增稳云台及其控制方法和携带所述增稳云台的无人飞行器.pdf

本发明关于一种增稳云台及其控制方法和应用上述增稳云台的无人飞行器，所述增稳云台用于为搭载于其上的负载设备(如成像设备)提供稳定。所述增稳云台及其控制方法可快速的调整所述负载设备的姿态且电量消耗低。

权利要求书
1.  一种增稳云台，其特征在于，所述增稳云台包括：
框架组件，用于搭载负载设备；
控制组件，其包括：
测量部件，用于获取关于所述负载设备的俯仰轴、横滚轴和航向轴中至少一个轴的状态信息，所述横滚轴与所述负载设备相交；
控制器，用于根据部分所述状态信息计算姿态信息，并根据所述姿态信息输出一个或多个电机信号；以及
电机组件，用于根据所述一个或多个电机信号直接驱动所述框架组件，从而使所述负载设备绕俯仰轴、横滚轴或航向轴中的至少一个轴转动。

2.  根据权利要求1所述的增稳云台，其特征在于，所述负载设备用于获取图像。

3.  根据权利要求1所述的增稳云台，其特征在于，所述测量部件包括一个或多个惯性传感器。

4.  根据权利要求1所述的增稳云台，其特征在于，所述状态信息包括至少所述负载设备的角速度。

5.  根据权利要求1所述的增稳云台，其特征在于，所述框架组件包括：
第一框架构件，与所述负载设备连接；
第二框架构件，其在所述负载设备的所述俯仰轴上与所述第一框架构件转动连接；
第三框架构件，其在所述负载设备的所述横滚轴上与所述第二框架构件转动连接。

6.  根据权利要求5所述的增稳云台，其特征在于，所述电机组件包括：
第一电机，用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号直接驱动所述第一框架构件绕所述俯仰轴转动；
第二电机，用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号直接驱动所述第二框架构件绕所述横滚轴转动。

7.  根据权利要求6所述的增稳云台，其特征在于，所述框架组件还包括第四框架构件，所述第四框架构件在所述负载设备的所述航向轴上与所述第三框架构件转动连接；所述电机组件还包括第三电机，所述第三电机用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号直接驱动所述第三框架构件绕所述航向轴转动。

8.  根据权利要求6所述的增稳云台，其特征在于，所述负载设备和所述第一框架构件的重心位于所述俯仰轴上。

9.  根据权利要求6所述的增稳云台，其特征在于，所述负载设备、所述第一框架构件和所述第二框架构件的重心位于所述横滚轴上。

10.  根据权利要求7所述的增稳云台，其特征在于，所述负载设备、所述第一框架构件、所述第二框架构件和所述第三框架构件的重心位于所述航向轴上。

11.  一种增稳云台，其特征在于，所述增稳云台包括：
框架组件，用于搭载成像设备，其包括：
第一框架构件，其与所述成像设备连接；
第二框架构件，其在所述成像设备的俯仰轴上与所述第一框架构件转动连接；
第三框架构件，其在所述成像设备的横滚轴上与所述第二框架构件转动连接；
控制组件，其包括：
测量部件，用于获取关于所述成像设备的所述俯仰轴、所述横滚轴和航向轴中至少一个轴的状态信息；
控制器，用于根据部分所述状态信息计算姿态信息，并根据所述姿态信息输出一个或多个电机信号；
电机组件，用于根据一个或多个所述电机信号，直接驱动所述框架组件， 从而使所述成像设备绕所述俯仰轴、所述横滚轴以及所述航向轴中的至少一个轴转动。

12.  根据权利要求11所述的增稳云台，其特征在于，所述横滚轴与所述成像设备相交。

13.  根据权利要求11所述的增稳云台，其特征在于，电机组件包括：
第一电机，用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号，直接驱动所述第一框架构件绕所述俯仰轴转动；
第二电机，用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号，直接驱动所述第二框架构件绕所述横滚轴转动。

14.  根据权利要求13所述的增稳云台，其特征在于，所述框架组件还包括第四框架构件，所述第四框架构件在所述负载设备的航向轴上与所述第三框架构件转动地连接；所述电机组件还包括第三电机，所述第三电机用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号，直接驱动所述第三框架构件绕所述航向轴转动。

15.  根据权利要求13所述的增稳云台，其特征在于，所述第一电机的定子固定在所述第一框架构件上；所述第一电机的转子固定在所述第二框架构件上；或者所述第一电机的转子固定在所述第一框架构件上；所述第一电机的定子固定在所述第二框架构件上。

16.  根据权利要求13所述的增稳云台，其特征在于，所述第二电机的定子固定在所述第二框架构件上；所述第二电机的转子固定在所述第三框架构件上；或者所述第二电机的转子固定在所述第二框架构件上；所述第二电机的定子固定在所述第三框架构件。

17.  一种增稳云台，其特征在于，所述增稳云台包括：
框架组件，用于搭载成像设备；
控制组件，其包括：
惯性测量部件，用于获取至少包括所述成像设备的角速度和线性加速度的状态信息；
控制器，用于根据部分所述状态信息计算姿态信息，并根据所述姿态信息输出一个或多个电机信号；
电机组件，用于根据一个或多个所述电机信号直接驱动所述框架组件，从而使所述成像设备绕俯仰轴、横滚轴和航向轴中的至少一个轴转动。

18.  根据权利要求17所述的增稳云台，其特征在于，所述框架组件包括：
第一框架构件，其与所述成像设备连接；
第二框架构件，其在所述成像设备的所述俯仰轴上与所述第一框架构件转动连接；
第三框架构件，其在所述成像设备的所述横滚轴上与所述第二框架构件转动连接，所述横滚轴与所述成像设备相交。

