三轴惯性稳定平台的制作方法

本发明属于光电技术领域，尤其涉及一种三轴惯性稳定平台。

背景技术

航空摄影是用于资源勘探、地质分析和军事测绘等的重要手段。在飞机上设置照相机或摄像机进行遥感成像时，由于飞机振动和飞机偏航、横滚和俯仰运动等因素的影响，会导致遥感图像的模糊、扭曲、旋转等现象，严重影响拍摄效果，甚至导致图像难以使用。为了有效补偿飞机振动和角运动对摄像设备的影响，提高航拍图像质量，能够精确实现三轴陀螺惯性稳定的平台必不可少。

现有技术中，如美国专利us5922039、中国专利cn1305091a、cn2833306y、cn101619971a、cn104168460a、cn107600444a等，为了减轻稳定平台重量并同时能提供较大的控制转矩，这些稳定平台均采用齿轮减速传动，然而即便是最精密齿轮传动也存在着间隙、磨损等缺陷，不可避免的存在空回，从而制约了精度和动态性能的提高。现有技术存在不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于柔索传动的三轴惯性稳定平台，旨在解决飞行器中自发震动、共振和飞行器飞行姿态变动时导致刚性传动平台传动时空回导致拍摄精度受干扰的技术问题。

本发明提供一种三轴惯性稳定平台，包括：与飞机机身固定连接的底座、通过减震器安装在所述底座上的减震座、设置在所述减震座远离所述底座一侧的一对支承耳、架设在两个所述支承耳之间且与所述支承耳转动连接的横滚框架、套设在所述横滚框架中且与所述横滚框架转动连接的俯仰框架、以及套设在所述俯仰框架中且与所述俯仰框架同轴转动的方位框架；

所述横滚框架的横滚轴与所述飞机的飞行方向一致；

所述俯仰框架的俯仰轴与所述横滚轴垂直；

所述方位框架的旋转轴与所述俯仰轴的轴平面垂直；

还包括：三轴惯性测量单元、与所述三轴惯性测量单元电连接的控制器和与所述控制器电连接的三轴驱动机构；

所述三轴驱动机构通过柔索分别与所述横滚框架、所述俯仰框架和所述方位框架传动连接。

优选的，所述三轴驱动机构包括：横滚驱动组件、横滚驱动螺纹杆、横滚传动柔索、横滚传动被动轮和第一张紧机构；

所述横滚驱动组件固定连接在所述减振座上，所述横滚驱动螺纹杆固定安装在所述横滚驱动组件的输出轴上；所述横滚传动被动轮与所述横滚框架固定连接，所述横滚传动被动轮为扇形轮，其中心线与所述横滚轴的中心线重合；所述横滚传动柔索对折后呈并排双股形式缠绕在所述横滚驱动螺纹杆和所述横滚传动被动轮之间；对折后的所述横滚传动柔索的中间段缠绕在所述横滚驱动螺纹杆的螺旋槽上，首、尾部分绕在所述横滚传动被动轮的外圆弧面上，且所述横滚传动柔索的两端部和对折处从所述横滚传动被动轮的指向所述横滚驱动螺纹杆的正面分别沿上、下两侧的倒角圆绕到横滚传动被动轮的外圆弧面的背面；两端部一同固定在所述横滚传动被动轮背部的固定环上，所述对折处挂扣在所述第一张紧机构的滑块的套环上，所述第一张紧机构的固定块与所述横滚传动被动轮的背部固定连接，所述固定块与所述滑块弹性连接。

优选的，所述横滚驱动组件包括第一电机、第一编码器和第一减速机；所述第一电机的电机轴的一端连接在所述第一减速机的输入轴上，另一端安装所述第一编码器；所述第一减速机的输出轴上安装所述横滚驱动螺纹杆。所述横滚传动柔索的数量为1至6根；所述第一减速机的横滚传动减速比设置为为6至12；所述横滚框架的转角范围为±6度至±10度。

