CN204406217U - 遥感测绘无人机用三轴云台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种遥感测绘无人机用三轴云台，包括一、二、三级纠偏和一、二、三级纠偏控制装置；一、二、三级纠偏装置包括水平、垂直、竖直三个方向的轴连接座、轴、传动装置、电机；水平轴与镜头固定连接，与水平轴连接座铰接；垂直轴与水平轴连接座固定连接，与垂直轴连接座铰接；竖直轴与垂直轴连接座固定连接，与竖直轴连接座铰接；一、二、三级纠偏控制装置分别包括控制水平、垂直、竖直三个方向的舵机和与舵机连接的驱动器；驱动器对应连接电机。在旋偏方向、横滚方向和俯仰方向三个方向上实时姿态纠偏，及时进行拍摄姿态纠偏，减小无人机在遥感测绘、航拍领域中的应用误差，提高使用精度并拓展无人机的应用，完善测绘无人机航拍功能。

Description

遥感测绘无人机用三轴云台

技术领域

本实用新型涉及小型遥感测绘无人机技术，尤其是一种遥感测绘无人机用三轴云台。

背景技术

遥感测绘无人机为资源调查、环境监测等提供了有力的手段，被广泛用于土地利用动态监测、矿产资源勘探、地质环境与灾害勘察、地籍测量、地图更新等领域。随着国土资源调查和管理的不断深化和应用的不断扩展，对遥感测绘影像数据的需求日趋显著。

利用测绘无人机进行航拍是近年来新兴的技术，但是在航拍过程中比较难解决的问题即为飞行姿态不稳定造成航拍不精确以及飞行的无人机振动对航拍效果的影响。

实用新型内容

本实用新型提供一种遥感测绘无人机用三轴云台，用于克服现有技术中的缺陷，实现了在旋偏方向、横滚方向和俯仰方向三个方向上的实时姿态纠偏，可及时进行拍摄姿态纠偏，减小测绘无人机在遥感测绘、航拍等领域中的应用误差，提高在测绘、航拍中的使用精度并拓展测绘无人机的应用领域，进而完善测绘无人机航拍功能。

本实用新型提供一种无人机用三轴云台，包括：

一级纠偏装置，包括水平轴连接座、水平轴、水平轴传动装置、水平轴电机；所述水平轴一端与镜头固定连接，另一端通过水平轴传动装置与所述水平轴电机传动连接；所述水平轴电机设置在所述水平轴连接座上，所述水平轴与所述水平轴连接座铰接；

二级纠偏装置，包括垂直轴连接座、垂直轴、垂直轴传动装置、垂直轴电机；所述垂直轴一端与所述水平轴连接座固定连接，另一端通过垂直轴传动装置与所述垂直轴电机传动连接；所述垂直轴电机设置在所述垂直轴连接座上，所述垂直轴与所述垂直轴连接座铰接；

三级纠偏装置，包括竖直轴连接座、竖直轴、竖直轴传动装置、竖直轴电机；所述竖直轴一端与所述垂直轴连接座固定连接，另一端通过竖直轴传动装置与所述竖直轴电机传动连接；所述竖直轴电机设置在所述竖直轴连接座上，所述竖直轴与所述竖直轴连接座铰接；

