CN104595647A - 一种水下云台装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下云台装置，该装置包含：密封壳体；设置于密封壳体中的直流减速电机和角度控制单元；动力传动单元，其包含设置于密封壳体内的磁耦合联轴器内转子，设置于密封壳体外的磁耦合联轴器外转子；直流减速电机的转动输出通过磁耦合联轴器内转子带动磁耦合联轴器外转子，磁耦合联轴器外转子将转动输出输送至云台上连接的外接设备。本发明将直流减速电机、角度控制单元等电机设备密封设置于密封壳体内，通过磁耦合联轴器技术将直流减速电机的转动动力传输至密封壳体外，带动外接设备转动，解决转动输出轴处密封可靠性低的问题，不需采用动密封结构，减少能源损耗，具有高可靠性。

Description

一种水下云台装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种水下作业设备，具体涉及一种带角度闭环控制的水下云台装置及控制方法。

背景技术

水下云台能够增加水下摄像机的观测范围，在水下机器人等水下作业装备中被广泛应用。水下云台通常采用直流电机作为动力源，从而需要考虑直流电机及其控制单元的密封性问题。现有的水下云台大多采用动密封结构，其转动输出轴处的密封可靠性通常较低，且动密封结构通常会增加能源损耗，无法满足水下云台的低功耗、高可靠性等要求。

发明内容

本发明提供一种水下云台装置及控制方法，解决动密封结构的问题，提高可靠性。

为实现上述目的，本发明提供一种水下云台装置，其特点是，该装置包含：

密封壳体；

直流减速电机，其设置于密封壳体中，用于输出云台转动的动力；

角度控制单元，其设置于密封壳体中，并与直流减速电机电路连接，通过控制直流减速电机，调节云台转动角度的方向和大小；

动力传动单元，其包含相互匹配的磁耦合联轴器内转子和磁耦合联轴器外转子；磁耦合联轴器内转子设置于密封壳体内，与直流减速电机的输出轴机械连接；磁耦合联轴器外转子设置于密封壳体外，与设置在云台上的外接设备机械连接；

上述直流减速电机的转动输出带动磁耦合联轴器内转子旋转，磁耦合联轴器内转子通过磁力作用带动密封壳体外的磁耦合联轴器外转子，磁耦合联轴器外转子带动云台上连接的外接设备旋转。

上述角度控制单元包含：

旋转变压器，其内转子过盈连接直流减速电机的输出轴，检测直流减速电机的转动状态，输出检测信号；

旋转变压器解码板，其输入端电路连接旋转变压器，接收旋转变压器输出的检测信号，解码后传输至电机控制模块；

电机控制模块，其输入端电路连接旋转变压器解码板，输出端电路连接直流减速电机；电机控制模块根据旋转变压器解码板的输出得到云台实际角度，根据云台实际角度与预设的云台期望角度之间的偏差，控制直流减速电机启停或正反转，从而减小云台实际角度与云台期望角度之间的偏差。

上述电机控制模块包含：

单片机，其输入端电路连接旋转变压器解码板的输出，解算出直流减速电机的电机输出轴位置和云台实际角度，根据云台实际角度与预设的云台期望角度之间的偏差，输出直流减速电机控制指令；

继电器电路，其输入端电路连接单片机的输出，输出端电路连接直流减速电机，根据直流减速电机控制指令控制直流减速电机启停或正反转。

上述水下云台装置还包含有水密连接器，该水密连接器设置于密封壳体侧壁上，穿过密封壳体的侧壁并与其密封连接；电机控制模块和外接设备通过水密连接器通信连接，形成闭环控制。

