專利名稱：一種基于前置三軸式云臺的小型電動無人直升機(jī)航拍系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于前置三軸式云臺的小型電動無人直升機(jī)航拍系統(tǒng)，它是一種小型無人直升機(jī)航拍系統(tǒng)的設(shè)計，它包含前置三軸式云臺設(shè)計、小型無人直升機(jī)平臺設(shè)計、地面站設(shè)計、通訊系統(tǒng)設(shè)計等等，屬于航空飛行器設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無人駕駛飛行器(UAV)，是一種有動力驅(qū)動，機(jī)上無人駕駛，可重復(fù)使用的航空器。無人機(jī)常以重量來分類，其中20kg以下的稱為微型或小型無人機(jī)，一般用于航空靶標(biāo)，戰(zhàn)場偵查、毀傷評估、目標(biāo)指引等軍事任務(wù)，以及作為載機(jī)平臺用于飛行試驗、航空測繪等非軍事任務(wù)。無人機(jī)航拍攝影，就是以無人駕駛飛行器作為空中平臺，以機(jī)載遙感設(shè)備，如高分辨率CCD數(shù)碼相機(jī)、輕型光學(xué)相機(jī)、紅外掃描儀，激光掃描儀、磁測儀等獲取信息，用計算機(jī)對圖像信息進(jìn)行處理，并按照一定精度要求制作成圖像。全系統(tǒng)在設(shè)計和最優(yōu)化組合方面具有突出的特點，是集成了高空拍攝、遙控、遙測技術(shù)、視頻影像微波傳輸和計算機(jī)影像信息處理的新型應(yīng)用技術(shù)。小型固定翼無人機(jī)一般采用水平滑跑起飛、手?jǐn)S起飛、彈射起飛等起飛形式，并且質(zhì)量較大的無人機(jī)通常采用常規(guī)滑跑起降，對于跑道要求較高，從而限制了無人機(jī)的使用范圍。小型無人直升機(jī)較固定翼飛機(jī)而言，具有懸停穩(wěn)定、機(jī)動靈活等飛行性能，因此很多研究機(jī)構(gòu)選用旋翼直升機(jī)作為微小型無人機(jī)的研究平臺。目前美國，德國，加拿大等國家均展開了微型無人直升機(jī)的研究。其中美國主要是在DARPA，NASA, ARL等政府機(jī)構(gòu)以及洛克馬丁等一些廠商的資助下，由眾多研究機(jī)構(gòu)開展微型無人直升機(jī)的研究計劃?？v觀國內(nèi)外的發(fā)展情況，此類航拍系統(tǒng)還處于初級研制階段，但需求量很多，很多任務(wù)需要應(yīng)用此類無人旋翼平臺來完成。以震區(qū)災(zāi)情評估任務(wù)為例，在發(fā)生地震的初始時亥IJ，道路損毀，外部人員無法快速進(jìn)入震區(qū)內(nèi)部了解損失情況。但為了給相關(guān)部門及時提供科學(xué)決策的依據(jù)，必須通過空中、地面等多方面對震區(qū)進(jìn)行勘察，此時應(yīng)用小型無人直升機(jī)進(jìn)行作業(yè)不失為一種經(jīng)濟(jì)有效的手段。在震區(qū)滿目瘡痍，起降條件難以達(dá)到常規(guī)無人機(jī)要求的情況下，小型無人直升機(jī)則可以隨時隨地垂直起降，并懸停作業(yè)，利于深入災(zāi)區(qū)飛行，開展相關(guān)科學(xué)任務(wù)，這將對抗震救災(zāi)的工作提供及時和高效的幫助。目前的小型無人直升機(jī)航拍系統(tǒng)均采用下掛式云臺或前置兩軸調(diào)節(jié)云臺，這類云臺機(jī)動性差且視野范圍小，航拍效果較差。本項目即針對這一主要問題，研發(fā)了前置三軸式云臺的無人直升機(jī)航拍系統(tǒng)，取得了良好的效果。

實用新型內(nèi)容I要解決的技術(shù)問題本實用新型的目的是，研發(fā)和提供一種基于前置三軸式云臺技術(shù)的小型無人直升機(jī)航拍系統(tǒng)，它可以三軸精確定位，以實現(xiàn)航拍的高穩(wěn)定性和全視角觀測以及圖像的實時傳輸與監(jiān)控。它需要克服以下幾點問題:[0008]I)小型無人直升機(jī)震動較大,噪音較大；2)小型無人直升機(jī)功重比較??；小型無人直升機(jī)越來越被發(fā)掘出更多的實用價值，因此更大的功重比成為追求性能提升的一部分；3)圖像傳輸與采集過程復(fù)雜；傳統(tǒng)的航拍飛行器在需要進(jìn)行視頻回放或采集視頻樣本時，需要將固定于云臺內(nèi)的攝像機(jī)拆下，取出儲存卡進(jìn)行處理，操作復(fù)雜，耗時耗力；4)飛行平穩(wěn)性低，云臺系統(tǒng)調(diào)節(jié)不靈活；傳統(tǒng)小型航拍無人直升機(jī)多使用常規(guī)下掛式云臺和兩軸式云臺，在穩(wěn)定性、航拍角度、操縱效率、易損耗程度、便攜、維護(hù)性等方面有許多缺陷；5)抗損壞能力低；傳統(tǒng)小型無人航拍直升機(jī)無尾槳等保護(hù)措施，在出現(xiàn)緊急情況需要自旋迫降時其下掛式云臺往往損壞嚴(yán)重；6)航拍相關(guān)設(shè)備笨重，集成度低，使用不靈活，出勤率低。