CN101063510A

CN101063510A - 一种电控云台

Info

Publication number: CN101063510A
Application number: CN 200710065072
Authority: CN
Inventors: 田跃; 李�杰; 郭志文; 魏少峰; 焦旭; 邱宏; 潘礼庆
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2027-04-02
Also published as: CN100487298C

Abstract

一种承载监测或显示仪器用的电控云台，属于传感器领域。其特征在于是在普通云台的基本结构基础上，通过在普通云台的平面转动与俯仰角转动的机械结构中，安装了特定信号触发磁场与高精度磁敏无触点角度传感器，使云台实现水平方向和俯仰方向发生转动时，得到与转动角度对应的电信号输出，通过微处理器与控制电路的处理，实现对云台转动区域、转动速度、精确定位的监测与控制，满足了大量使用高精度显示与可控，同时具有成本低化特征云台的市场需求。

Description

一种电控云台

技术领域：

本发明属于传感器与仪器仪表领域，特别涉及一种承载监测或显示仪器用的电控云台。

背景技术：

云台是一种承载监测或显示仪器并带动其转动的常用部件，它经常可以安装各种显示器、照相机、摄象机、监测仪器、瞄准定位仪器、发射装置、激光光源等，并且带动它们产生平面与俯仰转动，可以使观测者得到动态观测图像。

目前市场上常规云台只能提供预先设计给定的单一转速平面转动与俯仰转动。其转动角度区域仅靠换向机械碰撞开关或接近开关产生换向控制信号，使云台内控制电机变换转动方向，实现持续往复的转动。常规云台只是被动变换转动方向，不能提供与转动位置相对应的位置输出电信号，不能根据观测者的要求改变转动区域和转动速率，不能满足动态跟踪被监测对象的目的，其应用领域受到限制。

可控云台现在也有采用步进电机作为转动驱动电机。步进电机依靠***控制电路给出脉冲，依据步进电机内部步距角的整数倍产生转动。由于步进电机的步距角一般比较大，虽然可以实现间歇停顿、频繁变换正转、反转、定位等动作，但测量和控制精度不高。由于采用脉冲电流驱动，需要专用电路与单片机编程控制，在低速转速时，容易引起电机的抖动，在驱动大负载的时候，容易产生丢步现象，导致旋转位置不精确，长时间的使用导致误差的累计，为消除误差只能采用断电重新开机复位的手段来恢复初始位置与精度，长期工作的稳定性及操作起来既繁琐又不准确。

磁敏传感器是传感器技术领域中具有独特属性，应用领域十分广泛的重要分支，其主要特点是触发磁场与磁敏感元件非接触信号感应，具有无触点、无磨损、无电噪声、高灵敏度，高分辨率，高可靠性、高重复性、传感器使用寿命长，电性能稳定可靠、易于实现集成化与智能化、频率响应快，反应迅速准确、利用磁敏感元件开发的传感器结构简单轻巧、可适用于水、油、汽、粉尘、高低温、振动、冲击等多种工业恶劣环境，各主要制造工艺易于标准化控制、性能价格比优异的特点，特别适用于户外使用电控云台的环境特点，满足大量使用高精度显示与可控，同时具有成本低化特征云台的市场需求。

发明内容

本发明目的是通过在普通云台的平面转动与俯仰角转动的机械结构中，安装高精度磁敏无触点360°角度传感器，实现云台发生平面和俯仰转动时，给出与转动角度对应的模拟量与数字量电信号输出。通过上位计算机和电路控制，实现对云台转动区域、转动速度、定位检测的功能。

