CN104714558A - 一种飞行员头盔随动演示仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞行员头盔随动演示仪，属于机电控制技术领域，包括：头盔，摄像头a和三轴陀螺仪模块，摄像头b，舵机，三自由度随动机构，单片机，三自由度机构拍摄软件界面和头盔拍摄软件界面；飞行员头部运动时，三轴陀螺仪模块测量出头部绕空间笛卡尔坐标系各轴的偏转角度，传输给单片机转换后，驱动三个舵机控制三自由度随动机构绕X轴，Y轴和Z轴做旋转运动，从而产生跟随动作；通过终端软件界面时时更新展示拍摄画面，对比得到的跟随效果。本发明的优点在于：用三轴陀螺仪可精确测量飞行员头部运动，在成本与性能之间取得平衡，结构简单，便于推广，既可用于理论研究，例如随动系统结构改进等，又可为实践教学提高硬件支持。

Description

一种飞行员头盔随动演示仪
技术领域
本发明属于机电控制技术领域，具体是通过陀螺仪进行飞行员头盔方位姿态测量，并完成三自由度机构跟随的一种飞行员头盔随动演示仪。
背景技术
飞行员头盔随动系统是近年来逐步得到发展的一项技术，通过计算飞行员头盔绕独立坐标轴的偏转角度，传递给控制系统，控制并驱动相应机械结构做出跟随动作，从而加快了目标的发现及锁定速度。这种跟随系统不仅可以用于飞行员头盔，还可以用于火炮等军事装备以及民用领域。
现有技术中，飞行员头盔随动系统的原理及实例在部分国家的军队中已经有了初步的探索应用，在自动控制原理课程有相应的原理介绍，但是只是说教式的知识传授与理论研究，需要开发出一种演示仪器，能够直观地展现出通过陀螺仪测量角度单片机驱动舵机的精确控制，加上图像对比部分，实现跟随机构对特定目标的跟踪和瞄准。
由于这项技术研究尚未普遍展开，并且出于技术保密原因，相关已有技术实例无从查找。
发明内容
本发明的目的在于解决飞行员头盔随动机构国内研究的空白及教学工作中没有相应演示仪的问题。
一种飞行员头盔随动演示仪，包括：飞行员头盔拍摄模块，三自由度机构拍摄模块和终端软件界面三部分，这三部分之间两两通过信号传输线连接。
飞行员头盔拍摄模块包括：头盔，摄像头a和三轴陀螺仪模块；
摄像头a固定在头盔的正上方，采集飞行员正前方画面传输到终端软件界面；三轴陀螺仪模块固定于头盔的内部，精确地测量飞行员头部绕空间笛卡尔坐标系各轴的偏转角，并将X轴，Y轴和Z轴的转角信息传递给三自由度机构拍摄模块。
三自由度机构拍摄模块包括：摄像头b，舵机，三自由度随动机构，单片机和电源模块；
舵机共有三个，其中一个安装在单片机与三自由度随动机构的连接的转轴处，另外两个固定安装在三自由度随动机构其余两个转轴处，三个舵机的转轴分别与笛卡尔坐标系的X轴，Y轴和Z轴平行，分别控制三自由度随动机构沿X轴，Y轴和Z轴做旋转运动。电源模块为单片机供电，单片机将三轴陀螺仪模块输出的信号转换后发出PWM信号作为指令控制三个舵机，摄像头b设置在三自由度随动机构上方，使摄像头b与摄像头a初始时刻所采集的画面一致，并传输给终端软件界面；
终端软件界面包括：三自由度机构软件界面和头盔软件界面；通过终端软件界面时时更新展示，对比得到跟随效果。
本发明的优点在于：
(1)、一种飞行员头盔随动演示仪，利用现有单片机和三轴陀螺仪等低成本器件设计，便于推广，该演示仪不仅能够用于随动系统的理论研究，而且也能够为日常实践教学提供良好的硬件支持。
(2)、一种飞行员头盔随动演示仪，用三轴陀螺仪可精确测量飞行员头部运动，在成本与性能之间取得平衡，结构简单，便于推广，既可用于理论研究，例如随动系统结构改进等，又可为实践教学提高硬件支持。
附图说明
图1是本发明一种飞行员头盔随动演示仪的结构原理图。
图2是本发明一种飞行员头盔随动演示仪的信号传递示意图。
图中:1---摄像头a，2---头盔，3---三轴陀螺仪模块，4---摄像头b，5---舵机，6---三自由度随动机构，7---单片机，8---电源模块，9---三自由度机构软件界面，10---头盔软件界面，11---终端软件界面，12---信号传输线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
一种飞行员头盔随动演示仪，如图1所示，包括：飞行员头盔拍摄模块，三自由度机构拍摄模块和终端软件界面11三部分，这三部分之间两两通过信号传输线12连接。
其中，飞行员头盔拍摄模块包括：飞行员的头盔2，摄像头a1和三轴陀螺仪模块3，
头盔2为普通树脂制作，方便二次改进。
摄像头a1固定在飞行员头盔2的正上方，镜头拍摄飞行员正前方画面，并通过信号传输线12将采集的画面传输到终端软件界面11；三轴陀螺仪模块3为MPU-6050模块，固定于头盔2的内部，通过测定绕X轴，Y轴和Z轴的转动速度和加速度，能够精确地测量飞行员头部绕空间笛卡尔坐标系各轴的偏转角，并通过信号传输线12将X轴，Y轴和Z轴的转角信息传递给三自由度机构拍摄模块。
三自由度机构拍摄模块包括：摄像头b4，舵机5，三由度随动机构6，单片机7和电源模块8；
舵机5共有三个，选用其中一个舵机5安装在单片机7与三自由度随动机构6的连接转轴处，另外两个舵机5固定安装在三自由度随动机构6的其余两个转轴处，三个舵机5的转轴分别与笛卡尔坐标系的X轴，Y轴和Z轴平行。
电源模块8为单片机7供电，单片机7为Arduino，分别与三个舵机5相连，将三轴陀螺仪模块3输出的信号转换后发出一系列PWM信号作为指令控制三个舵机5，三个舵机5为RB-150MG舵机，控制三自由度随动机构6绕X轴，Y轴和Z轴做旋转运动，其中上下方向设定为Y轴，左右方向设定为X轴，前后方向设定为Z轴；三自由度随动机构6由铝合金材料构成，便于舵机5的安装。
摄像头b4设置在三自由度随动机构6上方，镜头与摄像头a1镜头方向设置一致，对同一个画面进行采集，同时通过信号传输线12传输给终端软件界面11；
终端软件界面11包括：三自由度机构软件界面9和头盔软件界面10；
飞行员头盔随动演示仪的信号传递如图2所示，当飞行员头部运动时，三轴陀螺仪模块3测量出头部偏离空间笛卡尔坐标系各轴的偏转角度，通过信号传输线12传输给单片机7，同时摄像头a1拍摄飞行员正前方画面，并传输到终端软件界面11。
单片机7将三轴陀螺仪模块3输出的信号转换后，发出驱动指令控制三个舵机5，控制三自由度随动机构6绕X轴，Y轴和Z轴做旋转运动，从而产生跟随动作。摄像头b4镜头拍摄三自由度随动机构6的跟随画面，同时通过信号传输线12传输给终端软件界面11；
通过终端软件界面11上时时进行更新展示，通过对比即可看出跟随效果。

