CN104653963B - 一种双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台，包括：后盖板、方位轴角度传感器、俯仰轴组件、俯仰轴手轮、解脱锁紧机构、对外接口、指示灯、前面板、动调陀螺、上支架、信号处理电路、俯仰轴角度传感器、方位轴组件、金属法兰水准器、方位轴手轮、以及结构支架。该云台结构紧凑、重量轻，具有惯性寻北功能和跟踪测角功能。属于手动控制载荷运动测量的平台，可以带动载荷在方位、俯仰两个自动度内转动，并测量相对地理坐标系转动的角度，具有数据输出的功能。方位、俯仰转位可以用手轮微调，具备自锁功能，转动过程平稳，方位方面具有自由回转和手轮微调切换功能。

Description

一种双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台

技术领域

本发明属于惯性测量领域，具体涉及一种双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台。

背景技术

云台是为便携式激光照射引导系统配套使用的，需要方位和俯仰两个自由度的转动，并且需要实时输出载荷的真北方位角和相对水平的俯仰角。现有的云台结构利用螺纹锁紧机构进行两个自由度的转动和锁紧，这种结构导致系统的重量和体积较大，成本较高，且不具备惯性定向功能和微调自锁功能，无法满足便携使用的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台。

为实现以上发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台，包括后盖板、方位轴角度传感器、俯仰轴组件、俯仰轴手轮、解脱锁紧机构、对外接口、指示灯、前面板、动调陀螺、上支架、信号处理电路、俯仰轴角度传感器、方位轴组件、金属法兰水准器、方位轴手轮、以及结构支架，其中，

结构支架为具有底面以及彼此相对的第一侧面和第二侧面的框架式结构；方位轴组件位于结构支架的下面，并且结构支架通过其底面可转动地支撑于方位轴组件上；方位轴角度传感器、俯仰轴组件、动调陀螺以及俯仰轴角度传感器均布置在结构支架内，俯仰轴手轮安装在结构支架第二侧面的外侧、并与俯仰轴组件相关联，方位轴手轮安装在结构支架第一侧面的外侧、并与解脱锁紧机构相关联，其中，动调陀螺安装在结构支架的底面上，并靠近于结构支架的第一侧面；俯仰轴组件安装在结构支架的底面上，并靠近于结构支架的第二侧 面；俯仰轴角度传感器安装在俯仰轴组件上；方位轴角度传感器安装在结构支架底面的中部；

上支架位于结构支架的上面，并跨接结构支架的第一侧面和第二侧面，并且，当俯仰轴手轮转动时，俯仰轴组件能够将俯仰轴手轮的转动传递给上支架，使得上支架绕着其与第一侧面和第二侧面的连接点在俯仰方向转动；

解脱锁紧机构能够将方位轴手轮与方位轴组件相关联，从而当方位轴手轮转动时，整个结构支架能够相对于方位轴组件转动；并且解脱锁紧机构还能够解除方位轴手轮与方位轴组件的关联，从而使得整个结构支架能够在外力的作用下相对于方位轴组件转动；

前面板装配在结构支架的前侧，信号处理电路布置在前面板的内侧面，指示灯布置在前面板的外侧面；信号处理电路用于采集动调陀螺、方位轴角度传感器、俯仰轴角度传感器的输出信息，并将这些信息解算为整个跟踪云台相对于真北方向的方位角和上支架相对于水平面的俯仰角，通过对外接口输出；同时，信号处理电路还根据方位轴角度传感器的输出信息，通过指示灯提示操作者所述跟踪云台的工作状态；并且所述对外接口布置在结构支架的第一侧面的外侧面；

后盖板装配在结构支架的后侧，后盖板的内侧面布置有二次电源电路，用于为所述跟踪云台提供满足要求的电压及功率的电源输出；

金属法兰水准器安装在结构支架第一侧面的外侧，用于对所述跟踪云台调水平。

优选地，所述俯仰轴组件包括支架、主动锥齿轮、从动锥齿轮、第一蜗杆、扇形蜗轮以及传动轴，其中，支架包括背板、第一侧板以及第二侧板，第一侧板和第二侧板分别垂直地连接在背板的两侧；第一蜗杆的第一端和第二端分别通过轴承支撑于第一侧板和第二侧板，并且第一蜗杆的第一端穿过第一侧板伸出；从动锥齿轮安装在第一蜗杆的第二端，并位于第一侧板的外侧；主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合，主动锥齿轮与俯仰轴手轮同轴，并且主动锥齿轮与俯仰轴手轮分别位于结构支架第二侧面的内侧和外侧；传动轴的第一端和第二端分 别通过轴承支撑在支架的背板与结构支架第二侧面上，并且传动轴的第一端穿过背板与安装在背板背面的俯仰轴角度传感器的敏感轴连接，传动轴的第二端穿过结构支架的第二侧面与上支架的一端连接；扇形蜗轮与第一蜗杆配合，扇形蜗轮固定在传动轴上。

