CN101734377A - 三自由度惯性稳定航拍云台 - Google Patents

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汪滔
李毅
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Abstract

本发明公开了一种三自由度惯性稳定航拍云台，其包括稳定装置、传动装置以及摄像装置三个部分，主要原理是采用了大惯性的机械稳定陀螺实现拍摄的稳定。云台支架上连接水平旋转架，水平旋转架上连接机械陀螺构成稳定装置，稳定装置通过传动装置与摄像装置相连，能够实现陀螺与相机垂直方向的同步运动，依靠陀螺的稳定性实现相机的稳定拍摄。本发明能够消除由于飞机高频和低频震动对航拍图像造成的影响，以及由于机体本身倾斜造成的画面倾斜的问题，能够拍摄出非常清晰、稳定的图像，不需要经过任何消抖处理，在线路检测、定点监测、航拍等应用中取得了良好的效果。本发明设计新颖、稳定性强，能够满足大部分高质量航拍要求。

Description

三自由度惯性稳定航拍云台
技术领域
本发明涉及一种用于航拍的稳定云台，具体的说是涉及一种无人直升机航空拍摄、监测时应用的一种可控的，用来承载摄像机或照相机实现稳定拍摄的三自由度惯性稳定航拍云台。
背景技术
无人机具有体积小、重量轻、费用低、操作灵活和安全性高的特点，可广泛应用于航拍、监测、搜救、资源勘查等领域。由于无人机本身存在高频震动和低频抖动，需要配置航拍稳定平台用来搭载摄像机、照相机以实现稳定拍摄。目前应用的航拍稳定平台多是通过电子设备检测摄像机或照相机的姿态变化，控制舵机反向补偿来实现摄像机或照相机的稳定。由于电子设备都存在滞后性，导致这些电子稳定平台响应时间长，舵机调整慢，很难消除高频率震动对图像质量的影响。其他的一些机械稳定平台，由于采用简单的机械结构，灵活性不高，不能消除由于低频晃动或机体倾斜造成的影响，因此也很难拍摄出高质量的图像，无法满足专业需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于既要消除电子稳定平台不能解决的高频震动，也要消除一般的机械稳定平台不能解决的低频抖动和机体倾斜等造成的图像不稳定问题，而且能够根据拍摄需要调整摄像角度，获取最佳的拍摄效果。
本发明应用的主要原理是采用了大惯性的机械稳定陀螺实现拍摄的稳定。机械陀螺在高速旋转时能够保持旋转轴不变，而且由于其惯性大，所以稳定性很强，配上灵活的机械结构，此平台能够实现非常稳定的航空拍摄。
本发明包括稳定装置部分、传动装置部分以及摄像装置三个部分。
所述稳定装置部分包括连接于机构支架I和机构支架II上的水平旋转架，所述水平旋转架框架中安装有十字形连接机构以及机械陀螺，十字形连接机构由内架以及外架组成，内架上固定机械陀螺。
所述传动装置部分包括固定于外架一侧轴上的传动杆I以及传动杆II，传动杆I和传动杆II的另一端连接至固定于悬挂U型架上的舵机轴上，悬挂U型架一侧上设有自由轴，自由轴上安装舵机，舵机轴与自由轴同轴，舵机轴上固定舵机转盘。
所述摄像装置部分包括与水平旋转架垂直连接的悬挂U型架及固定于悬挂U型架上的相机底板。
以上所述机构支架I和机构支架II的中心都装有轴承座，并且同轴，水平旋转架通过该轴承座分别与两机构支架连接。
以上所述水平旋转架由一个矩形框架和U形框架两部分组成，矩形框架部分两端头分别插装于两机构支架中心的轴承座内。
以上所述外架两侧装有轴承，外架通过该轴承连接到水平旋转架上。
以上所述水平旋转架的U形框架部分末端设轴承座，悬挂U型架两侧U型框上分别设有U型架转轴及自由轴，插装于轴承座内将水平旋转架与U型架两端相连。
本发明能够消除由于飞机高频和低频震动对航拍图像造成的影响，以及由于机体本身倾斜造成的画面倾斜的问题，能够拍摄出非常清晰、稳定的图像，不需要经过任何消抖处理，在线路检测、定点监测、航拍等应用中取得了良好的效果。本发明设计新颖、稳定性强，能够满足大部分高质量航拍要求。
附图说明
图1为本发明的结构俯视图。
图2为本发明机械陀螺及十字连接机构主视图。
图3为本发明的结构左视图。
图4为本发明相机悬挂架结构主视图。
图5为本发明的结构立体图。
