CN108105550A - 一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置 - Google Patents

一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置 Download PDF

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李瑞峰
刘静军
朱枫
刑民强
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Abstract

一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置涉及摄影测量装置领域，解决了由于齿轮的啮合存在间隙导致的控制精度低与成像质量低的问题。该装置包括：主框架；安装在主框架上的摆扫机构，通过齿轮驱动实现摆扫与成像；安装在主框架上且通过编码器轴与摆扫机构相连的消隙弹簧系统，提供与摆扫方向相反的扭矩；通过编码器轴与摆扫机构相连的编码器，记录编码器轴转动的角度。本发明用单台相机替代多台相机，实现了轻量化和低成本。通过在编码器轴上增加提供与摆扫机构扭矩方向相反扭矩的消隙弹簧系统，从而消除摆扫机构中齿轮啮合产生的间隙对控制精度的不利影响。适用于中小型无人机的摄影测量。

Description

一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置
技术领域
本发明涉及摄影测量装置领域，特别涉及一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置。
背景技术
在无人机的摄影测量装置中，按照型号大小，可分为大型和中小型。大型的摄影装置为采用多个相机组合实现摄影测量(例如专利号为ZL201510668233.3)，这种多个相机进行组合的装置使得结构复杂、装置较重、成本昂贵。同时大型摄影测量装置的整体结构强度、刚度和精度均不满足中小型无人机弹射伞降的工作环境要求。
中小型无人机摄影测量装置中采用单相机摄影，公开号为CN106017421A的发明专利，公开了一种基于轻小型无人机的摆扫式低空摄影测量装置，该发明专利中，驱动马达同轴连接小齿轮，小齿轮啮合连接大齿轮，大齿轮上连接摇臂的一端，摇臂的另一端通过滚轮连接相机底座支撑板的一端，所述悬挂杆的底端垂直活动连接相机底座支撑板的中心位置，相机底座支撑板上连有机载相机，此种方法通过大小齿轮连接驱动马达和摇臂，但是由于齿轮的啮合存在间隙，引入了非线性干扰因素，降低了控制精度从而降低了成像质量。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置，该装置为基于中小型无人机大载荷的可消除齿隙的摄影测量装置。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置，包括：
主框架；
安装在主框架上的摆扫机构，通过齿轮驱动实现摆扫与成像；
安装在主框架上且通过编码器轴与摆扫机构相连的消隙弹簧系统，提供与摆扫方向相反的扭矩；
通过编码器轴与摆扫机构相连的编码器，记录编码器轴转动的角度。
所述消隙弹簧系统包括发条弹簧和安装在主框架上的发条弹簧盒，发条弹簧两端分别安装在编码器轴和发条弹簧盒上。
所述摆扫机构包括：
安装在主框架第一侧面上的减速电机，所述消隙弹簧系统安装在主框架第二侧面上，所述第一侧面与第二侧面为对立面；
与减速电机、消隙弹簧系统和编码器均相连的载荷安装架，消隙弹簧系统提供与载荷安装架转动方向相反的扭矩；
与载荷安装架相连的载荷，通过减速电机驱动齿轮带动载荷安装架与载荷转动。
所述摆扫机构还包括减速电机轴，减速电机通过减速电机轴连接并带动载荷安装架与载荷转动。
还包括用于提供摆扫机构初始位置定位的定位系统。
所述定位系统包括：安装在主框架上的舵机、连接并能够固定摆扫机构的定位销和两端分别安装舵机和定位销的舵机连杆。
所述舵机通过舵机安装架安装在主框架上。
还包括用于防止摆扫机构摆扫运动超过设定值的限位销。
还包括控制系统，控制系统控制所述摆扫机构的摆扫与成像，所述编码器将记录编码器轴转动的角度传输至控制系统。
本发明的有益效果是：本发明用单台相机通过摆动，在多个角度进行控制曝光，从而替代多台相机，实现了轻量化和低成本。通过在编码器轴上增加消隙弹簧系统，消隙弹簧系统提供与摆扫机构扭矩方向相反的扭矩，从而消除摆扫机构中齿轮啮合产生的间隙对控制精度的不利影响。
附图说明
图1为本发明一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置的结构图。
图2为本发明一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置的消隙弹簧系统的剖面图。
图3为本发明一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置的摆扫初始位置示意图。
图4为本发明一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置的摆扫终止位置示意图。
