一種飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)電控制技術(shù)領(lǐng)域，具體是通過陀螺儀進(jìn)行飛行員頭盔方位姿態(tài)測(cè)量，并完成三自由度機(jī)構(gòu)跟隨的一種飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀。
【背景技術(shù)】
[0002]飛行員頭盔隨動(dòng)系統(tǒng)是近年來逐步得到發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，通過計(jì)算飛行員頭盔繞獨(dú)立坐標(biāo)軸的偏轉(zhuǎn)角度，傳遞給控制系統(tǒng)，控制并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)做出跟隨動(dòng)作，從而加快了目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)及鎖定速度。這種跟隨系統(tǒng)不僅可以用于飛行員頭盔，還可以用于火炮等軍事裝備以及民用領(lǐng)域。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，飛行員頭盔隨動(dòng)系統(tǒng)的原理及實(shí)例在部分國(guó)家的軍隊(duì)中已經(jīng)有了初步的探索應(yīng)用，在自動(dòng)控制原理課程有相應(yīng)的原理介紹，但是只是說教式的知識(shí)傳授與理論研宄，需要開發(fā)出一種演示儀器，能夠直觀地展現(xiàn)出通過陀螺儀測(cè)量角度單片機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的精確控制，加上圖像對(duì)比部分，實(shí)現(xiàn)跟隨機(jī)構(gòu)對(duì)特定目標(biāo)的跟蹤和瞄準(zhǔn)。
[0004]由于這項(xiàng)技術(shù)研宄尚未普遍展開，并且出于技術(shù)保密原因，相關(guān)已有技術(shù)實(shí)例無從查找。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決飛行員頭盔隨動(dòng)機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)研宄的空白及教學(xué)工作中沒有相應(yīng)演示儀的問題。
[0006]一種飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀，包括:飛行員頭盔拍攝模塊，三自由度機(jī)構(gòu)拍攝模塊和終端軟件界面三部分，這三部分之間兩兩通過信號(hào)傳輸線連接。
[0007]飛行員頭盔拍攝模塊包括:頭藍(lán)，攝像頭a和三軸陀螺儀模塊；
[0008]攝像頭a固定在頭盔的正上方，采集飛行員正前方畫面?zhèn)鬏數(shù)浇K端軟件界面；三軸陀螺儀模塊固定于頭盔的內(nèi)部，精確地測(cè)量飛行員頭部繞空間笛卡爾坐標(biāo)系各軸的偏轉(zhuǎn)角，并將X軸，Y軸和Z軸的轉(zhuǎn)角信息傳遞給三自由度機(jī)構(gòu)拍攝模塊。
[0009]三自由度機(jī)構(gòu)拍攝模塊包括:攝像頭b，舵機(jī)，三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，單片機(jī)和電源豐吳塊；
[0010]舵機(jī)共有三個(gè)，其中一個(gè)安裝在單片機(jī)與三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接的轉(zhuǎn)軸處，另外兩個(gè)固定安裝在三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)其余兩個(gè)轉(zhuǎn)軸處，三個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸分別與笛卡爾坐標(biāo)系的X軸，Y軸和Z軸平行，分別控制三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)沿X軸，Y軸和Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電源模塊為單片機(jī)供電，單片機(jī)將三軸陀螺儀模塊輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換后發(fā)出PWM信號(hào)作為指令控制三個(gè)舵機(jī)，攝像頭b設(shè)置在三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)上方，使攝像頭b與攝像頭a初始時(shí)刻所采集的畫面一致，并傳輸給終端軟件界面；
[0011]終端軟件界面包括:三自由度機(jī)構(gòu)軟件界面和頭盔軟件界面；通過終端軟件界面時(shí)時(shí)更新展示，對(duì)比得到跟隨效果。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0013](I)、一種飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀，利用現(xiàn)有單片機(jī)和三軸陀螺儀等低成本器件設(shè)計(jì)，便于推廣，該演示儀不僅能夠用于隨動(dòng)系統(tǒng)的理論研宄，而且也能夠?yàn)槿粘?shí)踐教學(xué)提供良好的硬件支持。