图6为本发明的结构分解图。
图7为本发明的结构主视图。
图例中，1.相机底板，2.机械陀螺，3.水平旋转架，4.悬挂U型架，5.机构支架I，6.机构支架II，7.十字形连接框架外架，8.十字形连接框架内架，9.轴承座，10.传动杆I，11.舵机，12.减震橡胶，13.U型架转轴，14.支撑梁，15.传动杆II，16.舵机转盘，17.自由轴，18.舵机轴。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明相关结构及工作原理进行说明，该实施例的描述为解释性而非限制性的，其为本发明专利较佳的实现方式，本领域的技术人员在该专利权利要求保护范围之内对该实施例所做的任何修改、变更或替换均应视为侵犯本专利权。
如图1所示，本发明包括稳定装置部分、传动装置部分以及摄像装置部分。稳定装置部分技术核心是利用机械陀螺在高速旋转时能保持稳定的特性来保证整个航拍平台的稳定。在机构的中部和后部分别安装了机构支架I 5和机构支架II 6，在机构支架I 5和机构支架II 6的中心都装有轴承座，并且同轴，水平旋转架3通过该轴承座分别与机构支架5和6连接，并可以绕该轴旋转。所述水平旋转架3由一个矩形框架和U形框架两部分组成，上部为矩形框架部分，其两端头分别插装于机构支架5和6中心的轴承座内，使水平旋转架3可以在机构支架5和6之间左右摆动。该矩形框架中安装有十字形连接机构以及机械陀螺2。十字形连接机构由十字形连接框架内架8以及十字形连接框架外架7组成，外架7两侧装有轴承，外架7通过该轴承连接到水平旋转架3上，保证整个陀螺及连接装置具有一个前后运动的自由度。外架7上留有螺孔，安装时可以上下调整陀螺的重心位置。当飞机发生左右晃动时，陀螺由于惯性作用始终保持竖直，水平旋转架3与机械陀螺2相连，会始终保持与机械陀螺2垂直，而保证了平台在左右方向上的水平，如图2及图3示。
所述传动装置部分包括固定于外架7一侧轴上的传动杆I 10以及传动杆II15，传动杆I10和传动杆II 15的另一端连接至固定于悬挂U型架4上的舵机轴18上。当陀螺前后摆动时，通过传动杆I10及传动杆II15，将力传给悬挂U型架4上的舵机轴18；当舵机保持在某一特定角度时，平台始终保持稳定。悬挂U型架4一侧上设自由轴17，自由轴上安装舵机11，舵机轴18与自由轴17同轴，舵机轴上固定舵机转盘16，如图3及图4所示。
所述摄像装置部分包括与水平旋转架3垂直连接的悬挂U型架4及固定于悬挂U型架4上的相机底板1，相机底板1上固定摄像机或照相机。水平旋转架3的U形框架部分末端设轴承座9，悬挂U型架4两侧U型框上分别设有U型架转轴13及自由轴17，插装于轴承座9内将水平旋转架3与U型架4两端相连，如图1、图4及图5示。悬挂U型架4的U形框上设有螺孔，可以上下调整悬挂U型架4的高度，以减小陀螺转动时的阻力。舵机11安装在悬挂U形架4的一边，可以通过遥控器控制舵机11的旋转角度以调整相机的视角。相机底板1可以前后、左右移动，用来调整整个平台的重心。十字形连接框架7通过传动杆10和15与悬挂U型架4相连。
本发明的工作原理为：当飞机发生左右晃动时，陀螺由于惯性作用始终保持竖直，水平旋转架3与机械陀螺2相连，会始终保持与机械陀螺2垂直，而悬挂U形架4与水平旋转架3垂直连接，因此悬挂U形架4可保持水平以保持安置其上的相机或摄像机保持水平；当飞机发生前后晃动时，机械陀螺2由于惯性作用始终保持竖直，由于传动杆I 10及传动杆II 15连接于陀螺与舵机轴之间，可以保持悬挂U型架4与陀螺同步，保证了悬挂U形架4在前后方向上相对地面始终处于水平，同时安置其上的相机或摄像机保持水平。当需要进行调节拍摄时，利用遥控器调整舵机11，舵机轴18以自由轴17及U型架转轴13前后转动，带动悬挂U形架4及其上的相机或摄像机转动，达到调节相机或摄像机俯仰视角的目的，可以使相机始终对准拍摄对象拍摄，保证了相机拍摄的稳定性。
机构支架5和6两端头设置有螺孔，两根支撑梁14通过该螺孔与机构支架5和6固定连接。支撑梁14上设有螺孔，直升机机体通过该螺孔与该云台固定连接。支撑梁14与直升机起落架之间设有减震橡胶12，如图6、图7所示。减震橡胶12可以吸收飞机在飞行过程中产生的低频震动，而高频震动会被陀螺滤去，得到稳定的拍摄画面。