一种电控云台，其特征在于是在普通云台的基本结构基础上，通过在普通云台的平面转动与俯仰角转动的机械结构中，安装了特定信号触发磁场与高精度磁敏无触点角度传感器，使云台实现水平方向和俯仰方向发生转动时，可以得到与转动角度对应的电信号输出。通过微处理器(Micro-computer)与控制电路的处理，可以实现对云台转动区域、转动速度、精确定位的监测与控制。电控云台由固定部分、水平旋转部分和俯仰角旋转三部分构成，包括云台底座1、云台旋转下端盖2、俯仰电机轴端齿轮3、蜗杆轴端齿轮4、俯仰驱动电机5、云台旋转上端盖6、云台不转动中心轴7、蜗杆轴8、涡轮9、涡轮轴10、承载台11、水平加长轴12、上部支架13、磁场14、俯仰角传感器15、俯仰角传感器引线16、专用总成信号处理电路板17、平面转动角度传感器18、平面转动驱动电机19、云台不转动中心轴端齿轮20、平面转动驱动电机轴端齿轮21、平面转动驱动电机主动齿轮22、云台不转动中心轴被动齿轮23。固定部分云台底座1是承载云台转动的基座。水平旋转部分由固定于云台旋转下端盖2上的电机19驱动，电机轴端固定的齿轮22与云台不转动的中心轴7轴端固定的齿轮23咬合，当电机接通电源产生转动，驱动齿轮22围绕齿轮23产生平面转动。平面转动角度传感器18轴端与云台不转动的中心轴7轴端附加安装一副齿数比1∶1、齿数为4～5000个齿的完全相同的同步齿轮20、21。云台的俯仰角是由电机驱动蜗轮蜗杆***来实现的，俯仰角驱动电机5带动俯仰电机轴端齿轮3、蜗杆轴端齿轮4转动，蜗杆轴端齿轮4固定在蜗杆轴8一端，并驱动蜗杆轴8与蜗轮9转动，承载台11固定于蜗轮轴10两端。将承载台11一端中心部分挖空，将一根水平加长轴12与蜗轮轴10一端固定，在水平加长轴12的轴端，安装一个特定的磁场14。由于磁敏传感器非接触的特点，可以将磁敏集成角度俯仰角传感器15同心的固定在云台旋转上端盖6的上部支架13上，与专用磁场间隔选定在0.1～20mm的距离之间的某个确定的位置。

平面转动角度传感器可以采用齿轮传动驱动角度传感器，亦可采用同步带轮驱动云台平面角度传感器。平面角度传感器由轴承27、轴承28、平面可编程磁敏集成芯片29、平面可编程磁敏集成芯片信号处理线路板30、磁场31、平面转动角度传感器外端盖32、转轴33构成。当驱动电机使云台产生平面转动时，平面转动角度传感器18中的转轴33可以得到与云台同步的转动角度。磁敏集成芯片29以保持与专用磁场间隔0.1～20mm的间距之中某个选定值，将专用磁场31产生的平面旋转角度变化转变成可以编程控制的电压输出信号如0～5V电压信号，或4～20mA电流信号，或是微型计算机SPI(Serial Peripheral Interface)数字输出形式。

平面转动角度传感器采用同步带轮传动云台平面角度传感器，带有凸凹齿的同步轮42安装在固定于云台旋转下端盖2上的平面转动角度传感器44转轴34一端，带有凸凹齿的同步轮43固定于云台不动转轴7对应等高的位置。同步轮43与42由同步带41拉紧传递云台平面转动。

同步带轮传动云台平面角度传感器由平面角度传感器44、转轴34、轴承35、轴承36、磁场37、平面转动角度传感器外端盖38、可编程磁敏集成芯片39、可编程磁敏集成芯片信号处理线路板40、同步带41构成。转轴34由2个轴承35与36固定与平面角度传感器44内的端盖38上。转轴34另一端安装专用磁场37，将可编程磁敏集成芯片39安装在可编程磁敏集成芯片信号处理线路板40对应的位置，线路板40以保持与专用磁场间隔0.1～20mm的间距同心安装在平面转角传感器44的端盖38上，将专用磁场37产生的平面旋转变化转变成可以编程控制的电压输出信号如0～5V电压信号，或4～20mA电流信号，或是微型计算机SPI数字输出形式。

可编程磁敏集成芯片的结构原理如图5所示。该芯片由集束差动磁敏感功能薄膜材料与微型计算机(Micro-computer)集成一体化高性能磁敏感元件。该集成芯片由磁集束材料将外界磁场转变为垂直于集成芯片的磁场，磁敏感材料将外界磁场差动转变为电压信号，集成16比特(Bits)A/D(模拟数字转换器)将电压信号转变为数字信号，将其输入集成微处理器进行DSP(Date…Prosess)信号处理，可以得到0～5V与电源电压成比例的输出信号，或4096分度PWM脉宽调制波，或14Bit SPI数字信号，分辨率最高可以达到0.022°。

