同心轴的双轴云台系统及其供电链路和角度调整控制方法与流程

1.本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种同心轴的双轴云台系统及其供电链路和角度调整控制方法。


背景技术：

2.目前，双轴云台广泛应用于户外监测、厂区巡检、无人飞行等领域。根据云台所连接的负载，可分为轻载云台和重载云台；根据驱动形式，可分为电机直驱形式、皮带传动形式和涡轮蜗杆传动等形式。
3.常用的双轴云台结构如图1所示，核心是利用两台分立设置的电机，仰俯角电机和航向角电机，分别对云台的航向（yaw）和俯仰（pitch）进行角度调节，从而完成负载设备的航向与俯仰角度的调整。
4.目前常用的双轴云台的供电线路中，一般采用电源通过滑环同时向负载和双轴云台供电，供电线路示意图如图2。这种供电路径设计，滑环承载较大，对滑环要求很高。
5.目前，常用的双轴云台的控制系统，如图3所示，通常是控制端下发的指令均通过滑环再传递给负载和双轴云台。由于供电线路和控制线路均通过滑环，滑环处向负载传输的信号和向双轴云台传输的信号会产生互扰，从而造成负载的运动形式出现失误。
6.现有技术的俯仰角的调节多使用齿轮减速器传递结构，具有减速比大、负载能力强等特点。但是，目前的双轴云台，特别是重载云台，由于两台电机需要分别安装，各自都需要自己的安装结构和传动系统，造成双轴云台结构庞杂，体积和重量都不能很好地满足使用要求。同时还存在以下问题：1、从结构安排和线路布设方面考虑，双轴云台负责角度调整的结构和角度驱动电机位于云台主体结构一侧，重心偏离轴线，需要额外增加配重以调整重心位置，从而导致主体结构质量和外形尺寸的进一步增加；负载相较自重比较小；2、云台电机和减速器均布置在舱内，显著高出安装面，云台稳定性和抗扰性差；在受到倾覆力矩时，负载与云台重心同侧布局会放大双轴云台的倾覆效应，导致稳定性差，负载能力差等问题；3、滑环要同时传输云台电机和负载设备的供电与通讯，由于云台电机功率大，瞬时功耗高，滑环传输负担重，容易对负载设备信号传输产生干扰，从而导致数据传输错误。
7.有效减小双轴云台的体积、优化双轴云台的重心、排除信号干扰、提高负载运行稳定性，是云台控制技术领域非常迫切的需求。


技术实现要素：

8.鉴于上述分析，本发明旨在提供一种同心轴的双轴云台系统及其供电链路和角度调整控制方法，以解决目前双轴云台结构复杂、体积大、重心高，负载运行稳定性差的技术问题。
9.本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种同心轴的双轴云台系统，用于负载的角度调整，包括控制器、驱动器、双轴云台；所述双轴云台包括俯仰角调整组件和航向角调整组件；所述俯仰角调整组件包括同心内轴；所述航向角调整组件包括同心外轴；所述同心外轴连接在同心内轴的外壁上；所述控制器通过驱动器控制所述俯仰角调整组件和航向角调整组件做出角度调整。
10.进一步的，所述负载连接所述双轴云台输出端。
11.进一步的，所述俯仰角调整组件包括俯仰驱动单元和俯仰执行单元；所述俯仰驱动单元和俯仰执行单元通过齿轮副连接。
12.进一步的，所述俯仰驱动单元包括俯仰角电机、所述同心内轴和第一斜锥齿轮。
13.进一步的，所述同心内轴下端连接所述俯仰驱动源输出端；所述同心内轴上端连接所述第一斜锥齿轮的轴端。
14.进一步的，所述俯仰执行单元包括输出轴和第二斜锥齿轮。进一步的，所述输出轴旋转连接有输出轴安装外壳；所述第二斜锥齿轮卡固在所述输出轴上，并与所述第一斜锥齿轮啮合。
15.进一步的，所述航向角调整组件还包括航向角电机和输出轴安装外壳；所述同心外轴的下端连接所述航向角电机的输出端；所述同心外轴的上端连接所述输出轴安装外壳。
