專利名稱：兩自由度吊艙控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及航天領(lǐng)域，特別是一種用于無人機(jī)、直升機(jī)的吊艙，用于進(jìn)行空中觀察、搜索、救援等。
技術(shù)背景 現(xiàn)有的吊艙自動(dòng)化程度較低，控制比較復(fù)雜，功能較為單一。隨著現(xiàn)代控制理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)應(yīng)用于宇航領(lǐng)域的設(shè)備要求越來越高，也為各種機(jī)載設(shè)備不斷地向精度高、反應(yīng)快、機(jī)動(dòng)性好、可靠性高、覆蓋面廣的方向發(fā)展提供了條件。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種吊艙控制系統(tǒng)，用以解決的現(xiàn)有吊艙自動(dòng)化程度低、控制不便問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的方案是一種兩自由度吊艙控制系統(tǒng)，包括攝像機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸相互垂直的方位電機(jī)和俯仰電機(jī)，方位電機(jī)和俯仰電機(jī)分別對(duì)應(yīng)設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)控制它們的第一伺服驅(qū)動(dòng)板和第二伺服驅(qū)動(dòng)板，攝像機(jī)包括可見光傳感器、紅外傳感器和用于切換可見光傳感器和紅外傳感器進(jìn)行工作的攝像機(jī)控制板，吊艙中分別設(shè)有用于采集方位電機(jī)和俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)過角度的第一編碼器和第二編碼器，兩編碼器輸出連接對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)板；控制系統(tǒng)還包括主控板，主控板上的主控器輸出控制、輸入采樣連接所述第一伺服驅(qū)動(dòng)板和第二伺服驅(qū)動(dòng)板；主控器還控制連接所述攝像機(jī)控制板，主控板上設(shè)有一個(gè)受控于主控器的視頻切換電路，該視頻切換電路輸入連接所述可見光傳感器和紅外傳感器的兩路圖像數(shù)據(jù)輸出端口，輸出連接所述主控器，將所選定的一路圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺仄?。所述視頻切換電路包括HEF4052BT芯片及其外圍電路。所述主控器還控制連接一個(gè)字符疊加單元，所述字符疊加單元輸出連接到成像顯示裝置，用于將所述編碼器所采集的信息與所述傳感器所采集的圖像信息實(shí)時(shí)顯示。所述字符疊加單元包括MAX7456芯片及其外圍電路。所述方位電機(jī)和俯仰電機(jī)均為直流伺服電機(jī)。所述主控器還連接有用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。本實(shí)用新型的吊艙使用兩個(gè)伺服電機(jī)分別控制水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)(方位電機(jī))和豎直平面的轉(zhuǎn)動(dòng)(俯仰電機(jī))，實(shí)現(xiàn)吊艙方位、俯仰兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)和方向的鎖定，其主要功能是在主控器控制下，能夠自動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行掃描，在主控器的指令下實(shí)時(shí)切換可見光傳感器和紅外傳感器，使本實(shí)用新型晝夜均能工作。而且重量輕，外形尺寸小，可靠性高，成本低，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。可全天候執(zhí)行情報(bào)、偵察監(jiān)視等任務(wù)，吊艙收集視頻信息及數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存于飛機(jī)，也可實(shí)時(shí)發(fā)送到地面工作站，使工作人員高效得完成偵察、掃描任務(wù)。提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，成本低，除裝備飛機(jī)外，也可車載或艦載，在海上救援、追蹤偵察、森林防火、海上緝私、交通監(jiān)控、數(shù)字城市建設(shè)等方面有極大的發(fā)展前途。