优选地，所述方位轴组件包括底座、中心轴、蜗轮以及支撑法兰套套；结构支架的底面具有自底面向上突起的罩部，方位轴角度传感器安装在罩部的顶面上；底座位于罩部的下面，中心轴的第一端固定至底座，其第二端垂直于底座向上延伸与方位轴角度传感器敏感轴连接；蜗轮固定套装在中心轴上，并位于罩部的内腔中；罩部的侧壁上开设有窗口，使得蜗轮部分地露出；支撑法兰套套包括法兰部和套筒部，法兰部固定至结构支架的底面，套筒部通过轴承可转动地套装在中心轴上，从而将结构支架可转动地支撑在中心轴上；

解脱锁紧机构包括偏心套筒、第二蜗杆、扳手组件，其中，偏心套筒的第一端和第二端分别可转动地安装在结构支架的第一侧面和第二侧面上，并且偏心套筒的第二端自第二侧面伸出，偏心套筒中空腔的中心线偏离于其回转轴线，并且偏心套筒的侧壁上设置有连通至其中空腔的开口，开口的位置与罩部上的窗口的位置对应；第二蜗杆的两端可转动地安装在偏心套筒的中空腔中；并且第二蜗杆上用于与第二蜗轮啮合的齿段的位置与偏心套筒上开口的位置相对应；扳手组件固定在偏心套筒伸出于第二侧面的第二端，并能够扳动偏心套筒转动一定的角度，从而使得蜗轮与第二蜗杆进入啮合状态或者脱离啮合；方位轴手轮固定至第二蜗杆的第一端，其能够带动第二蜗杆转动，通过第二蜗杆与蜗轮的啮合实现结构支架相对于与底座的小幅转动。

进一步地，扳手组件包括限位盖板、定位球、弹簧、以及扳手，其中，限位盖板套装在偏心套筒的第二端上，限位盖板的外侧面上设有一段弧形滑槽，滑槽与偏心套筒的回转轴线同心，滑槽的始端与末端各具有一个定位锥形沉孔，并且两个定位锥形沉孔之间的夹角为90度；扳手通过螺钉套装固定在偏心套筒第二端的端面上，扳手包括转动把手部和安装部，安装部的朝向限位盖板的端面上设置有第一圆孔和第二圆孔，当安装到位时，安装部盖设在偏心套筒第二 端的端面上，偏心套筒的第二端插设于第一圆孔中，并通过螺钉与安装部固定连接，定位球和弹簧顺序地放置在第二圆孔中，并且定位球在弹簧的弹力作用下抵接限位盖板的滑槽；当扳动扳手的转动把手部时，定位球能够沿着限位盖板的滑槽滑动，并能够分别定位于滑槽两端的两个定位锥形沉孔中，将扳手分别定位于锁紧状态或者解锁状态，并实现蜗轮与第二蜗杆的啮合或分离。

进一步地，所述信号处理电路包括主控制器、A/D转换模块、继电器、陀螺电源、串口通信模块；并且指示灯包括红、黄、绿三种灯，其中，

当通过二次电源电路供电后，主控制器控制指示灯中的红灯亮、黄灯闪烁；方位轴角度传感器开始采集结构支架相对于方位轴组件的角度信息，并将其采集的角度信息传送给串口通信模块，串口通信模块将该角度信息转换为数字信号后传送给主控制器；

主控制器根据来自串口通信模块的数字信号判断结构支架是否转动至预定的第一位置，如果已经转至预定的第一位置，则控制黄灯停止闪烁，同时控制继电器给动调陀螺的伺服回路以及陀螺电源供电，使得动调陀螺进入工作状态，主控制器通过A/D转换模块采集动调陀螺输出的地球自转角速率在该第一位置的分量信息，并在采集完成之后控制黄灯继续闪烁；如果结构支架尚未转至预定的第一位置，则黄灯继续闪烁，直至结构支架转至预定的第一位置为止；

当主控制器根据来自串口通信模块的数字信号判断结构支架已经转至预定的第二位置后，主控制器控制黄灯停止闪烁，并通过A/D转换模块采集动调陀螺输出的地球自转角速率在该第二位置的分量信息，并在采集完成之后控制黄灯熄灭、绿灯亮；主控制器控制继电器停止给动调陀螺的伺服回路以及陀螺电源供电，使得动调陀螺停止工作；主控制器根据地球自转角速率的第一位置的分量信息和第二位置的分量信息解算整个跟踪云台相对于真北方向的初始方位角，同时通过A/D转换模块采集俯仰轴角度传感器测量到的上支架相对于结构支架的角度信息，并根据该信息解算上支架相对于水平面的初始俯仰角；

主控制器分别通过串口通信模块和A/D转换模块继续采集来自方位轴角度传感器的角度信息以及来自俯仰轴角度传感器的角度信息，并根据这两个角度 信息及其内部存储的初始方位角和初始俯仰角实时解算当前整个跟踪云台相对于真北方向的方位角以及上支架相对于水平面的俯仰角；之后，主控制器将该方位角和俯仰角信息通过对外接口输出。

