CN203686509U

CN203686509U - 三自由度自稳平台

Info

Publication number: CN203686509U
Application number: CN201320647902.5U
Authority: CN
Inventors: 朱华; 吴文才; 牛子杰
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2023-10-21

Abstract

本实用新型公开了一种三自由度自稳平台，包括支架组件、电机组件、拍摄设备以及电机控制装置：所述电机控制装置包括嵌入式驱动控制器、姿态检测装置、位置检测装置,所述电机组件为超声电机，直接驱动机架组件使拍摄设备转动以使拍摄角度在外界干扰时能自保持平衡。超声电机是依靠压电元器件作动,自身不会对平台安装的探测器产生电磁干扰，且超声电机工作原理是依靠定转子之间摩擦驱动转动，定转子之间有一定的预紧力，因此在不通电的情况下也可锁定平台，从而起到自稳作用。超声电机自身具有低速大扭矩的特点，不需要减速机构，可以直接驱动平台。定转子双陀螺检测工作方式有机的将超声电机工作原理的特殊性及稳定平台的具体要求巧妙地结合起来，实时动态的稳定拍摄设备。

Description

三自由度自稳平台

技术领域

本实用新型涉及一种超声电机驱动的新型三自由度自稳平台，具体涉及一种陀螺式三转动轴精确定位自稳平台。

背景技术

在摄影、照相或监测领域，搭载了摄像机的运载机，如飞行器、汽车、轮船、机器人等在运行过程中，由于载体本身存在高频震动和低频抖动或是外界气流、地面不平的扰动，不可避免的会对拍摄设备的成像质量产生不利影响，甚至导致成像系统严重失真，因而需要配置自稳平台来搭载摄像机。现有技术中，大多采用的是基于电磁电机而搭建的机械拓扑结构及电路驱动控制系统，而伺服电机需要齿轮作为减速机构，直流力矩电机虽可以用于低速大扭矩场合，但电机本身无自锁功能，还需要额外加一定位自锁装置，且力矩/质量比小（比同等超声电机小3~5倍），且电磁电机存在电磁干扰的缺陷，当运载机对导航设备防电磁干扰要求比较高的场合时，显然制约着自稳平台的应用范围，而当前对于采用基于超声电机驱动源的自稳平台报道还比较少见。为了弥补上述的不足，本实用新型提出了一种采用超声电机驱动的三自由自稳平台，并具体提出了平台的机械结构与电路驱动系统一体化的控制策略。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种体积小、结构简单、力矩/质量比大，自锁性好，无电磁干扰，并且由三个超声电机同时控制平台沿X、Y、Z轴的转动，维持成像设备稳定的装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型使用的三自由度自稳平台：一种三自由度自稳平台，包括第一支架、第二支架、第三支架及第四支架，第一超声电机、第二超声电机、第三超声电机、第一连接轴、第一滚动轴承、第二滚动轴承及第二连接轴，其中，所述第一连接轴通过其一端连接板与第四支架连接在一起，另一端通过第一滚动轴承的支撑定位与所述第二支架连接在一起，所述第一超声电机的一端输出轴与所述第四支架相连接，所述第二超声电机的一端输出轴与所述第二连接轴的一端相连接，所述第三超声电机的一端输出轴与所述第二支架相连接，所述第二连接轴的另一端通过第二滚动轴承的支撑定位与第四支架相连接；

所述第三超声电机通过一端输出轴驱动第二支架及与第二支架连接的组件绕Z轴转动，第一超声电机通过一端输出轴驱动第四支架及与第四支架相连接的组件绕X轴转动，第二超声电机通过一端输出轴驱动第二连接轴及与第二连接轴连接的组件绕Y轴转动；所述第一支架上安装拍摄设备；

位置检测装置，分别是第一位置检测装置、第二位置检测装置及第三位置检测装置，其中，所述第一位置检测装置安装在第一滚动轴承的盖上且与第一连接轴一端相连接，所述第二位置检测装置安装于第二超声电机的外壳上且与第二超声电机的一端输出轴相连接，所述第三位置检测装置安装于所述第三支架上且与第三超声电机的一端输出轴相连接；

姿态检测装置，分别是第一姿态检测装置、第二姿态检测装置，其中，所述第一姿态检测装置粘接于所述第一支架上，第二姿态检测装置粘接于所述第四支架上；

还包括电机控制装置，所述电机控制装置为嵌入式控制器；第一姿态检测装置负责提供外界的干扰信号，包括分别沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的旋转变化量，再通过微机通信接口把信号传递给嵌入式控制器；第二姿态检测装置负责提供驱动稳定平台的速度差值，包括分别沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的旋转变化量，再通过电路接口模块把信号传递给嵌入式控制器；以嵌入式控制器为核心的电机控制系统根据第一姿态检测装置、第二姿态检测装置的输出信息判断此时外界干扰状态以及稳定平台的工作状态，通过驱动接口、功率模块分别控制第一超声电机、第二超声电机、第三超声电机的启停、正反转及转速，以补偿外界对拍摄设备的扰动偏转位移量，第一位置检测装置，第二位置检测装置，第三位置检测装置把测得的各个超声电机转速及正反转信号通过外围接口电路传递给基于嵌入式控制器为核心的电机控制系统，电机控制系统根据所采集的超声电机旋转位移信号再次发出驱动控制信号给各个超声电机进行修正，达到闭环反馈控制目的。