圖I是本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)框圖；圖2是本實(shí)用新型的主控器及相關(guān)通訊電路圖；圖3是本實(shí)用新型的OSD和視頻切換電路圖圖4是本實(shí)用新型的視頻輸出電路；圖5是吊艙的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是圖5的左視圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。兩自由度吊艙，分別設(shè)有控制兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)，為了精確控制，電機(jī)采用直流伺服電機(jī)，分別對(duì)應(yīng)第一伺服驅(qū)動(dòng)板和第二伺服驅(qū)動(dòng)板(分別對(duì)應(yīng)圖I中的伺服驅(qū)動(dòng)板I和伺服驅(qū)動(dòng)板2);攝像機(jī)除了包括鏡頭，還包括分別適于白天和夜晚工作的可見光傳感器和紅外傳感器，以及控制切換兩種傳感器工作的攝像機(jī)控制板；兩種傳感器能夠?qū)⑺臄z的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺仄?。上述電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)板、攝像機(jī)、傳感器等均有相關(guān)產(chǎn)品能夠選擇使用，所以在此不再贅述。如圖I，方位電機(jī)和俯仰電機(jī)的減速器輸出軸上分別第一編碼器和第二編碼器(對(duì)應(yīng)圖中的編碼器I和編碼器2)，兩編碼器輸出連接對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)板。編碼器采用光電編碼器，將轉(zhuǎn)過的角度轉(zhuǎn)算為速度位置等信息傳輸?shù)剿欧?qū)動(dòng)板，以供主控板取用。如圖2，主控器U201及其外圍電路均設(shè)置在所述主控板上，主控器U201與第一伺服驅(qū)動(dòng)板和第二伺服驅(qū)動(dòng)板對(duì)應(yīng)連接，主控器U201向伺服驅(qū)動(dòng)板發(fā)出控制命令使電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，并通過編碼器采樣相應(yīng)信號(hào)。(主控器U201向伺服驅(qū)動(dòng)板輸出控制信號(hào)為P21、P22、P42、P25、P26 和 P43，輸入采樣信號(hào)包括 P20、P23 和 P24、P27。)主控器 U201 為本系統(tǒng)的控制核心，選用ATMEL公司的ATmegal28芯片或圖2中的STC12C5A32S2。U200及U203為RS-422通訊IC，U200負(fù)責(zé)與攝像機(jī)控制板進(jìn)行通訊，U203負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，U202為EEPROM存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)可能要斷電保存的數(shù)據(jù)。S201為下載程序控制開關(guān)，J201為在線下載程序接口，S200預(yù)留。D200和D201為狀態(tài)指示燈。如圖3，主控板上還設(shè)有一個(gè)受控于主控器的視頻切換電路，視頻切換電路以U300的視頻輸出切換IC為核心芯片，由主控器U201進(jìn)行控制選擇，U300輸入連接可見光傳感器和紅外傳感器的兩路圖像數(shù)據(jù)輸出端口 VIDE01，VIDE02，輸出到主控器U201，將所選定的一路圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺仄鱑201。U300選用HEF4052BT，用單片機(jī)的P34、P35(VIDEOA或VIDEOB )這兩個(gè)引腳進(jìn)行控制選擇，Υ(ΓΥ3是視頻數(shù)據(jù)輸入端。主控器U201將VIDEOl或VIDE02的視頻信息與編碼器所采集的位置信息等通過相應(yīng)的端口(U201的Ρ40、Ρ41、Ρ44、Ρ45)輸出到一個(gè)字符疊加單元(OSD)進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)OSD功能，即在視頻信號(hào)上疊加系統(tǒng)動(dòng)作、狀態(tài)等信息，以字符、數(shù)字、圖標(biāo)等形式，在視頻圖像的合適位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。OSD芯片為U301(選用芯片ΜΑΧ7456)。如圖4，OSD芯片U301輸出(輸出端V0UT)到一個(gè)視頻輸出電路，即隔離放大電路，分為兩路輸出(VIDE00UT1，VIDE00UT2)到成像顯示裝置。如圖I，控制系統(tǒng)還包括電源部分，將外部輸入的14VDC，經(jīng)穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換為12VDC和5VDC，分別為電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)板、主控板、傳感器等供電。本實(shí)用新型還有以下特點(diǎn)通過速度環(huán)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)手動(dòng)掃描、自動(dòng)掃描等工作模式下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)按規(guī)定的速度要求運(yùn)動(dòng)(速度值可由系統(tǒng)命令在O 60° /s范圍內(nèi)實(shí)時(shí)設(shè)定調(diào)整)。