CN108407879B - 一种三维方向控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维方向控制装置，包括方向盘、转向机构、姿态控制机构和连接件，姿态控制机构包括球形万向轴、翻滚角输出器和俯仰角输出器，连接件设置于球形万向轴内部，转向机构穿设于连接件内，且转向机构的上端与方向盘固定连接，转向机构的下端设置有左右转向输出杆，翻滚角输出器和俯仰角输出器均设置于球形万向轴的表面上。本发明依靠转向机构将控制车辆或飞行器在运行时的方向和姿态的方向盘的方向和姿态传递给球形万向轴，并通过左右转向输出杆控制移动设备的左右转向、通过翻滚角输出器和俯仰角输出器分别控制移动设备的翻滚姿态和俯仰姿态，成功实现了三维方向的控制，并保持了方向、姿态传递的及时性。

Description

一种三维方向控制装置
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种三维方向控制装置。
背景技术
目前空中的飞行器(如飞机等)在运行过程中，只能控制前进方向上的仰俯倾斜角和左右侧的翻滚倾斜角，但是不能控制水平方向上的左右转弯。地面上移动设备在执行地面任务时需要将车头抬起后前倾或左右侧进行侧倾，例如特种车辆，以实现水平方向上的左右转弯，但是不能够完成左右侧的翻滚倾斜和前进方向上的仰俯倾斜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维方向控制装置，用以解决现有特种车辆和飞行车等移动设备在运行过程中不能够同时控制水平方向上的左右转动方向和前进方向上的仰俯、左右侧的翻滚姿态的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为，提供一种三维方向控制装置，用于控制车辆或飞行器的方向和姿态，所述三维方向控制装置包括方向盘、转向机构、姿态控制机构和连接件，所述姿态控制机构包括球形万向轴、翻滚角输出器和俯仰角输出器，所述连接件设置于所述球形万向轴内部，所述转向机构穿设于所述连接件内，且所述转向机构的上端与所述方向盘固定连接，所述转向机构的下端设置有左右转向输出杆，所述翻滚角输出器和所述俯仰角输出器均设置于所述球形万向轴的表面上；
其中，所述方向盘用于控制车辆或飞行器在运行时的方向和姿态；所述左右转向输出杆用于输出水平方向上所述方向盘的向左或向右转动的角度；所述翻滚角输出器用于输出所述方向盘向左或向右摆动时的翻滚角度；所述俯仰角输出器用于输出所述方向盘前倾或后仰时的仰俯角度。
进一步地，所述转向机构还包括转向轴、转向轴套和联轴器，所述联轴器设置于所述连接件的内部；所述转向轴的上端与所述方向盘固定连接，所述转向轴的下端穿入所述球形万向轴并伸至所述联轴器，所述转向轴的底端通过所述联轴器与所述左右转向输出杆的顶端连接，所述左右转向输出杆的下端穿出所述球形万向轴；所述转向轴套套设于所述转向轴的外侧，所述转向轴套的底端与所述球形万向轴固定连接。
进一步地，所述球形万向轴外套有固定套座。
进一步地，所述联轴器为可伸缩十字轴式联轴器。
进一步地，所述连接件为联轴器轴承。
进一步地，所述转向机构还包括至少一个转向轴承，所述转向轴套与所述转向轴之间通过所述转向轴承连接。
优选地，所述翻滚角输出器为连杆、可变电阻器或电磁式位移传感器。
优选地，所述俯仰角输出器为连杆、可变电阻器或电磁式位移传感器。
本发明具有如下优点：
本发明依靠转向机构将控制车辆或飞行器在运行时的方向和姿态的方向盘的方向和姿态传递给球形万向轴，并通过左右转向输出杆控制移动设备的左右转向、通过翻滚角输出器和俯仰角输出器分别控制移动设备的翻滚姿态和俯仰姿态，成功实现了三维方向的控制，并保持了方向、姿态传递的及时性。
