CN104508346B - 非正交轴载体 - Google Patents

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Abstract

一种用在运动体上的载体(200)，所述载体用于实现所述运动体与一承载物(209)的耦合；所述载体包括至少两个旋转轴(202，204，206)；其中所述至少两个旋转轴的叠加转动用于控制所述承载物的自由指向或补偿运动体的运动及震动从而稳定所述承载物；其中两个旋转轴之间形成的角(α)是非直角以减小所述转动相对应的转动半径，从而减小相应的转动惯量；其中两个旋转轴上分别对应的负载重心分别在各自旋转轴的轴线上。

Description

非正交轴载体
【技术领域】
本发明涉及一种载体，并且具体地涉及用在运动体上的载体。
【背景技术】
无人运动体(例如无人飞行器)具有体积小、重量轻、费用低、操作灵活和全性高的特点，可广泛应用于航拍、监测、搜救、资源勘查等领域。但是由于无人运动体(尤其是无人飞行器)本身存在高频震动和低频抖动，用于航拍、监测、搜救、资源的承载物(例如相机)通常不是直接挂载于运动体上，需要配置稳定载体用来搭载摄像机、照相机以及监测、搜救用仪器。承载这个相机或其他有关仪器的载体装置在一些文献里称为“云台”。
【发明内容】
本发明提供一种用在运动体上的载体，所述载体用于实现所述运动体与一承载物的耦合；所述载体包括至少两个旋转轴；其中所述至少两个旋转轴的叠加转动用于控制所述承载物的自由指向或补偿运动体的运动及震动从而稳定所述承载物；其中两个旋转轴之间形成的角是非直角以减小所述转动相对应的转动半径，从而减小相应的转动惯量；其中两个旋转轴上分别对应的负载重心分别在各自旋转轴的轴线上。
在一些实施例中，所述载体包括三个旋转轴，其叠加转动用于控制所述承载物的自由指向或补偿运动体的运动及震动从而稳定所述承载物，其中三个旋转轴之间至少有两个轴之间形成的角是非直角，其中三个旋转轴上分别对应的负载重心分别在各自旋转轴的轴线上。
在一些实施例中，其中的非直角大于0°但小于90°。在一些实施例中，其中的非直角在60°到70°之间。在一些实施例中，其中的非直角约为70°。
在一些实施例中，其中所述非直角由一个朝水平面弯折的横向轴臂实现。
在一些实施例中，该载体是用于遥控飞行器带载摄像器材的载体。
在一些实施例中，该载体进一步包括框架组件，传动组件和承载物组件，其框架组件包括三个支架(第一，二，三支架)。
在一些实施例中，该载体是一种陀螺式动态自平衡载体，该载体进一步包括一个控制组件，所述控制组件包括处理器和惯性传感器，所述惯性传感器检测被载物的姿态信息，所述处理器根据所述姿态信息控制所述被载物的姿态。
在一些实施例中，所述传动组件进一步包括一个电机组件，所述处理器根据所述姿态信息控制该电机组件，该电机组件直接驱动所述机架组件相对所述被载物转动从而调整所述被载物的姿态。
在一些实施例中，该载体进一步包括连接于第一支架和第二支架上的水平旋转架，所述水平旋转架中安装有十字形连接机构以及机械陀螺。
在一些实施例中，所述传动组件包括一个电机，所述电机直接驱动所述第一支架相对所述第二支架转动。
在一些实施例中，所述传动组件包括第一电机和第二电机，所述第一电机直接驱动所述第一支架相对所述第二支架转动，所述第二电机直接驱动所述连杆构件从而带动所述第二支架相对所述第三支架转动。
在一些实施例中，所述载体进一步包括相应于电机数量的电子调速模块和外罩，每一个所述电机和一个电子调速模块之间电连接并收容于一个外罩之内。
在一些实施例中，其中所述传动组件中的电机与所述支架之间设置有电滑环，从而使所述支架在围绕对应旋转轴可以做旋转360°周向的转动。
在一些实施例中，其中所述传动组件中的第一电机和第一支架之间，以及第二电机和第二支架之间分别设置有电滑环，从而使第一支架和第二支架在围绕对应旋转轴可以做旋转360°周向的转动。
本发明还提供一种用于在运动体上的载体，包括框架组件(第一支架和第二支架)、电机组件(第一电机和第二电机)和拍摄设备以及控制组件；所述控制组件包括处理器和惯性传感器，所述惯性传感器检测所述拍摄设备的姿态信息，所述处理器根据所述姿态信息控制所述电机组件；所述电机组件直接驱动所述框架组件相对所述拍摄设备转动以调整所述拍摄设备的拍摄角度；所述第一支架和第二支架分别可以围绕一固定轴转动(称为旋转轴Z轴和旋转轴Y轴)，其中旋转轴Z轴和旋转轴Y轴之间形成的角是非直角。