16.进一步的，同心轴的双轴云台系统还包括滑环；所述滑环位于所述俯仰角调整组件的下部中心位置。
17.进一步的，所述滑环位于俯仰角电机的中心孔内。
18.进一步的，所述双轴云台还包括安装平台，所述安装平台位于所述负载的下端，并旋转连接所述同心外轴。
19.进一步的，所述驱动器包括俯仰角电机驱动器和航向角电机驱动器；所述俯仰角电机上集成有俯仰角编码器；所述航向角电机上集成有航向角编码器。
20.进一步的，所述安装平台连接同心外轴外壁，位于所述轴安装外壳下部。
21.一种同心轴的双轴云台系统的供电链路，使用所述的同心轴的双轴云台系统，包括如下供电链路：l1、电源通过滑环向负载供电；l2、电源直接向控制器供电；l21、电源直接向俯仰角电机驱动器和航向角电机驱动器供电；l22、电源直接向俯仰角编码器和航向角编码器供电。
22.一种同心轴的双轴云台系统的角度调整控制方法，使用控制端对权所述的同心轴的双轴云台系统进行控制，包括如下控制步骤：s1、控制端向负载下达控制指令，负载状态信息反馈至控制端；s2、控制端直接向控制器下达运行双轴云台的指令；s3、控制器控制双轴云台运行；s4、俯仰角编码器和航向角编码器通过控制器向控制端实时反馈负载角度调整信号；控制端调整输出信号，用调整后的输出信号重复s1-s4；s5、控制器向俯仰角电机和航向角电机发送停止信号，并将负载位置信号反馈至控制端；
s6、重复s1-s5。
23.本发明至少可实现如下有益效果之一：（1）本发明的双轴云台重心降低，可有效提升整机稳定性：本发明的同心轴的双轴云台系统将体积和重量最大的动力电机布局于整机下方，使得整机重心降低至安装平面下方；（2）本发明的双轴云台倾覆力矩小，从而提高整机受到冲击时的稳定性：本发明的同心轴的双轴云台系统将动力电机（俯仰角电机和航向角电机）和负载分布于安装面两侧，可大幅缩短负载与安装面的距离；这样，由于动力电机重力可提供额外的抗倾覆力矩，使得本发明整机布局能有效缩小负载力矩；（3）本发明的双轴云台抗扰力矩大，可降低对动力电机扭矩的要求，从而选择较小尺寸的电机，降低整机重量，也降低了整机的成本：本发明的双轴云台的同心轴布局将航向角和俯仰角进行了耦合，通过斜锥齿轮组成的传动副，将负载力矩同时分解到同心轴的内外轴，进而传递至航向角电机和俯仰角电机；两台动力电机同时提供动力，保证负载位移的稳定性；（4）本发明的双轴云台抗干扰能力强，间接地进一步降低了双轴云台成本：一方面，本发明通过同心轴结构，对动力电机和负载进行了物理隔离，大幅提高系统的抗干扰能力；另一方面，本发明的双轴云台的动力电机的供电与控制可与整机控制系统直连，负载的供电与控制通过滑环；这就使得两台动力电机的供电和控制为独立系统，不通过为负载供电和控制提供通道的滑环；不但供电和控制信号不会产生相互干扰，而且，对滑环数和抗干扰能力的要求有所降低，进一步降低了双轴云台成本。
24.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
25.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；图1为现有技术中双轴云台结构示意图；图2为现有技术中双轴云台供电系统示意图；图3为现有技术中双轴云台控制系统示意图；图4为本发明的双轴云台整体结构示意图；图5为本发明双轴云台结构示意图；图6为图5的中分面剖切示意图；图7为图6的a部的局部放大图；图8为本发明的双轴云台供电系统示意图；图9为本发明的双轴云台控制系统示意图。
26.附图标记：1.控制器；2.驱动器；3.双轴云台；31.俯仰角调整组件；311.俯仰驱动单元；3111.
