在此披露了可以对伺服系统(100)进行支持的系统和方法。所述伺服系统(100)包括具有转子(101)和定子(102)的电机，其中所述转子(101)被安排在所述定子(102)内部。此外，可相对于所述定子(102)旋转的所述转子(101)可以被配置成收容功能模块(610)的至少一部分。此外，所述伺服系统(100)可以用于支持负载增稳系统，如云台系统(602)。
具有转子和定子的电机，其中所述转子被安排在所述定子内部；并且其中可相对于所述定子旋转的所述转子被配置成收容功能模块的至少一部分；
所述电机是云台系统的一部分，其中所述电机的中心轴线与云台系统中的横滚轴线相匹配；
所述功能模块包括相机模块，所述相机模块被配置为能够与所述电机一起致动来绕所述横滚轴线旋转；
其中，所述云台系统包括另一电机，所述另一电机被适配成用于致动所述功能模块相对于俯仰轴线或偏航轴线的旋转运动；
所述电机被配置成使得重心靠近于所述俯仰轴线与所述偏航轴线的交点。
2.如权利要求1所述的伺服系统，其中：所述转子包括磁轭，其中所述功能模块安装在所述转子的所述磁轭内。
3.如权利要求2所述的伺服系统，其中：一个或多个磁体被安排在所述转子的所述磁轭的外表面上；并且一个或多个绕组被安排在所述定子上。
4.如权利要求3所述的伺服系统，还包括：控制模块，所述控制模块控制将施加给所述一个或多个绕组的电流，其中当给所述一个或多个绕组施加电流时，所述一个或多个绕组运行而产生磁场，所述磁场与所述一个或多个磁体产生的磁场相互作用以产生输出扭矩。
5.如权利要求1所述的伺服系统，其中：一个或多个磁体被安排在所述定子的内表面上；
一个或多个绕组被安排在所述转子的外表面上；并且控制模块控制将施加给所述一个或多个绕组的电流，其中当给所述一个或多个绕组施加电流时，所述一个或多个绕组运行而产生磁场，所述磁场与所述一个或多个磁体产生的磁场相互作用以产生输出扭矩。
6.如权利要求1所述的伺服系统，其中：第一组绕组被安排在所述定子上；
一个或多个控制模块控制将施加给所述第一组绕组和所述第二组绕组的电流，其中当施加所述电流时，所述第一组绕组运行而产生磁场，所述磁场与所述第二组绕组产生的磁场相互作用以产生输出扭矩。
7.如权利要求1所述的伺服系统，其中：所述定子运行以使所述转子进行绕所述电机的中心轴线的旋转运动。
8.如权利要求7所述的伺服系统，还包括：一个或多个轴承和/或滑环，所述轴承和/或滑环允许所述转子相对于所述定子作旋转运动，其中所述一个或多个轴承和/或滑环被配置成防止所述功能模块在沿所述中心轴线的方向上移动。
9.如权利要求1所述的伺服系统，其中：所述相机模块包括镜头和成像传感器。
10.如权利要求9所述的伺服系统，还包括：成像控制模块，所述成像控制模块与所述相机模块电联接，并且其中所述相机模块使用信号线来将所记录的图像信号传输给成像信号处理器。
11.如权利要求1所述的伺服系统，其中：所述功能模块包括框架组件，所述框架组件支撑一个或多个装置，所述一个或多个装置被配置成执行一项或多项功能。
12.如权利要求11所述的伺服系统，其中：所述框架组件是云台系统的用于使负载稳定的一部分。
13.一种用于对伺服系统进行支持的方法，包括：提供具有转子和定子的电机，其中所述转子被安排在所述定子内部；并且将可相对于所述定子旋转的所述转子配置成收容功能模块的至少一部分；
其中，所述电机是云台系统的一部分，其中所述电机的中心轴线与云台系统中的横滚轴线相匹配；
所述功能模块包括相机模块，所述相机模块被配置为能够与所述电机一起致动来绕所述横滚轴线旋转；
所述云台系统包括另一电机，所述另一电机被适配成用于致动所述功能模块相对于俯仰轴线或偏航轴线的旋转运动；
所述电机被配置成使得重心靠近于所述俯仰轴线与所述偏航轴线的交点。
14.如权利要求13所述的方法，其中：所述转子包括磁轭，并且其中所述功能模块被安装在所述转子中的所述磁轭内。
15.如权利要求14所述的方法，还包括：将一个或多个磁体安排在所述转子中的所述磁轭的外表面上；以及将一个或多个绕组安排在所述定子上。
