CN102996983B - 陀螺式动态自平衡云台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陀螺式动态自平衡云台，包括机架组件、电机组件、拍摄设备以及控制组件；控制组件包括处理器和惯性传感器，惯性传感器检测拍摄设备的姿态信息，处理器根据姿态信息控制电机组件；电机组件直接驱动机架组件相对拍摄设备转动以调整拍摄设备的拍摄角度；还包括用于辅助机架组件的连杆构件，连杆构件随机架组件发生转动并支撑机架组件。本发明采用电机组件作为原动力直接云台的机架组件，耗能较小、节省电能；通过连杆构件与机架组件共同构成四杆构件，连杆构件在竖直方向上为机架组件的提供有效支撑，增大机架组件的载重量和刚度，当机架组件载重量较大时，有效其减小形变量；同时减轻机架组件的自身重量，减小电机的直径大小。

Description

陀螺式动态自平衡云台
技术领域
本发明涉及摄影、照相和/或监测用的辅助装置，尤其涉及一种陀螺式动态自平衡两轴云台及陀螺式动态自平衡三轴云台，可应用于载人飞行器、运载体、汽车、轮船、机器人、电影拍摄、手持设备等领域。
背景技术
在摄影、照相和/或监测领域，搭载了摄像机或照相机的运载体(例如：飞行器、汽车、轮船、机器人、人体)在运行过程中，由于运载体本身存在高频震动和低频抖动，需要配置稳定自平衡云台用来搭载摄像机、照相机以实现稳定拍摄。稳定自平衡云台大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。
现有技术中，大多数云台采用机械齿轮驱动来达到调整摄像机或照相机转动的目的。由于齿轮传动都存在滞后性，运载体在转弯、悬停、上升、下降或倾斜等各种姿态下，云台响应时间长，从而使摄像机或照相机很难及时调整角度，导致摄像机或照相机图像质量受到影响。同时，大多云台存在稳定性能不够，运载体发生姿势变化过程中相机晃动较为剧烈，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
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中云台存在稳定性能不够，影响拍摄设备的拍摄质量的缺陷，提供陀螺式动态自平衡云台，能够很好解决上述问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种陀螺式动态自平衡云台，包括机架组件、电机组件、拍摄设备以及控制组件；所述控制组件包括处理器和惯性传感器，所述惯性传感器检测所述拍摄设备的姿态信息，所述处理器根据所述姿态信息控制所述电机组件；所述电机组件直接驱动所述机架组件相对所述拍摄设备转动以调整所述拍摄设备的拍摄角度；还包括用于辅助所述机架组件的连杆构件，所述连杆构件与所述机架组件构成四杆机构，所述连杆构件随所述机架组件发生转动并支撑所述机架组件。
本发明提供一种陀螺式动态自平衡云台，作为优选，所述机架组件包括第一支架、第二支架以及第三支架，所述拍摄设备固定在所述第一支架上，所述第一支架与所述第二支架转动设置，所述第二支架与所述第三支架转动设置。
本发明提供一种陀螺式动态自平衡云台，作为优选，所述电机组件包括第一电机以及第二电机，所述第一电机直接驱动所述第一支架相对所述第二支架转动，所述第二电机直接驱动所述第二支架相对所述第三支架转动。
本发明提供一种陀螺式动态自平衡云台，作为优选，所述连杆构件的两自由端分别转动设置在所述第二支架的两开口端，所述连杆构件通过紧固件固定在第三支架上。
本发明提供一种陀螺式动态自平衡云台，具体的，所述连杆构件包括依次铰接连接的第一连杆、第二连杆以及第三连杆；所述第一连杆的自由端铰接设置在所述第二支架的一端部，所述第三连杆的自由端铰接设置在所述第二支架的另一端；所述第二连杆定位在所述第三支架上。
本发明提供一种陀螺式动态自平衡云台，具体的，还包括安装臂，所述安装臂的一端固定在所述第三支架上，另一端上开设有与所述紧固件相适配的定位孔，所述第二连杆通过紧固件固定在所述安装臂上。
本发明提供一种陀螺式动态自平衡云台，具体的，所述电机组件包括第四电机，所述第四电机直接驱动所述第二连杆相对所述第三支架转动。
本发明提供一种陀螺式动态自平衡云台，具体的，所述第一电机的定子固定在所述第一支架上，所述第一电机的转子与所述第二支架固定设置；所述第二电机的定子固定在所述第三支架上，所述第二电机的转子与所述第二支架固定设置。