俯仰角电机；3112.同心内轴；3113.第一斜锥齿轮；312.俯仰执行单元；3121.输出轴；3122.第二斜锥齿轮；32.航向角调整组件；321.航向角电机；322.同心外轴；323.输出轴安装外壳；33.安装平台；34.滑环；4.电源；100.负载。
具体实施方式
27.下面结合图4-图9来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
28.实施例1如图4所示，一种同心轴的双轴云台系统，用于负载100的角度调整，包括控制器1、驱动器2、双轴云台3；双轴云台3包括俯仰角调整组件31和航向角调整组件32；俯仰角调整组件31包括同心内轴3112；航向角调整组件32包括同心外轴322；同心外轴322连接在同心内轴3112外壁上；负载100连接双轴云台3输出端；控制器1通过驱动器2控制俯仰角调整组件31和航向角调整组件32带动负载100做角度调整。
29.具体的，控制器1为内置控制程序和技术参数的单片机，也可以是集成在控制端的计算机中的应用程序。控制端可以启动控制器1并下发指令，也可以用于停止控制器的运行。本实施例优选集成了控制应用程序的计算机为控制器1。
30.具体的，驱动器2可以单独设置，用导线连接所驱动的电机；也可以是集成在其所驱动的电机上的模块。当其驱动的电机为步进电机时，驱动器2为步进驱动器；当其驱动的电机为伺服电机时，其为伺服驱动器。本实施例优选驱动器2为伺服驱动器。
31.如图5和图6所示，双轴云台3包括俯仰角调整组件31、航向角调整组件32和安装平台33。安装平台33用于将双轴云台固定在外部基础上，现有技术中通常将云台整体安装在负载100所应用的外部装备上，突出于外部装备某个安装面的端部。实施例为了保证整个双轴云台及负载运行稳定性，将采取降低双轴云台重心，并将重心尽量接近安装平台33的技术措施。具体的，将采取双轴云台重心和负载重心分设安装平台33两侧的技术方案。进一步具体为，负载连接在双轴云台的输出端，位于安装平台33上部，而双轴云台的动力部分等重载单元设置在安装平台33下部，使得双轴云台的重心位于安装平台33下部。双轴云台重心和负载重心从两侧接近安装平台33。优选的，本具体实施例安装平台33位于负载100下端，并旋转连接在同心外轴322的外壁处。
32.具体的，俯仰角调整组件31包括俯仰驱动单元311和俯仰执行单元312；俯仰驱动单元311和俯仰执行单元312通过齿轮副连接。
33.进一步具体的，齿轮副由一对斜齿轮组成，具体为俯仰驱动单元311的第一斜锥齿轮3113和俯仰执行单元312的第二斜锥齿轮3122。
34.进一步具体的，如图6所示，俯仰驱动单元311包括俯仰角电机3111、同心内轴3112和第一斜锥齿轮3113。同心内轴3112下端连接俯仰角电机3111输出端；同心内轴3112上端连接第一斜锥齿轮3113的轴端。
35.优选的，本实施例俯仰角电机3111选择中空的伺服电机，进一步优选为dd马达。俯仰角电机3111中空的位置可以用于安装滑环34；滑环34为供电线路和控制线路的枢纽。
36.俯仰角电机3111的输出端位于俯仰角电机3111的主体的中间环部，同心内轴3112固定连接在俯仰角电机3111的主体的中间环部的上平面，即俯仰角电机3111的输出端随俯
仰角电机3111的旋转而旋转。优选的，本实施例的同心内轴3112为中空的阶梯轴；其中间的空心，一方面用于通过下部滑环34的供电线路和控制线路的继续上行，另一方面也可以有效减重，进一步降低整体双轴云台的重量。同心内轴3112的下平台用于固定连接俯仰角电机3111的输出端，同心内轴3112的上部圆柱体的外圆柱面用于连接航向角调整组件32；同心内轴3112的上端部用于连接第一斜锥齿轮3113的轴端。具体的，同心内轴3112的上部连接第一斜锥齿轮3113轴端；二者的连接可以采用常规机械连接方式；优选的，采取第一斜锥齿轮3113轴端从上部插入同心内轴3112内孔，二者之间以定位键连接；进一步优选的，定位键处用紧定螺钉进一步定位，可以保证第一斜锥齿轮3113的安装稳定性，进一步保证了俯仰角电机3111的旋转能通过输出轴精确传递到负载100。
37.具体的，俯仰执行单元312包括输出轴3121和第二斜锥齿轮3122。输出轴3121旋转连接输出轴安装外壳323；第二斜锥齿轮3122卡固在输出轴3121上，并与第一斜锥齿轮3113啮合。其中，输出轴安装外壳323用于支撑输出轴3121和同心内轴3112。
