CN102849219A - 全向减震单自由度光电侦察平台装置 - Google Patents

Abstract

全向减震单自由度光电侦察平台装置，涉及低空遥感和航拍技术领域，解决了现有的光电侦察平台装置不能适用于微小型多旋翼无人飞行器的问题，该装置包括支撑架；与支撑架相连的支撑板；全向减震机构包括与支撑架相连的底座；与飞行器固定相连的基座；一端与基座相连另一端与底座相连的第一氮气弹簧、第四氮气弹簧和第五氮气弹簧；一端与底座相连另一端与基座相连的第二氮气弹簧和第三氮气弹簧；俯仰转动机构包括固定在支撑架上的驱动电机；与驱动电机相连的曲柄；与曲柄相连的第一连杆；与第一连杆相连的第二连杆；第二连杆分别与支撑板和第一连接块相连。本发明能够有效消除任意方向上的振动，提高成像质量，结构简单，成本低，可靠性高。

Description

全向减震单自由度光电侦察平台装置

技术领域

本发明涉及低空遥感和航拍技术领域，具体涉及一种全向减震单自由度光电侦察平台装置。

背景技术

与传统固定翼飞行器相比，多旋翼无人飞行器因其具有升降地点不受场地限制、可定点悬停等特点得到蓬勃发展，并已广泛应用于航拍、侦察、搜救等领域。微小型多旋翼无人飞行器抗风能力弱、稳态精度低，特别是在悬停观测时，飞行器的机体会存在不同方向的抖动，这些抖动如果不加以消减，会使光电成像设备难以稳定，造成成像质量变差。

光电侦察平台作为飞行器承载光电成像设备的载体，是其关键部件之一，用于中、大型无人飞行器的光电侦察平台技术较为成熟，但由于微小型多旋翼无人飞行器带载能力小、尺寸小的特点，用于中、大型无人飞行器的光电侦察平台技术则不能适用于微小型多旋翼无人飞行器。

目前，通用的做法是将光电侦察平台通过垂直方向上安装若干个阻尼器或缓冲器，然后悬挂到飞行器上，存在的问题是，只能消减单一方向的抖动，导致光电成像设备成像质量较差；光电成像设备长期承受不同频率的振动，容易损坏。由于微小型多旋翼无人飞行器可在空中指向任意水平方向并悬停拍摄目标，因此用于微小型多旋翼无人飞行器的光电侦察平台装置多采用具有俯仰转动的单自由度光电侦察平台，现有的俯仰转动机构采用驱动电机加同步带或齿轮组的方式进行转动操纵，由于力臂较小，导致驱动电机的力矩大，驱动电机尺寸、质量较大，并且同步带或齿轮组受温度影响较大，可靠性降低。

发明内容

为了解决现有的光电侦察平台装置可靠性低，不能适用于微小型多旋翼无人飞行器的问题，本发明提供一种全向减震单自由度光电侦察平台装置。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

全向减震单自由度光电侦察平台装置，包括：

下端两侧各设置有第一连接块和第二连接块的支撑架；

与所述支撑架下端相连的用于固定光电成像设备的支撑板；

其特征在于，还包括全向减震机构和俯仰转动机构，

所述全向减震机构包括：与所述支撑架相连的底座；与飞行器固定相连的基座；一端通过球面副与基座相连，另一端与底座相连的第一氮气弹簧、第四氮气弹簧和第五氮气弹簧；一端通过球面副与底座相连，另一端与基座相连的第二氮气弹簧和第三氮气弹簧；