2采用的技術(shù)方案本實用新型主要是通過對小型無人直升機(jī)的總體布局、三軸前置式云臺、小型集成化地面站及圖像實時傳輸?shù)暮侠碓O(shè)計與調(diào)試來實現(xiàn)的。以下說明本實用新型具體實施的技術(shù)方案:I)小型無人直升機(jī)機(jī)的總體布局如圖1所示，該小型無人直升機(jī)為常規(guī)單旋翼帶尾槳布局。直升機(jī)機(jī)體由尾槳系統(tǒng)(I)、尾槳保護(hù)框(2)、尾管(3)、機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)、主旋翼系統(tǒng)(5)、云臺支架(6)、云臺系統(tǒng)(7)、動力傳動系統(tǒng)(8)(因處于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，所以在圖1中未不出，在圖2單獨不出)、起落架(9)等組成。它們之間的位置連接關(guān)系是:尾槳系統(tǒng)與尾槳保護(hù)框用螺釘連接在尾管末端，尾管另一端連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)之間，主旋翼系統(tǒng)通過兩個主軸軸承座連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)上方，動力傳動系統(tǒng)通過軸承座安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)內(nèi)部，起落架安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)下方的底板上，兩根云臺支架使用鋁柱分別連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)前方外部，云臺系統(tǒng)通過4個空氣阻尼器懸掛于云臺支架前部。該尾槳系統(tǒng)(I)是由作動機(jī)構(gòu)與尾旋翼組成，尾旋翼與作動機(jī)構(gòu)分別獨立安裝于尾管末端通過連桿連接；該作動機(jī)構(gòu)是一個伺服舵機(jī)帶動連桿推動尾旋翼改變螺距的機(jī)構(gòu)，整個尾槳系統(tǒng)用于平衡直升機(jī)主旋翼所產(chǎn)生的反扭矩以及控制直升機(jī)的航向。該尾旋翼是帶有翼型的碳纖維材料制作，用于克服主旋翼旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反扭力與改變航向；該尾槳保護(hù)框(2)是圓環(huán)狀件，它用于保護(hù)尾槳，避免在惡劣環(huán)境中飛行時尾槳受到破壞；該尾管(3)是圓管狀件，全部使用碳纖維材料，用于連接尾槳系統(tǒng)和機(jī)身；該機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)是兩張有預(yù)定形狀的厚度為3-5_的碳纖維板，用于構(gòu)成機(jī)身的骨架；該主旋翼系統(tǒng)(5)是由主旋翼與控制機(jī)構(gòu)組成，其間的關(guān)系是:控制機(jī)構(gòu)使用三個伺服舵機(jī)帶動連桿控制主旋翼的總距改變以及周期變距，該主旋翼為整機(jī)提供升力采用碳纖維材料制成。該控制機(jī)構(gòu)是由三個伺服舵機(jī)帶動自動傾斜器運動，自動傾斜器又與旋翼通過鋼制連桿連接控制主旋翼螺距改變，其作用為調(diào)整并控制整個飛機(jī)的飛行姿態(tài)。主旋翼系統(tǒng)為整個飛機(jī)提供升力并改變飛機(jī)的姿態(tài)；該云臺支架(6)是兩根碳纖維材料的空心圓管，主要起到連接云臺系統(tǒng)與機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)的作用，同時云臺支架上的空氣阻尼器能夠阻隔高頻振動的傳遞；該云臺系統(tǒng)(7)見下文詳細(xì)介紹；該動力傳動系統(tǒng)(8)位于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)內(nèi)，如圖2所示。它由鋰聚合物動力電池、無刷電子調(diào)速器、無刷電機(jī)(10)三部分組成動力系統(tǒng)，其中鋰聚合物電池與無刷電子調(diào)速器以及無刷電機(jī)通過電線連接，三者獨立安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)內(nèi)部。小齒輪(11 )、大齒輪(12)將動力傳輸給主旋翼系統(tǒng)(5)，同時通過小齒輪(11)、大齒輪(12)、中齒輪(13)、同步傳動帶(14)、中間軸(15)、同步傳送帶(16)將動力傳輸給尾槳系統(tǒng)(I )。該起落架(9)是由鋁合金材質(zhì)的空心彎管制成弧形狀，安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)底部用于飛機(jī)的正常起降。對于直升機(jī)功重比小的問題，我們的結(jié)構(gòu)大量采用碳纖維復(fù)合材料:云臺系統(tǒng)