与现有技术相比，根据本发明的双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台具有有益的技术效果，在本发明中：

1、动调陀螺的布置，使得跟踪云台具有惯性定向功能；

2、解脱锁紧机构、方位轴组件、俯仰轴组件、俯仰轴手轮、方位轴手轮的设置使得跟踪云台具有手动大角度转动和手轮微调的功能，从而可以根据实际工作中的需要，对跟踪云台进行大范围回转或者微调；不仅可以通过手轮实现对云台载荷在两个平面内的转动，并且通过信号处理电路的设置，可实现云台载荷相对地理坐标系的方位角和俯仰角信息的测量；

3、通过蜗轮、蜗杆之间的配合，可以实现相关结构的自锁；

4、通过将方位轴角度传感器、俯仰轴组件、动调陀螺以及俯仰轴角度传感器均布置在结构支架内，使得本发明的跟踪云台结构紧凑、体积小、重量轻，操作简便。

附图说明

图1是根据本发明的跟踪云台的整体结构示意图；

图2是图1中的跟踪云台另一个角度的结构示意图；

图3是根据本发明的俯仰轴组件的结构示意图；

图4是根据本发明的方位轴组件的结构示意图；

图5是根据本发明的解脱锁紧机构的结构示意图；

图6a和图6b示出了根据本发明的扳手组件的结构；

图7是根据本发明的信号处理电路的示意图；

图8是根据本发明的跟踪云台的工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台做进一步详细的说明。

根据本发明的跟踪云台按照工作流程主要包括初始对准部分和跟踪测角部分。其中，初始对准部分的主要功能是测量跟踪云台的初始方位角和俯仰角，该部分包括动调陀螺、俯仰轴角度传感器、金属法兰水准器、指示灯、方位轴组件和方位轴角度传感器。其中，动调陀螺、指示灯、方位轴角度传感器用于方位角的初始对准；俯仰轴角度传感器和金属法兰水准器用于俯仰角的初始对准；二次电源电路、信号处理电路主要完成上述组成的电路供电、控制和数据采集处理。跟踪测角部分的主要功能为在初始对准结束后跟踪测角。主要包括方位轴组件、俯仰轴组件、俯仰轴角度传感器、方位轴角度传感器等。利用方位轴组件可以进行跟踪云台的大范围回转或方位轴手轮的微调，带动载荷在水平面内转动，利用方位轴角度传感器测量云台相对初始方位角转动的角度值，并结合初始方位角实时解算方位角；通过调整与俯仰轴组件连接的俯仰轴手轮可以对载荷在俯仰轴方向微调并自锁，利用俯仰轴角度传感器测量云台相对初始俯仰角转动的角度值，并结合初始俯仰角实时解算俯仰角。

图1和图2分别从两个不同的角度示出了根据本发明的跟踪云台的结构。如图1和图2所示，根据本发明的双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台包括后盖板1、方位轴角度传感器2、俯仰轴组件3、俯仰轴手轮4、解脱锁紧机构5、对外接口6、前面板8、上支架11、方位轴手轮16、以及结构支架17。

结构支架17为具有底面1701以及彼此相对的第一侧面1702和第二侧面1703的框架式结构。方位轴组件14位于结构支架的下面。结构支架17通过其底面1701可转动地支撑于方位轴组件14上，从而使得结构支架17能相对于方位轴组件14转动。

方位轴角度传感器2、俯仰轴组件3、动调陀螺9以及俯仰轴角度传感器13均布置在结构支架17的框架内。俯仰轴手轮4安装在结构支架17第二侧面1703的外侧，并与俯仰轴组件3相关联。方位轴手轮16安装在结构支架17第一侧面1702的外侧、并与解脱锁紧机构5相关联。其中，动调陀螺9安装在结构支架17的底面1701上，并靠近于结构支架17的第一侧面1702。俯仰轴组件3安装在结构支架17的底面1701上，并靠近于结构支架17的第二侧面1703。 俯仰轴角度传感器13安装在俯仰轴组件3上。方位轴角度传感器2安装在结构支架17底面1701的中部。

上支架11位于结构支架17的上面，并跨接结构支架17的第一侧面1702和第二侧面1703。上支架11进一步与俯仰轴组件3相关联，当俯仰轴手轮4转动时，俯仰轴组件3能够将俯仰轴手轮4的转动传递给上支架11，使得上支架11绕着其与第一侧面1702和第二侧面1703的连接点在俯仰方向转动。

解脱锁紧机构5能够将方位轴手轮16与方位轴组件14相关联，从而当方位轴手轮16转动时，整个结构支架能够相对于方位轴组件14转动；并且解脱锁紧机构5还能够解除方位轴手轮16与方位轴组件14的关联，从而使得整个结构支架17能够在外力的作用下相对于方位轴组件14转动。

