用于稳定有效负载的系统和方法与流程

用于稳定有效负载的系统和方法
1.相关申请
2.本技术要求于2020年12月22日提交的以色列专利申请第279694号的优先权的利益，该以色列专利申请的内容通过引用整体并入本文。
3.技术领域和

背景技术：

4.本发明在其一些实施例中涉及用于稳定有效负载的系统和方法，更具体地但不排他地，涉及附接到平台并独立地稳定有效负载的万向节。
5.在许多应用中，摄像机或瞄准装置等有效负载系统安装在车辆等平台上。这些车辆通常不是安装此类有效负载系统的稳定平台，并且当相应车辆移动时，有效负载系统的精度会大大降低。通常的做法是将有效负载安装在万向节系统中或万向节系统上以稳定有效负载。


技术实现要素：

6.根据本发明的一些实施例的一方面，提供了一种用于稳定有效负载的系统，包括：平台支架，所述平台支架具有适于物理地连接到支撑平台的第一端和第二端；有效负载支架，所述有效负载支架适于物理地连接到所述有效负载，并通过至少一个枢轴物理地、可旋转地连接到所述平台支架的第二端；至少一个传感器，所述至少一个传感器适于测量所述有效负载沿所述至少一个枢轴的角度定向；至少一个推进设备，所述至少一个推进设备连接到所述有效负载支架，并成角度以改变所述有效负载支架沿所述至少一个枢轴的角度位置；以及稳定控制器，所述稳定控制器适于接收所述至少一个传感器的输出，计算用于所述至少一个推进设备的指令，并将所述指令转发给所述至少一个推进设备；其中，所述至少一个推进设备根据所接收的指令改变所述有效负载支架沿所述至少一个枢轴中的角度位置，同时，所述支撑平台独立于所述有效负载的运动而机动。
7.可选地，该系统包括垂直于所述至少一个轴线的至少一个杆，其中，所述至少一个杆具有连接到所述有效负载支架的第一端和连接到所述至少一个推进设备的第二端。
8.可选地，该系统包括垂直于所述至少一个枢轴的至少一个杆，其中，所述至少一个杆具有连接到所述有效负载支架的中间部分和两个端部，每个端部连接到至少两个推进设备中的至少一个推进设备。
9.可选地，所述至少两个推进设备与所述至少一个轴线等距设置。
10.可选地，所述有效负载支架包括刚性结构，其中，所述有效负载连接到所述刚性结构的中心，并且至少四个推进设备连接到所述刚性结构的外边缘。
11.更可选地，所述刚性结构是x形的。
12.可选地，所述有效负载支架通过具有正交枢轴的至少两个同心结构连接到所述平台支架的第二端。
13.可选地，所述至少一个推进设备包括至少一个转子，并且所述计算的指令包括改变所述转子的转速和所述转子的叶片角度中的至少一个的指令。
14.可选地，所述至少一个推进设备包括具有相同旋转轴线和相反旋转方向的两个同
轴转子。
15.更可选地，所述两个同轴转子具有勺形叶片。
16.可选地，所述至少一个推进设备包括具有斜盘的转子，所述斜盘将所接收到的指令转换成所述转子的每个叶片的角度。
17.可选地，所述有效负载支架通过至少一个轴承连接到所述平台支架的第二端，所述至少一个轴承被定位成允许沿所述至少一个枢轴移动。
18.可选地，所述有效负载支架通过球形接头连接到所述平台支架的第二端，所述球形接头允许沿至少两个轴线的旋转运动。
19.可选地，所述计算包括计算由所述至少一个推进设备中的每个推进设备产生的线性力、扭矩和阻力中的至少一个。
20.可选地，所述计算包括对所述至少一个推进设备产生的线性力求和，并且所述指令被计算以最小化所述线性力的总和。
21.可选地，所述计算包括对所述至少一个推进设备产生的扭矩求和，并且所述指令被计算以最小化所述扭矩的总和。
22.更可选地，所述线性力的总和小于所述有效负载和所述系统的重量。
23.可选地，该系统还包括至少一个电源，所述电源为所述至少一个推进设备、所述至少一个传感器和所述稳定控制器中的至少一个供电。
24.可选地，所述支撑平台由控制处理器控制，并且，由所述控制处理器创建的指令独立于所述有效负载的移动。
25.可选地，相对于地球、固定物体和所述支撑平台中的至少一个来测量所述角度定向。
26.可选地，所述至少一个枢轴包括俯仰、滚动和横摆中的至少一个。
