CN103984358A - 一种低功耗云台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低功耗云台。包括基座、立轴、转动机构和平板，转动机构设置于立轴和平板之间，用于实现平板经度和纬度方向的转动，所述平台的重心落在立轴上，其特征在于所述转动机构包含一个用于存储平板重力势能的弹性件，该弹性件的受力中心与平台重心在同一条轴线上。本发明解决了现有技术低功耗云台机构复杂，故障率高等技术问题，具有结构简单，构思巧妙的优点。

Description

一种低功耗云台

技术领域

本发明涉及一种低功耗云台。

背景技术

云台可以用于太阳能电池板，太阳光聚光反射板，聚光灯，摄像头，多关节机械臂，吊机机械臂等，只要有自动化云台的应用，涉及到云台控制能量的问题就可以应用。

市售的自动化云台大多配置光线跟踪器。太阳能光线跟踪器消耗的大部分能量，主要是用在机械伺服结构。但基本上对于低功耗的研究和现成的产品，都是以控制电路和控制方案为重点，没有在机械结构上面发掘低耗能。目前一般的太阳能光照角度跟踪系统，是利用大力矩比的蜗杆涡轮变速系统或者推杆作为传动装置，在大力矩比的情况下，动力电机也可以慢慢推动太阳能设备，但是整个机械系统的传动力量及能量较大。

经过大多数太阳能跟踪系统的结构对比与观察，市场上投入应用及实验室投入研究的几种结构，基本上是经度方向是旋转跟踪的，而纬度方向是翻转跟踪的。如图1用电机A控制翻转也就是纬度跟踪动作，用电机B控制左右旋转就是经度跟踪动作。

通过分析可以看出，太阳能电池板在纬度跟踪(翻转)的过程中，由于要克服太阳能电池板的自重，翻转动作的能耗最大。

在纬度方向翻转结构中，常见的的机械设计如图2a与图2b两类。在计算重心时假设太阳能电池板及固定结构质量均匀。图2a中，a、b两端形状质量相同，则太阳能电池板的重心与翻转轴重合，在翻转时，不存在重心在高度上面的变化，所以没有势能的变化。

同理，图2b中,重心在对称垂直线与电池板的交叉点上，在翻转时，重心高度会有变化，从而产生了势能的变化。因此，图2a的结构理论上优于图2b的结构，没有额外因势能产生的能耗。实际应用中，图2a用在大规模电池阵列或者单块太阳能电池板中时，为了方便安装同时结构有高强度，其整体设计就比较繁琐且难以实现，况且在实际应用中，若要翻转的设备的重心完全落在翻转轴的中心轴线上，也是非常难做到的。图2b不存在图2a的问题，而且图2b结构的通用性非常强但是有势能消耗的问题。一般翻转机构能耗比较大的最大一个原因是，在翻转时，电池板阵列的重心会改变，从而跟踪系统要给重心的转移做额外功。

如果图2b的翻转结构在动作时，势能消耗可以减小甚至消除，然后配合低功耗电路，则系统的功耗会降低不少。市售云台并没有这类产品的出现。

中国专利文献CN102749857A公开了一种节能型的云台，通过电子设备设置来达到节能的目的。

中国专利文献CN202661807U公开了一种太阳能供电云台的低功耗电路。

中国专利文献CN202102271U公开了一种基于太阳能供电的节能云台控制器这些云台或云台部件结构较为复杂，电子设备故障率较高，且成本较高，实用性不强。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种低功耗云台，通过设置一个合适的弹性件，使得平台重心下降与上升包含的重力势能得到储存和释放，达到节能的目的。

本发明的技术方案是：

一种低功耗云台，包括基座、立轴、转动机构和平板，转动机构设置于立轴和平板之间，用于实现平板经度和纬度方向的转动，所述平台的重心落在立轴上，其特征在于所述转动机构包含一个用于存储平板重力势能的弹性件，该弹性件的受力中心与平台重心在同一条轴线上，并满足以下公式：

$K=\frac{D_1\mathrm{mg}\sin \mathrm{\θ}}{D_2\·X}---\left(1\right)$

其中：m代表平台质量；g代表地球的重力加速度；θ代表平台旋转的角度；D₁代表平台支架受力点到支点的距离；D₂代表弹性件平台受力点到受力中心的距离。

优化地，所述弹性件为一组扭力型弹簧，满足以下公式：

$K=\frac{D_1\mathrm{mg}\sin \mathrm{\θ}}{D_2\·\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

