CN113108219B - 高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统及方法，涉及跟踪定位技术领域，包括横动轨道，用于承载于其上运动的结构，所述横动轨道两端安装有轨道支架，其中轨道支架架设在地面上；云台，用于承载踪调机构，所述云台通过移动轮滚动连接在横动轨道上；定向机构，用于控制云台上指向目标点的踪调机构在随云台沿横动轨道移动时的角度改变以跟踪目标点，本发明基于定向三角形与微缩三角形的微缩映射关系以及驱动轮周长与丝杠导程之比等于微缩比值，使定向杆与踪调机构聚焦方向成对应映射关系，由于定向杆仍指向主轴，通过映射关系得出其聚焦方向仍指向目标点，完成在整个横动轨道上运动的踪调机构对目标点的定向跟踪。

Description

高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统及方法

技术领域

本发明涉及跟踪定位技术领域，尤其涉及高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统及方法。

背景技术

现有技术中带跟踪的横向轨道，在对目标进行跟踪时，一般通过机械机构主动调节踪调机构的角度，从而在踪调机构沿横向轨道移动时不断地调节踪调机构的角度，以形成对被跟踪目标的跟踪效果。但是此种机械式主动跟踪装置的跟踪效果较差，在沿横向轨道移动的过程中，仅能保证跟踪点位于目标点的附近，存在由于主动调节跟踪无法完全适配造成的固有偏差，并且仅在局部有限的轨道上控制调节的跟踪点可用，其余位置轨道的跟踪点偏差较大；而现有技术中通过采集目标点位置信息进行实时控制的方式，虽然相比于机械式主动调节更为准确，但是在在横向轨道与被跟踪目标之间存在障碍物时，难以在跨越障碍物的同时仍保持对被跟踪目标的准确跟踪效果。

当跟踪调焦系统应用于视频制作领域中时，被摄像头拍摄的目标点不仅位于横向轨道固定的距离处，由于踪调机构拍摄景深的限制，为了保证远、近镜头的拍摄效果，需要对离横向轨道不同距离的目标点即不同跟焦距离的目标点均形成有效跟踪效果，但是现有技术中的主动跟踪机械对不同跟焦距离的目标点的跟踪效果较差。

发明内容

本发明提出的高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统及方法，目的是为了解决主动跟踪机械对不同跟焦距离的目标点的跟踪效果较差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统，包括：

横动轨道，用于承载于其上运动的结构，所述横动轨道两端安装有轨道支架，其中轨道支架架设在地面上；

云台，用于承载踪调机构，所述云台通过驱动轮滚动连接在横动轨道上；

定向机构，用于控制云台上指向目标点的踪调机构在随云台沿横动轨道移动时的角度改变以跟踪目标点，所述定向机构包括主轴、定向杆、丝杠和驱动轮，其中，

所述主轴贯穿转动连接在云台上且顶部安装有踪调机构且底部沿径向固定连接有滑动管，

所述定向杆贯穿同轴滑动连接在滑动管内，

所述丝杠由螺杆和螺纹连接在螺杆上的螺母组成，其中螺母顶部与定向杆远离滑动管一端转动连接，

所述驱动轮滚动连接在横动轨道底部且一端与丝杠同轴固定连接；

调焦机构，用于控制踪调机构的目标点与横动轨道垂线距离变化后仍对目标点进行跟踪，所述调焦机构包括调焦块和调焦轨道，其中，

所述调焦块内安装有转动轴承，两个所述调焦块同轴转动连接在丝杠中螺杆两端上，所述云台底部开设有两个调焦轨道，两个所述调焦轨道与两个调焦块一一对应且相互平行设置，所述调焦轨道供调焦块在其内部滑动，同时对调焦块进行限位。

优选地，所述踪调机构为视频拍摄用摄像头、自动化机床用机械手、激光定位用激光头或军事用火控系统。

优选地，所述定向机构中主轴和丝杠中螺杆两端三点构成微缩三角形，所述横动轨道两端、目标点三点构成的定向三角形，其中微缩三角形与定向三角成微缩映射关系，且横动轨道和丝杠中螺杆构成的底边为对应映射边，所述驱动轮周长与丝杠导程之比等于微缩比值，使横动轨道上的云台与螺杆上的螺母，在移动过程中仍构成对应映射关系，使定向杆与踪调机构聚集方向构成对应映射关系，方便踪调机构在随云台沿横动轨道移动时聚焦方向仍指向目标点。

