CN213619612U - 一种光电随稳平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于智能控制技术领域，具体涉及一种光电随稳平台。本实用新型包括基座、球副校正组件、若干个均匀布置的拉线驱动器、成像系统组件和陀螺仪传感器；球副校正组件包括：固定安装在基座上的外圈和通过球副与所述外圈连接的内圈；所述成像系统组件包括：U型架、第一电机、随动齿轮、内齿圈、第二电机、主动带轮以及从动带轮；从动带轮的转轴与摄像头固定连接。本实用新型本结构转动惯量小、载荷能力强，响应速度快，控制精度高，可满足车载、船载以及无人机载等小型化和轻量化的要求，能够实现动平台姿态的快速调整功能；能够高效完成快速侦查、识别目标及追踪目标的任务，实现系统光学视轴稳定与目标跟踪。

Description

一种光电随稳平台

技术领域

本实用新型属于智能控制技术领域，具体涉及一种光电随稳平台。

背景技术

随着现代信息技术的迅猛发展，车载光电成像系统能够快速侦察、定位、识别多种目标，广泛应用于军事和民用领域。当前，车载随稳平台多采用多连杆形式大的并联机构，存在载荷能力小、结构复杂、控制系统复杂、制造成本较高无法大规模普及使用的缺点，而且在路况较差、风速过大或载车速度较快情况下,会产生较强的风阻力矩或偏载力矩，影响平台上光电成像系统的抓拍稳定精度。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的技术缺陷，提供一种转动惯量小、载荷能力强的光电随稳平台。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光电随稳平台，其特征在于：包括基座、球副校正组件、成像系统组件和陀螺仪传感器；所述球副校正组件包括：固定安装在所述基座上的外圈和通过球副与所述外圈连接的内圈；所述成像系统组件设置在所述内圈上；所述陀螺仪传感器固定在所述基座上；所述成像系统组件包括：转动连接在所述内圈上的U型架、固定安装在所述U型架上并驱动所述U型架水平转动的第一电机、安装在所述第一电机输出轴上的随动齿轮、安装在所述内圈上且与所述随动齿轮啮合的内齿圈、固定安装在所述U型架上并驱动摄像头进行俯仰转动的第二电机、连接在所述第二电机输出轴上的主动带轮以及通过带传动与所述主动带轮连接的从动带轮；所述从动带轮的转轴与所述摄像头固定连接。

进一步地，所述成像系统组件外部设置有球形外罩。

进一步地，还包括拉线驱动器，所述拉线驱动器包括：固定在所述基座或外圈上的执行电机、与所述执行电机的输出轴转动连接的减速机构、与所述减速机构连接的直线导轨以及两端分别与所述直线导轨的输出端和所述内圈固定的拉线。

进一步地，所述直线导轨为滚珠丝杆，所述滚珠丝杆一端固定于所述基座上；所述滚珠丝杆上套设丝杆螺母，所述丝杆螺母与所述拉线固定连接并带动所述拉线进行直线运动。

进一步地，所述滚珠丝杆的导程为10mm，直径为12mm。

进一步地，所述减速机构包括与所述执行电机输出轴同轴固定连接的小齿轮、与所述小齿轮啮合传动的大齿轮、与所述大齿轮同轴固定连接的小带轮、通过传动带与所述小带轮连接的大带轮；所述大带轮与所述滚珠丝杆同轴固定连接。

进一步地，所述执行电机为HB式步进电机。

进一步地，所述拉线驱动器数量大于等于3。

进一步地，所述陀螺仪传感器为MEMS陀螺仪。

更进一步地，所述拉线的材质为不锈钢。

本实用新型的一种光电随稳平台的有益效果是：

1、本发明采用球副校正组件，外圈与基座固连，内圈承载成像系统组件；通过随动齿轮与内齿圈的啮合能够快速实现摄像头的水平方位转动，通过第二电机驱动带传动实现摄像头的俯仰运动，转动惯量小，载荷能力强，负载能力强，可满足车载、船载以及无人机载等小型化和轻量化的要求，能够实现动平台姿态的快速调整功能；能够高效完成快速侦查、识别目标及追踪目标的任务。可在民用领域和军用领域广泛应用，如交通管制警车摄像抓拍违章车辆等。