在一些实施例中，其中旋转轴Y轴和旋转轴Z轴之间形成的角在60°到70°之间。在一些实施例中，其中旋转轴Y轴和旋转轴Z轴之间形成的角约为70°。在一些实施例中，其中旋转轴Y轴和旋转轴Z轴之间形成的角在0°到90°之间。
本发明还涉及一种用于在运动体上的载体，包括稳定装置部分、传动装置部分以及摄像装置部分，所述稳定装置部分包括连接于框架组件I和框架组件II上的水平旋转架，所述水平旋转架框架中安装有十字形连接机构以及机械陀螺，十字形连接机构由内架以及外架组成，内架上固定机械陀螺；所述传动装置部分包括固定于外架一侧轴上的传动杆I以及传动杆II，所述摄像装置部分包括与水平旋转架非垂直连接的悬挂U型架及固定于悬挂U型架上的相机底板。
在一些实施例中，其中水平旋转架连接于悬挂U型架的角度在30°到45°之间。在一些实施例中，其中水平旋转架连接于悬挂U型架的角度在0°到30°之间。在一些实施例中，其中水平旋转架连接于悬挂U型架的角度在45°到90°之间。
本发明还提供一种用于在运动体上的载体,包括框架组件、传动组件以及拍摄组件，所述框架组件包括第一支架、第二支架、第三支架，所述摄像组件固定在所述第一支架上，所述第一支架与所述第二支架转动设置，所述第二支架与所述第三支架转动设置；所述传动组件包括第一电机以及第二电机，所述第一电机直接驱动所述第一支架相对所述第二支架转动，所述第二电机直接驱动所述第二支架相对所述第三支架转动，所述第一支架的转动轴，所述第二支架的转动轴和所述第三支架的转动轴(分别称为X轴，Y轴和Z轴)中至少有两个转动轴之间形成的角是非直角。
在一些实施例中，其中所述的至少有两个转动轴之间形成的角在30°到45°之间。在一些实施例中，其中所述的至少有两个转动轴之间形成的角在0°到30°之间。在一些实施例中，其中所述的至少有两个转动轴之间形成的角在45°到90°之间。
在一些实施例中，还进一步包括一个连接板，所述电机和电子调速模块均固定连接于所述连接板，所述电机与所述电子调速模块相邻设置，所述外罩对应于所述电机上端处开设有楼空孔；所述外罩对应于所述电机外周侧处开设有缺口，所述外罩固定于所述连接板上，所述连接板上还固定连接有编码器，所述编码器也收容于所述外罩内。
本发明还提供一种用于在运动体上的载体，包括第一支架、第二支架和用于搭载被载物的承载物，所述承载物转动连接于所述第一支架，所述第一支架转动连接于所述第二支架；所述载体还包括用于驱动所述承载物相对第一支架旋转的第一驱动件和用于驱动，所述第一支架相对所述第二支架旋转的第二驱动件；所述第一驱动件包括第一电机，所述第二驱动件包括第二电机；所述承载物与所述第一支架之间设置有于所述承载物旋转时可保持旋通的第一电滑环，所述第一支架与所述第二支架之间设置有于所述第一支架旋转时可保持旋通的第二电滑环，所述第一电滑环与第二电滑环之间相导通，所述承载物围绕第一支架旋转和第一支架围绕第二支架旋转时的转动轴分别称为旋转轴X轴和旋转轴Y轴，旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的角是非直角。
在一些实施例中，其中旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的角在30°到45°之间。在一些实施例中，其中旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的角在0°到30°之间。在一些实施例中，其中旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的角在45°到90°之间。
在一些实施例中，所述载体进一步包括固定件，固定件可以固定锁紧于运动体上，第二支架转动连接于固定件，固定件上设置有用于驱动第二支架相对固定件旋转的第三驱动件，第三驱动件包括第三电机，固定件与第二支架之间设置有于第二支架旋转时可保持旋通的第三电滑环，所述第二支架相对固定件旋转时的转动轴称为旋转轴Z轴，X轴，Y轴和Z轴中至少有两个轴之间形成的角是非直角。
在一些实施例中，其中所述的至少有两个转动轴之间形成的角在60°到70°之间。在一些实施例中，其中所述的至少有两个转动轴之间形成的角约为70°。在一些实施例中，其中所述的至少有两个转动轴之间形成的角在0°到90°之间。
【附图说明】
图1是一种正交载体的立体示意图；
图2是一种非正交载体的立体示意图；
图3是一个对比一种正交载体和一种三非正交载体的示意图；