27.可选地，所述有效负载包括成像设备。
28.可选地，所述支撑平台是无人机(uav)。
29.可选地，所述至少一个传感器包括加速度计、陀螺仪、磁强计、成像装置和惯性测量单元(imu)中的至少一个。
30.根据本发明一些实施例的一方面，提供了一种稳定有效负载的方法，包括：接收至少一个传感器的输出，所述至少一个传感器适于测量有效负载沿所述至少一个枢轴的角度定向；基于接收的输入，计算用于至少一个推进设备的指令；将所述指令转发到至少一个推进设备，所述至少一个推进设备连接到支撑所述有效负载的有效负载支架，所述有效负载支架通过所述至少一个枢轴物理地、可旋转地连接到平台支架，所述平台支架物理地、刚性地连接到支撑平台；其中，所述至少一个推进设备根据所接收的指令改变所述有效负载支架沿所述至少一个枢轴的角度位置，同时，所述支撑平台独立于所述有效负载的运动而机动。
31.除非另外定义，本文中使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。尽管与本文描述的方法和材料相似或等同的方法和材料可以用于本发明的实施例的实践或测试，但是下文描述了示例性方法和/或材料。如有冲突，以专利说明书(包括定义)为准。另外，材料、方法和例子仅是说明性的，并不必然是限制性的。
附图说明
32.仅作为示例，下文参考附图描述了本发明的一些实施例。现在具体参考附图，强调所示的细节是作为示例并且用于本发明的实施例说明性讨论的目的。在这点上，结合附图进行的描述使得如何实践本发明的实施例对于本领域技术人员而言是显而易见的。
33.在附图中：
34.图1是根据本发明一些实施例的用于稳定有效负载的系统的示意图；
35.图2和图3分别是根据本发明一些实施例的图1所示系统的俯视示意图和侧视示意图；
36.图4是根据本发明一些实施例的图1所示系统的具有标注的示意图；
37.图5是根据本发明一些实施例的具有同轴转子的用于稳定有效负载的系统的示意图；
38.图6是根据本发明一些实施例的图5所示系统的转子的放大图；
39.图7是根据本发明一些实施例的具有同轴勺形转子的用于稳定有效负载的系统的示意图；
40.图8是根据本发明一些实施例的图7所示系统的转子的放大图；
41.图9是根据本发明一些实施例的具有同心刚性结构的用于稳定有效负载的系统的示意图；
42.图10和图11是根据本发明一些实施例的具有球形接头的用于稳定有效负载的系统的示意图；
43.图12是示意性表示根据本发明一些实施例的用于稳定有效负载的方法的流程图；
44.图13是示出根据本发明一些实施例的稳定系统和支撑平台之间的耦合的控制流程框图；以及
45.图14是根据本发明一些实施例的质心(center of mass，cm)偏离旋转中心的系统的示意图。
具体实施方式
46.本发明(在其一些实施例中)涉及用于稳定有效负载的系统和方法，并且，更具体地但不排他地，涉及附接到平台并独立地稳定有效负载的万向节。
47.在一些应用中，有效负载安装在对外力敏感的平台上，例如当平台是主动稳定的飞行器(例如无人机)时。在这些情况下，旨在稳定连接到万向节的有效负载的万向节的运动可能会影响平台或通过产生耦合反馈回路来干扰平台的稳定性。对于这种情况，常见的解决方案是通过平台的控制系统来控制万向节，从而同步运动。然而，该方案实施起来比较困难，并且当万向节作为独立系统添加到平台时并不适用。
48.根据本发明的一些实施例，提供了一种稳定系统(万向节)，该稳定系统独立于其安装于上的平台而操作。万向节包括推进设备(例如转子)，这些推进设备推动周围空气以保持稳定，而不是推动平台本身。推进设备的定位和操作方式可以最小化甚至消除线性力，并通过推进设备围绕一个或多个特定轴产生的扭矩来改变有效负载的角度位置，但不影响支撑平台的运动。
49.稳定系统包括测量有效负载的角度定向的传感器和接收传感器的输出并向推进
设备发送指令的控制器，推进设备相应地稳定有效负载。控制器计算每个推进设备产生的线性力、扭矩和阻力，并将稳定系统施加在平台上的力最小化。所有推进设备的力的总和小于有效负载和系统的重量(例如，达到该重量的一半)，因此稳定系统无法自行将有效负载提升到空中。
