CN212569261U - 一种用于图像采集的双向稳定反射镜装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于图像采集的双向稳定反射镜装置，包括通过轴承嵌套在横滚框架上的俯仰框架，陀螺组件和反射镜分别设置在俯仰框架的两个相平行的陀螺轴和反射镜轴上；陀螺组件包括设在陀螺轴上悬空框内的双轴陀螺，所述反射镜的镜面朝向采集图像的探测器；在俯仰框架的一侧陀螺轴、反射镜轴还以1/2的传动比通过转轮、钢带传动机构相连接，陀螺轴还通过传输带与俯仰电机的输出轴相连接；俯仰框架的另一侧还设有与双轴陀螺相连接的测角传感器；所述的横滚框架上设有可驱动俯仰框架旋转的横滚电机，以及与双轴陀螺相连接的方位传感器。本实用新型的反射镜可相对进行横滚和俯仰两维运动，巧妙的实现了飞行探测器的视轴稳定。

Description

一种用于图像采集的双向稳定反射镜装置

技术领域

本实用新型属于飞行探测技术领域，涉及一种用于图像采集的双向稳定反射镜装置。

背景技术

近些年来，随着包括无人机在内的飞行技术的蓬勃发展，无论在国民经济领域还是在国防军事上其重要性日益突出；其中飞行拍摄或者航拍是其中重要的应用之一。不同温度的物体在红外波段有明显特征，温度越低，颜色越深。红外光学系统探测的的是目标的自身辐射，相比可见光光学系统，具有全天候观测、不受环境影响、穿透力强的优点。比如采用无人机红外与可见光同步遥感技术进行环境监察，可以有效地检查出河流两岸隐蔽在草丛中的正在排水的暗口。

但是一个迫切需要解决的问题在于，在飞行连续拍摄时，随飞行抖动翻滚可能形成S型排布的图片，因此需要拍摄视轴的稳定。用三维框架稳定是很多产品所采取的方案，三维稳定非常复杂，适用于大型高价值设备，如平台式惯导系统等，通常的摄像或拍照稳定系统难以承受。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题在于提供一种用于图像采集的双向稳定反射镜装置，能够相对飞行器进行横滚/俯仰两维转动，并能够隔离振动，保持探测器的视轴稳定。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种用于图像采集的双向稳定反射镜装置，包括通过轴承嵌套在横滚框架上的俯仰框架，陀螺组件和反射镜分别设置在俯仰框架的两个相平行的陀螺轴和反射镜轴上；陀螺组件包括设在陀螺轴上悬空框内的双轴陀螺，所述反射镜的镜面朝向采集图像的探测器；

在俯仰框架的一侧陀螺轴、反射镜轴还以1/2的传动比通过转轮、钢带传动机构相连接，陀螺轴还通过传输带与俯仰电机的输出轴相连接；俯仰框架的另一侧还设有与双轴陀螺相连接的测角传感器；

所述的横滚框架上设有可驱动俯仰框架旋转的横滚电机，以及与双轴陀螺相连接的方位传感器；

测角传感器、方位传感器分别与反射镜控制单元的信号输入端相连接，反射镜控制单元的信号输出端经PWM驱动模块与俯仰电机、横滚电机相连接。

所述的悬空框位于俯仰框架的中心，当载体姿态变化时陀螺组件将探测到悬空框产生的角速度，所述的测角传感器、方位传感器分别将检测的俯仰位置信号、方位位置信号发送给反射镜控制单元；反射镜控制单元生成保持反射镜视轴稳定的驱动指令，并通过PWM驱动模块发送给俯仰电机、横滚电机。

当载体俯仰方向发生角度变化时，测角传感器向反射镜控制单元输出角度变化对应的俯仰信号，反射镜控制单元向驱动电机发出驱动指令，使陀螺轴相对载体反向转动同样的角度，陀螺组件相对于惯性空间不变；

