一种基于双反馈的水下自平衡搭载云台

1.本发明涉及水下探测装备技术领域，尤其涉及一种基于双反馈的水下自平衡搭载云台。


背景技术：

2.随着科技的进步，目前水下或陆地深坑等极端环境中的探测作业越来越广泛，但是由于环境的特殊性，使得人们无法实际深入探测，通常需要借助水下机器人等无人装备搭载声呐或摄像头进行探测。然而，目前的水下机器人等无人装备大多价格昂贵，在极端环境中的稳定性也有待进一步提高，会给用户带来较大的经济负担，因此目前一些初期探测任务往往都是采用悬吊的方式将探测设备送入水下或深坑进行探测。
3.目前的悬吊方式根据所采用的工具分为柔性和刚性两种，其中柔性悬吊即采用绳索或线缆等方式将探测设备送入作业位置进行探测，但是由于没有着力点，所以探测设备无法自主运动，探测范围仅为一个特定区域；刚性悬吊是指采用钢管等刚性方式搭载探测设备，这种方式由于可以施加扭矩，因此可以搭载相应的云台来改变探测方向和范围，但是由于钢管长度受限，并且操作复杂，使得这种方式在深海或深坑中进行应用。因此，提出一种能够自己实现扭矩平衡的搭载云台，解决柔性悬吊姿态无法改变的问题，将对简化水下和深坑等特殊环境的作业任务，具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于双反馈的水下自平衡搭载云台，通过在云台密封舱设置平衡叶轮，利用密封舱内的压力平衡油产生的阻尼，抵消外置负载运动产生的横滚扭矩，并且设有扭矩传感器反馈和陀螺仪反馈的双反馈机制，配合自适应预测算法，能够实时的对搭载云台的运动姿态进行调整，使其即使在柔性悬吊的情况下也能自主的改变探测方向。
5.为解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种基于双反馈的水下自平衡搭载云台，包括密封舱体、尾盖和搭载盘，其特征在于，还包括动力电机模组、扭矩传感器一、固定架、扭矩传感器二、平衡电机模组、叶轮、陀螺仪、补偿器和控制器；所述的动力电机模组包括动力电机、驱动器一和编码器一，动力电机为双向出轴结构，其中一端出轴与密封舱体相连接处设有骨架油封，并通过锁紧环进行压紧固定，出轴末端通过平键与搭载盘固定连接，另一端出轴与扭矩传感器一固定连接；所述的固定架为双向对称结构，一面设有与扭矩传感器一相匹配的固定槽一，另一面设有与扭矩传感器二相匹配的固定槽二，中间设有双向滑环；所述的扭矩传感器二与平衡电机模组中平衡电机轴的一端出轴固定连接；所述的平衡电机模组还包括平衡电机、驱动器二和编码器二，平衡电机轴的另一端与叶轮固定连接，并与固定在隔离板上的单向滑环相连接；所述的单向滑环包括定子一和转子一，其中转子一与平衡电机轴相连接，定子一的引线接入控制器内；所述的控制器固定在散热架的连接座上，散热架为“凹”形结构，平面端设有穿线孔和陀螺仪，凹槽内设有控制器；所述的散热架设置在尾盖内，尾盖的端面上设有吊环、充油口、油囊压盖和水密插座；所述的控制器的
引线通过水密插座与外部电源和终端系统相连接；所述的补偿器为柔性油囊补偿结构；所述的尾盖和密封舱体之间密封连接，并通过充油口在内部充满绝缘油；所述的控制器内包括电机控制系统、信号处理系统、自学习校准系统，其中信号处理系统采集扭矩传感器一、扭矩传感器二的信号作为一级反馈信号，采集陀螺仪信号作为二级反馈信号，通过对比分析扭矩传感器一和扭矩传感器二的信号差异，输出电机控制命令，并通过电机控制系统传输到驱动器一和驱动器二中，分别控制动力电机和平衡电机进行相应动作，动作结果通过编码器一和编码器二进行反馈；所述的信号处理系统中还设有信号预测算法，通过对陀螺仪的信号变化进行预测后，通过平衡电机模组对云台姿态进行调整。
6.作为本方案的优选实施例，所述的扭矩传感器一和扭矩传感器二的精度、量程和响应频率一致。
7.作为本方案的优选实施例，所述的编码器一和编码器二为机械式绝对值多圈编码器。
8.作为本方案的优选实施例，所述的平衡电机轴为空心结构，端部与滑环的转子部分固定连接。
9.作为本方案的优选实施例，所述的隔离板的表面上均匀设有通孔。
10.作为本方案的优选实施例，所述的自学习校准系统内设有pid扭矩平衡算法，输入量为外置负载运动时产生的扭矩，输出量为平衡电机的控制转速，判断量为扭矩传感器一与扭矩传感器二是否相等。
11.作为本方案的优选实施例，所述的补偿器中设有弹簧预压装置，且动力电机的出轴端的骨架油封的空腔朝向尾盖方向，锁紧环与出轴相连接部分中间嵌有石墨铜套。
12.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
