DE102013008994B4 - "Lagestabilisiertes Trägersystem für die Luftbildfotografie" - Google Patents

Abstract

Lagestabilisierte Trägervorrichtung (1) für klein- und mittelformatige Luftbildkameras und analoge elektronische Geräte, welche in Luft- oder Bodenfahrzeugen die Geräte gegen Pitch- und Roll-, und Driftbewegungen stabil hält, mit einer mit der Gerätelast beaufschlagten Lagerbasisplatte (3), auflagegestützt von drei auf einem Kreisumfang in zueinander gleichem Winkelabstand ringförmig und lotrecht angeordneten Kugelgewindespindeln (4) als axial verstellbaren Spindeltrieben zur Stabilisierung der Lagerbasisplatte, mit mindestens drei unabhängig voneinander arbeitenden Antriebseinheiten (5) mit integrierter elektronischer Steuerung und geräteinterner Sensoreinrichtung zur Erfassung von Lageabweichungen, wobei jede der Antriebseinheiten einen Hochleistungsmotor aufweist, dessen Dreh-bewegung auf jeweils eine der durch einen Zahnriementrieb (9) mit ihm in kraftschlüssiger Verbindung stehenden Kugelgewindespindeln (4) in die translatorische Bewegung eines als Spindelmutter wirksamen Verstellwagens (12), verstellsicher geführt in parallel zu den Kugelgewindespindeln (4) verlaufenden Linearführungen (13), umgesetzt wird, wobei die von jedem Verstellwagen ausgeübte translatorische Kraft über je ein Ausgleichselement (16) mit aufgesetztem Kugelgelenk (17) auf die Lagerbasisplatte (3) übertragen und diese eine den elektrischen Eingangsignalen der Antriebseinheiten entsprechende Neigung in unterschiedlicher Richtung erfährt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein lagestabilisiertes Trägersystem für Luftbildkameras und analoge elektronische Einrichtungen, welches insbesondere in Ultraleichtflugzeugen oder Drohnen bei der Luftbildaufnahme oder auch in Bodenfahrzeugen eine von der Fahrzeugeigenbewegung (Pitch-, Roll- und/oder Driftbewegung) entkoppelte stabile Lage des Geräteträgers gewährleisten kann.
• Für diese Anwendungsfälle sind bereits eine Vielzahl technischer Lösungen bekannt geworden, die mehrfach auch Teil von Standardausrüstungen für die Luftbildaufnahme wurden, so zum Beispiel eine Anordnung mit einem aktiv einstellbaren horizontal stabilisierten Träger für optische Gerätesysteme nach DE 20 2007 005 801 U1 . Aus DE 69315102 T2 oder DE 3516805 C1 sind weiterhin technische Anordnungen mit Antriebssystemen bekannt, die zur Unterstützung der Stabilisierungsbewegungen von Gyroskopen gesteuert werden. Die technische Lösung nach WO 2008/128491 offenbart eine kreiselstabilisierte Plattform zur Reduzierung der durch Luftturbulenzen verursachten störenden Kamerabewegungen, die zugleich auch die Kompensation der durch die Vorwärtsbewegung des Flugzeuges verursachten Bildwanderung gestattet. Eine Einrichtung zur verstellbaren Positionierung einer Luftbildkamera nach DE 37 37 027 A1 verwendet mindestens drei hydraulische Aktoren, welche zur Lagestabilisierung, unter der Geräteplattform angeordnet, den störenden Eigenbewegungen des Luftfahrzeugs entgegenwirken.
• In DE 10 2012 002 728.1 wird wiederum eine Vorrichtung beschrieben, bei der eine mechanisch feste Kopplung der Drehachsen eines die zu stabilisierende Geräteplatte mit Vorrichtung beschrieben, bei der eine mechanisch feste Kopplung der Drehachsen eines die zu stabilisierende Geräteplatte tragenden, kardanisch gelagerten Ringsystems mit motorischen Antriebseinheiten über hochübersetzende Kompaktgetriebe, beispielsweise Harmonie Drive-Getriebe erfolgt.
  Allerdings besitzen bekannte Stabilisierungsvorrichtungen vielfach zu große Geräteabmessungen und demzufolge ein nicht unerhebliches Gewicht, so dass deren Anwendungsmöglichkeiten deutlich eingeschränkt sind. Diese Nachteile treten dann besonders deutlich hervor, wenn an das Gesamtsystem zusätzlich noch hohe Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Steifigkeit und Stabilität zu stellen sind und die große Gerätemasse mit ihrer Trägheit die Steuerung und Einstellgenauigkeit der Stabilisierungsvorrichtung ungünstig beeinflusst.