50.可选地，该系统被设计成使得对于每个推进设备，存在相应的推进设备，该相应的推进设备产生与前一个推进设备产生的力和/或一些扭矩方向相反/相对的力和/或扭矩。通过这种结构，任何残余力或不需要的力都可以被消除，从而不会影响平台。可能传递到平台的任何扭矩都是不希望的。这些不期望的扭矩可以通过相反/相对的扭矩来消除。另一方面，沿着具有无摩擦连接的特定轴线(例如，在有效负载和支撑平台之间具有轴承的轴线)的扭矩不能被传递到支撑平台。这些扭矩可以是期望的并且可以用于控制有效负载的方向。例如，旋转的转子产生垂直于旋转平面的扭矩，该扭矩被反向旋转的转子的力抵消，因此，没有残余扭矩被传递到支撑平台。又例如，当无摩擦轴周围有两个力时，一个力向上，另一个力向下，力的总和为零，但扭矩不为零。
51.在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明的应用不一定限于以下描述中阐述的、和/或附图和/或例子中示出的部件和/或方法的构造和布置的细节。本发明能够包括其他实施例或者能够以各种方式实践或执行。
52.现在参考附图，图1是根据本发明一些实施例的用于稳定有效负载的系统的示意图。同样参考图2和图3，图2和图3分别是根据本发明一些实施例的图1所示系统的俯视示意图和侧视示意图。
53.系统100包括平台支架110和有效负载支架120，平台支架110适于经由第一平台支架端111物理地连接至支撑平台，有效负载支架120适于物理连接至有效负载200。
54.支撑平台可以包括，例如，诸如无人机的无人驾驶飞行器(unmanned aerial vehicle，uav)、诸如飞机的飞行器、诸如船或无人驾驶水面车辆(unmanned surface vehicle，usv)的船只、诸如汽车或摆式车辆的陆地车辆、和/或任何其他车辆。可选地，系统100安装在非车辆的平台上。
55.有效负载可以包括可由支撑平台承载并且必须稳定以进行准确操作的任何装置或系统，例如成像装置、激光源、雷达发射器、瞄准装置、传感器和/或任何其他装置。
56.有效负载支架120经由枢轴101物理地、可旋转地连接到平台支架110的第二平台支架端112。枢轴101可以是例如支撑平台的俯仰、翻滚和横摆中的一个。
57.可选地，有效负载支架120经由一个或多个轴承113连接到第二平台支架端112，所述轴承113定位成允许有效负载支架120相对于平台支架110沿枢轴101运动。理想地，轴承113具有非常低的内摩擦，因此几乎没有力矩传递到支撑平台。
58.系统100还包括连接至有效负载支架120的一个或多个推进设备，在这种情况下为两个推进设备130。推进设备130成角度以改变有效负载支架120沿枢轴101的角度位置。推进设备距枢轴101有一定距离，因此不直接使有效负载支架120相对于平台支架110旋转。
59.推进设备可以包括产生对空气或水的推力的任何类型装置，例如由发动机或涡轮操作的转子、喷气发动机、火箭发动机和/或任何其他推进技术。
60.可选地，系统100还包括垂直于枢轴101的杆140。杆140具有连接到有效负载支架120的中间部分141和两个端部142，每个端部142连接到一个推进设备130。可选地，中间部
分141位于枢轴130上，并且两个推进设备130与枢轴101等距定位。
61.系统100还包括一个或多个传感器(图1中未示出)，其适合于测量有效负载200沿枢轴101的角度定向。该传感器可以包括例如加速计、陀螺仪、磁力计、成像装置、惯性测量单元(inertial measurement unit，imu)、局部方位角传感器和/或可用于计算角度定向的用于角度测量的任何其他传感器。角度定向可以相对于地球测量，可以相对于固定物体(例如，成像装置捕获的物体)测量，和/或可以相对于支撑平台测量。可选地，可以从平台控制系统接收支撑平台相对于地球的角度定向，然后可以根据测量的相对于支撑平台的角度定向和接收到的平台相对于地球的角度定向来计算相对于地球的角度定向。
