CN105972404B - 一种自稳定云台及其无线组网方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及云台技术领域，尤其是一种自稳定云台及其无线组网方法，通过无线信号控制驱动机构通过线缆给驱动机构供电，其布线可以大大简化，相应的滑环结构可以简化，成本降低，结构简化后滑环部分的磨损减少，云台整体运行稳定性和寿命提高，此外改进后的滑环结构的法兰盘可以进一步提高轴套与驱动轴的连接稳定性，驱动轴转动时轴套运行更平稳，从而轴套内的内环针套和外环针套运行可靠，可以始终保持内插针与内环针套的电连接以及外插针与外环针套的电连接。
Description
技术领域
本发明涉及云台技术领域，尤其是一种自稳定云台及其组网方法。
背景技术
现有技术中的云台在旋转节点上多采用滑环进行旋转连接，由于云台布线复杂，相应的滑环部分结构复杂，生产成本较高，在长期运行后旋转节点处容易发生松动，导致电连接失效，而且云台多使用无刷电机或两相混合式步进电机进行驱动，使得生产成本更加高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种成本低控制精度高且运行可靠的自稳定云台及其无线组网方法。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：
本发明的自稳定云台包括基座、铰接在基座上的旋转座和铰接在旋转座上的俯仰架，所述俯仰架上铰接有固定架，所述旋转座的两端均设驱动机构，其中，位于旋转座下端的驱动机构的驱动轴通过滑环结构与基座连接，位于旋转座上端的驱动机构的驱动轴通过滑环结构与俯仰架的一端连接，所述固定架的一端设有驱动机构，所述固定架上的驱动机构的驱动轴通过滑环结构与所述俯仰架的另外一端固定连接，所述固定架的底部设有主控制器，所述主控制器通过三个所述滑环结构接入电源然后供电给所述固定架上的驱动机构，并且发送控制信号给所述固定架上的驱动机构，所述旋转座上设有辅助控制器，所述辅助控制器通过旋转座下端的滑环结构接入电源然后供电给所述旋转座两端的驱动机构，所述辅助控制器从所述主控制器上下载控制信号，所述辅助控制器根据控制信号分别控制所述旋转座两端的驱动机构。
本发明所述主控制器包括主控模块、电源稳压电路Ⅰ和无线收发模块Ⅰ，所述电源稳压电路Ⅰ通过三个所述滑环结构与基座上的电源电连接以输入电源，所述电源稳压电路Ⅰ分别与主控模块、无线收发模块Ⅰ和固定架上的驱动机构电连接以提供电源，所述主控模块与所述无线收发模块Ⅰ相连，所述主控模块发出的控制信号通过所述无线收发模块Ⅰ发送给所述固定架上的驱动机构。
本发明所述辅助控制器包括微处理器、电源稳压电路Ⅱ和无线收发模块Ⅱ，所述电源稳压电路Ⅱ通过旋转座下端的滑环结构与基座上的电源电连接以输入电源，所述电源稳压电路Ⅱ分别与微处理器、无线收发模块Ⅱ和旋转座两端的驱动机构电连接以提供电源，所述微处理器与所述无线收发模块Ⅱ相连，所述微处理器通过无线收发模块Ⅱ接收所述主控模块的信号并将该信号处理后发送给所述旋转座两端的驱动机构。
本发明所述固定架上还安装有陀螺仪模块，所述陀螺仪模块的检测信号通过所述无线收发模块Ⅰ传递给所述主控模块。
本发明所述驱动机构包括永磁步进电机、电机驱动器和齿轮减速机构，所述电机驱动器根据接收到的PWM控制信号驱动所述永磁步进电机运动，所述永磁步进电机的输出端安装所述齿轮减速机构，所述永磁步进电机通过齿轮减速机构驱动所述驱动轴。
