過盈配合，云臺上蓋帶動推力球軸承內圈旋轉，云臺固定機體和推力球軸承外圈保持不動，云臺上蓋所承受的垂直方向重力通過推力球軸承傳遞到云臺固定機體上， 再通過云臺連接底盤將重力傳遞給三腳架。
本發明還提供電動全景云臺的藍牙控制方法，藍牙模塊包括藍牙主機和藍牙從機，其中，藍牙主機作為信號發射裝置，與上位機的USB接口連接，通過USB接口與上位機通信；藍牙從機作為信號接收裝置，嵌入到控制盒中的下位機中，藍牙從機接收藍牙主機發射的信號，控制步進電機。藍牙從機采用以HC-06集成模塊為核心的串口模塊，該串口模塊的接口為TTL電平，可以直接與下位機相連，控制步進電機。進一步地,采用了兩相六線Mnebea Motor 17PM-N140-040步進電機,步進電機的驅動器采用51單片機，驅動電路以A3977SED芯片為核心，步進電機的驅動器、驅動電路與藍牙從機集成到控制電路板中，控制電路板安裝在控制盒中，控制電路板采用鋰電池供電， 該電池可以提供5V和12V的兩種直流電壓，控制電路板可以輸出控制步進電機的步進信號和方向信號，從而控制步進電機的轉速、轉角和轉向。在上位機中設置云臺所需的參數，設定云臺單次旋轉的角度和旋轉的次數，或者設定云臺總的旋轉角度和分割旋轉的次數、旋轉速度、方向以及每次旋轉之間的時間間隔， 信號通過上位機上的藍牙主機發出后，將被安裝在三腳架上控制盒內的藍牙從機接收，從而控制步進電機按照指令旋轉相應的角度和次數，在每次旋轉后步進電機將停頓一定時間，以便計算機軟件遙控照相機進行拍攝。上位機是計算機，下位機包括控制電路板；控制盒設置在三腳架上，藍牙從機直接嵌入控制盒中的控制電路板。本發明中的云臺主要是用于戶外活動頻繁、位置變換較多的攝影活動，因此要求這個裝置盡量做成一體，把電機和相關的機械部分封裝成一個整體，然后能很方便的與現有的三角架相連接，便于攝影活動的開展。由于電機是直接安裝在三角架和照相機之間，因此，在機械設計時重點要考慮以下因素I.云臺和相機的重力會引起一個向下的軸向力，電機在轉動時這個力不能由電機或電機軸來承擔，因這個軸向力會使電機和電機軸彎曲和側偏，影響電機轉動的精度和速度，甚至會使電機軸卡死；2.在把整個裝置盡量合理地封裝在一起避免零散的前提下，應盡量使結構小巧完整，同時還要控制其高度，避免整個云臺頭重腳輕，影響云臺的穩定性和牢固性。本發明有效地將相機和相機安裝總成的重量分散在固定部件上，使步進電機及其轉軸不承受任何的軸向壓力，保證云臺整體的穩定性和電機旋轉運動的準確性。而且電動全景云臺充分利用了步進電機可以精確控制旋轉角度和無線遙控的特性，同時利用計算機程序設計和控制技術，提高全景拍攝的效率和質量。本發明根據全景數字拍攝的具體特點， 簡化了云臺旋轉部分的結構，降低了制作的難度和成本，在全景數字圖像的采集和其它需要精確控制水平旋轉運動的場合中具有廣泛的應用價值。


圖I是本發明的立體示意圖；圖2是本發明的結構示意圖；圖3是本發明的云臺主體結構放大示意圖；圖4是本發明的控制系統示意圖5是本發明的控制電路板原理圖；圖6是本發明的藍牙主機和藍牙從機安裝以及工作示意圖；圖7是本發明的下位機程序總體流程圖；圖8是本發明的上位機程序總體流程圖。附圖標記I.云臺連接底盤 2.云臺固定機體 3.云臺上蓋 4.步進電機5.推力球軸承6· X方向水平滑動導軌座7. X方向水平滑動導軌8. Y方向水平滑動導軌9. Y方向水平滑動導軌座 10.相機水平支架 11.垂直支架12.相機快裝板 13.云臺接盤 14.三腳架 15.控制盒16.步進電機轉軸 17.緊定螺釘 18.螺紋沉孔