62.系统100还包括稳定控制器(未示出)，其适于接收来自传感器的输出、计算用于推进设备130的指令以改变有效负载支架120的角度位置、以及将指令转发给推进设备130。可选地，当推进设备130包括转子时，稳定控制器控制转子的转速和/或转子的叶片角度。
63.稳定控制器可以包括执行软件的处理器，该软件包括用于执行根据本发明的一些实施例的方法的指令。处理器可以包括被布置为并行处理的一个或多个处理器，例如集群和/或一个或多个多核处理器、和/或任何其他处理硬件。控制器还可以包括通信模块，该通信模块可以连接到支撑平台的控制系统和/或远程处理器。
64.可选地，该计算包括计算由每个推进设备130产生的线性力、扭矩和/或阻力。可选地，该计算包括对推进设备130产生的线性力和/或扭矩进行求和。计算上述指令，使得推进设备130产生的移动最小化推进设备130施加在平台支架110上的线性力和/或扭矩的总和，因此，平台独立于有效负载的运动而机动。当平台由控制处理器控制时，由控制处理器创建的指令独立于有效负载的移动并且受到系统100的控制的影响。
65.可选地，稳定控制器连接到包括在系统100中的通信单元。稳定控制器可以经由通信单元从远程设备接收指令，例如接收用于稳定的参考点。
66.可选地，推进设备、传感器和/或稳定控制器由系统100包括的一个或多个电源供电，因此不需要与支撑平台的电源连接。电源可以包括例如电池、太阳能电池板和/或任何其他电力或其他能量的电源。
67.现在参考图4，图4是根据本发明一些实施例的具有标注的图1所示系统的示意图，示出了两个坐标系：与平台支架110相关联并由rx、ry和rz标记的参考坐标系；以及与有效负载支架120相关联且由bx、by和bz标记的体坐标系。
68.转子131和132中的每一个距rx轴的距离相等(dy1＝dy2)。当转子131的角速度与转子132的角速度相等时，转子131在bz轴上的角动量(lz1)被转子132在bz轴上的相反方向的角动量(lz2)抵消。当转子131的螺距等于转子132的螺距的相反量时，转子131沿bz轴产生的力(fz1)被转子132沿bz轴产生的相反方向的力(fz2)抵消。在这种情况下，bx轴上的总扭矩可以通过以下公式计算：tx＝fz1×
dy1+fz2×
dy2，并且角动量可以通过以下公式计算：dlx＝tx
·
dt，其中，在时间t上的积分给出总角动量l
x
。
69.当在rz轴上施加扭矩时，会产生rz轴上的角速度ωz，这会以下速率改变角动量l
x
：其中，l
x
是rx方向上的惯性矩。然而，由于角速度ωz和ω
x
都很小，因此，残余感应扭矩可以忽略不计。这种角动量l
x
也存在于任何现有的万向节配置中。
70.现在参考图5，图5是根据本发明一些实施例的具有同轴转子的用于稳定有效负载的系统的示意图。现在参考图6，图6是根据本发明一些实施例的图5所示系统的转子的放大图。参照图5，根据本发明的一些实施例。在此例子中，一些力从系统转移到支撑平台；然而，这些力量仍然太小，无法承载有效负载。系统500包括杆540，杆540具有连接到有效负载支架520的第一杆端541和连接到推进设备的第二杆端542。推进设备包括两个同轴转子531和532，同轴转子531和532具有相同的旋转轴线533和相反的旋转方向。可选地，旋转轴线533垂直于枢轴501。
71.可选地，转子531和532中的一个或多个转子包括由稳定控制器控制的斜盘534。斜盘534沿着转子的旋转轴线533移动并改变转子叶片的角度(俯仰)，从而控制由转子产生的线性力。通过在转子531的叶片角度和转子532的叶片角度之间产生差异，产生垂直于枢轴501的力，这改变了有效负载200的方向。
72.转子的叶片的角度可以改变，例如以+/-45度的范围改变。角度的变化(或者，发给叶片以在时间tk改变攻角的指令)可以用以下等式描述：
[0073][0074]
其中：e
x
(tk)为时间tk的误差(其为万向节的参考x轴位置减去万向节的当前x轴位置)；(k
p
为比例增益，ki为积分增益)；(kd是微分增益)；以及δt＝t
k-t
k-1
＝t
k-1-t
k-2