通過位置環(huán)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)方向鎖定、收藏保護(hù)等工作模式下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)角位置穩(wěn)定，并根據(jù)實(shí)際工況，自動(dòng)關(guān)斷伺服電路輸出(60s無動(dòng)作、無命令)，以節(jié)電模式工作。速度閉環(huán)與位置閉環(huán)都借助編碼器的反饋信息。水平方向運(yùn)動(dòng)范圍360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。俯仰方向運(yùn)動(dòng)范圍_100° +80°，兩端設(shè)電子限位。水平、俯仰方向運(yùn)動(dòng)速度0 60° /s可調(diào)，兩電機(jī)的輸出均有減速箱，約273. 5倍減速。增設(shè)位置傳感器(霍爾型或光電型)，裝在連接臂上，用于測量鏡頭轉(zhuǎn)過的角度，配合增量式編碼器索引信號(hào)，精確定位方位、俯仰方向角度零位(精度2mrad)。能夠?qū)崟r(shí)測量輸出方位、俯仰角，并通過視頻圖像字符疊加顯示，測角精度lmrad。采取光電隔離、電磁屏蔽、濾波等措施，避免外接電源、信號(hào)以及該控制電路對(duì)視頻圖像形成干擾。本實(shí)用新型的吊艙實(shí)施例如下本實(shí)用新型的吊艙是一種既可以繞水平軸的俯仰調(diào)節(jié)又可以實(shí)現(xiàn)繞豎直軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的吊艙。通過采用兩個(gè)框架軸系實(shí)現(xiàn)支架、殼體的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，并采用對(duì)稱的Y形結(jié)構(gòu)的支架而提高了吊艙的整體強(qiáng)度。本實(shí)用新型可用于全天候執(zhí)行情報(bào)、偵察監(jiān)視等任務(wù)。吊艙收集視頻信息及數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存于飛機(jī)，也可實(shí)時(shí)發(fā)送到地面工作站，使工作人員高效得完成偵察、掃描任務(wù)。提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，成本低，除裝備飛機(jī)外，也可車載或艦載，在海上救援、追蹤偵察、森林防火、海上緝私、交通監(jiān)控、數(shù)字城市建設(shè)等方面有極大的發(fā)展前途。本實(shí)用新型的吊艙，包括用于安裝成像傳感器的殼體，還包括連接有向下懸伸的支架的連接板，所述殼體連接在支架上，所述支架呈倒Y型結(jié)構(gòu)，支架包括上端的與連接板繞豎向的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)配合的脖頸狀的支架軸、連接于支架軸底部的肩狀的橫梁及從橫梁兩端向下懸伸并左右對(duì)稱間隔分布的連接臂，連接板上設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)支架旋轉(zhuǎn)的方位電機(jī)；所述殼體設(shè)置于兩連接臂之間并繞水平的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與兩連接臂分別轉(zhuǎn)動(dòng)裝配，殼體內(nèi)固定有用于驅(qū)動(dòng)殼體繞水平軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰電機(jī)，所述連接臂上設(shè)有與殼體的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線同軸設(shè)置的殼體轉(zhuǎn)軸，該殼體轉(zhuǎn)軸通過行星齒輪傳動(dòng)副與所述俯仰電機(jī)的輸出軸傳動(dòng)連接實(shí)現(xiàn)俯仰電機(jī)對(duì)殼體俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)。所述殼體呈球形結(jié)構(gòu)，殼體包括中間的環(huán)形球帶以及分別固定連接于環(huán)形球帶前后兩端的截頭球冠形的前球殼和球冠形的后球殼，前球殼前端的截頭部分留出窗口并安裝有透明蓋。所述支架設(shè)有自橫梁向兩側(cè)的連接臂延伸的凹槽。所述支架與連接板之間和/或支架與殼體的轉(zhuǎn)動(dòng)配合部分安裝有旋轉(zhuǎn)電連接器。具體結(jié)構(gòu)如圖5-圖6所示，包括連接板1，連接板I上轉(zhuǎn)動(dòng)裝配有向下懸伸的支架2，支架2呈倒Y型結(jié)構(gòu)，支架2包括上端的通過軸承與連接板I繞豎向的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)配合的脖頸狀的支架軸21、連接于支架軸底部的肩狀的橫梁22及從橫梁兩端向下懸伸并左右對(duì)稱間隔分布的連接臂23，橫梁22上設(shè)有凹槽是為了減輕重量，連接臂23上設(shè)有用于走線的凹槽。