其中，1、减速电机；2、舵机；3、舵机连杆；4、定位销；5、主框架；6、编码器轴；7、消隙弹簧系统；7-1、发条弹簧；7-2、发条弹簧盒；8、编码器；9、限位销；10、载荷；11、载荷安装架；12、减速电机轴；13、舵机安装架；14、内压圈；15、外压圈；16、轴承。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置，如图1所示，该装置包括：主框架5、摆扫机构、消隙弹簧系统7、编码器8和编码器轴6。主框架5连接摆扫机构和消隙弹簧系统7，摆扫机构通过齿轮驱动实现摆扫，摆扫机构能够成像，消隙弹簧系统7和编码器8均通过编码器轴6连接摆扫机构。摆扫机构摆扫与成像，消隙弹簧系统7提供与摆扫方向相反的扭矩，编码器8用于记录编码器轴6转动的角度。本装置通过主框架5安装在中小型无人机上。
其中的消隙弹簧系统7包括发条弹簧7-1和发条弹簧盒7-2。摆扫机构包括减速电机1、载荷安装架11和载荷10。减速电机1通过螺栓安装在主框架5的第一侧面(图1的左侧)上，主框架5的第二侧面(图1的右侧)安装消隙弹簧系统7，第一侧面与第二侧面为对立面。减速电机1通过减速电机轴12连接载荷安装架11，载荷安装架11上连接载荷10，减速电机1转动，减速电机1通过减速电机轴12带动载荷安装架11往复转动(也就是减速电机1驱动齿轮传动实现载荷安装架11转动)，实现带动载荷10沿单轴转动，即减速电机1通过减速电机轴12与载荷安装架11带动载荷10。如图2所示，消隙弹簧系统7与编码器8位于主框架5的右侧编码器8通过编码器轴6与载荷安装架11连接，消隙弹簧系统7位于主框架5与编码器8之间，消隙弹簧系统7安装在编码器轴6上。具体为发条弹簧盒7-2安装在主框架5上，发条弹簧7-1的一端安装在编码器轴6上，另一端安装在发条弹簧盒7-2上。编码器8通过止顶螺丝与编码器轴6连接，编码器轴6通过法兰孔与载荷安装架11连接。轴承16配合编码器轴6，轴承16安装在主框架5上，安装通过内压圈14和外压圈15，具体为内压圈14通过螺纹安装在编码器轴6上，外压圈15通过螺纹安装在主框架5上，内压圈14和外压圈15共同作用实现轴承16的固定与预压。
舵机2、舵机连杆3和定位销4共同组成定位系统，为该摄影测量装置提供初始零位。舵机2可以安装在主框架5的左侧(也可以安装在主框架5的其他位置)，舵机2通过舵机安装架13安装在主框架5上。舵机连杆3一端安装在舵机2上另一端连接定位销4，舵机连杆3与定位销4组成滑动副，载荷安装架11上设有定位销孔，定位销4通过载荷安装架11上的定位销孔与载荷安装架11连接。
控制系统能够根据待拍摄图像的位置等信息来控制摆扫机构的进行摆扫和拍摄，控制系统能够控制减速电机1的工作、载荷10的拍摄和舵机2的工作。给摆扫机构一个拍照信号，摆扫机构接到拍照信号后，会根据内部运动逻辑，按照指定的拍照次数、运动行程和运动时间，驱动载荷10运动到指定位置并执行拍照。其中编码器8不仅用于记录编码器轴6转动的角度，还可以记录位置信息和编码器差分的速度信息等，编码器8将所记录的信息作为反馈传输至控制系统处理。
如图3和图4所示，在该发明摄影测量装置工作之前，舵机2、舵机连杆3和定位销4共同组成的定位系统为该摄影测量装置提供初始零位。在此状态时，发条弹簧7-1有一定预压缩量。当该装置工作时，舵机2驱动舵机连杆3并带动定位销4脱离与载荷安装架11的连接，解除对摄影测量装置提供初始零位的定位。减速电机1驱动载荷安装架11运动到摆扫初始位置；减速电机1通过减速电机轴12带动载荷安装架11转动，同时安装在载荷安装架11上的载荷10的转动(即摆扫)。减速电机1输出扭矩能够使载荷10沿单轴实现特定角度的间歇摆扫运动和稳定成像，摆扫机构(减速电机1、减速电机轴12和载荷安装架11)能够控制载荷10精准的运动到指定位置，在垂直于航向方向的多个位置进行稳定成像，并保证重叠率。通过后期拼接获得一幅完整的高分辨率图像，最终获得垂直和斜拍测图产品。在该摄影测量装置从初始位置运动到终止位置时，发条弹簧7-1一直处于持续压缩状态，这样发条弹簧7-1提供与减速电机1方向相反的扭矩从而消除减速电机1中齿轮啮合中产生的齿隙对控制精度的不良影响，因而提高运动过程中的成像质量。在该装置反向运动从终止位置运动到初始位置时，发条弹簧7-1一直处于持续释放压缩状态，该运动过程中载荷10不成像。编码器8作为角位置传感器，将编码器轴6转动的角度反馈给控制系统。
该装置还包括限位销9，用于防止摆扫机构摆扫运动超过设定值，进一步确定了摆扫运动角度的范围，限制摆扫机构过度摆扫。限位销9可安装在主框架5的右侧下方。(限位销9也可设置在其它位置)，如果该装置在实际工作中发生意外转动，限位销9会限制载荷10的转动，从而实现保护该装置的效果。
该摄影测量装置的摆扫角度和拍照成像数量等运动信息均可配置。摆扫式摄影测量装置能够使载荷10沿单轴实现特定角度的摆扫运动和稳定成像，用单台相机通过摆动，在多个角度进行控制曝光，从而替代多台相机，实现了轻量化和低成本。减速电机1和编码器8分别安装在摄影测量装置的左右两侧，载荷10安装在载荷安装架11上，减速电机1降低所需的输出力矩，带动载荷10进行往复摆动；通过舵机2、舵机连杆3和定位销4所组成的舵机定位系统，提供了一个摆扫式摄影测量装置的初始零位；限位销9限制载荷10在摆扫过程中的运动范围，防止发生意外转动；通过在编码器轴6上增加消隙弹簧系统7，发条弹簧7-1提供与减速电机1扭矩方向相反的扭矩，从而消除减速电机1中齿轮啮合产生的间隙对控制精度的不利影响。

