CN102673795A

CN102673795A - 一种两自由度吊舱控制系统

Info

Publication number: CN102673795A
Application number: CN2011104148502A
Authority: CN
Inventors: 胡东方; 王笑一; 王丽博; 陈璐
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: CN102673795B

Abstract

本发明涉及一种两自由度吊舱控制系统，本发明的吊舱使用两个伺服电机分别控制水平面内的转动（方位电机）和竖直平面的转动（俯仰电机），实现吊舱方位、俯仰两个自由度运动和方向的锁定，其主要功能是：在主控器控制下，能够自动或手动进行扫描，在主控器的指令下实时切换可见光传感器和红外传感器，使本发明昼夜均能工作。而且重量轻，外形尺寸小，可靠性高，成本低，环境适应性强。可全天候执行情报、侦察监视等任务，吊舱收集视频信息及数据，数据可储存于飞机，也可实时发送到地面工作站，使工作人员高效得完成侦察、扫描任务。

Description

一种两自由度吊舱控制系统

技术领域

本发明涉及航天领域，特别是一种用于无人机、直升机的吊舱，用于进行空中观察、搜索、救援等。

背景技术

现有的吊舱自动化程度较低，控制比较复杂，功能较为单一。随着现代控制理论及计算机技术的发展，对应用于宇航领域的设备要求越来越高，也为各种机载设备不断地向精度高、反应快、机动性好、可靠性高、覆盖面广的方向发展提供了条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种吊舱控制系统，用以解决的现有吊舱自动化程度低、控制不便问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种两自由度吊舱控制系统，包括摄像机、转动轴相互垂直的方位电机和俯仰电机，方位电机和俯仰电机分别对应设有用于驱动控制它们的第一伺服驱动板和第二伺服驱动板，摄像机包括可见光传感器、红外传感器和用于切换可见光传感器和红外传感器进行工作的摄像机控制板，吊舱中分别设有用于采集方位电机和俯仰电机转过角度的第一编码器和第二编码器，两编码器输出连接对应的伺服驱动板；控制系统还包括主控板，主控板上的主控器输出控制、输入采样连接所述第一伺服驱动板和第二伺服驱动板；主控器还控制连接所述摄像机控制板，主控板上设有一个受控于主控器的视频切换电路，该视频切换电路输入连接所述可见光传感器和红外传感器的两路图像数据输出端口，输出连接所述主控器，将所选定的一路图像数据传输到主控器。

所述视频切换电路包括HEF4052BT芯片及其外围电路。

所述主控器还控制连接一个字符叠加单元，所述字符叠加单元输出连接到成像显示装置，用于将所述编码器所采集的信息与所述传感器所采集的图像信息实时显示。所述字符叠加单元包括MAX7456芯片及其外围电路。

所述方位电机和俯仰电机均为直流伺服电机。

所述主控器还连接有用于存储图像数据的存储器。

本发明的吊舱使用两个伺服电机分别控制水平面内的转动（方位电机）和竖直平面的转动（俯仰电机），实现吊舱方位、俯仰两个自由度运动和方向的锁定，其主要功能是：在主控器控制下，能够自动或手动进行扫描，在主控器的指令下实时切换可见光传感器和红外传感器，使本发明昼夜均能工作。而且重量轻，外形尺寸小，可靠性高，成本低，环境适应性强。可全天候执行情报、侦察监视等任务，吊舱收集视频信息及数据，数据可储存于飞机，也可实时发送到地面工作站，使工作人员高效得完成侦察、扫描任务。提高了控制系统的稳定性，成本低，除装备飞机外，也可车载或舰载，在海上救援、追踪侦察、森林防火、海上缉私、交通监控、数字城市建设等方面有极大的发展前途。

附图说明

图1是本发明的控制系统框图；

图2是本发明的主控器及相关通讯电路图；

图3是本发明的OSD和视频切换电路图

图4是本发明的视频输出电路；

图5是吊舱的机械结构示意图；

图6是图5的左视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

两自由度吊舱，分别设有控制两自由度转动的电机，为了精确控制，电机采用直流伺服电机，分别对应第一伺服驱动板和第二伺服驱动板（分别对应图1中的伺服驱动板1和伺服驱动板2）；摄像机除了包括镜头，还包括分别适于白天和夜晚工作的可见光传感器和红外传感器，以及控制切换两种传感器工作的摄像机控制板；两种传感器能够将所拍摄的图像数据传输到主控器。上述电机、伺服驱动板、摄像机、传感器等均有相关产品能够选择使用，所以在此不再赘述。

如图1，方位电机和俯仰电机的减速器输出轴上分别第一编码器和第二编码器（对应图中的编码器1和编码器2），两编码器输出连接对应的伺服驱动板。编码器采用光电编码器，将转过的角度转算为速度位置等信息传输到伺服驱动板，以供主控板取用。

