CN106441256B - 混合型云台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合型云台，其包括：起承载作用的云台平面(3)；与所述云台平面(3)连接的机械陀螺(1)；能够调整所述机械陀螺(1)的运动的运动调整机构；以及能够对所述机械陀螺(1)的运动响应于所述调整机构而发生的变化进行测量的电子测控机构(2)。根据本发明的混合型云台，在利用机械陀螺实现云台稳定的同时，还通过电子控制机制增强了云台的响应能力并提高了云台的运动速度。

Description

混合型云台

技术领域

本发明涉及用于安装、固定例如拍摄仪器设备的装置的领域，尤其涉及该领域中的混合型云台。

背景技术

云台是安装、固定某种仪器设备的装置，其通常分为固定式和运动式两种类型。固定式云台可人工调整云台设备安装面的角度，在达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了，例如照相机三角架上的手动云台等。运动式云台则是通过外部信号进行控制，并由云台内部的伺服机构将云台安装平面旋转到期望的角度。

运动式云台通常又可包括机械稳定云台和电子稳定云台两种类型。

机械稳定云台的内部通常装有高速旋转的陀螺转子，利用陀螺效应、即陀螺的定轴性使陀螺的旋转轴保持在空间的固定取向上。机械稳定云台一般应用于大型的航天和航海设备、例如惯性导航平台等中。这种大型平台在云台轴上也会装设电动机并施加一定扭力，使平台与地球表面始终平行，从而解决飞机或船只在长距离运动后出现的水平面随地球曲率变化的问题。

电子云台则通常是由安装在云台上的电子陀螺仪、加速度计等电子测控装置对云台和云台框架的运动进行测量，并由电动机来调整云台框架的角度，从而实现对云台的控制。

然而，无论是机械稳定型云台还是电子控制型云台，都存在尚未得到有效解决的问题及缺点。

具体而言，机械稳定型云台利用了陀螺的定轴性，其稳定性能与用于克服云台框架的轴的阻力的能力及陀螺的转动惯量成正比，也就是说，机械云台承载的设备越重或要求的精度越高，就越需要增加机械陀螺的体积和重量。故而一般都是在大型设备中才使用这类机械稳定型云台。机械稳定云台的另一个缺点是，由于其设计目的是要提供一个稳定的“水平基准面”，因而要求陀螺重量足够大，其重量越大则其定轴性就越好，但是这也正意味着越难以移动陀螺轴线，且也致使云台的移动速度非常慢。这表示，机械稳定型云台的陀螺轴线方向几乎始终平行于当地重力的方向或保持其空间取向，也即难以实现云台的角度调节。如果为了提高云台的运动速度而减小机械陀螺的尺寸或体积、进而降低其质量，则机械陀螺的定轴性也会随之减弱，这将不可避免地造成机械型云台稳定性的降低。因此，机械稳定型云台不适合被制造成小型的控制云台。

相比而言，电子控制型稳定云台则是通过马达直接驱动云台框架而实现对云台控制，因而其反应速度较快。随着半导体技术的发展，电子陀螺仪的精度也大幅提高了，这使得电子稳定型云台可以实现小型化和低成本化。但是，电子稳定云台仍存在这样的缺陷，即，因设置在云台的框架转轴上的控制马达的体积与云台本身的承载能力成正比，则装载的设备越重，框架的惯性也就越大，这就要求控制马达的扭力也越大；同时，为了达到更高的控制响应速度(控制带宽)，此类电子控制云台一般都采用马达直驱云台框架的设计。这些现有的缺陷，均导致电子云台对重心的变化非常敏感，进而致使对云台所搭载的设备受到很大的局限，诸如所安装承载的设备不能有较大的重心变化、设备形状要与云台的结构相匹配等，以及限制了此类云台搭载例如带变焦镜头的摄像机等应用。此外，由于使用电子陀螺仪等传感器，受这些电子器件的数据精度、噪声、采样率和驱动电机控制分辨率的限制，电子云台的尺寸不能太小。过小的转动惯量将会导致系统超调、震荡，因此，电子稳定型云台的重量一般在100g到几十公斤之间。另外，角分辨率对硬件成本依赖性较大，一般民用产品的角分辨率在0.1度左右。所需控制频率高，一般需要达到几百赫兹，控制实现复杂。