(7)的結(jié)構(gòu)、云臺支架(6)的結(jié)構(gòu)、直升機(jī)主旋翼系統(tǒng)(5)和尾槳系統(tǒng)(I)的槳葉、機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)、尾管(3)、尾槳保護(hù)框(2)等均采用碳纖維復(fù)合材料，只有在需要用螺栓連接的地方采用鋁合金支柱進(jìn)行連接。這樣在保證飛機(jī)強(qiáng)度的情況下，大大降低了飛機(jī)自重，提高了功重比，使飛機(jī)的載荷能力與續(xù)航能力得到提升。2)三軸前置式云臺云臺系統(tǒng)(7)設(shè)計為三軸式，如圖3所示。它是由航向轉(zhuǎn)軸101、俯仰轉(zhuǎn)軸102、云臺內(nèi)框103、云臺外框104、攝像設(shè)備105、圖像無線傳輸發(fā)射模塊106、空氣阻尼器107和云臺吊裝框架108組成，它們之間的位置連接關(guān)系是:航向轉(zhuǎn)軸與俯仰轉(zhuǎn)軸、云臺吊裝框架均安裝于云臺內(nèi)、外框之間，攝像設(shè)備與圖像無線傳輸發(fā)射模塊均安裝于云臺內(nèi)框下部的平板上。其中，該航向轉(zhuǎn)軸，是圓軸類零件，云臺系統(tǒng)可繞該軸全周旋轉(zhuǎn)；該俯仰轉(zhuǎn)軸，是圓軸類零件，云臺系統(tǒng)可繞該軸在俯仰方向180度角內(nèi)轉(zhuǎn)動；該云臺內(nèi)框(103)是圓盒類零件，套在云臺外框(104)中轉(zhuǎn)動，使云臺系統(tǒng)(7)可在橫側(cè)方向120度角內(nèi)改變視角。云臺系統(tǒng)(7)可搭載攝像設(shè)備(105)和圖像無線傳輸發(fā)射模塊(106)用于圖像的采集與實時傳輸。該云臺外框(104)是采用碳纖維材料制成，為云臺的骨架；該攝像設(shè)備105是可以根據(jù)具體的拍攝任務(wù)進(jìn)行更換的，用于在空中進(jìn)行航拍航攝工作；該圖像無線傳輸發(fā)射模塊采用頻率為5.8GH的無線傳輸單元，用于將空中所拍攝的畫面?zhèn)鬏敾氐孛娼邮掌?；該空氣阻尼?07是使用空氣作為阻尼介質(zhì)的隔振原件，用于阻隔飛機(jī)高頻振動的傳遞；該云臺吊裝框架108為框架結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度鋁合金數(shù)控加工而成，用于云臺系統(tǒng)相互間的連接。對于直升機(jī)震動大的問題，我們設(shè)計了云臺系統(tǒng)(7)與機(jī)身的柔性連接使飛機(jī)的震動大大降低。首先將云臺支架(6)以懸臂梁的形式通過螺釘連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)兩偵牝在云臺支架(6)上安裝上空氣阻尼器(107)這一柔性隔振元件，在空氣阻尼器(107)上搭接云臺吊裝框架(108),云臺航向轉(zhuǎn)軸(101)與云臺吊裝框架(108)相連。如此,通過此空氣阻尼器(107)實現(xiàn)了云臺系統(tǒng)(7)與機(jī)身的震動隔離。云臺系統(tǒng)(7)前置相比于云臺系統(tǒng)下置使起落架(9)降低，直升機(jī)重心上移，機(jī)動性提高，機(jī)載設(shè)備可以更敏捷地捕捉畫面，并可實現(xiàn)全視角觀測和拍攝。3)小型集成化地面站地面站結(jié)構(gòu)如圖4所示，由保護(hù)箱(201)，圖像無線傳輸接收模塊(202)，用來錄制模擬視頻的微型SD卡錄像機(jī)(203 )，高亮屏幕(204 )，電源(205 )，系統(tǒng)開關(guān)(206 )，云臺遙控器(207)等組成。它們之間的位置連接關(guān)系是:他們相互獨立且都安裝于保護(hù)箱內(nèi)部。此套地面站在一個保護(hù)箱(201)內(nèi)集成了所有的電子設(shè)備，能完成云臺系統(tǒng)(7)的控制，視頻信號的接收與錄制，視頻拍攝的實時監(jiān)控等任務(wù)；同時便于攜帶，防水防壓，能夠勝任各種惡劣的工作環(huán)境。