Claims (3)

1.一种飞行员头盔随动演示仪，其特征在于，包括飞行员头盔拍摄模块，三自由度机构拍摄模块和终端软件界面三部分，这三部分之间两两通过信号传输线连接；
飞行员头盔拍摄模块包括：头盔，摄像头a和三轴陀螺仪模块；
摄像头a固定在头盔的正上方，采集飞行员正前方画面传输到终端软件界面；三轴陀螺仪模块固定于头盔的内部，测量飞行员头部绕空间笛卡尔坐标系各轴的偏转角，并将X轴，Y轴和Z轴的转角信息传递给三自由度机构拍摄模块；
三自由度机构拍摄模块包括：摄像头b，舵机，三自由度随动机构和单片机；
摄像头b设置在三自由度随动机构上方，使摄像头b与摄像头a初始时刻所采集的画面一致；舵机共有三个，分别控制三自由度随动机构沿X轴，Y轴和Z轴做旋转运动，单片机将三轴陀螺仪模块输出的信号转换后发出指令控制三个舵机，进而控制摄像机b沿X轴，Y轴和Z轴做旋转运动；随后将摄像头b所采集的画面传输给终端软件界面；
终端软件界面包括：三自由度机构软件界面和头盔软件界面；通过时时对摄像头a与摄像头b采集的画面对比得到跟随效果。
2.如权利要求1所述的一种飞行员头盔随动演示仪，其特征在于，所述的三个舵机，其中一个安装在单片机与三自由度随动机构的连接转轴处，另外两个固定安装在三自由度随动机构转轴处，三个舵机的转轴分别与笛卡尔坐标系的X轴，Y轴和Z轴平行。
3.如权利要求1所述的一种飞行员头盔随动演示仪，其特征在于，所述的三自由度机构拍摄模块还包括电源模块。
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