一種伺服/手控混合式三自由度輕小型無人機遙感雲臺系統的製作方法

2024-03-06 17:49:15

本發明屬於航空飛行器設計技術領域，涉及一種伺服/手控混合式三自由度輕小型無人機遙感雲臺系統，適用於輕小型航空攝影、目標跟蹤監測等遙感系統。

背景技術：

無論是在軍用領域還是民用領域，輕小型無人機都有著廣闊的應用和發展前景。其中具有廣泛應用的輕小型無人機遙感系統需要搭載成像載荷，而成像載荷如果直接安裝在飛行載體上會受到氣流擾動、機體振動以及其他一些未知擾動因素的影響，造成成像質量退化。解決的方法是將成像載荷通過雲臺安裝在飛行載體上，通過雲臺隔離各種擾動，保持視軸穩定。此外，雲臺還能為攝影系統提供兩個或者三個轉動自由度，實現視軸的大角度快速跟蹤。

三自由度輕小型無人機遙感雲臺可以有效跟蹤目標和穩定成像載荷，是一種廣泛使用的航攝成像平臺。雲臺的俯仰、橫滾和方位三個框架兩兩相互正交，將成像載荷置於雲臺最內的俯仰框架上，通過陀螺敏感成像載荷相對慣性空間的角運動，然後經穩定迴路驅動框架力矩電機，克服外界幹擾力矩，達到穩定視軸的目的。典型的國外產品主要有：以色列controp精密技術公司研製的esp-600c型無人機載光電偵查平臺採用兩軸平臺，其方位轉動範圍360°×n、俯仰+10°～-10°、最大角速度50°/s、最大角加速度-50°/s2，其穩定精度達到15urad。mssp-3型海事觀察平臺主要用於海事巡邏飛機和巡邏船，採用四框架陀螺穩定系統，帶有高分辨力前視紅外相機、高性能ccd(chargecoupleddevice，電荷耦合器件)相機和雷射測距儀。但是目前研究較多的是承載大、重量大、體積大的穩定平臺，此外，還存在沒有pos提供姿態基準不能工作的問題。

目前，已發表專利主要包括兩類，第一類是針對航空遙感測繪用大負載三軸慣性穩定平臺的設計與控制，如專利「一種多功能航空遙感三軸慣性穩定平臺系統」(cn201110214640.9)提出一種針對航空遙感的慣性穩定平臺系統，在遙感測繪時實時穩定大型遙感相機，保證相機對地水平；第二類主要是兩軸穩定跟蹤平臺的設計及控制方法，如專利「一種兩自由度大負載跟蹤穩定平臺系統」(cn201310045028.2)提出一種針對大面積電力巡線的兩自由度大負載跟蹤穩定平臺系統，在電力巡線時對相機進行穩定和跟蹤；專利「一種基於可控擺系統的雙軸水平穩定平臺及其控制方法」(cn201010606011.6)提出了一種無陀螺控制方案，沒有提及結構系統設計。專利「一種輕型二自由度相機穩定平臺裝置」(cn201410051218.x)提出雙軸平臺系統的設計方案，但是主要針對控制系統。

綜上，隨著輕小型無人機技術的發展和應用的普及，針對輕小型無人機高精度的穩像執行機構有了巨大需求，而相關研究還比較缺乏。本專利從總體出發，研究內容涉及該類無人機輕小型雲臺的設計和分系統構成，將為無人機輕小型雲臺的設計提供借鑑。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提出一種伺服/手控混合式三自由度輕小型無人機遙感雲臺系統，穩定精度高、可以自主提供姿態基準並可通過手動遙控操作實現大角度快速跟蹤，適用於輕小型航空攝影、目標跟蹤監測等遙感系統。

