CN101832771A - 一种无人机航测用小型高速定位云台 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种无人机航空摄影测量用，对地面目标进行定位的云台。目的是提高抗振能力，提高控制精度，增大固持力矩，提高线性度；同时减小重量和尺寸。包括：云台框架结构，相机运动机构；其中，相机的运动使用航模舵机来进行驱动。相机的运动使用圆弧齿同步带配合航模舵机进行驱动。所述无人机航测用小型高速定位云台还包括云台升降机构，升降机构采用丝杠结构实现传动。本发明的优点是抗振动性能好，定位精度高，尺寸小，重量轻。无人机起降过程中可以将云台收入机腹，一方面可以减少空气阻力，另一方面可以对云台及其载荷进行保护，适合于起降过程中无法准确预知无人机机腹离地高度的情况。

Description

一种无人机航测用小型高速定位云台

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种无人机航空摄影测量用，对地面目标进行定位的云台。

背景技术

市场上的云台大多使用步进电机进行云台的控制，这种驱动方法适用于连续旋转对定位速度和精度要求不高的云台产品，一般用在静态监控场合。而针对小型无人机应用，主要有三个缺陷：

1、抗振动性能差；

2、由于步进电机的丢步会产生累计定位误差；

3、比较弱的固持力矩。

在实际使用过程中，容易引起图像抖动、系统功耗较大、重量和尺寸都较大，不能满足小型无人机的航测任务载荷要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的定位云台，克服现有步进电机云台的缺陷，提高抗振能力，提高控制精度，增大固持力矩，提高线性度；同时减小重量和尺寸。

本发明是这样实现的：一种无人机航拍用小型高速定位云台，包括：云台框架结构，相机运动机构；其中，相机的运动使用航模舵机来进行驱动。

如上所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其中，相机的运动使用圆弧齿同步带配合航模舵机进行驱动。

如上所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其中，云台框架结构包括：外壳、固定板、在外壳内部，垂直安装于固定板上的两个侧板；相机运动机构包括：相机俯仰方向驱动机构、相机航向方向驱动机构；

相机俯仰方向驱动形式为：相机安装于相机固定架，相机固定架两侧通过左轴、右轴以及轴承安装于两个侧板上，左轴、右轴和相机固定架固定连接，使相机固定架可以绕左轴、右轴在俯仰方向上运动，在右轴上，安装有同步带轮及固定同步带轮用的卡簧和垫圈；带轮与驱动相机俯仰方向的运动的舵机输出轴通过圆弧齿同步带连接；

相机航向方向驱动形式为：在固定板上，通过轴承浮动安装有主轴，主轴通过螺纹固定在无人机上，主轴与驱动相机航向方向运动的舵机输出轴通过圆弧齿同步带连接。

如上所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其中，所述无人机航测用小型高速定位云台还包括云台升降机构，升降机构采用丝杠结构实现传动。

如上所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其中，所述的云台升降机构包括固定结构、主动运动机构和被动运动机构；主动运动机构为驱动丝杠。

如上所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其中，驱动丝杠为内丝杠。

如上所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其中，驱动丝杠的螺旋角度满足自锁要求。

如上所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其中，驱动丝杠使用连续转动舵机控制。

如上所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其中，被动机构固定在所述云台四周，在四角放置传动装置。

如上所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其中，所述的云台升降机构通过固定结构固定安装于无人机机腹；

固定结构包括：

上盖支撑板、下盖支撑板；云台升降机构通过上盖支撑板和下盖支撑板中的一个或者两个与无人机机舱安装台面进行安装；

支撑升降台面的4个直线滑动轴；

连接直线滑动轴与上盖支撑板，以及直线滑动轴与下盖支撑板的T型联轴台，共8个；

主动运动机构包括：驱动丝杠；驱动丝杠在外部驱动下转动；

被动运动机构包括：与云台主轴固定连接的升降台面；

将升降台面支撑于直线滑动轴的滑动滚针轴承；

与升降台面固定连接螺母驱动支座；螺母驱动支座与驱动丝杠配合，使升降台面在外部驱动下实现被动升降。

本发明的优点是：本云台的控制方法设计来源并不是市场常见云台的设计方法，而是直接来源于航模飞机的控制方法。使用了航模舵机来对云台进行控制，航模舵机的优势在于：

1、抗振动性能好；

2、执行机构精度较高，自成闭环控制，无系统累积误差；

无论数字或者模拟的航模舵机都是一个闭环的模拟位置控制器，自身集成内部的位置反馈器。主要输入信号是3V振幅的PWM波，通过占空比调节来进行定位。另外，在驱动过程中或者固持中，舵机的轴输出力矩是相等的。