在連接板上設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)支架I旋轉(zhuǎn)的方位電機(jī)3，方位電機(jī)3的輸出軸通過齒輪副減速機(jī)構(gòu)與支架2的支架軸21傳動(dòng)連接，當(dāng)然在本實(shí)用新型的其他實(shí)施例中，也可以采用常規(guī)技術(shù)中的其他形式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方位電機(jī)動(dòng)力至支架軸的傳遞，比如鏈條、帶傳動(dòng)。另外，支架軸21與連接板I之間安裝有旋轉(zhuǎn)電連接器6，通過旋轉(zhuǎn)電連接器中的導(dǎo)電滑環(huán)與電刷的導(dǎo)電滑動(dòng)配合實(shí)現(xiàn)電力由連接板I向支架2的傳輸，保證支架2可以360 連續(xù)旋轉(zhuǎn)而不會(huì)絞斷連接板I和支架2中的電線。支架2的連接臂23通過相應(yīng)的軸承繞水平的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)裝配有設(shè)于兩連接臂23之間的用于安裝成像傳感器的殼體4，殼體4呈球形結(jié)構(gòu)，殼體4包括中間的環(huán)形球帶41以及采用螺釘分別連接于環(huán)形球帶41前后兩端的截頭球冠形的前球殼42和球冠形的后球殼43，前球殼前端的截頭部分留出窗口并安裝有透明蓋44，滿足拍攝要求。殼體4內(nèi)固定有用于驅(qū)動(dòng)殼體4繞水平軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰電機(jī)5，所述支架2的連接臂23上設(shè)有與殼 體4的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線同軸設(shè)置的殼體轉(zhuǎn)軸231，該殼體轉(zhuǎn)軸231通過行星齒輪傳動(dòng)副與所述俯仰電機(jī)5的輸出軸傳動(dòng)連接實(shí)現(xiàn)俯仰電機(jī)5對(duì)殼體4俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)，在本實(shí)施例中，行星齒輪傳動(dòng)副包括固定于旋轉(zhuǎn)中心的大齒輪71和繞大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的與俯仰電機(jī)5傳動(dòng)連接的小齒輪72，當(dāng)然在本實(shí)用新型的其他實(shí)施例中，也可以采用常規(guī)技術(shù)中的其他形式的行星齒輪副，如帶有太陽輪、帶有多個(gè)行星輪的行星架和外齒圈構(gòu)成的較為復(fù)雜的行星輪系。另外，在俯仰框架上設(shè)置限位機(jī)構(gòu)，保證俯仰運(yùn)動(dòng)的角度范圍，防止系統(tǒng)未通電時(shí)出現(xiàn)超過360 的旋轉(zhuǎn)而絞斷電線，當(dāng)然在本實(shí)用新型的其他實(shí)施例中，也可以在殼體與支架的轉(zhuǎn)動(dòng)配合處設(shè)置旋轉(zhuǎn)電連接器，使得殼體中的電線和支架中電線被旋轉(zhuǎn)電連接器分開為既導(dǎo)電又不傳遞扭矩的兩部分，而且如果不需要360度旋轉(zhuǎn)的場合，支架與連接板的也可采用限位機(jī)構(gòu)而不使用旋轉(zhuǎn)電連接器。另外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)支架2、殼體4轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制，各對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)軸上均安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器作為位置反饋控制的傳感器(上述第一編碼器和第二編碼器)。本實(shí)用新型的上述實(shí)施例在使用時(shí)，吊艙可以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一個(gè)是殼體3及其內(nèi)圖像傳感器的旋轉(zhuǎn)，殼體3能相對(duì)于支架2旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)中大齒輪不動(dòng)，小齒輪圍繞著大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)俯仰電機(jī)、圖像傳感器、殼體同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過殼體3內(nèi)的俯仰電機(jī)及相應(yīng)齒輪副實(shí)現(xiàn)殼體3相對(duì)于支架2的轉(zhuǎn)動(dòng)，完成拍攝要求。