Claims (8)

1.三自由度惯性稳定航拍云台，包括稳定装置部分、传动装置部分以及摄像装置部分，其特征在于：
所述稳定装置部分包括连接于机构支架I(5)和机构支架II(6)上的水平旋转架(3)，所述水平旋转架(3)框架中安装有十字形连接机构以及机械陀螺(2)，十字形连接机构由内架(8)以及外架(7)组成，内架(8)上固定机械陀螺(2)；
所述传动装置部分包括固定于外架(7)一侧轴上的传动杆I(10)以及传动杆II(15)，传动杆I和传动杆II的另一端连接至固定于悬挂U型架(4)上的舵机轴(18)上，悬挂U型架(4)一侧上设有自由轴(17)，自由轴上安装舵机(11)，舵机轴(18)与自由轴(17)同轴，舵机轴上固定舵机转盘(16)；
所述摄像装置部分包括与水平旋转架(3)垂直连接的悬挂U型架(4)及固定于悬挂U型架(4)上的相机底板(1)。
2.根据权利要求1所述的三自由度惯性稳定航拍云台，其特征在于，所述机构支架I(5)和机构支架II(6)的中心都装有轴承座，并且同轴，水平旋转架(3)通过该轴承座分别与机构支架(5)和(6)连接。
3.根据权利要求1所述的三自由度惯性稳定航拍云台，其特征在于，所述水平旋转架(3)由一个矩形框架和U形框架两部分组成，矩形框架部分两端头分别插装于机构支架(5)和(6)中心的轴承座内。
4.根据权利要求1所述的三自由度惯性稳定航拍云台，其特征在于，外架(7)两侧装有轴承，外架(7)通过该轴承连接到水平旋转架(3)上。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的三自由度惯性稳定航拍云台，其特征在于，所述水平旋转架(3)的U形框架部分末端设轴承座(9)，悬挂U型架(4)两侧U型框上分别设有U型架转轴(13)及自由轴(17)，插装于轴承座(9)内。
6.根据权利要求1所述的三自由度惯性稳定航拍云台，其特征在于，机构支架(5)和(6)两端头设置螺孔，支撑梁(14)通过该螺孔与机构支架(5)和(6)固定连接。
7.根据权利要求6所述的三自由度惯性稳定航拍云台，其特征在于，所述支撑梁(14)上设有螺孔，直升机机体通过该螺孔与该云台固定连接。
8.根据权利要求7所述的三自由度惯性稳定航拍云台，其特征在于，支撑梁(14)与直升机起落架之间设有减震橡胶(12)。
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