控制系统，包括一级纠偏控制装置、二级纠偏控制装置和三级纠偏控制装置；其中：

所述一级纠偏控制装置包括水平舵机和与所述水平舵机输出端连接的水平驱动器；所述水平驱动器的输出端与所述水平轴电机连接；

所述二级纠偏控制装置包括垂直舵机和与所述垂直舵机输出端连接的垂直驱动器；所述垂直驱动器的输出端与所述垂直轴电机连接；

所述三级纠偏控制装置包括竖直舵机和与所述竖直舵机输出端连接的竖直驱动器；所述竖直驱动器的输出端与所述竖直轴电机连接。

其中：

所述一级纠偏控制装置还包括水平光耦隔离电路，所述水平光耦隔离电路连接在所述水平舵机与所述水平驱动器之间；

所述二级纠偏控制装置还包括垂直光耦隔离电路，所述垂直光耦隔离电路连接在所述垂直舵机与所述垂直驱动器之间；

所述三级纠偏控制装置还包括竖直光耦隔离电路，所述竖直光耦隔离电路连接在所述竖直舵机与所述竖直驱动器之间。

进一步地：

所述水平光耦隔离电路、垂直光耦隔离电路、竖直光耦隔离电路均为一光耦。

更进一步地：

所述水平光耦隔离电路的其中一个输出管脚上、垂直光耦隔离电路的其中一个输出管脚上、竖直光耦隔离电路的其中一个输出管脚上均串联有一个电阻。

特别是：

所述水平光耦隔离电路、垂直光耦隔离电路和所述竖直光耦隔离电路集成在一起；

所述水平驱动器、垂直驱动器和所述竖直驱动器集成在一起。

其中：

所述镜头设置在一筒状壳体中，所述镜头与筒状壳体之间填充有缓冲材料。

进一步地：

所述水平轴连接座横截面呈方框形，所述筒状壳体设置在所述水平轴连接座内，且所述筒状壳体与所述水平轴连接座之间具有间隙，所述水平轴与所述筒状壳体固定连接。

更进一步地：

所述水平轴传动装置、垂直轴传动装置和竖直轴传动装置为齿轮传动装置、连杆传动装置或带传动装置。

本实用新型提供的遥感测绘无人机用三轴云台，针对测绘无人机在实际应用中遇到的问题，分别通过一级纠偏控制装置控制一级纠偏装置实现在俯仰方向上的实时姿态纠偏，通过二级纠偏控制装置控制二级纠偏装置实现在横滚方向的实时姿态纠偏，通过三级纠偏控制装置控制三级纠偏装置实现在旋偏方向的实时姿态纠偏，设计成熟的航拍系统可及时进行拍摄姿态纠偏，进一步减小测绘无人机在遥感测绘、航拍等领域中的应用误差，提高在测绘、航拍中的使用精度并拓展测绘无人机的应用领域，进而完善测绘无人机航拍功能。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的遥感测绘无人机用三轴云台中镜头及一级纠偏装置的横截面结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的遥感测绘无人机用三轴云台的参考状态示意图一；

图3为本实用新型实施例提供的遥感测绘无人机用三轴云台的参考状态示意图二；

图4为本实用新型实施例提供的遥感测绘无人机用三轴云台的一级纠偏控制装置的原理图；

图5为本实用新型实施例提供的遥感测绘无人机用三轴云台的二级纠偏控制装置的原理图；

图6为本实用新型实施例提供的遥感测绘无人机用三轴云台的三级纠偏控制装置的原理图；

图7为本实用新型实施例提供的遥感测绘无人机用三轴云台的控制系统的部分原理图。

具体实施方式

如图1-6所示，本实用新型实施例提供一种遥感测绘无人机用三轴云台，该三轴云台包括一级纠偏装置、二级纠偏装置、三级纠偏装置、控制系统，其中：

如图1所示，一级纠偏装置，包括水平轴连接座11、水平轴12、水平轴传动装置13、水平轴电机14；水平轴12一端与镜头10固定连接，水平轴12另一端通过水平轴传动装置13与水平轴电机14传动连接；水平轴电机14设置在水平轴连接座11上，水平轴12与水平轴连接座11铰接；

如图2所示，二级纠偏装置，包括垂直轴连接座21、垂直轴22、垂直轴传动装置23、垂直轴电机24；垂直轴22一端与水平轴连接座11固定连接，垂直轴22另一端通过垂直轴传动装置23与垂直轴电机24传动连接；垂直轴电机24设置在垂直轴连接座21上，垂直轴22与垂直轴连接座21铰接；

如图3所示，三级纠偏装置，包括竖直轴连接座31、竖直轴32、竖直轴传动装置33、竖直轴电机34；竖直轴32一端与垂直轴连接座21固定连接，竖直轴32另一端通过竖直轴传动装置33与竖直轴电机34传动连接；竖直轴电机34设置在竖直轴连接座31上，竖直轴32与竖直轴连接座31铰接；

如图4-6所示，控制系统，包括一级纠偏控制装置、二级纠偏控制装置和三级纠偏控制装置；其中：

一级纠偏控制装置包括水平舵机15和与水平舵机15输出端连接的水平驱动器16；水平驱动器16的输出端与水平轴电机14连接；

二级纠偏控制装置包括垂直舵机25和与垂直舵机25输出端连接的垂直驱动器26；垂直驱动器26的输出端与垂直轴电机24连接；

三级纠偏控制装置包括竖直舵机35和与竖直舵机35输出端连接的竖直驱动器36；竖直驱动器36的输出端与竖直轴电机34连接。

本实施例提供的无人机用三轴云台，水平舵机15接收来自驾驶室自驾系统的PWM控制信号，控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压，它内部有一个基准电路，产生周期为T(例如是20ms)，宽度为B(例如是1.5ms)的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到水平驱动器16(电机驱动芯片)，控制决定水平轴电机14的正反转，水平轴电极14通过水平传动装置13带动水平轴12转动，进而带动镜头10随水平轴12转动，从而实现俯仰方向纠偏；当水平轴电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，水平轴电机14停止转动；垂直舵机25控制镜头10实现横滚方向的纠偏以及竖直舵机35控制镜头10实现旋偏方向的纠偏原理同上；在二级纠偏过程中一级纠偏装置随镜头10一起绕垂直轴转动，在三级纠偏过程中，一级纠偏装置和二级纠偏装置随镜头一起绕竖直轴转动。