图4是一个展示非正交的载体优势的示意图；
图5是一种陀螺式动态、自平衡载体的结构示意图；
图6是另一种陀螺式载体的结构示意图；
图7是一种三轴载体的结构示意图；
图8是另一种三轴载体的结构示意图；
图9是一种roll轴和pitch轴非正交的载体的立体示意图；
图10是一种三轴之相邻两轴之间都非正交的载体的立体示意图。
【具体实施方式】
由于运动体(尤其是无人飞行器)本身存在高频震动和低频抖动，用于航拍、监测、搜救、资源的承载物(例如相机)通常不能直接挂载于运动体上，而是需要配置稳定载体用来搭载摄像机、照相机以及监测、搜救用仪器。具体地说，稳定载体需要能够消除由于飞行器高频和低频震动对航拍图像造成的影响，以及由于机体本身倾斜造成的画面倾斜的问题，从而保证拍摄出非常清晰、稳定的图像。可以不需要经过其它消抖处理，在线路检测、定点监测、航拍等应用中取得良好效果。
另外，如果相机或其它装置的角度不能动，会很大程度上限制其应用。可以采用多自由度的载体将相机或其它装置(例如照明灯等)与运动体(例如飞行器)耦合。所述多自由度的载体可以实现控制承载物的自由指向或补偿运动体的运动及震动从而稳定所述承载物。
一个物体通常有6个自由度，包括三个方向上的平移，及绕三个轴的转动。这三个轴通常称为X轴，Y轴和Z轴。在航空领域绕三个轴的转动分别称为俯仰(pitch)，左侧倾和右侧倾(roll)，和左右的朝向(yaw)，因而上述三个轴又称为pitch轴，roll轴和yaw轴。飞行器上的载体可以是三轴，二轴或一轴,即载体相对于飞行器分别有三个、两个或一个方向上的旋转运动的自由度。
本发明中的载体可以用于运动体上。其上可搭载承载物，用以实现承载物相对于运动体的固定、随意调节所述承载物的姿态(例如：改变承载物的高度、倾角和/或方向)和使承载物稳定保持在确定的姿态上。例如，该载体可以含有有稳定功能的万向节。所述载体可以作为摄影、照相、监测(雷达)、采样、照明等的辅助装置，可运用于空基(例如旋翼飞行器或固定翼飞行器)、水基(例如潜艇或船只)、路基(例如机动车辆)或天基(例如卫星，空间站，或飞船)等领域。所述承载物可以为照相机和摄像机等摄像装置，也可为传感器，雷达，照明灯或其他装置。
在下面一些实施例中，承载物主要以相机为例，运动体主要以飞行器为例，来阐述本发明的有益效果。当然，如上所述，可以理解地，承载物也可以为其它类型的相机，监控摄像头，照明灯等。运动体也可以是潜艇或船只、机动车辆，卫星，空间站或飞船等。
图1是一种有三个正交轴的载体100的立体图。载体100可以有第一旋转轴102(X轴，或pitch轴)，第二旋转轴104(Y轴，或roll轴)，及第三旋转轴106(Z轴，或yaw轴)。这三个旋转轴102、104、106之间相互正交，也就是成90°角。
第一支架108可以承载一个或多个承载物(未显示)，例如相机，照明灯等，并可以被第一电机110驱动，围绕第一旋转轴102转动以改变承载物的俯仰倾角(pitch)。
支架108、承载物、以及第一旋转轴102一起，可以被第二电机112驱动，围绕第二旋转轴104转动以改变承载物的左右侧倾角(roll)。
上述组件一起，通过第一轴臂114及第二轴臂115，与一个固定件116可转动地连接。固定件116可以通过多个固定点118固定于运动体(未显示)上。固定件116下面的组件，包括第一轴臂114及第二轴臂115，可以绕第三旋转轴106转动以改变承载物的左右朝向(yaw)。注意到第二轴臂115在X-Y平面内，也就是说与Z轴正交。第二轴臂115在X-Y平面内可以有一弯折，如图1所示，但此弯折不是必须的。
图2是一种有非正交轴的载体200的立体图。除消除飞行器高频和低频震动达到稳定性之外，载体200还能够以一轴、两轴、或三轴旋转，可以实现更好的拍摄、监控或其他目的。
载体200可以有第一旋转轴202(X轴，或pitch轴)，第二旋转轴204(Y轴，或roll轴)，及第三旋转轴206(Z轴，或yaw轴)。其中旋转轴204与206之间相互非正交，其夹角α小于90°。在一些实施例中，α约为60°-70°。在图2所示的实施例中，α约为70°。相对于图1中的载体，非正交Y轴(相对于原始的正交Y轴)相当于朝着Z轴弯折了α'＝90°-α，例如20°。这里α'是α的余角。
注意到目前多轴飞行器侧飞时云台相机视野的倾斜角度需要靠飞行器的侧倾(roll)来补充。假如飞行器侧飞角度最大可达到45°，因此原则上讲为了使载体易于控制，α'要小于飞行器侧飞最大倾角)，例如45°。
