阅读说明：本技术 一种无人机机载二自由度增稳云台机构及无人机 (A kind of unmanned aerial vehicle onboard two degrees of freedom increases steady cradle head mechanism and unmanned plane ) 是由 林上港 金连文 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无人机机载二自由度增稳云台机构及无人机,该云台机构包括上支承板、定位孔、减震球体、下支承板、连接臂倒U型支架、两根左侧对称连接臂、两根右侧对称连接臂、横滚角调节舵机U型支架、俯仰角调节舵机U型支架、横滚角调节舵机、俯仰角调节舵机、横滚角调节舵机侧部倒左U型支架、横滚角调节舵机底部倒U型支架、俯仰角调节舵机顶部U型支架、俯仰角调节舵机底部倒U型支架、摄像机平台U型支架、摄像机以及角度控制单元。本发明的云台机构可以实现俯仰角和横滚角的二自由度角度调整,并且减震效果良好。(The invention discloses a kind of unmanned aerial vehicle onboard two degrees of freedom to increase steady cradle head mechanism and unmanned plane, the cradle head mechanism includes upper bearing plate, location hole, damping sphere, lower support plate, linking arm inverted U bracket, two symmetrical linking arms in left side, two symmetrical linking arms in right side, roll angle adjusts steering engine u-bracket, pitch angle adjusts steering engine u-bracket, roll angle adjusts steering engine, pitch angle adjusts steering engine, roll angle adjusts steering engine side and falls left u-bracket, roll angle adjusts steering engine bottom inverted U bracket, pitch angle adjusts u-bracket at the top of steering engine, pitch angle adjusts steering engine bottom inverted U bracket, Camera Platform u-bracket, video camera and angle control unit.The two degrees of freedom angle adjustment of pitch angle and roll angle may be implemented in cradle head mechanism of the invention, and damping effect is good.)

一种无人机机载二自由度增稳云台机构及无人机

技术领域

本发明涉及无人机领域，具体涉及一种无人机机载二自由度增稳云台机构及无人机。

背景技术

近年来无人机技术高速全面发展，使得无人机广泛地应用在地形测绘、灾害搜救及气候监测等领域当中。无人机依靠开阔的高空视野优势，通过搭载光学成像设备能够迅速完成上述任务。然而，无人机在飞行过程中的快速姿态变换会造成机载光学成像设备的拍摄角度改变并伴随抖动，造成影像质量的严重下降。因此，采用云台可以在一定程度上起到角度补偿和影像增稳的作用。但是传统的无人机二自由度增稳云台仅能作俯仰角和偏航角的姿态调整，无法补偿横滚角的角度偏差；若采用三自由度云台，不仅会造成云台机构空间复杂度、控制复杂度和自身重量的增加，而且其角度调整方式会使成像设备偏离无人机重心轴，对于需要利用成像设备精确测距的应用十分不利。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种无人机机载二自由度增稳云台机构及无人机，通过摆动式的框架结构设计，使云台能够同时补偿俯仰角和横滚角的角度偏差，提高稳定性的同时保证了成像质量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种无人机机载二自由度增稳云台机构，包括上支承板、减震球体、下支承板、连接臂倒U型支架、左侧对称连接臂、右侧对称连接臂、横滚角调节舵机U型支架、俯仰角调节舵机U型支架、横滚角调节舵机、俯仰角调节舵机、横滚角调节舵机侧部倒左U型支架、横滚角调节舵机底部倒U型支架、俯仰角调节舵机顶部U型支架、俯仰角调节舵机底部倒U型支架、摄像机平台U型支架、摄像机以及角度控制单元；

所述上支承板通过减震球体与下支承板接触式连接，所述下支承板与连接臂倒U型支架固定连接；所述左侧对称连接臂和右侧对称连接臂一端可转动的连接于连接臂倒U型支架的两个直角面上，所述左侧对称连接臂和右侧对称连接臂的另一端分别固定于所述横滚角调节舵机U型支架的两个直角面外侧；所述横滚角调节舵机、横滚角调节舵机侧部倒左U型支架固定在横滚角调节舵机U型支架上；所述俯仰角调节舵机固定在俯仰角调节舵机顶部U型支架和俯仰角调节舵机底部倒U型支架之间，所述俯仰角调节舵机顶部U型支架与右侧对称连接臂的另一端一起固定于连接臂倒U型支架的两个直角面上；

