專利名稱：一種兩自由度吊艙控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及航天領域，特別是ー種用于無人機、直升機的吊艙，用于進行空中觀察、捜索、救援等。
背景技術：
現有的吊艙自動化程度較低，控制比較復雜，功能較為單一。隨著現代控制理論及計算機技術的發展，對應用于宇航領域的設備要求越來越高，也為各種機載設備不斷地向精度高、反應快、機動性好、可靠性高、覆蓋面廣的 方向發展提供了條件。
發明內容
本發明的目的是提供ー種吊艙控制系統，用以解決的現有吊艙自動化程度低、控制不便問題。為實現上述目的，本發明的方案是ー種兩自由度吊艙控制系統，包括攝像機、轉動軸相互垂直的方位電機和俯仰電機，方位電機和俯仰電機分別對應設有用于驅動控制它們的第一伺服驅動板和第二伺服驅動板，攝像機包括可見光傳感器、紅外傳感器和用于切換可見光傳感器和紅外傳感器進行工作的攝像機控制板，吊艙中分別設有用于采集方位電機和俯仰電機轉過角度的第一編碼器和第二編碼器，兩編碼器輸出連接對應的伺服驅動板；控制系統還包括主控板，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動板和第二伺服驅動板；主控器還控制連接所述攝像機控制板，主控板上設有ー個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據輸出端ロ，輸出連接所述主控器，將所選定的一路圖像數據傳輸到主控器。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ー個字符疊加單元，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時顯示。所述字符疊加單元包括MAX7456芯片及其外圍電路。所述方位電機和俯仰電機均為直流伺服電機。所述主控器還連接有用于存儲圖像數據的存儲器。本發明的吊艙使用兩個伺服電機分別控制水平面內的轉動(方位電機)和豎直平面的轉動(俯仰電機)，實現吊艙方位、俯仰兩個自由度運動和方向的鎖定，其主要功能是在主控器控制下，能夠自動或手動進行掃描，在主控器的指令下實時切換可見光傳感器和紅外傳感器，使本發明晝夜均能工作。而且重量輕，外形尺寸小，可靠性高，成本低，環境適應性強。可全天候執行情報、偵察監視等任務，吊艙收集視頻信息及數據，數據可儲存于飛機，也可實時發送到地面工作站，使工作人員高效得完成偵察、掃描任務。提高了控制系統的穩定性，成本低，除裝備飛機外，也可車載或艦載，在海上救援、追蹤偵察、森林防火、海上緝私、交通監控、數字城市建設等方面有極大的發展前途。
圖I是本發明的控制系統框 圖2是本發明的主控器及相關通訊電路 圖3是本發明的OSD和視頻切換電路圖 圖4是本發明的視頻輸出電路；
圖5是吊艙的機械結構示意圖； 圖6是圖5的左視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進ー步詳細的說明。兩自由度吊艙，分別設有控制兩自由度轉動的電機，為了精確控制，電機采用直流伺服電機，分別對應第一伺服驅動板和第二伺服驅動板(分別對應圖I中的伺服驅動板I和伺服驅動板2);攝像機除了包括鏡頭，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控制板；兩種傳感器能夠將所拍攝的圖像數據傳輸到主控器。上述電機、伺服驅動板、攝像機、傳感器等均有相關產品能夠選擇使用，所以在此不再贅述。如圖I，方位電機和俯仰電機的減速器輸出軸上分別第一編碼器和第二編碼器(對應圖中的編碼器I和編碼器2)，兩編碼器輸出連接對應的伺服驅動板。編碼器采用光電編碼器，將轉過的角度轉算為速度位置等信息傳輸到伺服驅動板，以供主控板取用。如圖2，主控器U201及其外圍電路均設置在所述主控板上，主控器U201與第一伺服驅動板和第二伺服驅動板對應連接，主控器U201向伺服驅動板發出控制命令使電機進行相應的動作，并通過編碼器采樣相應信號。(主控器U201向伺服驅動板輸出控制信號為P21、P22、P42、P25、P26 和 P43，輸入采樣信號包括 P20、P23 和 P24、P27。)主控器 U201 為本系統的控制核心，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負責與攝像機控制板進行通訊，U203負責與上位機進行通訊，U202為EEPROM存儲器，存儲可能要斷電保存的數據。S201為下載程序控制開關，J201為在線下載程序接ロ，S200預留。D200和D201為狀態指示燈。