前面板8装配在结构支架17的前侧，信号处理电路12布置在前面板8的内侧面，指示灯7布置在前面板8的外侧面。

信号处理电路12用于采集动调陀螺9、方位轴角度传感器2、俯仰轴角度传感器13的输出信息，并将这些信息解算为整个跟踪云台相对于真北方向的方位角和上支架11相对于水平面的俯仰角，通过对外接口6输出；同时，信号处理电路12还根据方位轴角度传感器2的输出信息，通过指示灯7提示操作者所述跟踪云台的工作状态；并且所述对外接口6布置在结构支架17的第二侧面1703的外侧面。

后盖板1装配在结构支架17的后侧，后盖板1的内侧面布置有二次电源电路，用于为所述跟踪云台提供满足要求的电压及功率的电源输出。

金属法兰水准器15安装在结构支架17第一侧面1702的外侧，用于对所述跟踪云台调水平。

如前所述，结构支架至少应当具有底面、相对布置的第一侧面和第二侧面。也可以如图1和图2所述的在其另两个相对的侧上设置横向框架(该框架连接第一侧面和第二侧面)，以便于后盖板1和前面板8的安装。

图4和图5示出了根据本发明一个优选实施例中方位轴组件14以及解脱锁紧机构的结构。如图4所示，方位轴组件14包括底座141、中心轴142、蜗轮 143以及支撑法兰套144。结构支架17的底面1701具有自该底面1701向上突起的罩部1704，方位轴角度传感器2安装在罩部1704的顶面上。底座141位于罩部1704的下面，中心轴142的第一端固定至底座141，其第二端垂直于底座141向上延伸与方位轴角度传感器2敏感轴连接。蜗轮143固定套装在中心轴142上，并位于罩部1704的内腔中；罩部1704的侧壁上开设有窗口1705，使得蜗轮143部分地露出。支撑法兰套144包括法兰部1441和套筒部1442，法兰部1441固定连接至结构支架17的底面1701，套筒部1442通过轴承可转动地套装在中心轴142上，从而将结构支架17可转动地支撑在中心轴142上。

设置支撑法兰套144的目的是为了将结构支架17支撑于方位轴组件14上，并使得结构支架17能够相对于方位轴组件14转动。为此，可以将支撑法兰套套144设置成包括法兰部1441和套筒部1442两大主要部分。法兰部1441用于固定连接至结构支架17的底面1701。套筒部1442通过轴承可转动地套装在中心轴142上，从而将结构支架17可转动地支撑在中心轴142上。当然，对于本领域技术人员容易理解的是，为了实现轴承的固定，需要设置相应的结构对轴承的内圈和外圈进行限位固定，此种技术手段采用本领域技术人员公知的结构即可实现，例如，设置相应的轴套或轴肩结构，在此不做详细说明。当然，也可以采用其它可替代的支撑固定结构形式，以实现结构支架的支撑及可转动，不以本文公知的结构为限。

在本实施例中，基于方位轴组件的结构设置、方位轴角度传感器2的安装需要以及考虑到整个跟踪云台的整体结构紧凑和轻便等的需要，在结构支架17的底面1701形成自该底面1701向上突起的罩部1704，这样的结构设置一方面可以将方位轴角度传感器2安装在该罩部1704的顶面，并使方位轴角度传感器2的敏感轴穿过该罩部延伸到罩部的内腔，从而方便地与中心轴接合；另一方面，可以将方位轴组件的相关构件布置在其下面的空间内，既起到节省空间的作用，又可以对方位轴组件中的蜗轮起到保护防尘的效果。此外，可以理解的是，蜗轮143在中心轴142上的安装位置应当靠近于其第二端，以便于蜗轮能部分地自罩部上的窗口露出，并与后面将描述的第二蜗杆配合。

如图5所示，解脱锁紧机构5包括偏心套筒51、第二蜗杆52、扳手组件，其中，偏心套筒51的第一端和第二端分别可转动地安装在结构支架17的第一侧面1702和第二侧面1703上，并且偏心套筒51的第二端自第二侧面1703伸出。偏心套筒51中空腔的中心线偏离于其回转轴线，并且偏心套筒51的侧壁上设置有连通至其中空腔的开口511，该开口511的位置与罩部1704上的窗口1705的位置对应。第二蜗杆52的两端可转动地安装在偏心套筒51的中空腔中。并且第二蜗杆52上用于与第二蜗轮143啮合的齿段的位置与偏心套筒51上开口511的位置相对应。扳手组件固定在偏心套筒51伸出于第二侧面1703的第二端，并能够扳动偏心套筒51转动一定的角度，从而使蜗轮143与第二蜗杆52进入啮合状态或者脱离啮合。方位轴手轮16固定至第二蜗杆52的第一端，其能够带动第二蜗杆52转动，通过第二蜗杆52与蜗轮143的啮合实现结构支架17相对于与底座141的小幅转动。