将获得的平面转角和俯仰转角的双路电信号，引入专用总成信号处理电路板17。专用总成信号处理电路板17利用单片机对平面转角与俯仰角检测磁敏传感器给出的与云台转动对应的信号进行模拟量信号的标准化处理，可以得到0～5V电压输出或4～20mA电流输出信号，也可以处理为数字量输出模式的电信号，得到以SPI、RS232、RS485接口形式的输出信号。单片机信号处理工作原理如图6所示，云台转动时平面转角与俯仰角检测磁敏传感器给出与云台转动对应的SPI信号接入专用总成信号处理电路板17，线路板上有一个单片机(微型计算机Micro-computer)。单片机为集成磁敏角度传感器提供时钟脉冲信号，并给出采样指令，磁敏角度传感器给单片机提供对应的平面转角与俯仰角的数字量信号。单片机将集成磁敏角度传感器给出的信号与内部标准时钟信号进行对比，得到云台的转动的速度与加速度信号。单片机对以上信号进行运算处理，通过功率控制电路改变供电强度控制云台转动速度；通过改变供电极性方向达到改变云台转动方向；通过对转动角度、转速、转动加速度的综合计算，给出控制指令实现精密定位与对云台的综合控制。同时可给出0～5V电压输出或4～20mA电流输出信号，也可以处理为数字量输出模式的电信号，得到以SPI、RS232、RS485接口形式的输出信号。单片机信号处理软件的逻辑程序框图如图7所示。

本发明还采用磁编码器式磁敏集成芯片(对可控云台的平面与俯仰转动角度进行检测，其结构原理如图8所示。磁编码器式磁敏集成芯片由集束差动磁敏感功能薄膜材料与微型计算机(Micro-computer)集成一体化脉冲数字量输出的磁敏感元件。该集成芯片由磁集束材料将外界磁场转变为垂直于集成芯片的磁场，磁敏感材料将外界磁场差动转变为电压信号，集成A/D(模拟数字转换器)将电压信号转变为数字信号，集成微处理器将该数字信号处理成为1024分度PWM脉宽调制波，或双路90°位相差256脉冲/360°0～5V TTL矩形方波电信号，或单路512脉冲/360°0～5V TTL矩形方波脉冲同时具有方向判断高低电平信号输出方式，或0～5V与电源电压成比例的输出信号。对于本发明以上机械结构讨论中，只需要将磁编码器式磁敏集成芯片替代可编程磁敏集成芯片，即可实现对云台平面转动角度和俯仰角度的测量。

采用磁编码器式磁敏集成芯片将获得的平面转角和俯仰转角的双路电信号，引入专用总成信号处理电路板17。专用总成信号处理电路板利用单片机对磁编码器式集成芯片给出的PWM脉宽调制波、或双路90°位相差256脉冲/360°0～5V TTL矩形方波电信号，或单路512脉冲/360°0～5V TTL矩形方波脉冲同时具有方向判断高低电平信号输出方式进行标准化处理，可以得到角分辨率分别为0.35°、0.7°和1.4°，0～5V电压输出或4～20mA电流输出信号，也可以变换成为RS232、RS485接口形式的输出信号。单片机也可以将磁编码器式磁敏集成芯片给出的信号与内部标准时钟信号进行对比，得到云台的转动速度与加速度信号。根据获得的平面与俯仰角度传感器给出的信号和使用者给定的检测标准或设定程序，单片机给出对平面驱动电机与俯仰驱动电机的相应精度的定位、转速、转动加速度的控制指令，通过功率控制电路改变供电强度控制云台转动速度；通过改变供电极性方向达到改变云台转动方向；通过对转动角度、转速、转动加速度的综合计算，给出控制指令实现精密定位与对云台的综合控制。