[0014](2)、一種飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀，用三軸陀螺儀可精確測(cè)量飛行員頭部運(yùn)動(dòng)，在成本與性能之間取得平衡，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于推廣，既可用于理論研宄，例如隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)等，又可為實(shí)踐教學(xué)提高硬件支持。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明一種飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0016]圖2是本發(fā)明一種飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀的信號(hào)傳遞示意圖。
[0017]圖中:1攝像頭a，2頭盔，3三軸陀螺儀模塊，4攝像頭b，5舵機(jī)，6三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，7單片機(jī)，8電源模塊，9三自由度機(jī)構(gòu)軟件界面，10—頭盔軟件界面，11—終端軟件界面，12—信號(hào)傳輸線。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019]一種飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀，如圖1所示，包括:飛行員頭盔拍攝模塊，三自由度機(jī)構(gòu)拍攝模塊和終端軟件界面11三部分，這三部分之間兩兩通過信號(hào)傳輸線12連接。
[0020]其中，飛行員頭盔拍攝模塊包括:飛行員的頭盔2，攝像頭al和三軸陀螺儀模塊3，
[0021]頭盔2為普通樹脂制作，方便二次改進(jìn)。
[0022]攝像頭al固定在飛行員頭盔2的正上方，鏡頭拍攝飛行員正前方畫面，并通過信號(hào)傳輸線12將采集的畫面?zhèn)鬏數(shù)浇K端軟件界面11 ;三軸陀螺儀模塊3為MPU-6050模塊，固定于頭盔2的內(nèi)部，通過測(cè)定繞X軸，Y軸和Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，能夠精確地測(cè)量飛行員頭部繞空間笛卡爾坐標(biāo)系各軸的偏轉(zhuǎn)角，并通過信號(hào)傳輸線12將X軸，Y軸和Z軸的轉(zhuǎn)角信息傳遞給三自由度機(jī)構(gòu)拍攝模塊。
[0023]三自由度機(jī)構(gòu)拍攝模塊包括:攝像頭b4，舵機(jī)5，三由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)6，單片機(jī)7和電源模塊8 ；
[0024]舵機(jī)5共有三個(gè)，選用其中一個(gè)舵機(jī)5安裝在單片機(jī)7與三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)6的連接轉(zhuǎn)軸處，另外兩個(gè)舵機(jī)5固定安裝在三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)6的其余兩個(gè)轉(zhuǎn)軸處，三個(gè)舵機(jī)5的轉(zhuǎn)軸分別與笛卡爾坐標(biāo)系的X軸，Y軸和Z軸平行。
[0025]電源模塊8為單片機(jī)7供電，單片機(jī)7為Arduino，分別與三個(gè)舵機(jī)5相連，將三軸陀螺儀模塊3輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換后發(fā)出一系列PWM信號(hào)作為指令控制三個(gè)舵機(jī)5，三個(gè)舵機(jī)5為RB-150MG舵機(jī)，控制三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)6繞X軸，Y軸和Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中上下方向設(shè)定為Y軸，左右方向設(shè)定為X軸，前后方向設(shè)定為Z軸；三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)6由鋁合金材料構(gòu)成，便于舵機(jī)5的安裝。
[0026]攝像頭b4設(shè)置在二自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)6上方，鏡頭與攝像頭al鏡頭方向設(shè)置一致，對(duì)同一個(gè)畫面進(jìn)行采集，同時(shí)通過信號(hào)傳輸線12傳輸給終端軟件界面11 ;
[0027]終端軟件界面11包括:三自由度機(jī)構(gòu)軟件界面9和頭盔軟件界面10 ；
[0028]飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀的信號(hào)傳遞如圖2所示，當(dāng)飛行員頭部運(yùn)動(dòng)時(shí)，三軸陀螺儀模塊3測(cè)量出頭部偏離空間笛卡爾坐標(biāo)系各軸的偏轉(zhuǎn)角度，通過信號(hào)傳輸線12傳輸給單片機(jī)7，同時(shí)攝像頭al拍攝飛行員正前方畫面，并傳輸?shù)浇K端軟件界面11。
[0029]單片機(jī)7將三軸陀螺儀模塊3輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換后，發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令控制三個(gè)舵機(jī)5，控制三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)6繞X軸，Y軸和Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生跟隨動(dòng)作。攝像頭b4鏡頭拍攝三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)6的跟隨畫面，同時(shí)通過信號(hào)傳輸線12傳輸給終端軟件界面11 ;