因此，存在对这样一种云台的需求，其能够克服前述现有技术中存在的机械稳定型云台和电子控制型云台各自的种种缺点，并同时能够将二者的优点结合起来，从而提供一种改进的云台。

发明内容

本发明提供了一种混合型云台，其融合了机械稳定型云台与电子控制型云台的优点，由此在利用机械陀螺稳定性的同时，能够通过电子测控机制增强云台的响应能力并提高云台的运动速度。

本发明公开了一种混合型云台，该混合型云台包括：起承载作用的云台平面；与所述云台平面连接的机械陀螺；能够调整所述机械陀螺的运动的运动调整机构；以及能够对所述机械陀螺的运动响应于所述调整机构而发生的变化进行测量的电子测控机构。

根据本发明的混合型云台，在利用机械陀螺确保云台稳定性的同时，还通过电子测控机制提高了云台的运动速度，由此消除了运动相位偏移和抗干扰能力减弱的问题。具体地，本发明通过降低机械陀螺的转动惯量增强了机械云台的速度响应性能，但由于如前所述的机械云台的灵敏度与其转动惯量成正比，本发明还同时利用电子测控机构对质量减小的云台的运动进行补偿与修正。

优选地，本发明的混合型云台还可以包括处理器，所述运动调整机构能够响应于该处理器来调整所述机械陀螺的运动。

更优选地，所述处理器、所述电子测控机构和所述运动调整机构三者之间形成闭环控制。

如前文所述，在根据本发明的混合型云台上同时装有轻量化的机械陀螺和电子测控机构。本发明利用机械陀螺自身的定轴性为混合型云台提供了稳定性，利用其进动性对云台的角度进行控制，由此利用轻量化、也即转动惯量减小的机械陀螺提高了云台的运动速度。此外，本发明还利用电子测控机制对混合型云台的角度进行实时测量，并通过与电子测量控制机构通信的处理器对机械陀螺的运动误差进行修正，从而控制该混合型云台的角度。在所述处理器、所述电子测控机构和所述运动调整机构三者之间形成闭环控制的情形下，将进一步增强对混合型云台的甚至是微小运动状态变化的实时捕捉与控制。

另外，所述混合型云台还可以包括用于支承所述云台平面的框架，即，具有第一框架转轴的第一框架和具有第二框架转轴的第二框架，所述第一框架转轴和第二框架转轴彼此垂直地布置。

优选地，所述电子测控机构可以包括电子陀螺和加速度计。

优选地，所述电子测控机构可以包括内置或外置于所述混合型云台、用于测量所述第一框架和/或第二框架的角度的传感器。

优选地，所述混合型云台还可包括用于驱动所述机械陀螺转动的陀螺驱动电机，该陀螺驱动电机通过电机输出轴刚性连接至所述机械陀螺，所述陀螺驱动电机借助联接装置与所述云台平面之间形成活动连接，从而使所述机械陀螺与所述云台平面之间形成联动。

作为一种优选方式，所述运动调整机构是伺服舵机，该伺服舵机与所述陀螺驱动电机机械连接从而调整所述机械陀螺的运动。

优选地，所述陀螺驱动电机与所述机械陀螺之间还可设有用于支承及固定所述陀螺驱动电机的固定座，其中，所述伺服舵机与该固定座机械连接。

作为另一种优选方式，所述运动调整机构可以是设置在所述机械陀螺上的配重，且该配重能够改变所述机械陀螺的重心，从而调整该机械陀螺的运动。

作为又一种优选方式，所述运动调整机构可以是马达，该马达可以直接驱动所述第一框架转轴和/或第二框架转轴。

优选地，所述联接装置可以是与所述固定座机械连接的一组平行连杆，该组平行连杆能够使所述固定座、进而使所述陀螺驱动电机平行于所述云台平面移动。

优选地，所述处理器可以是设置在该混合型云台上或外置于该混合型云台的微处理器。

附图说明

以下结合附图进一步描述本发明的优选实施例。要说明的是，附图仅是示意性的，附图中的尺寸并不表示本发明的实际尺寸，同时出于视图清晰和简明的目的，可能会省略某些元素。其中：