针对测绘无人机在实际应用中遇到的问题，三轴云台实现了在旋偏方向、横滚方向和俯仰方向三个方向上的实时姿态纠偏，设计成熟的航拍系统可及时进行拍摄姿态纠偏，进一步减小测绘无人机在遥感测绘、航拍等领域中的应用误差，提高在测绘、航拍中的使用精度并拓展测绘无人机的应用领域，进而完善测绘无人机航拍功能。

本实施例中利用舵机Futaba BLS251对三轴云台的俯仰、横滚、旋偏三个方向分别进行直接控制，水平舵机15对三轴云台的俯仰方向进行控制，垂直舵机25对三轴云台的横滚方向进行控制，竖直舵机35对三轴云台的旋偏方向进行控制，从而达到纠偏的目的。自驾仪产生飞机当前姿态信息，通过与要求的姿态信息比较，形成指令，控制舵机运动，进行纠偏。

作为上述实施例的进一步地改进：如图4-6所示，一级纠偏控制装置还包括水平光耦隔离电路17，水平光耦隔离电路17连接在水平舵机15与水平驱动器16之间；

二级纠偏控制装置还包括垂直光耦隔离电路27，垂直光耦隔离电路27连接在垂直舵机25与垂直驱动器26之间；

三级纠偏控制装置还包括竖直光耦隔离电路37，竖直光耦隔离电路37连接在竖直舵机35与竖直驱动器36之间。

控制系统方面：本次设计考虑过舵机控制和步进电机控制。因为舵机是比例控制，步进电机是开关控制，舵机精度更高，所以选择舵机。链路中，本次设计在舵机端加入光电隔离器件，减少飞机上电气系统、其他控制器件对其产生的干扰，从而更好更稳定的拍摄。图1是加入光电隔离电路的原理图示。

上述实施例中水平光耦隔离电路17、垂直光耦隔离电路27以及竖直光耦隔离电路37实际上均是一个光耦，在输出高电平时，电流大，带负载能力强，缺点是如果后面的电路对地短路了，就烧掉光耦了；为了避免上述不安全状况的发生，在输出高电平时串了一个电阻，参见图4-6，在水平光耦隔离电路17的第4管脚上串联一个第一电阻171；在垂直光耦隔离电路27的第4管脚串联一个第二电阻271，在竖直光耦隔离电路37的第4管脚串联一个第三电阻371；使电流很小，如果后面的电路输入阻抗低，就会造成电压降低，甚至工作不稳定，但光耦是安全的，不会被烧掉。

作为上述实施例的更进一步地改进：如图7所示，

水平光耦隔离电路、垂直光耦隔离电路和竖直光耦隔离电路集成在一起；集成在同一光耦隔离电路20上；光耦20可采用TLP621；

水平驱动器、垂直驱动器和竖直驱动器集成在一起。集成在同一驱动器30上，驱动器30可采用8总线收发器74LS245；

图7中以连接水平舵机15及水平轴电机14为例进行说明：

水平舵机是通过PWM信号控制的，如图7所示，用光耦TLP621来隔离云台舵机部分和自驾系统部分，第2脚为输入PWM信号，当第2脚为高电平时，发光二极管不亮，第16管脚为高电平，当第2脚为低电平时，发光二极管不亮，16管脚为低电平。因此光耦TPL621的输出脚第16管脚和输入脚第2管脚的波形是一样的。另外，为保证系统驱动能力，采用8总线收发器74LS245作为驱动器，74LS245的第18引脚为光电隔离后最后输出PWM信号的引脚，连接水平轴电机14。同理，由于该云台需要三个舵机控制，所以本次设计可以利用光耦TLP621和驱动器74LS245的其他引脚来完成其他两个方向舵机的光电隔离。可以将其集成在一个小的电路板上，就可以实现，整体上减小了控制系统的体积。

为了优化在航拍过程中的机械增稳功能，如图1所示，镜头10设置在一筒状壳体101中，镜头10与筒状壳体101之间填充有缓冲材料102。在一级纠偏动作过程中，镜头10与筒状壳体101一起随水平轴12转动，在二级纠偏动作过程中，镜头10与筒状壳体101一起垂直轴22转动，在三级纠偏动作过程中，镜头10与筒状壳体101一起竖直轴32转动，缓冲材料102能够降低镜头10在动作过程中的振动，从而减轻振动对航拍效果的影响。