可以理解的是，为了实现偏心套筒51和第二蜗杆52在相应结构中的支撑，可以设置相应的轴承，此种技术手段为本领域技术人员所公知，故不作赘述。

优选地，如图5、图6a-图6b所示，扳手组件包括限位盖板18、定位球19、弹簧20、以及扳手21。

限位盖板18套装在偏心套筒51的第二端上。限位盖板18的外侧面上设有一段弧形滑槽181，滑槽181与偏心套筒51的回转轴线同心，滑槽181的始端与末端各具有一个定位锥形沉孔182、183，并且两个定位锥形沉孔182、183之间的夹角为90度。

扳手21通过螺钉套装固定在偏心套筒51第二端的端面上。扳手21包括转动把手部211和安装部212。安装部212的朝向限位盖板18的端面上设置有第一圆孔2121和第二圆孔2122，当安装到位时，安装部212盖设在偏心套筒51第二端的端面上，偏心套筒51的第二端插设于第一圆孔2121中，并通过螺钉与安装部212固定连接。定位球19和弹簧20顺序地放置在第二圆孔2122中，并且定位球19在弹簧20的弹力作用下抵接限位盖板18的滑槽181。当扳动扳手21的转动把手部211时，定位球19能够沿着限位盖板18的滑槽181滑动， 并能够分别定位于滑槽181两端的两个定位锥形沉孔182、183中，将扳手21分别定位于锁紧状态或者解锁状态，并实现蜗轮与第二蜗杆的啮合或分离。

如此，通过第二蜗杆将方位轴手轮16与蜗轮关联起来，当方位轴手轮16转动时，第二蜗杆跟着转动，由于蜗轮固定不动，因此，第二蜗杆可以带动整个结构支架17(包括其上设置的各个构件)绕着蜗轮转动，实现手轮的微调转动。进一步地，通过扳手组件的设置，当需要手动使整个结构支架进行大幅转动时，可以通过扳手组件实现蜗轮与第二蜗杆的分离，解除二者之间的配合。

方位轴组件及解脱锁紧机构的主要功能为实现方位角大范围快速回转调整、微调及自锁。第二蜗杆采取偏心转轴设计，利用解脱锁紧机构5来实现蜗轮与第二蜗杆的解脱，进而可以手动大范围快速回转以调整角度。采取蜗轮蜗杆一级传动结构设计，实现微调并自锁。

优选地，如图3所示，俯仰轴组件3包括支架31、主动锥齿轮32、从动锥齿轮33、第一蜗杆34、扇形蜗轮35以及传动轴36。

支架31包括背板311、第一侧板312以及第二侧板313。第一侧板312和第二侧板313分别垂直地连接在背板311的两侧。第一蜗杆34的第一端和第二端分别通过轴承支撑于第一侧板312和第二侧板313，并且第一蜗杆34的第一端穿过第一侧板312伸出。从动锥齿轮33安装在第一蜗杆34的第二端，并位于第一侧板312的外侧。主动锥齿轮32与从动锥齿轮33啮合，主动锥齿轮32与俯仰轴手轮4同轴，并且主动锥齿轮32与俯仰轴手轮4分别位于结构支架17第二侧面1703的内侧和外侧。

传动轴36的第一端和第二端分别通过轴承支撑在支架31的背板311与结构支架17第二侧面1703上，并且传动轴36的第一端穿过背板311与安装在背板311背面的俯仰轴角度传感器13的敏感轴连接，传动轴36的第二端穿过结构支架17的第二侧面1703与上支架11的一端连接。

扇形蜗轮35与第一蜗杆34配合，扇形蜗轮35固定在传动轴36上。

通过上述的结构布置，通过主从锥齿轮之间的配合，可以将手轮4的转动传递至第一蜗杆。进一步地，通过第一蜗杆与扇形蜗轮之间的配合，可以将第 一蜗杆的动作传递至扇形蜗轮。由于上支架与扇形蜗轮同轴布置，扇形蜗轮的转动又可以进一步传递给上支架。同时，由于上支架与俯仰轴角度传感器13共轴布置，可以通过俯仰轴角度传感器13采集上支架在俯仰方向的动作信息。通过上述结构设计，可以实现俯仰角微调并自锁。

如图7所示，信号处理电路12包括主控制器、A/D转换模块、继电器、陀螺电源、串口通信模块；并且指示灯包括红、黄、绿三种灯。

当通过二次电源电路供电后，主控制器控制指示灯7中的红灯亮、黄灯闪烁；方位轴角度传感器2开始采集结构支架17相对于方位轴组件14的角度信息，并将其采集的角度信息传送给串口通信模块，串口通信模块将该角度信息转换为数字信号后传送给主控制器。

主控制器根据来自串口通信模块的数字信号判断结构支架17是否转动至预定的第一位置，如果已经转至预定的第一位置，则控制黄灯停止闪烁，同时控制继电器给动调陀螺9的伺服回路以及陀螺电源供电，使得动调陀螺进入工作状态，主控制器通过A/D转换模块采集动调陀螺输出的地球自转角速率在该第一位置的分量信息，并在采集完成之后控制黄灯继续闪烁；如果结构支架17尚未转至预定的第一位置，则黄灯继续闪烁，直至结构支架17转至预定的第一位置为止。