其中，m代表平台质量；g代表地球的重力加速度；θ代表平台旋转的角度；D₁代表平台支架受力点到支点的距离；D₂代表弹性件平台受力点到受力中心的距离。

优化地，所述扭力型弹簧套接于立轴上部的横轴上。

更进一步地，所述D₁和D₂相等。

其它弹性件也可以有类似功能，但是安装方式和机械结构要改变，比如铁板型弹簧，圆柱形钢丝弹簧，但任何一种形式的弹性件最后都要把弹力转变成以固定支点或者可变支点旋转的弹力。

所述平板可以是太阳能电池板、太阳光聚光反射板、聚光灯、摄像头、多关节机械臂、吊机机械臂等部件。

图3为翻转结构的运动示意图，图中可看出，在太阳能电池板的位置从水平翻转到垂直时，等效重心下降了h的高度。这个高度为h的势能以各种形式消耗掉了，确切的说是转化为另外形式的能量，但其中没有一种形式可以再次转化为重力势能。因此，当太阳能电池板要从垂直位置转到水平位置时，不仅要克服传动机构的摩擦能耗，还要供给等效重心上升高度h的重力势能。假如这个电池板的质量非常大，比如大规模的太阳能电池阵列，产生的重力势能就非常大了。如果能把这个势能利用起来，那就能大幅度提高跟踪系统的效率。根据能量守恒定律，我们不能凭空制造出能量，能量也不可能凭空消失。所以试着分析如何把重力势能转化为一种仍然可以转化为重力势能的能量，也就是把重力势能在消耗的时候储存起来，在需要的时候释放出来。

根据公式

M＝Dmgsinθ            (1-1)

M代表力矩；

D代表力臂(受力点到支点的距离)；

m代表物体质量；

g代表地球的重力加速度；

θ代表旋转的角度。

用MATLAB进行绘图，根据公式可知，电池板的力矩是以正弦函数变化的。但图4可以看出，力矩的变化曲线可以近似为直线。由势能的线性变化，同时又可以相互转化为其他能量，我们联想到了弹性件。

根据胡克定律

F＝KX            (1-2)

F代表力(弹簧产生的力)；

K为弹簧劲度系数；

X为弹性件形变量。

产生的力矩公式为

M代表力矩；D代表力臂(受力点到支点的距离)。

因为普通弹性件的力矩变化和它的形变量有关，而这个形变量一般以弹性件的长短变化来计算的。但太阳能电池板翻转结构等重物以支点旋转的结构的力矩变化是与角度有关的，要以角度变化来计算力矩。因此要考虑如何使这两者用同一种性质的单位来换算力矩。

我们发现，在扭力型弹性件中，角度θ的改变近似为伸缩型弹性件的X的改变，可近似公式

F'＝K'θ               (1-4)

力矩公式

M'＝DK'θ             (1-5)

所以，我们只要找到相近K’值的弹性件，两者力矩就可以等效变化，公式(1‐5)

$A={\∫}_{{\mathrm{\θ}}_0}^{\mathrm{\θ}}{M}_i{d}_{\mathrm{\θ}}---(1-6).$

可以得知，力矩的等效变化相同于能量A的相互转化。这样在太阳能电池板从水平下翻到垂直时，重力势能减小，弹性件的弹性势能增加，重力势能转化为弹性件的弹性势能；在在垂直上翻到水平时，弹性势能减小，电池板的重力势能增加，弹性势能转化为电池板的重力势能。理想情况下，这两者可以100％相互转化，从而整个翻转系统成为一个整体，外界只要输入克服摩擦能耗的能量就可以使翻转系统工作。

本发明解决了现有技术低功耗云台机构复杂，故障率高等技术问题，具有结构简单，构思巧妙的优点。

附图说明

图1为现有技术跟踪器装置结构示意图。

图2为现有技术云台结构示意图。

图3为翻转机构的角度变化结构示意图。

图4为电池板力矩的理论分析图。

图5为扭力型弹性件产生的力矩曲线图。

图6为本发明云台结构分解图。

其中，减速器1，小齿轮2，支架3，齿轮4，主轴5，弹簧6，轴承7，支架8，轴9，轴承10，螺钉11，螺钉12，垫片13，垫片14，轴承15，齿轮16，套轴17，小齿轮18，支架19。