該保護(hù)箱(201)是能夠防水防壓的器材箱，用于保護(hù)其內(nèi)部的電子設(shè)備；該圖像無線傳輸接收模塊(202)是頻率為5.8GH的無線傳輸接收單元用于接收飛機(jī)上空中傳回的圖像；該SD卡錄像機(jī)(203)是以sd卡為介質(zhì)的圖像儲存設(shè)備，使用該微型SD卡錄像機(jī)(203)可以在飛機(jī)拍攝完一組視頻后通過SD卡上的數(shù)據(jù)回放視頻而不用去反復(fù)拆裝固定于飛機(jī)上的高清攝像機(jī)，使用SD卡的該錄像機(jī)抗震動能力要比硬盤錄像機(jī)高很多；該高亮屏幕(204)是8英寸亮度為400cd/ (平方米)的工控屏幕，該工控高亮屏幕(204)使我們在晴天無遮擋的情況下也可以很好的觀察到屏幕上的圖像；該電源是選用了5Ah的免維護(hù)鉛蓄電池，在不需要大電流放電而且對重量沒有非?？量痰囊蟮那闆r下，鉛蓄電池的高容量和便于維護(hù)的特點更加重要；該系統(tǒng)開關(guān)(206)是用于控制整個地面站的電源通斷；該云臺遙控器是使用了 9通道遙控器，用于控制云臺在空中的轉(zhuǎn)動。4)圖像實時傳輸云臺系統(tǒng)(7)上的攝像設(shè)備(105)將采集到的圖像通過無線傳輸發(fā)射模塊(106)傳出，地面站的圖像無線傳輸接收模塊(202)實時接收圖像，并錄制在SD卡錄像機(jī)(203)中，同時同步顯示在高亮屏幕(204)上，用于拍攝的實時監(jiān)控及控制云臺系統(tǒng)(7)的參考。這是高質(zhì)量完成拍攝任務(wù)的保障。3有益效果本實用新型的優(yōu)點在于:I)該航拍系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備輕巧靈活，集成度高，使用機(jī)動性好，出勤率高，對使用環(huán)境及場地等條件要求較低。2)采用三軸前置式云臺可以克服視野受限問題，實現(xiàn)全方位的拍攝；3)該航拍系統(tǒng)采用電動動力，噪音小，震動小，輸出功率不受海拔高度限制，同時云臺與機(jī)身通過空氣阻尼器的連接方式有效地減小了機(jī)身震動對云臺的影響，提高了云臺的穩(wěn)定性和拍攝畫面的質(zhì)量；4)該航拍系統(tǒng)抗損壞能力強(qiáng)，首先地面站系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗沖擊能力，其次該小型無人航拍直升機(jī)的尾槳保護(hù)框等保護(hù)措施，合理的機(jī)構(gòu)及較高的云臺設(shè)計都可以在突發(fā)情況下更好的保護(hù)設(shè)備的安全；

圖1小型無人直升機(jī)總體布局示意圖圖2動力傳送系統(tǒng)示意圖圖3三軸前置式云臺示意圖圖4小型集成化地面站示意圖圖中符號說明如下1、尾槳系統(tǒng)；2、尾槳保護(hù)框；3、尾管；4、機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)；5、主旋翼系統(tǒng)；6、云臺支架；7、云臺系統(tǒng)；8、動力傳動系統(tǒng)；9、起落架；10、無刷電機(jī)；11、小齒輪；12、大齒輪；13、齒輪；14、同步傳動帶I ;15、中間軸；16、同步傳送帶2 ;101、航向轉(zhuǎn)軸;102、俯仰轉(zhuǎn)軸;103、云臺內(nèi)框；104、云臺外框；105、攝像設(shè)備；106、圖像無線傳輸發(fā)射模塊；107、空氣阻尼器；108、云臺吊裝框架；201、保護(hù)箱；202、圖像無線傳輸接收模塊；203、SD卡錄像機(jī)；204、高亮屏幕；205、電源；206、系統(tǒng)開關(guān)；207、云臺遙控器。
具體實施方式
本實用新型一種基于前置三軸式云臺技術(shù)的小型無人直升機(jī)航拍系統(tǒng)，主要是通過對小型無人直升機(jī)的總體布局、三軸前置式云臺、小型集成化地面站及圖像實時傳輸?shù)暮侠碓O(shè)計與調(diào)試來實現(xiàn)的。I)小型無人直升機(jī)機(jī)的總體布局如圖1所示，該小型無人直升機(jī)為常規(guī)單旋翼帶尾槳布局。直升機(jī)機(jī)體由尾槳系統(tǒng)(I)、尾槳保護(hù)框(2)、尾管(3)、機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)、主旋翼系統(tǒng)(5)、云臺支架(6)、云臺系統(tǒng)(7)、動力傳動系統(tǒng)(8)(因處于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，所以在圖1中未不出，在圖2單獨不出)、起落架(9)等組成。