16.如权利要求15所述的方法，还包括：使用控制模块来控制将施加给所述一个或多个电线绕组的电流，其中当给所述一个或多个绕组施加电流时，所述一个或多个绕组运行而产生磁场，所述磁场与所述一个或多个磁体产生的磁场相互作用以产生输出扭矩。
17.如权利要求13所述的方法，还包括：将一个或多个磁体安排在所述定子的内表面上；
将一个或多个绕组安排在所述转子的外表面上；以及使用控制模块来控制将施加给所述一个或多个绕组的电流，其中当给所述一个或多个绕组施加电流时，所述一个或多个绕组运行而产生磁场，所述磁场与所述一个或多个磁体产生的磁场相互作用以产生输出扭矩。
18.如权利要求13所述的方法，还包括：将第一组电线绕组安排在所述定子上；
将第二组电线绕组安排在所述转子上；以及使用控制模块来控制将施加给所述第一组电线绕组和所述第二组电线绕组的电流，其中当施加所述电流时，所述第一组绕组运行而产生磁场，所述磁场与所述第二组绕组产生的磁场相互作用以产生输出扭矩。
19.如权利要求13所述的方法，其中：所述定子运行以使所述转子进行绕所述电机的中心轴线的旋转运动。
20.如权利要求19所述的方法，还包括：提供一个或多个轴承和/或滑环，所述轴承和/或滑环允许所述转子相对于所述定子作旋转运动，其中所述一个或多个轴承和/或滑环被配置成防止所述功能模块在沿所述中心轴线的方向上移动。
21.如权利要求13所述的方法，其中：所述相机模块包括镜头和成像传感器。
22.如权利要求21所述的方法，还包括：将成像控制模块与所述相机模块电联接，其中所述相机模块使用信号线来将所记录的图像信号传输给成像信号处理器。
23.如权利要求13所述的方法，其中：所述功能模块包括框架组件，所述框架组件支撑一个或多个装置，所述一个或多个装置被配置成执行一项或多项功能。
24.如权利要求23所述的方法，其中：所述框架组件是云台系统的用于使负载稳定的一部分。
伺服组件，所述伺服组件包括嵌入有功能模块的内转子电机，其中所述内转子电机运行以致动所述功能模块的横滚移动；以及另一电机，所述另一电机被适配成用于致动所述功能模块相对于俯仰轴线或偏航轴线的旋转运动，并且其中所述伺服组件被配置成使得重心靠近于所述俯仰轴线与所述偏航轴线的交点。
26.一种用于提供云台系统的方法，包括：提供伺服组件，所述伺服组件包括嵌入有功能模块的内转子电机，其中所述内转子电机运行以致动所述功能模块的横滚移动；以及提供另一电机，所述另一电机被适配成用于致动所述功能模块相对于所述云台系统中的俯仰轴线或偏航轴线的旋转运动，以及将所述伺服组件配置成使得重心靠近于所述俯仰轴线与所述偏航轴线的交点。
用于对紧凑型伺服系统进行支持的系统和方法
[0001] 版权声明
[0002] 本专利文件的一部分披露内容包括受版权保护的材料。版权所有者并不拒绝任何人对本专利文件或专利披露内容按照其在专利和商标局专利文件或记录中所呈现地进行复制再现，但是在其他情况下版权所有人保留所有版权权利。发明领域
[0003] 所披露的实施例大体上涉及机械装置，并且更具体但非排他性地涉及对伺服系统进行支持。
背景技术
[0004] 无人机以及其他现代技术奇迹可以利用多种类型的伺服系统。与此同时，这类技术的发展对伺服系统的设计提出了新的要求。例如，工程师可以通过缩减用于使航拍系统稳定的伺服系统的尺寸和重量来大幅度提高航拍系统的功能性，所述伺服系统可以由无人机携带。
[0005] 这是本发明的实施例旨在解决的大体领域。
发明内容
[0006] 本文描述了能够对伺服系统进行支持的系统和方法。所述伺服系统包括具有转子和定子的电机，其中所述转子被安排在所述定子内部。此外，相对于所述定子可旋转的所述转子可以被配置成收容功能模块的至少一部分。此外，所述伺服系统可以用于支持负载增稳系统，如云台系统。
[0007] 附图简要说明
[0008] 图1是根据本发明的多种实施例的紧凑型伺服系统的示例性图示。
[0009] 图2是根据本发明的多种实施例将成像模块嵌入内转子电机中的示例性图示。
[0010] 图3是根据本发明的多种实施例的、具有嵌入式成像模块的内转子电机沿图2中的线A-A’截取的截面视图的示例性图示。
[0011] 图4是根据本发明的多种实施例的、具有嵌入式成像模块的内转子电机的分解图的示例性图示。
[0012] 图5示出了根据本发明的多种实施例的对紧凑型伺服系统进行支持的流程图。