当载体横滚方向发生角度变化时，方位传感器向反射镜控制单元输出角度变化对应的方位信号，反射镜控制单元向驱动电机发出驱动指令，使陀螺轴相对载体反向转动同样的角度，陀螺组件相对于惯性空间不变。

当陀螺组轴相对于载体转动时，钢带传动机构带动反射镜轴转动一半的角度，使反射镜的视轴在惯性空间保持稳定的效果。

所述的俯仰框架包括设有转轴的横臂和其两侧设置的音叉型纵臂，音叉型纵臂之间设有相平行的陀螺轴和反射镜轴；其中陀螺轴上设有呈方型的悬浮框架，用于安装陀螺组件。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的用于图像采集的双向稳定反射镜装置，将反射镜通过转轴架设在俯仰框架上，再将俯仰框架通过转轴设置在横滚框架上，使得该反射镜能够相对载体进行横滚/俯仰两维转动，使得反射镜能够解脱与飞行载体之间的耦合，然后再通过电机的驱动使得反射镜始终保持合理的倾角，从而将景物或目标物经反射光路传入探测器，使其输入光束与像面光束保持相对稳定，较好地克服了载体在空间和惯量方面的限制，保持探测器的视轴稳定；

本实用新型提供的用于图像采集的双向稳定反射镜装置，反射镜可相对进行横滚和俯仰两维运动，俯仰范围-5°～+5°，横滚范围-40°～+40°；当飞行器横滚时，反射镜将绕镜轴反向旋转，当横滚范围小于-30°～+30°时，可见光成像、热像光路几乎不受影响；左滚40°时，热像光路入射能量下降 5％，可见光不受影响；右滚40°时，热像光路入射能量下降5％，可见光光路入射能量下降25％；巧妙的实现了飞行探测器的视轴稳定。

附图说明

图1为本实用新型的反射镜与探测器的光路(视轴)示意图；

图2为固定反射镜的框架结构示意图；

图3为反射镜及反射镜驱动机构的结构示意图之一；

图4为反射镜及反射镜驱动机构的结构示意图之二；

图5为反射镜及反射镜驱动机构的结构示意图之三；

图6为反射镜及反射镜驱动机构的结构示意图之四；

图7为反射镜驱动机构控制信号流程示意图；

其中，1为俯仰框架，2为横滚框架，3为反射镜，4为钢带传动机构，5 为测角传感器，6为陀螺组件，7为俯仰电机，8为方位传感器，9为横滚电机。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步详细描述，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

参见图1～图6，一种用于图像采集的双向稳定反射镜装置，包括通过轴承嵌套在横滚框架2上的俯仰框架1，陀螺组件6和反射镜3分别设置在俯仰框架1的两个相平行的陀螺轴和反射镜轴上；陀螺组件6包括设在陀螺轴上悬空框内的双轴陀螺，所述反射镜3的镜面朝向采集图像的探测器；

在俯仰框架1的一侧陀螺轴、反射镜轴还以1/2的传动比通过转轮、钢带传动机构4相连接，陀螺轴还通过传输带与俯仰电机7的输出轴相连接；俯仰框架1的另一侧还设有与双轴陀螺相连接的测角传感器5；

所述的横滚框架2上设有可驱动俯仰框架1旋转的横滚电机9，以及与双轴陀螺相连接的方位传感器8；

测角传感器5、方位传感器8分别与反射镜控制单元的信号输入端相连接，反射镜控制单元的信号输出端经PWM驱动模块与俯仰电机7、横滚电机9相连接。

所述的悬空框位于俯仰框架1的中心，当载体姿态变化时陀螺组件6 将探测到悬空框产生的角速度，所述的测角传感器5、方位传感器8分别将检测的俯仰位置信号、方位位置信号发送给反射镜控制单元；反射镜控制单元生成保持反射镜视轴稳定的驱动指令，并通过PWM驱动模块发送给俯仰电机7、横滚电机9。

