一种基于电子罗盘和微机电系统的虚拟云台
专利汇可以提供一种基于电子罗盘和微机电系统的虚拟云台专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于测量技术领域，涉及一种 虚拟现实 用 云 台设备，用于测量虚拟云台的相对方位 角 、 姿态 角和摄像机镜头Zoom/Focus信息的装置。至少包括：虚拟云台 基座 、虚拟云台 电路 板和Zoom/Focus采集模 块 三部分。实现本发明的技术解决方案为：使用MEMS 传感器 测量虚拟云台的姿态角；利用 电子 罗盘测量三维地 磁场 数据，并根据测量所在地的地磁偏角和 俯仰 角以及 横滚 角补偿计算出虚拟云台的相对方位角；测量摄像机镜头的Zoom/Focus数据；以场同步 信号 同步采集上面提到的三组测量数据给数字化视频合成计算机。本发明充分使用电子系统来替代、简化、增强、综合机械系统。提高了虚拟云台系统的性价比和可靠性。，下面是一种基于电子罗盘和微机电系统的虚拟云台专利的具体信息内容。
1.一种基于电子罗盘和微机电系统的虚拟云台，至少包括：虚拟云台基座、虚拟云台电路板和Zoom/Focus采集模块三部分。所述云台基座功能为连接固定三脚架或可移动平台，安放虚拟云台电路板并为摄像机提供安全可靠的支撑和固定，且能够通过摇杆等部件对云台进行方位角、姿态角(含俯仰角和横滚角，下同)的转动。所述的虚拟云台电路板包含了姿态角测量电路、三轴(含X轴、Y轴和Z轴，下同)地磁测量电路、电源电路、信号处理电路、视频场同步分离芯片、复位按键、LED指示灯或LCD显示屏等部分。
2.如权利要求1所述的姿态角测量电路，为虚拟云台电路板上的部分电路。采用MEMS传感器配合相应的信号调理电路。根据被测量的物理量分为MEMS角度传感器(或称倾角传感器)、MEMS角速度传感器、MEMS角加速度传感器。根据所选择传感器的不同，相应的信号调理电路也不同。如果在本发明中使用角度传感器测量姿态角，如输出为电压型，则相应的信号调理电路主要为电压比例放大电路。如使用MEMS角速度传感器或MEMS角加速度传感器测量横滚角和俯仰角，需使用电压输出类型的传感器，角速度传感器通常需使用一次积分电路将角速度信号转变为角度信号，角加速度传感器通常使用二次积分电路将角加速度信号转变为角度信号，同时需要搭配相应的电压复位电路用于在云台处于初始状态时将积分电路的输出电压清零，如有需要也可以搭配相关的电压比例放大电路。
3.如权利要求1所述的三轴地磁测量电路，使用安装在虚拟云台电路板上的平行于三轴上的包括但不限于磁通门式、霍尔效应式和磁阻效应式地磁传感器及其配套信号调理电路测量出水平面上三个轴上的磁场强度分量Hx、Hy和Hz，同时使用权利要求2中电路测量出俯仰角φ和横滚角θ，根据下列公式可计算得到地球坐标系下磁场强度Hx*和Hy*：
Hx*＝Hx*cosφ+Hy*sinθ*sinφ-Hz*cosθ*sinφ (公式1)
Hy*＝Hy*cosθ+Hz*sinθ (公式2)
再根据公式计算出地磁方位角β：
β＝arctan(Hy*/Hx*) (公式3)
考虑到反正切函数的值域β∈[-90°，90°]，且使地磁方位角在0°-360°的范围表示，根据(公式1)、(公式2)、(公式3)，以及对罗盘坐标系和水平坐标系变换的分析，各坐标轴和不同的象限内β的值分别为：
(1)当Hx*＞0，Hy*＝0时，β＝0°； (公式4)
(2)当Hx*＝0，Hy*＜0时，β＝90°； (公式5)
(3)当Hx*＜0，Hy*＝0时，β＝180°； (公式6)
(4)当Hx*＝0，Hy*＞0时，β＝270°； (公式7)
(5)当Hx*＞0，Hy*＜0时，β＝-arctanHy*/Hx*； (公式8)
(6)当Hx*＜0时，β＝180°-arctan Hy*/Hx*； (公式9)
* * * *
(7)当Hx＞0，Hy＞0时，β＝360°-arctan Hy/Hx； (公式10)
根据上式算出的地磁方位角，只需加上当地的地磁偏角(可通过查询相关磁偏角地图或使用磁偏测量仪测量出来，并通过串口输入/输出端口将该信息提供给信息处理电路)即可求得此时的地理方位角。根据虚拟云台的初始状态时的地理方位角和此时的地理方位角，计算出虚拟云台相对方位角。
4.如权利要求1所述的电源电路使用安装在虚拟云台电路板上的相关AC/DC或DC/DC芯片及其外围电阻、电容、电感等零件将外部输入的直流或交流电源转变为虚拟云台内部工作所需要的相应电压直流电源的电路。
5.如权利要求1所述的信号处理电路安装在虚拟云台电路板上，是电路板的核心部件。
信息处理电路的核心包括但不限于CPU、FPGA或DSP等具有信息处理功能的部件。姿态角和地磁测量电路均为模拟电压输出，因此在信息处理方面均采用ADC采样后送CPU、FPGA或DSP等处理核心部件。镜头Zoom/Focus传感器选用增量值旋转编码器或绝对值旋转编码器，如使用增量值旋转编码器则可将编码器A、B相信号输入硬件正交计数器芯片计数后送往CPU、FPGA或DSP等处理核心部件或直接将编码器A、B相信号连接CPU、FPGA或DSP等处理核心部件的外部中断输入引脚由软件进行编码器计数，如使用绝对值旋转编码器，则将编码器输出信号接至CPU、FPGA或DSP等处理核心部件的输入引脚供读取。