除此以外，非正交轴对于机械结构设计而言，很重要的一个作用是减小轴臂长度，增强结构刚度。在一些实施例中，在α'＝20°-45°时恰好能在保证个轴的负载重心在轴上的基础上轴臂最短，刚度最好。
第一支架208可以承载一个或多个承载物，例如相机209，照明灯等，并可以被第一电机210驱动，围绕第一旋转轴202转动以改变承载物的俯仰倾角(pitch)。
支架208、承载物209、以及第一旋转轴202一起，可以被第二电机212驱动，围绕第二旋转轴204转动以改变承载物的左右侧倾角(roll)。
上述组件一起，通过第一轴臂214及第二轴臂215，与一个固定件216可转动地连接。固定件216可以通过多个固定点218固定于运动体(未显示)上。固定件216下面的组件，包括第一轴臂214及第二轴臂215，可以绕第三旋转轴206转动以改变承载物的左右朝向(yaw)。
注意到第二轴臂215偏离原始的X-Y平面，也就是说不与Z轴正交。第二轴臂115在Y-Z平面内有一弯折，如图2所示，其弯折角为180°-α'。本领域里的技术人员可以认识到，其它机械几何结构也可以实现非正交轴。
图2中的非正交轴的载体200的三个旋转轴中的yaw轴206与roll轴204的夹角为非正交。在这种设计下，yaw轴206上的电机220和roll轴204上的电机212位置可以非常接近，使轴臂214与图1中的轴臂114相比更短，结构更紧凑，刚度更好，也节省重量。同时也减小了yaw轴电机220的负荷。相比之下，图1中的轴臂114很长，会导致载体整体刚度较差，也造成轴臂114连接处需要消耗较多的材料，而且增加整个载体100的重量。
图2中的载体200的yaw轴206与roll轴204非正交也使负载在围绕yaw轴206旋转占用的空间(相应的折合转动惯量)与图1中的载体100相比减小，从而减小了yaw轴206与电机220所承担的负荷。
图2中的载体200每个轴上所对应的质量块(也称为负载)的重心在轴线上。例如，yaw轴206所承担的负载，包括第一轴臂214及第二轴臂215、第二电机212、支架208、承载物209、第一电机202等，其总体的重心落在yaw轴206上。这样，当所述负载沿yaw轴206转动时，将是一个对称的转动，而不会对yaw轴206施加震动而造成的额外压力。同时，利用负载本身的惯性可以消除载体200所在的运动体(如飞行器、车辆等)传递到载体挂载的设备(如相机、雷达、照明灯等承载物209)的振动，从而提高拍摄和瞄准效果。
这样，本发明提供的一种用在运动体上的载体200实现所述运动体与一承载物209的耦合。所述载体的多个旋转轴的叠加转动用于控制所述承载物209的自由指向或补偿运动体的运动及震动从而稳定所述承载物209。其中至少两个旋转轴之间形成的角是非直角。其中yaw轴206对应的负载重心在在其轴线206上，roll轴204对应的负载(例如第二电机212，支架208，承载物209，第一电机202等)重心在roll轴204的轴线上，pitch轴202对应的负载(例如支架208，承载物209，第一电机202等)重心在pitch轴202的轴线上。
在一些实施例中，非直角0°<α'<90°或者90°<(180°-α')<180°。例如α'可以在0°到45°之间。在一些实施例中，α'可以在0°到30°之间或30°到45°之间。在一个优选实施例中，α'约为20°。在另一个优选实施例中，α'约为30°。在一些实施例中，α'可以在45°到90°之间。
在其它一些实施例中，载体可以只包括两个旋转轴，其两个轴之间形成的角是非直角。
图3进一步对比正交载体100和非正交载体200。注意到固定件116及固定件216可以分别定义水平面310及320，例如对应于飞行器水平飞行的姿态。在正交载体100中，纵向轴臂114的方向与水平面310正交，也就是成直角。在正交载体200中，纵向轴臂214的方向与水平面320非正交，也就是成非直角β。其中β＝90°+α'。
由图3可以更明显的看到为什么yaw轴与roll轴非正交可以使yaw轴和roll轴的电机位置可以非常接近，从而可以使yaw轴和roll轴之间轴臂214更短，也就使得载体结构更紧凑并节省材料，减少重量，从而减小了yaw轴电机的负荷。