图1示意性示出了根据本发明一优选实施例的混合型云台；

图2是图1中的混合型云台的侧视示意图；和

图3是示意性示出了根据本发明一实施例的运动调整机构。

具体实施方式

现在结合图1-图3详细描述本发明的具体实施方式，以帮助阅读者更好地理解本发明的创新性构思。

图1示意性示出了根据本发明实施例的混合型云台。混合型云台10主要包括云台平面3、与该云台平面连接的机械陀螺1、能够调整机械陀螺1的运动的运动调整机构、以及能够对机械陀螺1的运动响应于所述运动调整机构而发生的变化进行测量的电子测控机构2。其中，云台平面3上通常会放置例如摄像机、照相机、监控镜头等等，也即云台平面主要起到承载拍摄设备等的作用。

图1中还示意性地示出了用于支承混合型云台10的框架，即，具有第一框架转轴4a的第一框架4和具有第二框架转轴5a的第二框架5，其中第一框架转轴4a和第二框架转轴5a彼此垂直布置。

图1中仅简洁地示出了第一框架4、第二框架5、该第一框架和第二框架各自的框架转轴4a和5a、机械陀螺1、云台平面3以及电子测控机构2，这是为了清楚地展示混合型云台10的主要构成部分的相对位置关系，但这种位置关系并不会妨碍其它可实施方式的实现。混合型云台10的其它构成部分还可具体参见图2和图3。

混合型云台10的主体部分由第一框架4、第二框架5和云台平面3组成，这三者之间通过两组转轴、即图1中所示的第一框架转轴4a和第二框架转轴5a实现连接，如前所述的，这两组转轴相互垂直，使得云台平面3能够获得两个框架转轴4a、5a转动方向上的旋转自由度。

另外，混合型云台10还包括处理器，所述运动调整机构能够响应于该处理器来调整机械陀螺1的运动。处理器优选是微处理器，更优选地是设置在混合型云台10上或外置于该混合型云台的微处理器。关于微处理器的安装位置，在本文中无需进行更详尽的释明，其只需满足在不影响混合型云台10顺畅操作的前提下实现与运动调整机构和电子测控机构2之间的互动作用即可。

电子测控机构2优选是由电子陀螺和加速度计组成的电子控制装置。还可以是内置于混合型云台10或外置于该混合型云台的传感器，此种情形下，电子测控机构2优选是用于测量第一框架4和/或第二框架5的角度的角度传感器。当然，与对处理器的解释相同的，电子测控机构2可以是所属领域内能够实现其在本发明中的应有功能的任何类型。

关于运动调整机构的选择，根据如下描述的第一种实施方式其可以是伺服舵机8(参见图2、图3)，根据如下描述的第二种实施方式其可以是设置在机械陀螺1上的配重，根据如下描述的第三种实施方式其可以是马达等驱动装置。关于运动调整机构可能采用的具体构型或配置，将在后文中做出具体说明。

如图1和图2所示，机械陀螺1与云台平面3可以任何适当的方式实现连接。在初始位置，机械陀螺1的轴向与两个框架转轴4a、5a相互垂直。当机械陀螺1高速旋转时，将产生陀螺效应，其定轴性能够保持云台平面3的法线取向在空间中的指向具有自动保持的趋势。即，第一框架4绕转轴4a运动，或第二框架5绕转轴5a运动，或这两个转轴4a、5a同时运动时，机械陀螺1能够始终保持云台平面3的法线取向不变。

然而，在实际应用中，考虑到云台转轴的阻力、云台平面3所承载的设备的安装重心的偏移以及实际陀螺并非理想陀螺等因素，在框架4、5或云台平面3运动时，将会对机械陀螺1施加一定的力。根据陀螺的进动性，机械陀螺1将因对该力产生反馈或抵抗而不可避免地运动。“陀螺进动性”是指，当陀螺转子以高速旋转时，如果施加的外力矩是沿着除自转轴以外的其它轴向，陀螺并不顺着外力矩的方向运动，其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直，即陀螺运动方向滞后控制力矩90度相位，并且陀螺的运动速度与控制力矩成正比并与陀螺转动惯量成反比。

为了克服这种干扰因素，就需要对机械陀螺1施加一定的补偿或修正扭矩。此外，本发明还反过来利用了机械陀螺1的这种进动性，通过对机械陀螺1或其陀螺轴施加额外的扭矩，来控制机械陀螺1的旋转轴的指向，进而控制云台平面3的空间角度。

为了更有效地发挥“陀螺进动性”产生的效果，根据本发明，将在运动调整机构、电子测控机构2和处理器三者之间形成闭环控制。对于该闭环控制的具体应用，将在后面更详细的描述。