如圖3，主控板上還設有一個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據輸出端ロ VIDE01，VIDE02，輸出到主控器U201，將所選定的一路圖像數據傳輸到主控器U201。U300選用HEF4052BT，用單片機的P34、P35(VIDEOA或VIDEOB)這兩個引腳進行控制選擇，Υ(ΓΥ3是視頻數據輸入端。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的端ロ(U201的Ρ40、Ρ41、Ρ44、Ρ45)輸出到一個字符疊加單元(OSD)進行疊加，實現OSD功能，即在視頻信號上疊加系統動作、狀態等信息，以字符、數字、圖標等形式，在視頻圖像的合適位置進行實時顯示。OSD芯片為U301(選用芯片ΜΑΧ7456)。如圖4，OSD芯片U301輸出(輸出端V0UT)到ー個視頻輸出電路，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，控制系統還包括電源部分，將外部輸入的14VDC，經穩壓轉換為12VDC和5VDC，分別為電機、伺服驅動板、主控板、傳感器等供電。本發明還有以下特點
通過速度環閉環控制實現手動掃描、自動掃描等工作模式下運動機構按規定的速度要求運動(速度值可由系統命令在O 60° /s范圍內實時設定調整)。通過位置環閉環控制實現方向鎖定、收藏保護等工作模式下運動機構角位置穩定，井根據實際エ況，自動關斷伺服電路輸出(60s無動作、無命令)，以節電模式工作。速度閉環與位置閉環都借助編碼器的反饋信息。水平方向運動范圍360°連續旋轉。俯仰方向運動范圍-100° +80°，兩端設電子限位。 水平、俯仰方向運動速度O 60° /s可調，兩電機的輸出均有減速箱，約273. 5倍減速。增設位置傳感器(霍爾型或光電型)，裝在連接臂上，用于測量鏡頭轉過的角度，配合増量式編碼器索引信號，精確定位方位、俯仰方向角度零位(精度2mrad)。能夠實時測量輸出方位、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、信號以及該控制電路對視頻圖像形成干擾。本發明的吊艙實施例如下本發明的吊艙是ー種既可以繞水平軸的俯仰調節又可以實現繞豎直軸旋轉調節的吊艙。通過采用兩個框架軸系實現支架、殼體的獨立旋轉，并采用対稱的Y形結構的支架而提高了吊艙的整體強度。本發明可用于全天候執行情報、偵察監視等任務。吊艙收集視頻信息及數據，數據可儲存于飛機，也可實時發送到地面工作站，使工作人員高效得完成偵察、掃描任務。提高了控制系統的穩定性，成本低，除裝備飛機外，也可車載或艦載，在海上救援、追蹤偵察、森林防火、海上緝私、交通監控、數字城市建設等方面有極大的發展前途。本發明的吊艙，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型結構，支架包括上端的與連接板繞豎向的轉動軸線轉動配合的脖頸狀的支架軸、連接干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稱間隔分布的連接臂，連接板上設有用于驅動支架旋轉的方位電機；所述殼體設置于兩連接臂之間并繞水平的轉動軸線與兩連接臂分別轉動裝配，殼體內固定有用于驅動殼體繞水平軸線轉動的俯仰電機，所述連接臂上設有與殼體的轉動軸線同軸設置的殼體轉軸，該殼體轉軸通過行星齒輪傳動副與所述俯仰電機的輸出軸傳動連接實現俯仰電機對殼體俯仰轉動動作的驅動。所述殼體呈球形結構，殼體包括中間的環形球帶以及分別固定連接于環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ロ并安裝有透明蓋。所述支架設有自橫梁向兩側的連接臂延伸的凹槽。所述支架與連接板之間和/或支架與殼體的轉動配合部分安裝有旋轉電連接器。具體結構如圖5-圖6所示，包括連接板1，連接板I上轉動裝配有向下懸伸的支架2，支架2呈倒Y型結構，支架2包括上端的通過軸承與連接板I繞豎向的轉動軸線轉動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稱間隔分布的連接臂23，橫梁22上設有凹槽是為了減輕重量，連接臂23上設有用于走線的凹槽。在連接板上設有用于驅動支架I旋轉的方位電機3，方位電機3的輸出軸通過齒輪副減速機構與支架2的支架軸21傳動連接，當然在本發明的其他實施例中，也可以采用常規技術中的其他形式的傳動機構實現方位電機動力至支架軸的傳遞，比如鏈條、帶傳動。另外，支架軸21與連接板I之間安裝有旋轉電連接器6，通過旋轉電連接器中的導電滑環與電刷的導電滑動配合實現電力由連接板I向支架2的傳輸，保證支架2可以360 連續旋轉而不會絞斷連接板I和支架2中的電線。