当主控制器根据来自串口通信模块的数字信号判断结构支架17已经转至预定的第二位置后，主控制器控制黄灯停止闪烁，并通过A/D转换模块采集动调陀螺输出的地球自转角速率在该第二位置的分量信息，并在采集完成之后控制黄灯熄灭、绿灯亮；主控制器控制继电器停止给动调陀螺9的伺服回路以及陀螺电源供电，使得动调陀螺停止工作；主控制器根据地球自转角速率的第一位置的分量信息和第二位置的分量信息解算整个跟踪云台相对于真北方向的初始方位角，同时通过A/D转换模块采集俯仰轴角度传感器13测量到的上支架11相对于结构支架17的角度信息，并根据该信息解算上支架11相对于水平面的初始俯仰角。

主控制器分别通过串口通信模块和A/D转换模块继续采集来自方位轴角度 传感器的角度信息以及来自俯仰轴角度传感器的角度信息，并根据这两个角度信息及其内部存储的初始方位角和初始俯仰角实时解算当前整个跟踪云台相对于真北方向的方位角以及上支架11相对于水平面的俯仰角；之后，主控制器将该方位角和俯仰角信息通过对外接口6输出。

上述的A/D转换模块可以采用高精度24位A/D转换芯片。

图8示出了根据本发明的跟踪云台的工作流程。

按照图8所示的工作流程，首先将云台固定于三脚架上，通过观察金属法兰水准器15调平云台结构支架。上电后，将解脱锁紧机构5切换到大范围回转状态，手动转动云台，观察指示灯7的状态，黄灯长亮后表示转至预定的第一位置，动调陀螺9启动并由信号处理电路采样地球自转角速率在预定的第一位置的分量信息，采样结束后指示灯7的黄灯变为闪烁。之后，手动转动云台，观察指示灯7的状态，黄灯长亮后表示转至预定的第二位置，信号处理电路采样地球自转角速率在预定的第二位置的分量信息，采样结束后，动调陀螺9停止工作，此时采样俯仰轴角度传感器13的输出，经过初始对准解算出初始方位角和俯仰角并通过对外接口6输出；随后进入跟踪测角状态。

本发明中，利用方位轴组件14进行大范围回转或方位轴手轮16微调的方式带动载荷在水平面内转动；利用方位轴角度传感器2测量云台相对初始方位角转动的角度值，并结合初始方位角实时解算方位角；通过调整与俯仰轴组件3连接的俯仰轴手轮4，可以对载荷在俯仰轴方向微调并自锁，利用俯仰轴角度传感器13测量云台相对初始俯仰角转动的角度值，并结合初始俯仰角实时解算俯仰角。

云台外部通过底座与三脚架连接，主机支架安装在云台上部的上支架上，其上可安装燕尾槽进行快装机构，用于主机的卡紧、限位及快速锁紧、解脱。根据运动状态要求，云台沿方位轴回转，载荷随俯仰轴旋转。

通过初始对准得到初始方位角和俯仰角后，系统进入跟踪测角状态，此状态动调陀螺和陀螺伺服回路停止工作，主要依靠方位轴角度传感器2和俯仰轴角度传感器13连续测量相对转动的角度，主控制器在初始方位角和俯仰角的基 础上进行运算，实时地解算出当前的方位角和俯仰角，通过对外接口6实时对外发送。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台，其特征在于，包括后盖板(1)、方位轴角度传感器(2)、俯仰轴组件(3)、俯仰轴手轮(4)、解脱锁紧机构(5)、对外接口(6)、指示灯(7)、前面板(8)、动调陀螺(9)、上支架(11)、信号处理电路(12)、俯仰轴角度传感器(13)、方位轴组件(14)、金属法兰水准器(15)、方位轴手轮(16)、以及结构支架(17)，其中，

结构支架(17)为具有底面(1701)以及彼此相对的第一侧面(1702)和第二侧面(1703)的框架式结构；方位轴组件(14)位于结构支架的下面，并且结构支架(17)通过其底面(1701)可转动地支撑于方位轴组件(14)上；方位轴角度传感器(2)、俯仰轴组件(3)、动调陀螺(9)以及俯仰轴角度传感器(13)均布置在结构支架(17)内，俯仰轴手轮(4)安装在结构支架(17)第二侧面(1703)的外侧、并与俯仰轴组件(3)相关联，方位轴手轮(16)安装在结构支架(17)第一侧面(1702)的外侧、并与解脱锁紧机构(5)相关联，其中，动调陀螺(9)安装在结构支架(17)的底面(1701)上，并靠近于结构支架(17)的第一侧面(1702)；俯仰轴组件(3)安装在结构支架(17)的底面(1701)上，并靠近于结构支架(17)的第二侧面(1703)；俯仰轴角度传感器(13)安装在俯仰轴组件(3)上；方位轴角度传感器(2)安装在结构支架(17)底面(1701)的中部；

