CN106742005A - 一种电力巡线用光电吊舱及无人直升机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力巡线用光电吊舱及无人直升机，包括上水平旋转机构和下俯仰旋转机构，所述的上水平旋转机构包括一个中心转轴，所述的中心转轴在驱动装置I的驱动下实现吊舱的在水平面内360°旋转运动；所述的下俯仰旋转机构包括与中心转轴相连的球状支架，所述球状支架的左、右设有左、右支撑板，所述的左、右支撑板上设有支撑轴，在球状支架内安装有一个俯仰球体，所述的支撑轴穿过俯仰球体与用于安装图像采集装置的固定座相连；在固定座上固定有图像采集装置；且俯仰球体在驱动装置II的驱动下带动图像采集装置在垂直方向做俯仰运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力无人直升机巡线用的小型光电吊舱以及无人直升机。
背景技术
随着电力巡检行业的发展，巡检设备也有很大的改善，作为近几年新发展起来的新型电力巡检设备――电力巡检无人直升机，有轻便、灵活、高度优势等很多其他检测工具所不具备的优点。电力巡检无人直升机依靠机载可见光检测设备实现对杆塔进行拍照，机载可见光检测设备的核心部件为单反相机和摄像机，依靠人工在无人机地面测控车内远程操控单反相机实现拍照功能，后期线路检测人员需依靠所拍摄巡检图像来分析线路杆塔安全情况，巡检图像拍摄质量是巡检工作成功与否最为重要的指标。
可是，目前的电力巡检无人直升机可见光检测系统一般采用传统简易云台，在云台上固定单反相机，在相机上部或下部安装广角摄像机，通过图传系统将摄像头所拍摄画面实时传送至地面站测控车内显示屏。由于巡检用的无人机需在不同环境下进行飞行，而传统云台没有外壳的防护，防水性能极差，并且无人机巡检时要求检测设备能够在全角度下完成拍摄，而传统云台多采用舵机控制以实现角度变化，布线错综复杂，角度变化有限及布线不合理，从而影响检测设备的工作使用性能。另外由于无人直升机的载重有限，检测设备所占重量不应超过飞机额定载重，而传统云台多采用钢制结构，重量大，影响无人直升机的飞行安全。
发明内容
本发明针对传统电力无人直升机巡线系统云台简易、防水性差、载重小、线路冗杂、电机响应速度慢、巡线作业时因摄像头画面偏大导致拍照不精确的缺陷等弊端，提出一种新型的具备三视频画面分割采集功能的无人直升机巡线光电吊舱结构以及包括有该光电吊舱的无人机，该光电吊舱采用两个独立框架轴系实现球状支架、可见光检测设备防护壳体的独立旋转，并采用圆弧过渡的Y形支架结构提高了吊舱的整体强度。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种力巡线用光电吊舱，包括上水平旋转机构和下俯仰旋转机构，所述的上水平旋转机构包括一个中心转轴，所述的中心转轴在驱动装置I的驱动下实现吊舱的在水平面内360°旋转运动；所述的下俯仰旋转机构包括与中心转轴相连的球状支架，所述球状支架的左、右设有左、右支撑板，所述的左、右支撑板上各设有一个支撑轴，在球状支架内安装有一个俯仰球体，两个所述的支撑轴穿过俯仰球体与用于安装图像采集装置的固定座相连；在固定座上固定有图像采集装置；且俯仰球体在驱动装置II的驱动下带动图像采集装置在垂直方向做俯仰运动。
进一步的，所述的驱动装置I包括一个伺服电机I，所述的伺服电机I驱动一个小齿轮I，所述的小齿轮I与安装在中心转轴上的大齿轮I啮合，所述的大齿轮I驱动中心转轴旋转。
进一步的，所述的上水平旋转机构还包括一个中心固定筒，在所述的中心固定筒内设置所述的中心转轴和所述的大齿轮I，在中心固定筒的一侧开槽，实现大齿轮I与小齿轮I的啮合。
进一步的，所述的中心固定筒内还设有视频分割处理器。
进一步的，所述的采集装置为可见光检测设备，包括与视频分割处理器相连的摄像机和相机，在俯仰球体的镜头位置开有满足所述摄像机和相机拍摄需求的孔。
进一步的，所述的中心转轴为中空结构，其内部装有导电滑环，导电滑环上部与中心转轴通固定连接，以实现电流由中心转轴向球状支架的传输，使得球状支架可以360°连续旋转而不会绞断电线。
进一步的，所述的球状支架呈倒Y型结构，其包括带有四个螺纹孔的中空圆柱凸台以及连接于中空圆柱凸台底端的横梁，在横梁两端设有向下悬伸并左右对称的圆形连接臂。中空圆柱凸台的上端带有四个螺纹孔是为了实现与中心转轴的连接。