本发明所述滑环结构包括固定在所述驱动机构上的针座，所述针座上设有内插针和外插针，所述针座上可转动地安装有内环针套和外环针套，所述内环针套和外环针套朝向针座的面上均设有环形槽，所述内插针位于内环针套的环形槽内并与内环针套保持电连接，所述外插针位于外环针套的环形槽内并与外环针套保持电连接。
本发明所述滑环结构还包括轴套，所述内环针套和外环针套固定在轴套内，所述驱动轴伸出所述内环针套并与所述轴套固定连接，所述驱动轴的端部还固定有法兰盘，所述轴套的外周面与所述旋转座或固定架的端部固定连接。
本发明所述轴套和法兰盘均设有固定驱动轴的轴孔，所述驱动轴的端部贯穿所述轴套的轴孔并插接到所述法兰盘的轴孔内，所述法兰盘通过螺栓固定到所述轴套上，所述针座上设有出线孔，所述轴座上设有进线孔。
本发明还提供一种自稳定云台无线组网方法，用于上述的自稳定云台，包括以下步骤：
a.建立物理可通信层：系统上电后主控制器发送包含有工作频段的握手消息给辅助控制器、电机驱动器和陀螺仪模块，若握手成功，则辅助控制器、固定架的电机驱动器和陀螺仪模块根据该握手消息确认工作频段，并向主控制器发送握手响应消息，否则主控制器连接失败计数1并重新发送握手信息，当主控制器连接失败计数大于3时，主控制器按照内置程序跳转工作频段，并按照上述方法重新发送握手信息直至辅助控制器、电机驱动器和陀螺仪模块都握手成功，从而确定主控制器、辅助控制器、电机驱动器和陀螺仪模块的工作频段；
b.建立网络可通信层：系统上电后所述主控制器、辅助控制器、电机驱动器和陀螺仪模块预先输入通信协议数据，该通信协议数据包括唯一的通信地址、通行口令和校验数据，所述辅助控制器、电机驱动器和陀螺仪模块分别发送所述通信协议数据给所述主控制器，如果所述主控制器接收到的通信协议数据与其内部存储的通信协议数据不同，则主控制器无答复，相应的设备入网失败，如果所述主控制器接收的通信协议数据与其内部存储的通信协议数据完全一致，则与相应的设备建立私有通信通道。
本发明在所述步骤b中设备申请入网的步骤如下：首先设备通过公共通道发送入网申请给所述主控制器，如果所述主控制器无答复则入网失败，如果主控制器有答复，则该设备接收主控制器发送的通信协议数据并发送响应信息给所述主控制器，所述主控制器配置网络并将该设备转入私有通信通道，该设备入网成功。
本发明的自稳定云台的有益效果是：1、本发明的自稳定云台的驱动机构通过无线信号控制驱动机构通过线缆给驱动机构供电，其布线可以大大简化，相应的滑环结构可以简化，成本降低，结构简化后滑环部分的磨损减少，云台整体运行稳定性和寿命提高；2、改进后的滑环结构的法兰盘可以进一步提高轴套与驱动轴的连接稳定性，驱动轴转动时轴套运行更平稳，从而轴套内的内环针套和外环针套运行可靠，可以始终保持内插针与内环针套的电连接以及外插针与外环针套的电连接；3、使用价格低的永磁步进电机替代价格较高的两相混合式步进电机或无刷电机作为驱动机构，大大降低了云台整体生产成本，加入齿轮减速机构之后，永磁步进电机的控制精度得到提高，保证云台运行平稳性；4、无线组网采用唯一的通信地址、校验数据和通行口令三重加密模式，设备接入时验证通信协议数据是否属于网络内部，来防止未经允许设备的接入，从而提高了内部无线网络的抗干扰性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的自稳定云台的整体结构示意图；
图2是本发明的自稳定云台的支撑架构示意图；
图3是本发明的驱动机构结构示意图；
图4是本发明的滑环结构示意图；
图5是本发明的滑环结构安装示意图；
图6是本发明的自稳定云台的无线组网原理框图；
