CN107600444A - 三自由度轻载航摄用稳定平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三自由度轻载航摄用稳定平台，属于航空遥感技术领域，该稳定品台包括外框架(1)、横滚框架(2)、俯仰框架(3)、偏航框架(4)、第一驱动电机(5)、第二驱动电机、第三驱动电机(6)、编码器(7)、三轴惯性测量单元(8)、机械锁死机构(9、10、11)和控制器。本发明通过对质心设计，使横滚框架和俯仰框架的转轴对正负载质心，此时光学载荷的圆周运动所产生的额外干扰力全部作用于轴承，最大限度上减小了附加力矩，从而大大减小了电机负担以及相应结构件的体积和质量，并且增加了稳定平台的抗冲击能力，提高了稳定平台的稳定精度。

Description

三自由度轻载航摄用稳定平台

技术领域

本发明涉及航空遥感技术领域，特别是涉及一种三自由度轻载航摄用稳定平台。

背景技术

航摄用稳定平台用于稳定航摄相机姿态、隔离飞机角运动，从而提高航摄成像质量、稳定航摄照片重叠率变化。受机载环境限制，稳定平台应具备重量体积轻小、承载比大、能够隔离高频振动的特点，同时，对于弹射起飞的飞机，稳定平台应能够抵抗飞机起飞时的弹射加速度。

但是现有的稳定平台通常将陀螺或加速度计安装于框架上，致使外框测量传感器与被测目标间存在着机械传动，容易产生误差，同时框架电机的负担大，造成稳定平台的体积和重量增大，成本增加，大大降低了稳定平台对冲击和振动的抵抗能力，飞机姿态变化和加速度变化对稳定平台的干扰较大。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中稳定平台框架电机负担大、稳定平台抗冲击和振动能力有限的问题，提供一种三自由度轻载航摄用稳定平台，该稳定平台能够有效隔离飞机姿态变化，保持光学载荷对地姿态稳定，从而有利于提高航拍成像质量及效率。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种三自由度轻载航摄用稳定平台，包括外框架、横滚框架、俯仰框架、偏航框架、第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机、编码器、三轴惯性测量单元、机械锁死机构和控制器；

所述外框架通过减振器和安装接口板与飞机固连；

所述横滚框架通过所述第一驱动电机连接到所述外框架，所述俯仰框架通过所述第二驱动电机连接到所述横滚框架，所述偏航框架通过轴承铰接到所述俯仰框架的中央处，固连于所述俯仰框架上的所述第三驱动电机通过齿轮副驱动所述偏航框架转动，所述偏航框架上固连光学载荷和所述三轴惯性测量单元；

所述外框架、所述横滚框架和所述俯仰框架的转动副分别安装有所述编码器，且所述俯仰框架与所述第三驱动电机的转子之间安装有所述编码器；

所述横滚框架、所述俯仰框架和所述偏航框架均具备受锁死舵机控制的所述机械锁死机构；

所述横滚框架的回转轴线通过所述横滚框架及其承载的全部部件的质心，所述俯仰框架的回转轴线通过所述俯仰框架及其承载的全部部件的质心，并且所述横滚框架、所述俯仰框架和所述偏航框架的回转轴线彼此正交且交于一点，该点与所述偏航框架、所述光学载荷以及光学载荷安装架的组合体的质心重合，所述控制器控制所述第一驱动电机、所述第二驱动电机和所述第三驱动电机实现所述光学载荷或者所述三轴惯性测量单元对大地姿态稳定。

上述三自由度轻载航摄用稳定平台采用对质心设计，最大限度上减小了飞机转动时对稳定平台产生的附加力矩，大大减小了稳定平台中电机的负担，同时增加了稳定平台的抗冲击能力，提高了稳定平台的稳定精度，本发明所提出的三自由度轻载航摄用稳定平台能够有效隔离飞机的角运动及振动，适应小型飞机姿态变化较大的工况，同时，稳定平台具有机械锁死机构，因此适用于起飞方式为弹射起飞以及着陆方式为切伞的硬着陆的飞机，也适用于弹射起飞的小型飞机搭载，或者滑翔起飞或飞行更平稳的大型飞机搭载。

附图说明

图1为本发明三自由度轻载航摄用稳定平台的俯视图；

图2为图1中三自由度轻载航摄用稳定平台沿剖切线A-A的剖视图；

图3为图1中三自由度轻载航摄用稳定平台沿剖切线B-B的剖视图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