上支架(11)位于结构支架(17)的上面，并跨接结构支架(17)的第一侧面(1702)和第二侧面(1703)，并且，当俯仰轴手轮(4)转动时，俯仰轴组件(3)能够将俯仰轴手轮(4)的转动传递给上支架(11)，使得上支架(11)绕着其与第一侧面(1702)和第二侧面(1703)的连接点在俯仰方向转动；

解脱锁紧机构(5)能够将方位轴手轮(16)与方位轴组件(14)相关联，从而当方位轴手轮(16)转动时，整个结构支架(17)能够相对于方位轴组件(14)转动；并且解脱锁紧机构(5)还能够解除方位轴手轮(16)与方位轴组件(14)的关联，从而使得整个结构支架能够在外力的作用下相对于方位轴组 件(14)转动；

前面板(8)装配在结构支架(17)的前侧，信号处理电路(12)布置在前面板(8)的内侧面，指示灯(7)布置在前面板(8)的外侧面；信号处理电路(12)用于采集动调陀螺(9)、方位轴角度传感器(2)、俯仰轴角度传感器(13)的输出信息，并将这些信息解算为整个跟踪云台相对于真北方向的方位角和上支架(11)相对于水平面的俯仰角，通过对外接口(6)输出；同时，信号处理电路(12)还根据方位轴角度传感器(2)的输出信息，通过指示灯(7)提示操作者所述跟踪云台的工作状态；并且所述对外接口(6)布置在结构支架(17)的第二侧面(1703)的外侧面；

后盖板(1)装配在结构支架(17)的后侧，后盖板(1)的内侧面布置有二次电源电路，用于为所述跟踪云台提供满足要求的电压及功率的电源输出；

金属法兰水准器(15)安装在结构支架(17)第一侧面(1702)的外侧，用于对所述跟踪云台调水平。

2.根据权利要求1所述的双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台，其特征在于，所述俯仰轴组件(3)包括支架(31)、主动锥齿轮(32)、从动锥齿轮(33)、第一蜗杆(34)、扇形蜗轮(35)以及传动轴(36)，其中，

支架(31)包括背板(311)、第一侧板(312)以及第二侧板(313)，第一侧板(312)和第二侧板(313)分别垂直地连接在背板(311)的两侧；

第一蜗杆(34)的第一端和第二端分别通过轴承支撑于第一侧板(312)和第二侧板(313)，并且第一蜗杆(34)的第一端穿过第一侧板(312)伸出；从动锥齿轮(33)安装在第一蜗杆(34)的第二端，并位于第一侧板(312)的外侧；

主动锥齿轮(32)与从动锥齿轮(33)啮合，主动锥齿轮(32)与俯仰轴手轮(4)同轴，并且主动锥齿轮(32)与俯仰轴手轮(4)分别位于结构支架(17)第二侧面(1703)的内侧和外侧；

传动轴(36)的第一端和第二端分别通过轴承支撑在支架(31)的背板(311)与结构支架(17)第二侧面(1703)上，并且传动轴(36)的第一端穿过背板 (311)与安装在背板(311)背面的俯仰轴角度传感器(13)的敏感轴连接，传动轴(36)的第二端穿过结构支架(17)的第二侧面(1703)与上支架(11)的一端连接；

扇形蜗轮(35)与第一蜗杆(34)配合，扇形蜗轮(35)固定在传动轴(36)上。

3.根据权利要求1所述的双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台，其特征在于，所述方位轴组件(14)包括底座(141)、中心轴(142)、蜗轮(143)以及支撑法兰套(144)；结构支架(17)的底面(1701)具有自底面(1701)向上突起的罩部(1704)，方位轴角度传感器(2)安装在罩部(1704)的顶面上；底座(141)位于罩部(1704)的下面，中心轴(142)的第一端固定至底座(141)，其第二端垂直于底座(141)向上延伸与方位轴角度传感器(2)敏感轴连接；蜗轮(143)固定套装在中心轴(142)上，并位于罩部(1704)的内腔中；罩部(1704)的侧壁上开设有窗口(1705)，使得蜗轮(143)部分地露出；支撑法兰套(144)包括法兰部(1441)和套筒部(1442)，法兰部(1441)固定至结构支架(17)的底面(1701)，套筒部(1442)通过轴承可转动地套装在中心轴(142)上，从而将结构支架(17)可转动地支撑在中心轴(142)上；

解脱锁紧机构(5)包括偏心套筒(51)、第二蜗杆(52)、扳手组件，其中，偏心套筒(51)的第一端和第二端分别可转动地安装在结构支架(17)的第一侧面(1702)和第二侧面(1703)上，并且偏心套筒(51)的第二端自第二侧面(1703)伸出，偏心套筒(51)中空腔的中心线偏离于其回转轴线，并且偏心套筒(51)的侧壁上设置有连通至其中空腔的开口(511)，开口(511)的位置与罩部(1704)上的窗口(1705)的位置对应；