。可选地，使用主旋翼配置，类似于直升机。主旋翼具有斜盘，其将接收到的指令分别转换成该旋翼的每个叶片的角度，从而改变有效负载200的方向。
[0075]
现在参考图7，图7是根据本发明一些实施例的具有同轴勺形转子的用于稳定有效负载的系统的示意图。现在参考图8，图8是根据本发明一些实施例的图7所示系统的转子的放大图。可选地，系统700包括杆760，其中有效负载200附接在杆760的一端，距枢轴701一定距离。推进设备包括两个同轴转子731和732，同轴转子731和732具有相同的旋转轴线733和相反的旋转方向。旋转轴线733垂直于枢轴701。转子731和732的叶片534是凹形的(勺形)，因此当转子旋转时，沿旋转轴线733不会产生线性力。通过在两个转子731和732之间产生速度差，围绕枢轴701产生扭矩，这改变了有效负载200的方向。传感器702例如定位在杆760上。
[0076]
现在参考图9，图9是根据本发明一些实施例的具有同心刚性结构的用于稳定有效负载的系统的示意图。有效负载支架通过具有正交枢轴的一组同心刚性结构连接至平台安装座910。平台支架910通过球轴承911连接到半环状的结构921，因此它们可以通过枢轴901相对于彼此而旋转。结构921通过球轴承912连接到半环状的结构922，因此它们可以通过枢轴902相对于彼此而旋转。结构922通过球轴承913连接到具有圆形部分的x形结构923，因此它们可以通过枢轴903相对于彼此旋转。有效负载支架可以包括任何类型的刚性结构，例如x形、y形、h形和/或任何其他形状。有效负载连接到刚性结构923的中心，并且四个推进设备930连接到刚性结构923的外边缘。可选地，多个推进设备930围绕结构923的中心布置成方形布置。可选地，多个推进设备930布置为使得彼此等距。可选地，对于每个推进设备(转子)
930，添加同轴转子，如图5所示，因此由推进设备930产生的力被抵消。由于系统在所有三个轴上都是自由的，所以多个推进设备930产生的任何扭矩不会传递到平台安装座910。
[0077]
现在参考图10和图11，图10和图11是根据本发明一些实施例的具有球形接头的用于稳定有效负载的系统的示意图。这些系统显示了推进设备的不同布置，每个推进设备由相对的推进设备平衡。球形接头401连接有效负载支架和平台支架，并且可以允许在两个轴或三个轴上的旋转运动。
[0078]
现在参考图12，图12是示意性表示根据本发明一些实施例的用于稳定有效负载的方法的流程图。
[0079]
首先，如301所示，传感器在测量有效负载沿枢轴的角度定向。
[0080]
然后，如302所示，稳定控制器接收来自传感器的输出。
[0081]
然后，如303所示，基于所接收到的输入计算用于推进设备的指令。计算指令使得推进设备产生的移动最小化推进设备施加在平台支架上的线性力和/或扭矩的总和，因此平台独立于有效负载的运动而机动。
[0082]
然后，如304处所示，指令被转发至推进设备。
[0083]
最后，如305处所示，推进设备根据接收到的指令改变有效负载支沿至少一个枢轴的角度位置。
[0084]
可选地，支撑平台和稳定系统100的控制流程可以被描述为耦合的姿态控制回路。
[0085]
现在参考图13，图13是示出根据本发明一些实施例的稳定系统和支撑平台之间的耦合的控制流程框图。在图中，x符号代表系统100(万向节)，y符号代表支撑平台。r
x
为万向节的参考指令(例如，15度)，ry为平台的参考指令(例如，0度)。e
x
是万向节的当前状态和参考指令之间的误差(例如，2度)，ey是平台的当前状态与参考指令之间的误差(例如，2度)。cx和cy分别是万向节和平台的控制传递函数(例如，比例积分微分(proportional-integral-derivative，pid)控制器)。ax和ay分别是万向节和平台的致动器传递函数(例如由电机操作的转子等推进设备)。px和py分别是万向节和平台的被控对象传递函数(plant transfer functions)。ox和oy分别是万向节和平台的输出响应。sx和sy分别是万向节和平台的传感器传递函数。m
x