[0013] 图6是根据本发明的多种实施例的、基于伺服系统对负载增稳系统进行支持的示例性图示。
[0014] 图7是根据本发明的多种实施例的、具有嵌入在内转子电机中的相机模块的云台系统的示例性图示。
[0015] 详细说明
[0016] 在附图的各图中通过举例的方式而非通过限制的方式展示了本发明，在附图中类似的参考标记指示相似的元件。应当指出的是，本披露中对“一”或“一个”或“某些”实施例的引用不一定涉及相同的实施例，并且这样的引用是指至少一个。
[0017] 下文对本发明的描述使用了云台系统作为负载增稳系统的示例。本领域技术人员将清楚的是，可以不受限制地使用其他类型的增稳系统。
[0018] 根据本发明的多种实施例，伺服系统可以是基于内转子电机，如无刷直流(BLDC)电机。
[0019] 图1是根据本发明的多种实施例的紧凑型伺服系统的示例性图示。如图1所示，紧凑型伺服系统100可以是基于包括转子101和定子102的内转子电机。被安排到定子102内部的转子101可相对于定子102旋转。此外，功能模块110可以至少部分地被转子101收容(例如，功能模块110可以完全嵌入转子101中)。
[0020] 根据本发明的多种实施例，功能模块110可以被配置成执行不同的功能。例如，功能模块110可以包括成像模块(例如相机模块)，所述成像模块包括镜头和/或图像传感器。此外，成像控制模块可以与成像模块电联接。同样，所述成像模块可以使用信号线将所记录的图像信号传输给图像信号处理器。
[0021] 备选地，功能模块110可以包括框架组件，所述框架组件可以能够支撑多种装置，所述装置被配置成用于执行不同功能。例如，所述框架组件可以是云台系统的能够使负载稳定的部分。
[0022] 根据本发明的多种实施例，电线或线圈绕组可以被安排在定子102的内表面(或周缘)上，而永磁体可以被安排在转子101的外表面(或周缘)上(备选地，永磁体可以嵌入或插入转子101内)。
[0023] 因此，定子102在紧凑型伺服系统100中可以致使转子101(与功能模块110一起)进行绕电机的中心轴线(例如定子102或转子101的中心轴线)的旋转运动。另一方面，紧凑型伺服系统100可以防止转子101(与功能模块110一起)在沿电机的中心轴线的方向上移动。
[0024] 例如，紧凑型伺服系统100可以是基于BLDC电机。BLDC电机的转子101可以利用成多个磁极对的永磁体，而BLDC电机的定子102可以采用以星形形式连接的绕组。备选地，定子102上的绕组可以是按三角形形式或其他类似形式来连接。这样的紧凑型伺服系统100可以用于使负载稳定，因为所述紧凑型伺服系统由于重量轻且结构简单而易于控制并且易于平衡。
[0025] 此外，可以将多种反馈装置，诸如磁性霍尔传感器和光学换向编码器，附接至电机轴以用于向BLDC电机的控制器指示当前转子位置。因此，用于BLDC电机的电子换向的控制器或控制模块可以确定转子101相对于定子102的正确位置以用于支持换向过程。
[0026] 然后，BLDC电机能够引导电流流过多种定子绕组以产生输出扭矩。
[0027] 根据本发明的多种实施例，内转子电机可以基于多种其他配置。例如，永磁体可以安排在定子101的内表面上，而绕组可以安排在转子102的外表面上。内转子电机可以引导电流流过转子102的绕组，所述绕组与转子102上的永磁体产生的磁场相互作用来产生输出扭矩。
[0028] 备选地，可以在定子101和转子102两者上安排不同的绕组。当内转子电机能够引导电流流过绕组时，由定子101和转子102上的绕组产生的磁场可以相互作用来产生输出扭矩。
[0029] 图2是根据本发明的多种实施例将成像模块嵌入内转子电机中的示例性图示。如图2所示，伺服组件200可以支持包括镜头203的成像模块210。此外，成像模块210嵌入内转子电机201中，所述内转子电机可以通过控制信号线202来接收控制信号。
[0030] 图3是根据本发明的多种实施例的、具有嵌入式成像模块的内转子电机沿图2中的线A-A’截取的截面视图的示例性图示。图4是根据本发明的多种实施例的、具有嵌入式成像模块的内转子电机的分解图的示例性图示。