图7是本发明的自稳定云台的建立物理可通信层的流程图；
图8是本发明的自稳定云台的入网申请流程图。
其中：旋转座1；俯仰架2；固定架3；驱动机构4；主控制器5；辅助控制器6；陀螺仪模块7；针座81，内环针套82，外环针套83，轴套84，法兰盘85。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-8所示，本实施例的自稳定云台包括基座、铰接在基座上的旋转座1和铰接在旋转座1上的俯仰架2，俯仰架2上铰接有固定架3，旋转座1的两端均设驱动机构4，其中，位于旋转座1下端的驱动机构4的驱动轴通过滑环结构与基座连接，位于旋转座1上端的驱动机构4的驱动轴通过滑环结构与俯仰架2的一端连接，固定架3的一端设有驱动机构4，固定架3上的驱动机构4的驱动轴通过滑环结构与俯仰架2的另外一端固定连接，固定架3的底部设有主控制器5，主控制器5通过三个滑环结构接入电源然后供电给固定架3上的驱动机构4，并且发送控制信号给固定架3上的驱动机构4，旋转座1上设有辅助控制器6，辅助控制器6通过旋转座1下端的滑环结构接入电源然后供电给旋转座1两端的驱动机构4，辅助控制器6从主控制器5上下载控制信号，辅助控制器6根据控制信号分别控制旋转座1两端的驱动机构4，本实施例中的云台的驱动机构4通过无线信号控制驱动机构4通过线缆给驱动机构4供电，其布线可以大大简化，相应的滑环结构可以简化，成本降低，结构简化后滑环部分的磨损减少，云台整体运行稳定性和寿命提高。
本实施例中的主控制器5包括主控模块、电源稳压电路Ⅰ和无线收发模块Ⅰ，电源稳压电路Ⅰ通过三个滑环结构与基座上的电源电连接以输入电源，电源稳压电路Ⅰ分别与主控模块、无线收发模块Ⅰ和固定架3上的驱动机构4电连接以提供电源，主控模块与无线收发模块Ⅰ相连，主控模块发出控制信号通过无线收发模块Ⅰ发送给固定架3上的驱动机构4，其中，固定架3上还安装有陀螺仪模块7，陀螺仪模块7的检测信号通过无线收发模块Ⅰ传递给主控模块。
本实施例中的主控模块为8位单片机，用来接收来自陀螺仪模块7的角度信息并求解出三元数以得出当前云台姿态，并根据控制算法产生三路控制信号控制驱动机构4的相位角以达到调节云台姿态的目的。
本实施例中的无线收发模块Ⅰ是工作在2.4GHz-2.5GHzISM频段的单片无线收发器芯片，主要功能是收发无线信号，而且可以接收来自外部独立配置的遥控器的指令并发送给主控模块，主控模块根据遥控信号调整云台姿态。
本实施例中的陀螺仪模块7的主要功能是将其测量的模拟量转化为可输出的数字量并发送给主控模块，主控模块计算处理得出云台的控制策略。
本实施例中的电源稳压电路Ⅰ为升压降压电路，该电路是先将7.4V的电源电压升压到12-25V,给永磁步进电机供电，然后再降压到3.3V后，供给各个模块标准工作电压。
本实施例中的辅助控制器6包括微处理器、电源稳压电路Ⅱ和无线收发模块Ⅱ，电源稳压电路Ⅱ通过旋转座1下端的滑环结构与基座上的电源电连接以输入电源，电源稳压电路Ⅱ分别与微处理器、无线收发模块Ⅱ和旋转座1两端的驱动机构4电连接以提供电源，微处理器与无线收发模块Ⅱ相连，微处理器通过无线收发模块Ⅱ接收主控模块的信号并将该信号处理后发送给旋转座1两端的驱动机构4。其中，电源稳压电路Ⅱ和无线收发模块Ⅱ与主控制器5的电源稳压电路Ⅰ和无线收发模块Ⅰ相同，不同之处在于，辅助控制器6的微处理器接收主控制器5的控制信号然后将该控制信号处理后发送给驱动机构4。
