一种球关节驱动的三轴光电跟踪机架制造技术

本发明专利技术公开了一种球关节驱动的三轴光电跟踪机架，属于光电跟踪设备领域。该跟踪机架包括基座、U型方位转台、方位驱动电机、球关节电机和位于球关节电机转子上的镜筒。U型方位转台和基座之间设有驱动电机，球关节电机包括转子部分和位于方位转台上的定子部分。该光电跟踪机架利用球关节电机体积小、隔振能力强、摩擦小以及可以进行多自由运动的优势，能够实现对目标的无盲区跟踪，同时该系统的结构紧凑、抗扰能力强，有利于系统小型化和提升对目标的跟踪精度。标的跟踪精度。标的跟踪精度。

【技术实现步骤摘要】
一种球关节驱动的三轴光电跟踪机架


[0001]本专利技术属于光电跟踪设备领域，尤其涉及一种球关节驱动的三轴光电跟踪机架。

技术介绍

[0002]跟踪机架是光电跟踪系统中用于粗跟踪任务的主要设备，目前地平式跟踪机架在光电跟踪系统中应用广泛，但是这种结构存在固有缺陷——天顶跟踪盲区。当目标进入这个区域内时，为了跟踪目标，跟踪机架的方位角速度迅速增大，以至趋于无穷大。然而，在实际中，驱动内框和外框的跟踪角速度通常有限，不可能无限增大，由此导致视轴不能平稳跟踪目标，跟踪误差快速增大，造成跟踪不连续、目标丢失等问题。
[0003]目标在天顶附近时，距离近、信号强，更有利于接收信息，但由于天顶跟踪盲区的存在，致使这些优势条件难以得到充分利用。天顶盲区的大小与地平式光电跟踪系统的跟踪性能、精度指标、跟踪技术(如复合轴跟踪技术、增加电流环负反馈等)、目标运动特性等因素有关。控制方法的改进可以在保证跟踪精度和响应速度的条件下进一步缩小天顶盲区的大小，但不可能消除天顶盲区，从根本上解决光电跟踪系统天顶盲区的较好方法是选用其他不存在天顶盲区的跟踪机架。无天顶盲区的光电跟踪系统有极轴式、X
‑
Y双轴式、三轴式等。其中极轴式、X
‑
Y双轴式是把地平式的天顶盲区进行了转移，不能达到无盲区跟踪，而三轴式增加一个自由度，通过对不同自由度的适当控制，可以有效消除跟踪盲区。但是三轴式跟踪机架由于增加了一个自由度，从而增加了机械传动装置，增加了系统的转动惯量，同时也带来了额外的机械摩擦，降低了系统的动态性能。因而亟需一种既能实现无盲区跟踪，结构又更加灵活的跟踪机架结构。