Claims (9)

1.一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置，其特征在于，包括：
主框架(5)；
安装在主框架(5)上的摆扫机构，通过齿轮驱动实现摆扫与成像；
安装在主框架(5)上且通过编码器轴(6)与摆扫机构相连的消隙弹簧系统(7)，提供与摆扫方向相反的扭矩；
通过编码器轴(6)与摆扫机构相连的编码器(8)，记录编码器轴(6)转动的角度。
2.如权利要求1所述的一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置，其特征在于，所述消隙弹簧系统(7)包括发条弹簧(7-1)和安装在主框架(5)上的发条弹簧盒(7-2)，发条弹簧(7-1)两端分别安装在编码器轴(6)和发条弹簧盒(7-2)上。
3.如权利要求1所述的一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置，其特征在于，所述摆扫机构包括：
安装在主框架(5)第一侧面上的减速电机(1)，所述消隙弹簧系统(7)安装在主框架(5)第二侧面上，所述第一侧面与第二侧面为对立面；
与减速电机(1)、消隙弹簧系统(7)和编码器(8)均相连的载荷安装架(11)，消隙弹簧系统(7)提供与载荷安装架(11)转动方向相反的扭矩；
与载荷安装架(11)相连的载荷(10)，通过减速电机(1)驱动齿轮带动载荷安装架(11)与载荷(10)转动。
4.如权利要求3所述的一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置，其特征在于，所述摆扫机构还包括减速电机轴(12)，减速电机(1)通过减速电机轴(12)连接并带动载荷安装架(11)与载荷(10)转动。
5.如权利要求1所述的一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置，其特征在于，还包括用于提供摆扫机构初始位置定位的定位系统。
6.如权利要求5所述的一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置，其特征在于，所述定位系统包括：安装在主框架(5)上的舵机(2)、连接并能够固定摆扫机构的定位销(4)和两端分别安装舵机(2)和定位销(4)的舵机连杆(3)。
7.如权利要求6所述的一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置，其特征在于，所述舵机(2)通过舵机安装架(13)安装在主框架(5)上。
8.如权利要求1所述的一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置，其特征在于，还包括用于防止摆扫机构摆扫运动超过设定值的限位销(9)。
9.如权利要求1所述的一种可消除齿隙的摆扫式摄影测量装置，其特征在于，还包括控制系统，控制系统控制所述摆扫机构的摆扫与成像，所述编码器(8)将记录编码器轴(6)转动的角度传输至控制系统。
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