本实施例中的驱动机构4包括永磁步进电机、电机驱动器和齿轮减速机构，电机驱动器根据接收到的PWM控制信号驱动永磁步进电机运动，永磁步进电机的输出端安装齿轮减速机构，永磁步进电机通过齿轮减速机构驱动驱动轴。使用价格低的永磁步进电机替代价格较高的两相混合式步进电机或无刷电机作为驱动机构4，大大降低了云台整体生产成本，加入齿轮减速机构之后，永磁步进电机的控制精度得到提高，保证云台运行平稳性。
本实施例中的电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动永磁步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，永磁步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
固定架3上的驱动机构4直接由主控制器5控制，主控制器5向固定架3上的电机驱动器发出PWM脉冲控制信号，主控制器5可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制永磁步进电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。而旋转座1两端的驱动机构4由辅助控制器6控制，具体地，主控制器5将包含有控制命令的控制信号发送给辅助控制器6，辅助控制器6将该控制信号转换为PWM脉冲控制信号，然后发送给旋转座1两端的电机驱动器，本实施例中的自稳定云台采用无线传输控制信号取代了有线传输，使得布线简化。
本实施例还提供一种结构简化且稳定性高的滑环结构，具体地，滑环结构包括固定在驱动机构4上的针座81，针座81上设有内插针和外插针，针座81上可转动地安装有内环针套82和外环针套83，内环针套82和外环针套83朝向针座81的面上均设有环形槽，内插针位于内环针套82的环形槽内并与内环针套82保持电连接，外插针位于外环针套83的环形槽内并与外环针套83保持电连接，由于控制信号的线缆由无线连接代替，该种滑环结构仅需要连接两根传输电源的线缆，结构大大简化，成本降低。该滑环结构还包括轴套84，内环针套82和外环针套83固定在轴套84内，驱动轴伸出内环针套82并与轴套84固定连接，驱动轴的端部还固定有法兰盘85，轴套84的外周面与旋转座1或固定架3的端部固定连接。轴套84和法兰盘85均设有固定驱动轴的轴孔，驱动轴的端部贯穿轴套84的轴孔并插接到法兰盘85的轴孔内，法兰盘85通过螺栓固定到轴套84上，法兰盘85可以进一步提高轴套84与驱动轴的连接稳定性，驱动轴转动时轴套84运行更平稳，从而轴套84内的内环针套82和外环针套83运行可靠，可以始终保持内插针与内环针套82的电连接以及外插针与外环针套83的电连接。
为了便于连接线缆，针座81上设有出线孔，轴座上设有进线孔。
本实施例还提供一种自稳定云台无线组网方法，用于上述的自稳定云台，包括以下步骤：
a.建立物理可通信层：系统上电后主控制器5发送包含有工作频段的握手消息给辅助控制器6、电机驱动器和陀螺仪模块7，若握手成功，则辅助控制器6、固定架3的电机驱动器和陀螺仪模块7根据该握手消息确认工作频段，并向主控制器5发送握手响应消息，否则主控制器5连接失败计数1并重新发送握手信息，当主控制器5连接失败计数大于3时，主控制器5按照内置程序跳转工作频段，并按照上述方法重新发送握手信息直至辅助控制器6、电机驱动器和陀螺仪模块7都握手成功，从而确定主控制器5、辅助控制器6、电机驱动器和陀螺仪模块7的工作频段，此时各模块之间的通信信道建立；