本发明电控云台在普通云台的平面转动与俯仰角转动的机械结构中，安装特定信号触发磁场与高精度磁敏无触点角度传感器，使云台实现水平方向和俯仰方向发生转动时，可以得到与转动角度对应的电信号输出。通过微处理器(Micro-computer)与控制电路的处理，实现了对云台转动区域、转动速度、精确定位的监测与控制，满足了大量使用高精度显示与可控，同时具有成本低化特征云台的市场需求。

附图说明

图1、齿轮传动电控云台结构图

1、云台底座，2、云台旋转下端盖，3、俯仰电机轴端齿轮，4、蜗杆轴端齿轮，5、俯仰驱动电机，6、云台旋转上端盖，7、云台不转动中心轴，8、蜗杆轴，9、涡轮，10、涡轮轴，11、承载台，12、水平加长轴，13、上部支架，14、磁场，15、俯仰角传感器，16、俯仰角传感器引线，17、专用总成信号处理电路板，18、平面转动角度传感器，19、平面转动驱动电机，20、云台不转动中心轴端齿轮，21、平面转动驱动电机轴端齿轮，22、平面转动驱动电机主动齿轮，23、云台不转动中心轴被动齿轮

图2、齿轮传动角度传感器结构图

27、轴承，28、轴承，29、可编程磁敏集成芯片，30、可编程磁敏集成芯片信号处理线路板，31、磁场，32、平面转动角度传感器外端盖，33、转轴

图3、同步带轮传动电控云台结构图

41、同步带，42、被动同步带轮，43、主动同步带轮，44、平面角度传感器

图4、同步带轮传动云台平面角度传感器结构图

34、转轴，35、轴承，36、轴承，37、磁场，38、平面转动角度传感器外端盖39、磁编码器式磁敏集成芯片，40、磁编码器式磁敏集成芯片信号处理线路板

图5、可编程集成磁敏角度传感器工作原理图

图6、可控云台专用信号处理电路板工作原理图

图7、单片机信号处理软件的逻辑程序框图。

图8、磁编码器式磁敏集成芯片工作原理图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明中用于平面转动角度检测的集成磁敏角度传感器18结构如图2所示，传感器转轴33由两个转动轴承27，28固定在外端盖32上，外径为Φ34mm。在转轴33一端固定专用磁场31，将可编程磁敏集成芯片29安装在直径为Φ22mm可编程磁敏集成芯片信号处理线路板30对应的位置，可编程磁敏集成芯片线路板30保持与专用磁场间隔0.1～20mm的某个选定值间距，同心安装在传感器18的端盖32上。平面转动角度传感器18轴端与云台不转动的中心轴7轴端附加安装一副齿数比1∶1，模数为1的同步齿轮20，21。当驱动电机使云台产生平面转动时，角度传感器18中的转轴33可以得到与云台同步的转动角度，将专用磁场31产生的平面旋转变化转变成可以编程控制的电压输出信号如0～5V电压信号，或4～20mA电流信号，或是微型计算机SPI(Serial PeripheralInterface)数字输出形式。

云台的俯仰角是由电机驱动蜗轮蜗杆***来实现的，俯仰角驱动电机5带动齿轮组3，4转动，齿轮4固定在蜗杆轴8一端，并驱动蜗杆轴8与蜗轮9转动，承载台11固定于蜗轮轴(10)两端。将承载台11一端中心部分挖空，将一根水平加长轴12与蜗轮轴10一端固定，在水平加长轴12的轴端，安装一个特定的磁场14。由于磁敏传感器非接触的特点，可以将磁敏集成俯仰角传感器15同心的固定在云台旋转上端盖6的上部支架13上，与专用磁场间隔可以选定在0.1～20mm的距离之间的某个确定的位置，如图1所示。磁敏俯仰角传感器15非接触将专用磁场14产生的俯仰角旋转变化转变成可以编程控制的电压输出信号，如0～5V或者是微型计算机SPI数字输出形式。