优选的，所述三轴驱动机构还包括：俯仰驱动组件、俯仰驱动螺纹杆、俯仰传动柔索、俯仰传动被动轮和第二张紧机构；

所述俯仰驱动组件固定连接在所述俯仰框架上；所述俯仰驱动螺纹杆固定安装在所述俯仰驱动组件的输出轴上，所述俯仰传动被动轮与所述横滚框架固定连接，所述俯仰传动被动轮为扇形轮，其中心线与所述俯仰轴的中心线重合；所述俯仰传动柔索对折后呈并排双股形式缠绕在所述俯仰驱动螺纹杆和所述俯仰传动被动轮之间；对折后的所述横滚传动柔索的中间段缠绕在所述俯仰驱动螺纹杆的螺旋槽上，首、尾部分绕在所述俯仰传动被动轮的外圆弧面上，且所述俯仰传动柔索的两端部和对折处分别从俯仰传动被动轮指向所述俯仰驱动螺纹杆的正面沿上下两侧绕到俯仰传动被动轮的外圆弧面的背面，所述俯仰传动柔索的两端部一同固定连接在俯仰传动被动轮上，所述俯仰传动柔索的对折处经过第二张紧机构后也固定在所述俯仰传动被动轮上。

优选的，所述俯仰驱动组件包括第二电机、第二编码器和第二减速机；所述第二电机的电机轴的一端连接在所述第二减速机的输入轴上，另一端安装所述第二编码器；所述第二减速机的输出轴上安装所述俯仰驱动螺纹杆；所述俯仰传动柔索的数量为1至6根；所述第二减速机的俯仰传动减速比设置为6至12；所述俯仰框架的转角范围为±6度至±10度。

优选的，所述三轴驱动机构还包括：方位驱动组件、方位驱动螺纹杆、方位传动柔索、方位传动被动轮和第三张紧机构；

所述的方位驱动组件固定安装在所述俯仰框架上，所述方位驱动螺纹杆安装在所述方位驱动组件的输出轴上；所述方位框架通过方位轴承与所述俯仰框架滑动连接，所述方位传动被动轮与所述方位框架固定连接，所述方位传动被动轮为扇形轮，其中心线与所述方位框架的旋转轴重合，所述方位框架的旋转轴与所述俯仰框架的工作平面垂直；所述方位传动柔索对折后呈并排双股形式缠绕在所述方位驱动螺纹杆和所述方位传动被动轮之间；对折后的所述横滚传动柔索的中间段缠绕在所述方位驱动螺纹杆的螺旋槽上，首、尾部分缠绕在所述方位框架的外圆面上；且所述方位传动柔索的两端部和对折处分别从方位传动被动轮指向所述方位驱动螺纹杆的正面沿上下两侧绕到方位传动被动轮的外圆弧面的背面，所述方位传动柔索的两端部一同固定连接在方位传动被动轮上，所述方位传动柔索的对折处经过第三张紧机构后也固定在所述方位传动被动轮上。

优选的，所述方位轴承设置为交叉滚子轴承或四点接触轴承。

优选的，所述方位驱动组件包括第三电机、第三编码器和第三减速机；所述第三电机的电机轴的一端连接在所述第三减速机的输入轴上，另一端安装所述第三编码器；所述第三减速机的输出轴上安装所述方位驱动螺纹杆；所述方位传动柔索的数量为1至6根；所述第三减速机的方位传动减速比为6至20；所述方位框架的转角范围为±20度至±40度。

优选的，所述平台还包括：横滚零位传感器、横滚零位检测物体、俯仰零位传感器、俯仰零位检测物体、方位零位传感器、上保护盖、侧保护盖；

所述横滚零位传感器安装在所述横滚框架上；所述横滚零位检测物体安装在减振座上，与所述横滚零位传感器相对应安装，相对距离为0.2mm～2mm；

所述俯仰零位传感器安装在所述横滚框架上；所述俯仰零位检测物体安装在俯仰驱动组件上，与所述俯仰零位传感器相对应安装，相对距离为0.2mm～2mm；

所述方位零位传感器固定安装在所述俯仰框架上；方位零位检测物体固定安装在所述方位框架上，与所述方位零位传感器相对应安装，相对距离为0.2mm～2mm；

所述的侧保护盖固定安装在所述底板上；所述侧保护盖的长度和宽度与所述底板的长度和宽度尺寸一致，所述侧保护盖的高度为50mm～100mm；

所述上保护盖固定连接在所述方位轴承外压圈上，所述上保护盖的长度和宽度尺寸均小于所述侧保护盖的长度和宽度，两者之间设置有2mm～20mm的间隙；上保护盖的高度为20mm～80mm。

优选的，所述平台还包括振幅限位机构，所述振幅限位机构由圆柱与直径更大的限位块连接构成；所述底板的四个角分别设置有所述振幅限位机构的安装位，所述减振座上对应设置四个通孔，所述通孔的直径大于所述圆柱的直径1mm至3mm，小于所述限位块的直径；四个所述振幅限位机构分别穿过对应通孔与所述底板连接。