[0031] 根据本发明的多种实施例，内转子电机(例如BLDC电机)可以包括转子和定子，它们二者可以被容纳在一个腔室中，所述腔室由上盖302和下盖306在闭合在一起时形成。
[0032] 内转子电机的转子可以包括磁轭304。如图3所示，可以将永磁体305安排在磁轭304的外表面上(例如，成多个磁极对)。此外，可以将成像模块301安装在磁轭304内。而且，成像模块301可以使用信号线312来将所记录的图像信号传输给图像信号处理器。
[0033] 此外，内转子电机的定子可以包括铁芯307，所述铁芯放置在垫片308的顶部上以用于固持绕组。如图4所示，环状结构的铁芯307可以由堆叠的钢叠片和放置在槽缝中的绕组构造而成，所述槽缝是沿所述环状结构的内周缘或表面轴向地切割出。这些绕组中的每一者都是相互连接的线圈，所述相互连接的线圈分布在定子的内周缘或表面上，以形成偶数个磁极。
[0034] 此外，控制模块309可以例如从电子控制器接收用于控制伺服系统的运行的多种控制信号。控制模块309可以控制将施加给定子上所安排的绕组的电流。当给绕组施加电流时，由所述绕组产生的磁场可以与由永磁体305产生的磁场相互作用来产生输出扭矩。
[0035] 此外，内转子电机可以使用一个或多个轴承303和310以用于支持转子相对于定子的旋转运动。备选地，内转子电机可以使用一个或多个滑环来支持转子相对于定子的旋转运动。此外，轴承303和310(或滑环)可以被配置成沿中心轴线固定，以防止如成像模块301等功能模块在沿中心轴线的方向上移动。
[0036] 图5示出了根据本发明的多种实施例的对紧凑型伺服系统进行支持的流程图。如图5所示，在步骤501，所述系统提供了具有转子和定子的电机，其中所述转子被安排在所述定子内部。然后，在步骤502，所述系统可以将可相对于所述定子旋转的所述转子配置成收容功能模块的至少一部分。
[0037] 图6是根据本发明的多种实施例的、基于伺服系统对负载增稳系统进行支持的示例性图示。如图6所示，诸如云台系统602等负载增稳系统可以使负载稳定。云台系统602可以是基于伺服系统601，并且所述负载可以是诸如图像捕捉装置等功能模块610。
[0038] 根据本发明的多种实施例，基于云台系统602的载具600可以用于将诸如图像捕捉装置等负载联接至诸如无人飞行器(UAV)等可移动物体。
[0039] 云台系统602可以被配置成允许负载相对于可移动物体围绕或环绕直至三条轴线(如俯仰轴线612、偏航轴线613、和/或横滚轴线611)旋转。例如，云台系统602可以被配置成仅允许负载绕所述轴线中的一条、两条或者全部三条轴线旋转。这三条轴线可以是或者可以不是相互正交的。绕所述轴线中任一轴线旋转的范围可以是或者可以不是受限制的并且可以针对各个轴线而改变。所述旋转轴线彼此可以相交或可以不相交。例如，三条正交轴线可以彼此相交。它们可以是或可以不是相交于负载处。备选地，它们可以不相交。
[0040] 云台系统602可以包括框架组件，所述框架组件包括若干框架构件。一个框架构件可以被配置成与负载(例如图像捕捉装置)相联接并且支撑所述负载。
[0041] 在某些实施例中，载具600可以利用可用于确定云台系统602或所承载的负载的状态的一个或多个载具传感器。所述状态信息可以包括空间布局(例如，位置、取向、或姿态)、速度(例如，线性速度或角速度)，加速度(例如，线性加速度或角加速度)、和/或关于所述载具、其部件和/或所述负载的其他信息。在某些实施例中，如从传感器数据采集到或计算出的状态信息可以用作反馈数据来控制载具的部件(例如，框架构件)的旋转。这样的载具传感器的示例可以包括运动传感器(例如，加速度计)、旋转传感器(例如，陀螺仪)、惯性传感器等。
[0042] 载具传感器可以联接至载具600的任何适合的部分(例如，框架构件和/或致动器构件)，并且可以是或可以不是可相对于可移动物体而移动。可替代地或另外，所述载具传感器中的至少一些传感器可以直接联接至该载具所承载的负载。