2、本发明通过拉线调整内圈位置，可达到响应速度快，控制精度高的要求，能够实现内圈姿态的快速调整。

3、本发明外部设置球形外罩，能有效降低风阻力和风阻力矩。

4、本发明采用齿轮传动、带传动以及滚珠丝杆的传动方式大幅提高了拉线的控制精度，并且降低了振动、冲击、风阻等外界扰动对系统造成的影响,实现系统光学视轴稳定与目标跟踪。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明光电随稳平台实施例的外形图；

图2是本发明实施例光电随稳平台整体剖视图；

图3是本发明球副校正组件的实施例的局部剖视图；

图4是本发明拉线驱动器的实施例的局部剖视图；

图5是本发明成像系统组件的实施例的局部剖视图；

图6是本发明球副矫正组件部分结构立体图；

图7是光电随稳平台的运动学模型图。

图中:1、基座；2、球副校正组件；21、外圈；22、内圈；221、第二接绳凸台；3、拉线驱动器；30、方形导框，31、执行电机；32、小齿轮；33、大齿轮；34、传动带；35、小带轮；36、大带轮；37、滚珠丝杆；38、丝杆螺母；381、第一接绳凸台；39、拉线；310、第一导向轮，311、第二导向轮，4、成像系统组件；41、U型架、42、第一电机；43、随动齿轮；44、内齿圈；46、第二电机；47、主动带轮；48、摄像头；49、球形外罩，50、从动带轮，51、角接触球轴承，52、轴承端盖，53、阶梯转轴，54、联轴器。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图7所示的本发明的一种光电随稳平台的具体实施例。

如图1和图2所示，本发明的一种光电随稳平台，包括基座1、球副校正组件2、若干个均匀布置的拉线驱动器3和成像系统组件4。另外，陀螺仪传感器固定在基座1上，用来检测基座1的运动参数。本发明作为车载光电随稳平台使用时，基座1固定安装在车辆上，当车辆在复杂路况、汽车转弯、高低不平路面行驶过程中，通过陀螺仪传感器检测车辆基座1的运动参数，并将检测数据输入到步进电机控制器，通过拉线驱动器3对球副校正组件2进行校正，使得成像系统组件4保持一定程度的稳定，提高摄像质量。

如图3所示，球副校正组件2包括：固定安装在基座1上的外圈21和通过球副与外圈21连接的内圈22。其中，外圈21与平台的基座1固定连接，内圈22与成像系统组件4固连。内圈22和外圈21组成球副，本机构具有响应速度快，载荷能力强的特点。

结合图2、图4和图6，拉线驱动器3包括：固定在基座1或外圈21上的执行电机31、与执行电机31的输出轴转动连接的减速机构、与减速机构连接的直线导轨以及两端分别与直线导轨的输出端及内圈22固定的拉线。拉线驱动器3至少为三个，根据“三点定一面”原理，需要配置三根以上数量的拉线39，依靠多根拉线39的长度变化量，协同控制球副内圈22和球副外圈21相对转动的姿态；每根拉线的长短量控制组件结构均相同，本实施例以3个拉线驱动器为例。

本发明提出一种比较优选的拉线驱动器3的实施例为：如图4和图6所示，直线导轨为滚珠丝杆37，滚珠丝杆37一端固定于基座1上，滚珠丝杆37上套设丝杆螺母38。执行电机31输出轴同轴固定连接有小齿轮32，执行电机31的输出轴通过联轴器54连接小齿轮32的转轴，小齿轮32啮合传动大齿轮33，大齿轮33同轴固定连接有小带轮35，小带轮35通过传动带34连接大带轮36，大带轮36与滚珠丝杆37同轴固定连接，大带轮36位于滚珠丝杆37的底端，拉线39一端固定在丝杆螺母38上，另一端固定在内圈22上。丝杆螺母38为方形且其一侧具有第一接绳凸台381，丝杆37的外部具有与其轴向平行设置的方形导框30，方形导框30的一个侧面上具有导槽，第一接绳凸台381从导槽穿出并固定连接拉线39的一端。基座1上固定安装有第一导向轮310和第二导向轮311，每个直线导轨的拉线39一端固定在第一接绳凸台381上，然后依次绕过第一导向轮310和第二导向轮311，最后固定在内圈22上；拉线39的轨迹形成一个位于同一个平面上的U形。为满足拉线驱动组件的低速大转矩要求，拉线驱动器的同步带传动机构和齿轮传动机构均采用降速传动。

