[发明专利]一种球关节驱动的三轴光电跟踪机架

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

发明内容

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，本发明提出了一种球关节驱动的三轴光电跟踪机架。

本发明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：

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；

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。

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。

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。

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。

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：

在镜筒长度为l时，最大支撑角满足：

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明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。