它們之間的位置連接關(guān)系是:尾槳系統(tǒng)與尾槳保護(hù)框用螺釘連接在尾管末端，尾管另一端連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)之間，主旋翼系統(tǒng)通過兩個主軸軸承座連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)上方，動力傳動系統(tǒng)通過軸承座安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)內(nèi)部，起落架安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)下方的底板上，兩根云臺支架使用鋁柱分別連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)前方外部，云臺系統(tǒng)通過4個空氣阻尼器懸掛于云臺支架前部。該尾槳系統(tǒng)(I)是由作動機(jī)構(gòu)與尾旋翼組成，兩者之間的關(guān)系是:尾旋翼與作動機(jī)構(gòu)分別獨立安裝于尾管末端通過連桿連接；該作動機(jī)構(gòu)是一個伺服舵機(jī)帶動連桿推動尾旋翼改變螺距的機(jī)構(gòu)，整個尾槳系統(tǒng)用于平衡直升機(jī)主旋翼所產(chǎn)生的反扭矩以及控制直升機(jī)的航向。該尾旋翼是帶有翼型的碳纖維材料，用于克服主旋翼旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反扭力與改變航向。；該尾槳保護(hù)框(2)是圓環(huán)狀件，它用于保護(hù)尾槳，避免在惡劣環(huán)境中飛行時尾槳受到破壞；該尾管(3)是圓管狀件，全部使用碳纖維材料，用于連接尾槳系統(tǒng)和機(jī)身；該機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)是兩張有預(yù)定形狀的厚度為3-5_的碳纖維板，用于構(gòu)成機(jī)身的骨架；該主旋翼系統(tǒng)(5)是由主旋翼與控制機(jī)構(gòu)組成，其間的關(guān)系是:控制機(jī)構(gòu)使用三個伺服舵機(jī)帶動連桿控制主旋翼的總距改變以及周期變距，該主旋翼為整機(jī)提供升力采用碳纖維材料制成。該控制機(jī)構(gòu)是由三個伺服舵機(jī)帶動自動傾斜器運動，自動傾斜器又與旋翼通過鋼制連桿連接控制主旋翼螺距改變，其作用為調(diào)整并控制整個飛機(jī)的飛行姿態(tài)。主旋翼系統(tǒng)5為整個飛機(jī)提供升力并改變飛機(jī)的姿態(tài)；該云臺支架(6)是兩根碳纖維材料的空心圓管，主要起到連接云臺系統(tǒng)與機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)的作用，同時云臺支架上的空氣阻尼器能夠阻隔高頻振動的傳遞；該云臺系統(tǒng)(7)見下文詳細(xì)介紹；該動力傳動系統(tǒng)(8)位于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)內(nèi)，如圖2所示。它由鋰聚合物動力電池、無刷電子調(diào)速器、無刷電機(jī)(10)三部分組成動力系統(tǒng)，其中鋰聚合物電池與無刷電子調(diào)速器以及無刷電機(jī)通過電線連接，三者獨立安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)內(nèi)部。小齒輪(11 )、大齒輪(12)將動力傳輸給主旋翼系統(tǒng)(5)，同時通過小齒輪(11)、大齒輪(12)、中齒輪(13)、同步傳動帶(14)、中間軸(15)、同步傳送帶(16)將動力傳輸給尾槳系統(tǒng)(I )。該起落架(9)是由鋁合金材質(zhì)的空心彎管制成弧形狀，安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)底部用于飛機(jī)的正常起降。對于直升機(jī)功重比小的問題，我們的結(jié)構(gòu)大量采用碳纖維復(fù)合材料:云臺系統(tǒng)
(7)的結(jié)構(gòu)、云臺支架(6)的結(jié)構(gòu)、直升機(jī)主旋翼系統(tǒng)(5)和尾槳系統(tǒng)(I)的槳葉、機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)、尾管(3)、尾槳保護(hù)框(2)等均采用碳纖維復(fù)合材料，只有在需要用螺栓連接的地方采用鋁合金支柱進(jìn)行連接。這樣在保證飛機(jī)強(qiáng)度的情況下，大大降低了飛機(jī)自重，提高了功重比，使飛機(jī)的載荷能力與續(xù)航能力得到提升。2)三軸前置式云臺云臺系統(tǒng)(7)設(shè)計為三軸式，如圖3所示。它是由航向轉(zhuǎn)軸101、俯仰轉(zhuǎn)軸102、云臺內(nèi)框103、云臺外框104、攝像設(shè)備105、圖像無線傳輸發(fā)射模塊106、空氣阻尼器107和云臺吊裝框架108組成，它們之間的位置連接關(guān)系是:航向轉(zhuǎn)軸與俯仰轉(zhuǎn)軸、云臺吊裝框架均安裝于云臺內(nèi)、外框之間，攝像設(shè)備與圖像無線傳輸發(fā)射模塊均安裝于云臺內(nèi)框下部的平板上。