本发明的机载轻型三轴惯性稳定平台，其三轴减速传动系统均采用柔索传动方式，柔索传动的刚度可达到同精度齿轮传动或者谐波系统的10倍以上且无空回，传动稳定准确；同时其具有精度高、噪声低、传动平稳、无需润滑、易于安装和维护等特点。柔索精密传动的高刚度和无空回特性可以保证稳定跟踪伺服系统的快速动态响应，提高平台的动态指向精度。

附图说明

图1是本发明的三轴惯性稳定平台的整体结构图；

图2是本发明的三轴惯性稳定平台去掉上保护盖和侧保护盖后的整体结构图；

图3是本发明的三轴惯性稳定平台去掉上保护盖和侧保护盖后的俯视图；

图4是本发明的三轴惯性稳定平台去掉上保护盖和侧保护盖后的侧视图；

图5是图4本发明的三轴惯性稳定平台去掉上保护盖和侧保护盖后的e-e向剖视图；

图6是图2本发明的机载轻型三轴惯性稳定平台横滚轴柔索传动结构图。

图中的附图标记表示为：

1、底座；2、侧保护盖；3、上保护盖；4、方位框架；5、方位轴承内压圈；6、减振座；7、减振器；8、振幅限位机构；9、横滚框架；10、三轴惯性测量单元；11、俯仰框架；12、方位轴承外压圈；13、横滚驱动组件；14、电接口；15、电接口安装座；16、控制器；17、控制器安装座；18、横滚零位传感器；19、横滚零位检测物体；20、方位驱动螺纹杆；21、方位驱动组件；22、俯仰零位传感器；23、俯仰驱动组件；24、俯仰零位检测物体；25、方位零位传感器；26、俯仰驱动螺纹杆；27、俯仰传动柔索；28、俯仰传动被动轮；29、横滚传动被动轮；291、横滚传动被动轮上侧倒圆角；292、横滚传动被动轮下侧倒圆角；30、横滚驱动螺纹杆；31、横滚传动柔索；311、横滚传动柔索的一端部；312、横滚传动柔索的另一端部；32、方位轴轴承；33、俯仰轴；34、俯仰轴承；35、方位传动柔索；36、横滚轴中心线；37、俯仰轴中心线；38、方位轴中心线；39、横滚轴中心线、俯仰轴中心线和方位轴中心线的交点；40、第一张紧机构；401、滑块；41、套环；42、固定环。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

如附图1-5所示，本发明的机载轻型三轴惯性稳定平台包括底座1、侧保护盖2、上保护盖3、方位框架4、方位轴承内压圈5、减振座6、减振器7、振幅限位机构8、横滚框架9、三轴惯性测量单元10、俯仰框架11、方位轴承外压圈12、横滚驱动组件13、电接口14、电接口安装座15、控制器16、控制器安装座17、横滚零位传感器18、横滚零位检测物体19、方位驱动螺纹杆20、方位驱动组件21、俯仰零位传感器22、俯仰驱动组件23、俯仰零位检测物体24、方位零位传感器25、俯仰驱动螺纹杆26、俯仰传动柔索27、俯仰传动被动轮28、横滚传动被动轮29、横滚驱动螺纹杆30、横滚传动柔索31、方位轴轴承32、俯仰轴33、俯仰轴承34、方位传动柔索35。

具体的，底座1设置有四个螺钉孔，通过螺钉与飞行器的主体固定连接。减振座6通过4个减振器7安装在底座1上。横滚框架9可动的安装在减振座6上，俯仰框架11可动的安装在横滚框架9上，方位框架4通过轴承或滑动机构安装在俯仰框架11上。方位框架4为中空环结构，用于在其中安装光学载荷，如摄像机或者摄影机。横滚轴中心线36、俯仰轴中心线37和方位轴中心线38彼此正交且交于一点39。

在实际操作中，三轴驱动机构包括的横滚驱动组件13、俯仰驱动组件23、方位驱动组件21均由力矩电机(图中未示出)、编码器(图中未示出)和谐波减速机(图中未示出)组成。力矩电机的转子通过电机轴输出扭矩，力矩电机(包括第一、第二、第三电机)的电机轴的一端连接在减速机的输入轴上，另一端用于安装编码器(包括第一、第二、第三编码器)。减速机(包括第一、第二、第三减速机)的输出轴用于安装驱动螺杆。