本发明提供一种陀螺式动态自平衡云台，优选的，所述第一支架与所述拍摄设备的重心落在所述第一支架的旋转轴上；所述第一支架、所述第二支架与所述拍摄设备整体的重心落在所述第二支架的旋转轴上。
本发明提供一种陀螺式动态自平衡云台，优选的，所述机架组件还包括用于对外固定的连接架，所述电机组件还包括第三电机；所述第三电机直接驱动所述第三支架相对所述连接架转动。
本发明可达到以下有益效果：采用电机组件作为原动力直接云台的机架组件，耗能较小、节省电能；通过连杆构件与机架组件共同构成四杆构件，根据平行四边形原理，连杆构件会随机架组件转动并辅助支撑连杆构件，同时不会影响机架组件的转动轨迹；连杆构件在竖直方向上为机架组件的提供有效支撑，增大机架组件的载重量和刚度，当机架组件载重量较大时，有效其减小形变量；同时减轻机架组件的自身重量，减小电机的直径大小。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例一提供的陀螺式动态自平衡两轴云台的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的陀螺式动态自平衡三轴云台的***示意图一；
图3是本发明实施例二提供的陀螺式动态自平衡三轴云台的***示意图二；
图4是本发明实施例二提供的陀螺式动态自平衡三轴云台的***示意图二；
图5是本发明实施例二提供的陀螺式动态自平衡三轴云台的结构示意图一；
图6是本发明实施例二提供的陀螺式动态自平衡三轴云台的结构示意图二。
附图标号说明：
100、云台1、拍摄设备
2、第一支架3、第一电机
4、第二支架5、第二电机
6、第三支架7、第三电机
8、连接架9、定位架
10、安装臂11、定位孔
12、连杆构件121、第一连杆
122、第二连杆123、第三连杆
13、紧固件
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提供一种陀螺式动态自平衡云台，包括机架组件、电机组件、拍摄设备1以及控制组件。具体的，控制组件包括处理器、惯性传感器、电路板以及连接线；拍摄设备1可以为照相机和/或摄像机。惯性传感器检测拍摄设备1的姿态信息，处理器根据姿态信息控制电机组件的相关动作。具体的，惯性传感器包括陀螺仪和角速度计。电机组件直接驱动机架组件相对拍摄设备转动以调整拍摄设备1的拍摄角度。本发明采用电机组件作为原动力直接驱动云台的机架组件，耗能较小、节省电能；同时电机驱动能够实现无级调节，动作响应时间短，能够快速启动、停止或及时调整转速大小以适应运载体的各种姿态，从而提高摄像组件的拍摄稳定性。本发明还包括用于辅助机架组件的连杆构件12，连杆构件12与机架组件构成四杆机构，连杆构件12随机架组件发生转动并支撑机架组件。根据四杆构件原理，连杆构件会随机架组件转动并辅助支撑连杆构件，同时不会影响机架组件的转动轨迹；连杆构件在竖直方向上为机架组件的提供有效支撑，增大机架组件的载重量和刚度，当机架组件载重量较大时，有效其减小形变量；同时减轻机架组件的自身重量，减小电机的直径大小。
实施例一
如图1所示，为本发明提供的一个实施例，一种陀螺式动态自平衡两轴云台，包括机架组件、电机组件、控制组件以及拍摄设备1。机架组件包括第一支架2、第二支架4以及第三支架6，拍摄设备1固定在第一支架2上，第一支架2与第二支架4转动设置，第二支架4与第三支架6转动设置。此处拍摄设备1的形状不局限于图1中所示的方形，还可以为圆形、椭球形或其它形状。电机组件包括第一电机3以及第二电机5，第一电机3直接驱动第一支架2绕其旋转轴相对第二支架4转动，第二电机5直接驱动第二支架4绕其旋转轴相对第三支架6转动。本实施例提供的动力源为电机，采用小型电机直接驱动具有以下优点：(1)电机直接驱动耗能较小，节能环保；(2)电机能够进行无级调节，响应时间短、能够及时快速调整以适应运载体的各种姿态，从而使拍摄设备的拍摄稳定性高。