上述动力传动单元机械连接有外部连接辅助机构，通过外部连接辅助机构与设置在云台上的外接设备机械连接并带动外接设备转动。

上述外部连接辅助机构包含：

主转动件，其与动力传动单元的磁耦合联轴器外转子固定连接，由磁耦合联轴器外转子带动主转动件旋转；

从转动组件，其活动连接于密封壳体外，可自由转动；

支架，其分别与主转动件和从转动组件固定连接，外接设备固定连接在支架上，磁耦合联轴器外转子通过主转动件带动支架旋转，以带动外接设备转动。

上述密封壳体包含：

两端开口的密封舱，及分别密封设置于密封舱两端开口处的端盖和隔套；

上述直流减速电机、直流减速电机和磁耦合联轴器内转子设置于密封舱内；磁耦合联轴器内转子设置于隔套处，磁耦合联轴器外转子对应套设在隔套外。

一种上述水下云台装置的控制方法，其特点是，该方法包含：

角度控制单元检测直流减速电机的转动状态得出云台的实际转动角度；

角度控制单元控制直流减速电机的输出，减小云台实际角度与云台期望角度之间的偏差；

密封壳体内的直流减速电机的输出通过磁耦合联轴器内转子和磁耦合联轴器外转子之间的磁力作用传输至密封壳体外，从而调节云台实际角度。

上述角度控制单元控制直流减速电机的输出的方法包含：

角度控制单元判断云台实际角度与预设的云台期望角度的偏差是否小于0.5度；

若否，则控制直流减速电机7向靠近云台期望角度的方向转动，减小云台实际角度与云台期望角度之间的偏差；

若是，则控制直流减速电机7停止转动。

本发明一种水下云台装置及控制方法和现有技术的水下云台装置相比，其优点在于，本发明将直流减速电机、角度控制单元等电机设备密封设置于密封壳体内，通过动力传动单元的磁耦合联轴器技术将直流减速电机的转动动力传输至密封壳体外，带动外接设备转动，解决了目前转动输出轴处密封可靠性低的问题，同时也节省了目前常用的动密封结构，减少能源损耗，具有高可靠性；

本发明的水下云台装置采用模块化的结构，通过简单组合能够作为多轴云台使用；

本发明设有水密连接器，通过RS232通讯方式，便于密封壳体内的角度控制单元与设置于水下云台装置上的外接设备之间进行通信传输。

附图说明

图1为本发明水下云台装置的总体结构示意图；

图2为本发明水下云台装置的角度控制单元的连接示意图；

图3为本发明水下云台装置的角度控制单元的电路模块图；

图4为本发明水下云台装置的外部连接辅助机构中支架的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，本发明公开了一种带角度闭环控制的水下云台装置，其适合装备于水下机器人等水下作业设备进行水下目标观测、视频采集等场合。

水下云台装置包含密封壳体、直流减速电机7、角度控制单元、动力传动单元和外部连接辅助机构。直流减速电机与角度控制单元设置在密封壳体内，外部连接辅助机构设置在密封壳体外，动力传动单元包含有磁耦合联轴器，其主动部分设置在密封壳体内，从动部分设置在密封壳体外。

其中，直流减速电机7用于输出转动动力，控制水下云台装置及上的外接设备进行转动，该外接设备可以是安装在云台上的摄像头、水下灯等设备。角度控制单元用于接收外部指令中的云台期望角度、检测云台实际角度并控制直流减速电机运动至外部指令设定的云台期望角度。动力传动单元用于将直流减速电机动力通过磁耦合联轴器传递至密封壳体外。外部连接辅助机构用于连接水下摄像机、水下灯等外接设备。密封壳体用于保证角度控制单元、直流减速电机的水密性。

密封壳体包含有：密封舱6、端盖1及隔套9。密封舱6设为圆筒形结构，两端开口。端盖1与隔套9分别密封设置于密封舱6的两端开口处，密封舱6与端盖1、隔套9组成密封壳体。

隔套9包含一个圆筒形的隔套本体，及设置于隔套本体与密封舱6连接处的连接部。隔套本体的外径小于密封舱6的外径。连接部由隔套本体的边缘处沿隔套本体径向向外延伸，连接部外部边缘的外径与密封舱6的外径相适配，使隔套9通过其连接部可与密封舱6密封连接。

角度控制单元与直流减速电机7设置于密封壳体中，密封舱6的内侧壁上设有电机支座20，直流减速电机7通过电机支座20固定于密封舱6内，直流减速电机7与密封舱6同轴设置，并且直流减速电机7的输出轴朝向隔套9设置。端盖1与密封舱6间通过第一O型密封圈2密封，隔套9与密封舱6间通过第二O型密封圈8密封，保证密封壳体内角度控制单元与直流减速电机7的水密性。

如图1并结合图2所示，角度控制单元包含有电机控制模块21、旋转变压器12及旋转变压器解码板27。

其中，旋转变压器12的内转子通过过盈配合直接安装于直流减速电机7输出轴上，旋转变压器12外转子通过两个半圆形卡圈17固定于电机支座20上，卡圈17与电机支座20间为过盈配合。

电机控制模块21通过两个相同且对称的连接件22垂直连接于端盖1的内侧，旋转变压器解码板27通过两个相同且对称的连接件22垂直连接于端盖1的内侧。该电机控制模块21与旋转变压器解码板27的电路板相互之间平行设置。