和my分别是万向节和平台执行器的力矩输出。k
x
是从万向节到平台的耦合传递函数，ky是从平台到万向节的耦合传递函数。耦合可以例如通过摩擦、通过固定轴或通过连接到一侧的平台和另一侧的万向节的旋转电机引起。在本发明的实施例中，k
x
被最小化，因此从万向节到平台的耦合很少甚至不存在。
[0086]
现在参考图14，图14是根据本发明一些实施例的使得质心(center of mass，cm)偏离旋转中心的系统的示意图。系统1400的旋转部分的质心(cm)被示为圆1401。该图中，一根杆将有效负载连接到有效负载支架。杆的一部分1402位于cm和枢轴101上的最近点之间。该杆的长度在本文中表示为d_cm_pa。该杆的其余部分标记为1403。旋转部分1400是以下部件中的至少两个：推进设备130、有效负载支架520、有效负载200、传感器702和稳定控制器(未示出)。
[0087]
当cm不与枢轴交叉并且扭矩施加在旋转部分1400上时，则干扰力垂直于枢轴作用。当cm不穿过枢轴时，可以通过将d_cm _pa设置地极小(使得d_cm_pa大约为零或相对于推进设备施加的最大力矢量长度和重力矢量长度而言足够小)来减轻该干扰力。例如，d_cm_pa可以设置为符合下式：
[0088][0089]
其中，gfs表示重力值，即重力加速度的矢量长度乘以旋转部分1400的质量，pfs表示推进设备力值，即推进设备1406的所有最大力矢量长度的长度的总和，dd_p表示推进设备之一到枢轴上最近点之间的距离。
[0090]
出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但并不旨在穷尽或限制所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择本文使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、实际应用或相对于市场上已发现的技术的技术改进，或者使得本领域的其他普通技术人员能够理解本文公开的实施例。
[0091]
预计在从本技术起至专利到期的周期中，将开发许多相关平台和/或有效负载，并且术语平台和有效负载的范围旨在预先包括所有此类新技术。
[0092]
术语“包含”、“包括”、“具有”及其变形意思是“包括但不限于”。该术语涵盖术语“由......组成”和“基本上由......组成”。
[0093]
短语“基本上由......组成”是指组合物或方法可以包括附加成分和/或步骤，但前提是附加成分和/或步骤不会实质上改变所要求保护的组合物或方法的基本和新颖特征。
[0094]
如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确说明。例如，术语“一种化合物”或“至少一种化合物”可以包括多种化合物，包括其混合物。
[0095]
本文使用的词语“示例性”意指“用作示例、实例或说明”。描述为“示例性”的任何实施例不必被解释为比其他实施例优选或有利和/或排除来自其他实施例的特征的结合。
[0096]
词语“可选”在本文中用于表示“在一些实施例中提供而在其他实施例中不提供”。本发明的任何特定实施例可以包括多个“可选”特征，除非这些特征冲突。
[0097]
贯穿本技术，本发明的各种实施例可以以范围格式呈现。应当理解，范围格式的描述仅仅是为了方便和简洁，而不应当被理解为对本发明范围的硬性限制。因此，范围的描述应当被认为已经具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的各个数值。例如，诸如1至6的范围的描述应当被认为具有具体公开的子范围，诸如1至3、1至4、1至5、2至4、2至6、3到6等，以及该范围内的单个数字，例如1、2、3、4、5和6。无论范围有多大，这都适用。
[0098]
每当本文指示数值范围时，其意在包括指示范围内的任何引用的数字(分数或整数)。短语“在”第一指示数和第二指示数之间的“范围”和“从”第一指示数“到”第二指示数的“范围”在本文中可互换使用，并且旨在包括第一指示数和第二指示数以及其间的所有小数和整数。