在其中一个实施例中，如图1、图2和图3所示，一种三自由度轻载航摄用稳定平台，包括外框架1、横滚框架2、俯仰框架3、偏航框架4、第一驱动电机5、第二驱动电机、第三驱动电机6、编码器7、三轴惯性测量单元(Inertial measurementunit，IMU)8、机械锁死机构9、10、11和控制器。

具体地，外框架1通过减振器12和安装接口板13与飞机固连，减振器12用于隔离飞机机舱内的高频线振动，减振器12的数量可根据稳定平台的实际需要进行设定，例如外框架1可以通过四个减振器12和安装接口板13固定在飞机上；本实施例中的飞机既可以是弹射起飞的小型飞机，也可以是滑翔起飞或者飞行平稳的大型飞机。

横滚框架2通过第一驱动电机5连接到外框架1，俯仰框架3通过第二驱动电机连接到横滚框架2，偏航框架4通过轴承14铰接到俯仰框架3并且偏航框架4位于俯仰框架3的中央处，固连于俯仰框架3上的第三驱动电机6通过齿轮副15、16驱动偏航框架4转动，偏航框架4上固连光学载荷17和三轴惯性测量单元8，其中横滚框架2和俯仰框架3的驱动由于采用了直驱形式，因此提高了两框架的响应速度。

外框架1、横滚框架2和俯仰框架3的转动副分别安装有编码器7，且俯仰框架3与第三驱动电机6的转子之间安装有编码器7。编码器7通过编码器安装座23分别安装在外框架1、横滚框架2和俯仰框架3上，本实施例中的编码器可以为光电式编码器或者磁电式编码器。

横滚框架2、俯仰框架3和偏航框架4均具备受锁死舵机控制的对应的机械锁死机构9、机械锁死机构10和机械锁死机构11，相应的横滚框架锁死舵机、俯仰框架锁死舵机和偏航框架锁死舵机分别固连于外框架1、横滚框架2和俯仰框架3上。本实施例中机械锁死机构用于锁死平台运动，以保证平台在不工作时结构稳定，同时保证平台能够承受飞机弹射起飞时的冲击。

横滚框架2的回转轴线通过横滚框架2及其承载的全部部件的质心，俯仰框架3的回转轴线通过俯仰框架3及其承载的全部部件的质心，并且横滚框架2、俯仰框架3和偏航框架4的回转轴线彼此正交且交于一点，该点与偏航框架4、光学载荷17以及光学载荷安装架18的组合体的质心重合，控制器控制第一驱动电机5、第二驱动电机和第三驱动电机6实现光学载荷17或者三轴惯性测量单元8对大地姿态稳定。

由于飞机机舱内安装布局空间限制，飞机搭载光学载荷和稳定平台时，通常无法保证稳定平台回转中心与飞机回转中心重合，导致光学载荷的运动除绕稳定平台回转中心的转动外，同时做绕飞机回转中心的圆周运动，该圆周运动将产生一个向心加速度，并产生额外的干扰力作用于偏航框架和光学载荷的质心，本实施例通过对质心设计，使横滚框架和俯仰框架的转轴对正负载质心，此时光学载荷的圆周运动所产生的额外干扰力全部作用于轴承，最大限度上减小了附加力矩，从而大大减小了电机负担以及相应结构件的体积和质量，并且增加了稳定平台的抗冲击能力，提高了稳定平台的稳定精度。本实施例所提出的三自由度轻载航摄用稳定平台具备横滚、俯仰、偏航三个自由度的角度稳定能力，能够有效隔离飞机的角运动及振动，适应小型飞机姿态变化较大的工况，同时，稳定平台具有机械锁死机构，因此适用于起飞方式为弹射起飞以及着陆方式为切伞的硬着陆的飞机，也适用于弹射起飞的小型飞机搭载，或者滑翔起飞或飞行更平稳的大型飞机搭载。

作为一种具体的实施方式，三自由度轻载航摄用稳定平台还包括用于限制横滚框架2、俯仰框架3和偏航框架4转动的机械限位销钉(19，20)或机械限位块(21)，并且机械限位销钉(19，20)设置在横滚框架2和俯仰框架3的转角极限位置处，机械限位块(21)设置在偏航框架4的转角极限位置处。如图2所示，机械限位销钉19用于限制横滚框架2的转动，如图1所示，机械限位销钉20用于限制俯仰框架3的转动，如图3所示，机械限位块21用于限制偏航框架4的转动，机械限位销钉19、机械限位销钉20和机械限位块21分别设置在横滚框架2、俯仰框架3和偏航框架4的转角极限位置处。