进一步的，所述的圆形连接臂的左、右设置左、右支撑板，在左、右支撑板中心分别安装有左轴承、右轴承，左轴承和右轴承的内圈安装有左支撑轴和右支撑轴，左、右支撑轴通过键槽与采集装置固定座配合连接。
进一步的，所述的驱动装置II包括伺服电机II,所述的伺服电机II驱动一个小齿轮II，所述的小齿轮II与大齿轮II啮合，所述的大齿轮II安装在一个连接板上，所述的连接板与俯仰球体固定连接,俯仰球体驱动支撑轴从而实现旋转球体内图像采集装置的旋转。
一种无人直升机，包括前面所述的光电吊舱。
本发明的有益效果如下：
1.本发明针对传统电力无人直升机巡线系统云台简易、防水性差、载重小、线路冗杂、电机响应速度慢等弊端，提出一种新型的无人直升机巡线光电吊舱结构，采用两个独立框架轴系实现球状支架、可见光检测设备防护壳体的独立旋转，并采用圆弧过渡的Y形支架结构提高了吊舱的整体强度。
2.对非承重部位采取去除材料、镂空设计和镁铝合金、碳纤维等轻材质，大大减轻了吊舱重量。
3.增加壳体结构以保护内部可见光检测设备，增强了吊舱的整体防水性能。
4.伺服电机取代传统云台舵机驱动，大大提高了电机工作的响应速度和位置控制的精确度。本发明可用于全天候执行电力巡检任务。
5.吊舱收集输电线路视频信息及图像数据，数据可储存于飞机可见光检测设备内，也可实时发送到地面工作站，使工作人员高效得完成检测任务。提高了控制系统的稳定性，成本低。
6.采用摄像头固定装置，使摄像头稳定牢靠固定在电力无人直升机单反相机目镜位置，并在飞机油箱前方加装针孔摄像头以监测燃油量，保留原有相机下方广角摄像机，三组摄像头通过上水平旋转机构内的视频分割处理器将三组图像信号汇总，通过图像传收控制器传递至地面站测控车内显示设备，显示设备上即同时显示三个视频画面，其中第一组画面精确反映机载相机所拍摄画面内容，第二组画面可显示油箱中燃油量，第三组画面显示飞机正前方广角飞行画面。解决了巡线作业时因摄像头画面偏大导致拍照不精确的缺陷，使精确拍照变得更快捷、方便、易于操作，并有效解决了电力无人机燃油量的监测问题，使飞行安全性得到提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1上水平旋转机构实物图；
图2上水平旋转机构剖面图；
图3-1伺服电机的固定座；
图3-2伺服电机的固定座；
图4中心轴的结构图；
图5传动齿轮组的结构图；
图6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6为下俯仰旋转机构示意图；
图7整体结构图。
图中：1中心固定筒、2水平旋转机构小传动齿轮、3水平旋转机构伺服电机、4导电滑环、5中心转轴、6水平旋转机构大传动齿轮、7深沟球轴承一、8深沟球轴承二，9球状支架、10左侧盖、11前球壳、12右侧盖、13后球壳、14左支撑板、15左轴承、16左支撑轴、17俯仰旋转机构伺服电机、18右支撑板、19右轴承、20右支撑轴、21俯仰旋转机构大传动齿轮板、22俯仰旋转机构小传动齿轮、23相机固定座、24单反相机、25广角摄像机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图7所示，电力无人直升机巡检用小型光电吊舱，主要包括上水平旋转机构与下俯仰旋转机构组成。
上水平旋转机构包括一个中心转轴，中心转轴在驱动装置I的驱动下实现吊舱的在水平面内360°旋转运动；下俯仰旋转机构包括与中心转轴相连的球状支架，所述球状支架的左、右设有左、右支撑板，所述的左、右支撑板上设有支撑轴，在球状支架内安装有一个俯仰球体，所述的支撑轴穿过俯仰球体与用于安装图像采集装置的固定座相连；在固定座上固定有图像采集装置；且俯仰球体在驱动装置II的驱动下带动图像采集装置在垂直方向做俯仰运动。
具体结构如下：
上水平旋转机构可实现吊舱的水平360°旋转运动，其主要包括中心固定筒、中心转轴、上轴承内圈压板、导电滑环、齿轮传动组、轴承、伺服电机，整体结构如图1、2所示。
其中，中心固定筒1上侧壁设有用于安装水平旋转机构伺服电机3的固定座，伺服电机3通过齿轮副减速机构水平旋转机构小传动齿轮2和水平旋转机构大传动齿轮6与中心转轴5传动连接，大传动齿轮6与中心转轴5通过平键实现固定连接。