本發明解決上述技術問題採用的技術方案是：一種伺服/手控混合式三自由度輕小型無人機遙感雲臺系統，具有伺服穩定和手控兩種工作模式，包括結構系統、動力系統及控制系統；所述的結構系統包括一個基座、四個橢圓板型減振器、一個方位框架、一個橫滾框架和一個俯仰框架；所述動力系統包括方位力矩電機，用於驅動方位框架；橫滾力矩電機，用於驅動橫滾框架；俯仰力矩電機，用於驅動俯仰框架；所述控制系統包括測量組件和控制電路，測量組件包括姿態參考系統、三支mems單軸陀螺、一支mems加速度計和三支光電碼盤，三支mems單軸陀螺分別為橫滾mems陀螺、方位mems陀螺與俯仰mems陀螺，姿態參考系統、俯仰mems陀螺、橫滾mems陀螺和mems加速度計安裝在俯仰框架上，方位mems陀螺安裝在方位框架上，俯仰框架通過俯仰軸系支承吊於橫滾框架下，橫滾框架通過橫滾軸系支承吊於方位框架下，方位框架通過方位軸系支承吊於基座下，基座通過四個減振器與安裝底板相連，在伺服穩定工作模式下，安裝在雲臺環架上的三支mems單軸陀螺敏感飛行載體角運動及雲臺內外部擾動引起的幹擾角速度，通過控制電路輸出相應控制信號，並經過驅動電路分別輸出到俯仰力矩電機、方位力矩電機與橫滾力矩電機，然後分別驅動俯仰框架、方位框架與橫滾框架轉動，隔離擾動，使雲臺保持穩定，姿態參考系統提供姿態信息，雲臺根據這些信息計算雲臺跟蹤地理坐標系的指令角速度，形成俯仰力矩電機、方位力矩電機與橫滾力矩電機控制信號，分別驅動俯仰框架、方位框架與橫滾框架轉動，使平臺跟蹤地理系，在手控工作模式下，系統根據成像載荷的圖像反饋，通過上位機手動操作，實現大角度快速跟蹤。

進一步地，所述的方位框架、橫滾框架、俯仰框架由外到內分布，三框架迴轉軸線正交於一點，方位框架沿z軸方向吊於在基座下，繞z軸實現±130°旋轉；橫滾框架沿x軸安裝在方位框架上，繞x軸實現±30°旋轉；俯仰框架沿y軸安裝在橫滾框架上，繞y軸實現-90°至30°旋轉。

進一步地，方位框架採用單梁結構，其兩端為圓柱形狀，分別與方位軸系和橫滾軸系連接，兩端軸線以90°相交於一點，中間連接部分採用30°斜梁與豎直梁結合，此連接部分兩側對稱分布有矩形槽，用於電路走線，矩形槽之間的連接部分分布一系列通孔，用於減重，連接部分的豎直梁後側分布用於安裝方位陀螺板的矩形定位槽和螺紋孔，連接橫滾軸系的圓柱體前側分布用於安裝橫滾鎖緊零件的矩形定位槽和螺紋孔。

進一步地，橫滾框架採用半框架結構，兩端為圓柱體形狀分別用於安裝俯仰電機軸系和俯仰編碼器軸系，橫滾軸系安裝於橫滾框架中部，橫滾軸系軸線和俯仰軸系軸線以90°相交於一點，兩端的之間的連接部分內外側對稱分布有矩形槽，用於電路走線。

進一步地，俯仰框架以相互正交的四個面構成，成像載荷安裝在底面，框架正面有供成像載荷鏡頭通過的圓形通槽，還有安裝俯仰/橫滾陀螺轉接板的異型定位槽和安裝俯仰/橫滾陀螺轉接板的螺紋孔，底面有兩端為半圓形中間為矩形的通槽，安裝螺釘通過它固定成像載荷與俯仰框架底面，並可調節成像載荷在槽長方向的安裝位置；框架底面還有安裝姿態參考系統和加計的定位槽和螺紋孔，框架側面分布有安裝俯仰電機軸系和俯仰編碼器軸系的安裝孔，兩安裝孔中心線共線，框架兩側面分布有圓形通孔，框架正面分布有異形槽，用於減重。