38.优选的，如图6所示，输出轴安装外壳323与输出轴3121之间通过一对水平支撑轴承活动连接，该对水平支撑轴承内圈压固限位在输出轴3121的两端，该对水平支撑轴承的外圈卡固连接在输出轴安装外壳323。
39.优选的，如图6和图7所示，输出轴安装外壳323和同心内轴3112之间通过1个垂直支撑轴承活动连接。该垂直支撑轴承内圈卡固在同心内轴3112上；该垂直支撑轴承外圈限位连接输出轴安装外壳323。优选的，输出轴安装外壳323下部的中心位置设置输出轴安装外壳下孔；输出轴安装外壳下孔处设置有下孔轴台结构，下孔轴台结构的底面限位垂直支撑轴承外圈下端面。
40.具体的，输出轴3121的两个端头伸出输出轴安装外壳323；输出轴3121在输出轴安装外壳323外部连接负载100。这种设置，可以保证俯仰角电机3111输出给同心内轴3112的垂直方向旋转运动转化为输出轴3121自身的旋转运动，从而带动输出轴3121的两个端头所连接的负载100作俯仰方向的运动，并且由于水平支撑轴承的作用，负载100的仰俯不带动输出轴安装外壳323的位置变动。
41.在调整负载100的俯仰角时，由底部的俯仰角电机3111旋转运动，通过同心内轴3112传递至水平放置的第一斜锥齿轮3113，并通过垂直放置的第二斜锥齿轮3122将扭矩改变方向，从而完成俯仰角的调整。其中，可以通过调整齿轮副传动比，从而进行扭矩调整，以调整转角的改变速率。
42.进一步的，航向角调整组件32包括航向角电机321、同心外轴322和输出轴安装外壳323。
43.优选的，本实施例航向角调整组件32也选择中空的伺服电机，进一步优选为dd马达。航向角电机321的输出端位于其自身的中间环部，同心外轴322为中空的阶梯轴。
44.如图7所示，同心外轴322下端面固定连接在航向角调整组件32的中间环部的上平面，即航向角电机321的输出端，随航向角调整组件32的旋转而旋转；同心外轴322内孔与同心内轴3112外壁间隙配合，同心外轴322于其上部圆柱外侧面固连输出轴安装外壳323。此处，进一步优选的，输出轴安装外壳323不接触垂直支撑轴承的内圈，且固接垂直支撑轴承的外圈。
45.这种垂直支撑轴承的内圈与同心内轴3112连接、垂直支撑轴承的外圈与输出轴安
装外壳323连接、输出轴安装外壳323与同心外轴322外侧壁连接，以及同心外轴322与同心内轴3112间隙配合的设置，使得俯仰角电机3111输出给同心内轴3112的旋转，不影响航向角的调整；而航向角电机321输出给同心外轴322的旋转运动，会带动同心内轴3112旋转而产生不必要的俯仰角调整，该种影响应该在控制器1的程序设置中通过算法进行补偿，生成补偿信号，通过俯仰角电机驱动器传递给俯仰角电机3111，使得俯仰角电机3111进行补偿旋转。
46.同心外轴322于其中部圆柱外侧面通过平台支撑轴承连接安装平台33；平台支撑轴承的内圈固连同心外轴322中部圆柱外侧面，平台支撑轴承的外圈固连安装平台33的内圈；优选的，设置上、下2个平台支撑轴承，这样可以以轴线定位，保证安装平台33与同心外轴322位置稳固，不发生偏转；同时，使得同心轴的双轴云台3上的旋转运动，不传递到其所安装的外部支撑，使得外部支撑保持其原有的运动状态。
47.在调整航向角度时，由安装平台33下部设置的航向角电机321旋转运动，通过同心外轴322将扭矩传递至安装平台33上部输出轴安装外壳323，从而完成输出轴安装外壳323的旋转，进而带动负载100做航向角调整。由于输出轴安装外壳323旋转导致输出轴3121与原来位置产生角度差，从而导致垂直放置的第二斜锥齿轮3122产生运动，即，发生了与航向角同步的运动，导致在调整航向角时俯仰角受到影响，因此，在调整航向角时，俯仰角电机3111需要跟着同步反向调整，以确保垂直放置的斜锥齿轮不会产生多余旋转运动。这需要在控制器1的程序设置中通过算法进行适应性补偿。
48.具体的，同心轴的双轴云台系统还包括滑环34；滑环34位于俯仰角调整组件31下部中心位置。具体位于俯仰角电机3111中心孔内。
49.本发明的同心轴的双轴云台系统为双电机结构，每个电机都需要被驱动。因此，驱动器2包括了俯仰角电机驱动器和航向角电机驱动器；俯仰角电机3111上集成有俯仰角编码器；航向角电机321上集成有航向角编码器。编码器用于将电机的时速度与位置信号传送给控制器1，控制器根据其内置的程序和技术参数，对目标速度与位置与当前速度与位置进行判断，以便发出新的指令，使得俯仰角电机3111和航向角电机321的各自转速匹配，保证负载获得设计的角度位置。