如前文提及的，本发明能够通过根据如下描述的第一种实施方式和第二种实施方式的运动调整机构来改变云台平面3的重心，或者通过如下描述的第三种实施方式的运动调整机构、即由马达等驱动装置直接驱动第一框架4和/或第二框架5，来实现对外界干扰的补偿，进而实时控制陀螺1的指向。

在采用图2、图3示意性示出的第一种实施方式的运动调整机构的示例中，所述运动调整机构是伺服舵机8。在这个实施方式中，混合型云台10还包括用于驱动机械陀螺1转动的陀螺驱动电机6(图2)，伺服舵机8与陀螺驱动电机6机械连接从而调整机械陀螺1的运动。另外，陀螺驱动电机6与机械陀螺1之间还可以设有用于支承及固定陀螺驱动电机6的固定座6a(图2)。

在陀螺1或电机6的固定座6a上可以设置有用于与云台平面3形成活动连接的联接装置。优选地，联接装置例如是一组平行的连杆7，这些连杆7使固定座6a能够平行于云台平面3移动。当然，可以其它形式取代平行的连杆组7，例如可以在固定座6a与云台平面3之间设置滑轨机构、弹性连接机构等，只要其能使固定座6a平行于云台平面3移动即可。

图3中，通过两个伺服舵机8来控制固定座6a的位置，从而实现机械陀螺1的重心的偏移，其中，伺服舵机8可例如通过舵机联杆8a或其它适合的结构而与固定座6a实现机械连接。当重心偏离框架旋转轴(第一框架转轴4a、第二框架转轴5a)时便会产生力矩，而控制该偏移量就能够控制所产生的力矩的大小，从而控制机械陀螺1、也即机械陀螺转子1a的运动，进而调整云台10的空间角度。

根据运动调整机构的第二实施方式，其可以是设置在机械陀螺1上的单个的或多个配重，且该单个的或多个配重能够改变机械陀螺1的重心。在该第二实施方式中，将配重以能够相对于机械陀螺1运动的方式、例如借助轨道等设置在机械陀螺1的上表面、下表面和/或圆周表面上，从而使配重的位置的改变能够引起机械陀螺1的重心发生变化，继而如运动调整机构的上述第一实施方式那样，在重心偏离框架旋转轴(第一框架转轴4a、第二框架转轴5a)时诱使生成一力矩，并根据实际情况控制偏移量从而控制所产生的力矩的大小，进而控制机械陀螺1、也即机械陀螺转子1a的运动，进而调整云台10的空间角度。

根据运动调整机构的第三实施方式，所述运动调整机构可以是马达等驱动装置。马达等驱动装置能够直接驱动第一框架转轴4a和/或第二框架转轴5a。这尤其适于应用在具有较大尺寸的混合型云台上，即，当需要使云台获得更高的运动速度时，可以利用马达等驱动装置直接驱动云台转轴4a、5a，由此提高电机扭力，进而更有效地提高云台10的运动速度。

以上实施方式中所涉及的控制过程均利用了机械陀螺1的运动所遵循的“陀螺进动性”的原理。

为了在不使用更大的扭力、也即不增加控制机构的功率或体积的前提下，增强云台10的响应能力并提升云台10的运动速度，就需要降低机械陀螺转子1a的转动惯量，但这样做势必也会降低机械陀螺1的定轴性，从而导致其陀螺效应减弱，造成运动滞后相位小于90度。因此，本发明想到要对陀螺运动进行解耦和实现闭环修正控制。这种闭环控制很难通过机械方式实现，因而本发明使用处理器、例如微型处理器对机械陀螺控制相位进行解耦和控制。以下，对运动调整机构、电子测控机构2和处理器三者之间所形成的闭环控制进行描述。

参见图1，通过优选地在云台平面3上装设的电子测控机构2能够形成一组捷联式姿态参考系统，这个参考系统将电子测控机构2、例如电子传感器的输入传送给微处理器，然后由微处理器进行坐标变换、积分和修正，之后微处理器输出云台平面3相对于大地坐标系的姿态角。此处所涉及的具体算法在导航学科类图书中有具体讲解，不属于本发明的发明内容，因为无需阐述。当微处理器检测到云台平面3的姿态与期望姿态有误差时，便输出控制信号到运动调整机构、例如伺服舵机8(图2、图3)或如上文所述的其它形式，运动调整机构响应于接收到的信号来调整云台平面3的重心，产生控制力矩，使得云台10产生相应运动，从而修正姿态误差。