技术实现思路

[0004]为了突破地平式跟踪机架存在天顶跟踪盲区的局限性，提升光电跟踪系统的跟踪范围和响应速度，本专利技术提出了一种球关节驱动的三轴光电跟踪机架。
[0005]本专利技术为解决光电跟踪机架存在天顶盲区的跟踪问题，所采取的技术方案是：
[0006]一种球关节驱动的三轴光电跟踪机架，所述跟踪机架包括基座，U型方位转台，方位驱动电机，球关节电机，镜筒；
[0007]基座上安装有U型方位转台，基座与U型方位转台间安装有驱动电机；U型方位转台上安装有球关节电机，球关节电机包括定子和转子，方位转台作为球关节电机的定子，U型方位转台两端安装有定子线圈，转子和定子间通过球关节连接，球关节电机的转子上安装有镜筒。
[0008]进一步地，球关节电机转子上安装有姿态测量传感器，用于获取球关节电机转子的转动位置、速度以及加速度。
[0009]进一步地，镜筒内安装有光学镜片、镜头、图像传感器、红外测距机、计算单元和通信单元，可以实时获取目标信息。
[0010]进一步地，U型方位转台上设有限制球关节转子运动的限位机构，所述限位机构具
有防碰撞机构，避免高速撞击造成镜筒内光学元件的损坏。
[0011]进一步地，球关节电机设计时，球关节直径D、滚动轴角度δ、支撑角θ、镜筒直径d满足关系：
[0012][0013]在镜筒长度为l时，最大支撑角满足：
[0014][0015]本专利技术具有的优点和积极效果是：
[0016]本专利技术提出的三轴光电跟踪机架具有方位轴、俯仰轴和滚动轴，能够实现对目标的无盲区跟踪。
[0017]本专利技术利用球关节电机转矩大、体积小、结构简单且能够实现多自由度运动的优势，由单个电机来实现空间的多维运动，可以避免由多个单自由度电机组合而采用复杂连接装置，简化了机械结构，有利于光电跟踪系统的小型化。
[0018]本专利技术中球关节电机具有较好的隔振能力，利用球关节作为连接，具有更小的摩擦，此外，转子输出轴从任意初始位置出发都能到达期望的连续轨迹，这些优点都有利于提高系统的跟踪精度。
附图说明
[0019]图1是本专利技术提出的一种球关节驱动的三轴光电跟踪机架的结构示意图，其中，1为基座，2为U型方位转台，3为方位驱动电机，4为球关节电机定子线圈，5为球关节电机转子，6为镜筒。
[0020]图2是本专利技术所提光电跟踪机架跟踪水平运动目标的示意图。
[0021]图3是本专利技术实施例中设计的球关节示意图。
[0022]图4是本专利技术在仿真软件中进行轨迹跟踪运动的示意图。
具体实施方式
[0023]为能进一步说明本专利技术的内容、特点和作用效果，兹例举以下实施例，并结合附图对具体实施方式做详细说明。
[0024]本专利技术提出的一种基于球关节电机驱动的跟踪机架的结构示意图如图1所示，其包括基座1，U型方位转台2，方位驱动电机3，球关节电机定子线圈4；球关节电机转子5；镜筒6；
[0025]基座1上安装有U型方位转台2，两者之间安装有方位驱动电机3，U型方位转台2作为球关节电机的定子，其上有球关节电机定子线圈4，U型方位转台2与球关节电机转子5通过球关节连接，球关节电机转子5上安装有镜筒6。
[0026]具体地，方位驱动电机3为永磁同步电机，电机定子固定在基座1上，转子固定在U型方位转台2上，所述永磁同步电机直接驱动U型方位转台2，无减速机构，电机轴端安装有高精度绝对式光电编码器，用于准确检测电机旋转角度。
[0027]具体地，U型方位转台2成U型结构，下部与驱动电机固连，随驱动电机一起做旋转
运动，U型方位转台2两内侧为凹球面，作为球关节电机球形安装槽的壳体。
[0028]具体地，球关节电机定子线圈4采用空心线圈，即不含铁芯，铜线绕组缠绕在直径为30mm的圆柱形塑料圈上，所述线圈水平方向均匀分布在U型方位转台2两侧，竖直方向为5层。
[0029]具体地，球关节电机转子5外部为球面，为球关节的转动球芯，所述球芯表面设有均匀分布的圆形凹孔，孔内嵌入有若干圆形永磁体，在定子线圈上电后，定子线圈和永磁体相互形成力的作用，用于驱动球关节电机转子运动。
[0030]具体地，镜筒6内中布置有光学镜片、镜头、图像传感器、红外测距机、计算单元以及通信单元，可以实时获取目标成像数据并与外围设备保持通信。
[0031]如图1所示，三轴跟踪架主要有垂直轴(Z轴)、滚动轴(x轴)、俯仰轴(y轴)、视轴(z轴)，Z轴垂直于地面，y轴与地面平行且与方位转台端平面垂直，x轴平行于地面且与y轴垂直，x、y、z轴两两正交，当视轴指向天顶时x、y轴处于零位。Z轴的工作范围为0～360
°
，y轴的工作范围为0～180
°
，x轴的工作范围为
‑
δ
°
～δ
°
，δ是可以根据系统需求的滚动角度进行设计。
[0032]根据实际系统的需求可以对球关节进行设计，如图2所示为球关节的设计方案图纸，其中θ为球关节支撑角，δ为球关节左右旋转角度，D为球关节直径，d为镜筒直径，l为镜筒长度，支撑角θ与球关节直径D满足如下关系：
[0033][0034]最大支撑角为：
[0035][0036]基于球关节驱动的三轴光电跟踪机架与传统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种球关节驱动的三轴光电跟踪机架，其特征在于：该跟踪机架包括基座(1)、U型方位转台(2)、方位驱动电机(3)、球关节电机和镜筒(6)；基座(1)上安装有U型方位转台(2)，U型方位转台(2)上安装有球关节电机，球关节电机上安装有镜筒(6)；基座(1)和U型方位转台(2)间安装有方位驱动电机(3)；U型方位转台(2)作为球关节电机的定子，其上布置有球关节电机定子线圈(4)；球关节电机转子(5)与U型方位转台(2)上球关节电机的定子之间通过球关节连接，球关节电机转子(5)能够进行多个自由度的运动；镜筒安装在球关节电机转子(5)上，并作为球关节电机转子(5)的组成部分。2.根据权利要求1所述的一种球关节驱动的三轴光电跟踪机架，其特征在于：球关节...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛耀，张兵，代旺，缪礼，谭毅，包启亮，任戈，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：