具体的，当载体俯仰方向发生角度变化时，测角传感器5向反射镜控制单元输出角度变化对应的俯仰信号，反射镜控制单元向驱动电机发出驱动指令，使陀螺轴相对载体反向转动同样的角度，陀螺组件6相对于惯性空间不变；

当载体横滚方向发生角度变化时，方位传感器8向反射镜控制单元输出角度变化对应的方位信号，反射镜控制单元向驱动电机发出驱动指令，使陀螺轴相对载体反向转动同样的角度，陀螺组件6相对于惯性空间不变。

当陀螺组轴相对于载体转动时，钢带传动机构4带动反射镜轴转动一半的角度，使反射镜3的视轴在惯性空间保持稳定的效果。

具体的，所述的俯仰框架1包括设有转轴的横臂和其两侧设置的音叉型纵臂，音叉型纵臂之间设有相平行的陀螺轴和反射镜轴；其中陀螺轴上设有呈方型的悬浮框架，用于安装陀螺组件。

本实用新型是根据飞行载体姿态变化情况，通过控制反射镜轴相对载体进行横滚/俯仰两维反向转动，使采集图像的探测器的视轴能够解脱与飞行载体之间的耦合，这样光路中的反射镜就保持稳定(反射镜保持45°的倾角，景物或目标物的视轴始终铅垂向下)，使其输入光束与像面光束保持相对稳定，较好地克服了载体在空间和惯量方面的限制；并能够隔离振动，保持视轴的稳定(铅垂向下)，不发生晃动，使得拍摄的系列图片呈直线排布，而非 S性排布。

反射镜可相对进行横滚和俯仰两维运动，俯仰范围-5°～+5°，横滚范围 -40°～+40°：

当飞行器横滚时，反射镜将绕镜轴反向旋转，当横滚范围小于-30°～+ 30°时，可见光成像、热像光路几乎不受影响；

左滚40°时，热像光路入射能量下降5％，可见光不受影响；

右滚40°时，热像光路入射能量下降5％，可见光光路入射能量下降25％；

本实用新型采用反射镜机构来实现视轴的惯性稳定，比平台式稳定占有更小的空间，采集图像的可见光/热像传感器固定不动，可由60mm见方的反射镜旋转来实现拍摄轴在惯性空间的稳定。

横臂轴承支撑起悬臂型音叉，构成横滚框架，两音叉臂间固定了陀螺轴和反射镜轴，其中陀螺轴上设有呈方型的悬浮框架，用于安装陀螺。

横滚框架和俯仰框架在电机的作用下，可相对载体进行两维运动，可解除载体耦合，相对自由运动。

具体的，陀螺安装在俯仰框架的中心，当载体姿态发生变化时，通过框架轴承的摩擦力矩，带动陀螺框架产生角运动，陀螺探测到该角速度，并通过测角传感器5发送探测信号；反射镜控制单元向驱动电机发出驱动指令，使陀螺轴相对载体反向转动同样的角度，陀螺组件6相对于惯性空间不变；

参见图4，陀螺和反射镜安装在同一框架两个平行的轴上，两者之间用钢带以1/2传动比相联，即陀螺轴转一度，反射镜转半度。

当俯仰方向发生一个角度的变化时，陀螺立即输出一个对应的信号，然后又驱动电机做相反运动，使陀螺相对载体反向转动同样一个角度，其结果是陀螺组件相对于惯性空间不变。

当陀螺组件相对于载体转动时，1/2传动机构带动反射镜转动一半的角度，根据反射镜几何光学原理，入射光不动，反射镜法线转动半度，出射光将转动一度，保证了视轴在惯性空间保持稳定。

横滚向反射镜转一度，视轴也转一度，故横滚向陀螺和反射镜直接固联，当陀螺组件在惯性空间稳定时，视轴也得到稳定。

参见图7，反射镜控制单元采集陀螺/传感器的信号，经模数转换和PID 校正，驱动指令通过H型放大器模块输出PWM方波；通过向电机施加正反两个方向的PWM方波，靠占空比变化控制电机运行和停止，并使电机在任意停止位置上，有足够的抗扰动能力，及实现足够的刚度。

