[发明专利]一种基于前置三轴式云台的小型电动无人直升机航拍系统

摘要

本发明涉及一种基于前置三轴式云台的小型电动无人直升机航拍系统，它是一种小型无人直升机航拍系统的设计，它包含前置三轴式云台设计、小型无人直升机平台设计、地面站设计、通讯系统设计等，属于航空飞行器设计技术领域。该航拍系统轻巧灵活，集成度高，噪音小，震动小，使用机动性好，对使用环境及场地等条件要求低，能实现全方位的拍摄。它在无人驾驶飞行器领域内里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

主权项

一种基于前置三轴式云台的小型电动无人直升机航拍系统，其特征在于：它是通过对小型无人直升机的总体布局、三轴前置式云台、小型集成化地面站及图像实时传输的合理设计与调试来实现的；1）小型无人直升机机的总体布局该小型无人直升机为常规单旋翼带尾桨布局，直升机机体由尾桨系统（1）、尾桨保护框（2）、尾管（3）、机身侧板结构（4）、主旋翼系统（5）、云台支架（6）、云台系统（7）、动力传动系统（8）、起落架（9）组成，尾桨系统与尾桨保护框用螺钉连接在尾管末端，尾管另一端连接于机身侧板结构之间，主旋翼系统通过两个主轴轴承座连接于机身侧板结构上方，动力传动系统通过轴承座安装于机身侧板结构内部，起落架安装于机身侧板结构下方的底板上，两根云台支架使用铝柱分别连接于机身侧板结构前方外部，云台系统通过4个空气阻尼器悬挂于云台支架前部；该尾桨系统（1）是由作动机构与尾旋翼组成，尾旋翼与作动机构分别独立安装于尾管末端通过连杆连接；该作动机构是一个伺服舵机带动连杆推动尾旋翼改变螺距的机构，整个尾桨系统用于平衡直升机主旋翼所产生的反扭矩以及控制直升机的航向；该尾旋翼是带有翼型的碳纤维材料制作，用于克服主旋翼旋转时产生的反扭力与改变航向；该尾桨保护框（2）是圆环状件，它用于保护尾桨，避免在恶劣环境中飞行时尾桨受到破坏；该尾管（3）是圆管状件，全部使用碳纤维材料，用于连接尾桨系统和机身；该机身侧板结构（4）是两张有预定形状的厚度为3‑5mm的碳纤维板，用于构成机身的骨架；该主旋翼系统（5）是由主旋翼与控制机构组成，控制机构使用三个伺服舵机带动连杆控制主旋翼的总距改变以及周期变距，该主旋翼为整机提供升力采用碳纤维材料制成；该控制机构是由三个伺服舵机带动自动倾斜器运动，自动倾斜器又与旋翼通过钢制连杆连接控制主旋翼螺距改变，其作用为调整并控制整个飞机的飞行姿态；主旋翼系统为整个飞机提供升力并改变飞机的姿态；该云台支架（6）是两根碳纤维材料的空心圆管，主要起到连接云台系统与机身侧板结构的作用，同时云台支架上的空气阻尼器能够阻隔高频振动的传递；该动力传动系统（8）位于机身侧板结构（4）内，它由锂聚合物动力电池、无刷电子调速器、无刷电机（10）三部分组成动力系统，其中锂聚合物电池与无刷电子调速器以及无刷电机通过电线连接，三者独立安装于机身侧板结构内部；小齿轮（11）、大齿轮（12）将动力传输给主旋翼系统（5），同时通过小齿轮（11）、大齿轮（12）、中齿轮（13）、同步传动带（14）、中间轴（15）、同步传送带（16）将动力传输给尾桨系统（1）；该起落架（9）是由铝合金材质的空心弯管制成弧形状，安装于机身侧板结构底部用于飞机的正常起降；对于直升机功重比小的问题，我们的结构大量采用碳纤维复合材料：云台系统（7）的结构、云台支架（6）的结构、直升机主旋翼系统（5）和尾桨系统（1）的桨叶、机身侧板结构（4）、尾管（3）、尾桨保护框（2）均采用碳纤维复合材料，只有在需要用螺栓连接的地方采用铝合金支柱进行连接；这样在保证飞机强度的情况下，大大降低了飞机自