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。參見圖1-3，本發明藍牙控制的電動全景云臺包括云臺主體，相機安裝總成，三腳架14，控制盒15，藍牙主機和藍牙從機以及控制電路板。其中，云臺主體由云臺上蓋3、云臺固定機體2、云臺連接底盤I構成；相機安裝總成屬于常規技術，包括X方向水平滑動導軌座6、X方向水平滑動導軌7、Y方向水平滑動導軌8、Y方向水平滑動導軌座9、導軌上方的相機水平支架10、垂直支架11和相機快裝板12。云臺上蓋3與上部的相機安裝總成固定連接，云臺連接底盤I與下部的三腳架14 連接。在云臺主體內部的驅動部分中，包括位于云臺固定機體2中的步進電機4以及承受軸向力的推力球軸承5。整個云臺主體通過標準的云臺接盤13與三腳架14相連接。懸掛在三腳架14下的是控制盒15，控制盒15內裝有藍牙從機和步進電機驅動電路的控制電路板以及鋰電池，為整個云臺提供控制信號和電源。采用這種結構方式，不但有效地減少整個裝置的大小和高度，而且使整個裝置更加完整，便于使用。云臺上蓋3與云臺固定機體2之間采用推力球軸承5旋轉配合，利用推力球軸承 5承受云臺上蓋3上方所有部件的重量產生的軸向力，并將該力傳遞給位于云臺上蓋3下方的云臺固定機體2，再通過云臺連接底盤I和云臺接盤13，最終將重力傳遞給三腳架14。 這樣的結構有效地將軸向力分散在固定部件上，使步進電機4及其輸出軸不承受任何的軸向壓力，保證云臺整體的穩定性和電機旋轉運動的準確性。為了將步進電機轉軸16輸出的旋轉運動傳遞給云臺上蓋3，步進電機轉軸16沿著軸向伸入云臺上蓋3的中央，而云臺上蓋3的側面徑向開有與云臺上蓋3中央貫通的螺紋沉孔18，螺紋沉孔18內裝有緊定螺釘17，步進電機轉軸16上銑有一段平面，利用緊定螺釘 17將該平面頂緊定位，保證緊定螺釘17與步進電機轉軸16同步旋轉運動，而緊定螺釘17 是通過螺紋與云臺上蓋3相連接，最終步進電機4帶動云臺上蓋3旋轉，從而帶動與云臺上蓋3固定連接的相機安裝總成。步進電機4固定在云臺固定機體2中，信號線和電源線通過云臺連接底盤I的缺口與懸掛在三腳架14下的控制盒15內的控制電路板、藍牙從機和鋰電池相連接。圖4本發明的控制系統示意圖，利用51單片機控制步進電機，C語言編寫下位機，VB設計上位機界面，在上位機(例如計算機)上設置云臺運動所需的各種參數，由上位機上的藍牙主機發出指令，安裝在三腳架上控制盒內的藍牙從機接收指令，從而驅動步進電機，控制云臺按要求進行轉動。在本實施例中，控制云臺運動的幾個主要參數為速度、每次轉動之間的時間間隔、轉動的方式以及轉動的方向等，轉動方式分為兩種方式一設定每次轉動的角度和轉動的次數，方式二設定轉動總的角度和轉動的次數。在上位機中，利用VB編寫的界面程序設定以下內容①.轉動的方式每次轉動的角度和次數或轉動總的角度和次數.速度 根據需要可以設定較快或較慢的轉動速度，但一般在攝影中相機等屬于比較貴重的設備， 因此速度也不能太快設定間隔時間，在此時間間隔內保證相機有足夠的時間進行拍攝，可以根據拍攝的需要進行調整；④.旋轉方向順時針方向或逆時針方向。圖5是本發明的控制電路板的原理圖。在本實施例中采用了兩相六線Mnebea Motor 17PM-N140-040步進電機，步進電機的驅動器采用51單片機，驅動電路以A3977SED 芯片為核心，藍牙從機采用以HC-06集成模塊為核心的串口模塊，將上述三個部分集成到控制電路板中，并將其安裝到控制盒15中，控制電路板采用鋰電池供電，電池可以提供5V 和12V的兩種直流電壓，控制電路板可以輸出控制步進電機的步進信號和方向信號，從而控制步進電機的轉速、轉角和轉向。