电气连接如下：

反射镜控制单元(DSP模块)与陀螺通过串口总线连接，DSP与陀螺的串口通信采用主从方式。DSP与陀螺通信的同时，利用另外一组串口与飞行在进行通信，接收系统的控制指令和伺服控制指令。DSP根据接收到的控制指令和陀螺信号进行伺服控制。

反射镜控制单元输出的PWM波形输出经过缓冲器芯片后将波形变为 TTL电平的PWM波形，再将波形直接输入到功率驱动模块中，经过功率放大后驱动直流力矩电机。功率驱动模块直接由TTL电平的PWM波形驱动，防止功率电路对数字电路的干扰。

通过DSP的通用数字IO口，DSP模块接收伺服系统上电信号、俯仰轴的上下限位信号等，输出系统自检信号、串口通信状态信号等。

以上给出的实施例是实现本实用新型较优的例子，本实用新型不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本实用新型技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于图像采集的双向稳定反射镜装置，其特征在于，包括通过轴承嵌套在横滚框架(2)上的俯仰框架(1)，陀螺组件(6)和反射镜(3)分别设置在俯仰框架(1)的两个相平行的陀螺轴和反射镜轴上；陀螺组件(6)包括设在陀螺轴上悬空框内的双轴陀螺，所述反射镜(3)的镜面朝向采集图像的探测器；

在俯仰框架(1)的一侧陀螺轴、反射镜轴还以1/2的传动比通过转轮、钢带传动机构(4)相连接，陀螺轴还通过传输带与俯仰电机(7)的输出轴相连接；俯仰框架(1)的另一侧还设有与双轴陀螺相连接的测角传感器(5)；

所述的横滚框架(2)上设有可驱动俯仰框架(1)旋转的横滚电机(9)，以及与双轴陀螺相连接的方位传感器(8)；

测角传感器(5)、方位传感器(8)分别与反射镜控制单元的信号输入端相连接，反射镜控制单元的信号输出端经PWM驱动模块与俯仰电机(7)、横滚电机(9)相连接。

2.如权利要求1所述的用于图像采集的双向稳定反射镜装置，其特征在于，所述的悬空框位于俯仰框架(1)的中心，当载体姿态变化时陀螺组件(6)将探测到悬空框产生的角速度，所述的测角传感器(5)、方位传感器(8)分别将检测的俯仰位置信号、方位位置信号发送给反射镜控制单元；反射镜控制单元生成保持反射镜视轴稳定的驱动指令，并通过PWM驱动模块发送给俯仰电机(7)、横滚电机(9)。

3.如权利要求2所述的用于图像采集的双向稳定反射镜装置，其特征在于，当载体俯仰方向发生角度变化时，测角传感器(5)向反射镜控制单元输出角度变化对应的俯仰信号，反射镜控制单元向驱动电机发出驱动指令，使陀螺轴相对载体反向转动同样的角度，陀螺组件(6)相对于惯性空间不变；

当载体横滚方向发生角度变化时，方位传感器(8)向反射镜控制单元输出角度变化对应的方位信号，反射镜控制单元向驱动电机发出驱动指令，使陀螺轴相对载体反向转动同样的角度，陀螺组件(6)相对于惯性空间不变。

4.如权利要求3所述的用于图像采集的双向稳定反射镜装置，其特征在于，当陀螺组轴相对于载体转动时，钢带传动机构(4)带动反射镜轴转动一半的角度，使反射镜(3)的视轴在惯性空间保持稳定的效果。

5.如权利要求1所述的用于图像采集的双向稳定反射镜装置，其特征在于，所述的俯仰框架(1)包括设有转轴的横臂和其两侧设置的音叉型纵臂，音叉型纵臂之间设有相平行的陀螺轴和反射镜轴；其中陀螺轴上设有呈方型的悬浮框架，用于安装陀螺组件。

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