所述俯仰转动机构包括：固定在所述支撑架下端一侧的驱动电机；与所述驱动电机相连的曲柄；通过球面副与曲柄相连的第一连杆；通过球面副与所述第一连杆相连的第二连杆；

所述第二连杆与所述支撑板相连，并通过转动副与所述第一连接块相连。

还包括：

套装在固定所述基座的所有螺丝外侧的缓冲圈；

固定在所述支撑架下端另一侧并与所述转动副同轴线安装的电位计，用于反馈位置信号；

安装在所述第二连接块上的第一限位块和第二限位块，位置分布用于限制俯仰旋转的最大正反角度。

所述缓冲圈采用低弹性橡胶或发泡海绵制成。

所述支撑架、支撑板和基座均采用碳纤维板、玻纤板或电木板制成。

所述第一氮气弹簧的轴线与光电侦察平台装置的俯仰轴共面，且与俯仰轴成一夹角α，0°≤α≤45°，安装初始位置的行程为总行程的1/3~1/2。

所述第二氮气弹簧和第三氮气弹簧的两个轴线形成的平面与光电侦察平台装置的滚转轴共面，且这两个轴线分别与滚转轴成一夹角β，0°≤β≤45°，安装初始位置的行程均为总行程的1/3~1/2。

所述第四氮气弹簧和第五氮气弹簧的两个轴线形成的平面与光电侦察平台装置的偏航轴平行，且这两个轴线分别与偏航轴成一夹角θ，0°≤θ≤45°，安装初始位置行程为零。

所述第一氮气弹簧、第二氮气弹簧、第三氮气弹簧、第四氮气弹簧和第五氮气弹簧的缸体均采用工程塑料制成。

所述球面副由球头扣实现。

所述驱动电机选择无刷直流电机或舵机。

本发明的有益效果如下：

1、通过空间交错布置的五个带有球面副的氮气弹簧组成的全向减震机构，

既能够消减拍摄过程中任意方向的振动，又避免了结构过约束问题，提高成像设备成像质量；

2、全向减震机构利用了氮气弹簧体积小、弹簧力大，并且在较长行程范围内，弹簧力保持不变的优点，全向减震机构不但结构紧凑、质量轻，而且减震效果好，可靠性高；

3、俯仰转动机构采用驱动电机与空间曲柄连杆机构组合方式，好处有：第一，驱动电机旋转轴与俯仰轴在空间交错安装，俯仰转动机构安装简便灵活，结构紧凑；第二，空间曲柄连杆机构使得驱动电机力臂增大，从而减小驱动电机输出力矩，驱动电机尺寸和质量减小；第三，由空间曲柄连杆机构组成的俯仰转动机构结构紧凑、工作灵活可靠、维修方便；

4、基座经缓冲圈连接到飞行器，对光电侦察平台装置在重力方向上进行了二级减震，增强了减震效果；

5、支撑架、支撑板和基座材料采用碳纤维板、玻纤板或电木板制成，支撑板和基座为镂空结构，在保证刚度强度的条件下，具有较轻的质量；

6、全向减震机构采用模块化设计，组装完成后直接连接支撑架与飞行器，安装简便快速、维修方便。

因此，本发明的光电侦察平台装置不但能够有效消除任意方向上的振动，提高成像质量，而且具有结构简单、体积小、质量轻、成本低，可靠性高等优点，有利于在低空遥感和航拍领域推广使用。

附图说明

图1为本发明的全向减震单自由度光电侦察平台装置的结构示意图；

图2为图1中的主视图；

图3为图2中的左视图；

图4为图2中的俯视图；

图5为第一氮气弹簧的结构示意图；

图6为第二氮气弹簧的结构示意图；

图7为第四氮气弹簧的结构示意图。

图中：1、支撑架，2、支撑板，3、缓冲圈，4、基座，5、第一氮气弹簧，6、第二氮气弹簧，7、第三氮气弹簧，8、第四氮气弹簧，9、第五氮气弹簧，10、驱动电机，11、电位计，12、曲柄，13、第一连杆，14、第二连杆，15、球面副，16、转动副，17、底座，18、球头扣，19、第一限位块，20、第二限位块，21、第一连接块，22、第二连接块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的全向减震单自由度光电侦察平台装置包括支撑架1、支撑板2、全向减震机构和俯仰转动机构，全向减震机构通过螺丝固定安装在支撑架1上端，俯仰转动机构安装固定在支撑架1的下端一侧，支撑板2通过螺丝与支撑架1下端固定连接，光电成像设备通过螺丝固定安装在支撑板2上。

支撑架1采用碳纤维板、玻纤板或电木板制成，其整体成方形且左右对称，上端两个端角成圆弧形，下端左侧设置有第一连接块21，下端右侧设置有第二连接块22，第一连接块21与第二连接块22结构相同，均为突出的带有一定厚度的半弧形结构。