50.不论是俯仰角电机3111还是航向角电机321均位于双轴云台3整体下部，二者的底座之间不存在相对运动，因此二者供电和控制线路均不需要通过滑环34，外部的电源4和驱动器2可以直接指向俯仰角电机3111和航向角电机321，滑环34处只需要对负载100进行供电和控制；这就显著降低了控制供电线路的复杂度，提升了控制可靠性，同时，杜绝了双轴云台对负载100的信号干扰，在降低成本的同时，提升了整个双轴云台运行的可靠性和准确性。由于线路连接简单化，也便于日常的检查和维修。
51.本技术的同心轴的双轴云台系统整体布局采用了俯仰角电机3111、航向角电机321双动力同轴布局，双动力电机不存在与安装平台33间的相对运动，从而降低了整机的转动惯量，也就降低了对双电机提供动力的需求，可以节约购买大功率电机的成本。
52.在控制航向角时，需要通过底部俯仰角电机3111和航向角电机321同时同向同速旋转在调整俯仰角时，仅需要单独控制位于双轴云台底部俯仰角电机3111即可完成。
53.在负载100受到冲击时，同心轴的双轴云台系统的支点位于安装平台33处的平台支撑轴承处，负载100的角度运动导致底部的俯仰角电机3111和航向角电机321产生反方向
运动。由于同心轴的双轴云台系统的支点位于负载100与俯仰角电机3111和航向角电机321的中间位置，通过控制端对俯仰角电机3111和航向角电机321下达指令（通过编码器反馈的信号进行计算生成的指令），提供反方向的力矩，以抵消冲击引起的负载100的误差偏转，可在一定程度上提高系统的稳定性与抗冲击能力。同时，本发明的同心轴的双轴云台系统在结构上缩短了负载100到同心轴的双轴云台系统的支点（安装平台33处的平台支撑轴承处）的距离，实质上降低负载100受冲击时的扰动力臂，从而提高了本发明同心轴的双轴云台系统的稳定性，也就是说俯仰角电机3111和航向角电机321的设置具有抗扰动能力。
54.负载100的重心需要调整到航向轴（同心内轴3112轴线）和俯仰轴（输出轴3121）交点，但在实际工程中很难做到，传统云台常处于偏心状态，重心偏离双轴交点位置。本发明的同心轴的双轴云台系统中，负载100重心的变化导致的负载力矩最终会分解到俯仰角电机3111和航向角电机321两台动力电机上，即抗扰动能力由双电机提供，而非传统云台由单一电机保证，从而提高整个同心轴的双轴云台系统的稳定性。
55.实施例2如图8所示，提供了一种同心轴的双轴云台系统的供电链路，使用实施例1的同心轴的双轴云台系统，包括以下供电链路：l1、电源4通过滑环34向负载100供电；l2、电源4向控制器1供电：l21、电源4向俯仰角电机驱动器和航向角电机驱动器供电；l22、电源4向俯仰角编码器和航向角编码器供电。
56.即，电源4同时向电机和负载100（向负载100供电时通过滑环34）分两路供电。
57.实施例3如图9所示，提供了一种同心轴的双轴云台系统的角度调整控制方法，使用实施例1的同心轴的双轴云台系统，并使用控制端对该同心轴的双轴云台系统进行旋转控制，其中，控制端内置有双轴云台控制器1，控制器1内集成有控制程序和技术参数，该控制方法包括如下步骤：s1、控制端向负载100下达控制指令，负载100状态信息反馈至控制端；s2、控制端直接向控制器1下达运行双轴云台的指令；s3、控制器1控制双轴云台运行：s31、控制器1向俯仰角电机驱动器和航向角电机驱动器下达运行指令；s32、俯仰角电机驱动器控制俯仰角电机3111运行；航向角电机驱动器控制航向角电机321运行；s4、负载100角度调整信号实时向控制器1反馈信号；控制端调整输出信号，用调整后的输出信号重复s1，直至负载100角度调整到位；s4、俯仰角编码器和航向角编码器通过控制器1向控制端反馈实时负载100角度调整信号；控制端调整输出信号，用调整后的输出信号重复s1，直至负载100角度调整到位；s5、控制器1向俯仰角电机3111和航向角电机321发送停止信号，并将负载100的位置信息反馈至控制端；s6、重复s1-s5：等到下一次负载100角度调整，重复s1-s5。
58.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。