6.如权利要求1所述的Zoom/Focus采集模块(含传动齿轮、安装支架及旋转编码器)安装在摄像机镜头上，通过两组齿轮，分别将摄像机镜头的Zoom/Focus转动传递给相应的旋转编码器，测量摄像机镜头的Zoom/Focus数据。
7.如权利要求1所述的视频场同步分离芯片安装在虚拟云台电路板上，通过视频场同步分离芯片将场同步信号提取出来，并以场同步信号同步采样并输出上面提到的三组测量数据(虚拟云台相对方位角、虚拟云台姿态角以及摄像机镜头的Zoom/Focus数据)给数字化视频合成计算机。
8.如权利要求1所述的复位按键安装在虚拟云台电路板上，用于给虚拟云台人工复位，将相对方位角和姿态角清零。
9.如权利要求1所述的LED指示灯或LCD显示屏安装在虚拟云台电路板上。LED指示灯用于指示当前设备的工作状态、LCD显示屏用于指示当前设备的工作状态及数据信息。
一种基于电子罗盘和微机电系统的虚拟云台
技术领域
背景技术
(2)地磁偏角。地球本身是块大磁铁，地磁北极由地球内部的稳定磁场决定，地理北极在地球的旋转轴处，是地球上经线的汇聚处。地磁偏角就是地球南北极连线与地磁南北极连线交叉构成的夹角，本文用γ表示。根据规定，磁针指北极N向东偏则磁偏角为正，向西偏则磁偏角为负。
由于地磁极不断变动，所以地磁偏角随地点的变化而变化，即便在同一地点的地磁偏角大小也随着时间的推移而不断改变。磁偏角可以用磁偏测量仪测出来，目前已经有专门的机构将各地区的磁偏角绘制成地图，并且是考虑了各种因素在内的，可以直接查找。
(3)方位角。电子罗盘应用在载体上，地理方位角定义为载体纵轴方向在水平面上的投影与地理北极的夹角。用0°～360°范围的角度值表示。载体纵轴方向指向地理北极(正北)，地理方位角为0°，载体纵轴方向指向正东，地理方位角为90°，载体纵轴方向指向正南，地理方位角为180°，载体纵轴方向指向正西，地理方位角为270°。而载体纵轴方向在水平面上的投影与地磁北极的夹角定义为地磁方位角。本文地磁方位角用β表示，地理方位角用Ψ表示。Ψ＝β+γ。相对方位角，这是相对于虚拟云台的初始状态而言的，虚拟云台复位时(含上电复位和人工复位，下同)的相对方位角为0°，俯视虚拟云台时顺时针方向为正，逆时针方向为负，范围分别为0～180°以及0～-180°。
(4)姿态角。电子罗盘中不可缺少的一部分是对载体倾斜姿态的测量，它是动态测量中非常重要的一个方面。姿态角包括两部分：俯仰角和横滚角。以水平面为基准，电子罗盘系统载体的纵轴方向与其在水平面投影的夹角称为俯仰角，用φ表示，本文中规定上仰力正，下俯为负；罗盘平面上与横轴方向与其在水平面投影的夹角称为横滚角，用θ表示，本文中规定右转为正，左转为负。
(5)初始状态。指虚拟云台复位时状态。在该状态时相对方位角和姿态角均清零，在虚拟云台复位之前，均需人工将虚拟云台调整至呈与水平面平行状态，并将虚拟云台的方位角转至欲拍摄画面的正中方向。
发明内容
2、利用摄像机及计算机图形处理的方案。通过配套的摄像机对粘贴在天花板上的众多标签进行图像采集，并由计算机对采集到的图像中标签位置的变化进行运算，从而得到虚拟云台的相关位置及方位角、姿态角信息。传统的编码器方案由于要进行比较精密的机械加工且对装配工艺要求较高，因此制造成本较高，制造周期较长、有机械磨损，可靠性较低。
摄像机及计算机图形处理的方案也存在成本较高、精度较低、可靠性较低等问题。因此市场需要一种制造简单、成本较低、精度较高、运行可靠的虚拟云台。
具体实施方式
Hx＝Hx*cosφ+Hy*sinθ*sinφ-Hz*cosθ*sinφ (公式1)
Hy*＝Hy*cosθ+Hz*sinθ (公式2)
再根据公式计算出地磁方位角β：
β＝arctan(Hy*/Hx*) (公式3)
考虑到反正切函数的值域β∈[-90°，90°]，且使地磁方位角在0°-360°的范围表示，根据(公式1)、(公式2)、(公式3)，以及对罗盘坐标系和水平坐标系变换的分析，各坐标轴和不同的象限内β的值分别为：
(1)当Hx*＞0，Hy*＝0时，β＝0°； (公式4)
* *
(2)当Hx＝0，Hy＜0时，β＝90°； (公式5)
(3)当Hx*＜0，Hy*＝0时，β＝180°； (公式6)
(4)当Hx*＝0，Hy*＞0时，β＝270°； (公式7)
(5)当Hx*＞0，Hy*＜0时，β＝-arctanHy*/Hx*； (公式8)
(6)当Hx*＜0时，β＝180°-arctan Hy*/Hx*； (公式9)
(7)当Hx*＞0，Hy*＞0时，β＝360°-arctan Hy*/Hx*； (公式10)
根据上式算出的地磁方位角，只需加上当地的地磁偏角(可通过查询相关磁偏角地图或使用磁偏测量仪测量出来，并通过串口输入/输出端口将该信息提供给信息处理电路)即可求得此时的地理方位角。根据虚拟云台的初始状态时的地理方位角和此时的地理方位角，计算出虚拟云台相对方位角。
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