如图2和图3所示，全向减震机构包括基座4，底座17，空间交错分布的第一氮气弹簧5、第二氮气弹簧6、第三氮气弹簧7、第四氮气弹簧8和第五氮气弹簧9，底座17与支撑架1通过螺丝固定连接，微小型多旋翼无人飞行器通过螺丝固定安装在基座4上，如图4所示，固定基座4的所有螺丝外侧还套有采用低弹性橡胶或发泡海绵制成的缓冲圈3，缓冲圈3的个数与固定基座4的螺丝个数一致。

支撑板2和基座4均为镂空结构，均采用碳纤维板、玻纤板或电木板制成。

如图5所示，第一氮气弹簧5一端为带有螺纹杆的球面副15，螺纹杆初始位置的轴线与第一氮气弹簧5轴线成90°，另一端为带有通孔的弧形结构，第一氮气弹簧5连杆一端与球面副15为过盈固定连接，第一氮气弹簧5一端通过球面副15的螺纹杆与基座4固定相连，另一端的弧形结构通过螺丝与底座17固定相连，第一氮气弹簧5的轴线与光电侦察平台装置的俯仰轴共面，且与其成一夹角α，0°≤α≤45°，优选为10°，第一氮气弹簧5在安装时，安装初始位置的行程为总行程的1/3~1/2；

如图6所示，第二氮气弹簧6和第三氮气弹簧7的结构相同，一端为带有螺纹孔的球面副15，螺纹孔初始位置的轴线与第二氮气弹簧6轴线成180°，另一端为带有通孔的弧形结构，第二氮气弹簧6一端通过球面副15的螺纹孔与底座17用螺丝固定相连，另一端的弧形结构通过螺丝与基座4固定相连，第三氮气弹簧7与第二氮气弹簧6对称安装，安装过程相同，这两个氮气弹簧的轴线形成的平面与光电侦察平台装置的滚转轴共面，且与其成一夹角β，0°≤β≤45°，优选为10°，第二氮气弹簧6和第三氮气弹簧7在安装时，安装初始位置的行程均为总行程的1/3~1/2；

如图7所示，第四氮气弹簧8和第五氮气弹簧9的结构相同，一端为带有螺纹杆的球面副15，螺纹杆初始位置的轴线与第四氮气弹簧8轴线成90°，另一端为带有通孔的弧形结构，第四氮气弹簧8连杆一端与球面副15为过盈固定连接，如图2所示，第四氮气弹簧8和第五氮气弹簧9对称安装，一端通过球面副15与基座4固定相连，另一端的弧形结构通过螺丝与底座17固定相连，这两个氮气弹簧轴线形成的平面与光电侦察平台装置的偏航轴平行，且第四氮气弹簧8和第五氮气弹簧9的两个轴线均与光电侦察平台装置的偏航轴成一夹角θ，0°≤θ≤45°，优选为10°，第四氮气弹簧8和第五氮气弹簧9在安装时，安装初始位置行程为零；

第一氮气弹簧5、第二氮气弹簧6、第三氮气弹簧7、第四氮气弹簧8和第五氮气弹簧9的缸体采用工程塑料制成，优选尼龙或聚甲醛。氮气弹簧的缸体即中间的圆柱形结构。

如图2和图3所示，俯仰转动机构包括驱动电机10、曲柄12、第一连杆13和第二连杆14，驱动电机10固定安装在支撑架1下端左侧，其旋转轴线垂直于光电侦察平台装置的俯仰轴，曲柄12一端与驱动电机10的旋转轴相连，另一端通过球面副15与第一连杆13上端相连，第一连杆13下端通过球面副15与第二连杆14相连，如图3所示，第二连杆14成倒丁字形，其横向端具有机械接口并与支撑板2通过螺丝固定相连，其竖向端通过转动副16与第一连接块21相连。

驱动电机10选择无刷直流电机或舵机，优选为舵机。

如图2和图4所示，电位计11安装固定在支撑架1下端右侧，并与转动副16同轴线安装，用于反馈位置信号，第一限位块19和第二限位块20安装在第二连接块22上，位置分布限制俯仰旋转的最大正反角度。