3、比较高的固持力矩。

另外航模舵机在体积、重量、安装方面也比步进电机有优点，利于整体的微型化。

鉴于航模舵机的上述优点，加上本发明所述云台的传动机构设计，使得本发明所述云台相对于现有技术具有抗振动性能好，定位精度高，尺寸小，重量轻。

此外，附加的升降机构使云台本身可以升降，无人机起降过程中可以将云台收入机腹，一方面可以减少空气阻力，另一方面可以对云台及其载荷进行保护，适合于起降过程中无法准确预知无人机机腹离地高度的情况。

附图说明

图1是本发明所述的一种无人机航测用小型高速定位云台结构爆炸视图；

图2是本发明所述的无人机航测用小型高速定位云台相机运动机构立体示意图；

图3是本发明所述的无人机航测用小型高速定位云台相机运动机构投影视图；

图4是本发明所述的无人机航测用小型高速定位云台使用的舵机示意图；

图5是本发明所述的无人机航测用小型高速定位云台升降机构立体视图；

图6是本发明所述的无人机航测用小型高速定位云台升降机构正投影视图；

图7是本发明所述的无人机航测用小型高速定位云台升降机构左侧投影视图；

图8是本发明所述的无人机航测用小型高速定位云台升降机构驱动电路原理图。

其中，1、轴承；2、左轴；3、外壳；4、相机固定支架；5、右轴；6、同步带轮；7、卡簧和垫圈；8、相机罩；9、侧板；10、铆钉；11、固定侧板；12、摄像机；13、上板；14、主轴；15、带轮固定；16、舵机；17、固定板；18、升降架；21、上盖支撑板；22、升降台面；23、滑动滚针轴承；24、直线滑动轴；25、下盖支撑板；26、T型联轴台；27、驱动丝杠；28、螺母驱动支座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1所示，一种无人机航测用小型高速定位云台，包括：云台框架结构，相机运动机构，云台升降机构；

云台框架结构包括：外壳3、固定板17、在外壳3内部，垂直安装于固定板17上的两个侧板9；

如图2和图3所示，相机运动机构如下所述：

在外壳3内部，轴线相互垂直的安装有两个舵机16，并且，其中一个舵机16轴线平行于固定板17，安装于固定板17上，驱动相机俯仰方向的运动；另一个舵机16轴线垂直于固定板17，安装于侧板9上，驱动相机航向方向的运动；

相机安装于相机固定架4，相机固定架4两侧通过左轴2、右轴5以及轴承1安装于两个侧板9上，左轴2、右轴5和相机固定架4固定连接，使相机固定架4可以绕左轴2、右轴5在俯仰方向上运动，在右轴5上，安装有同步带轮6及固定同步带轮6用的卡簧和垫圈7；带轮6与驱动相机俯仰方向的运动的舵机输出轴通过圆弧齿同步带连接，实现所述的俯仰方向上的运动。

在固定板上17上，通过轴承浮动安装有主轴14，主轴14通过螺纹固定在升降架上，主轴14与驱动相机航向方向运动的舵机输出轴通过圆弧齿同步带连接，实现所述的航向方向上的运动。其原理在于：主轴14固定，当与主轴14通过同步带连接的舵机16进行动作时，舵机16及于舵机固定连接的整个云台框架结构绕主轴14进行转动。

图4为所使用的伺服舵机外形示意图；

舵机的选型可以有如下的选择：Futeba 3002S，Futeba9102和HITECHS-125MG。

如图5至图7所示，升降机构的基本结构采用丝杠传动，包括固定结构、主动运动机构和被动运动机构；

固定结构包括：上盖支撑板21、下盖支撑板25；升降机构可以通过上盖支撑板21或者下盖支撑板25与无人机机舱安装台面进行安装；

支撑升降台面22的4个直线滑动轴24；

连接直线滑动轴24与上盖支撑板21，以及直线滑动轴24与下盖支撑板25的T型联轴台26，共8个；

主动运动机构包括：驱动丝杠27；驱动丝杠27在外部驱动下转动；

被动运动机构包括：与云台主轴14固定连接的升降台面22；

将升降台面22支撑于直线滑动轴24的滑动滚针轴承23

与升降台面22固定连接螺母驱动支座28，螺母驱动支座28与驱动丝杠27配合，使升降台面22在外部驱动下实现被动升降；

出于可靠性考虑，被动机构固定在云台四周，由于云台本身的外观为圆形截面，在四角放置传动装置可以使占额外的地面积降到最低。丝杠的螺旋角度满足自锁，以保证在无固持力矩的情况下，不会受振动收放，降低驱动器的负担。主动机构为内丝杠的环状结构，外部使用连续转动舵机控制(齿轮或皮带传动)。