支架2的連接臂23通過相應的軸承繞水平的轉動軸線轉動裝配有設于兩連接臂23之間的用于安裝成像傳感器的殼體4，殼體4呈球形結構，殼體4包括中間的環形球帶41以及采用螺釘分別連接于環形球帶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ロ并安裝有透明蓋44，滿足拍攝要求。殼體4內固定有用于驅動殼體4繞水平軸線轉動的俯仰電機5，所述支架2的連接臂23上設有與殼體4的 轉動軸線同軸設置的殼體轉軸231，該殼體轉軸231通過行星齒輪傳動副與所述俯仰電機5的輸出軸傳動連接實現俯仰電機5對殼體4俯仰轉動動作的驅動，在本實施例中，行星齒輪傳動副包括固定于旋轉中心的大齒輪71和繞大齒輪轉動的與俯仰電機5傳動連接的小齒輪72，當然在本發明的其他實施例中，也可以采用常規技術中的其他形式的行星齒輪副，如帶有太陽輪、帶有多個行星輪的行星架和外齒圈構成的較為復雜的行星輪系。另外，在俯仰框架上設置限位機構，保證俯仰運動的角度范圍，防止系統未通電時出現超過360 的旋轉而絞斷電線，當然在本發明的其他實施例中，也可以在殼體與支架的轉動配合處設置旋轉電連接器，使得殼體中的電線和支架中電線被旋轉電連接器分開為既導電又不傳遞扭矩的兩部分，而且如果不需要360度旋轉的場合，支架與連接板的也可采用限位機構而不使用旋轉電連接器。另外，為了實現對支架2、殼體4轉動角度的控制，各對應的轉軸上均安裝有旋轉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)。本發明的上述實施例在使用吋，吊艙可以實現的運動有兩個旋轉運動一個是殼體3及其內圖像傳感器的旋轉，殼體3能相對于支架2旋轉，旋轉中大齒輪不動，小齒輪圍繞著大齒輪轉動，帶動俯仰電機、圖像傳感器、殼體同時轉動，通過殼體3內的俯仰電機及相應齒輪副實現殼體3相對于支架2的轉動，完成拍攝要求。另外ー個是支架2相對于連接板I的轉動，通過連接板I上面的方位電機驅動支架2實現360 旋轉。
權利要求
1.一種兩自由度吊艙控制系統，包括攝像機、轉動軸相互垂直的方位電機和俯仰電機，方位電機和俯仰電機分別對應設有用于驅動控制它們的第一伺服驅動板和第二伺服驅動板，攝像機包括可見光傳感器、紅外傳感器和用于切換可見光傳感器和紅外傳感器進行工作的攝像機控制板，吊艙中分別設有用于采集方位電機和俯仰電機轉過角度的第一編碼器和第二編碼器，兩編碼器輸出連接對應的伺服驅動板；其特征在于，控制系統還包括主控板，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動板和第二伺服驅動板；主控器還控制連接所述攝像機控制板，主控板上設有一個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據輸出端口，輸出連接所述主控器，將所選定的一路圖像數據傳輸到主控器。
2.根據權利要求I所述的一種兩自由度吊艙控制系統，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.根據權利要求I所述的一種兩自由度吊艙控制系統，其特征在于，所述主控器還控制連接一個字符疊加單元，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時顯示。
4.根據權利要求3所述的一種兩自由度吊艙控制系統，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.根據權利要求I所述的一種兩自由度吊艙控制系統，其特征在于，所述方位電機和俯仰電機均為直流伺服電機。
6.根據權利要求I所述的一種兩自由度吊艙控制系統，其特征在于，所述主控器還連接有用于存儲圖像數據的存儲器。
全文摘要
本發明涉及一種兩自由度吊艙控制系統，本發明的吊艙使用兩個伺服電機分別控制水平面內的轉動(方位電機)和豎直平面的轉動(俯仰電機)，實現吊艙方位、俯仰兩個自由度運動和方向的鎖定，其主要功能是在主控器控制下，能夠自動或手動進行掃描，在主控器的指令下實時切換可見光傳感器和紅外傳感器，使本發明晝夜均能工作。而且重量輕，外形尺寸小，可靠性高，成本低，環境適應性強。可全天候執行情報、偵察監視等任務，吊艙收集視頻信息及數據，數據可儲存于飛機，也可實時發送到地面工作站，使工作人員高效得完成偵察、掃描任務。
文檔編號B64D47/08GK102673795SQ201110414850
公開日2012年9月19日 申請日期2011年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者王麗博, 王笑一, 胡東方, 陳璐 申請人:河南科技大學