将获得的平面转角和俯仰转角的双路电信号，引入专用总成信号处理电路板17。专用总成信号处理电路板17上的单片机对以上信号进行运算处理，通过功率控制电路改变供电强度控制云台转动速度；通过改变供电极性方向达到改变云台转动方向；通过对转动角度、转速、转动加速度的综合计算，给出控制指令实现精密定位与对云台的综合控制。同时可给出0～5V电压输出或4～20mA电流输出信号，也可以处理为数字量输出模式的电信号，得到以SPI、RS232、RS485接口形式的输出信号。可以得到0～5V电压输出或4～20mA电流输出信号，也可以处理为数字量输出模式的电信号，得到以SPI、RS232、RS485接口形式的输出信号。

实施例2：

采用同步带轮的方法测量云台的平面转动角度，如图3所示。同步带轮式平面转动角度传感器44如图4所示。一对外径尺寸相同带有凸凹齿的同步带轮42、43分别固定于云台旋转下端盖2上的平面转动角度传感器44转轴34一端，和云台不动转轴7对应等高的位置。同步轮42与43由同步带41拉紧传递云台平面转动。转轴34由2个轴承35与36固定与平面角度传感器44内的端盖38上。转轴34另一端安装专用磁场37，将磁编码器式磁敏集成芯片39安装在磁编码器式磁敏集成芯片信号处理线路板40对应的位置，线路板40以保持与专用磁场间隔0.1～20mm的间距同心安装在平面转角传感器44的端盖38上，将专用磁场37产生的平面旋转变化转变成可以编程控制的电压输出信号如0～5V电压信号，或4～20mA电流信号，或是微型计算机SPI数字输出形式。

Claims

1.一种电控云台，其特征在于是在普通云台的基本结构基础上，通过在普通云台的平面转动与俯仰角转动的机械结构中，安装了特定信号触发磁场与高精度磁敏无触点角度传感器，使云台实现水平方向和俯仰方向发生转动时，得到与转动角度对应的电信号输出，通过微处理器与控制电路的处理，实现对云台转动区域、转动速度、精确定位的监测与控制。

2.如权利要求1所述一种电控云台，由其特征在于电控云台由固定部分、水平旋转部分和俯仰角旋转三部分构成，包括云台底座(1)、云台旋转下端盖(2)、俯仰电机轴端齿轮(3)、蜗杆轴端齿轮(4)、俯仰驱动电机(5)、云台旋转上端盖(6)、云台不转动中心轴(7)、蜗杆轴(8)、涡轮(9)、涡轮轴(10)、承载台(11)、水平加长轴(12)、上部支架(13)、磁场(14)、俯仰角传感器(15)、俯仰角传感器引线(16)、专用总成信号处理电路板(17)、平面转动角度传感器(18)、平面转动驱动电机(19)、云台不转动中心轴端齿轮(20)、平面转动驱动电机轴端齿轮(21)、平面转动驱动电机主动齿轮(22)、云台不转动中心轴被动齿轮(23)；固定部分云台底座(1)是承载云台转动的基座；水平旋转部分由固定于云台旋转上端盖(2)上的电机(19)驱动，电机轴端固定的齿轮(22)与云台不转动的中心轴(7)轴端固定的齿轮(23)咬合，当电机接通电源产生转动，驱动齿轮(22)围绕齿轮(23)产生平面转动；平面转动角度传感器(18)轴端与云台不转动的中心轴(7)轴端附加安装一副齿数比1∶1、齿数为4～5000个齿的完全相同的同步齿轮(20)、(21)；云台的俯仰角是由电机驱动蜗轮蜗杆***来实现的，俯仰角驱动电机(5)带动俯仰电机轴端齿轮(3)、蜗杆轴端齿轮(4)转动，蜗杆轴端齿轮(4)固定在蜗杆轴(8)一端，并驱动蜗杆轴(8)与蜗轮(9)转动，承载台(11)固定于蜗轮轴(10)两端；将承载台(11)一端中心部分挖空，将一根水平加长轴(12)与蜗轮轴(10)一端固定，在水平加长轴(12)轴端，安装一个特定的磁场(14)；将磁敏集成角度俯仰角传感器(15)同心的固定在云台旋转上端盖(6)的上部支架(13)上，与专用磁场间隔选定在0.1～20mm的距离之间的一个确定的位置。

