Устройство стабилизации положения оптических приборов

Полезная модель относится к механизмам обеспечения фиксированного положения оптических приборов наблюдения и регистрации изображений объектов, например видеокамер, и может быть использована при съемках с движущегося наземного или летательного аппарата. Саморегулируемая стабилизация положения оптического прибора достигается тем, что устройство выполнено на основе рычага первого рода с закрепленной осью вращения, место закрепления которой можно менять. В рабочем состоянии устройство расположено вертикально со стабилизируемым прибором на нижнем конце рычага, а верхний его конец снабжен инерционным маятниковым компенсатором сдвига прибора, качающимся элементом которого при ускорении движущегося аппарата создается вращающий момент, препятствующий сдвигу прибора. 1 н.п.ф. 2 з.п.ф. 3 фиг.

Полезная модель относится к механизмам обеспечения фиксированного положения оптических приборов наблюдения и регистрации изображений объектов, например видеокамер, и может быть использована для качественной регистрации изображений объектов оператором в мобильных условиях, а также с движущегося наземного или летательного аппарата.

Известны носимые оператором приспособления, позволяющие плавно перемещать видеокамеру при съемке в движении (см., например, www.amazon. com/SteadyСam/, или www.stabicam.ru/). Благодаря наличию противовеса, порождающего вращающий момент относительно расположенной у основания ручки, которую держит оператор, оси вращения, видеокамера при отклонении возвращается в требуемое положение. При этом, по инерции совершаются колебания, и видеокамера занимает требуемое положение лишь через некоторое время, что является основным недостатком этого устройства.

Механизм, позволяющий исключить колебания установленной на летательном аппарате видеокамеры описан в виде устройства управления видеокамерой (см. Патент LT5753B, опубл. 25.08.2011 г., а также www.myresearch.lt/blog/2servo/dsd_ru.) и представляет собой двойной сервопривод, который в сочетании с реечной передачей создает нагрузку в противоположных направлениях. Однако из-за возможных резких изменений положения летательного аппарата такая конструкция обладает дефицитом механической прочности.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели и принятым за прототип является «Устройство управления и стабилизации видеокамеры» (см. Патент LT5816B, опубл. 27.02.2012 г., а также http://ecilop.tv/ru.), выполненное для использования на летательном аппарате - мультикоптере. Это устройство представляет собой рычаг первого рода с закрепленной осью вращения и в рабочем состоянии расположено вертикально. На нижнем конце рычага закреплена видеокамера, а на верхнем конце установлен противовес. Ось вращения рычага совпадает с его центром масс, т.е. в свободном положении он находится в состоянии безразличного равновесия, в вертикальном же положении с видеокамерой внизу эта система находится благодаря связанным с базой демпферным пружинам и электронному гироскопу. Недостатками прототипа является его сложность и громоздкость, необходимость электрического питания, а также сравнительно длительное возвращение видеокамеры в требуемое положение при ее качании.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является упрощение устройства и минимизация времени стабилизации оптического прибора.

Поставленная задача решается при реализации полезной модели благодаря достижению технического результата, заключающегося в оптимизации устройства обеспечиваемой саморегулированием за счет использования возникающей во время работы силы инерции.

Данный технический результат достигается тем, что в устройстве стабилизации положения оптических приборов, содержащем расположенный в рабочем состоянии вертикально рычаг первого рода с закрепленной осью вращения, на нижнем конце которого закреплен оптический прибор, а на верхнем установлен противовес, согласно полезной модели, место закрепления оси вращения выполнено с возможностью его передвижения, а отношение момента силы тяжести оптического прибора к моменту силы тяжести противовеса находится в пределах 1,15÷1,35. Противовес выполнен в виде маятникового инерционного компенсатора сдвига оптического прибора, который представляет собой подвешенный к верхнему концу рычага груз или шар, помещенный в нижнюю, находящуюся над верхним концом рычага точку симметричной относительно этой точки чашеобразной поверхности, с возможностью отклонения груза или шара в пределах телесного угла 0,6 стерадиан. Подвешенный к верхнему концу рычага груз может быть выполнен в виде небольшого тела или в виде обруча, радиус которого равен расстоянию от верхнего конца рычага до плоскости обруча. В обоих случаях этот груз или помещенный в чашеобразную поверхность шар могут быть дополнительно оснащены демпфирующей системой гашения скорости их движения к нижайшему положению

Сущность полезной модели поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично изображено предлагаемое устройство с инерционным маятниковым компенсатором сдвига оптического прибора, выполненным в виде подвешенного к верхнему концу рычага в качестве груза небольшого тела. На фиг.2 показан подвешенный груз в виде обруча, а фиг.3 иллюстрирует возможность реализации маятникового инерционного компенсатора в виде шара с возможностью его качения по внутренней поверхности чаши.