图4进一步对比正交载体100和非正交载体200，从中可以更容易看出为什么非正交载体旋转占用的空间更小。在图4中，按yaw轴旋转时的旋转半径用双虚线410、420表示。可以看到，由于yaw轴与roll轴由正交载体100中的直角交叉变成非正交载体200中的非正角交叉，yaw轴的旋转半径(即yaw轴电机和roll轴电机之间的水平投影距离)420与旋转半径410相比变短，从而使yaw轴与roll轴非正交使负载在yaw轴旋转占用的空间(即折合的转动惯量)减小，也就减小了yaw轴电机220的负荷。
更具体地说，对于同样长度L的yaw轴104、204，图4中虚线方框内的有效转动质量m1、m2相应的旋转半径410、420分别是L、L sinα。如果转动质量m1＝m2，则转动惯量正比于(sinα)2，相应地yaw轴电机220的负荷减小至原来的(sinα)2倍。
另外，承载于运动体(尤其是小型无人飞行体)的载体体积越小，重量越轻越有利于操作员快速有效的控制相机或其他承载物的方向和角度，以达到高质量的航拍，监视等功效。这里载体的体积并不一定是指的是载体的整体几何体积。由于载体的主要功能之一是以一轴，两轴或三轴旋转，载体以某一轴旋转式占用的空间更直接得反映了该载体的实际“操作”体积。也就是说，载体以该轴旋转时的半径越小，载体在该轴上的实际“操作”体积越小。除体积考虑之外，载体重量轻可以减轻驱动电机的负荷，易于电机和载体的设计。除体积和重量之外，像很多机械结构一样，载体的刚性也是一个重要指标。刚性是物体在外力作用下不易产生形变的性质，或称物体抵抗变形的能力。可以理解地，刚性高的载体不仅寿命长，可靠性高，而且操作反应速度快。
上述的非正交轴载体概念可以应用于各种载体，包括用于改进已有载体结构。例如，图5是一种二轴陀螺式动态、自平衡载体500的结构示意图。载体500包括机架组件、电机组件、控制组件以及承载物510。机架组件包括第一支架520、第二支架540以及第三支架560。承载物510可以固定在第一支架520上。第一支架520与第二支架540转动设置(即：可以相互转动地耦合)，第二支架540与第三支架560转动设置(即：可以相互转动地耦合)。此处承载物510的形状不局限于图1中所示的方形，还可以为圆形、椭球形或其它形状。承载物510也不限于图5中所示的摄像设备，而可以是照明灯，雷达等设备。
本发明的一些实施例采用一或多个电机作为载体的传动装置。采用电机作为原动力直接载体的机架组件，耗能较小、节省电能；同时电机驱动能够实现无级调节，动作响应时间短，能够快速启动、停止或及时调整转速大小以适应无人飞行器各种飞行姿态，从而提高摄像组件的拍摄稳定性。在其它一些实施例中，机械齿轮驱动也可以实现摄像机或照相机的一轴，两轴或三轴转动的目的。
电机组件可以包括第一电机530以及第二电机550。第一电机530可以直接驱动第一支架520绕其旋转轴相对第二支架540转动。第二电机550可以直接驱动第二支架540绕其旋转轴相对第三支架560转动。
第一支架520和第二支架540分别可以围绕一固定轴转动(称为旋转轴X轴和旋转轴Y轴)，其中旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的角是按照本发明可以是非直角。例如，在设计中可以将传统的旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间直角压缩减小。这样，X轴和Y轴的电机位置可以相应减小，使轴臂更短，结构更紧凑，刚度更好，也节省重量。而且X轴与Y轴非正交使负载在yaw轴旋转占用的空间(即折合的转动惯量)减小，从而减小了电机的负荷。
在一些实施例中，其中旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的非正交角在0°到90°之间。在一些实施例中，其中旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的角在0°到30°之间。在一些实施例中，其中旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的角在30°到45°之间，例如30°，或45°。在一些实施例中，其中旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的角在45°到90°之间。在一些实施例中，其中旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的非正交角在90°到180°之间。