优选地，调焦块与调焦轨道之间的最大静摩擦力大于运动的螺母对螺杆作用力沿调焦块滑动方向上的分力，保证在调节调焦块后，丝杠中螺杆的正常转动无法改变调焦块的位置，保证微缩三角的结构稳定。

优选地，所述调焦机构还包括压架和限位块，所述压架滑动连接在调焦块上且与调焦块之间固定连接有恢复弹簧，且压架由两层磁极方向相反磁铁构成，两个所述限位块滑动连接在调焦块两侧，且具有与压架一层磁铁磁性相斥的磁性并挤压抵靠在调焦轨道两侧，且随压架压下后被其另一层磁铁磁性吸引。

优选地，所述调焦轨道两侧均开设有限位槽，且限位槽内均固定连接有防滑垫，两个所述限位块相背离一侧均开设有限位齿，其中两个限位块相互远离使其上限位齿挤压陷入防滑垫内，在压架对限位块的磁性排斥作用下，两个限位块相互远离进入限位槽内，从而通过限位齿和防滑垫进一步对调焦块在调焦轨道上的位置形成限位，保证调焦块在移动后始终保持稳定。

高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦方法，包括以下步骤：

S1、以目标点和横动轨道两端点构成的定向三角形，以微缩比值映射到，以主轴和螺杆两端两点构成的微缩三角形上；

S2、初始状态踪调机构聚焦方向指向目标点，云台和螺母初始位于横动轨道和螺杆上对应距离比例的位置上，当云台移动一定距离时，由于驱动轮周长与丝杠导程之比等于微缩比值，云台与螺母在各自移动的过程中仍形成对应映射关系，使得定向杆与云台上踪调机构聚焦方向成对应映射关系，此时定向杆仍指向主轴，从而达到云台上的踪调机构随云台沿横动轨道移动后其聚焦方向仍指向目标点，完成在整个横动轨道上运动的踪调机构对目标点的定向跟踪；

S3、当新目标点沿原目标点与横动轨道的垂线方向移动时，即横动轨道与目标点的距离改变时，定向三角形发生改变，此时通过移动云台上的调焦块，调节丝杠与主轴之间的垂线距离，使微缩三角形仍以原微缩比值与定向三角形成构成对应映射关系，从而在S的基础上，随云台的移动，完成调焦后在整个横动轨道上运动的踪调机构对新目标点的定向跟踪。

所述云台一侧刻有标度，所述调焦块上安装有指示杆，所述指示杆呈L型且远离调焦块一端指示在标度上，方便控制调节微缩三角的形状。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1、本发明基于定向三角形与微缩三角形的微缩映射关系以及驱动轮周长与丝杠导程之比等于微缩比值，使在横动轨道上移动的云台与在螺杆上移动的螺母在各自移动的过程中仍形成对应映射关系，进而使定向杆与踪调机构聚焦方向成对应映射关系，在踪调机构随云台沿横动轨道移动后由于定向杆仍指向主轴，通过映射关系得出其聚焦方向仍指向目标点，完成在整个横动轨道上运动的踪调机构对目标点的定向跟踪，由于定向杆与踪调机构聚焦方向的映射关系不存在结构造成上偏差，在整个横动轨道上跟踪时跟踪准确。

2、本发明中由于踪调机构在整个横动轨道上移动时其对目标点的跟踪调节依赖自身机构，从而在横动轨道与目标点之间存在障碍时，仍可以在跨越障碍过程中始终对目标点形成定向跟踪效果。

3、本发明中目标点与横动轨道的距离改变时，定向三角形发生改变，通过移动调焦块，使微缩三角形仍以原微缩比值与定向三角形成构成对应映射关系，完成调焦后在整个横动轨道上运动的踪调机构对新目标点的定向跟踪，保证了踪调机构对不同跟焦距离的目标点的跟踪效果，保证了远、近镜头的拍摄效果，且纯机械式的跟踪方式设备结构简单，相比于主动跟踪机械更为准确，相比于系统控制的跟踪设备可跨越障碍工作，不仅制造成本低且利于维修保养。