如图1并结合图3所示，直流减速电机7输出轴带动旋转变压器12，旋转变压器12检测并输出直流减速电机7输出轴位置的信号。

旋转变压器解码板27的输入端电路连接旋转变压器12的输出端，用于接收旋转变压器12输出信号，经过解码后输出给电机控制模块21。

电机控制模块21包含有单片机28、电源模块29与继电器电路30。

电源模块29的输出端电路连接至单片机28，为单片机28提供电源。

继电器电路30采用了H桥电路，用于接收单片机28输出的控制指令，控制直流减速电机7的启停与正反转。

单片机28采用Mega128单片机，输入端电路连接旋转变压器解码板27的输出端，单片机28的输出端电路连接至继电器电路30。单片机28解算电机输出轴位置。当电机控制模块21检测到云台实际角度与预设的云台期望角度存在偏差时，控制继电器电路30使直流减速电机7向相应的方向（即靠近云台期望角度的方向，减小云台期望角度与云台实际角度间偏差的方向）转动，当云台实际角度与云台期望角度偏差小于0.5度时，控制继电器电路30使直流减速电机7停止转动，由于直流减速电机7采用了大减速比的减速器，能够保证云台角度的自锁。

进一步的，本发明公开的水下云台装置还包含有水密连接器4，该水密连接器4通过RS232串口与电机控制模块21的单片机28通信连接。电源模块29为水密连接器4提供电源。

该水密连接器4设置于密封舱6的侧壁上并且穿过密封舱6的侧壁，通过水密连接器4，实现密封舱6内的电机控制模块21与密封舱6外的外接设备的通讯连接，从而实现云台角度的闭环控制。

如图1所示，动力传动单元包含有磁耦合联轴器，该磁耦合联轴器包含有设置于密封舱6内的磁耦合联轴器内转子16和设置于密封舱6外的磁耦合联轴器外转子10。耦合联轴器内转子16与直流减速电机7输出轴通过D形孔机械连接，直流减速电机7输出轴与旋转变压器12内转子间为过盈配合直流减速电机7输出轴带动旋转变压器12内转子、磁耦合联轴器内转子16一起转动。

直流减速电机7输出轴与磁耦合联轴器内转子16磁耦合联轴器内转子16周向布置有偶数个长方形的内转子磁铁15，磁耦合联轴器内转子16与电机支座20间安装有陶瓷滚动轴承18，使磁耦合联轴器内转子16能够绕电机支座20转动，磁耦合联轴器内转子16左侧通过陶瓷轴承18的内圈限位，磁耦合联轴器内转子16右侧通过卡簧32限位。

磁耦合联轴器外转子10套设在密封壳体的隔套9外。磁耦合联轴器外转子10周向布置有长方形的外转子磁铁13，外转子磁铁13的数量与内转子磁铁15的数量相同，磁耦合联轴器外转子10与磁耦合联轴器内转子16之间设有隔套9，磁耦合联轴器外转子10内侧安装有间隔设置的陶瓷滚动轴承14与滑动轴承19，陶瓷滚动轴承14与滑动轴承19套设在隔套9外，使磁耦合联轴器外转子10能够绕隔套9转动。通过外转子磁铁13与内转子磁铁15间的磁力作用，能够使磁耦合联轴器外转子10跟随直流减速电机7输出轴转动，并最终将动力传递至外接设备。

如图1并结合图4所示，外部连接辅助机构包含有套设在磁耦合联轴器外转子10外的主转动件11、与端盖1活动连接从转动组件，以及与主转动件11和从转动组件活动连接的支架31。

主转动件11与磁耦合联轴器外转子10紧固连接并随之转动，主转动件11右侧端面开有4个均布的螺纹孔。主转动件11的外径与密封舱6的外径相等，使本实施例所公开的水下云台装置形成一个结构平滑的圆筒状结构。

端盖1的端部设有支架，从转动组件包含有套设在端盖1的支架上。

从转动组件包含有：轴承座23、陶瓷滚动轴承26、轴承挡圈24与卡簧25。

轴承座23与轴承挡圈24组合形成一个用于放置陶瓷滚动轴承26的半封闭的容置空间，当轴承座23与轴承挡圈24套设在端盖1的支架外，轴承座23与轴承挡圈24与端盖1的支架之间间隔设置，并且用于放置陶瓷滚动轴承26的容置空间朝向端盖1的支架开口。

陶瓷滚动轴承26设置于轴承座23与轴承挡圈24组成的容置空间内，该陶瓷滚动轴承26的内圈伸出容置空间的开口与端盖1的支架固定连接。陶瓷滚动轴承26的外圈与轴承座23固定连接，使得轴承座23与轴承挡圈24可在端盖1的支架上自由转动。

进一步的，卡簧25设置于陶瓷滚动轴承26的内圈与端盖1的支架之间的连接处，卡簧25与轴承座23分别与陶瓷滚动轴承26轴向方向上的两端相抵，从而对陶瓷滚动轴承26轴向方向进行限位。