第二蜗杆(52)的两端可转动地安装在偏心套筒(51)的中空腔中；并且第二蜗杆(52)上用于与蜗轮(143)啮合的齿段的位置与偏心套筒(51)上开口(511)的位置相对应；

扳手组件固定在偏心套筒(51)伸出于第二侧面(1703)的第二端，并能够扳动偏心套筒(51)转动一定的角度，从而使得蜗轮(143)与第二蜗杆(52) 进入啮合状态或者脱离啮合；

方位轴手轮(16)固定至第二蜗杆(52)的第一端，其能够带动第二蜗杆(52)转动，通过第二蜗杆(52)与蜗轮(143)的啮合实现结构支架(17)相对于与底座(141)的小幅转动。

4.根据权利要求3所述的双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台，其特征在于，扳手组件包括限位盖板(18)、定位球(19)、弹簧(20)、以及扳手(21)，其中，

限位盖板(18)套装在偏心套筒(51)的第二端上，限位盖板(18)的外侧面上设有一段弧形滑槽(181)，滑槽(181)与偏心套筒(51)的回转轴线同心，滑槽(181)的始端与末端各具有一个定位锥形沉孔(182，183)，并且两个定位锥形沉孔(182，183)之间的夹角为90度；

扳手(21)通过螺钉套装固定在偏心套筒(51)第二端的端面上，扳手(21)包括转动把手部(211)和安装部(212)，安装部(212)的朝向限位盖板(18)的端面上设置有第一圆孔(2121)和第二圆孔(2122)，当安装到位时，安装部(212)盖设在偏心套筒(51)第二端的端面上，偏心套筒(51)的第二端插设于第一圆孔(2121)中，并通过螺钉与安装部(212)固定连接，定位球(19)和弹簧(20)顺序地放置在第二圆孔(2122)中，并且定位球(19)在弹簧(20)的弹力作用下抵接限位盖板(18)的滑槽(181)；当扳动扳手(21)的转动把手部(211)时，定位球(19)能够沿着限位盖板(18)的滑槽(181)滑动，并能够分别定位于滑槽(181)两端的两个定位锥形沉孔(182，183)中，将扳手(21)分别定位于锁紧状态或者解锁状态，并实现蜗轮(143)与第二蜗杆的啮合或分离。

5.根据权利要求1所述的双自由度具有惯性定向功能的跟踪云台，其特征在于，所述信号处理电路(12)包括主控制器、A/D转换模块、继电器、陀螺电源、串口通信模块；并且指示灯包括红、黄、绿三种灯，其中，

当通过二次电源电路供电后，主控制器控制指示灯(7)中的红灯亮、黄灯闪烁；方位轴角度传感器(2)开始采集结构支架(17)相对于方位轴组件(14) 的角度信息，并将其采集的角度信息传送给串口通信模块，串口通信模块将该角度信息转换为数字信号后传送给主控制器；

主控制器根据来自串口通信模块的数字信号判断结构支架(17)是否转动至预定的第一位置，如果已经转至预定的第一位置，则控制黄灯停止闪烁，同时控制继电器给动调陀螺(9)的伺服回路以及陀螺电源供电，使得动调陀螺进入工作状态，主控制器通过A/D转换模块采集动调陀螺输出的地球自转角速率在该第一位置的分量信息，并在采集完成之后控制黄灯继续闪烁；如果结构支架(17)尚未转至预定的第一位置，则黄灯继续闪烁，直至结构支架(17)转至预定的第一位置为止；

当主控制器根据来自串口通信模块的数字信号判断结构支架(17)已经转至预定的第二位置后，主控制器控制黄灯停止闪烁，并通过A/D转换模块采集动调陀螺输出的地球自转角速率在该第二位置的分量信息，并在采集完成之后控制黄灯熄灭、绿灯亮；主控制器控制继电器停止给动调陀螺(9)的伺服回路以及陀螺电源供电，使得动调陀螺停止工作；主控制器根据地球自转角速率的第一位置的分量信息和第二位置的分量信息解算整个跟踪云台相对于真北方向的初始方位角，同时通过A/D转换模块采集俯仰轴角度传感器(13)测量到的上支架(11)相对于结构支架(17)的角度信息，并根据该信息解算上支架(11)相对于水平面的初始俯仰角；

主控制器分别通过串口通信模块和A/D转换模块继续采集来自方位轴角度传感器的角度信息以及来自俯仰轴角度传感器的角度信息，并根据这两个角度信息及其内部存储的初始方位角和初始俯仰角实时解算当前整个跟踪云台相对于真北方向的方位角以及上支架(11)相对于水平面的俯仰角；之后，主控制器将该方位角和俯仰角信息通过对外接口(6)输出。