如图2，主控器U201及其外围电路均设置在所述主控板上，主控器U201与第一伺服驱动板和第二伺服驱动板对应连接，主控器U201向伺服驱动板发出控制命令使电机进行相应的动作，并通过编码器采样相应信号。（主控器U201向伺服驱动板输出控制信号为P21、P22、P42、P25、P26和P43，输入采样信号包括P20、P23和P24、P27。）主控器U201为本系统的控制核心，选用ATMEL公司的ATmega128芯片或图2中的STC12C5A32S2。U200及U203为RS-422通讯IC，U200负责与摄像机控制板进行通讯，U203负责与上位机进行通讯，U202为EEPROM存储器，存储可能要断电保存的数据。S201为下载程序控制开关，J201为在线下载程序接口，S200预留。D200和D201为状态指示灯。

如图3，主控板上还设有一个受控于主控器的视频切换电路，视频切换电路以U300的视频输出切换IC为核心芯片，由主控器U201进行控制选择，U300输入连接可见光传感器和红外传感器的两路图像数据输出端口VIDEO1，VIDEO2，输出到主控器U201，将所选定的一路图像数据传输到主控器U201。U300选用HEF4052BT，用单片机的P34、P35（VIDEOA或VIDEOB）这两个引脚进行控制选择，Y0~Y3是视频数据输入端。

主控器U201将VIDEO1或VIDEO2的视频信息与编码器所采集的位置信息等通过相应的端口（U201的P40、P41、P44、P45）输出到一个字符叠加单元（OSD）进行叠加，实现OSD功能，即在视频信号上叠加系统动作、状态等信息，以字符、数字、图标等形式，在视频图像的合适位置进行实时显示。OSD芯片为U301（选用芯片MAX7456）。如图4，OSD芯片U301输出（输出端VOUT）到一个视频输出电路，即隔离放大电路，分为两路输出（VIDEOOUT1，VIDEOOUT2）到成像显示装置。

如图1，控制系统还包括电源部分，将外部输入的14VDC，经稳压转换为12VDC和5VDC，分别为电机、伺服驱动板、主控板、传感器等供电。

本发明还有以下特点：

通过速度环闭环控制实现手动扫描、自动扫描等工作模式下运动机构按规定的速度要求运动（速度值可由系统命令在0～60°/s范围内实时设定调整）。

通过位置环闭环控制实现方向锁定、收藏保护等工作模式下运动机构角位置稳定，并根据实际工况，自动关断伺服电路输出（60s无动作、无命令），以节电模式工作。速度闭环与位置闭环都借助编码器的反馈信息。

水平方向运动范围：360°连续旋转。

俯仰方向运动范围：-100°～ +80°，两端设电子限位。

水平、俯仰方向运动速度：0～60°/s可调，两电机的输出均有减速箱，约273.5倍减速。

增设位置传感器（霍尔型或光电型），装在连接臂上，用于测量镜头转过的角度，配合增量式编码器索引信号，精确定位方位、俯仰方向角度零位（精度2mrad）。

能够实时测量输出方位、俯仰角，并通过视频图像字符叠加显示，测角精度1mrad。

采取光电隔离、电磁屏蔽、滤波等措施，避免外接电源、信号以及该控制电路对视频图像形成干扰。

本发明的吊舱实施例如下：本发明的吊舱是一种既可以绕水平轴的俯仰调节又可以实现绕竖直轴旋转调节的吊舱。通过采用两个框架轴系实现支架、壳体的独立旋转，并采用对称的Y形结构的支架而提高了吊舱的整体强度。本发明可用于全天候执行情报、侦察监视等任务。吊舱收集视频信息及数据，数据可储存于飞机，也可实时发送到地面工作站，使工作人员高效得完成侦察、扫描任务。提高了控制系统的稳定性，成本低，除装备飞机外，也可车载或舰载，在海上救援、追踪侦察、森林防火、海上缉私、交通监控、数字城市建设等方面有极大的发展前途。

本发明的吊舱，包括用于安装成像传感器的壳体，还包括连接有向下悬伸的支架的连接板，所述壳体连接在支架上，所述支架呈倒Y型结构，支架包括上端的与连接板绕竖向的转动轴线转动配合的脖颈状的支架轴、连接于支架轴底部的肩状的横梁及从横梁两端向下悬伸并左右对称间隔分布的连接臂，连接板上设有用于驱动支架旋转的方位电机；所述壳体设置于两连接臂之间并绕水平的转动轴线与两连接臂分别转动装配，壳体内固定有用于驱动壳体绕水平轴线转动的俯仰电机，所述连接臂上设有与壳体的转动轴线同轴设置的壳体转轴，该壳体转轴通过行星齿轮传动副与所述俯仰电机的输出轴传动连接实现俯仰电机对壳体俯仰转动动作的驱动。