横滚驱动组件13安装在减振座6上，横滚驱动螺纹杆30安装在横滚驱动组件13的输出轴上，横滚传动被动轮29安装在横滚框架9上用以带动横滚框架9。横滚传动被动轮29非整圆，采用扇形轮，扇形轮的中心线(扇形轮的转动轴线)与横滚轴中心线36重合。横滚传动柔索31中间段缠绕在横滚驱动螺纹杆30的螺旋槽上，横滚传动柔索31的其他部分绕在横滚传动被动轮29的外圆弧面上，横滚传动柔索31的两端分别从横滚传动被动轮29上下两侧绕到横滚传动被动轮29外圆弧面的背面，一端直接固定在横滚传动被动轮29上，另一端通过张紧机构固定在横滚传动被动轮29上，通过调整合适的张紧力能保证横滚传动柔索31在传动过程中时刻保持张紧，正反转传动过程中无空回。

具体的，如附图6所示，在优选的实施例中，横滚传动柔索31数量为1根，沿中间对折呈并排双股“∝”形缠绕在横滚驱动螺纹杆30和横滚传动被动轮29上，横滚传动柔索31的部分段绕在横滚传动被动轮29的外圆弧面上，横滚传动柔索31的两端311和312绕过横滚传动被动轮29下侧倒圆角292，一同固定在横滚传动被动轮29外圆弧面背部的固定环41上，横滚传动柔索31的中间对折处313从横滚传动被动轮29上侧倒圆角291处绕到横滚传动被动轮29外圆弧面的背面，挂在套环40上，套环40安装在张紧机构39的张紧滑块291上并可转动。张紧机构39固定在横滚传动被动轮29外圆弧面背部，张紧机构39数量为1个，在张紧力作用下向下拉动张紧滑块391，张紧过程中套环40的转动能使得两股钢丝绳长度相同，受力相等，保证横滚传动柔索31在传动过程中时刻保持张紧，正反转传动过程中无空回。钢丝绳数量为1根时，实际传动为2股钢丝绳传动，张紧机构数量为1个；当钢丝绳数量为2根时，实际传动为4股钢丝绳传动，张紧机构数量为2个；以此类推。该种钢丝绳传动方式的优点是采用一个张紧机构能同时张紧两股钢丝绳，两股钢丝绳的长度可自动调整为一致，两股钢丝绳受力相等，该传动方式结构紧凑，特别适合于空间受限，无法在每根钢丝绳端部都设置一个张紧机构的情况下使用。横滚传动柔索31的数量为1～6根，实际传动钢丝绳根数为其2倍。

采用1根钢丝绳呈并排双股“∝”形缠绕在驱动螺纹杆和被动轮上，两股钢丝绳采用一个张紧机构进行张紧可以有效的降低张紧机构的使用数量，节省空间，同时，两股钢丝绳受力相等，避免力传导的不一致。本实施例具有结构紧凑，安装和维护方便等优点。

横滚传动柔索31的数量为1～6根，横滚传动的减速比为6～12，横滚框架的转角范围为±6°～±10°。

俯仰驱动组件23安装在俯仰框架11上用以带动俯仰框架11运动。俯仰驱动螺纹杆26安装在俯仰驱动组件23的输出轴上，俯仰传动被动轮28安装在横滚框架9上。俯仰驱动组件23通过俯仰传动被动轮28与横滚框架9形成的相对运动，进而带动俯仰框架11绕俯仰轴运动。

俯仰传动被动轮28非整圆，采用扇形轮，扇形轮的中心线与俯仰轴中心线37重合。俯仰传动柔索27中间段缠绕在俯仰驱动螺纹杆26的螺旋槽上，俯仰传动柔索27的其他部分绕在横滚传动被动轮28的外圆弧面上，俯仰传动柔索27的两端分别从俯仰传动被动轮28上下两侧绕到俯仰传动被动轮28外圆弧面的背面，一端直接固定在俯仰传动被动轮28上，另一端通过张紧机构固定在俯仰传动被动轮28上，通过调整合适的张紧力能保证俯仰传动柔索27在传动过程中时刻保持张紧，正反转传动过程中无空回。俯仰传动柔索27的数量为1～6根，俯仰传动减速比为6～12，俯仰框架的转角范围为±6°～±10°。

方位驱动组件21安装在俯仰框架11上，方位驱动螺纹杆20安装在方位驱动组件21的输出轴上，方位框架4通过方位轴承32安装在俯仰框架11上，方位轴承32为交叉滚子轴承或四点接触轴承。

方位框架4的中心线与方位轴中心线38重合，方位框架4与俯仰框架11间构成同轴转动(或滑动)。方位传动柔索35中间段缠绕在方位驱动螺纹杆20的螺旋槽上，方位传动柔索35其他部分缠绕在方位框架的外圆面上。方位传动柔索35的一端固定在方位框架4上，另一端通过张紧机构固定在方位框架4上。方位传动柔索35的数量为1～6根，减速比为6～20，方位框架的转角范围为±20°～±40°。