19.  根据权利要求18所述的增稳云台，其特征在于，所述电机组件包括：
第一电机，用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号，直接驱动所述第一框架构件绕所述俯仰轴转动；
第二电机，用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号，直接驱动所述第二框架构件绕所述横滚轴转动。

20.  根据权利要求19所述的增稳云台，其特征在于，所述框架组件还包括第四框架构件，所述第四框架构件在所述成像设备的所述航向轴上与所述第三框架构件转动连接。

21.  根据权利要求20所述的增稳云台，其特征在于，所述电机组件还包括第三电机，所述第三电机用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号，直接驱动所述第三框架构件绕所述航向轴转动。

22.  根据权利要求17所述的增稳云台，其特征在于，所述框架组件还包括用于调节所述框架组件的所述俯仰轴、所述横滚轴或所述航向轴中至少一个轴的调 节构件。

23.  根据权利要求18所述的增稳云台，其特征在于，所述增稳云台还包括连接所述第二框架构件的末端和所述第三框架构件的末端的连接组件，在所述第二框架构件相对于所述第三框架构件转动时，所述连接组件用于支撑和平衡所述第二框架构件。

24.  根据权利要求23所述的增稳云台，其特征在于，所述连接组件包括依次铰连的第一连接件、第二连接件和第三连接件；所述第一连接件的自由端铰接所述第二框架构件的第一末端；所述第三连接件的自由端铰连所述第二框架构件的第二末端；所述第二连接件与所述第三框架构件相连。

25.  根据权利要求24所述的增稳云台，其特征在于，所述电机组件还包括用于直接驱动第二连接件相对于所述第三框架构件旋转的第四电机。

26.  一种无人飞行器，其包括安装基座，其特征在于，所述无人飞行器还包括连接至所述安装基座上的如权利要求1、11或17任意一项所述的增稳云台。

27.  一种控制如权利要求1、11或17任意一项所述的增稳云台的方法，该方法包括：
所述控制组件基于至少部分所述状态信息计算姿态信息；
所述控制组件根据计算出的至少部分的所述姿态信息提供一个或多个的电机信号；
所述电机组件接收一个或多个所述电机信号并直接驱动所述框架组件沿所述俯仰轴、所述横滚轴和所述航向轴中的至少一个轴转动。

28.  一种图像获取方法，其包括：
远程操作无人飞行器接近一个成像物体，其中，所述无人飞行器与如权利要求1、11或17任意一项所述的增稳云台连接；
控制所述增稳云台，稳定被所述增稳云台的所述框架组件所搭载的设备，从而提高所述设备所获取的关于成像物体的图像的质量。