• Nach einem Drei-Spindel-Prinzip arbeitet ferner eine zur Fertigung von Halbleiter-Bauelementen verwendete Plattform nach JP H11-307616 A , bei der die Spindeln von einem gemeinsamen Antriebssystem in gleichmäßiger Höhenverstellung nach oben oder unten bewegt werden und die genaue Horizontierung von Hand vorgenommen werden muss. Diese technische Lösung ist wie auch die in CN 202018828 U beschriebene Positionierung einer Funktionsplatte auf beweglich gelagerten Gewindespindeln mit Handrad-Verstellung zur hochgenauen Stabilisierung von in Fahrzeugen bewegten Aufnahmegeräten ungeeignet. Ebenso ist die Verwendung der in US 6 653 611 B2 aufgezeigten mechanischen, optischen und elektrischen Mittel zur Vermeidung von Bildunschärfen in einem Zielerkennungs-Gerät, bei dem Aktoren die Plattform einer Laserlichtqelle um zwei Achsen mit Hilfe eines Referenzsystems steuern, nicht für Stabilisierungsplattformen von solchen Luftbildkameras und ähnlichen Einrichtungen geeignet, die bei einem kleinem und leichtem Aufbau zugleich schnell und zuverlässig arbeiten sein müssen.
• Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein lagestabilisiertes Trägersystem zu schaffen, das als Geräteplattform beispielsweise für fotografische Luftbildkameras oder bestimmte elektronische Geräte auch in Bodenfahrzeugen Verwendung finden kann. Durch den Einsatz vorteilhafter konstruktiver Maßnahmen soll für ein derartig stabilisierendes System eine Reduzierung der äußeren Abmessungen und damit der Gerätemasse erreicht werden, sodass auch das Verhältnis zwischen der maximal zulässigen Traglast und dem Gesamtgewicht des Gerätes günstig verändert wird. Als weitere Aufgabe der Erfindung ist der Aufbau des Trägersystems so zu gestalten, dass damit bei hoher mechanischer Steifigkeit eine hohe Stabilisierungsgenauigkeit für das Gerät erzielt werden kann. Ferner soll das System zur Bildaufnahme mit Mittelformat-Kameras eine gute Eignung besitzen. Dazu ist der für die optische Abbildung zur Verfügung stehende freie Innendurchmesser des Trägersystem entsprechend groß zu bemessen.
• Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt mit einem gegen Pitch-, Roll- und Driftbewegungen lagestabilisierten Trägersystem für Luftbildkameras oder analoge Einrichtungen -gemäß den Merkmalen der Patentansprüche.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels sowie zwei Abbildungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• die 1 in perspektivischer Seitenansicht und im teilweisen Schnitt das stabilisierte erfindungsgemäße Trägersystem zur Positionierung einer Luftbildkamera oder einer analogen Vorrichtung,
• die 2 in einer teilweisen Schnittdarstellung eine Antriebseinheit des erfindungsgemäßen Trägersystems mit dem Antriebsmotor und dem Getriebe zur Umwandlung einer rotatorischen Antriebsbewegung in die translatorische Bewegung des Verstellwagens eines Kugelspindeltriebs.
• Die 1 zeigt den konstruktiven Aufbau eines lagestabilisierten Trägersystems 1 für eine hier nicht dargestellte Luftbildkamera. Das Trägersystem ist auf einer Trägergrundplatte 2 als Verbindungselement zum Flugzeug befestigt und nimmt sämtliche Gewichtskräfte des Träger-Kamera-Systems auf und leitet diese an den Flugzeugboden ab. Die im Wesentlichen durch das Gewicht der Luftbildkamera bestimmte Nutzlast des Systems wird auf eine Lagerbasisplatte 3 übertragen, deren Lagestabilisierung wiederum durch Stellbewegungen von drei auf einem Kreisumfang in gleichem Winkelabstand zueinander lotrecht angeordneten Spindeln 4 als Auflagestützen erfolgt. Als axial verstellbare Spindeltriebe dienen diese sowohl zur horizontalen Stabilisierung als auch zur Drift-Korrektur des Gerätesystems. Die Spindeln 4 sind als Kugelgewindespindeln ausgebildet und deutlich reibungsärmer als die konventionellen Gleitgewinde-Triebe, weil hier die sehr geringe Rollreibung genutzt wird.