3.如权利要求2所述一种电控云台，由其特征在于平面转动角度传感器采用齿轮传动角度传感器，齿轮传动角度传感器由轴承(27)、轴承(28)、可编程磁敏集成芯片(29)、信号处理线路板(30)、磁场(31)、平面转动角度传感器外端盖(32)、转轴(33)构成；当驱动电机使云台产生平面转动时，平面转动角度传感器(18)中的转轴(33)能得到与云台同步的转动角度；磁敏可编程集成芯片(29)以保持与专用磁场间隔0.1～20mm的间距之中一个选定值，将专用磁场(31)产生的平面旋转角度变化转变成以编程控制的电压输出信号如0～5V电压信号，或4～20mA电流信号，或是微型计算机SPI数字输出形式。

4.如权利要求2所述一种电控云台，由其特征在于平面转动角度传感器采用同步带轮传动云台平面角度传感器，带有凸凹齿的同步轮(43)安装在固定于云台旋转下端盖(2)内部的平面转动角度传感器(44)转轴(34)一端，带有凸凹齿的同步轮(42)固定于云台不动转轴(7)对应等高的位置，同步轮(43)与(42)由同步带(41)拉紧传递云台平面转动；同步带轮传动云台平面角度传感器由平面角度传感器(44)、转轴(34)、轴承(35)、轴承(36)、磁场(37)、平面转动角度传感器外端盖(38)、可编程磁敏集成芯片(39)、信号处理线路板(40)、同步带(41)构成；转轴(34)由2个轴承(35)与(36)固定与平面角度传感器(44)内的端盖(38)上；转轴(34)另一端安装专用磁场(37)，将可编程磁敏集成芯片(39)安装在信号处理线路板(40)对应的位置，线路板(40)以保持与专用磁场间隔0.1～20mm的间距同心安装在平面转角传感器(44)的端盖(38)上，将专用磁场(37)产生的平面旋转变化转变成可以编程控制的电压输出信号如0～5V电压信号，或4～20mA电流信号，或是微型计算机SPI数字输出形式。

5.如权利要求2或3或4所述一种电控云台，由其特征在于可编程磁敏集成芯片由集束差动磁敏感功能薄膜材料与微型计算机集成一体化高性能磁敏感元件，磁集束材料将外界磁场转变为垂直于集成芯片的磁场，磁敏感材料将外界磁场差动转变为电压信号，集成模拟数字转换器将电压信号转变为数字信号，将数字信号输入集成微处理器进行DSP信号处理，得到0～5V与电源电压成比例的输出信号，或4096分度PWM脉宽调制波，或14bitSPI数字信号，分辨率最高可以达到0.022°；将获得的平面转角和俯仰转角的双路电信号，引入专用总成信号处理电路板(17)，专用总成信号处理电路板(17)利用单片机对平面转角与俯仰角检测磁敏传感器给出的与云台转动对应的信号进行模拟量信号的标准化处理，得到0～5V电压输出或4～20mA电流输出信号，或处理为数字量输出模式的电信号，得到以SPI、RS232、RS485接口形式的输出信号。

6.如权利要求2或3或4所述一种电控云台，由其特征在于采用磁编码器式磁敏集成芯片对可控云台的平面与俯仰转动角度进行检测，磁编码器式磁敏集成芯片由集束差动磁敏感功能薄膜材料与微型计算机集成一体化脉冲数字量输出的磁敏感元件；磁编码器式磁敏集成芯片集成芯片由磁集束材料将外界磁场转变为垂直于集成芯片的磁场，磁敏感材料将外界磁场差动转变为电压信号，集成A/D将电压信号转变为数字信号，集成微处理器将该数字信号处理成为1024分度PWM脉宽调制波，或双路90°位相差256脉冲/360°0～5V TTL矩形方波电信号，或单路512脉冲/360°0～5VTTL矩形方波脉冲同时具有方向判断高低电平信号输出方式，或0～5V与电源电压成比例的输出信号；在机械结构上，用磁编码器式磁敏集成芯片替代可编程磁敏集成芯片。