说明书增稳云台及其控制方法和携带所述增稳云台的无人飞行器
技术领域
本发明属于飞行器领域，尤其涉及一种增稳云台及其控制方法和携带所述增稳云台的无人飞行器。
背景技术
一种运载体(例如，飞机，汽车，船舶，机器人或人体)，应用于摄像、摄影和/或监视领域，通常用于搭载负载设备如成像设备(例如，视频摄像机和照相机)或类似装置。所述运载体自身存在高频振动和/或低频震动，引起所述负载设备的类似运动并影响所述负载设备的操作。当所述负载设备为成像设备时，所述运载体的运动有可能使成像设备获取质量较差的图像。
为增强所述负载设备的稳定性，在所述运载体上安装有携带所述负载设备的增稳云台。所述增稳云台可通过检测所述负载设备的姿态变化并反向补偿检测到的姿态变化为所述负载设备增稳。
相关技术中，所述反向补偿采用机械齿轮驱动。然而，所述机械齿轮传动通常具有滞后性。这样，所述机械齿轮传动不适用于提供快速的和动态的调整所述负载设备的姿态。例如，用于抵消所述负载设备的运载体的各种姿态改变。特别是，当所述负载设备为成像设备时，由于所述机械齿轮驱动自身的延迟性，所述成像设备很难提供高质量的图像。
发明内容
目前，对稳定的和快速响应的姿态调整的增稳云台及其控制方法存在相当 大的需求。本发明满足了这些需求且提供了上述优点。
本发明的目的在于提供一种稳定的和快速响应的增稳云台。
本发明是这样实现的：本发明提供了一种用于增稳的增稳云台及其控制方法。本发明一方面提供了一种增稳云台，其包括一框架组件、一控制组件和一电机组件。其中，所述框架组件用于搭载负载设备；所述控制组件包括测量部件和控制器，所述测量部件用于获取关于所述负载设备的俯仰轴、横滚轴和航向轴中至少一个轴的状态信息，所述横滚轴与所述负载设备相交；所述控制器用于根据部分所述状态信息计算姿态信息，并根据所述姿态信息输出一个或多个电机信号；所述电机组件用于根据所述一个或多个电机信号直接驱动所述框架组件，从而使所述负载设备绕俯仰轴、横滚轴或航向轴中的至少一个轴转动。所述负载设备用于获取图像。所述测量部件包括一个或多个惯性传感器。所述状态信息包括至少一个所述负载设备的角速度。所述框架组件包括第一框架构件、第二框架构件和第三框架构件。其中，所述第一框架构件与所述负载设备连接；所述第二框架构件在所述负载设备的所述俯仰轴上与所述第一框架构件转动连接；所述第三框架构件在所述负载设备的所述横滚轴上与所述第二框架构件转动连接。所述电机组件包括第一电机和第二电机。其中，所述第一电机用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号直接驱动所述第一框架构件绕所述俯仰轴转动；所述第二电机用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号直接驱动所述第二框架构件绕所述横滚轴转动。
在一些实施例中，所述框架组件还包括第四框架构件，所述第四框架构件在所述负载设备的所述航向轴上与所述第三框架构件转动连接；所述电机组件还包括第三电机，所述第三电机用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号直接驱动所述第三框架构件绕所述航向轴转动。
在一些实施中，所述负载设备和所述第一框架构件的重心位于所述俯仰轴上。所述负载设备、所述第一框架构件和所述第二框架构件的重心位于所述横滚轴上。所述负载设备、所述第一框架构件、所述第二框架构件和所述第三框 架构件的重心位于所述航向轴上。
根据本发明另一方面提供的增稳云台，其包括用于搭载一成像设备的框架组件、控制组件和电机组件。其中，所述框架组件包括与所述成像设备连接的第一框架构件、在所述成像设备的俯仰轴上与所述第一框架构件转动连接的第二框架构件和在所述成像设备的横滚轴上与所述第二框架构件转动连接的第三框架构件；所述控制组件包括一测量部件和一控制器，其中，所述测量部件用于获取关于所述成像设备的所述俯仰轴、所述横滚轴和航向轴中至少一个轴的状态信息；所述控制器用于根据部分所述状态信息计算姿态信息，并根据所述姿态信息输出一个或多个电机信号；所述电机组件用于根据一个或多个所述电机信号直接驱动所述框架组件，从而使所述成像设备绕所述俯仰轴、所述横滚轴和所述航向轴中的至少一个轴转动。
在一些实施例中，所述横滚轴与所述成像设备相交。所述电机组件包括第一电机和第二电机。其中，所述第一电机用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号直接驱动所述第一框架构件绕所述俯仰轴转动；所述第二电机用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号直接驱动所述第二框架构件绕所述横滚轴转动。所述框架组件还包括第四框架构件，所述第四框架构件在所述负载设备的航向轴上与所述第三框架构件转动连接；所述电机组件还包括第三电机，所述第三电机用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号直接驱动所述第三框架构件绕所述航向轴转动。
在一些实施例中，所述第一电机的定子固定在所述第一框架构件上；所述第一电机的转子固定在所述第二框架构件上；或者所述第一电机的转子固定在所述第一框架构件上；所述第一电机的定子固定在所述第二框架构件上。在一些实施例中，所述第二电机的定子固定在所述第二框架构件上；所述第二电机的转子固定在所述第三框架构件上；或者所述第二电机的转子固定在所述第二框架构件上；所述第二电机的定子固定在所述第三框架构件上。