[0030]通過終端軟件界面11上時(shí)時(shí)進(jìn)行更新展示，通過對(duì)比即可看出跟隨效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀，其特征在于，包括飛行員頭盔拍攝模塊，三自由度機(jī)構(gòu)拍攝模塊和終端軟件界面三部分，這三部分之間兩兩通過信號(hào)傳輸線連接； 飛行員頭盔拍攝模塊包括:頭盔，攝像頭a和三軸陀螺儀模塊； 攝像頭a固定在頭盔的正上方，采集飛行員正前方畫面?zhèn)鬏數(shù)浇K端軟件界面；三軸陀螺儀模塊固定于頭盔的內(nèi)部，測(cè)量飛行員頭部繞空間笛卡爾坐標(biāo)系各軸的偏轉(zhuǎn)角，并將X軸，Y軸和Z軸的轉(zhuǎn)角信息傳遞給三自由度機(jī)構(gòu)拍攝模塊； 三自由度機(jī)構(gòu)拍攝模塊包括:攝像頭b，舵機(jī)，三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)和單片機(jī)； 攝像頭b設(shè)置在三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)上方，使攝像頭b與攝像頭a初始時(shí)刻所采集的畫面一致；舵機(jī)共有三個(gè)，分別控制三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)沿X軸，Y軸和Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，單片機(jī)將三軸陀螺儀模塊輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換后發(fā)出指令控制三個(gè)舵機(jī)，進(jìn)而控制攝像機(jī)b沿X軸，Y軸和Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；隨后將攝像頭b所采集的畫面?zhèn)鬏斀o終端軟件界面； 終端軟件界面包括:三自由度機(jī)構(gòu)軟件界面和頭盔軟件界面；通過時(shí)時(shí)對(duì)攝像頭a與攝像頭b采集的畫面對(duì)比得到跟隨效果。
2.如權(quán)利要求1所述的一種飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀，其特征在于，所述的三個(gè)舵機(jī)，其中一個(gè)安裝在單片機(jī)與三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接轉(zhuǎn)軸處，另外兩個(gè)固定安裝在三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸處，三個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸分別與笛卡爾坐標(biāo)系的X軸，Y軸和Z軸平行。
3.如權(quán)利要求1所述的一種飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀，其特征在于，所述的三自由度機(jī)構(gòu)拍攝模塊還包括電源模塊。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種飛行員頭盔隨動(dòng)演示儀，屬于機(jī)電控制技術(shù)領(lǐng)域，包括：頭盔，攝像頭a和三軸陀螺儀模塊，攝像頭b，舵機(jī)，三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，單片機(jī)，三自由度機(jī)構(gòu)拍攝軟件界面和頭盔拍攝軟件界面；飛行員頭部運(yùn)動(dòng)時(shí)，三軸陀螺儀模塊測(cè)量出頭部繞空間笛卡爾坐標(biāo)系各軸的偏轉(zhuǎn)角度，傳輸給單片機(jī)轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動(dòng)三個(gè)舵機(jī)控制三自由度隨動(dòng)機(jī)構(gòu)繞X軸，Y軸和Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生跟隨動(dòng)作；通過終端軟件界面時(shí)時(shí)更新展示拍攝畫面，對(duì)比得到的跟隨效果。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：用三軸陀螺儀可精確測(cè)量飛行員頭部運(yùn)動(dòng)，在成本與性能之間取得平衡，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于推廣，既可用于理論研究，例如隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)等，又可為實(shí)踐教學(xué)提高硬件支持。
【IPC分類】G05B17-02, G05D1-12
【公開號(hào)】CN104714558
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510142383
【發(fā)明人】周浩, 周韜, 劉小明, 王業(yè)超, 王健, 曲思特, 吳鵬輝, 杜文豪
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年6月17日
【申請(qǐng)日】2015年3月27日