所述摄像机平台U型支架的一侧直角面与横滚角调节舵机侧部倒左U型支架可转动式连接，另一侧和俯仰角调节舵机的主轴固定连接，所述摄像机与摄像机平台U型支架从外侧平面固定连接；所述角度控制单元与上支承板固定连接，并通过横滚角调节舵机信号线和俯仰角调节舵机信号线分别与所述横滚角调节舵机和俯仰角调节舵机电气连接。

作为优选的技术方案，所述上支承板上设有多个定位孔，所述减震球体的数量与定位孔数量相同，所述减震球体的顶部设置在定位孔上，所述减震球体的底部设置在下支承板上。

作为优选的技术方案，所述左侧对称连接臂和右侧对称连接臂均为两根，所述连接臂倒U型支架的两个直角面上设置有第一转动螺钉，所述两根左侧对称连接臂的上端和两根右侧对称连接臂的上端分别通过第一转动螺钉与连接臂倒U型支架的两个直角面可转动式连接。

作为优选的技术方案，所述横滚角调节舵机U型支架的两个直角面外侧上端设置有对称的第二紧固螺钉，所述左侧对称连接臂的另一端通过对称的第二紧固螺钉与横滚角调节舵机U型支架在两个直角面内侧相紧固连接。

作为优选的技术方案，所述横滚角调节舵机的后部与横滚角调节舵机侧部倒左U型支架之间的空隙设置了填充块，所述横滚角调节舵机U型支架的两个直角面外侧还设置有第四紧固螺钉，使得所述横滚角调节舵机底部倒U型支架与横滚角调节舵机U型支架的两个直角面从内侧紧固连接，并起到承托所述横滚角调节舵机的底部的作用。

作为优选的技术方案，所述俯仰角调节舵机U型支架的两个直角面外侧设置有第五紧固螺钉，所述右侧对称连接臂的另一端、俯仰角调节舵机顶部U型支架分别通过第五紧固螺钉与俯仰角调节舵机U型支架19的两个直角面从内侧紧固连接，所述俯仰角调节舵机U型支架的两个直角面外侧还设置有第六紧固螺钉，使得俯仰角调节舵机底部倒U型支架与俯仰角调节舵机U型支架的两个直角面内侧紧固连接。

作为优选的技术方案，所述横滚角调节舵机的主轴通过第八紧固螺钉与舵机摇臂紧固连接，所述舵机摇臂的上端通过第三转动螺钉与连杆的下端可转动式连接，所述连杆的上端通过第四转动螺钉与设置在上支承板下方的倒L型支架可转动式连接。

作为优选的技术方案，所述角度控制单元包括角度融合传感模块、中央控制单元和电池模块；所述角度融合传感模块和中央控制单元相电气连接，所述电池模块提供角度融合传感模块、中央控制单元、横滚角调节舵机和俯仰角调节舵机的动力电源；

所述角度融合传感模块用于测量云台机构的姿态角，所述中央控制单元用于输出所述横滚角调节舵机和俯仰角调节舵机的角度控制指令。

作为优选的技术方案，所述减震球体采用硅胶式防脱减震球。

本发明还提供了一种无人机，该无人机包括所述的二自由度增稳云台机构。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明设计的摆动式框架结构，使得该云台机构仅使用两台舵机的情况下能够同时调整俯仰角和横滚角；相比之下，现有的二自由度云台仅能调节俯仰角和偏航角。

(2)本发明采用了减震球体连接上、下支承板的结构设计，可以有效地削弱无人机机身传递到云台机构的震动，达到了影像增稳的效果。

(3)本发明在横滚角角度补偿方面采用了摆动式的云台结构方案，能够使无人机机体产生横滚角轴向偏移时调整摄像机角度，达到了摄像机的成像中心在竖直方向上始终与无人机的重心基本保持一致的效果，有利于需要利用摄像机精确测量距离的应用场景。