本发明还提供了一种增稳云台，其包括一框架组件、一控制组件和一电机 组件。所述框架组件用于搭载一成像设备；所述控制组件包括一惯性测量部件和一控制器；所述惯性测量部件用于获取至少包括所述成像设备的角速度和线性加速度的状态信息；所述控制器用于根据部分所述状态信息计算姿态信息，并根据所述姿态信息输出一个或多个电机信号；所述电机组件用于根据一个或多个所述电机信号直接驱动所述框架组件，从而使所述成像设备绕俯仰轴、横滚轴和航向轴中的至少一个轴转动。
在一些实施例中，所述框架组件包括第一框架构件、第二框架构件和第三框架构件。所述第一框架构件与所述成像设备连接；所述第二框架构件在所述成像设备的所述俯仰轴上与所述第一框架构件转动连接；所述第三框架构件在所述成像设备的所述横滚轴上与所述第二框架构件转动连接，所述横滚轴与所述成像设备相交。所述电机组件包括第一电机和第二电机。所述第一电机用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号直接驱动所述第一框架构件绕所述俯仰轴转动。所述第二电机用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号直接驱动所述第二框架构件绕所述横滚轴转动。
在一些实施例中，所述框架组件还包括第四框架构件，所述第四框架构件在所述成像设备的所述航向轴上与所述第三框架构件转动连接。所述电机组件还包括第三电机，所述第三电机用于根据所述一个或多个所述电机信号中的至少一个电机信号直接驱动所述第三框架构件绕所述航向轴转动。所述框架组件还包括用于调节所述框架组件的所述俯仰轴、所述横滚轴或所述航向轴中至少一个轴的调节构件。
在一些实施例中，所述增稳云台还包括连接所述第二框架构件的末端和所述第三框架构件的末端的连接组件，在所述第二框架构件相对于所述第三框架构件转动时，所述连接组件用于支撑和平衡所述第二框架构件。所述连接组件包括依次铰连的第一连接件、第二连接件和第三连接件。其中，所述第一连接件的自由端铰接所述第二框架构件的第一末端；所述第三连接件的自由端铰连所述第二框架构件的第二末端；所述第二连接件与所述第三框架构件相连。在 一些实施例中，所述电机组件还包括直接驱动第二连接件相对于所述第三框架构件旋转的第四电机。
本发明又提供了一种无人飞行器，其包括安装基座和连接在所述安装基座上的如上所述的增稳云台。
本发明还提供了控制如上所述的增稳云台的方法，该方法包括利用所述控制组件基于至少部分所述状态信息计算姿态信息；所述控制组件根据计算出的至少部分的姿态信息提供一个或多个的电机信号；所述电机组件接收一个或多个所述电机信号直接驱动所述框架组件沿所述俯仰轴、所述横滚轴和所述航向轴中的至少一个轴转动。
本发明还提供了图像获取方法，其包括远程操作无人飞行器接近一个成像物体，其中，所述无人飞行器与如上所述的增稳云台连接；控制所述增稳云台，稳定被所述增稳云台的所述框架组件所搭载的所述设备，从而提高所述设备获取关于成像物体的图像质量。
本发明的所述增稳云台可快速的调整携带其上的所述负载设备的姿态且电量消耗低。
附图说明
本发明的新颖性特征特别地陈述在所附的权利要求书中。为更好地理解本发明的特征和优点，可通过参考下面阐明的实施例中的本发明的原理和附图获得：
图1为本发明的第一种实施例的增稳云台的结构示意图，其中所述增稳云台上携带有负载设备。
图2为本发明的第二种实施例的增稳云台的分解示意图一，其中所述增稳云台上携带有负载设备。
图3为本发明的第二种实施例的增稳云台的分解示意图二，其中所述增稳 云台上携带有所述负载设备。
图4为本发明的第二种实施例的所述增稳云台的分解示意图一，其中所述增稳云台上携带有所述负载设备。
图5为本发明的第二种实施例的所述增稳云台的结构示意图一，其中所述增稳云台上携带有所述负载设备。
图6为本发明的第二种实施例的增稳云台的结构示意图二，其中所述增稳云台上携带有所述负载设备。
图7为携带有本发明的增稳云台的无人飞行器的结构示意图，其中所述增稳云台上还携带有负载设备。
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。
一种为负载设备增稳的增稳云台和所述增稳云台的控制方法。在一些实施例中，所述负载设备包括成像设备(包括但不限于摄像机或照相机)和非成像设备(包括但不限于麦克风或采样器)。所述增稳云台，如照相机支架，可为所述负载设备提供支撑，并增强所述负载的稳定性。所述增稳云台包括用于搭载所述负载设备的框架组件、控制组件和电机组件。所述控制组件包括测量部件，其用于检测或获取与所述负载设备相关联的状态信息。所述状态信息包括速度、方向、姿态、重力、加速度、位置和/或所述负载设备的其他的物理状态。例如，所述状态信息可包括所述负载设备的角速度、和/或线性的速度、和/或加速度、方向或倾角。在一些实施例中，所述测量部件包括惯性测量元件。所述惯性测量元件包括一个或多个陀螺仪、速度传感器、加速度计、磁力计等类似物。在其它实施例中，其他类型的状态检测传感器可用来代替或附加于所述惯性测量 元件。
所述控制组件还包括一基于所述测量部件所获取的所述状态信息计算与所述负载设备相关联的姿态信息的控制器。例如，检测到所述负载设备的角速度和/或线性加速度可用来计算所述负载设备关于所述负载设备的俯仰轴(旋转轴X)、横滚轴(旋转轴Y)和航向轴(旋转轴Z)的姿态。
基于计算出的所述负载设备的姿态，所述增稳云台可生成用于控制所述电机组件的一个或多个电机信号。所述电机组件用于直接驱动所述框架组件绕所述负载设备的所述俯仰轴、所述横滚轴或所述航向轴中的至少一个轴的转动，以调整所述负载设备的姿态(如，一成像设备的拍摄角度)。所述电机组件包括一个或多个分别连接到所述负载设备的一个或多个旋转轴(例如，所述俯仰轴、所述横滚轴或航向轴)的电机。在一些实施例中，一个或多个旋转轴(例如，所述俯仰轴、所述横滚轴和航向轴)与所述负载设备相交。