重，提高了功重比，使飞机的载荷能力与续航能力得到提升；2）三轴前置式云台云台系统（7）设计为三轴式，它是由航向转轴（101）、俯仰转轴（102）、云台内框（103）、云台外框（104）、摄像设备（105）、图像无线传输发射模块（106）、空气阻尼器（107）和云台吊装框架（108）组成，航向转轴与俯仰转轴、云台吊装框架均安装于云台内、外框之间，摄像设备与图像无线传输发射模块均安装于云台内框下部的平板上；其中，该航向转轴，是圆轴类零件，云台系统绕该轴全周旋转；该俯仰转轴，是圆轴类零件，云台系统绕该轴在俯仰方向180度角内转动；该云台内框（103）是圆盒类零件，套在云台外框（104）中转动，使云台系统（7）在横侧方向120度角内改变视角；云台系统（7）搭载摄像设备（105）和图像无线传输发射模块（106）用于图像的采集与实时传输；该云台外框（104）是采用碳纤维材料制成，为云台的骨架；该摄像设备（105）是根据具体的拍摄任务进行更换的，用于在空中进行航拍航摄工作；该图像无线传输发射模块采用频率为5.8GH的无线传输单元，用于将空中所拍摄的画面传输回地面接收器；该空气阻尼器（107）是使用空气作为阻尼介质的隔振原件，用于阻隔飞机高频振动的传递；该云台吊装框架（108）为框架结构，采用高强度铝合金数控加工而成，用于云台系统相互间的连接；对于直升机震动大的问题，设计了云台系统（7）与机身的柔性连接使飞机的震动大大降低；首先将云台支架（6）以悬臂梁的形式通过螺钉连接于机身侧板结构（4）两侧，在云台支架（6）上安装上空气阻尼器（107）这一柔性隔振元件，在空气阻尼器（107）上搭接云台吊装框架（108），云台航向转轴（101）与云台吊装框架（108）相连，如此，通过此空气阻 尼器（107）实现了云台系统（7）与机身的震动隔离；云台系统（7）前置相比于云台系统下置使起落架（9）降低，直升机重心上移，机动性提高，机载设备更敏捷地捕捉画面，并实现全视角观测和拍摄；3）小型集成化地面站小型集成化地面站结构由保护箱（201），图像无线传输接收模块（202），用来录制模拟视频的微型SD卡录像机（203），高亮屏幕（204），电源（205），系统开关（206），云台遥控器（207）组成，他们相互独立且都安装于保护箱内部；此套地面站在一个保护箱（201）内集成了所有的电子设备，能完成云台系统（7）的控制、视频信号的接收与录制、视频拍摄的实时监控任务；该保护箱（201）是能够防水防压的器材箱，用于保护其内部的电子设备；该图像无线传输接收模块（202）是频率为5.8GH的无线传输接收单元用于接收飞机上空中传回的图像；该SD卡录像机（203）是以sd卡为介质的图像储存设备，使用该SD卡录像机（203）在飞机拍摄完一组视频后通过SD卡上的数据回放视频而不用去反复拆装固定于飞机上的高清摄像机，使用SD卡的该录像机抗震动能力要比硬盘录像机高；该高亮屏幕（204）是8英寸亮度为400cd/平方米的工控屏幕，在晴天无遮挡的情况下，很好的观察到屏幕上的图像；该电源是选用了5Ah的免维护铅蓄电池，在不需要大电流放电而且对重量没有非常苛刻的要求的情况下，铅蓄电池的高容量和便于维护的特点更加重要；该系统开关（206）是用于控制整个地面站的电源通断；该云台遥控器是使用了9通道遥控器，用于控制云台在空中的转动；4）图像实时传输云台系统（7）上的摄像设备（105）将采集到的图像通过无线传输发射模块（106）传出，地面站的图像无线传输接收模块（202）实时接收图像，并录制在SD卡录像机（203）中，同时同步显示在高亮屏幕（204）上，用于拍摄的实时监控及控制云台系统（7）的参考。