進一步地，基座通過四支橢圓板型減振器與安裝底板相連，減振器隔離來自飛機載體的高頻振動；橢圓板型減振器降低了雲臺的高度，節省安裝空間，基座底部有與減振器頂部配合的頂部安裝減震器用圓形定位槽，槽中心有槽中心圓形通孔，用於安裝固定減振器的螺栓；安裝底板上表面有與減振器底部配合的底部安裝減震器用圓形定位槽，槽內相應位置有槽內圓形通孔，用於安裝固定減振器的螺栓。

本發明的原理是：伺服/手控混合式三自由度輕小型無人機遙感雲臺系統由三個框架構成，由外至內分別是方位框架、橫滾框架和俯仰框架。方位框架的迴轉軸沿著飛機的航向方向，用以隔離飛機的方位角運動；橫滾框架的迴轉軸沿垂直於飛機飛行方向，用以隔離飛機的橫滾角運動；俯仰框架的迴轉軸沿飛機飛行方向，用以隔離飛機的橫滾角運動。

如圖2和圖3所示，三部直流力矩電機，分別驅動方位框架、橫滾框架和俯仰框架轉動；安裝在俯仰框架上的俯仰/橫滾mems陀螺儀分別敏感橫滾框架沿橫滾軸x相對於慣性空間的轉動角速度和俯仰框架沿俯仰軸y相對於慣性空間的轉動角速度，安裝在方位框架上的方位mems陀螺儀敏感方位框架沿方位軸z相對於慣性空間的轉動角速度；安裝在俯仰框架上的mems加速度計，敏感軸分別與橫滾框架、俯仰框架的旋轉軸重合；三部光電編碼器測量框架間相對轉角，分別用於測量方位框架相對於機座的轉動角度，橫滾框架相對於方位框架的轉動角度和俯仰框架相對於橫滾框架的轉動角度。在伺服穩定工作模式中，伺服控制器根據速率陀螺敏感到的框架角速率信息，加速度計或姿態參考系統測量出的姿態信息和光電編碼器的框架相對轉角信息產生控制信號，控制信號經過功率驅動模塊轉換為電壓信號給力矩電機，力矩電機輸出驅動力矩驅動三個框架轉動，實現抵消幹擾力矩，實時穩定和調整光電成像載荷視軸的目的。在手控工作模式中，系統根據成像載荷的圖像反饋，通過上位機手動操作，實現大角度快速跟蹤。

本發明與現有技術相比的優點在於：

(1)本發明具有結構緊湊、重量輕、體積小、跟蹤範圍大的特點。結構部分採用整體、開放式設計，基座採用圓板型的整體式硬鋁合金結構；方位框架採用單梁結構吊於基座下方，橫滾框架採用半框架結構安裝於方位框架內，俯仰框架根據載荷成像載荷的形狀採用兩面開口的保護罩結構安裝於橫滾框架內。採用四個橢圓板型減振器，通過定位槽分別安裝在基座下表面和安裝底板上表面進行連接，降低了雲臺的整體高度，使結構更緊湊。

(2)本發明具有伺服穩定和手控兩種工作模式。在伺服穩定工作模式中，實現了抵消幹擾力矩和實時穩定和調整光電成像載荷視軸；在手控模式中，系統根據成像載荷的圖像反饋，實現大角度快速跟蹤。