另外一個(gè)是支架2相對(duì)于連接板I的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過連接板I上面的方位電機(jī)驅(qū)動(dòng)支架2實(shí)現(xiàn)360 旋轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求1.一種兩自由度吊艙控制系統(tǒng)，包括攝像機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸相互垂直的方位電機(jī)和俯仰電機(jī)，方位電機(jī)和俯仰電機(jī)分別對(duì)應(yīng)設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)控制它們的第一伺服驅(qū)動(dòng)板和第二伺服驅(qū)動(dòng)板，攝像機(jī)包括可見光傳感器、紅外傳感器和用于切換可見光傳感器和紅外傳感器進(jìn)行工作的攝像機(jī)控制板，吊艙中分別設(shè)有用于采集方位電機(jī)和俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)過角度的第一編碼器和第二編碼器，兩編碼器輸出連接對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)板；其特征在于，控制系統(tǒng)還包括主控板，主控板上的主控器輸出控制、輸入采樣連接所述第一伺服驅(qū)動(dòng)板和第二伺服驅(qū)動(dòng)板；主控器還控制連接所述攝像機(jī)控制板，主控板上設(shè)有一個(gè)受控于主控器的視頻切換電路，該視頻切換電路輸入連接所述可見光傳感器和紅外傳感器的兩路圖像數(shù)據(jù)輸出端口，輸出連接所述主控器，將所選定的一路圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺仄鳌?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的兩自由度吊艙控制系統(tǒng)，其特征在于，所述視頻切換電路包括HEF4052BT芯片及其外圍電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的兩自由度吊艙控制系統(tǒng)，其特征在于，所述主控器還控制連接一個(gè)字符疊加單元，所述字符疊加單元輸出連接到成像顯示裝置，用于將所述編碼器所采集的信息與所述傳感器所采集的圖像信息實(shí)時(shí)顯示。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兩自由度吊艙控制系統(tǒng)，其特征在于，所述字符疊加單元包括MAX7456芯片及其外圍電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的兩自由度吊艙控制系統(tǒng)，其特征在于，所述方位電機(jī)和俯仰電機(jī)均為直流伺服電機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的兩自由度吊艙控制系統(tǒng)，其特征在于，所述主控器還連接有用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種兩自由度吊艙控制系統(tǒng)，包括攝像機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸相互垂直的方位電機(jī)和俯仰電機(jī)，方位電機(jī)和俯仰電機(jī)分別對(duì)應(yīng)設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)控制它們的第一伺服驅(qū)動(dòng)板和第二伺服驅(qū)動(dòng)板，攝像機(jī)包括可見光傳感器、紅外傳感器和用于切換可見光傳感器和紅外傳感器進(jìn)行工作的攝像機(jī)控制板，吊艙中分別設(shè)有用于采集方位電機(jī)和俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)過角度的第一編碼器和第二編碼器，兩編碼器輸出連接對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)板；控制系統(tǒng)還包括主控板，主控板上的主控器輸出控制、輸入采樣連接所述第一伺服驅(qū)動(dòng)板和第二伺服驅(qū)動(dòng)板；主控器還控制連接所述攝像機(jī)控制板，主控板上設(shè)有一個(gè)受控于主控器的視頻切換電路，該視頻切換電路輸入連接所述可見光傳感器和紅外傳感器的兩路圖像數(shù)據(jù)輸出端口，輸出連接所述主控器，將所選定的一路圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺仄?。本?shí)用新型晝夜均能工作。而且重量輕，外形尺寸小，可靠性高，成本低，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。
文檔編號(hào)B64D47/08GK202429357SQ201120520010
公開日2012年9月12日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者王麗博, 王笑一, 胡東方, 陳璐 申請人:河南科技大學(xué)