横滚驱动螺纹杆30、俯仰驱动螺纹杆26、方位驱动螺纹杆20的螺纹可选梯形螺纹、圆螺纹、矩形螺纹或三角形螺纹。

横滚零位传感器18安装在横滚框架9上，横滚零位检测物体19安装在减振座6上，与横滚零位传感器18相对应安装，相对距离为0.2mm～2mm。

俯仰零位传感器22安装在横滚框架9上，俯仰零位检测物体24安装在俯仰驱动组件23上，与俯仰零位传感器22相对应安装，相对距离为0.2mm～2mm。

方位零位传感器25安装在俯仰框架11上，方位零位检测物体(图中未示出，为一段圆弧)安装在方位框架4上，与方位零位传感器25相对应安装，相对距离为0.2mm～2mm。

零位传感器为接近式传感器，零位检测物体的材料为铁，通过二者之间的磁感应确定二者的距离，距离最小时为零位。

底板1四个角位置安装有4个振幅限位机构8的安装孔，减振座6上对应处有4个圆孔，圆孔(通孔)直径比振幅限位机构的圆柱直径大1mm～3mm。4个振幅限位机构8的圆柱穿过对应的圆孔，在振幅限位机构8上端部设置有一个直径大于圆孔直径的限位块，减震座6相对底板1的震动过大时会被限位块限制位移，故振幅限位机构8能对减振座6的振动幅度进行机械限位，防止防止稳定平台在工作过程中减振座(6)的振动幅度超出安全范围。

侧保护盖2四角有四个螺钉安装孔，通过螺钉把侧保护盖2安装在底板1上。侧保护盖2的长度和宽度与底板1的长度和宽度尺寸一致，侧保护盖2的高度为50mm～100mm。

上保护盖3通过圆周均布的3～8个螺钉孔使用螺钉安装在方位轴承外压圈12上，上保护盖3的长度和宽度尺寸均小于侧保护盖2的长度和宽度，两者之间有2mm～20mm的间隙，上保护盖的高度为20mm～80mm。上保护盖3和俯仰框架11固定在一起，随俯仰轴和方位轴的转动而运动，侧保护盖2和上保护盖3之间设置合适的间隙，能保证在工作范围内上保护盖3与侧保护盖2不干涉。

上保护盖3和侧保护盖2的厚度均为0.5mm～2mm之间，材料为abs或者铝合金。

三轴惯性测量单元10安装在底座1或方位框架4上，三轴惯性测量单元10监测载机角运动引起的平台角运动信息，控制器16根据监测的平台角运动信息，按照一定的控制算法实时解算出平台三轴的角运动信息，并控制驱动组件驱动稳定平台进行稳定补偿。

上述实施例的工作原理说明：

机载轻型三轴惯性稳定平台，由外至内分别是横滚框架、俯仰框架和方位框架。横滚轴与飞机飞行方向一致，用于补偿飞机横滚角运动；俯仰轴在水平方向与横滚轴垂直，用于补偿飞机俯仰角运动；方位轴垂直向下，用于补偿飞机的偏航。

在本实施例中，机载轻型三轴惯性稳定平台的外形尺寸长宽高为260mm×210mm×105mm，用于安装光学载荷的方位框架中间孔直径为130mm。平台总重量为3kg，平台负载能力为3kg。横滚传动柔索、俯仰传动柔索、方位传动柔索均采用直径1mm的钢丝绳，数量优选为1根，呈并排双股“∝”形缠绕在驱动螺纹杆和被动轮上，钢丝绳两端一同固定在被动轮一侧，钢丝绳中间对折处挂在张紧机构上的套环上，套环可转动。一个张紧机构可同时张紧两股钢丝绳。横滚轴、俯仰轴和方位轴的转动范围分别为±8°、±8°和±30°。零位传感器均为接近式传感器，零位检测物体材料为铁。上保护盖和侧保护盖厚度为1mm，材料为abs。

在本发明实施例中，其三轴减速传动系统均采用柔索传动方式，柔索传动的刚度可达到同精度齿轮传动或者谐波系统的10倍以上，同时其具有精度高、噪声低、传动平稳、无需润滑、易于安装和维护等特点。柔索精密传动的高刚度和无空回特性可以保证稳定跟踪伺服系统的快速动态响应，提高平台的动态指向精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。