• Der Antrieb der Kugelgewindespindeln erfolgt unabhängig voneinander. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird hierzu jede der motorgetriebenen Spindeln von einer kompakten Antriebseinheit 5 mit einem DC-Hochleistungsmotor 6 mit Drehgeber und Ansteuerungseinheit angetrieben, wobei jede der mit entsprechender Sensorik ausgestatteten Antriebseinheiten - un- abhängig voneinander - durch extern eingegebene elektrische Signale gesteuert wird. Eine aufwendige zentrale Motor-steuerung kann somit entfallen.
• Die Übertragung des Drehmoments vom jeweiligen Antriebsmotor 6 auf die Spindel 4 erfolgt über einen Zahnriementrieb mit einem am Motor mit entsprechendem Spannsatz 7 befestigten Antriebsrad 8, einem Zahnriemen 9 sowie einem gleichfalls mit einem Spannsatz befestigten und auf der Kugelgewindespindel 4 sitzenden Abtriebsrad 10 (2.) Der Umwandlung der Drehbewegung der Kugelgewindespindel in die translatorische Bewegung dient eine Gewindemutter 11, mit einer Gewindehülse 20 an der ein Verstellwagen 12 befestigt ist, der die weitere Kraftübertragung auf die Lagerbasisplatte 3 vornimmt. Ein solcher Kugelgewinde-Mutter-Trieb zeichnet sich durch hohe Positioniergenauigkeit sowie - infolge der geringen Reibung - durch seinen minimalen Materialverschleiß aus, wodurch er zur Lagestabilisierung hervorragend geeignet ist.
• Um zu verhindern, dass sich die Spindelmutter bei einsetzender Drehbewegung einfach mitdreht, ist der Verstellwagen 12 in zwei parallel zur Gewindespindel verlaufenden Linearführungen 13 durch Kugelbuchsen 14 geführt. Der Endlagerung der Kugelgewindespindeln dienen Kugellager 15, welche ebenfalls hohen mechanischen Ansprüchen, wie einer geringen Spielfreiheit und Lagerreibung, einer hohen Laufgenauigkeit usw. genügen sollten.
• Der Verstellwagen 12 überträgt die Kraft auf die Lagerbasisplatte 3. Kraftübertragendes Element ist dabei ein Ausgleichselement 16 mit einem darauf aufgesetzten und mit der Lagerbasisplatte in kraftschlüssiger Verbindung stehenden Kugelgelenk 17. Da sich beim Bewegen des Gerätes der Antriebspunkt (Kugelgelenk) in Bezug auf seinen virtuellen Drehpunkt ändert, muss ein entsprechender Längenausgleich möglich sein. Das Ausgleichslager 18, eingefasst zwischen zwei einstellbaren Teflonscheiben 19, schafft hier eine schlupffreie Bewegung in horizontaler Richtung.
• In gleicher Weise ist die Lagerbasisplatte 3 über die beiden anderen Kugelgelenke mit den zugehörigen Antriebseinheiten verbunden.
• Erfindungsgemäß sind bei dem hier benutzten Drei-Spindel-Konzept zur Lagestabilisierung des Trägersystem die Lagerbasisplatte über Kugelgelenke mit den Antriebseinheiten verbunden. Der Drehpunkt ist dabei jedoch nicht, wie bei bereits vorbekannten Gerätetypen, allein durch den mechanischen Aufbau definiert, sondern durch das Zusammenspiel der Antriebseinheiten erzeugt und somit virtuell im Raum liegend.
• Mit dem erfindungsgemäßen Gerät zur Lagestabilisierung durch drei unabhängig voneinander gesteuerte Spindelantriebe ist es möglich, das System mit seiner Nutzlast in jede beliebige Richtung bis zu einem Maximalwinkel von +/- 15 Grad und bei einer Korrekturgeschwindigkeit von 15 Grad/Sekunde zu steuern. Mit einer Gerätemasse von ca. 7 kg und einem für die Bildaufnahme nutzbaren freien Durchmesser von etwa 130 mm beträgt die für das Trägersystem noch vertretbare Nutzlast etwa 15 kg. Damit eignet sich das Trägersystem (Mount) besonders zur Stabilisierung von Klein- und Mittelformat-Kameras.
• Bezugszeichenliste