在一些实施例中，在所述负载设备正常操作情况下(如指向垂直向下时)，所述负载设备执行转动命令进行旋转时，不会出现“万向节死锁”的问题。例如，在优选实施例中，所述转动命令包括从旋转轴的最内侧到最外侧的俯仰、横滚和航向。
在本发明中，所述电机组件用于直接驱动所述框架组件，使所述负载设备绕所述旋转轴转动。与机械齿轮传动机构的使用相比，直驱式电机的使用提供了在电机无级调速的同时降低电量消耗。此外，采用直驱式电机，由于电机的响应时间更快，所述载体的姿态变化和所述增稳云台相应的补偿变化之间的响应时间降低了。因此，所述负载设备的指向可迅速调整(例如，指向一移动的成像目标)。在某些情况下，可保持所述负载设备预定的位置或姿态。此外，所述负载设备可增稳从而消除不需要的运动，如所述运载体或其他外部因素引起的振动或震动。当所述负载设备为成像设备时，可提高所述成像设备所获取的图像的质量。
本发明的第一种实施例：
图1为本发明的第一种实施例的增稳云台的结构示意图。所述增稳云台可搭载负载设备1，如成像设备或非成像设备(例如，麦克风、粒子探测器或采样器)。在所述成像设备的视野内，所述成像设备用于获取和/或传输一个或多个成像物体的影像。所述成像设备可为包括照相机、摄像机、带摄像头的手机或具有捕获光信号的能力的任何装置。所述非成像设备可为包括如采集或扩散声音、粒子、液体或类似的任何其它设备。例如，所述非成像设备为包括麦克风、扬声器、粒子或辐射探测器或洒水工具等。
在一些实施例中，所述增稳云台可适于安装或连接到一可移动物体，如机动和非机动车辆或船只、机器人、人体或动物体等类似物。例如，所述增稳云台可通过一安装基座安装到一载人或无人飞行器(UAV)上。
如图1所示，两轴式所述增稳云台可为安装其上的所述负载设备1提供两个旋转轴。特别是，所述负载设备1可绕俯仰轴14和横滚轴16转动。所述增稳云台包括框架组件、控制组件和电机组件。所述框架组件包括第一框架构件2、第二框架构件4和第三框架构件6。所述第一框架构件2用于与所述负载设备1(如成像设备)连接。在一些实施例中，所述第一框架构件2上固定有所述负载设备1，例如所述第一框架构件2和所述负载设备1作为一个整体转动。沿旋转轴X(俯仰轴)14，所述第一框架构件2可转动连接到所述第二框架构件4。在旋转轴Y(横滚轴)16上，所述第二框架构件4可转动连接到所述第三框架构件6。在各种实施例中，所述负载设备1形状、大小和其他特征不限于图1所示的那样。在其他实施例中，所述负载设备1的形状可以是矩形、球形、椭圆形或其他形状。
在本实施例中，所述电机组件包括第一电机3和第二电机5。所述第一电机3用于直接驱动所述第一框架构件2绕旋转轴X(俯仰轴)14相对于第二构件4转动。所述第二电机5用于直接驱动所述第二框架构件4绕旋转轴Y(横滚轴)16转动。与机械传动方式相比，直驱式电机(例如，紧凑型电机或微型电机)至少提供了以下好处：(1)直驱式电机通常需要相对较少的能源(电量)，这样可提高能源 效率和保护环境；(2)电机可通过无级方式控制，减少响应时间，能够快速及时的调整以响应运载体不同姿态的变化。因此，可提高所述负载设备1(例如，成像设备)的稳定性。
在一些实施例中，为了进一步增稳，所述增稳云台可提供额外的支撑结构。当然，所述支撑结构为可选择性的，并不是本发明的所有的实施例都需要。当所述负载设备1与所述第一框架构件2作为一个整体转动时，所述负载设备1与所述第一框架构件2放置在所述第二框架构件4的两个自由端之间，如图1所示，所述第二框架构件4的两个自由端向外延伸。当所述第二电机5驱动的所述第二框架构件4旋转时，所述第二框架构件4的两个自由端越长，所述第一框架构件2和所述负载设备1的重心与所述第二框架构件4的支点越远。在所述第二框架构件4转动时，从而导致所述第二框架构件4和所述负载设备1的不稳定(例如，震动)。如图1所示，为了降低和消除所述第二框架构件4的不稳定性，所述增稳云台可进一步包括用以提供额外的支撑的连接组件12。所述连接组件12的两个自由端可分别可转动连接在所述第二框架构件4的两个自由端上，所述连接组件12通过一紧固件13与所述第三框架构件6相连接。在其他的实施例中，所述连接组件12的两个自由端铰连所述第二框架构件4，用以形成平行四边形结构的一部分(平行四杆构件)。根据平行四边形原理，当所述第二框架构件4相对于所述第三框架构件6转动一定角度时，所述连接组件12会随之转动相应的角度，不会明显的影响所述第二框架构件4的转动轨迹。此外，所述连接组件12通过所述紧固件13与所述第三框架构件6相连接，从而沿竖直方向上为所述第二框架构件4的两个自由端提供有效的支撑并增加所述第二框架构件4的负载能力和刚度。因此，减少所述第二框架构件4的变形，例如，由所述负载设备1的重量引起的变形。另外，所述连接组件12提供额外的支撑，可降低所述第二框架构件4自身的尺寸和/或重量。相应地，亦可减少用于直接驱动所述第二框架构件4的所述第二电机5的尺寸(例如，直径)。
如图2所示，在一些实施例中，所述连接组件12包括依次铰连的第一连接件121、第二连接件122和第三连接件123。所述第一连接件121的自由端铰接 所述第二框架构件4的第一末端，所述第三连接件123的一个自由端铰连所述第二框架构件4的第二末端，所述第二连接件122与所述第三框架构件6连接，这样所述连接组件12和所述第二框架构件4共同形成平行四边形的一部分。优选地，为了增强平行四边形的稳定性，在所述第二连接件122的中点，所述第二连接件122连接到所述第三框架构件6上(例如，通过紧固件13)。