[0099]
应当理解，为了清楚起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合地提供。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合或在本发明描述的任何其他实施例中合适地提供。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被视作这些实施例的必要特征，除非该实施例在没有这些元素的情况下无法操作。
[0100]
尽管已经结合本发明的具体实施例描述了本发明，但是显然，许多替代、修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求的精
神和广泛范围内的所有此类替代、修改和变化。
[0101]
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用整体并入本说明书中，其程度等同于每个单独的出版物、专利或专利申请被具体且单独地指示通过引用并入本文。另外，本技术中对任何参考文献的引用或确认不应被解释为承认此类参考文献可作为对于本发明的现有技术。就所使用的章节标题而言，其不应被解释为必然的限制。

技术特征：
1.一种用于稳定有效负载的系统，包括：平台支架，所述平台支架具有适于物理地连接到支撑平台的第一端和第二端；有效负载支架，所述有效负载支架适于物理地连接到所述有效负载，并通过至少一个枢轴物理地、可旋转地连接到所述平台支架的第二端；至少一个传感器，所述至少一个传感器适于测量所述有效负载沿所述至少一个枢轴的角度定向；至少一个推进设备，所述至少一个推进设备连接到所述有效负载支架，并成角度以改变所述有效负载支架沿所述至少一个枢轴的角度位置；以及稳定控制器，所述稳定控制器适于接收所述至少一个传感器的输出，计算用于所述至少一个推进设备的指令，并将所述指令转发给所述至少一个推进设备，其中，所述至少一个推进设备根据接收到的所述指令改变所述有效负载支架沿所述至少一个枢轴的角度位置，同时所述支撑平台独立于所述有效负载的运动而机动。2.如权利要求1所述的系统，还包括：垂直于所述至少一个轴线的至少一个杆，其中，所述至少一个杆具有连接到所述有效负载支架的第一端和连接到所述至少一个推进设备的第二端。3.如权利要求1所述的系统，还包括：垂直于所述至少一个枢轴的至少一个杆，其中，所述至少一个杆具有连接到所述有效负载支架的中间部分和两个端部，每个所述端部连接到至少两个推进设备中的至少一个推进设备。4.如权利要求3所述的系统，其中，所述至少两个推进设备与所述至少一个轴线等距。5.如权利要求1所述的系统，其中，所述有效负载支架包括刚性结构，其中，所述有效负载连接到所述刚性结构的中心，并且至少四个推进设备连接到所述刚性结构的外边缘。6.如权利要求5所述的系统，其中，所述刚性结构是x形的。7.如权利要求1所述的系统，其中，所述有效负载支架通过具有正交枢轴的至少两个同心结构连接到所述平台支架的第二端。8.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个推进设备包括至少一个转子，并且计算出的所述指令包括改变所述转子的转速和所述转子的叶片角度中的至少一个的指令。9.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个推进设备包括具有相同旋转轴线和相反旋转方向的两个同轴转子。10.如权利要求9所述的系统，其中，所述两个同轴转子具有勺形叶片。11.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个推进设备包括具有斜盘的转子，所述斜盘将接收到的所述指令转换成所述转子的每个叶片的角度。12.如权利要求1所述的系统，其中，所述有效负载支架通过至少一个轴承连接到所述平台支架的第二端，所述至少一个轴承被定位成允许沿所述至少一个枢轴运动。13.如权利要求1所述的系统，其中，所述有效负载支架通过球形接头连接到所述平台支架的第二端，所述球形接头允许沿至少两个轴线的旋转运动。14.如权利要求1所述的系统，其中，所述计算包括计算由所述至少一个推进设备中的每个推进设备产生的线性力、扭矩和阻力中的至少一个。15.如权利要求1所述的系统，其中，所述计算包括计算由所述至少一个推进设备产生