(3)本發明具有可以自主實現水平穩定的特點。平臺內部安裝加速度計提供位置姿態基準，使平臺在沒有姿態參考系統情況下可實現水平自主穩定；

(4)本發明具有精度高、響應快的特點。框架驅動系統採用有刷直流力矩電機直接驅動的方式，由於去除了傳動環節，從而消除了傳動誤差，易於實現框架高精度、快響應控制。

附圖說明

圖1為本發明的組成框圖及其連接關係；

圖2為本發明的總體二維結構正視圖；

圖3為本發明的總體二維結構右視圖；

圖4為本發明的方位框架二維結構右視圖；

圖5為本發明的方位框架二維結構局部視圖1；

圖6為本發明的方位框架二維結構局部視圖2；

圖7為本發明的橫滾框架二維結構軸測圖；

圖8為本發明的俯仰框架二維結構正視圖；

圖9為本發明的俯仰框架二維結構上視圖；

圖10為本發明的俯仰框架二維結構左視圖；

圖11為本發明的俯仰框架二維結構右視圖；

圖12為本發明的基座二維結構圖；

圖13為本發明的安裝底板二維結構圖。

圖中附圖標記含義為：

1為姿態參考系統；

2-1為俯仰力矩電機；

3為橫滾mems陀螺；

4為俯仰框架；

4-1為安裝俯仰/橫滾陀螺轉接板的螺紋孔；

4-2為安裝俯仰/橫滾陀螺轉接板的異型定位槽；

4-3為第一異形槽；

4-4為圓形通槽；

4-5為第二異形槽；

4-6為第三異形槽；

4-7為第四異形槽；

4-8為第五異形槽；

4-9為安裝姿態參考系統的螺紋孔；

4-10為兩端為半圓形中間為矩形的通槽；

4-11為安裝mems加速度計的定位槽；

4-12為安裝mems加速度計的螺紋孔；

4-13為俯仰電機軸系安裝孔；

4-14為俯仰編碼器軸系的安裝孔；

4-15為左側圓形通孔；

4-16為右側圓形通孔；

4-17為安裝姿態參考系統的定位槽；

5為安裝底板；

5-1為底部安裝減震器用圓形定位槽

5-2為槽內圓形通孔

6為基座；

6-1為頂部安裝減震器用圓形定位槽；

6-2為槽中心圓形通孔；

7為方位碼盤；

8-1為方位力矩電機；

9為減振器；

10為俯仰碼盤；

11為mems加速度計；

12為橫滾碼盤；

13-1為橫滾力矩電機；

14為橫滾框架；

14-1為俯仰電機軸系連接端；

14-2為內側矩形槽；

14-3為外側矩形槽；

14-4為俯仰編碼器軸系連接端；

15為方位mems陀螺；

16為方位框架；

16-1為橫滾軸系連接端；

16-2為豎直梁；

16-3為通孔；

16-4為30°斜梁；

16-5為方位軸系連接端；

16-6為用於安裝方位陀螺板的矩形定位槽；

16-7為用於安裝方位陀螺板的螺紋孔；

16-8為用於安裝橫滾鎖緊零件的矩形定位槽；

16-9為用於安裝橫滾鎖緊零件的螺紋孔；

16-10為矩形槽；

17為成像載荷；

18為俯仰mems陀螺。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施方式進一步說明本發明。

如圖1所示，本發明具有伺服穩定和手控兩種工作模式。在伺服穩定工作模式下，安裝在雲臺環架上的俯仰mems陀螺，橫滾mems陀螺，方位mems陀螺敏感飛行載體角運動及雲臺內外部擾動引起的幹擾角速度，通過控制電路輸出相應控制信號，並分別經過驅動電路輸出到俯仰力矩電機，橫滾力矩電機，方位力矩電機，分別驅動俯仰框架，橫滾框架，方位框架轉動，隔離擾動，使雲臺保持穩定。姿態參考系統提供姿態信息，雲臺根據這些信息計算雲臺跟蹤地理坐標系的指令角速度，形成力矩電機控制信號，驅動俯仰框架，橫滾框架，方位框架轉動，使雲臺跟蹤地理系。在手控工作模式下，系統根據成像載荷的圖像反饋，通過上位機手動操作，實現大角度快速跟蹤。