如图1所示，在一些实施例中，为了将所述连接件12与所述第三框架构件6相连，所述增稳云台提供有安装臂10。如图所示，所述安装臂10的一端与所述第三框架构件6连接，所述安装臂10的另一端设有用于与所述紧固件13连接的定位孔11。所述第二连接件122通过所述紧固件13固定在安装臂10上。
在优选的实施例中，所述第一框架构件2的旋转轴X(俯仰轴)14与所述第二框架构件4的旋转轴Y16正交设置，以允许电机容易地且及时地调整所述框架组件。在其它实施例中，所述旋转轴X14和旋转轴Y16亦可彼此不相正交设置。
在一些实施例中，所述第一电机3的定子固定在所述第一框架构件2上；所述第一电机3的转子固定在所述第二框架构件4上。在这些实施例中，所述第一电机3用于直接驱动所述第二框架构件4，从而使所述第一框架构件2相对于第二构件4转动。同样，在一些实施例中，所述第二电机5的定子固定在所述第三框架构件6上；所述第二电机5的转子固定在所述第二框架构件4。在这些实施例中，所述第二电机5用于直接驱动所述第二框架构件4，从而使所述第二框架构件4相对于所述第三框架构件6转动。当然，所述第一电机3的定子和转子的位置可以互换。同样，所述第二电机5的定子和转子的位置亦可以互换。
为进一步增强所述负载设备1的稳定性，所述第一框架构件2和所述负载设备1作为一个整体的重心最好位于所述第一框架构件2的旋转轴X(俯仰轴)14上。在一些实施例中，所述俯仰轴14与所述负载设备1相交。，当所述第一框架构件2和所述负载设备1的重心安装在所述第一框架构件2的旋转轴X14上，所述第一框架构件2转动至任意角度均不会产生转动力矩。故，所述第一框架 构件2不会因为力矩而来回晃动。因此，增强转动过程中的所述负载设备1的稳定性。此外，在优选实施例中，当运载体顺畅地移动，也就是，仅需要很小的电机驱动或无需电机驱动时，所述第一框架构件2和所述负载设备1都处于动态平衡状态。
同样道理，如图1所示，在优选实施例中，为提增强稳定性和避免绕旋转轴Y(横滚轴)16转动而产生转动力矩，所述第一框架构件2、所述第二框架构件4和所述负载设备1作为一个整体的重心位于所述第二框架构件46的旋转轴Y16上。在一些实施例中，所述旋转轴Y(横滚轴)16与所述负载设备1相交。
在一些实施例中，所述框架组件包括一个或多个调节所述框架构件的尺寸或旋转轴的调节构件。所述调节构件可允许所述框架组件收容不同尺寸、形状和/或重量的所述负载设备1。此外，所述调节构件的设置是必要的，如上述讨论的那样：使重心对齐所述旋转轴。具体地，所述负载设备1和所述第一框架构件2作为一个整体时的重心在俯仰轴(旋转轴X)14上，和/或将所述负载设备1、所述第一框架构件2和所述第二框架构件4作为一个整体时的重心在所述第二框架构件46的所述横滚轴16上。如图1所示，所述第一框架构件2包括一个或多个用于调节所述负载设备1和/或所述第一电机3相对于所述第一框架构件2的相对位置的调节构件19(例如，狭缝，孔)。所述调节构件19可使所述负载设备1与所述第一框架构件2作为一个整体时的重心在所述第一电机3的旋转轴14上。另一个例子，所述第二框架构件4可包括一个或多个用于调节所述第一框架构件2相对于所述第二框架构件4的相对位置的调节构件20。所述调节构件20可根据所述负载设备1的大小或形状，使所述第一框架构件2远离或靠近所述第二框架构件4的支点。另一个实施例，所述第二框架构件4可包括一个或多个用于调节所述第二电机5相对于所述第二框架构件4的相对位置的调节构件22。所述调节构件22可使所述负载设备1、所述第一框架构件2和所述第二框架构件4作为一个整体时的重心在所述第二电机5的旋转轴16上。所述第三框架构件6包括一个或多个用于改变所述第二框架构件4相对于所述第三框架构件6位置的调节构件23。所述第三框架构件6亦包括一个或多个改变所 述第三框架构件6的尺寸以适应各种大小的所述负载设备1的调节构件24。
在优选的实施例中，所述第一电机3或所述第二电机5中的至少一个采用无刷直流电机实现。无刷直流电机具有以下优点：(1)性能可靠，减少磨损和/或故障率，并且由于具有代替机械换向器的电子换相，使用寿命比有刷电机更长(约六倍)；(2)低空载电流，因为无刷直流电机是静态的电机；(3)效率高；(4)体积小。在各种实施例中，其他类型的电机，也可以用来代替无刷直流电机。
在一些实施例中，所述控制组件包括一控制器和一测量部件。所述测量部件用于测量或获取与所述负载设备1相关联和/或目标物体(不是所述负载设备1，如所述框架组件、所述电机组件和所述运载体等)的状态信息。所述测量部件可包括惯性测量单元、指南针、GPS收发器，或其他类型的测量元件或传感器。例如，所述测量部件可包括一个或多个用于检测角速度的陀螺仪和一个或多个用于目标物体(例如，所述负载设备1、所述框架组件和/或所述运载体)的线性和/或角的加速度计。所述状态信息可包括所述目标物体的角和/或线性速度和/或加速度和位置信息等类似信息。这样的所述状态信息可是相对的或绝对的。在一些实施例中，所述测量部件用于测量目标物体的一个以上的旋转轴的状态信息。在一些实施例中，所述测量部件可获取涉及至少两个旋转轴的信息。例如，所述测量部件可获取涉及到检测对象的所述俯仰轴14和所述横滚轴16两个轴的信息。或者，所述状态信息可为关于目标物体的所述俯仰轴14、所述横滚轴16和航向轴18三个轴的。在各种实施例中，所述测量部件可连接到所述负载设备1、所述框架组件、所述电机组件、所述运载体或类似物上。
在一些实施例中，基于所述测量元件检测到的所述状态信息，所述控制器用于根据部分所述状态信息计算姿态信息，并根据所述姿态信息输出一个或多个电机信号。所述姿态信息可包括目标物体的所述俯仰轴14、所述横滚轴16和所述航向轴18、所述目标物体相对于上述三个轴的方向或倾角、速度和/或加速度等。在某些情况下，所述姿态信息可基于角速度信息(例如，由所述检测部件提供或其他来源)计算。在其他情况下，所述姿态信息可基于角速度信息和线性 加速度信息两者计算。例如，所述线性加速度信息可用来修改和/或纠正所述角速度信息。