附图说明
图1为实施例1提供的三维方向控制装置的结构示意图。
图2为实施例1提供的方向盘向左转动时的转矩传动示意图。
图3为实施例1提供的方向盘向左侧摆动时的翻滚弯矩传动示意图。
图4为实施例1提供的方向盘前倾时的仰俯弯矩传动示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例1提供一种三维方向控制装置，下面对本实施例1的结构进行详细描述。
需要说明的是，附图中的白色箭头表示移动方向，本实施例1中的方向是这样规定：坐立于方向盘前，正视前方的左侧为“左”，正视前方的右侧为“右”；“×”表示垂直纸面向里，亦为“前”，“·”表示垂直纸面向外，亦为“后”。
参考图1，三维方向控制装置包括方向盘1、转向机构2和姿态控制机构3和连接件4。转向机构2包括转向轴21、转向轴套22、转向轴承23、联轴器24和左右转向输出杆25，姿态控制机构3包括球形万向轴31、固定套座32、翻滚角输出器33和俯仰角输出器34。
以联轴器轴承作为连接件4，将连接件4设置于球形万向轴31内部，并将联轴器24设置于连接件4的内部；转向轴21的上端与方向盘1固定连接，转向轴21的下端自上而下依次穿入球形万向轴31、连接件4，直到伸至联轴器24，转向轴21的底端通过联轴器24与左右转向输出杆25的顶端连接。作为一种具体的实施方式，球形万向轴31的底端开设有圆形的开口，左右转向输出杆25的下端伸出球形万向轴31的下端开口。
作为一种优选的实施方案，联轴器24为可伸缩十字轴式联轴器。
进一步地，转向轴套22套设于转向轴21的外侧，转向轴套22与转向轴21之间通过转向轴承23连接，转向轴套22的底端与球形万向轴31固定连接。
进一步地，固定套座32套设于球形万向轴31上并固定，翻滚角输出器33和俯仰角输出器34均固定于球形万向轴31的表面上。
其中，方向盘1用于控制车辆或飞行器在运行时的方向和姿态，左右转向输出杆25用于输出水平方向上方向盘1的向左或向右转动的角度；翻滚角输出器33用于输出方向盘1左右摆动时的翻滚角度；俯仰角输出器34用于输出方向盘1前倾或后仰时的仰俯角度。
进一步地，方向盘1设置有用于控制自动驾驶控制系统的控制器安装孔11，该控制器安装孔11安装的控制器上有多个控制键，控制键可以实现对车辆或飞行器的多功能性的自动控制，包括移动设备的增速、减速等。
作为一种具体的实施方案，翻滚角输出器33和俯仰角输出器34均为连杆。且翻滚角输出器33的连杆和俯仰角输出器34的连杆均固定于球形万向轴31的表面上。
下面对本实施例1的实现原理进行简要说明。关于方向盘1的转矩传动原理、翻滚弯矩传动原理和仰俯弯矩转动原理分别参见图2、图3和图4。
参考图2，随着方向盘1的向左从上往下看，该转动为逆时针转动，带动转向轴21相应转动，转向轴21通过联轴器24带动左右转向输出杆25逆时针转动，整个转动过程与现有技术中的车辆再水平方向上控制左右转动方向一样，虽然中间穿过球形万向轴31，但本质上与姿态控制机构3无关。
参考图3，当方向盘1向左侧摆动时，转向轴套22随之向左侧翻，由于转向轴套22的底端与球形万向轴31固定连接，进而带动球形万向轴31向左侧滚动。设置于球形万向轴31的表面的翻滚角输出器33也随之向左侧滚动，即产生左右方向的侧向位移的变化。
参考图4，当向盘1向前倾斜时(垂直于纸面方向向里)，转向轴套22随之向前倾，由于转向轴套22的底端与球形万向轴31固定连接，进而带动球形万向轴31向前滚动。设置于球形万向轴31的表面的俯仰角输出器34也随之向前滚动，即产生前后方向的侧向位移的变化。
实施例2
在实施例1的结构上进行了改进，改进结果如下：