其中，該航向轉(zhuǎn)軸101，是圓軸類零件，云臺系統(tǒng)(7)可繞該軸全周旋轉(zhuǎn)；該俯仰轉(zhuǎn)軸102，是圓軸類零件，云臺系統(tǒng)(7)可繞該軸在俯仰方向180度角內(nèi)轉(zhuǎn)動；該云臺內(nèi)框(103)是圓盒類零件，套在云臺外框(104)中轉(zhuǎn)動，使云臺系統(tǒng)(7)可在橫側(cè)方向120度角內(nèi)改變視角。云臺系統(tǒng)(7)可搭載攝像設(shè)備(105)和圖像無線傳輸發(fā)射模塊(106)用于圖像的采集與實時傳輸。該云臺外框(104)是采用碳纖維材料制成，為云臺系統(tǒng)(7)的骨架；該攝像設(shè)備105是可以根據(jù)具體的拍攝任務(wù)進(jìn)行更換的，用于在空中進(jìn)行航拍航攝工作；該圖像無線傳輸發(fā)射模塊采用頻率為5.8GH的無線傳輸單元，用于將空中所拍攝的畫面?zhèn)鬏敾氐孛娼邮掌?；該空氣阻尼?07是使用空氣作為阻尼介質(zhì)的隔振原件，用于阻隔飛機(jī)高頻振動的傳遞；該云臺吊裝框架108為框架結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度鋁合金數(shù)控加工而成，用于云臺系統(tǒng)相互間的連接。對于直升機(jī)震動大的問題，我們設(shè)計了云臺系統(tǒng)(7)與機(jī)身的柔性連接使飛機(jī)的震動大大降低。首先將云臺支架(6)以懸臂梁的形式通過螺釘連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)兩偵牝在云臺支架(6)上安裝上空氣阻尼器(107)這一柔性隔振元件，在空氣阻尼器(107)上搭接云臺吊裝框架(108),云臺航向轉(zhuǎn)軸(101)與云臺吊裝框架(108)相連。如此,通過此空氣阻尼器(107)實現(xiàn)了云臺系統(tǒng)(7)與機(jī)身的震動隔離。云臺系統(tǒng)(7)前置相比于云臺系統(tǒng)下置使起落架(9)降低，直升機(jī)重心上移，機(jī)動性提高，機(jī)載設(shè)備可以更敏捷地捕捉畫面，并可實現(xiàn)全視角觀測和拍攝。3)小型集成化地面站地面站結(jié)構(gòu)如圖4所示，由保護(hù)箱(201)，圖像無線傳輸接收模塊(202)，用來錄制模擬視頻的微型SD卡錄像機(jī)(203)，高亮屏幕(204)，電源(205)，系統(tǒng)開關(guān)(206)，云臺遙控器(207)等組成。它們之間的位置連接關(guān)系是:他們相互獨立且都安裝于保護(hù)箱內(nèi)部。此套地面站在一個保護(hù)箱(201)內(nèi)集成了所有的電子設(shè)備，能完成云臺系統(tǒng)(7)的控制，視頻信號的接收與錄制，視頻拍攝的實時監(jiān)控等任務(wù)；同時便于攜帶，防水防壓，能夠勝任各種惡劣的工作環(huán)境。該保護(hù)箱(201)是能夠防水防壓的器材箱，用于保護(hù)其內(nèi)部的電子設(shè)備；該圖像無線傳輸接收模塊(202)是頻率為5.8GH的無線傳輸接收單元用于接收飛機(jī)上空中傳回的圖像；該SD卡錄像機(jī)(203)是以sd卡為介質(zhì)的圖像儲存設(shè)備，使用該微型SD卡錄像機(jī)(203)可以在飛機(jī)拍攝完一組視頻后通過SD卡上的數(shù)據(jù)回放視頻而不用去反復(fù)拆裝固定于飛機(jī)上的高清攝像機(jī)，使用SD卡的該錄像機(jī)抗震動能力要比硬盤錄像機(jī)高很多；該高亮屏幕(204)是8英寸亮度為400cd/ (平方米)的工控屏幕，該工控高亮屏幕使我們在晴天無遮擋的情況下也可以很好的觀察到屏幕上的圖像；該電源是選用了 5Ah的免維護(hù)鉛蓄電池，在不需要大電流放電而且對重量沒有非常苛刻的要求的情況下，鉛蓄電池的高容量和便于維護(hù)的特點更加重要；該系統(tǒng)開關(guān)(206)是用于控制整個地面站的電源通斷；該云臺遙控器是使用了 9通道遙控器，用于控制云臺在空中的轉(zhuǎn)動。4)圖像實時傳輸云臺系統(tǒng)(7)上的攝像設(shè)備(105)將采集到的圖像通過無線傳輸發(fā)射模塊(106)傳出，地面站的圖像無線傳輸接收模塊(202)實時接收圖像，并錄制在SD卡錄像機(jī)(203)中，同時同步顯示在高亮屏幕(204)上，用于拍攝的實時監(jiān)控及控制云臺系統(tǒng)(7)的參考。這是高質(zhì)量完成拍攝任務(wù)的保障。下面通過實例對本實用新型的實施方式進(jìn)行說明:實例:開展空中航拍勘察受災(zāi)區(qū)域的緊急任務(wù)當(dāng)有受災(zāi)等突發(fā)情況區(qū)域需要緊急勘察實地情況時，該航拍系統(tǒng)會顯示出其優(yōu)良的靈活機(jī)動性能。