所述控制器基于所述姿态信息可产生一个或多个电机信号，所述电机信号用于引起所述电机(例如，所述第一电机3和所述第二电机5)的正转、反转和调节转速。所述电机(例如，所述第一电机3和所述第二电机5)可根据一个或多个电机信号直接驱动所述框架组件的相应部分转动。作为一个结果，所述负载设备1可绕至少一个所述俯仰轴14或所述横滚轴16转动。这种转动可增稳所述负载设备1和/或使所述负载设备1保持预定的位置或姿态。
本发明的第二种实施例：
本发明的第二种实施例的增稳云台。如图2至图6所示，所述第二种实施例的所述增稳云台与图1所示第一种实施例的所述增稳云台相似。在本实施例中，所述增稳云台用于放置或者以其他方式与移动物体连接，所述移动物体包括机动或非机动车辆或船舶、机器人、人体、动物体或其他类似物。例如，所述增稳云台可通过一安装基座安装到一个载人或无人飞行器(UAV)上。
然而，如图2至图6所示，代替第一种实施例中的所述两轴式增稳云台，所述第二种实施例的所述增稳云台为放置其上的负载设备1提供三个旋转轴。更具体地说，如图2所示，所述负载设备1可绕俯仰轴(旋转轴X)14、横滚轴(旋转轴Y)16和航向轴(旋转轴Z)18转动。三轴式的所述增稳云台包括支撑所述负载设备1(例如，成像设备，如照相机)的框架组件、电机组件和控制组件。
如图2所示，所述框架组件包括第一框架构件2、第二框架构件4、第三框架构件6和第四框架构件8。所述第一、第二和第三框架构件2、4和6可与结合图1所描述的那些构件类似。特别是，所述第一框架构件2适用于与所述负载设备1(如成像设备)连接。在一些实施例中，所述负载设备1固定到所述第一框架构件2上，例如所述负载设备1与所述第一框架构件2作为一个整体转动。绕所述旋转轴X(俯仰轴)14，所述第二框架构件4和所述第一框架构件2转动连接，使所述第一框架构件2和所述负载设备1可俯仰转动。在旋转轴Y(横滚轴)16 上，所述第二框架构件4与所述第三框架构件6转动连接，从而所述第二框架构件4在旋转轴16上相对于所述第三框架构件6转动，致使所述第一框架构件2和所述负载设备1作为一个整体转动。因此，为保持所述负载设备1的稳定(例如，一个预定的姿态)，当所述运载体左倾或向右倾时，所述负载设备1可适应性的右倾或左倾。在所述航向轴18上，所述第三框架构件6与所述第四框架构件8转动连接，使所述负载设备1周向旋转(例如，360度旋转)，例如，为了执行全景摄影。在一些实施例中，所述第四框架构件8可用于安装于所述增稳云台或便携式的所述运载体上。此处，所述运载体为飞行器、汽车、船舶、机器人、人体或其他移动物体。另一个例子，所述增稳云台可为手持式的，例如，动态拍摄或摄影。
在实施例中，所述电机组件包括第一电机3、第二电机5和第三电机7。绕所述旋转轴X(俯仰轴)14，所述第一电机3用于直接驱动所述第一框架构件2相对于第二构件4转动。绕所述旋转轴Y(横滚轴)16，所述第二电机5用于直接驱动所述第二框架构件4转动。绕所述旋转轴Z(航向轴)18，所述第三电机7用于直接驱动所述第三框架构件6转动。使用直驱式电机的优点已经在上面结合附图1讨论过。
也如结合图1讨论的，所述增稳云台可进一步包括提供额外的支撑或稳定的额外结构。例如，类似于图1描述的所述连接组件12或，例如，当所述第二框架构件4相对于所述第三框架构件6旋转时，可提供加强或稳定所述第二框架构件4的类似的结构。
在一些实施例中，在所述负载设备正常操作情况下(如指向垂直向下时)，所述负载设备执行转动命令进行旋转时，不会出现“万向节死锁”的问题。例如，在优选实施例中，所述转动命令包括从旋转轴的最内侧到最外侧的俯仰、横滚和航向。
在优选的实施例中，所述第一框架构件2的所述旋转轴X(俯仰轴)14，所述第二框架构件4的所述旋转轴Y(横滚轴)16和所述第三框架构件6的所述旋转轴 Z(航向轴)18彼此正交设置。上述设置可允许电机便捷且及时地调整所述框架组件的转角。在其它实施例中，所述旋转轴X14、所述旋转轴Y16和所述旋转轴Z18可以彼此不相正交设置。
如结合图1讨论的，在一些实施例中，所述第一电机3的定子固定在所述第一框架构件2上；所述第一电机3的转子固定在所述第二框架构件4上。在这样的实施例中，所述第一电机3用于直接驱动所述第二框架构件4，从而使所述第一框架构件2相对于所述第二框架构件4转动。同样，在一些实施例中，所述第二电机5的定子固定在所述第三框架构件6上；所述第二电机5的转子固定在所述第二框架构件4上。在这样的实施例中，所述第二电机5用于直接驱动所述第二框架构件4相对于所述第三框架构件6转动。同样，在一些实施例中，所述第三电机7的定子固定在所述第四框架构件8上；所述第三电机7的转子固定在所述第三框架构件6上。在这样的实施例中，所述第三电机7可直接驱动所述第三框架构件6相对于所述第四框架构件8转动。所述第三电机7可通过支架9连接到所述第四框架构件8上。换而言之，所述第一电机3、所述第二电机5和所述第三电机7的定子和转子的位置可以互换。
如结合图1讨论的，为增强所述增稳云台的稳定性，所述第一框架构件2和所述负载设备1作为一个整体的重心最好位于所述第一框架构件2的所述旋转轴X(俯仰轴)14上。在一些实施例中，所述俯仰轴14与所述负载设备1相交。同样，所述第一框架构件2、所述第二框架构件4和所述负载设备1作为一个整体的重心位于所述第二框架构件46的所述旋转轴Y(横滚轴)16上。在一些实施例中，所述旋转轴Y(横滚轴)16与所述负载设备1相交。同样，所述第一框架构件2、所述第二框架构件4、所述第三框架构件6和所述负载设备1作为一个整体的重心最好位于所述第三框架构件6的所述旋转轴Z(航向轴)18上。在一些实施例中，所述旋转轴Z(航向轴)18与所述负载设备1相交。