圖6為本發明的藍牙主機和藍牙從機的安裝以及工作示意圖，藍牙模塊包括藍牙主機和藍牙從機兩大部分，一部分是安裝在上位機(例如計算機)的藍牙管理軟件和連接到上位機的藍牙主機，另一部分是嵌入到控制電路板中的藍牙從機，控制電路板設置在下位機中的控制盒15內部。藍牙管理軟件負責藍牙主機和藍牙從機之間的匹配和通信管理， 藍牙主機支持USB通信，藍牙從機采用以HC-06集成模塊為核心的串口模塊，該串口模塊的接口為TTL電平，可以直接與下位機相連，控制步進電機。藍牙主機通過USB接口與上位機通信，并發送信號，使下位機能接收上位機發送的控制信號。圖7是本發明的下位機總體流程圖，其程序采用C語言在Keil_UV2的開發環境下編寫，下位機主要包括以下幾個模塊I)基本I/O模塊1/0是單片機與外圍設備數據輸入輸出的主要通道，在此用到的 I/o主要有P1. O-脈沖輸出口，Pl. I-方向信號輸出口，Pl. 2-使能信號輸出口，P3. O-串口通訊發送口，P3. I-串口通訊接收口 ；2)脈沖產生模塊脈沖的產生只需利用Pl. O的高低電平交替變換，這樣就可以給驅動器一個下降沿，定時器延時的時間即為脈沖的周期。因此，通過控制定時器的溢出時間，就可以達到控制電機轉速的目的；3)串口通訊模塊串口通訊前首先要設定串口的工作方式和波特率等，在本發明中，選用定時器I的工作方式2，8為自動重轉載，產生9600bps的波特率；4)中斷函數模塊主要是根據上位機發送的數據格式來判斷接收到的是什么命令，然后做出相應的動作。圖8是本發明的上位機總體流程圖，上位機是進行人機交換的界面，其程序采用 VB開發，其主要作用是提供一個交互的界面，以便操作人員設置云臺所需的參數，并利用藍牙主機發送控制信號，上位機主要包括下面幾個模塊I)串口通訊模塊設置串口通訊的各種參數，打開藍牙管理器后，點擊“打開串口”，串口指示燈指示串口狀態；2)轉角指示模塊刻度分辨率為5° /格，指針指示的刻度表示相機轉過的角度；3)電機參數模塊可設定相機轉動時轉動的速度、方向以及停留時間間隔等參數，輸入參數后，按下設定按鈕即可設定電機參數；4)選擇方式選擇模塊可選擇兩種輸入方式中的一種,方式一為每次轉角和旋轉的次數，方式二為總的轉角和旋轉的次數，按確定即可向下位機發送轉角命令；5)停止和復位按鈕停止按鈕可任意時刻停止步進電機轉動；復位按鈕可以隨時停止步進電機轉動并將轉角指針復位；6)幫助菜單進入幫助菜單，可查看上位機的界面介紹、操作向導和應急處理等幫助信息。上位機的控制和設定流程為1)設置串口通訊的各種參數，打開藍牙管理器后點擊“打開串口”;2)設定云臺的轉動方式單次的轉動角度和旋轉的次數，或者設定總的旋轉角度和旋轉的次數；3)設置電機的參數轉動速度、方向以及每兩次旋轉之間的時間間隔； 4)設定完成后按下“確定”按鈕即可向下位機發送信息，從而控制云臺按設定的參數進行運動。在上位機中還設置用于緊急情況的停止和復位按鈕以及幫助菜單等。具體的設置、工作過程為先將照相機安裝在云臺上部的垂直安裝板上，調整X方向水平滑動導軌7、Y方向水平滑動導軌8這兩個水平導軌，使照相機鏡頭節點與云臺旋轉中心在同一垂直線上，打開照相機和云臺電源并設置照相機拍攝參數；然后操作人員離開拍攝位置在掩蔽物后就位，同時在上位機中設置云臺所需的參數，可以設定單次旋轉的角度和旋轉的次數，或者設定總的旋轉角度和分割旋轉的次數。信號通過上位機上的藍牙主機發出后，將被安裝在三腳架上的藍牙從機接收，從而控制步進電機按照指令旋轉相應的角度和次數，通過支架的旋轉部分將旋轉運動傳遞給全景云臺的旋轉部分，使旋轉部分連同數字照相機一起按照設定的參數進行運動。在每次旋轉后步進電機將停頓一定時間，以便計算機軟件遙控照相機進行拍攝。在完成一個全景拍攝周期后，將提示操作人員拍攝完成。