通过中心固定筒1侧壁开孔实现齿轮组的啮合传动，中央开孔用于中心转轴的装配，底部开有4个凹槽，用于实现与飞机悬挂装置的装配；具体结构如图3-1、3-2所示。
另外，中心固定筒1与向下悬伸的球状支架9通过螺栓相配合；
中心转轴5为阶梯状结构，可实现轴承组与齿轮组的固定，中央开孔用于导电滑环的装配。
另外，中心转轴5设计成中空结构，内部装有32路型号导电滑环4，导电滑环4上部开有对称的三个孔并与中心转轴5通过螺丝进行固定链接，以实现电流由中心转轴向球状支架9的传输，保证球状支架9可以360°连续旋转而不会绞断电线。中心转轴5内部的水平旋转机构大传动齿轮6上下各有一个深沟球轴承一7和深沟球轴承二8，中心转轴5通过阶梯状凸台压住深沟球轴承一7和深沟球轴承二8的外圈，导电滑环压住轴承内圈以实现吊舱整体在垂直方向的承重受力。具体结构如图4所示。
传动齿轮组的齿数比根据吊舱的质量及旋转速度进行计算得出，小齿轮能够与伺服电机正确啮合。保证360°水平旋转的可靠性。具体结构如图5所示。
导电滑环的型号根据吊舱系统所需电路数及中心转轴尺寸进行选择，通过导电滑环实现水平旋转机构的布线处置。
伺服电机的型号根据吊舱系统旋转所需转速及响应速度要求选择，选择电机类型为伺服驱动，响应速度更快且稳定，自带驱动编码器。
轴承类型采用国家标准的深沟球轴承，61909型号，内径45mm，外径68mm，厚度12mm，重量123g，可承受较大的轴向载荷。
在球状支架圆弧过渡区域及左、右转轴支撑板上设计走线槽，有效防止线路布置混乱，提高了吊舱实际应用的可靠性。
进一步的，如图6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6所示，下俯仰旋转机构可实现吊舱的上下俯仰运动，主要包括球状支架9球状支架、俯仰球体机构、左右转轴支撑板、左右侧盖、传动齿轮组、左右轴承、支撑轴组成。
图中，球状支架9通过四颗螺栓与中心转轴5进行联接；球状支架9呈倒Y型结构，支架9包括上端的带有四个螺纹孔的中空圆柱凸台，以实现与中心转轴的连接、连接于中空圆柱凸台低端的圆弧面的肩状横梁及横梁两端向下悬伸并左右对称的圆形连接臂；
中空圆柱凸台和圆形连接臂设计成中空结构是为了减轻重量，圆弧面的肩状横梁设有用于走线的凹槽。
球状支架9的圆形左右连接臂开有圆周分布的螺纹孔，通过螺丝分别与左支撑板14、右支撑板18配合。左支撑板14、右支撑板18开有电机固定座孔，用以固定与水平旋转机构一致的俯仰旋转机构伺服电机17，该伺服电机驱动俯仰旋转机构小传动齿轮22，并将支撑板上部镂空只保留走线槽，以减轻重量。
在左、右转轴支撑板中心开孔分别装有深沟球轴承类别的左轴承15、右轴承19，轴承内圈安装有左支撑轴16和右支撑轴20，左、右支撑轴通过键槽与相机固定座23配合连接，相机固定座23上开有相机固定孔与单反相机24配合，并开有摄像头固定孔与广角摄像机25配合。
通过左、右轴承绕左、右支撑轴转动装配有设于两圆形连接臂之间的用于保护单反相机等可见光检测设备的壳体；
俯仰球体包括前球壳11和后球壳13，两球壳通过俯仰旋转机构大传动齿轮板21螺纹连接成一个整体壳体，前球壳11前段的截头部分留有窗口并安装有透明盖，满足拍摄要求。俯仰旋转机构大传动齿轮板21上装有大传动齿轮与俯仰旋转机构小传动齿轮22配合，在伺服电机的驱动下实现壳体的俯仰运动。
前球壳11与后球壳13均采用碳纤维材质，并通过俯仰旋转机构大传动齿轮板21螺栓连接共同构成俯仰球体。
俯仰球体内部装载有相机固定座23、单反相机24、广角摄像机25等可见光检测设备，前球壳在镜头位置开孔以满足检测设备的拍摄需求；这里的可见光检测设备不限于单反相机24、广角摄像机25，还可以是其他的采集设备。
左转轴支撑板14与右转轴支撑板18为减轻重量设计为半圆结构，中心上方设计走线槽，中心开孔，在孔内安装左轴承14和右轴承19，并装配左支撑轴16与右支撑轴20。
在中心下方设有电机安装座，用以安装俯仰旋转机构伺服电机，并通过螺丝与球状支架9配合；伺服电机驱动俯仰旋转机构的小传动齿轮22，带动俯仰旋转机构大传动齿轮板21上的大齿轮旋转，大齿轮带动俯仰球体运动，并通过键槽带动左、右支撑轴转动以实现球体内检测设备的俯仰运动。俯仰机构的传动齿轮组根据可见光检测设备重量及转动惯量计算得出。