在上述技术方案的基础上，进一步的，如图1所示，第二支架4的两个自由端向外延伸，第一支架2和拍摄设备1整体转动设置在两个自由端之间，第二电机5驱动第二支架4转动过程中，第二支架4的两个自由端的长度越长，第一支架2和拍摄设备1的重心越远离第二支架4的定位点，从而导致第二支架4的晃动性越大，拍摄设备1越不稳定，为了降低第二支架4的晃动性，提高其稳定性，如图1所示，还包括连杆构件12，连杆构件12的两自由端分别转动设置在第二支架4的两开口端，连杆构件12通过紧固件13固定在第三支架6上。本发明通过连杆构件12的自由端铰接设置在第二支架4上，两者共同构成平行四杆构件，根据平行四边形原理，当第二支架4相对第三支架6转动一定角度时，连杆构件12会随之转动相等角度，不会影响第二支架4的转动轨迹；同时连杆构件12通过紧固件13固定在第三支架6上，连杆构件12在竖直方向上为第二支架4的两个开口端提供有效支撑，增大第二支架4的载重量和刚度，当第二支架4载重量较大时，有效其减小形变量；同时生产工艺上减轻第二支架4的自身重量，减小第二电机5的直径大小。
在上述技术方案的基础上，具体的，连杆构件12包括依次铰接连接的第一连杆121、第二连杆122以及第三连杆123。第一连杆121的自由端铰接设置在第二支架4的一端部，第三连杆123的自由端铰接设置在第二支架4的另一端，从而使连杆构件12与第二支架4共同构成平行四边形。为了定位该平行四边形，提高其稳定性能，第二连杆122的中部通过紧固件13定位在第三支架6上。
优选的，为了实现连杆构件12与第三支架6的固定连接，如图1所示，还包括安装臂10，安装臂10的一端固定在第三支架6上，另一端上开设有与紧固件13相适配的定位孔11，第二连杆122通过紧固件13固定在安装臂10上。
为了便于电机及时调整转动角度，作为优选，第一支架2的旋转轴X轴与第二支架4的旋转轴Y轴垂直设置。第一电机3的定子固定在第一支架2上，第一电机3的转子与第二支架4固定设置，第一电机3直接驱动第二支架4，从而使第一支架2相对第二支架4发生相对转动。第二电机5的定子固定在第三支架6上，第二电机5的转子与第二支架4固定设置，第二电机5直接驱动第二支架4，从而使第二支架4相对第三支架6发生相对转动。此处需知，第一电机3的定子和转子的位置可以互换，同样的，第二电机5的定子和转子的位置可以互换。
进一步的，为了增大拍摄设备1拍摄过程中的稳定性能，第一支架2与拍摄设备1的重心落在第一支架2的旋转轴。通过力学分析，当第一支架2与拍摄设备1的重心落在第一支架2的旋转轴X轴上时，第一支架2转动至任意角度，均不会产生转动力矩，即第一支架2不会因为力矩而来回晃动，增加转动过程中的拍摄设备1的稳定性。当运载体平稳运行时，即无需电机驱动状况下，第一支架2和拍摄设备1也处于动态平衡状态。
同样道理，通过力学分析，为了增加稳定性能，避免绕Y轴旋转的整体组件产生转动力矩，作为优选方案，如图1所示，第一支架2、第二支架4与拍摄设备1整体的重心落在第二支架4的旋转轴上。
在上述技术方案的基础上，作为优选，第一电机3、第二电机5优选为直流无刷电机。采用直流无刷电机的好处在于：(1)电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍；(2)属静态电机，空载电流小；(3)效率高(4)体积小。
具体的，控制组件包括处理器、惯性传感器、电路板以及连接线，连接线包括导电线和信号线，惯性传感器包括用于检测角速度信号的陀螺仪以及用于检测加速度信号的加速度计，处理器根据角速度信号与加速度信号来控制第一电机3、第二电机5的正转、反转以及转速大小。通过设置惯性传感器来及时动态监测拍摄设备的姿态，并快速及时控制电机的正反转动，调整机架组件的位置从而提高拍摄设备的拍摄稳定性。
实施例二
如图2-图6所示，为本发明提供的另外一个实施例，一种陀螺式动态自平衡三轴云台，包括机架组件、电机组件、控制组件以及拍摄设备1。如图2所示，机架组件包括第一支架2、第二支架4、第三支架6以及用于对外固定的连接架8。拍摄设备1固定在第一支架2上，为了实现拍摄设备1沿X轴(即：第一支架2的旋转轴)旋转，第一支架2与第二支架4转动设置，这种转动结构能够实现拍摄设备1的抬头或低头旋转。为了适应运载体的左倾或右倾，拍摄设备1相对应的进行左倾或右倾转动，为了保证拍照或摄像的平稳性，如图5、图6所示，第二支架4与第三支架6转动设置，第二支架4的左右转动从而带动第一支架2和拍摄设备1整体转动。为了实现拍摄设备1的周向旋转以进行360度范围内转动拍摄，连接架8对外固定在运载体上，第三支架6可绕Z轴相对连接架8转动。此处，运载体可以为飞行器、汽车、轮船、机器人、人体等，当人体直接手握云台时，该云台为一手持设备，可以进行动态拍摄或摄影。电机组件包括第一电机3、第二电机5以及第三电机7，第一电机3驱动第一支架2绕其旋转轴相对第二支架4转动，第二电机5驱动第二支架4绕其旋转轴相对第三支架6转动，第三电机7驱动第三支架6绕其旋转轴Z轴相对连接架8转动。本实施例提供的动力源为电机，采用小型电机直接驱动具有以下优点：(1)电机直接驱动耗能较小，节能环保；(2)电机进行无级调节、响应时间短、能够及时快速调整以适应运载体的各种姿态，从而使拍摄设备的拍摄稳定性高。