上述实施例中：

水平轴连接座11横截面呈方框形，筒状壳体101设置在水平轴连接座11内，水平轴12与筒状壳体101固定连接。水平轴12通过轴承支撑在水平轴连接座11上，筒状壳体101与水平轴连接座11之间具有间隙，为水平轴12与筒状壳体101的俯仰方向纠偏流出转动空间，这种结构简单，且便于水平轴电机14以及水平舵机15的安装。

本实施例中的水平轴传动装置13、垂直轴传动装置23和竖直轴传动装置33可以为齿轮传动装置、连杆传动装置或带传动装置。

Claims (8)

1.一种遥感测绘无人机用三轴云台，其特征在于，包括：

一级纠偏装置，包括水平轴连接座、水平轴、水平轴传动装置、水平轴电机；所述水平轴一端与镜头固定连接，另一端通过水平轴传动装置与所述水平轴电机传动连接；所述水平轴电机设置在所述水平轴连接座上，所述水平轴与所述水平轴连接座铰接；

二级纠偏装置，包括垂直轴连接座、垂直轴、垂直轴传动装置、垂直轴电机；所述垂直轴一端与所述水平轴连接座固定连接，另一端通过垂直轴传动装置与所述垂直轴电机传动连接；所述垂直轴电机设置在所述垂直轴连接座上，所述垂直轴与所述垂直轴连接座铰接；

三级纠偏装置，包括竖直轴连接座、竖直轴、竖直轴传动装置、竖直轴电机；所述竖直轴一端与所述垂直轴连接座固定连接，另一端通过竖直轴传动装置与所述竖直轴电机传动连接；所述竖直轴电机设置在所述竖直轴连接座上，所述竖直轴与所述竖直轴连接座铰接；

控制系统，包括一级纠偏控制装置、二级纠偏控制装置和三级纠偏控制装置；其中：

所述一级纠偏控制装置包括水平舵机和与所述水平舵机输出端连接的水平驱动器；所述水平驱动器的输出端与所述水平轴电机连接；

所述二级纠偏控制装置包括垂直舵机和与所述垂直舵机输出端连接的垂直驱动器；所述垂直驱动器的输出端与所述垂直轴电机连接；

所述三级纠偏控制装置包括竖直舵机和与所述竖直舵机输出端连接的竖直驱动器；所述竖直驱动器的输出端与所述竖直轴电机连接。

2.根据权利要求1所述的遥感测绘无人机用三轴云台，其特征在于：

所述一级纠偏控制装置还包括水平光耦隔离电路，所述水平光耦隔离电路连接在所述水平舵机与所述水平驱动器之间；

所述二级纠偏控制装置还包括垂直光耦隔离电路，所述垂直光耦隔离电路连接在所述垂直舵机与所述垂直驱动器之间；

所述三级纠偏控制装置还包括竖直光耦隔离电路，所述竖直光耦隔离电路连接在所述竖直舵机与所述竖直驱动器之间。

3.根据权利要求2所述的遥感测绘无人机用三轴云台，其特征在于：

所述水平光耦隔离电路、垂直光耦隔离电路、竖直光耦隔离电路均为一光耦。

4.根据权利要求3所述的遥感测绘无人机用三轴云台，其特征在于：

所述水平光耦隔离电路的其中一个输出管脚上、垂直光耦隔离电路的其中一个输出管脚上、竖直光耦隔离电路的其中一个输出管脚上均串联有一个电阻。

5.根据权利要求4所述的遥感测绘无人机用三轴云台，其特征在于：

所述水平光耦隔离电路、垂直光耦隔离电路和所述竖直光耦隔离电路集成在一起；

所述水平驱动器、垂直驱动器和所述竖直驱动器集成在一起。

6.根据权利要求1-5任一所述的遥感测绘无人机用三轴云台，其特征在于：

所述镜头设置在一筒状壳体中，所述镜头与筒状壳体之间填充有缓冲材料。

7.根据权利要求6所述的遥感测绘无人机用三轴云台，其特征在于：

所述水平轴连接座横截面呈方框形，所述筒状壳体设置在所述水平轴连接座内，且所述筒状壳体与所述水平轴连接座之间具有间隙，所述水平轴与所述筒状壳体固定连接。

8.根据权利要求7所述的遥感测绘无人机用三轴云台，其特征在于：

所述水平轴传动装置、垂直轴传动装置和竖直轴传动装置为齿轮传动装置、连杆传动装置或带传动装置。