成像系统组件4设置在内圈22上，当拉线驱动器3驱动内圈22进行位姿调整时，成像系统组件4也跟随内圈22做相应的调整。当执行电机31输出轴进行转动时，间接带动滚珠丝杆37进行转动，从而带动丝杆螺母38进行直线运动，进而带动拉线39进行直线运动。

滚珠丝杆在精密的机器中应用十分广泛，能把转动化为线性移动，而且运动精度高、回程误差小。本结构摒弃滚筒式拉线方式，采用全直线运动，从根本上解决了拉线驱动精度不高的难题。另外，为了解决拉线弹性伸缩影响拉线控制精度的问题，拉线采用不锈钢材质。

滚珠丝杆37将转动化为移动，可使执行电机31、减速机构、滚珠丝杆37在布局上更加立体化，更为合理，有效利用了空间，使结构紧凑，整体尺寸变小。

优选地，为了满足平台控制的响应速度以及成像系统组件4的移动速度，滚珠丝杆37选用导程为10mm，直径为12mm。

如图5所示，本发明同时公开一种成像系统组件4的实施例，如下：U型架41转动连接在内圈22上，U型架41的下端固定有阶梯转轴53，阶梯转轴53同心于内圈22的轴线，阶梯转轴53下部的阶梯面通过两个背靠背安装的角接触球轴承51安装在内圈22上，形成回转副。第一电机42固定安装在U型架41上，第一电机42输出轴上固定安装随动齿轮43，内圈22的上部固定安装有内齿圈44，随动齿轮43与内齿圈44啮合。U型架41在第一电机42的驱动下，通过随动齿轮43沿内齿圈44转动可实现摄像头48的水平方位转动。摄像头48转动安装在U型架41上，第二电机46固定安装在U型架41上，第二电机46的输出轴上连接有主动带轮47，从动带轮50通过传动带与主动带轮47连接，从动带轮50的转轴与摄像头48固定连接。第二电机46通过同步带传动可驱动摄像头48进行俯仰转动。作为另一种实施方式，也可以通过第二电机46驱动齿轮传动机构来驱动摄像头48进行俯仰转动。第一电机42和第二电机46分别驱动摄像头48进行水平方位转动和俯仰方向转动的调节。

本发明运动学模型可简化为如图7所示。在图7中，外圈21固定面简化为面M₁M₂M₃，内圈22活动面简化为面N₁N₂N₃，线段M₁N₁、M₂N₂、M₃N₃分别代表三根独立的拉线L₁、L₂、L₃，点O₁、O₂分别为面M₁M₂M₃、面N₁N₂N₃中心原点。Z₁轴和Z₂轴分别以点O₁和O₂为原点，垂直于面M₁M₂M₃和面N₁N₂N₃。建立坐标系{X₁、Y₁、Z₁}、{X₂、Y₂、Z₂}，两个坐标系可分别沿X轴、Y轴进行旋转。假设初始位置时面M₁M₂M₃和面N₁N₂N₃之间的距离为d，那么对于坐标系{X₁、Y₁、Z₁}、{X₂、Y₂、Z₂}，当{X₁、Y₁、Z₁}绕X₁轴旋转θ角，往上平移d后O₁和O₂重合。再绕Y₁轴旋转α角后与{X₂、Y₂、Z₂}重合，于是可以得到齐次变换矩阵：

在面N₁N₂N₃上取点N₁，∠N₁O₂X₂＝90°。那么在面M₁M₂M₃上与N₁的对应点M₁也有∠M₁O₁X₁＝90°，

在{1}中可得：

在{2}中：

由之前的计算，可解出¹N₁为：

于是进一步计算可得拉线长度L1为：

同理，可以得到|M₂N₂|,|M₃N₃|的长度公式。

陀螺仪传感器与基座1固连，实时监测球副外圈21与水平面的夹角，为拉线驱动组件控制球副内圈22水平姿态提供数据。

当陀螺仪传感器检测到基座1的横滚角和俯仰角的变化角度时，即可由上述公式计算出每时每刻拉线的长度变量。再通过控制器向步进电机输入相应的脉冲，精确控制拉线的长度，以使面N₁N₂N₃始终处于水平状态。