偏航框架4上固连光学载荷17和三轴惯性测量单元8时，作为一种具体的实施方式，偏航框架4上设有光学载荷定位安装面和三轴惯性测量单元定位安装面，光学载荷17和三轴惯性测量单元8分别通过光学载荷定位安装面和三轴惯性测量单元定位安装面与偏航框架4固连。本实施方式通过在偏航框架上加工光学载荷定位安装面和三轴惯性测量单元定位安装面，能够使光学载荷17与偏航框架4的安装位置精度以及三轴惯性测量单元与偏航框架4的安装位置精度均达到1°以内，从而保证稳定平台的稳定精度。

本发明中控制器控制第一驱动电机5、第二驱动电机和第三驱动电机6实现光学载荷17或者三轴惯性测量单元8对大地姿态稳定时，可由三轴惯性测量单元8、三个驱动电机和控制器构成捷联系统，实现三轴惯性测量单元对大地姿态的稳定，也可通过如图1所示的接口22获取稳定平台外部的机载高精度定位定向系统(Position and OrientationSystem，POS系统)信息，POS系统、三个驱动电机和控制器构成半捷连系统，从而实现光学载荷对大地姿态的稳定，上述稳定平台控制器的两种控制方式，可通过接口22进行预先配置。下面将对这两种控制方式分别进行说明。

作为一种具体的实施方式，在捷连系统下，控制器根据三轴惯性测量单元8反馈的位置信息和速度信息，解算出相应的电机控制量，并根据电机控制量控制第一驱动电机5、第二驱动电机和第三驱动电机6实现光学载荷17或三轴惯性测量单元8对大地姿态稳定。在本实施方式中，控制器以稳定平台自带IMU或光学载荷IMU信息为位置反馈和速度反馈，解算出相应的电机控制量，并控制电机实现IMU或光学载荷的对大地姿态稳定。

作为一种具体的额实施方式，在半捷连系统下，控制器根据机载高精度定位定向系统的位置指令、速度指令以及编码器7的反馈量信息，计算出相应的电机控制量，并根据电机控制量控制第一驱动电机5、第二驱动电机和第三驱动电机6实现光学载荷17或三轴惯性测量单元8对大地姿态稳定。在本实施方式中，控制器以机载POS信息的相反数为位置指令和速度指令，以编码器信息为反馈量，计算出相应的电机控制量，并控制电机实现偏航框架4对大地姿态稳定，即实现光学载荷17或者三轴惯性测量单元8对大地姿态稳定。

作为一种具体的实施方式，齿轮副15、16采用一级直齿轮，并且一级直齿轮的传动比为2.5:1，以保证稳定平台的稳定精度。

作为一种具体的实施方式，编码器7为磁编码器，相应的永磁铁分别安装在第一驱动电机5、第二驱动电机和第三驱动电机6外转子的外框端面中心。由于磁编码器抗振性能更优，且性能可靠、结构简单，因此本实施方式采用磁编码器获取各个驱动电机的转动状态。

作为一种具体的实施方式，外框架1、横滚框架2、俯仰框架3、偏航框架4、安装接口板13和光学载荷安装架18的材质均为硬铝合金，编码器安装座23以及舵机固定挡片24的材质也均为硬铝合金。由于硬铝合金相较于其他金属材料的质量更轻，且相较于普通铝合金而言，硬铝合金的硬度更大、变形量更小，因此本实施方式以硬铝合金作为各个框架、安装架等的材质，有利于保证这些结构的精度。

同时，本发明所提出的三自由度轻载航摄用稳定平台具备可控的入解锁功能以及相应的入解锁控制接口，可依航摄任务管理需要，在大加速度冲击前进入机械锁定状态；横滚框架、俯仰框架、偏航框架各自具备电限位功能，可在飞机大角度机动时，各自进入电限位状态。

通过实验证明，本发明所提出的三自由度轻载航摄用稳定平台在6°/1Hz的干扰条件下，能够实现0.5°的角位置稳定精度和5°/s的角速度稳定精度，角度隔离度为8.33％，角速度隔离度达到13.3％，表明该稳定平台能够有效隔离飞机的姿态变化，保持光学载荷(如光学相机等)对地姿态稳定，使得光学载荷具有较高的成像质量和航拍效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种三自由度轻载航摄用稳定平台，其特征在于，包括外框架(1)、横滚框架(2)、俯仰框架(3)、偏航框架(4)、第一驱动电机(5)、第二驱动电机、第三驱动电机(6)、编码器(7)、三轴惯性测量单元(8)、机械锁死机构(9、10、11)和控制器；