附图说明

图1是本发明中无人机机载二自由度增稳云台机构的斜视透视图；

图2是本发明中无人机机载二自由度增稳云台机构的正视图；

图3是本发明中无人机机载二自由度增稳云台机构的左侧视图；

图4是本发明中无人机机载二自由度增稳云台机构的角度控制模块的结构示意图；

其中，o-参考系原点，x轴-横滚角轴向，y轴-俯仰角轴向，z轴-重力加速度轴向，1-上支承板、2-定位孔、3-减震球体、4-下支承板、5-连接臂倒U型支架、6-第一紧固螺钉、7-第一转动螺钉、8-左侧对称连接臂、9-右侧对称连接臂、10-第二紧固螺钉、11-横滚角调节舵机U型支架、12-横滚角调节舵机、13-横滚角调节舵机侧部倒左U型支架、14-第三紧固螺钉、15-填充块、16-第四紧固螺钉、17-横滚角调节舵机底部倒U型支架、18-第五紧固螺钉、19-俯仰角调节舵机U型支架、20-俯仰角调节舵机、21-俯仰角调节舵机顶部U型支架、22-第六紧固螺钉、23-俯仰角调节舵机底部倒U型支架、24-第二转动螺钉、25-第七紧固螺钉、26-摄像机平台U型支架、27-摄像机、28-第八紧固螺钉、29-舵机摇臂、30-第三转动螺钉、31-连杆、32-第四转动螺钉、33-倒L型支架、34-横滚角调节舵机信号线、35-俯仰角调节舵机信号线、36-角度控制单元、37-角度融合传感模块、38-中央控制单元、39-电池模块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1-图3所示，本实施例1提供的一种无人机机载二自由度增稳云台机构，包括上支承板1、设置在上支承板上的四个定位孔2、四颗减震球体3、下支承板4、连接臂倒U型支架5、两根左侧对称连接臂8、两根右侧对称连接臂9、横滚角调节舵机U型支架11、俯仰角调节舵机U型支架19、横滚角调节舵机12、俯仰角调节舵机20、横滚角调节舵机侧部倒左U型支架13、横滚角调节舵机底部倒U型支架17、俯仰角调节舵机顶部U型支架21、俯仰角调节舵机底部倒U型支架23、摄像机平台U型支架26、摄像机27以及角度控制单元36；所述上支承板1通过上支承板四个定位孔2和四颗减震球体3与下支承板4相互连接，所述下支承板4通过两颗第一紧固螺钉6与连接臂倒U型支架5紧固连接，所述连接臂倒U型支架5的两个直角面上设置有两颗第一转动螺钉7，两根所述左侧对称连接臂8的上端和两根右侧对称连接臂9的上端分别通过两颗第一转动螺钉7与连接臂倒U型支架5的两个直角面可转动式连接；所述横滚角调节舵机U型支架11的两个直角面外侧上端设置有对称的两颗第二紧固螺钉10，两根所述左侧对称连接臂8的另一端通过对称的两颗第二紧固螺钉10与横滚角调节舵机U型支架11在两个直角面内侧紧固连接，所述横滚角调节舵机12、横滚角调节舵机侧部倒左U型支架13通过对称的四颗第三紧固螺钉14固定在横滚角调节舵机U型支架11上，且所述横滚角调节舵机12的后部与横滚角调节舵机侧部倒左U型支架13之间的空隙设置了填充块15，使两者紧固连接，所述横滚角调节舵机U型支架11的两个直角面外侧还设置有两颗第四紧固螺钉16，使得所述横滚角调节舵机底部倒U型支架17与横滚角调节舵机U型支架11的两个直角面从内侧紧固连接，并起到承托所述横滚角调节舵机12的底部的作用；所述俯仰角调节舵机U型支架19的两个直角面外侧设置有两颗第五紧固螺钉18，所述两根右侧对称连接臂9的另一端、俯仰角调节舵机顶部U型支架21分别通过两颗第五紧固螺钉18与俯仰角调节舵机U型支架19的两个直角面从内侧相紧固连接，所述俯仰角调节舵机U型支架19的两个直角面外侧还设置有两颗第六紧固螺钉22，使得俯仰角调节舵机底部倒U型支架23与俯仰角调节舵机U型支架19的两个直角面内侧紧固连接，所述俯仰角调节舵机20固定在俯仰角调节舵机顶部U型支架21和俯仰角调节舵机底部倒U型支架23之间；所述摄像机平台U型支架26的两个直角面内侧对称设置有第二转动螺钉24和第七紧固螺钉25，使所述摄像机平台U型支架26的一侧直角面与横滚角调节舵机侧部倒左U型支架13可转动式连接，另一侧和俯仰角调节舵机20的主轴相固定连接，所述摄像机27与摄像机平台U型支架26从外侧平面相紧固连接；所述角度控制单元36与上支承板1相紧固连接，并通过横滚角调节舵机信号线34和俯仰角调节舵机信号线35分别与所述横滚角调节舵机12和俯仰角调节舵机20相电气连接。