本实施例为表述原理只采用3根拉线，实际上根据内圈22的质量和载荷大小，可以增加拉线数量，比如4根或更多，以提高驱动力，更好抵抗外部扰动载荷力，并且依然能达到姿态调整效果。

优选地，本实施例中成像系统组件4外部设置球形外罩49，成像系统均布置于球形外罩49内部，做成一体化结构，球形外罩49上带有光学窗口。当风速过大或者车辆速度较快的情况下，球形壳体的曲面结构能够有效降低风阻力和风阻力矩。本结构具有风阻系数低、结构刚度高、重量轻、系统集成度高、电磁兼容效果好，等特点,具有良好的抗冲击、振动及环境适应能力。

优选地，为提高控制精度，执行电机31、第一电机42和第二电机46均为HB式步进电机，这种步进电机步距角小，控制精度高。

优选地，本实施例中，陀螺仪为MEMS陀螺仪，它具有体积小、功耗低、成本低，集合了数字化与智能化的优点。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种光电随稳平台，其特征在于：包括基座(1)、球副校正组件(2)、成像系统组件(4)和陀螺仪传感器；所述球副校正组件(2)包括：固定安装在所述基座(1)上的外圈(21)和通过球副与所述外圈(21)连接的内圈(22)；所述成像系统组件(4)设置在所述内圈(22)上；所述陀螺仪传感器固定在所述基座(1)上；所述成像系统组件(4)包括：转动连接在所述内圈(22)上的U型架(41)、固定安装在所述U型架(41)上并驱动所述U型架(41)水平转动的第一电机(42)、安装在所述第一电机(42)输出轴上的随动齿轮(43)、安装在所述内圈(22)上且与所述随动齿轮啮合的内齿圈(44)、固定安装在所述U型架(41)上并驱动摄像头(48)进行俯仰转动的第二电机(46)、连接在所述第二电机(46)输出轴上的主动带轮(47)以及通过同步带传动与所述主动带轮(47)连接的从动带轮(50)；所述从动带轮(50)的转轴与所述摄像头(48)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种光电随稳平台，其特征在于：所述成像系统组件(4)外部设置有球形外罩(49)。

3.根据权利要求2所述的光电随稳平台，其特征在于：还包括拉线驱动器(3)，所述拉线驱动器(3)包括：固定在所述基座(1)或外圈(21)上的执行电机(31)、与所述执行电机(31)的输出轴转动连接的减速机构、与所述减速机构连接的直线导轨以及两端分别与所述直线导轨的输出端和所述内圈(22)固定的拉线(39)。

4.根据权利要求3所述的光电随稳平台，其特征在于：所述直线导轨为滚珠丝杆(37)，所述滚珠丝杆(37)一端固定于所述基座(1)上；所述滚珠丝杆(37)上套设丝杆螺母(38)，所述丝杆螺母(38)与所述拉线(39)固定连接并带动所述拉线(39)进行直线运动。

5.根据权利要求4所述的光电随稳平台，其特征在于：所述滚珠丝杆(37)的导程为10mm，直径为12mm。

6.根据权利要求4所述的光电随稳平台，其特征在于：所述减速机构包括与所述执行电机(31)输出轴同轴固定连接的小齿轮(32)、与所述小齿轮(32)啮合传动的大齿轮(33)、与所述大齿轮(33)同轴固定连接的小带轮(35)、通过传动带(34)与所述小带轮(35)连接的大带轮(36)；所述大带轮(36)与所述滚珠丝杆(37)同轴固定连接。

7.根据权利要求3所述的光电随稳平台，其特征在于：所述执行电机(31)为HB式步进电机。

8.根据权利要求3所述的光电随稳平台，其特征在于：所述拉线驱动器(3)数量大于等于3。

9.根据权利要求1所述的光电随稳平台，其特征在于：所述陀螺仪传感器为MEMS陀螺仪。

10.根据权利要求3-8任一项所述的一种光电随稳平台，其特征在于：所述拉线(39)的材质为不锈钢。

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