該系統(tǒng)所包含的設(shè)備及操縱人員可以利用普通運輸工具送至現(xiàn)場并與五分鐘內(nèi)起飛執(zhí)行任務(wù)；直升機(jī)起飛向受災(zāi)區(qū)域飛行，其云臺系統(tǒng)(7)所搭載的攝像設(shè)備105通過圖像傳輸系統(tǒng)可以將該區(qū)域地面的情況拍攝下來并實時傳回地面站記錄并同步顯示畫面，地面的救援人員可以借此信息判斷受災(zāi)情況并及時作出反應(yīng)。該系統(tǒng)可以在第一時間獲取有用的信息，拍攝任務(wù)完成后，直升機(jī)返航落地，可以在五分鐘內(nèi)完成準(zhǔn)備下一次飛行。當(dāng)飛行任務(wù)全部結(jié)束后，該套系統(tǒng)可以快速收回。
權(quán)利要求1.一種基于前置三軸式云臺的小型電動無人直升機(jī)航拍系統(tǒng)，其特征在于:它是通過對小型無人直升機(jī)的總體布局、三軸前置式云臺、小型集成化地面站及圖像實時傳輸?shù)暮侠碓O(shè)計與調(diào)試來實現(xiàn)的； 1)小型無人直升機(jī)機(jī)的總體布局 該小型無人直升機(jī)為常規(guī)單旋翼帶尾槳布局，直升機(jī)機(jī)體由尾槳系統(tǒng)(I)、尾槳保護(hù)框(2)、尾管(3)、機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)、主旋翼系統(tǒng)(5)、云臺支架(6)、云臺系統(tǒng)(7)、動力傳動系統(tǒng)(8)、起落架(9)組成，尾槳系統(tǒng)與尾槳保護(hù)框用螺釘連接在尾管末端，尾管另一端連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)之間，主旋翼系統(tǒng)通過兩個主軸軸承座連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)上方，動力傳動系統(tǒng)通過軸承座安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)內(nèi)部，起落架安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)下方的底板上，兩根云臺支架使用鋁柱分別連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)前方外部，云臺系統(tǒng)通過4個空氣阻尼器懸掛于云臺支架前部； 該尾槳系統(tǒng)(1)是由作動機(jī)構(gòu)與尾旋翼組成，尾旋翼與作動機(jī)構(gòu)分別獨立安裝于尾管末端通過連桿連接；該作動機(jī)構(gòu)是一個伺服舵機(jī)帶動連桿推動尾旋翼改變螺距的機(jī)構(gòu)，該尾旋翼是帶有翼型的材料制作； 該尾槳保護(hù)框(2)是圓環(huán)狀件； 該尾管(3)是圓管狀件； 該機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)是兩張有預(yù)定形狀的厚度為3-5mm的板材； 該主旋翼系統(tǒng)(5)是由主旋翼與控制機(jī)構(gòu)組成，控制機(jī)構(gòu)使用三個伺服舵機(jī)帶動連桿控制主旋翼的總距改變以及周期變距，該主旋翼為整機(jī)提供升力采用板材制成；該控制機(jī)構(gòu)是由三個伺服舵機(jī)帶動自動傾斜器運動，自動傾斜器又與旋翼通過鋼制連桿連接控制主旋翼螺距改變； 該云臺支架(6)是兩根空心圓管材； 該動力傳動系統(tǒng)(8)位于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)(4)內(nèi)，它由鋰聚合物動力電池、無刷電子調(diào)速器、無刷電機(jī)(10)三部分組成動力系統(tǒng)，其中鋰聚合物電池與無刷電子調(diào)速器以及無刷電機(jī)通過電線連接，三者獨立安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)內(nèi)部；小齒輪(11)、大齒輪(12)將動力傳輸給主旋翼系統(tǒng)(5)，同時通過小齒輪(11)、大齒輪(12)、中齒輪(13)、同步傳動帶(14)、中間軸(15)、同步傳送帶(16)將動力傳輸給尾槳系統(tǒng)(I); 該起落架(9)是由空心管材彎制成弧形狀，安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)底部； 2)三軸前置式云臺 云臺系統(tǒng)(7)設(shè)計為三軸式，它是由航向轉(zhuǎn)軸(101)、俯仰轉(zhuǎn)軸(102)、云臺內(nèi)框(103)、云臺外框(104)、攝像設(shè)備(105)、圖像無線傳輸發(fā)射模塊(106)、空氣阻尼器(107)和云臺吊裝框架(108)組成，航向轉(zhuǎn)軸與俯仰轉(zhuǎn)軸、云臺吊裝框架均安裝于云臺內(nèi)、外框之間，攝像設(shè)備與圖像無線傳輸發(fā)射模塊均安裝于云臺內(nèi)框下部的平板上； 