在上述技术方案的基础上，进一步的，如图2、图3、图4所示，第二支架4的两个自由端向外延伸，第一支架2和拍摄设备1整体转动设置在两个自由端之间，第二电机5驱动第二支架4转动过程中，第二支架4的两个自由端的长度越长，第一支架2和拍摄设备1的重心越远离第二支架4的定位点，从而导致第二支架4的晃动性越大，拍摄设备1越不稳定，为了降低第二支架4的晃动性，提高稳定性，如图2、图3、图4所示，还包括连杆构件12，连杆构件12的两自由端分别转动设置在第二支架4的两开口端，连杆构件12通过紧固件13固定在第三支架6上。本发明通过连杆构件12的自由端铰接设置在第二支架4上，两者共同构成平行四杆构件，根据平行四边形原理，当第二支架4相对第三支架6转动一定角度时，连杆构件12会随之转动相等角度，不会影响第二支架4的转动轨迹；同时连杆构件12通过紧固件13固定在第三支架6上，连杆构件12在竖直方向上为第二支架4的两个开口端提供有效支撑，增大第二支架4的载重量和刚度，当第二支架4载重量较大时，有效其减小形变量；同时生产工艺上减轻第二支架4的自身重量，减小第二电机5的直径大小。
在上述技术方案的基础上，具体的，如图2所示，连杆构件12包括依次铰接连接的第一连杆121、第二连杆122以及第三连杆123。第一连杆121的自由端铰接设置在第二支架4的一端部，第三连杆123的自由端铰接设置在第二支架4的另一端，从而使连杆构件12与第二支架4共同构成平行四边形。为了定位该平行四边形，提高其稳定性能，第二连杆122的中部通过紧固件13定位在第三支架6上。
优选的，为了实现连杆构件12与第三支架6的固定连接，如图2、图3、图4所示，还包括安装臂10，安装臂10的一端固定在第三支架6上，另一端上开设有与紧固件13相适配的定位孔11，第二连杆122通过紧固件13固定在安装臂10上。
作为优选，第一支架2的旋转轴X轴、第二支架4的旋转轴Y轴以及第三支架6的旋转轴Z轴三者相互垂直设置。如图3、图4所示，第一电机3的定子固定在第一支架2上，第一电机3的转子与第二支架4固定设置，第一电机3直接驱动第二支架4，从而使第一支架2相对第二支架4发生相对转动。如图5、图6所示，第二电机5的定子固定在第三支架6上，第二电机5的转子与第二支架4固定设置，第二电机5直接驱动第二支架4，从而使第二支架4相对第三支架6发生相对转动。如图5、图6所示，第三电机7的定子固定在连接架8上，转子与第三支架6固定连接，第三电机7直接驱动第三支架6，从而使第三支架6相对连接架8绕Z轴转动。连接架8上固定设置有定位架9，用于定位第三电机7。可以理解，第一电机3、第二电机5或第三电机7各自的定子和转子的安装位置可以互换。
进一步的，为了增大拍摄设备1拍摄过程中的稳定性能，第一支架2与拍摄设备1的重心落在第一支架2的旋转轴。通过力学分析，当第一支架2与拍摄设备1的重心落在第一支架2的旋转轴X轴上时，第一支架2转动至任意角度，均不会产生转动力矩，即第一支架2不会因为力矩而来回晃动，增加转动过程中的拍摄设备1的稳定性。当运载体平稳运行时，即无需电机驱动状况下，第一支架2和拍摄设备1也处于动态平衡状态。
同样道理，通过力学分析，为了增加稳定性能，避免绕Y轴旋转的整体组件产生转动力矩，作为优选方案，如图1所示，第一支架2、第二支架4与拍摄设备1整体的重心落在第二支架4的旋转轴上。
同样，为了避免绕Z轴转动的整体组件产生转动力矩，如图5、图6所示，第一支架2、第二支架4、第三支架6与拍摄设备1整体的重心落在第三支架6的旋转轴Z轴上。
在上述技术方案的基础上，作为优选，本实施例第一电机3、第二电机5优选为直流无刷电机。云台采用直流无刷电机的好处在于：(1)电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍；(2)属静态电机，空载电流小；(3)效率高(4)体积小。