进一步的，所述第一支架的一端与第一连接轴的尾端法兰盘连接在一起；所述第一超声电机安装在所述第二支架安装板上，并加以螺栓固定；所述第二超声电机安装在所述第四支架安装板上，并加以螺栓固定，所述第三超声电机安装在所述第三支架安装板上，并加以螺栓固定。

进一步的，所述拍摄设备为成像传感器。

进一步的，所述电机控制装置为DSP单片机或其他嵌入式微控制器。

进一步的，所述姿态检测装置为陀螺仪或其他姿态检测传感器。

进一步的，所述位置检测装置为旋转编码器或其他光栅测量传感器。

有益效果：在本发明中电机控制装置采用单片嵌入式微处理器（如DSP、ARM单片机）为核心的电机驱动控制系统，不存在同步性问题，控制精度更高，更利于驱动电路的集成化，小型化，结合程序控制算法及硬件电路，方便的对整个自稳平台的实时联动控制。

本平台采用双姿态检测装置检测的工作模式，即第一支架与第四支架处均安装姿态检测装置，其中第一支架处的姿态检测装置负责提供外界干扰的方向信号，第四支架处的姿态检测装置负责提供驱动稳定平台的速度差值。此时可方便的根据第一支架、第四支架处姿态检测装置的输出信息判断此时外界干扰状态以及稳定平台的工作状态，从而调整控制方式。

本自稳平台采用超声电机直接驱动，其基本原理为：平台在惯性空间内以某给定角速度运行，当受到外界干扰的情况下，平台角速度发生变化，此时根据该速度差值，通过调整驱动频率改变超声电机输出，直至平台输出速度误差为零。

附图说明

图1是三自由度自稳平台的立体图。

图2是三自由度自稳平台的俯视图。

图3是双姿态检测装置的超声电机驱动稳定平台。

图4是双姿态检测装置的超声电机驱动稳定平台工作原理。

附图标记如下：1、第一超声电机；2、拍摄设备；3、第一支架；4、第一姿态检测装置；5、第二滚动轴承；6、第二姿态检测装置；7、第一连接轴；8、第一滚动轴承盖；9、第一滚动轴承；10、第一位置检测装置；11、第二位置检测装置；12、第二超声电机；13、第二支架；14、第三超声电机；15、第三支架；16、第三位置检测装置；17、第四支架；18、第二连接轴；

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细地说明。

在图1，2 所示的三自由度自稳平台，拍摄设备2安装在第一支架3上，第一支架3与连接轴18连接在一起；第一超声电机1安装在第二支架13上，第二超声电机12安装在第四支架17上，第三超声电机14安装在第三支架15上；第一位置检测装置10安装在滚动轴承盖8上且与连接轴7一端相连接，第二位置检测装置11安装于第二超声电机12的外壳上且与第二超声电机12的一端输出轴相连接，第三位置检测装置16安装于第三支架15上且与第三超声电机14的一端输出轴相连接；第一姿态检测装置4安装于第一支架3上，第二姿态检测装置6安装于第四支架17上；第一连接轴7通过其一端连接板与第四支架17连接在一起，另一端通过滚动轴承9的支撑定位与第二支架13连接在一块，第一超声电机1的一端输出轴与第四支架17相连接，第二超声电机12的一端输出轴与连接轴18的一端相连接，第三超声电机14的一端输出轴与第二支架13相连接，连接轴18的另一端通过滚动轴承5的支撑定位与第四支架17相连接。第三超声电机14通过一端输出轴驱动第二支架13及与第二支架13联连接的组件绕Z轴转动，第一超声电机1通过一端输出轴驱动第四支架17及与第四支架17相连接的组件绕X轴转动，第二超声电机12通过一端输出轴驱动连接轴18及与第二连接轴18连接的组件绕Y轴转动。

在如图1、2，3所示：结合超声电机驱动的特点，本自稳平台采用双姿态检测装置检测的工作模式，即第一支架3与第四支架17处均安装姿态检测装置，其中第一支架3处的姿态检测装置4负责提供外界干扰的方向信号，第四支架17处的姿态检测装置6负责提供驱动稳定平台的速度差值。此时可方便的根据第一支架3、第四支架17处姿态检测装置的输出信息判断此时外界干扰状态以及稳定平台的工作状态，从而调整控制方式。

如图4所示，本自稳平台采用超声电机直接驱动，其基本原理为：平台在惯性空间内以某给定角速度运行，当受到外界干扰的情况下，平台角速度发生变化，此时根据该速度差值，通过调整驱动频率改变超声电机输出，直至平台输出速度误差为零。