b.建立网络可通信层：系统上电后主控制器5、辅助控制器6、电机驱动器和陀螺仪模块7预先输入通信协议数据，该通信协议数据包括唯一的通信地址、通行口令和校验数据，辅助控制器6、电机驱动器和陀螺仪模块7分别发送通信协议数据给主控制器5，如果主控制器5接收到的通信协议数据与其内部存储的通信协议数据不同，则主控制器5无答复，相应的设备入网失败，如果主控制器5接收的通信协议数据与其内部存储的通信协议数据完全一致，则与相应的设备建立私有通信通道，本实施例中的无线组网采用唯一的通信地址、校验数据和通行口令三重加密模式，设备接入时验证通信协议数据是否属于网络内部，来防止未经允许设备的接入，从而提高了内部无线网络的抗干扰性。
如果有新设备需要入网，则可以按照以下方法完成，在步骤b中设备申请入网的步骤如下：首先设备通过公共通道发送入网申请给主控制器5，如果主控制器5无答复则入网失败，如果主控制器5有答复，则该设备接收主控制器5发送的通信协议数据并发送响应信息给主控制器5，主控制器5配置网络并将该设备转入私有通信通道，该设备入网成功，例如如果需要更换遥控器，新的遥控器在入网前需要发送入网申请，如果主控制器5有答复，则该遥控器接收主控制器5发送的通信协议数据并发送响应信息给主控制器5，主控制器5配置网络并将该遥控器转入私有通信通道，该遥控器入网成功。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种自稳定云台，包括基座、铰接在基座上的旋转座(1)和铰接在旋转座(1)上的俯仰架(2)，所述俯仰架(2)上铰接有固定架(3)，其特征在于：所述旋转座(1)的两端均设驱动机构(4)，其中，位于旋转座(1)下端的驱动机构(4)的驱动轴通过滑环结构与基座连接，位于旋转座(1)上端的驱动机构(4)的驱动轴通过滑环结构与俯仰架(2)的一端连接，所述固定架(3)的一端设有驱动机构(4)，所述固定架(3)上的驱动机构(4)的驱动轴通过滑环结构与所述俯仰架(2)的另外一端固定连接，所述固定架(3)的底部设有主控制器(5)，所述主控制器(5)通过三个所述滑环结构接入电源然后供电给所述固定架(3)上的驱动机构(4)，并且发送控制信号给所述固定架(3)上的驱动机构(4)，所述旋转座(1)上设有辅助控制器(6)，所述辅助控制器(6)通过旋转座(1)下端的滑环结构接入电源然后供电给所述旋转座(1)两端的驱动机构(4)，所述辅助控制器(6)从所述主控制器(5)上下载控制信号，所述辅助控制器(6)根据控制信号分别控制所述旋转座(1)两端的驱动机构(4)；所述主控制器(5)包括主控模块、电源稳压电路Ⅰ和无线收发模块Ⅰ，所述电源稳压电路Ⅰ通过三个所述滑环结构与基座上的电源电连接以输入电源，所述电源稳压电路Ⅰ分别与主控模块、无线收发模块Ⅰ和固定架(3)上的驱动机构(4)电连接以提供电源，所述主控模块与所述无线收发模块Ⅰ相连，所述主控模块发出的控制信号通过所述无线收发模块Ⅰ发送给所述固定架(3)上的驱动机构(4)。
2.根据权利要求1所述的自稳定云台，其特征在于：所述辅助控制器(6)包括微处理器、电源稳压电路Ⅱ和无线收发模块Ⅱ，所述电源稳压电路Ⅱ通过旋转座(1)下端的滑环结构与基座上的电源电连接以输入电源，所述电源稳压电路Ⅱ分别与微处理器、无线收发模块Ⅱ和旋转座(1)两端的驱动机构(4)电连接以提供电源，所述微处理器与所述无线收发模块Ⅱ相连，所述微处理器通过无线收发模块Ⅱ接收所述主控模块的信号并将该信号处理后发送给所述旋转座(1)两端的驱动机构(4)。
3.根据权利要求2所述的自稳定云台，其特征在于：所述固定架(3)上还安装有陀螺仪模块(7)，所述陀螺仪模块(7)的检测信号通过所述无线收发模块Ⅰ传递给所述主控模块。