4、本发明在移动调焦块时，按压调焦块上的压架，压架移动由对调焦块两侧的限位块磁性排斥改变为磁性吸引，限位块在磁性吸引作用下脱离调焦轨道上的限位槽，方便调焦块沿调焦轨道移动，且限位块对压架的磁性吸引克服部分恢复弹簧的弹力，减轻了按压作用力，形成反馈效果，方便对调焦块的调节和控制；在调节好调焦块位置后，在恢复弹簧的弹力作用下压架恢复并对两个限位块形成磁性排斥，限位块上的限位齿陷入限位槽内的防滑垫中对调焦块形成进一步的限位，保证调节后的微缩三角形的结构稳定。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的云台仰视示意图；

图3为本发明的调焦块内结构示意图；

图4为本发明的调焦后跟踪结构示意图；

图5为本发明的定向跟踪映射示意图；

图6为本发明的调焦跟踪映射示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1，高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统，包括：横动轨道1，用于承载于其上运动的结构，横动轨道1两端安装有轨道支架，其中轨道支架架设在地面上，保持横动轨道1稳定。

云台2，用于承载踪调机构，云台2通过驱动轮34滚动连接在横动轨道1上，云台2承载踪调机构在横动轨道1上移动。

参照图2，定向机构3，用于控制云台2上指向目标点的踪调机构在随云台2沿横动轨道1移动时的角度改变以跟踪目标点，定向机构3包括主轴31、定向杆32、丝杠33和驱动轮34，主轴31贯穿转动连接在云台2上且顶部安装有踪调机构且底部沿径向固定连接有滑动管311，定向杆32贯穿同轴滑动连接在滑动管311内，丝杠33由螺杆和螺纹连接在螺杆上的螺母组成，其中螺母顶部与定向杆32远离滑动管311一端转动连接，驱动轮34滚动连接在横动轨道1底部且一端与丝杠33同轴固定连接，螺母在沿螺杆轴向移动时，带动定向杆32转动，定向杆32在滑动管311的约束下，始终指向主轴31方向，从而使主轴31随螺母移动距离的改变其角度也随之相应改变。

其中定向杆32长度大于微缩三角形的主轴31与螺杆两端构成的两边的边长，保证定向杆32随螺母移动过程中不会脱离滑动管311。

定向机构3中主轴31和丝杠33中螺杆两端三点构成微缩三角形，横动轨道1两端、目标点三点构成的定向三角形，其中微缩三角形与定向三角成微缩映射关系，且横动轨道1和丝杠33中螺杆构成的底边为对应映射边，驱动轮34周长与丝杠33导程之比等于微缩比值，从而使云台2在横动轨道1上移动一定距离后，驱动轮34驱动丝杠33转动，从而在微缩比值的约束下，螺母移动相应距离，使横动轨道1上的云台2与螺杆上的螺母，在移动过程中仍构成对应映射关系，使定向杆32与踪调机构聚集方向构成对应映射关系，方便踪调机构在随云台2沿横动轨道1移动时聚焦方向仍指向目标点，完成纯机械式自动调节踪调机构角度的工作，保证在整个横动轨道1上云台2上的踪调机构均对目标点形成准确定向跟踪。

调焦机构4，用于控制踪调机构的目标点与横动轨道1垂线距离变化后仍对目标点进行跟踪，调焦机构4包括调焦块41和调焦轨道21，调焦块41内安装有转动轴承，两个调焦块41同轴转动连接在丝杠33中螺杆两端上，云台2底部开设有两个调焦轨道21，两个调焦轨道21与两个调焦块41一一对应且相互平行设置，调焦轨道21供调焦块41在其内部滑动，同时对调焦块41进行限位，调焦块41与调焦轨道21之间的最大静摩擦力大于运动的螺母对螺杆作用力沿调焦块41滑动方向上的分力，保证在调节调焦块41后，丝杠33中螺杆的正常转动无法改变调焦块41的位置，保证微缩三角的结构稳定。

参照图3，调焦机构4还包括压架42和限位块43，压架42滑动连接在调焦块41上且与调焦块41之间固定连接有恢复弹簧，且压架42由两层磁极方向相反磁铁构成，两个限位块43滑动连接在调焦块41两侧，且具有与压架42一层磁铁磁性相斥的磁性并挤压抵靠在调焦轨道21两侧，且随压架42压下后被其另一层磁铁磁性吸引。

参照图4，移动调焦块41，改变丝杠33与主轴31之间的间距，可以改变微缩三角形的形状，从而可以改变与其成对应映射关系的定向三角中目标点的位置，改变踪调机构的跟焦距离，在目标点与横动轨道1的间距改变时仍形成定向跟踪效果。