在本实施例的一个方面，所述横滚角调节舵机12的主轴通过第八紧固螺钉28与舵机摇臂29相紧固连接，所述舵机摇臂29的上端通过第三转动螺钉30与连杆31的下端可转动式连接，所述连杆31的上端通过第四转动螺钉32与设置在上支承版1下方的倒L型支架33可转动式连接。

在本实施例的一个方面，如图4所示，所述角度控制单元36包括角度融合传感模块37、中央控制单元38和电池模块39。

所述角度融合传感模块37和中央控制单元38相电气连接，所述电池模块39提供角度融合传感模块37、中央控制单元38、横滚角调节舵机12和俯仰角调节舵机20的动力电源，所述角度融合传感模块37用于测量云台机构的姿态角，所述中央控制单元38用于输出所述横滚角调节舵机12和俯仰角调节舵机20的角度控制指令。

本实施例云台机构的工作原理是：两颗第一转动螺钉7、两根左侧对称连接臂8、横滚角调节舵机U型支架11、两根右侧对称连接臂9、俯仰角调节舵机U型支架19、横滚角调节舵机侧部倒左U型支架13、摄像机平台U型支架26以及俯仰角调节舵机20相互连接，成为一个完整的框架式结构，使得该框架能够以两颗第一转动螺钉7为中心作摆动式运动，同时，俯仰角调节舵机顶部U型支架21和俯仰角调节舵机底部倒U型支架23分别通过两颗第五紧固螺钉18和两颗第六紧固螺钉22将俯仰角调节舵机20固定在俯仰角调节舵机U型支架19上；摄像机平台U型支架26的一端通过第二转动螺钉24与横滚角调节舵机侧部倒左U型支架13可转动式连接，另一端通过第七紧固螺钉25与俯仰角调节舵机20的主轴紧固连接，使得摄像机平台U型支架26能够在俯仰角调节舵机20的控制下以俯仰角调节舵机20的主轴为中心旋转；横滚角调节舵机侧部倒左U型支架13和横滚角调节舵机底部倒U型支架17分别通过对称的四颗第三紧固螺钉14、两颗第四紧固螺钉16以及填充块15将横滚角调节舵机12固定在横滚角调节舵机U型支架11上；舵机摇臂29、连杆31和倒L型支架33分别通过第八紧固螺钉28、第三转动螺钉30和第四转动螺钉32使横滚角调节舵机12与上支承版1相互连接，当横滚角调节舵机12的主轴带动舵机摇臂29顺时针转动时，连杆31以第四转动螺钉32为圆心逆时针转动，随即带动云台的框架式结构以两颗第一转动螺钉7为中心逆时针转动直至最大角度；相反地，横滚角调节舵机12的主轴逆时针转动时，连杆31以第四转动螺钉32为圆心顺时针转动，带动云台的框架式结构以两颗第一转动螺钉7为中心顺时针转动直至最大角度；在工作过程中，角度控制单元36中的角度融合传感模块37分别对当前时刻云台的框架式结构的俯仰角和横滚角两者的角度值进行采样，将采样结果传输至中央控制单元38，中央控制单元38计算预设的角度值与当前角度值之差，通过横滚角调节舵机信号线34和俯仰角调节舵机信号线35以脉冲宽度方式分别控制横滚角调节舵机12和俯仰角调节舵机20转动至预设角度，以实现摄像机27的增稳目的；此外，上支承板1与下支承版4之间设置的四颗减震球体3，能够有效消除摄像机27的震动。

本发明在横滚角角度补偿方面采用了摆动式的云台结构方案，能够使无人机机体产生横滚角轴向偏移时调整摄像机角度，达到了摄像机的成像中心在竖直方向上始终与无人机的重心基本保持一致的效果，有利于需要利用摄像机精确测量距离的应用场景。

实施例2

本实施例2除了下述技术特征之外，其他技术特征与实施例1相同：

经过研究试验，本实施例2的优选方式可以为：(1)按图1所示，制作碳纤维材料的各个部件，四颗减震球体3可选用硅胶式防脱减震球，横滚角调节舵机12和横滚角调节舵机20可选用Futaba S3003型。(2)按图4所示，角度融合传感模块37可选用GY-85型，中央控制单元38可选用ATmega8型，电池模块39可选用聚合物锂电池。按上述说明书所述连接关系，把上述构件安装连接后，结合硬件和软件的调试，即可较好地实施本发明。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。