13.通过在云台密封舱内充满压力平衡油，可以利于水下环境的压力平衡和内部电机的散热，同时通过平衡叶轮与平衡油相对搅动产生的阻尼，抵消外置负载运动产生的横滚扭矩，可以实现搭载云台的自身姿态平衡，使其即使在柔性悬吊的情况下也能自主的改变探测方向；采用扭矩传感器反馈和陀螺仪反馈的双反馈机制，配合自适应控制预测算法，能够实时对搭载云台的运动姿态进行调整，并且有效提高调节的准确性。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1是本技术实施例的整体结构剖视示意图；
16.图2是本技术实施例的双反馈控制系统示意图；
17.图3是本技术实施例的整体结构外观示意图；
18.图4是本技术实施例的控制器和散热架结构剖视示意图；
19.图5是本技术实施例的双向滑环结构示意图；
20.图6是本技术实施例的隔离板结构示意图；
21.图7是本技术实施例的隔离板剖视结构示意图；
22.图8是本技术实施例的固定架结构示意图；
23.图9是本技术实施例的叶轮结构示意图。
24.图1-图9中：1、密封舱体，2、动力电机模组，2-1、动力电机，2-2、驱动器一，2-3、编码器一；3、扭矩传感器一，4、固定架，5、扭矩传感器二，6、平衡电机模组，6-1、平衡电机，6-2、驱动器二，6-3、编码器二，7、叶轮，8、隔离板，8-1、导流孔，8-2、轴承座，9、散热架，9-1、连接座，9-2、穿线孔， 10、尾盖，11、陀螺仪，12、吊环，13、补偿器，14、控制器，14-1、电机控制系统，14-2、信号处理系统，14-3、自学习校准系统，15、单向滑环，15-1、定子一，15-2、转子一，16、平衡电机轴，17、双向滑环，17-1、定子二，17-2、右转子，17-3、左转子，18、骨架油封，19、锁紧环，20、石墨铜套，21、搭载盘，22、充油口，23、油囊压盖，24、水密插座。
具体实施方式
25.本发明提供了一种基于双反馈的水下自平衡搭载云台，通过在云台密封舱设置平衡叶轮，利用密封舱内的压力平衡油产生的阻尼，抵消外置负载运动产生的横滚扭矩，并且设有扭矩传感器反馈和陀螺仪反馈的双反馈机制，配合自适应预测算法，能够实时的对搭载云台的运动姿态进行调整，使其即使在柔性悬吊的情况下也能自主的改变探测方向。
26.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
27.如图1-图9所示，一种基于双反馈的水下自平衡搭载云台，包括密封舱体1、尾盖10和搭载盘21，其特征在于，还包括动力电机模组2、扭矩传感器一3、固定架4、扭矩传感器二5、平衡电机模组6、叶轮7、陀螺仪11、补偿器13和控制器14；所述的动力电机模组2包括动力电机2-1、驱动器一2-2和编码器一 2-3，动力电机2-1为双向出轴结构，其中一端出轴与密封舱体1相连接处设有骨架油封18，并通过锁紧环19进行压紧固定，出轴末端通过平键与搭载盘21 固定连接，另一端出轴与扭矩传感器一3固定连接；所述的固定架4为双向对称结构，一面设有与扭矩传感器一3相匹配的固定槽一4-1，另一面设有与扭矩传感器二5相匹配的固定槽二4-2，中间设有双向滑环17；所述的双向滑环17包括定子二17-1、右转子17-2和左转子17-3，其中定子二17-1固定在固定架的中间，右转子17-2与扭矩传感器一3相连，左转子17-3与扭矩传感器二5相连；所述的扭矩传感器二5与平衡电机模组6中平衡电机轴16的一端出轴固定连接；所述的平衡电机模组6还包括平衡电机6-1、驱动器二6-2和编码器二6-3，平衡电机轴16的另一端与叶轮7固定连接，并与固定在隔离板8上的单向滑环15 相连接；所述的单向滑环15包括定子一15-1和转子一15-2，其中转子一15-2 与平衡电机轴16相连接，定子一15-1的引线接入控制器14内；所述的控制器 14固定在散热架9的连接座9-1上，散热架9为“凹”形结构，平面端设有穿线孔9-2和陀螺仪11，凹槽内设有控制器14；所述的散热架9设置在尾盖10内，尾盖10的端面上设有吊环12、充油口22、油囊压盖23和水密插座24；所述的控制器14的引线通过水密插座24与外部电源和终端系统相连接；所述的补偿器 13为柔性油囊补偿结构；所述的尾盖10和密封舱体1之间密封连接，并通过充油口22在内部充满绝缘油；所述的控制器14内包括电机控制系统14-1、信号处理系统14-2、自学习校准系统14-3，其中信号处理系统14-2采集扭矩传感器一3、扭矩传感器二5的信号作为一级反馈信号，采集陀螺仪11信号作为二级反馈信号，通过对比分析扭矩传感器一3和扭矩传感器二5的信号差异，输出电机控制命令，并通过电机控制系统14-1传输到驱动器一2-2和驱