调焦轨道21两侧均开设有限位槽，且限位槽内均固定连接有防滑垫，两个限位块43相背离一侧均开设有限位齿，其中两个限位块43相互远离使其上限位齿挤压陷入防滑垫内，进一步对调焦块41在调焦轨道21上的位置形成限位，保证调焦块41在移动后始终保持稳定。

云台2一侧刻有标度，调焦块41上安装有指示杆，指示杆呈L型且远离调焦块41一端指示在标度上，方便控制调节微缩三角的形状。

在对横动轨道1外的目标点进行跟踪时，微缩三角形与定向三角形以一定微缩比值构成对于映射关系，云台2沿横动轨道1移动一定距离后，由于驱动轮34周长与丝杠33导程之比等于微缩比值，其上驱动轮34驱动丝杠33转动并使螺母在螺杆上的移动距离与云台2移动距离之比等于微缩比值，从而使定向杆32与踪调机构聚焦方向成对应映射关系，在云台2移动后，定向杆32随螺母移动后的转动角度等于主轴31上踪调机构随云台2移动后聚集方式仍指向目标点所需要转动的角度，使踪调机构在整个横动轨道1上移动时均对目标点进行定向跟踪；

即使目标点与横动轨道1之间存在障碍物，由于对踪调机构的角度改变仅依赖自身机构，从而可以在沿横动轨道1移动跨越障碍的过程中始终对目标点形成定向跟踪效果；

在目标点与横动轨道1的间距改变时，按压压架42压缩恢复弹簧，使压架42沿调焦块41移动其上一层磁铁对调焦块42两侧的限位块43形成磁性吸引，使限位块43脱离调焦轨道21上的限位槽，方便调焦块41沿调焦轨道21移动，且限位块43对压架42的磁性吸引克服部分恢复弹簧的弹力，减轻了按压作用力，形成反馈效果，方便对调焦块41的调节和控制，并且在调节好调焦块41的位置后，松开压架42，压架42在恢复弹簧的弹力作用下恢复，其上另一层磁铁对两个限位块43形成磁性排斥，限位块43上的限位齿陷入限位槽内的防滑垫中对调焦块41形成进一步的限位，保证调节后的微缩三角形的结构稳定；

调节调焦块41，使微缩三角形仍以原微缩比值与定向三角形成构成对应映射关系，从而在踪调机构再次随云台2移动时，仍形成定向跟踪效果，完成调焦后在整个横动轨道1上运动的踪调机构对新目标点的定向跟踪。

踪调机构可为激光定位中的激光头、军事火控系统中的炮体及枪体、视频拍摄中的摄像机或自动化设备的跟踪机械爪。

下面以踪调机构为视频制作领域中的摄像头为例，进一步阐述参照图5-6，高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦方法，包括以下步骤：

参照图5，S1、以目标点和横动轨道1两端点构成的定向三角形，以微缩比值映射到，以主轴31和螺杆两端两点构成的微缩三角形上；

S2、初始状态摄像头聚焦方向指向目标点，云台2和螺母初始位于横动轨道1和螺杆上对应距离比例的位置上，当云台2移动一定距离时，由于驱动轮34周长与丝杠33导程之比等于微缩比值，云台2与螺母在各自移动的过程中仍形成对应映射关系，使得定向杆32与云台2上摄像头聚焦方向成对应映射关系，此时定向杆32仍指向主轴31，从而达到云台2上的摄像头随云台2沿横动轨道1移动后其聚焦方向仍指向目标点，完成在整个横动轨道1上运动的摄像头对目标点的定向跟踪；

参照图6，S3、当新目标点沿原目标点与横动轨道1的垂线方向移动时，即横动轨道1与目标点的距离改变时，定向三角形发生改变，此时通过移动云台2上的调焦块41，调节丝杠33与主轴31之间的垂线距离，使微缩三角形仍以原微缩比值与定向三角形成构成对应映射关系，从而在S2的基础上，随云台2的移动，完成调焦后在整个横动轨道1上运动的摄像头对新目标点的定向跟踪，保证了摄像头对不同跟焦距离的目标点的跟踪效果，保证了远、近镜头的拍摄效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统，其特征在于，包括：

横动轨道（1），用于承载于其上运动的结构，所述横动轨道（1）两端安装有轨道支架，其中轨道支架架设在地面上；

云台（2），用于承载踪调机构，所述云台（2）通过驱动轮（34）滚动连接在横动轨道（1）上；

定向机构（3），用于控制云台（2）上指向目标点的踪调机构在随云台（2）沿横动轨道（1）移动时的角度改变以跟踪目标点，所述定向机构（3）包括主轴（31）、定向杆（32）、丝杠（33）和驱动轮（34），其中，

