无人机是通过机载计算机程控或者地面站系统远程通信控制的不载人飞行器。使用无人机进行航空拍摄具有起飞降落场地限制小、遥感平台易于转场、拍摄影像清晰等突出优势,因此在国家生态环境保护、矿产资源勘探、海洋环境检测、农作物长势检测与估产、城市规划、国防事业、影视制造等领域得到广泛应用。在实现上述功能的过程中,航拍云台作为无人机航拍系统重要组成部分,其灵活性和智能性必然会影响整个系统的实现效果。通过调整航拍云台姿态,可以扩大航空拍摄景物的范围,航拍云台的稳定性和精准性将会影响所拍摄画面的质量。本设计创新思路将整个航空拍摄过程由飞行器控制人员和航拍云台控制人员协作完成,既能保证飞行器拍摄过程的安全性,又能使拍摄画面更加细致、拍摄更加灵活。本文的主要研究内容与成果如下:(1)分析了云台系统所涉及的相关技术。包括:脉冲宽度调制技术、舵机构成与驱动原理、卡尔曼滤波与互补滤波原理、陀螺仪与加速度计原理、四元数、SSL安全证书等技术。(2)介绍航拍云台系统的模块组成。首先介绍了整个航拍系统的工作原理,然后对各模块进行选型。其中主控模块采用的是开源的开发板Arduino UNO R3,姿态测量模块为9轴运动处理传感器-MPU6050,云台架构为三轴,还有云台驱动模块以及图像采集模块。(3)云台系统的硬件程序设计。首先对MPU6050数据进行采集,通过四元数与欧拉角的转换关系,对云台姿态信息进行解算;然后分别加入卡尔曼滤波和互补滤波算法进行比较,选取其中效果最好的算法作为最终方案;最后根据地面站控制指令选择控制模式,并结合云台姿态数据对舵机模块进行驱动。(4)地面站监视与控制系统的设计。软件开发环境采用的是LabVIEW2014,设计板块主要有:航拍视频采集与存储模块、传感器数据采集模块、云台姿态显示和Web发布模块等。本文所设计的航拍云台系统,实现了航拍云台的多种工作方式:云台跟随模式、平衡保持模式、主动控制模式,增强了航拍云台拍摄景物时的灵活性;而地面站上位机程序的设计,可以将云台姿态数据和航拍视频进行远程采集与显示,提高了信息的时效性。