在一些实施例中，该载体是一种陀螺式动态自平衡载体，载体500进一步包括一个控制组件，所述控制组件包括处理器和惯性传感器，所述惯性传感器检测承载物510的姿态信息。处理器根据姿态信息控制电机组件，该电机组件直接驱动所述机架组件相对所述被载物转动从而调整所述承载物510的姿态。
在一些实施例中，载体500进一步包括连接于第一支架和第二支架上的水平旋转架，所述水平旋转架中安装有十字形连接机构以及机械陀螺。上面提到的载体的稳定性可以通过陀螺来实现。陀螺是可以包括一个位于轴心且可旋转的轮子。陀螺可以实现稳定性是因为陀螺一旦开始旋转，由于轮子的角动量而有抗拒方向改变的趋向。
这样，可以采用大惯性的机械稳定陀螺来实现载体的稳定。载体支架上可以连接水平旋转架，水平旋转架上连接机械陀螺构成稳定装置，稳定装置通过传动装置与摄像装置相连，能够实现陀螺与相机垂直方向的同步运动，依靠陀螺的稳定性实现相机的稳定拍摄。
在一些实施例中，载体500进一步包括相应于电机数量的电子调速模块和外罩，每一个所述电机和一个电子调速模块之间电连接并收容于一个外罩之内。
在一些实施例中，其中所述传动组件中的电机与所述支架之间设置有电滑环，从而使所述支架在围绕对应旋转轴可以做旋转360°周向的转动。
在一些实施例中，其中所述传动组件中的第一电机和第一支架之间、以及第二电机和第二支架之间分别设置有电滑环，从而使第一支架和第二支架在围绕对应旋转轴可以做旋转360°周向的转动。
以航拍应用为例，图5在中的载体500可以固定于一个无人飞行器的机腹。载体500包括框架组件(第一支架520和第二支架540)、电机组件(第一电机530和第二电机550)和拍摄设备510以及控制组件。所述控制组件包括处理器和惯性传感器。所述惯性传感器检测所述拍摄设备510的姿态信息。所述处理器根据所述姿态信息控制所述电机组件。所述电机组件直接驱动所述框架组件相对所述拍摄设备转动以调整所述拍摄设备510的拍摄角度。所述第一支架520和第二支架540分别可以围绕一固定轴转动(称为旋转轴X轴和旋转轴Y轴)。其中旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的角是非直角。
图6是另一种陀螺式载体600的示意图。载体600可以包括框架部分(又称稳定装置部分)、传动装置部分以及承载物(例如摄像装置)部分。承载物部分可以包括一个相机底板608，其上可以固定各种不同型号的相机(未显示)。
稳定装置部分可以利用机械陀螺在高速旋转时能保持稳定的特性来保证整个载体600的稳定。在载体600的中部和后部分别安装了第一机构支架612和第二机构支架613。在第一机构支架612和第二机构支架613的中心都装有轴承座，并且同轴。水平旋转架610通过该轴承座分别与第一机构支架612和第二机构支架613连接，并可以绕该轴旋转。
所述水平旋转架610由一个矩形框架和U形框架两部分组成，上部为矩形框架部分，其两端头分别括装于第一机构支架612和第二机构支架613中心的轴承座内，使水平旋转架610可以在第一机构支架612和第二机构支架613之间左右摆动。该矩形框架中安装有十字形连接机构以及机械陀螺609。十字形连接机构由十字形连接框架内架615以及十字形连接框架外架614组成。外架614两侧装有轴承。外架614通过该轴承连接到水平旋转架610上，保证整个陀螺609及连接装置具有一个前后运动的自由度。外架614上留有螺孔，安装时可以上下调整陀螺609的重心位置。当飞行器发生左右晃动时，陀螺609由于惯性作用始终保持竖直。水平旋转架610与机械陀螺609相连，会始终保持与机械陀螺609垂直。陀螺的运动可以通过传动杆617传至相机底板608，而保证了承载物(相机)在左右方向上的水平。舵机618由遥控器控制，可以主动调整相机的指向。
减震橡胶619可以吸收飞行器在飞行过程中产生的低频震动，而高频震动可以被机械陀螺609滤去，从而得到稳定的拍摄画面。
按照本发明的一些实施例，水平旋转架610和悬挂U型架611之间非正交连接，使得云台结构更紧凑，刚度更好，而且节省重量。这样，旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的角可以从传统的直角修改设计为非直角。
在一些实施例中，水平旋转架610和悬挂U型架611之间的非正交角大于0°但小于90°。在一些实施例中，其中旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的角在0°到30°之间。在另一些实施例中，该角度在30°到45°之间，例如30°或45°。在另一些实施例中，该角度在45°到90°之间。在另一些实施例中，该角度在90°到180°之间。