的线性力的总和，并且所述指令被计算以最小化所述线性力的总和。16.如权利要求1所述的系统，其中，所述计算包括计算由所述至少一个推进设备产生的扭矩的总和，并且所述指令被计算以最小化所述扭矩的总和。17.如权利要求15所述的系统，其中，所述线性力的总和小于所述有效负载和所述系统的重量。18.如权利要求1所述的系统，还包括至少一个电源，所述电源为所述至少一个推进设备、所述至少一个传感器和所述稳定控制器中的至少一个供电。19.如权利要求1所述的系统，其中，所述支撑平台由控制处理器控制，并且其中，由所述控制处理器创建的指令独立于所述有效负载的运动。20.如权利要求1所述的系统，其中，所述角度定向是相对于地球、固定物体和所述支撑平台中的至少一个测量的。21.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个枢轴包括俯仰、翻滚和横摆中的至少一个。22.如权利要求1所述的系统，其中，所述有效负载包括成像设备。23.如权利要求1所述的系统，其中，所述支撑平台是无人驾驶飞行器uav。24.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个传感器包括加速度计、陀螺仪、磁强计、成像设备和惯性测量单元imu中的至少一个。25.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统是尺寸和形状适于连接到车辆的万向节。26.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个枢轴穿过所述至少一个推进设备、所述有效负载支架、所述有效负载、所述至少一个传感器和所述稳定控制器中的至少两个的总和的质心cm。27.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个枢轴与所述至少一个推进设备、所述有效负载支架、所述有效负载、所述至少一个传感器和所述稳定控制器中的至少两个的总和的质心cm之间的距离被设置为符合下式：其中，gfs表示重力加速度的矢量长度乘以旋转部分的质量，pfs表示所述至少一个推进设备的所有最大力矢量长度的总和，d_pd表示所述至少一个推进设备与所述枢轴上的最近点之间的距离。28.一种稳定有效负载的方法，包括：接收至少一个传感器的输出，所述至少一个传感器适于测量有效负载沿至少一个枢轴的角度定向；基于接收到的输入，计算用于至少一个推进设备的指令；将所述指令转发到至少一个推进设备，所述至少一个推进设备连接到支撑所述有效负载的有效负载支架，所述有效负载支架通过所述至少一个枢轴物理地、可旋转地连接到平台支架，所述平台支架物理地、刚性地连接到支撑平台；其中，所述至少一个推进设备根据接收到的所述指令改变所述有效负载支架沿所述至少一个枢轴的角度位置，同时所述支撑平台独立于所述有效负载的运动而机动。

技术总结
一种用于稳定有效负载的系统，包括：平台支架，其具有适于物理地连接到支撑平台的第一端和第二端；有效负载支架，其适于物理地连接到有效负载，并通过至少一个枢轴物理地、可旋转地连接到平台支架的第二端；至少一个传感器，其适于测量有效负载沿至少一个枢轴的角度定向；至少一个推进设备，其连接到有效负载支架，并成角度以改变有效负载支架沿至少一个枢轴的角度位置；以及稳定控制器，其适于接收至少一个传感器的输出，计算用于至少一个推进设备的指令，并将指令转发给至少一个推进设备。并将指令转发给至少一个推进设备。并将指令转发给至少一个推进设备。


技术研发人员：伊泰
受保护的技术使用者：伊泰
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2023/10/20