翻滚角输出器33和俯仰角输出器34均为可变电阻器。作为一种具体的实施方案，翻滚角输出器33和俯仰角输出器34均为滑动变阻器，分别将左右侧的翻滚角的水平或垂直位移信息转化为可变电阻信息，进而接入电路，该部分为现有技术，滑动变阻器的具体接法可参照现行的九年级人教版物理课本第十六章《变阻器》中关于滑动变阻器的电路接法，这里不再赘述。
实施例3
在实施例1的结构上进行了改进，改进结果如下：
翻滚角输出器33和俯仰角输出器34均为电磁式位移传感器，优选地，采用接触式位移传感器。该部分为现有技术，电磁式位移传感器的接法参见高中人教版物理课本第五章《电感式传感器》，或参见机械工业出版社出版的《传感器及应用》第2版的相关内容，这里不再赘述。
实施例4
在实施例1的结构上进行了改进，改进结果如下：
翻滚角输出器33和俯仰角输出器34共用一个连杆，且该连杆固定于球形万向轴31的表面上。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种三维方向控制装置，用于控制车辆或飞行器的方向和姿态，其特征在于，所述三维方向控制装置包括方向盘(1)、转向机构(2)、姿态控制机构(3)和连接件(4)，
所述姿态控制机构(3)包括球形万向轴(31)、翻滚角输出器(33)和俯仰角输出器(34)，
所述连接件(4)设置于所述球形万向轴(31)内部，所述转向机构(2)穿设于所述连接件(4)内，且所述转向机构(2)的上端与所述方向盘(1)固定连接，所述转向机构(2)的下端设置有左右转向输出杆(25)，所述翻滚角输出器(33)和所述俯仰角输出器(34)均设置于所述球形万向轴(31)的表面上；其中，
所述方向盘(1)用于控制车辆或飞行器在运行时的方向和姿态；
所述左右转向输出杆(25)用于输出水平方向上所述方向盘(1)的向左或向右转动的角度；
所述翻滚角输出器(33)用于输出所述方向盘(1)向左或向右摆动时的翻滚角度；
所述俯仰角输出器(34)用于输出所述方向盘(1)前倾或后仰时的仰俯角度；
所述转向机构(2)还包括转向轴(21)、转向轴套(22)和联轴器(24)，
所述联轴器(24)设置于所述连接件(4)的内部；
所述转向轴(21)的上端与所述方向盘(1)固定连接，所述转向轴(21)的下端穿入所述球形万向轴(31)并伸至所述联轴器(24)，所述转向轴(21)的底端通过所述联轴器(24)与所述左右转向输出杆(25)的顶端连接，所述左右转向输出杆(25)的下端穿出所述球形万向轴(31)；
所述转向轴套(22)套设于所述转向轴(21)的外侧，所述转向轴套(22)的底端与所述球形万向轴(31)固定连接；
所述方向盘(1)设置有用于控制自动驾驶控制系统的控制器安装孔(11)，所述控制器安装孔(11)安装的控制器上有多个控制键。
2.根据权利要求1所述的维方向控制装置，其特征在于，所述球形万向轴(31)外套有固定套座(32)。
3.根据权利要求1所述的维方向控制装置，其特征在于，所述联轴器(24)为可伸缩十字轴式联轴器。
4.根据权利要求1所述的维方向控制装置，其特征在于，所述连接件(4)为联轴器轴承。
5.根据权利要求1所述的维方向控制装置，其特征在于，所述转向机构(2)还包括至少一个转向轴承(23)，所述转向轴套(22)与所述转向轴(21)之间通过所述转向轴承(23)连接。
6.根据权利要求1所述的维方向控制装置，其特征在于，所述翻滚角输出器(33)为连杆、可变电阻器或电磁式位移传感器。
7.根据权利要求1所述的维方向控制装置，其特征在于，所述俯仰角输出器(34)为连杆、可变电阻器或电磁式位移传感器。
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