图7是一种三轴载体700的示意图。该载体700包括框架部分、传动装置部分以及承载物(例如摄像装置)部分723。框架部分包括第一支架724和第二支架726。摄像装置部分723固定在第一支架724上。此处摄像装置部分723的形状不局限于图7中所示的方形，还可以为市面上常见的圆形或其它形状。为了实现摄像装置部分723沿X轴(即：第一支架724的旋转轴)旋转，第一支架724通过端部的销轴转动设置在第二支架726上，这种转动结构能够实现摄像装置部分723的抬头或低头旋转。
为了适应无人飞行器在飞行过程中的左侧倾或右侧倾飞行，摄像装置部分723相对应的进行右侧倾或左侧倾转动进行补偿，以保证拍照或摄像的平稳性。如图7所示，第二支架726可绕自身转轴Y轴转动。第二支架726的左右转动一定角度从而带动第一支架724和摄像装置部分723的整体转动。为了驱动第一支架724、第二支架726，本实施例提供的动力源为电机725、727。采用小型电机直接驱动具有许多优点，例如耗能较小，节能环保，响应时间短、能够及时快速调整以适应无人飞行器各种飞行姿态，从而使摄像组件的拍摄稳定性高，等等。另外，电机能够实现无级调节，速度变化均匀，能够在允许的速度范围内连续地、任意地调节速度大小，对机构构件的冲击性较小，稳定性能佳。具体的，如图7所示，传动装置部分包括第一电机725以及第二电机727。第一电机25直接驱动第一支架724绕其旋转轴(即：X轴)相对第二支架726转动。第二电机727直接驱动第二支架726绕其旋转轴(即：Y轴)转动。
第一支架724的转动轴，第二支架726的转动轴和第三支架728的转动轴(分别称为X轴，Y轴和Z轴)中至少有两个转动轴之间形成的角是非直角。例如，可以修改传统设计中的直角，使其弯折为非直角。这种设计可以使非直角相交的两个轴上的电机位置可以更接近，使相应轴臂更短，结构更紧凑，刚度更好，也节省重量。而且云台非直角相交的两个轴在旋转占用的空间(即折合的转动惯量)减小，从而减小了相应轴上电机的负荷。
在一些实施例中，其中所述的至少有两个转动轴之间形成的非正交角在0°到90°之间。在一些实施例中，其中旋转轴X轴和旋转轴Y轴之间形成的角在0°到30°之间。在一些实施例中，该角度在30°到45°之间，例如30°，或45°。在一些实施例中，该角度在45°到90°之间。在一些实施例中，该角度在90°到180°之间。
图8显示一个可以在三个轴上进行360°周向旋转的载体800。载体800可以包括第一转动件829和第二转动件830，第一驱动件832，第二驱动件833，第三驱动件834，以及承载件831。承载件831可以承载例如摄像装置，照明灯，雷达等承载物859。本实施例中，摄像装置以微单相机859为例，并将载体800应用于飞行器上为例，阐述本实施例的有益效果。微单相机859可通过锁紧件固定于承载件831上。当然，可以理解地，承载件831也可以承载其它类型的相机或监控摄像头等。
载体800可以作为摄影、照相、监测的装置，可运用于载人或无人飞行器、运载体、汽车、轮船、机器人、电影拍摄、手设设备等领域。承载件831转动连接于第一转动件829，第一转动件829转动连接于第二转动件830。第二转动件830可以包括横向支臂21和纵向支臂22。横向支臂21和纵向支臂22之间可以固定连接或一体成型。承载件831转动方向可与第一转动件829的转动方向垂直。载体800还包括固定件867，固定件867可以固定锁紧于飞行器的安装位置上。第二转动件830转动连接于固定件867。固定件867上设置有用于驱动第二转动件830相对固定件867旋转的第三驱动件834，以形成三轴载体800。
载体800还包括用于驱动承载件831相对第一转动件829旋转的第一驱动件832和用于驱动第一转动件829相对第二转动件830旋转的第二驱动件833。第一驱动件832包括第一电机，第二驱动件833包括第二电机。第三驱动件834包括第三电机。固定件867与第二转动件830之间设置有于第二转动件830旋转时可保持旋通的电滑环。云台可以绕三向360°无限制旋转。
采用导电滑环来连接载体上的电气设备可以解决电机驱动带来的一些问题，例如，直接与载体上的电气设备连接的线缆经常出现缠绕、限制，使载体不能实现全方位的转动，电气设备不能实现360°全向转动，载体的功能受到极大的限制，不便于用户的使用。