如图1、2、3、4所示：三自由度自稳平台的工作方式：第一姿态检测装置4负责提供外界的干扰信号，包括分别沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的旋转变化量，再通过微机通信接口把信号传递给嵌入式控制器；第二姿态检测装置6负责提供驱动稳定平台的速度差值，包括分别沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的旋转变化量，再通过电路接口模块把信号传递给嵌入式控制器；以嵌入式控制器为核心的电机控制系统根据第一姿态检测装置4、第二姿态检测装置6的输出信息判断此时外界干扰状态以及稳定平台的工作状态，通过驱动接口、功率模块分别控制第一超声电机1、第二超声电机12、第三超声电机14的启停、正反转及转速，以补偿外界对拍摄设备的扰动偏转位移量，第一位置检测装置10，第二位置检测装置11，第三位置检测装置16把测得的各个超声电机转速及正反转信号通过外围接口电路传递给基于嵌入式控制器为核心的电机控制系统，电机控制系统根据所采集的超声电机旋转位移信号再次发出驱动控制信号给各个超声电机进行修正，达到闭环反馈控制目的，使整个平台更好的实现动态自稳功能。

Claims

1.一种三自由度自稳平台，其特征在于：包括第一支架（3）、第二支架（13）、第三支架（15）及第四支架（17），第一超声电机（1）、第二超声电机（12）、第三超声电机（14）、第一连接轴（7）、第一滚动轴承（9）、第二滚动轴承（5）及第二连接轴（18），其中，所述第一连接轴（7）通过其一端连接板与第四支架（17）连接在一起，另一端通过第一滚动轴承（9）的支撑定位与所述第二支架（13）连接在一起，所述第一超声电机（1）的一端输出轴与所述第四支架（17）相连接，所述第二超声电机（12）的一端输出轴与所述第二连接轴（18）的一端相连接，所述第三超声电机（14）的一端输出轴与所述第二支架（13）相连接，所述第二连接轴（18）的另一端通过第二滚动轴承（5）的支撑定位与第四支架（17）相连接；

所述第三超声电机（14）通过一端输出轴驱动第二支架（13）及与第二支架（13）连接的组件绕Z轴转动，第一超声电机（1）通过一端输出轴驱动第四支架（17）及与第四支架（17）相连接的组件绕X轴转动，第二超声电机（12）通过一端输出轴驱动第二连接轴（18）及与第二连接轴（18）连接的组件绕Y轴转动；所述第一支架（3）上安装拍摄设备（2）；

位置检测装置，分别是第一位置检测装置（10）、第二位置检测装置（11）及第三位置检测装置（16），其中，所述第一位置检测装置（10）安装在第一滚动轴承（9）的盖上且与第一连接轴（7）一端相连接，所述第二位置检测装置（11）安装于第二超声电机（12）的外壳上且与第二超声电机（12）的一端输出轴相连接，所述第三位置检测装置（16）安装于所述第三支架（15）上且与第三超声电机（14）的一端输出轴相连接；

姿态检测装置，分别是第一姿态检测装置（4）、第二姿态检测装置（6），其中，所述第一姿态检测装置（4）粘接于所述第一支架（3）上，第二姿态检测装置（6）粘接于所述第四支架（17）上；

还包括电机控制装置，所述电机控制装置为嵌入式控制器；第一姿态检测装置（4）负责提供外界的干扰信号，包括分别沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的旋转变化量，再通过微机通信接口把信号传递给所述嵌入式控制器；第二姿态检测装置（6）负责提供驱动稳定平台的速度差值，包括分别沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的旋转变化量，再通过电路接口模块把信号传递给嵌入式控制器；以嵌入式控制器为核心的电机控制系统根据第一姿态检测装置（4）、第二姿态检测装置（6）的输出信息判断此时外界干扰状态以及稳定平台的工作状态，通过驱动接口、功率模块分别控制第一超声电机（1）、第二超声电机（12）、第三超声电机（14）的启停、正反转及转速，以补偿外界对拍摄设备的扰动偏转位移量，第一位置检测装置（10）、第二位置检测装置（11）、第三位置检测装置（16）把测得的各个超声电机转速及正反转信号通过外围接口电路传递给基于嵌入式控制器为核心的电机控制系统，电机控制系统根据所采集的超声电机旋转位移信号再次发出驱动控制信号给各个超声电机进行修正，达到闭环反馈控制目的。

2. 根据权利要求1所述的一种三自由度自稳平台，其特征在于：所述第一支架（3）的一端与第一连接轴（7）的尾端法兰盘连接在一起；所述第一超声电机（1）安装在所述第二支架（13）安装板上，并加以螺栓固定；所述第二超声电机（12）安装在所述第四支架（17）安装板上，并加以螺栓固定，所述第三超声电机（14）安装在所述第三支架（15）安装板上，并加以螺栓固定。

3. 根据权利要求1所述的自稳平台，其特征在于：所述拍摄设备（2）为成像传感器。

4. 根据权利要求1所述的自稳平台，其特征在于：所述电机控制装置为基于DSP单片机或其他嵌入式微控制器为核心的驱动控制系统。

5. 根据权利要求1所述的自稳平台，其特征在于：所述姿态检测装置为陀螺仪或其他姿态检测传感器。

6. 根据权利要求1所述的自稳平台，其特征在于：所述位置检测装置为旋转编码器或其他光栅测量传感器。