具体实施方式

如图1-6所示，太阳能跟踪器的电池板

实施例1

低功耗云台，包括基座、立轴、转动机构和平板，转动机构设置于立轴和平板之间，用于实现平板经度和纬度方向的转动，所述平台的重心落在立轴上，其特征在于所述转动机构包含一个用于存储平板重力势能的弹性件，该弹性件的受力中心与平台重心在同一条轴线上，并满足以下公式：

$K=\frac{D_1\mathrm{mg}\sin \mathrm{\θ}}{D_2\·X}---\left(1\right)$

其中：m代表平台质量；g代表地球的重力加速度；θ代表平台旋转的角度；D₁代表平台支架受力点到支点的距离；D₂代表弹性件平台受力点到受力中心的距离。

优化方案，D₁和D₂相等，其中之一的情形：弹性件的平台受力点和平台支架受力点重合，平台支点与弹性件受力中心重合。

实施例2

上述弹性件为一组扭力型弹簧，满足以下公式：

$K=\frac{D_1\mathrm{mg}\sin \mathrm{\θ}}{D_2\·\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

其中，m代表平台质量；g代表地球的重力加速度；θ代表平台旋转的角度；D₁代表平台支架受力点到支点的距离；D₂代表弹性件平台受力点到受力中心的距离。扭力型弹簧套接于立轴上部的横轴上。

优化方案，D₁和D₂相等，其中之一的情形：弹性件的平台受力点和平台支架受力点重合，平台支点与弹性件受力中心重合。

实施例3

上述实施例1和实施例2涉及D₁和D₂相等的支架受力点，指的是物理结构换算以后的等效力臂，其分支点可以有多种变形：

D₁的分支点是三个或三个以上均匀分布，支点在其分支点组成图形的中心位置，那么D₂的分支点可以与D1分支点重合，或者在D₁分支点和支点线段为半径的圆弧上。

本方案云台不仅仅可以在太阳能跟踪器上电池板翻转结构上面的使用；也可以在跟踪摄像头上面摄像头翻转结构上面的使用(调节弹性件性能可安装任意结构和重量的摄像头)；自动追光灯使用同理于摄像头；自动机械臂关节翻转结构的使用减少电机的能耗和传动系统的受力；挖掘机机械臂上面使用可以减少发动机带动巨大重量机械臂翻转的能耗(旋臂吊机，水泥泵车,载重自卸车货运箱同理)；同理反向使用可以安装于机械足，使机械足自重由弹簧抵消，电机等动力结构只要克服摩擦力可以使机械足运动；模拟反馈控制杆，反馈控制杆要求反馈感觉精确就要最大幅度消除重力影响(目前是重锤等配重块以杠杆结构对称抵消重力)，跟本结构同理，可以使用弹性件抵消重力。凡是典型弹性件的保护和弹性件抵消重物以支点旋转产生重力变化和能量变化的技术方案，均应认为落入本发明的保护内容。

Claims (4)

1.一种低功耗云台，包括基座、立轴、转动机构和平板，转动机构设置于立轴和平板之间，用于实现平板经度和纬度方向的转动，所述平台的重心落在立轴上，其特征在于所述转动机构包含一个用于存储平板重力势能的弹性件，该弹性件的受力中心与平台重心在同一条轴线上，并满足以下公式：

$K=\frac{D_1\mathrm{mg}\sin \mathrm{\θ}}{D_2\·X}---\left(1\right)$

其中：m代表平台质量；g代表地球的重力加速度；θ代表平台旋转的角度；D₁代表平台支架受力点到支点的距离；D₂代表弹性件平台受力点到受力中心的距离。

2.根据权利要求1所述的低功耗云台，其特征在于所述弹性件为一组扭力型弹簧，满足以下公式：

$K=\frac{D_1\mathrm{mg}\sin \mathrm{\θ}}{D_2\·\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

其中，m代表平台质量；g代表地球的重力加速度；θ代表平台旋转的角度；D₁代表平台支架受力点到支点的距离；D₂代表弹性件平台受力点到受力中心的距离。

3.根据权利要求2所述的低功耗云台，其特征在于所述扭力型弹簧套接于立轴上部的横轴上。

4.根据权利要求1或2所述的低功耗云台，其特征在于所述D₁和D₂相等。