还设想到，可以增加第三框架(未示出)，从而使混合型云台10成为3自由度云台，而这不会影响内部的2自由度云台结构采用前文描述的混合云台的控制原理。

根据本发明的混合型云台10，在利用机械陀螺1的进动性对云台10进行控制的同时，还利用小转动惯量的机械陀螺1提升了云台10的控制响应速度。

根据本发明的混合型云台10，利用了机械陀螺1的定轴性来提供云台所需的稳定性，其响应带宽远高于电子稳定系统，而电子测控机构2仅负责消除低频干扰和进行云台角度的控制，这显著降低了电子稳定部分的硬件成本，算法精度和控制机构的带宽。

根据本发明的混合型云台缩小了云台的结构尺寸，降低了控制机构的结构重量，使云台重量缩小到50g以内成为可能。因而，与机械稳定型云台或电子稳定型云台相比，根据本发明的混合型云台10具有更宽泛的尺寸和重量选择范围，并且其结构简单，控制精度高，稳定性好，对机械陀螺和电子器件部分的成本依赖显著降低。

Claims (8)

1.一种混合型云台，包括：

起承载作用的云台平面(3)，

与所述云台平面(3)连接的机械陀螺(1)，

能够调整所述机械陀螺(1)的运动的运动调整机构，以及

能够对所述机械陀螺(1)的运动响应于所述运动调整机构而发生的变化进行测量的电子测控机构(2)，

其中，所述运动调整机构是设置在所述机械陀螺(1)上的配重，所述配重通过轨道以能够相对于所述机械陀螺运动的方式设置在机械陀螺上，所述配重相对于所述机械陀螺的位置的改变能够引起所述机械陀螺的重心变化，从而利用陀螺效应调整该机械陀螺的运动。

2.根据权利要求1所述的混合型云台，其特征在于，还包括处理器，所述运动调整机构能够响应于该处理器来调整所述机械陀螺(1)的运动。

3.根据权利要求2所述的混合型云台，其特征在于，所述处理器、所述电子测控机构(2)和所述运动调整机构三者之间形成闭环控制。

4.根据权利要求1所述的混合型云台，其特征在于，还包括用于支承所述云台平面(3)的具有第一框架转轴(4a)的第一框架(4)和具有第二框架转轴(5a)的第二框架(5)，所述第一框架转轴(4a)和第二框架转轴(5a)彼此垂直地布置。

5.根据权利要求1所述的混合型云台，其特征在于，所述电子测控机构(2)包括电子陀螺和加速度计。

6.根据权利要求4所述的混合型云台，其特征在于，所述电子测控机构(2)包括内置或外置于所述混合型云台、用于测量所述第一框架(4)和/或第二框架(5)的角度的角度传感器。

7.根据权利要求2所述的混合型云台，其特征在于，所述处理器是设置在该混合型云台上或外置于该混合型云台的微处理器。

8.一种混合型云台，包括：

起承载作用的云台平面(3)，

与所述云台平面(3)连接的机械陀螺(1)，

能够调整所述机械陀螺(1)的运动的运动调整机构，

能够对所述机械陀螺(1)的运动响应于所述运动调整机构而发生的变化进行测量的电子测控机构(2)，以及

用于驱动所述机械陀螺(1)转动的陀螺驱动电机(6)，该陀螺驱动电机通过电机输出轴(6b)刚性连接至所述机械陀螺(1)，所述陀螺驱动电机(6)借助联接装置(7)与所述云台平面(3)之间形成活动连接，从而使所述机械陀螺(1)与所述云台平面(3)之间形成联动，

其中，所述运动调整机构是伺服舵机(8)，该伺服舵机与所述陀螺驱动电机(6)机械连接从而调整所述机械陀螺(1)的运动，

并且其中，所述陀螺驱动电机(6)与所述机械陀螺(1)之间还设有用于支承及固定所述陀螺驱动电机的固定座(6a)，所述伺服舵机(8)与该固定座机械连接，

并且其中，所述联接装置(7)是与所述固定座(6a)机械连接的一组平行连杆，该组平行连杆能够使所述固定座(6a)以及所述陀螺驱动电机(6)平行于所述云台平面(3)移动，改变所述机械陀螺(1)的重心，从而利用陀螺效应调整该机械陀螺的运动。

Images