權利要求
1.一種藍牙控制的電動全景云臺，其包括有三腳架，云臺主體，相機安裝總成，藍牙主機，藍牙從機及控制電路板，云臺主體由云臺上蓋、云臺固定機體、云臺連接底盤構成，云臺上蓋與上部的相機安裝總成固定連接，云臺連接底盤與下部的三腳架連接，其特征是云臺上蓋與云臺固定機體之間分別與推力球軸承內外圈配合，云臺固定機體內裝有步進電機， 步進電機的轉軸帶動云臺上蓋轉動，步進電機與控制電路板連接，藍牙從機嵌入到控制電路板中。
2.根據權利要求I所述的電動全景云臺，其特征是步進電機的轉軸沿著軸向伸入云臺上蓋中央，云臺上蓋的側面徑向開有與云臺上蓋中央貫通的螺紋沉孔，螺紋沉孔內裝有緊定螺釘，緊定螺釘的端部緊頂住步進電機的轉軸上銑出的一段平面，步進電機的轉軸通過緊定螺釘將旋轉運動傳遞給云臺上蓋。
3.根據權利要求I或2所述的電動全景云臺，其特征是云臺上蓋下方的凸臺與推力球軸承內圈過盈配合，云臺固定機體上方的內壁與推力球軸承外圈過盈配合，云臺上蓋帶動推力球軸承內圈旋轉，云臺固定機體和推力球軸承外圈保持不動，云臺上蓋所承受的垂直方向重力通過推力球軸承傳遞到云臺固定機體上，再通過云臺連接底盤將重力傳遞給三腳架。
4.一種藍牙控制的電動全景云臺的控制方法，其特征是藍牙模塊包括藍牙主機和藍牙從機，其中，藍牙主機作為信號發射裝置，與上位機的USB接口連接，通過USB接口與上位機通信；藍牙從機作為信號接收裝置，嵌入到控制盒中的下位機中，藍牙從機接收藍牙主機發射的信號，控制步進電機。
5.根據權利要求4所述的控制方法，其特征是步進電機的驅動器采用51單片機，驅動電路以A3977SED芯片為核心，步進電機的驅動器、驅動電路與藍牙從機集成到控制電路板中，控制電路板安裝在控制盒中，控制電路板采用鋰電池供電，該電池提供5V和12V的兩種直流電壓，控制電路板輸出控制步進電機的步進信號和方向信號，控制步進電機的轉速、 轉角和轉向。
6.根據權利要求4或5所述的控制方法，其特征是在上位機中設置云臺所需的參數， 設定云臺單次旋轉的角度和旋轉的次數，或者設定云臺總的旋轉角度和分割旋轉的次數、 旋轉速度、方向以及每次旋轉之間的時間間隔，信號通過上位機上的藍牙主機發出后，將被安裝在三腳架上控制盒內的藍牙從機接收，控制步進電機按照指令旋轉相應的角度和次數，在每次旋轉后步進電機將停頓一定時間，以便計算機軟件遙控照相機進行拍攝。
7.根據權利要求4所述的控制方法，其特征是藍牙從機采用以HC-06集成模塊為核心的串口模塊，所述串口模塊的接口為TTL電平。
8.根據權利要求7所述的控制方法，其特征是控制盒設置在三腳架上，藍牙從機直接嵌入控制盒中的控制電路板。
全文摘要
本發明涉及一種藍牙控制的電動全景云臺及控制方法，電動全景云臺包括三腳架，云臺主體，相機安裝總成，藍牙主機，藍牙從機及控制電路板。云臺主體由云臺上蓋、云臺固定機體、云臺連接底盤構成，云臺上蓋與相機安裝總成固定連接，云臺連接底盤與三腳架連接，云臺上蓋與云臺固定機體分別與推力球軸承內外圈配合，云臺固定機體內裝有步進電機，步進電機的轉軸帶動云臺上蓋轉動，步進電機與控制電路板連接，藍牙從機嵌入到控制電路板中，接收上位機通過藍牙主機發射的控制信號。利用步進電機精確控制旋轉角度和藍牙無線遙控的特性，提高全景拍攝的效率和質量，簡化云臺旋轉部分的結構，降低制作難度和成本，在全景數字圖像的采集中具有廣泛應用價值。
文檔編號H02P8/00GK102588718SQ20121000976
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者安軍, 張家省, 范勁松, 袁慶丹, 陳章華, 陳遠強 申請人:佛山科學技術學院