所述外框架(1)通过减振器(12)和安装接口板(13)与飞机固连；

所述横滚框架(2)通过所述第一驱动电机(5)连接到所述外框架(1)，所述俯仰框架(3)通过所述第二驱动电机连接到所述横滚框架(2)，所述偏航框架(4)通过轴承(14)铰接到所述俯仰框架(3)的中央处，固连于所述俯仰框架(3)上的所述第三驱动电机(6)通过齿轮副(15、16)驱动所述偏航框架(4)转动，所述偏航框架(4)上固连光学载荷(17)和所述三轴惯性测量单元(8)；

所述外框架(1)、所述横滚框架(2)和所述俯仰框架(3)的转动副分别安装有所述编码器(7)，且所述俯仰框架(3)与所述第三驱动电机(6)的转子之间安装有所述编码器(7)；

所述横滚框架(2)、所述俯仰框架(3)和所述偏航框架(4)均具备受锁死舵机控制的所述机械锁死机构(9、10、11)；

所述横滚框架(2)的回转轴线通过所述横滚框架(2)及其承载的全部部件的质心，所述俯仰框架(3)的回转轴线通过所述俯仰框架(3)及其承载的全部部件的质心，并且所述横滚框架(2)、所述俯仰框架(3)和所述偏航框架(4)的回转轴线彼此正交且交于一点，该点与所述偏航框架(4)、所述光学载荷(17)以及光学载荷安装架(18)的组合体的质心重合，所述控制器控制所述第一驱动电机(5)、所述第二驱动电机和所述第三驱动电机(6)实现所述光学载荷(17)或者所述三轴惯性测量单元(8)对大地姿态稳定。

2.根据权利要求1所述的三自由度轻载航摄用稳定平台，其特征在于，还包括用于限制所述横滚框架(2)、所述俯仰框架(3)和所述偏航框架(4)转动的机械限位销钉(19，20)或机械限位块(21)，

所述机械限位销钉(19，20)设置在所述横滚框架(2)和所述俯仰框架(3)的转角极限位置处，所述机械限位块(21)设置在所述偏航框架(4)的转角极限位置处。

3.根据权利要求1或2所述的三自由度轻载航摄用稳定平台，其特征在于，

所述偏航框架(4)上设有光学载荷定位安装面和三轴惯性测量单元定位安装面，所述光学载荷(17)和所述三轴惯性测量单元(8)分别通过所述光学载荷定位安装面和所述三轴惯性测量单元定位安装面与所述偏航框架(4)固连。

4.根据权利要求1或2所述的三自由度轻载航摄用稳定平台，其特征在于，

所述控制器根据所述三轴惯性测量单元(8)反馈的位置信息和速度信息，解算出相应的电机控制量，并根据所述电机控制量控制所述第一驱动电机(5)、所述第二驱动电机和所述第三驱动电机(6)实现所述光学载荷(17)或者所述三轴惯性测量单元(8)对大地姿态稳定。

5.根据权利要求1或2所述的三自由度轻载航摄用稳定平台，其特征在于，

所述控制器根据机载高精度定位定向系统的位置指令、速度指令以及所述编码器(7)的反馈量信息，计算出相应的电机控制量，并根据所述电机控制量控制所述第一驱动电机(5)、所述第二驱动电机和所述第三驱动电机(6)实现所述光学载荷(17)或者所述三轴惯性测量单元(8)对大地姿态稳定。

6.根据权利要求1或2所述的三自由度轻载航摄用稳定平台，其特征在于，

所述齿轮副(15、16)为一级直齿轮，所述一级直齿轮的传动比为2.5:1。

7.根据权利要求1或2所述的三自由度轻载航摄用稳定平台，其特征在于，

所述编码器(7)为磁编码器，相应的永磁铁分别安装在所述第一驱动电机(5)、所述第二驱动电机和所述第三驱动电机(6)外转子的外框端面中心。

8.根据权利要求1或2所述的三自由度轻载航摄用稳定平台，其特征在于，

所述外框架(1)、所述横滚框架(2)、所述俯仰框架(3)、所述偏航框架(4)、所述安装接口板(13)和所述光学载荷安装架(18)的材质均为硬铝合金。