1

Trägersystem

2

Trägergrundplatte

3

Lagerbasisplatte

4

Kugelgewindespindel

5

Antriebseinheit

6

Hochleistungsmotor

7

Spannsatz

8

Antriebsrad

9

Zahnriemen

10

Abtriebsrad

11

Gewindemutter

12

Verstellwagen

13

Linearführung

14

Kugelbuchse

15

Kugellager

16

Ausgleichselement

17

Kugelgelenk

18

Ausgleichslager

19

Teflonscheibe

20

Gewindehülse

21

Anschlag für Verstellwagen

Claims (3)

1. Lagestabilisierte Trägervorrichtung (1) für klein- und mittelformatige Luftbildkameras und analoge elektronische Geräte, welche in Luft- oder Bodenfahrzeugen die Geräte gegen Pitch- und Roll-, und Driftbewegungen stabil hält, mit einer mit der Gerätelast beaufschlagten Lagerbasisplatte (3), auflagegestützt von drei auf einem Kreisumfang in zueinander gleichem Winkelabstand ringförmig und lotrecht angeordneten Kugelgewindespindeln (4) als axial verstellbaren Spindeltrieben zur Stabilisierung der Lagerbasisplatte, mit mindestens drei unabhängig voneinander arbeitenden Antriebseinheiten (5) mit integrierter elektronischer Steuerung und geräteinterner Sensoreinrichtung zur Erfassung von Lageabweichungen, wobei jede der Antriebseinheiten einen Hochleistungsmotor aufweist, dessen Dreh-bewegung auf jeweils eine der durch einen Zahnriementrieb (9) mit ihm in kraftschlüssiger Verbindung stehenden Kugelgewindespindeln (4) in die translatorische Bewegung eines als Spindelmutter wirksamen Verstellwagens (12), verstellsicher geführt in parallel zu den Kugelgewindespindeln (4) verlaufenden Linearführungen (13), umgesetzt wird, wobei die von jedem Verstellwagen ausgeübte translatorische Kraft über je ein Ausgleichselement (16) mit aufgesetztem Kugelgelenk (17) auf die Lagerbasisplatte (3) übertragen und diese eine den elektrischen Eingangsignalen der Antriebseinheiten entsprechende Neigung in unterschiedlicher Richtung erfährt.
2. Lagestabilisierte Trägervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine den elektrischen Eingangssignalen der Antriebseinheiten (5) entsprechende Neigung der Lagerbasisplatte (3) um einen durch den mechanischen Aufbau der Vorrichtung (1) sowie das Zusammenspiel der Antriebseinheiten (5) definierten virtuell im Raum liegenden Drehpunkt erfolgt.
3. Lagestabilisierte Trägervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zwischen zwei Teflonscheiben (19) eingefasstes Ausgleichslager (18), zur schlupffreien, horizontalen Bewegung des auf das Ausgleichselement (16) aufgesetzten Kugelgelenks (17).

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