球面副15由球头扣18实现。

上述的滚转轴位于飞行器纵向对称面内，指向机头，即平行于驱动电机10旋转轴的方向，亦即垂直图2纸面方向。

上述的偏航轴位于飞行器纵向对称面内，指向机腹，即垂直图4纸面方向。

上述的俯仰轴与滚转轴、偏航轴构成右手坐标系，即平行于转动副16轴向的方向，亦即垂直图3纸面方向。

Claims (10)

1.全向减震单自由度光电侦察平台装置，包括：

下端两侧各设置有第一连接块（21）和第二连接块（22）的支撑架（1）；

与所述支撑架（1）下端相连的用于固定光电成像设备的支撑板（2）；

其特征在于，还包括全向减震机构和俯仰转动机构，

所述全向减震机构包括：与所述支撑架（1）相连的底座（17）；与飞行器固定相连的基座（4）；一端通过球面副（15）与基座（4）相连，另一端与底座（17）相连的第一氮气弹簧（5）、第四氮气弹簧（8）和第五氮气弹簧（9）；一端通过球面副（15）与底座（17）相连，另一端与基座（4）相连的第二氮气弹簧（6）和第三氮气弹簧（7）；

所述俯仰转动机构包括：固定在所述支撑架（1）下端一侧的驱动电机（10）；  与所述驱动电机（10）相连的曲柄（12）；通过球面副（15）与曲柄（12）相连的第一连杆（13）；通过球面副（15）与所述第一连杆（13）相连的第二连杆（14）；

所述第二连杆（14）与所述支撑板（2）相连，并通过转动副（16）与所述第一连接块（21）相连。

2.根据权利要求1所述的全向减震单自由度光电侦察平台装置，其特征在于，还包括：

套装在固定所述基座（4）的所有螺丝外侧的缓冲圈（3）；

固定在所述支撑架（1）下端另一侧并与所述转动副（16）同轴线安装的电位计（11），用于反馈位置信号；

安装在所述第二连接块（22）上的第一限位块（19）和第二限位块（20），位置分布用于限制俯仰旋转的最大正反角度。

3.根据权利要求2所述的全向减震单自由度光电侦察平台装置，其特征在于，所述缓冲圈（3）采用低弹性橡胶或发泡海绵制成。

4.根据权利要求1所述的全向减震单自由度光电侦察平台装置，其特征在于，所述支撑架（1）、支撑板（2）和基座（4）均采用碳纤维板、玻纤板或电木板制成。

5.根据权利要求1所述的全向减震单自由度光电侦察平台装置，其特征在于，所述第一氮气弹簧（5）的轴线与光电侦察平台装置的俯仰轴共面，且与俯仰轴成一夹角α，0°≤α≤45°，安装初始位置的行程为总行程的1/3~1/2。

6.根据权利要求1所述的全向减震单自由度光电侦察平台装置，其特征在于，所述第二氮气弹簧（6）和第三氮气弹簧（7）的两个轴线形成的平面与光电侦察平台装置的滚转轴共面，且这两个轴线分别与滚转轴成一夹角β， 0°≤β≤45°，安装初始位置的行程均为总行程的1/3~1/2。

7.根据权利要求1所述的全向减震单自由度光电侦察平台装置，其特征在于，所述第四氮气弹簧（8）和第五氮气弹簧（9）的两个轴线形成的平面与光电侦察平台装置的偏航轴平行，且这两个轴线分别与偏航轴成一夹角θ， 0°≤θ≤45°，安装初始位置行程为零。

8.根据权利要求1所述的全向减震单自由度光电侦察平台装置，其特征在于，所述第一氮气弹簧（5）、第二氮气弹簧（6）、第三氮气弹簧（7）、第四氮气弹簧（8）和第五氮气弹簧（9）的缸体均采用工程塑料制成。

9.根据权利要求1所述的全向减震单自由度光电侦察平台装置，其特征在于，所述球面副（15）由球头扣（18）实现。

10.根据权利要求1所述的全向减震单自由度光电侦察平台装置，其特征在于，所述驱动电机（10）选择无刷直流电机或舵机。

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