如图8所示，针对于升降平台的驱动选择磁保持型继电器。此类继电器在驱动电压上电时进行导通偏转连接，此时驱动信号撤掉依然保持连接，直到另一端的驱动信号上电为止。针对这个项目的电路方案，使用3V的驱动电压比较方便，而电机的驱动电压是12V，所以使用两个双路磁保持型继电器进行电压换向，同时设计可I/O控制也可使用接触式开关进行控制，具体指图中的上升开关和下降开关；然后在断开端连接轻触开关，可以分别对上升和下降的供电电路进行关闭，具体指图中的下降接触开关和上升接触开关。

升降机构是用于实现摄像云台的整体升降功能，以便于在飞机起降的情况下保护云台的安全。

按照本发明所述技术方案，现已制造出重量800g以下，连升降机构重量1.5Kg以下的二自由度高速可控云台。云台以SONY 480摄像机为控制目标，在小型无人机上进行机腹安装，并于空中完成可控方向的摄像功能。SONY480S摄像机能够在俯仰方向90度、偏航方向180度范围内运动，整体升降架具有180mm行程。

Claims (10)

1.一种无人机航测用小型高速定位云台，包括：云台框架结构，相机运动机构；其特征在于：相机的运动使用航模舵机来进行驱动。

2.如权利要求1所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其特征在于：相机的运动使用圆弧齿同步带配合航模舵机进行驱动。

3.如权利要求2所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其特征在于：云台框架结构包括：外壳(3)、固定板(17)、在外壳(3)内部，垂直安装于固定板(17)上的两个侧板(9)；相机运动机构包括：相机俯仰方向驱动机构、相机航向方向驱动机构；

相机俯仰方向驱动形式为：相机安装于相机固定架(4)，相机固定架(4)两侧通过左轴(2)、右轴(5)以及轴承(1)安装于两个侧板(9)上，左轴(2)、右轴(5)和相机固定架(4)固定连接，使相机固定架(4)可以绕左轴(2)、右轴(5)在俯仰方向上运动，在右轴(5)上，安装有同步带轮(6)及固定同步带轮(6)用的卡簧和垫圈(7)；带轮(6)与驱动相机俯仰方向的运动的舵机(16)输出轴通过圆弧齿同步带连接；

相机航向方向驱动形式为：在固定板(17)上，通过轴承浮动安装有主轴(14)，主轴(14)通过螺纹固定在无人机上，主轴(14)与驱动相机航向方向运动的舵机输出轴通过圆弧齿同步带连接。

4.如权利要求1至3中任一项所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其特征在于：所述无人机航测用小型高速定位云台还包括云台升降机构，升降机构采用丝杠结构实现传动。

5.如权利要求4所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其特征在于：所述的云台升降机构包括固定结构、主动运动机构和被动运动机构；主动运动机构为驱动丝杠(27)。

6.如权利要求5所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其特征在于：驱动丝杠(27)为内丝杠。

7.如权利要求6所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其特征在于：驱动丝杠(27)的螺旋角度满足自锁要求。

8.如权利要求7所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其特征在于：驱动丝杠(27)使用连续转动舵机控制。

9.如权利要求8所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其特征在于：被动机构固定在所述云台四周，在四角放置传动装置。

10.如权利要求9所述的一种无人机航测用小型高速定位云台，其特征在于：所述的云台升降机构通过固定结构固定安装于无人机机腹；

固定结构包括：

上盖支撑板(21)、下盖支撑板(25)；云台升降机构通过上盖支撑板(21)和下盖支撑板(25)中的一个或者两个与无人机机舱安装台面进行安装；

支撑升降台面(22)的4个直线滑动轴(24)；

连接直线滑动轴(24)与上盖支撑板(21)，以及直线滑动轴(24)与下盖支撑板(25)的T型联轴台(26)，共8个；

主动运动机构包括：驱动丝杠(27)；驱动丝杠(27)在外部驱动下转动；

被动运动机构包括：与云台主轴(14)固定连接的升降台面(22)；

将升降台面(22)支撑于直线滑动轴(24)的滑动滚针轴承(23)；

与升降台面(22)固定连接螺母驱动支座(28)；螺母驱动支座(28)与驱动丝杠(27)配合，使升降台面(22)在外部驱动下实现被动升降。

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