所述主轴（31）贯穿转动连接在云台（2）上且顶部安装有踪调机构且底部沿径向固定连接有滑动管（311），

所述定向杆（32）贯穿同轴滑动连接在滑动管（311）内，

所述丝杠（33）由螺杆和螺纹连接在螺杆上的螺母组成，其中螺母顶部与定向杆（32）远离滑动管（311）一端转动连接，

所述驱动轮（34）滚动连接在横动轨道（1）底部且一端与丝杠（33）同轴固定连接；

调焦机构（4），用于控制踪调机构的目标点与横动轨道（1）垂线距离变化后仍对目标点进行跟踪，所述调焦机构（4）包括调焦块（41）和调焦轨道（21），其中，

所述调焦块（41）内安装有转动轴承，两个所述调焦块（41）同轴转动连接在丝杠（33）中螺杆两端上，所述云台（2）底部开设有两个调焦轨道（21），两个所述调焦轨道（21）与两个调焦块（41）一一对应且相互平行设置，所述调焦轨道（21）供调焦块（41）在其内部滑动，同时对调焦块（41）进行限位；

所述定向机构（3）中主轴（31）和丝杠（33）中螺杆两端三点构成微缩三角形，所述横动轨道（1）两端、目标点三点构成的定向三角形，其中微缩三角形与定向三角成微缩映射关系，且横动轨道（1）和丝杠（33）中螺杆构成的底边为对应映射边；

所述驱动轮（34）周长与丝杠（33）导程之比等于微缩比值。

2.根据权利要求1所述的高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统，其特征在于，所述踪调机构为视频拍摄用摄像头、自动化机床用机械手、激光定位用激光头或军事用火控系统。

3.根据权利要求1所述的高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统，其特征在于，所述调焦机构（4）还包括压架（42）和限位块（43），所述压架（42）滑动连接在调焦块（41）上且与调焦块（41）之间固定连接有恢复弹簧，且压架（42）由两层磁极方向相反磁铁构成，两个所述限位块（43）滑动连接在调焦块（41）两侧，且具有与压架（42）一层磁铁磁性相斥的磁性并挤压抵靠在调焦轨道（21）两侧，且随压架（42）压下后被其另一层磁铁磁性吸引。

4.根据权利要求3所述的高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统，其特征在于，所述调焦轨道（21）两侧均开设有限位槽，且限位槽内均固定连接有防滑垫，两个所述限位块（43）相背离一侧均开设有限位齿，其中两个限位块（43）相互远离使其上限位齿挤压陷入防滑垫内。

5.一种使用权利要求1所述高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、以目标点和横动轨道（1）两端点构成的定向三角形，以微缩比值映射到，以主轴（31）和螺杆两端两点构成的微缩三角形上；

S2、初始状态踪调机构聚焦方向指向目标点，云台（2）和螺母初始位于横动轨道（1）和螺杆上对应距离比例的位置上，当云台（2）移动一定距离时，由于驱动轮（34）周长与丝杠（33）导程之比等于微缩比值，云台（2）与螺母在各自移动的过程中仍形成对应映射关系，使得定向杆（32）与云台（2）上踪调机构聚焦方向成对应映射关系，此时定向杆（32）仍指向主轴（31），从而达到云台（2）上的踪调机构随云台（2）沿横动轨道（1）移动后其聚焦方向仍指向目标点，完成在整个横动轨道（1）上运动的踪调机构对目标点的定向跟踪；

S3、当新目标点沿原目标点与横动轨道（1）的垂线方向移动时，即横动轨道（1）与目标点的距离改变时，定向三角形发生改变，此时通过移动云台（2）上的调焦块（41），调节丝杠（33）与主轴（31）之间的垂线距离，使微缩三角形仍以原微缩比值与定向三角形成构成对应映射关系，从而在S2的基础上，随云台（2）的移动，完成调焦后在整个横动轨道（1）上运动的踪调机构对新目标点的定向跟踪。

6.根据权利要求5所述的一种使用高精度丝杠传动定点无源映射随动跟踪调焦系统的方法，其特征在于，所述云台（2）一侧刻有标度，所述调焦块（41）上安装有指示杆，所述指示杆呈L型且远离调焦块（41）一端指示在标度上。

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