具体的，控制组件包括处理器、惯性传感器、电路板以及连接线，连接线包括导电线和信号线，惯性传感器包括用于检测角速度信号的陀螺仪以及用于检测加速度信号的加速度计，处理器根据角速度信号与加速度信号来控制第一电机3、第二电机5或第三电机7的正转、反转以及转速大小。通过设置惯性传感器来及时动态监测拍摄设备的姿态，并快速及时控制电机的正反转动，调整机架组件的位置从而提高拍摄设备的拍摄稳定性。
实施例三
在实施例一和实施例二的基础上，本实施例的不同之处在于，将紧固件13替换为第四电机，通过第四电机直接驱动连杆构件12的第二连杆122相对第三支架6转动。此处，连杆构件12会带动第二支架4随之转动，因此第四电机可以起辅助第二电机5的作用。可以理解，第四电机也可以取代第二电机5，作为第二支架4相对第三支架6转动的动力源，此时完全不需要第二电机5，电机组件只需第一电机3、第三电机7以及第四电机。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种陀螺式动态自平衡云台，其特征在于：包括机架组件、电机组件、拍摄设备(1)以及控制组件；
所述控制组件包括处理器和惯性传感器，所述惯性传感器检测所述拍摄设备(1)的姿态信息，所述处理器根据所述姿态信息控制所述电机组件；所述电机组件直接驱动所述机架组件相对所述拍摄设备转动以调整所述拍摄设备(1)的拍摄角度；
还包括用于辅助所述机架组件的连杆构件(2)，所述连杆构件(12)与所述机架组件构成四杆机构，所述连杆构件(12)随所述机架组件发生转动并支撑所述机架组件。
2.根据权利要求1所述的陀螺式动态自平衡云台，其特征在于，所述机架组件包括第一支架(2)、第二支架(4)以及第三支架(6)，所述拍摄设备(1)固定在所述第一支架(2)上，所述第一支架(2)与所述第二支架(4)转动设置，所述第二支架(4)与所述第三支架(6)转动设置。
3.根据权利要求2所述的陀螺式动态自平衡云台，其特征在于，所述电机组件包括第一电机(3)以及第二电机(5)，所述第一电机(3)直接驱动所述第一支架(2)相对所述第二支架(4)转动，所述第二电机(5)直接驱动所述第二支架(4)相对所述第三支架(6)转动。
4.根据权利要求3所述的陀螺式动态自平衡云台，其特征在于，所述连杆构件(12)的两自由端分别转动设置在所述第二支架(4)的两开口端，所述连杆构件(12)通过紧固件(13)固定在第三支架(6)上。
5.根据权利要求4所述的陀螺式动态自平衡云台，其特征在于，所述连杆构件(12)包括依次铰接连接的第一连杆(121)、第二连杆(122)以及第三连杆(123)；所述第一连杆(121)的自由端铰接设置在所述第二支架(4)的一端部，所述第三连杆(123)的自由端铰接设置在所述第二支架(4)的另一端；所述第二连杆(122)定位在所述第三支架(6)上。
6.根据权利要求5所述的陀螺式动态自平衡云台，其特征在于，还包括安装臂(10)，所述安装臂(10)的一端固定在所述第三支架(6)上，另一端上开设有与所述紧固件(13)相适配的定位孔(11)，所述第二连杆(122)通过紧固件(13)固定在所述安装臂(10)上。
7.根据权利要求5所述的陀螺式动态自平衡云台，其特征在于，所述电机组件包括第四电机，所述第四电机直接驱动所述第二连杆(122)相对所述第三支架(6)转动。
8.根据权利要求7所述的陀螺式动态自平衡云台，其特征在于，所述第一电机(3)的转子固定在所述第一支架(2)上，所述第一电机(3)的定子与所述第二支架(4)固定设置；所述第二电机(5)的定子固定在所述第三支架(6)上，所述第二电机(5)的转子与所述第二支架(4)固定设置。
9.根据权利要求8所述的陀螺式动态自平衡云台，其特征在于，所述第一支架(2)与所述拍摄设备(1)的重心落在所述第一支架(2)的旋转轴上；所述第一支架(2)、所述第二支架(4)与所述拍摄设备(1)整体的重心落在所述第二支架(4)的旋转轴上。
10.根据权利要求2-9任一项所述的陀螺式动态自平衡云台，其特征在于，所述机架组件还包括用于对外固定的连接架(8)，所述电机组件还包括第三电机(7)；所述第三电机(7)直接驱动所述第三支架(6)相对所述连接架(8)转动。
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