Устройство состоит (фиг.1) из рычага 1 первого рода, ось вращения 2 которого закреплена на каком-либо элементе 3 подвижного аппарата с возможностью передвижения места крепления по продольной оси рычага 1. Крепление это снабжено карданной передачей (на фигурах не показана), обеспечивающей возможность вращения рычага 1 относительно оси 2 в любом направлении. Стабилизируемый оптический прибор 4 закреплен на одном конце рычага 1, а на другом его конце установлен в качестве противовеса маятниковый инерционный компенсатор 5 сдвига прибора 4. Момент силы тяжести прибора 4 относительно оси вращения 2 рычага 1 больше момента силы тяжести маятникового компенсатора 5, и, поэтому, рычаг 1 расположен вертикально со стабилизируемым прибором 4 внизу. Маятниковый инерционный компенсатор 5 представляет собой подвешенный подвесом 6 к точке на продольной оси рычага 1 его верхнего конца 7 груз 8. Этим грузом может быть небольшое тело, и для возможности его отклонения в любом направлении использована оснастка 9. Груз 8 может быть выполнен в виде обруча (фиг.2). Горизонтальная ориентация его плоскости осуществлена с помощью, например легкого эластичного материала конусообразной формы, с функцией подвеса 6, закрепленного по окружности обруча. Маятниковый компенсатор 5 может быть также реализован (фиг.3) в виде шара 10, помещенного в нижнюю точку симметричной относительно этой точки чашеобразной поверхности 11. Точка эта находится на продольной оси рычага 1 непосредственно над его верхним концом 7.

Устройство работает следующим образом. В зависимости от массы оптического прибора 4 изменением положения связанного с элементом 3 карданной передачей хомута 12 в направлении стрелок, показанных на всех трех фигурах, меняется место закрепления оси вращения 2 рычага 1 и достигается превышение момента силы тяжести прибора 4 над моментом силы тяжести противовеса, который выполнен в виде маятникового компенсатора 5. Причем, как показали многочисленные опыты, устойчивое функционирование предлагаемого устройства происходит, когда отношение момента силы тяжести прибора 4 к моменту силы тяжести компенсатора 5 находится в пределах 1,15÷1,35. При вертикальном расположении устройства после такой настройки центр масс груза 8 или шара 10 окажется на продольной оси рычага 1. Рассмотрим теперь, например, случай движения подвижного аппарата и соответственно элемента 3 вместе с закрепленным на нем за ось 2 рычагом 1 в горизонтальном направлении и его внезапной остановки. Возникшая сила инерции вызовет тенденцию сдвига и поворота вокруг оси 2 оптического прибора 4 в направлении прекратившегося движения. Однако та же сила инерции вызовет отклонение груза 8 или шара 10 в том же направлении с возникновением вращающего момента в противоположную сторону, что исключит нежелательный поворот рычага 1 вокруг оси 2 и сдвиг прибора 4, сохраняя его стационарную ориентацию.

Расчет и анализ экспериментальных данных привели к выводу, что для надежной стабилизации прибора 4 при реальных ускорениях движущихся аппаратных средств, на которых может устанавливаться предлагаемое устройство, угол отклонения груза 8 или шара 10 в маятниковом компенсаторе 5 в одну сторону может не превышать 45°. Этому соответствует обеспечение возможности отклонения груза 8 или шара 10 в пределах телесного угла (2-2) стерадиан, т.е. приблизительно 0,6 стерадиан. Для груза 8 выполненного в виде небольшого тела это условие определяется формой оснастки 9, а в случае груза 8 в виде обруча выполняется при равенстве его радиуса и расстояния от его плоскости до верхнего конца 7 рычага 1. Подвешивание обруча с помощью легкого материала конической формы обуславливает наиболее устойчивое функционирование предлагаемого устройства не только при ускорении движущегося аппарата, но и при больших скоростях его движения или сильном ветре.

При возвращении к нижайшему положению груз 8 или шар 10 должны миновать точку, лежащую на продольной оси рычага 1, что может вызвать некоторую дестабилизацию прибора 4. Для предотвращения такой, хотя и небольшой, дестабилизации, т.е. для уменьшения кинетической энергии груза 8 или шара 10 при их возвращении к оси рычага 1, они могут быть дополнительно оснащены демпфирующей системой гашения скорости их движения к нижайшему положению. Демпфирующий эффект в такой системе при возвращении груза 8 может быть достигнут, например, применением закрепленных на грузе 8 подвесок (на фиг.1 и 2 не показаны) из-за их отставания по причине инерции, а для шара 10 это могут быть размещенные вокруг него шарики меньшей массы (также отсутствуют на фиг.3).

Таким образом, в отличие от прототипа, стабилизация положения оптического прибора с помощью предлагаемой полезной модели происходит без затраты энергии, устройство не нуждается в электропитании, а желаемый эффект достигается благодаря использованию действия тех же сил, которые являются причиной дестабилизации.

1. Устройство стабилизации положения оптических приборов, содержащее расположенный в рабочем состоянии вертикально рычаг первого рода с закрепленной осью вращения, на нижнем конце которого закреплен оптический прибор, а на верхнем установлен противовес, отличающееся тем, что место закрепления оси вращения выполнено с возможностью его передвижения, а отношение момента силы тяжести оптического прибора к моменту силы тяжести противовеса находится в пределах 1,15÷1,35, противовес выполнен в виде маятникового инерционного компенсатора сдвига оптического прибора, который представляет собой подвешенный к верхнему концу рычага груз или шар, помещенный в нижнюю, находящуюся над верхним концом рычага точку симметричной относительно этой точки чашеобразной поверхности, с возможностью отклонения этих груза или шара в пределах телесного угла 0,6 стерадиан.

2. Устройство стабилизации положения оптических приборов по п.1, отличающееся тем, что подвешенный к верхнему концу рычага груз выполнен в виде небольшого тела или в виде обруча, радиус которого равен расстоянию от верхнего конца рычага до плоскости обруча.

3. Устройство стабилизации положения оптических приборов по п.1, отличающееся тем, что подвешенный к верхнему концу рычага груз или шар, помещенный в чашеобразную поверхность, дополнительно снабжены демпфирующей системой гашения скорости их движения к нижайшему положению.