其中，該航向轉(zhuǎn)軸，是圓軸類零件，云臺系統(tǒng)繞該軸全周旋轉(zhuǎn)；該俯仰轉(zhuǎn)軸，是圓軸類零件，云臺系統(tǒng)繞該軸在俯仰方向180度角內(nèi)轉(zhuǎn)動；該云臺內(nèi)框(103)是圓盒類零件，套在云臺外框(104)中轉(zhuǎn)動，使云臺系統(tǒng)(7)在橫側(cè)方向120度角內(nèi)改變視角；云臺系統(tǒng)(7)搭載攝像設(shè)備(105)和圖像無線傳輸發(fā)射模塊(106)用于圖像的采集與實時傳輸；該云臺外框(104)是采用管材制成，為云臺的骨架；該攝像設(shè)備(105)是根據(jù)具體的拍攝任務(wù)更換；該圖像無線傳輸發(fā)射模塊采用頻率為5.8GH的無線傳輸單元；該空氣阻尼器(107)是使用空氣作為阻尼介質(zhì)的隔振原件；該云臺吊裝框架(108)為框架結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度材料數(shù)控加工而成，用于云臺系統(tǒng)相互間的連接； 云臺系統(tǒng)(7 )前置相比于云臺系統(tǒng)下置使起落架(9 )降低，直升機(jī)重心上移，機(jī)載設(shè)備更敏捷地捕捉畫面，并實現(xiàn)全視角觀測和拍攝； 3)小型集成化地面站 小型集成化地面站結(jié)構(gòu)由保護(hù)箱(201)，圖像無線傳輸接收模塊(202)，用來錄制模擬視頻的微型SD卡錄像機(jī)(203)，高亮屏幕(204)，電源(205)，系統(tǒng)開關(guān)(206)，云臺遙控器(207)組成，他們相互獨立且都安裝于保護(hù)箱內(nèi)部； 該保護(hù)箱(201)是能夠防水防壓的器材箱；該圖像無線傳輸接收模塊(202)是頻率為.5.8GH的無線傳輸接收單元；該SD卡錄像機(jī)(203)是以sd卡為介質(zhì)的圖像儲存設(shè)備；該高亮屏幕(204)是8英寸亮度為400cd/平方米的工控屏幕；該電源是選用了 5Ah的免維護(hù)鉛蓄電池；該系統(tǒng)開關(guān)(206)是用于控制整個地面站的電源通斷；該云臺遙控器是使用了 9通道遙控器； 4)圖像實時傳輸 云臺系統(tǒng)(7)上的攝像設(shè)備(105)將采集到的圖像通過無線傳輸發(fā)射模塊(106)傳出，地面站的圖像無線傳輸接收模塊(202)實時接收圖像，并錄制在SD卡錄像機(jī)(203)中，同時同步顯示在高亮屏幕(204)上，用于拍 攝的實時監(jiān)控及控制云臺系統(tǒng)(7)的參考。
專利摘要本實用新型涉及一種基于前置三軸式云臺的小型電動無人直升機(jī)航拍系統(tǒng)，它是一種小型無人直升機(jī)航拍系統(tǒng)的設(shè)計，它包含前置三軸式云臺設(shè)計、小型無人直升機(jī)平臺設(shè)計、地面站設(shè)計、通訊系統(tǒng)設(shè)計等，屬于航空飛行器設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。尾槳系統(tǒng)與尾槳保護(hù)框用螺釘連接在尾管末端，尾管另一端連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)之間，主旋翼系統(tǒng)通過兩個主軸軸承座連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)上方，動力傳動系統(tǒng)通過軸承座安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)內(nèi)部，起落架安裝于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)下方的底板上，兩根云臺支架使用鋁柱分別連接于機(jī)身側(cè)板結(jié)構(gòu)前方外部，云臺系統(tǒng)通過4個空氣阻尼器懸掛于云臺支架前部。該航拍系統(tǒng)輕巧靈活，集成度高，噪音小，震動小，使用機(jī)動性好，對使用環(huán)境及場地等條件要求低，能實現(xiàn)全方位的拍攝。它在無人駕駛飛行器領(lǐng)域內(nèi)里具有較好的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G03B17/56GK202953178SQ20122063222
公開日2013年5月29日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者王川, 王亞龍 申請人:北京蘭亭華誼文化傳媒有限責(zé)任公司