导电滑环属于电接触滑动连接应用范畴，它又称电旋转连接器、集电环、旋转关节、旋转电气接口、滑环、集流环、回流环、线圈、换向器、转接器，是实现两个相对转动机构的图像、数据信号及动力传递的精密输电装置。特别适合应用于无限制的连续旋转，同时又需要从固定位置到旋转位置传送功率或数据的场所。具体地，电滑环可以包括滑环转子和滑环定子。滑环转子和滑环定子可以分别固定于载体中相对转动的两个支架上，或固定于承载物和承载物所绕的支架上。通过电滑环解决了360°旋转问题后的载体已经更进一步提高了在飞行体上航拍的稳定性。
承载件831围绕第一转动件829旋转和第一转动件829围绕第二支架830旋转时的转动轴可以分别称为X轴和Y轴。第二转动件830相对固定件867旋转时的转动轴称为Z轴。按照本发明的一些实施例，X轴，Y轴和Z轴中至少有两个轴之间形成的角是非直角。这种设计可以使非直角相交的两个轴上的驱动件(或电机)位置可以更接近，使相应轴臂更短，结构更紧凑，刚度更好，也节省重量。而且云台非直角相交的两个轴在旋转占用的空间(即折合的转动惯量)减小，从而减小了相应轴上驱动件(或电机)的负荷。
在一些实施例中，其中所述的至少有两个转动轴之间形成的非正交角大于0°而小于90°。在一些实施例中，其中旋转轴Z轴和旋转轴Y轴之间形成的角在0°到90°之间。在一些实施例中，该角度在60°到70°之间，例如60°或70°。在一些实施例中，该角度在45°到90°之间。在一些实施例中，该角度在90°到180°之间。
图9是一种roll轴和pitch轴非正交的载体的立体示意图。其中图9a是正面视图，图9b是底面视图，图9c是立体视图。同理可以减小roll轴负载的转动惯量。与图2中yaw轴与roll轴非正交的情况同理，这里roll轴负载的转动惯量得以减小。
图10是一种三轴之相邻两轴之间都非正交的载体的立体示意图。其中图10a是正面视图，图10b是底面视图，图10c是立体视图。
在这些实施例中，各轴的负载重心优选地基本上落在相应的轴线上，以得到伺服载体过程中的比较平衡的控制。负载重心的位置在设计范围内的偏差也是容许的。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用在运动体上的载体，所述载体用于实现所述运动体与一承载物的耦合，其中，所述载体包括：至少两个旋转轴，且所述至少两个旋转轴为所述载体的roll轴、pitch轴及yaw轴中的至少两个；其中所述至少两个旋转轴的叠加转动用于控制所述承载物的自由指向或补偿运动体的运动及震动从而稳定所述承载物；其中两个旋转轴之间形成的角是非直角以减小所述转动相对应的转动半径，从而减小相应的转动惯量；其中两个旋转轴上分别对应的负载重心分别在各自旋转轴的轴线上。
2.根据权利要求1所述的载体，包括三个旋转轴，其叠加转动用于控制所述承载物的自由指向或补偿运动体的运动及震动从而稳定所述承载物，其中三个旋转轴之间至少有两个轴之间形成的角是非直角，其中三个旋转轴上分别对应的负载重心分别在各自旋转轴的轴线上。
3.根据权利要求1或2所述的载体，其中的非直角大于0°但小于90°。
4.根据权利要求3所述的载体，其中的非直角在60°到70°之间。
5.根据权利要求4所述的载体，其中的非直角约为70°。
6.根据权利要求1-2、4-5中任一项所述的载体，其中所述非直角由一个朝某一平面弯折的横向轴臂实现。
7.根据权利要求1-2、4-5中任一项所述的载体，进一步包括机架组件，传动组件和承载物组件，其机架组件包括三个支架。
8.根据权利要求7所述的载体，该载体是一种陀螺式动态自平衡载体，该载体进一步包括一个控制组件，所述控制组件包括处理器和惯性传感器，所述惯性传感器检测承载物的姿态信息，所述处理器根据所述姿态信息控制所述承载物的姿态。
9.根据权利要求8所述的载体，所述传动组件进一步包括一个电机组件，所述处理器根据所述姿态信息控制该电机组件，该电机组件直接驱动所述机架组件相对被载物转动从而调整所述承载物的姿态。
10.根据权利要求8所述的载体，进一步包括连接于所述机架组件的第一支架和第二支架上的水平旋转架；所述水平旋转架中安装有十字形连接机构以及机械陀螺；所述传动组件包括第一电机和第二电机，所述第一电机直接驱动所述第一支架相对所述第二支架转动，所述第二电机直接驱动所述连接机构从而带动所述第二支架相对所述机架组件的第三支架转动。
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