4.根据权利要求3所述的自稳定云台，其特征在于：所述驱动机构(4)包括永磁步进电机、电机驱动器和齿轮减速机构，所述电机驱动器根据接收到的PWM控制信号驱动所述永磁步进电机运动，所述永磁步进电机的输出端安装所述齿轮减速机构，所述永磁步进电机通过齿轮减速机构驱动所述驱动轴。
5.根据权利要求4所述的自稳定云台，其特征在于：所述滑环结构包括固定在所述驱动机构(4)上的针座(81)，所述针座(81)上设有内插针和外插针，所述针座(81)上可转动地安装有内环针套(82)和外环针套(83)，所述内环针套(82)和外环针套(83)朝向针座(81)的面上均设有环形槽，所述内插针位于内环针套(82)的环形槽内并与内环针套(82)保持电连接，所述外插针位于外环针套(83)的环形槽内并与外环针套(83)保持电连接。
6.根据权利要求5所述的自稳定云台，其特征在于：所述滑环结构还包括轴套(84)，所述内环针套(82)和外环针套(83)固定在轴套(84)内，所述驱动轴伸出所述内环针套(82)并与所述轴套(84)固定连接，所述驱动轴的端部还固定有法兰盘(85)，所述轴套(84)的外周面与所述旋转座(1)或固定架(3)的端部固定连接。
7.根据权利要求6所述的自稳定云台，其特征在于：所述轴套(84)和法兰盘(85)均设有固定驱动轴的轴孔，所述驱动轴的端部贯穿所述轴套(84)的轴孔并插接到所述法兰盘(85)的轴孔内，所述法兰盘(85)通过螺栓固定到所述轴套(84)上，所述针座(81)上设有出线孔，所述轴套(84)上设有进线孔。
8.一种自稳定云台无线组网方法，用于如权利要求1-7任意一项所述的自稳定云台，其特征在于：包括以下步骤：
a.建立物理可通信层：系统上电后主控制器(5)发送包含有工作频段的握手消息给辅助控制器(6)、电机驱动器和陀螺仪模块(7)，若握手成功，则辅助控制器(6)、固定架(3)的电机驱动器和陀螺仪模块(7)根据该握手消息确认工作频段，并向主控制器(5)发送握手响应消息，否则主控制器(5)连接失败计数1并重新发送握手信息，当主控制器(5)连接失败计数大于3时，主控制器(5)按照内置程序跳转工作频段，并按照上述方法重新发送握手信息直至辅助控制器(6)、电机驱动器和陀螺仪模块(7)都握手成功，从而确定主控制器(5)、辅助控制器(6)、电机驱动器和陀螺仪模块(7)的工作频段；
b.建立网络可通信层：系统上电后所述主控制器(5)、辅助控制器(6)、电机驱动器和陀螺仪模块(7)预先输入通信协议数据，该通信协议数据包括唯一的通信地址、通行口令和校验数据，所述辅助控制器(6)、电机驱动器和陀螺仪模块(7)分别发送所述通信协议数据给所述主控制器(5)，如果所述主控制器(5)接收到的通信协议数据与其内部存储的通信协议数据不同，则主控制器(5)无答复，相应的设备入网失败，如果所述主控制器(5)接收的通信协议数据与其内部存储的通信协议数据完全一致，则与相应的设备建立私有通信通道。
9.根据权利要求8所述的自稳定云台无线组网方法，其特征在于：在所述步骤b中设备申请入网的步骤如下：首先设备通过公共通道发送入网申请给所述主控制器(5)，如果所述主控制器(5)无答复则入网失败，如果主控制器(5)有答复，则该设备接收主控制器(5)发送的通信协议数据并发送响应信息给所述主控制器(5)，所述主控制器(5)配置网络并将该设备转入私有通信通道，该设备入网成功。
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