如结合图1讨论的，在一些实施例中，所述框架组件包括一个或多个调节所述框架构件的尺寸或旋转轴的调节构件。所述调节构件可允许所述框架组件 收容不同尺寸、形状和/或重量的所述负载设备1。所述调节构件的设置是必要的，如上述讨论的那样：使重心对齐所述旋转轴。再结合图2所示，所述第一框架构件2包括一个或多个用于调节所述负载设备1和/或所述第一电机3相对于所述第一框架构件2的相对位置的调节构件19(例如，狭缝，孔)。所述调节构件19可使所述负载设备1与所述第一框架构件2作为一个整体时的重心位于所述第一电机3的所述旋转轴X14上。所述第二框架构件4包括一个或多个用于调节所述第一框架构件2相对于所述第二框架构件4的相对位置的调节构件20。所述调节构件20可根据所述负载设备1的大小或形状，使所述第一框架构件2远离或靠近所述第二框架构件4的支点。所述第二框架构件4还包括一个或多个用于调节所述第二电机5相对于所述第二框架构件4的相对位置的调节构件22。所述调节构件22可使所述负载设备1、所述第一框架构件2和所述第二框架构件4作为一个整体时的重心位于所述第二电机5的旋转轴16上。所述第三框架构件6包括一个或多个用于改变所述第二框架构件4相对于所述第三框架构件6相对位置的调节构件23。所述第三框架构件6亦包括一个或多个改变所述第三框架构件6的尺寸以适应各种大小的所述负载设备1的调节构件24。此外，所述第三框架部件6还包括一个或多个用于调节第三电机7和/或所述第四框架构件8相对于所述第三框架构件6的位置的调节构件25。同样地，所述第四个框架构件8包括一个或多个用于调整所述第三框架构件6和/或所述第三电机7相对于所述第四框架构件8的位置的调节构件26。
在优选的实施例中，所述第一电机3、所述第二电机5或所述第三电机7中的至少一个采用无刷直流电机实现。结合图1讨论的，首选无刷直流电机，因为他可提供或确保性能可靠，减少磨损和故障率，使用寿命长，低空载电流，效率高并且体积小。在各种实施例中，在各种实施例中，其他类型的电机也可以用来代替无刷直流电机。
在一些实施例中，所述控制组件与图1所描述的类似。特别是，所述控制组件包括一控制器和一测量部件。所述测量部件用于测量与目标物体(例如，所述负载设备，所述框架组件，和/或运载体)相关联的状态信息。所述状态信息可 涉及一个以上的所述目标物体的旋转轴(例如，俯仰轴14，横滚轴16和航向轴)。在一些实施例中，所述测量部件用于检测或获取与所述负载设备1相关联的状态信息。在一些实施例中，基于所述测量元件检测到的所述状态信息，所述控制器用于计算目标物体的姿态信息并输出提供一个或多个基于所述姿态信息的电机信号。所述姿态信息可包括目标物体的所述俯仰轴14、所述横滚轴16和所述航向轴18、所述目标物体相对于上述三个轴的方向或倾角、速度和/或加速度等。所述姿态信息可基于角速度信息和/或线性加速度信息(例如，所述检测部件提供的或其他来源)计算。
基于所述姿态信息，所述控制器可产生一个或多个电机的信号，所述电机信号用于引起所述电机(例如，所述第一电机3、所述第二电机5和所述第三电机7)的正转、反转和调节转速。所述电机(例如，所述第一电机3所述第二电机5和所述第三电机7)可根据一个或多个电机信号直接驱动所述框架组件的相应部分转动。作为一个结果，例如，为保持稳定的位置或姿态，所述负载设备1绕至少一个所述俯仰轴14、所述横滚轴16或航向轴18转动。
本发明的第三种实施例：
本发明的第三种实施例的增稳云台。所述第三种实施例的所述增稳云台所述第一种实施例和第二种实施例相似，除了所述紧固件13用直接驱动所述第二连接件12相对于所述第三框架构件6旋转的第四电机代替。这样第二连接件12带动所述第二框架构件4随之转动。因此，第四电机可起到辅助所述第二电机5的作用。当然，在一些实施例中，所述第四电机可取代所述第二电机5，作为所述第二框架构件4相对所述第三框架构件6转动的动力源。在这样的实施例中，完全不需要所述第二电机5，所述电机组件只包括所述第一电机3、所述第三电机7和所述第四电机。
在各种实施例中，所述增稳云台可安装或以其他方式连接到一个如上所述的移动物体上。图7示出了本发明的第三实施例的携带所述增稳云台704的一无人飞行器(UAV)702结构示意图，其中所述增稳云台设有负载设备1。所述增 稳云台704与结合图1讨论的两轴式的所述增稳云台类似或者与结合图2至图6讨论的三轴式的所述增稳云台类似。所述负载设备706可包括一个成像设备(照相机)或如上讨论的非成像设备。所述增稳云台可通过一安装基座安装至所述无人飞行器上。
在操作过程中，根据需要，所述无人飞行器可被远程控制接近一成像物体。随后，控制所述增稳云台，例如，通过控制组件或遥控，来增强所述增稳云台稳定性，从而使所述负载设备获取所述成像物体的高质量的图像。例如，所述增稳云台的所述测量部件可计算所述负载设备和/或无人飞行器的姿态信息，为所述电机组件提供电机信号，从而直接驱动所述框架组件转动，并起到如下作用：1)增加所述负载设备对于所述成像物体的稳定性。和/或2)保持所述负载设备相对于所述成像物体预定的姿态。
以上描述了本发明的优选实施例，明显的，对本领域的技术人员这些实施例仅是举例说明。本领域技术人员根据上述实施例作出的各种选择、修正或替换都不会脱离本发明的精神。应当理解对本发明上述实施例的各种变形都可应用于本发明。所述实施例的意图是覆盖下附的权利要求所限定的本发明的范围和这些权利范围内的所有方法、结构和其等同物。