如圖2和圖3所示，本發明包括結構系統、動力系統及控制系統；本發明包括結構系統、動力系統及控制系統；所述的結構系統包括基座6、四個橢圓板型減振器9、方位框架16、橫滾框架14和俯仰框架4；所述動力系統包括方位力矩電機8-1，用於驅動方位框架16；橫滾力矩電機13-1，用於驅動橫滾框架14；俯仰力矩電機2-1，用於驅動俯仰框架4；所述控制系統包括測量組件和控制電路，測量組件包括姿態參考系統1、俯仰mems陀螺18、橫滾mems陀螺3、方位mems陀螺15、mems加速度計11、俯仰碼盤10、橫滾碼盤12、方位碼盤7。控制電路和驅動電路的電路板集中安裝在電路箱內，姿態參考系統1、俯仰mems陀螺18、橫滾mems陀螺3和mems加速度計11安裝在俯仰框架4上，方位mems陀螺15安裝在方位框架16上。俯仰框架4通過俯仰軸系支承吊於橫滾框架14下，橫滾框架14通過橫滾軸系支承吊於方位框架16下，方位框架16通過方位軸系支承吊於基座6下，基座6通過四個線振動減振器9與安裝底板5相連。

如圖4、圖5和圖6所示，本發明所述的方位框架16採用單梁結構，其方位軸系連接端16-5和橫滾軸系連接端16-1為圓柱形，以90°相交於一點。中間連接部分採用30°斜梁16-4與豎直梁16-2結合，此連接部分兩側對稱分布有矩形槽16-10，用於電路走線，矩形槽之間的連接部分分布一系列通孔16-3，用於減重。連接部分的豎直梁後側分布用於安裝方位陀螺板的矩形定位槽16-6和用於安裝方位陀螺板的螺紋孔16-7。連接橫滾軸系的圓柱體前側分布用於安裝橫滾鎖緊零件的矩形定位槽16-8和用於安裝橫滾鎖緊零件的螺紋孔16-9。

如圖7所示，本發明所述的橫滾框架14採用半框架結構，俯仰電機軸系連接端14-1和俯仰編碼器軸系連接端14-4為圓柱形，橫滾軸系安裝於橫滾框架14中部，橫滾軸系軸線和俯仰軸系軸線以90°相交於一點。俯仰電機軸系連接端14-1和俯仰編碼器軸系連接端14-4之間的連接部分分布有外側矩形槽14-3和內側矩形槽14-2，用於電路走線。

如圖8、圖9和圖10所示，本發明所述的俯仰框架4以相互正交的四個面構成，成像載荷17安裝在底面。框架正面有供成像載荷17鏡頭通過的圓形通槽4-4，還有安裝俯仰/橫滾陀螺轉接板的異型定位槽4-2和安裝俯仰/橫滾陀螺轉接板的螺紋孔4-1。底面有兩端為半圓形中間為矩形的通槽4-10，安裝螺釘通過它固定成像載荷17與俯仰框架底面，並可調節成像載荷17在槽長方向的安裝位置；框架底面有安裝姿態參考系統的定位槽4-17和安裝姿態參考系統的螺紋孔4-9，安裝mems加速度計11的定位槽4-11和安裝mems加速度計11的螺紋孔4-12。框架側面分布有俯仰電機軸系安裝孔4-13和俯仰編碼器軸系的安裝孔4-14，其中心線共線。框架正面分布有異形槽，異形槽分別可為：第一異形槽4-3,第二異形槽4-5、第三異形槽4-6、第四異形槽4-7、第五異形槽4-8等等，用於減重。框架左右側面分別分布有左側圓形通孔4-15和右側圓形通孔4-16，用於減重。

如圖12和圖13所示，本發明中基座6通過四支橢圓板型減振器9與安裝底板5相連，減振器9隔離來自飛機載體的高頻振動；減振器9為橢圓板型，減振器9降低了雲臺的高度，節省安裝空間。基座6底部有與減振器9頂部配合的頂部安裝減震器用圓形定位槽6-1，槽中心有槽中心圓形通孔6-2，用於安裝固定減振器9的螺栓；安裝底板5上表面有與減振器9底部配合的底部安裝減震器用圓形定位槽5-1，槽內相應位置有槽內圓形通孔5-2，用於安裝固定減振器的螺栓。