动器二6-3中，分别控制动力电机2-1和平衡电机6-1进行相应动作，动作结果通过编码器一 2-3和编码器二6-3进行反馈；所述的信号处理系统14-2中还设有信号预测算法，通过对陀螺仪11的信号变化进行预测后，通过控制平衡电机模组6对云台姿态进行调整。
28.其中，在实际应用中，所述的扭矩传感器一3和扭矩传感器二4的精度、量程和响应频率一致，将扭矩传感器作为末端位置检测装置，将其检测结果作为姿态调整的一级反馈系统，要求系统的一致性和实时性，保证检测结果的准确性。
29.其中，在实际应用中，所述的编码器一2-3和编码器二6-3为机械式绝对值多圈编码器，因为本发明中的密封舱内充满绝缘油，传统的光电编码器会受到油液的影响而造成误差增大甚至失效，因此采用机械式编码器可以提高系统的稳定性；同时本搭载云台需要对自身的姿态进行实时的反馈，因此利用绝对值式编码器可以准确的找到零位，提高控制精度，另外利用多圈编码器可以对转动角度进行计数，即使在断电重启情况下也能反馈出目前的姿态，并指导平衡电机模组6 的初期运动控制。
30.其中，在实际应用中，所述的平衡电机轴16为空心结构，端部与滑环的转子部分固定连接，扭矩传感器等电气元件的引线利用平衡电机轴16内部的空心结构进行布线，使其均处于结构件内部，防止叶轮7旋转时发生缠绕而造成故障。
31.其中，在实际应用中，所述的隔离板8的表面上均匀设有导流孔8-1，与平衡电机轴16相连接处设有轴承座8-2，叶轮7的旋转必然会造成内部绝缘油的流动，为了防止螺旋流体对控制器产生应用，利用隔离板8上的导流孔8-1对绝缘油的流动进行梳理，即能利用微循环对控制器及时散热，又能防止局部力过大而对元器件产生影响。
32.其中，在实际应用中，所述的自学习校准系统14-3内设有pid扭矩平衡算法，输入量为外置负载运动时产生的扭矩，输出量为平衡电机6-1的控制转速，判断量为扭矩传感器一3与扭矩传感器二5是否相等，利用自学习校准系统14-3 可以在每次下水之前，根据工作介质的密封等特点对控制系统进行校准，使其能够根据工作环境和所搭载设备，自动匹配平衡电机的转速等，简化探测作业的准备时间和操作复杂度。
33.其中，在实际应用中，所述的补偿器13中设有弹簧预压装置，且动力电机 2-1的出轴端的骨架油封18的空腔朝向尾盖10方向，锁紧环19与出轴相连接部分中间嵌有石墨铜套20，利用预压装置使得密封舱内的压强始终略大于外界环境，保证骨架油封18的密封唇与动力电机2-1的出轴紧密贴合，防止泄露；同时利用石墨铜套20既能起到径向定位的功能，又能起到润滑作用。
34.工作原理：
35.通过充油口22在密封舱内充满绝缘油，作为压力补偿和运动阻尼的介质，可以使搭载云台能够在全海深环境内均可以使用，有效解决了耐压问题，同时利用叶轮搅动绝缘油，可以实现绝缘油在密封舱内的微循环，将电机、驱动器和控制器等耗电元器件的热量及时进行传导，起到散热的功能。
36.将需要搭载的声呐、摄像头等设备固定在搭载盘21上，对整个设备利用水密插座24进行电源和信号的连接，将搭载云台首先进行辅助固定，开启自学习校准系统14-3，对运动电机模组2和平衡电机模组6的运动参数进行匹配学习，达到扭矩自平衡的状态。
37.将搭载云台利用铠装缆悬吊到需要探测的水域或深坑内进行探测作业，通过控制动力电机模组2对探测设备的姿态进行调节，在调节过程中利用平衡电机模组6带动叶轮7
进行扭矩补偿。
38.动力电机模组2运动过程中，通过编码器一2-3将转速传输到平衡电机模组6的驱动器二6-2内，根据预设的自学习系统校准程序，控制平衡电机6-1进行动作，带动叶轮7旋转产生平衡扭矩；同时根据扭矩传感器一3和扭矩传感器二 5采集到运动扭矩和平衡扭矩，并将该信号传输至控制器14内的信号处理系统内进行对比分析，采用差值法进行闭环控制，实现两个扭矩传感器的扭矩相等。
39.利用陀螺仪11作为整体姿态的检测模块，当受到外界干扰而使得整体姿态发生变化时能够及时的调整动力电机模组2和平衡电机模组6发生动作，纠正相应的姿态变化，最终实现即使在柔性悬吊的情况下，搭载云台也能稳定的进行角度调整，扩大探测范围，简化搭载设备，提高整体的稳定性。
40.将多个搭载云台进行串联和并联使用，实现更多自由度的调节。
41.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。