进一步的，轴承挡圈24左侧端面开有1个螺纹孔，可用于与支架31固定连接，从而使从转动组件作为支架31转动的辅助。

支架31用于连接摄像头、水下灯等外接设备，支架31两端分别设有连接部分，一端设有与轴承挡圈24对应的四个螺孔，并通过螺钉与主转动件11的轴承挡圈24固定连接，另一端设有与轴承挡圈24对应的一个螺孔，并通过螺钉与从转动组件的轴承挡圈24固定连接。

当直流减速电机7转动时，通过动力传动单元和主转动件11带动支架31随之转动，从而带动支架31上安装的摄像头、水下灯等外接设备转动。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种水下云台装置，其特征在于，该装置包含：

密封壳体；

直流减速电机，其设置于密封壳体中，用于输出云台转动的动力；

角度控制单元，其设置于密封壳体中，并与直流减速电机电路连接，通过控制直流减速电机，调节云台转动角度的方向和大小；

动力传动单元，其包含相互匹配的磁耦合联轴器内转子和磁耦合联轴器外转子；磁耦合联轴器内转子设置于密封壳体内，与直流减速电机的输出轴机械连接；磁耦合联轴器外转子设置于密封壳体外，与设置在云台上的外接设备机械连接；

所述直流减速电机的转动输出带动磁耦合联轴器内转子旋转，磁耦合联轴器内转子通过磁力作用带动密封壳体外的磁耦合联轴器外转子，磁耦合联轴器外转子带动云台上连接的外接设备旋转。

2.如权利要求1所述的水下云台装置，其特征在于，所述角度控制单元包含：

旋转变压器，其内转子过盈连接直流减速电机的输出轴，检测直流减速电机的转动状态，输出检测信号；

旋转变压器解码板，其输入端电路连接旋转变压器，接收旋转变压器输出的检测信号，解码后传输至电机控制模块；

电机控制模块，其输入端电路连接旋转变压器解码板，输出端电路连接直流减速电机；电机控制模块根据旋转变压器解码板的输出得到云台实际角度，根据云台实际角度与预设的云台期望角度之间的偏差，控制直流减速电机启停或正反转，从而减小云台实际角度与云台期望角度之间的偏差。

3.如权利要求2所述的水下云台装置，其特征在于，所述电机控制模块包含：

单片机，其输入端电路连接旋转变压器解码板的输出，解算出直流减速电机的电机输出轴位置和云台实际角度，根据云台实际角度与预设的云台期望角度之间的偏差，输出直流减速电机控制指令；

继电器电路，其输入端电路连接单片机的输出，输出端电路连接直流减速电机，根据直流减速电机控制指令控制直流减速电机启停或正反转。

4.如权利要求2或3所述的水下云台装置，其特征在于，所述水下云台装置还包含有水密连接器，该水密连接器设置于密封壳体侧壁上，穿过密封壳体的侧壁并与其密封连接；电机控制模块和外接设备通过水密连接器通信连接，形成闭环控制。

5.如权利要求1所述的水下云台装置，其特征在于，所述动力传动单元机械连接有外部连接辅助机构，通过外部连接辅助机构与设置在云台上的外接设备机械连接并带动外接设备转动。

6.如权利要求5所述的水下云台装置，其特征在于，所述外部连接辅助机构包含：

主转动件，其与动力传动单元的磁耦合联轴器外转子固定连接，由磁耦合联轴器外转子带动主转动件旋转；

从转动组件，其活动连接于密封壳体外，可自由转动；

支架，其分别与主转动件和从转动组件固定连接，外接设备固定连接在支架上，磁耦合联轴器外转子通过主转动件带动支架旋转，以带动外接设备转动。

7.如权利要求1所述的水下云台装置，其特征在于，所述密封壳体包含：

两端开口的密封舱，及分别密封设置于密封舱两端开口处的端盖和隔套；

所述直流减速电机、直流减速电机和磁耦合联轴器内转子设置于密封舱内；磁耦合联轴器内转子设置于隔套处，磁耦合联轴器外转子对应套设在隔套外。

8.一种如权利要求1至7中任意一项权利要求所述水下云台装置的控制方法，其特征在于，该方法包含：

角度控制单元检测直流减速电机的转动状态得出云台的实际转动角度；

角度控制单元控制直流减速电机的输出，减小云台实际角度与云台期望角度之间的偏差；

密封壳体内的直流减速电机的输出通过磁耦合联轴器内转子和磁耦合联轴器外转子之间的磁力作用传输至密封壳体外，从而调节云台实际角度。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述角度控制单元控制直流减速电机的输出的方法包含：

角度控制单元判断云台实际角度与预设的云台期望角度的偏差是否小于0.5度；

若否，则控制直流减速电机7向靠近云台期望角度的方向转动，减小云台实际角度与云台期望角度之间的偏差；

若是，则控制直流减速电机7停止转动。