另外，为了美观，在左、右转轴支撑板外侧粘有截头球状左侧盖10、右侧盖12，并减轻吊舱重量，侧盖均采用碳纤维材质，靠魔术贴粘贴于左支撑板14和右支撑板18上。
另外，在俯仰框架上设置有限位机构，保证俯仰运动的角度范围，防止出现360°旋转而绞断电线。
另外，为了实现对球状支架9和壳体转动角度信息的采集和控制，在水平旋转机构伺服电机3和俯仰旋转机构伺服电机17的输出端以及其所传动对应的转轴上均安装有旋转编码器作为位置反馈控制的传感器。
另外，为了实现多画面视频分割采集功能，在中心固定筒内安装三视频画面分割器，分别采集来自单反相机、广角摄像机和飞机邮箱的图像信息，通过图像传收控制器传递至地面站测控车内显示设备，显示设备上即同时显示三个视频画面，其中第一组画面精确反映机载相机所拍摄画面内容，第二组画面可显示油箱中燃油量，第三组画面显示飞机正前方广角飞行画面。
本发明中的伺服电机I与水平旋转机构伺服电机是指同一个部件；水平旋转机构小传动齿轮与小齿轮I是指同一个部件；水平旋转机构大传动齿轮与大齿轮I是指同一个部件；
本发明中的伺服电机II与俯仰旋转机构伺服电机是指同一个部件；俯仰旋转机构小传动齿轮与小齿轮II是指同一个部件；俯仰旋转机构大传动齿轮板21与大齿轮I是指同一个部件；
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种力巡线用光电吊舱，其特征在于，包括上水平旋转机构和下俯仰旋转机构，所述的上水平旋转机构包括一个中心转轴，所述的中心转轴在驱动装置I的驱动下实现吊舱的在水平面内360°旋转运动；所述的下俯仰旋转机构包括与中心转轴相连的球状支架，所述球状支架的左、右设有左、右支撑板，所述的左、右支撑板上分别设有一个支撑轴，在球状支架内安装有一个俯仰球体，两个所述的支撑轴穿过俯仰球体与用于安装图像采集装置的固定座相连；在固定座上固定有图像采集装置；且俯仰球体在驱动装置II的驱动下带动图像采集装置在垂直方向做俯仰运动。
2.如权利要求1所述的光电吊舱，其特征在于，所述的驱动装置I包括一个伺服电机I，所述的伺服电机I驱动一个小齿轮I，所述的小齿轮I与安装在中心转轴上的大齿轮I啮合，所述的大齿轮I驱动中心转轴旋转。
3.如权利要求2所述的光电吊舱，其特征在于，所述的上水平旋转机构还包括一个中心固定筒，在所述的中心固定筒内设置所述的中心转轴和所述的大齿轮I，在中心固定筒的一侧开槽，实现大齿轮I与小齿轮I的啮合。
4.如权利要求3所述的光电吊舱，其特征在于，所述的中心固定筒内还设有视频分割处理器。
5.如权利要求4所述的光电吊舱，其特征在于，所述的采集装置为可见光检测设备，包括与视频分割处理器相连的摄像机和相机，在俯仰球体的镜头位置开有满足所述摄像机和相机拍摄需求的孔。
6.如权利要求1所述的光电吊舱，其特征在于，所述的中心转轴为中空结构，其内部装有导电滑环，导电滑环上部与中心转轴通固定连接，以实现电流由中心转轴向球状支架的传输，使得球状支架可以360°连续旋转而不会绞断电线。
7.如权利要求1所述的光电吊舱，其特征在于，所述的球状支架呈倒Y型结构，其包括带有四个螺纹孔的中空圆柱凸台以及连接于中空圆柱凸台底端的横梁，在横梁两端设有向下悬伸并左右对称的圆形连接臂。
8.如权利要求7所述的光电吊舱，其特征在于，所述的圆形连接臂的左、右设置左、右支撑板，在左、右支撑板中心分别安装有左轴承、右轴承，左轴承和右轴承的内圈安装有左支撑轴和右支撑轴，左、右支撑轴通过键槽与采集装置固定座配合连接。
9.如权利要求1所述的光电吊舱，其特征在于，所述的驱动装置II包括伺服电机II,所述的伺服电机II驱动一个小齿轮II，所述的小齿轮II与大齿轮II啮合，所述的大齿轮II安装在一个连接板上，所述的连接板与俯仰球体固定连接,俯仰球体驱动支撑轴从而实现旋转球体内图像采集装置的旋转。
10.一种无人直升机，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的光电吊舱。
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