所述壳体呈球形结构，壳体包括中间的环形球带以及分别固定连接于环形球带前后两端的截头球冠形的前球壳和球冠形的后球壳，前球壳前端的截头部分留出窗口并安装有透明盖。

所述支架设有自横梁向两侧的连接臂延伸的凹槽。

所述支架与连接板之间和/或支架与壳体的转动配合部分安装有旋转电连接器。

具体结构如图5-图6所示，包括连接板1，连接板1上转动装配有向下悬伸的支架2，支架2呈倒Y型结构，支架2包括上端的通过轴承与连接板1绕竖向的转动轴线转动配合的脖颈状的支架轴21、连接于支架轴底部的肩状的横梁22及从横梁两端向下悬伸并左右对称间隔分布的连接臂23，横梁22上设有凹槽是为了减轻重量，连接臂23上设有用于走线的凹槽。在连接板上设有用于驱动支架1旋转的方位电机3，方位电机3的输出轴通过齿轮副减速机构与支架2的支架轴21传动连接，当然在本发明的其他实施例中，也可以采用常规技术中的其他形式的传动机构实现方位电机动力至支架轴的传递，比如链条、带传动。另外，支架轴21与连接板1之间安装有旋转电连接器6，通过旋转电连接器中的导电滑环与电刷的导电滑动配合实现电力由连接板1向支架2的传输，保证支架2可以360 ??连续旋转而不会绞断连接板1和支架2中的电线。

支架2的连接臂23通过相应的轴承绕水平的转动轴线转动装配有设于两连接臂23之间的用于安装成像传感器的壳体4，壳体4呈球形结构，壳体4包括中间的环形球带41以及采用螺钉分别连接于环形球带41前后两端的截头球冠形的前球壳42和球冠形的后球壳43，前球壳前端的截头部分留出窗口并安装有透明盖44，满足拍摄要求。壳体4内固定有用于驱动壳体4绕水平轴线转动的俯仰电机5，所述支架2的连接臂23上设有与壳体4的转动轴线同轴设置的壳体转轴231，该壳体转轴231通过行星齿轮传动副与所述俯仰电机5的输出轴传动连接实现俯仰电机5对壳体4俯仰转动动作的驱动，在本实施例中，行星齿轮传动副包括固定于旋转中心的大齿轮71和绕大齿轮转动的与俯仰电机5传动连接的小齿轮72，当然在本发明的其他实施例中，也可以采用常规技术中的其他形式的行星齿轮副，如带有太阳轮、带有多个行星轮的行星架和外齿圈构成的较为复杂的行星轮系。另外，在俯仰框架上设置限位机构，保证俯仰运动的角度范围，防止系统未通电时出现超过360 ??的旋转而绞断电线，当然在本发明的其他实施例中，也可以在壳体与支架的转动配合处设置旋转电连接器，使得壳体中的电线和支架中电线被旋转电连接器分开为既导电又不传递扭矩的两部分，而且如果不需要360度旋转的场合，支架与连接板的也可采用限位机构而不使用旋转电连接器。

另外，为了实现对支架2、壳体4转动角度的控制，各对应的转轴上均安装有旋转编码器作为位置反馈控制的传感器（上述第一编码器和第二编码器）。

本发明的上述实施例在使用时，吊舱可以实现的运动有两个旋转运动：一个是壳体3及其内图像传感器的旋转，壳体3能相对于支架2旋转，旋转中大齿轮不动，小齿轮围绕着大齿轮转动，带动俯仰电机、图像传感器、壳体同时转动，通过壳体3内的俯仰电机及相应齿轮副实现壳体3相对于支架2的转动，完成拍摄要求。另外一个是支架2相对于连接板1的转动，通过连接板1上面的方位电机驱动支架2实现360 ??旋转。

Claims

1.一种两自由度吊舱控制系统，包括摄像机、转动轴相互垂直的方位电机和俯仰电机，方位电机和俯仰电机分别对应设有用于驱动控制它们的第一伺服驱动板和第二伺服驱动板，摄像机包括可见光传感器、红外传感器和用于切换可见光传感器和红外传感器进行工作的摄像机控制板，吊舱中分别设有用于采集方位电机和俯仰电机转过角度的第一编码器和第二编码器，两编码器输出连接对应的伺服驱动板；其特征在于，控制系统还包括主控板，主控板上的主控器输出控制、输入采样连接所述第一伺服驱动板和第二伺服驱动板；主控器还控制连接所述摄像机控制板，主控板上设有一个受控于主控器的视频切换电路，该视频切换电路输入连接所述可见光传感器和红外传感器的两路图像数据输出端口，输出连接所述主控器，将所选定的一路图像数据传输到主控器。

2.根据权利要求1所述的一种两自由度吊舱控制系统，其特征在于，所述视频切换电路包括HEF4052BT芯片及其外围电路。

3.根据权利要求1所述的一种两自由度吊舱控制系统，其特征在于，所述主控器还控制连接一个字符叠加单元，所述字符叠加单元输出连接到成像显示装置，用于将所述编码器所采集的信息与所述传感器所采集的图像信息实时显示。

4.根据权利要求3所述的一种两自由度吊舱控制系统，其特征在于，所述字符叠加单元包括MAX7456芯片及其外围电路。

5.根据权利要求1所述的一种两自由度吊舱控制系统，其特征在于，所述方位电机和俯仰电机均为直流伺服电机。

6.根据权利要求1所述的一种两自由度吊舱控制系统，其特征在于，所述主控器还连接有用于存储图像数据的存储器。