[0043] 载具传感器可以与云台系统602的致动器构件中的一些或者全部致动器构件相联接。例如，三个载具传感器可以分别联接至致动器部件(例如电机)并且可以被配置成测量所述相应致动器构件的驱动。这样的传感器可以包括电位计或者其他类似的传感器。在实施例中，可以将传感器(例如，电位计)插入在电机的电机轴上以测量电机转子和电机定子的相对位置，由此测量转子和定子的相对位置并产生代表所述相对位置的位置信号。在实施例中，每个联接至致动器的传感器被配置成提供其所测量的对应致动器构件的位置信号。例如，第一电位计可以用于产生第一致动器构件的第一位置信号，第二电位计可以用于产生第二致动器构件的第二位置信号，并且第三电位计可以用于产生第三致动器构件的第三位置信号。在某些实施例中，载具传感器还可以联接至载具的框架构件中的一些或者全部框架构件。所述传感器可以能够传达关于载具的一个、两个、三个、四个或更多个框架构件和/或图像捕捉装置的位置和/或取向的信息。可以用所述传感器数据来确定图像捕捉装置相对于可移动物体和/或参考系的位置和/或取向。
[0044] 载具传感器能够提供可以被传输给载具或可移动物体上的一个或多个控制器(未示出)的位置和/或取向数据。可以在基于反馈的控制方案中使用所述传感器数据。所述控制方案可以用于控制多个致动器构件的驱动。一个或多个控制器(可以处在载具上或在承载所述载具的可移动物体上)可以产生用于驱动所述致动器构件的控制信号。在某些情况下，所述控制信号的产生可以是基于从载具传感器接收的、指示出载具或载具600所承载的负载的空间布局的数据。所述载具传感器可以是处在所述载具或负载上。所述控制器产生的控制信号可以由不同的致动器驱动器接收。基于所述控制信号，所述致动器驱动器可以控制不同的致动器构件的驱动，例如以便实现载具的一个或多个部件的旋转。致动器驱动器可以包括适合于控制对应致动器构件的驱动并且从对应传感器(例如，电位计)接收位置信号的硬件部件和/或软件部件。所述控制信号可以是同时传输给致动器驱动器，以便产生所述致动器构件的同时驱动。备选地，所述控制信号可以是依次传输给所述致动器驱动器或仅传输给所述致动器驱动器中的一个。有利地，所述控制方案可以用于为驱动载具的致动器构件提供反馈控制，由此使得载体部件能够更精确且准确地旋转。
[0045] 在某些情况下，载具600可以经由一个或多个阻尼元件间接联接到UAV。所述阻尼元件可以被配置成减少或消除由可移动物体(例如，UAV)的运动所导致的负荷(例如，负载、载具，或二者)的运动。所述阻尼元件可以包括适合于使所联接的负荷的运动衰减的任何元件，例如主动阻尼元件、被动阻尼元件、或具有主动和被动阻尼特性二者的混合阻尼元件。在此提供的由阻尼元件来衰减的运动可以包括振动、振荡、摆动或冲击中的一者或多者。例如，所述运动可以包括由UAV的推进系统和/或其他部件的运行所造成的振动。
[0046] 所述阻尼元件可以通过使传输给负荷的运动的量耗散掉或减少而将负荷与所不希望的运动的源相隔离(例如，隔振)来提供运动衰减。所述阻尼元件可以减小负荷原本会经历的运动的幅度(例如，振幅)。由阻尼元件施加的运动衰减可以用来使负荷稳定，由此改善负荷(例如，图像捕捉装置)所捕捉到的图像的质量以及降低基于所捕捉到的图像产生全景图像所要求的图像拼接步骤的计算复杂度。
[0047] 在此描述的阻尼元件可以由任何适合的材料或材料的组合形成，包括固体、液体、或气体材料。用于阻尼元件的材料可以是可压缩的和/或是可变形的。例如，阻尼元件可以由海绵、泡沫、橡胶、凝胶等制成。而且，阻尼元件可以包括形状为大致球形的橡胶球。阻尼元件可以具有任何适合的形状，例如大致球形、长方形、圆柱形等。可可替代地或另外替代地或另外，阻尼元件可以包括压电材料或者形状记忆材料。阻尼元件可以包括一个或多个机械元件，例如弹簧、活塞、液压器件、气动器件、缓冲器、减震器、隔离器等。可以选择阻尼元件的特性以提供预定量的运动衰减。在某些情况下，阻尼元件可以具有粘弹性特性。阻尼元件的特性可以是各向同性或各向异性的。例如，阻尼元件可以沿着运动的所有方向同等地提供运动衰减。而且，阻尼元件可以仅沿着运动的方向中的子集(例如，沿运动的单一方向)提供运动衰减。例如，阻尼元件可以主要沿着偏航轴线提供衰减。如此，所展示的阻尼元件可以被配置成减少竖直运动。
[0048] 虽然本文中的实施例可能被描绘成利用单一类型的阻尼元件(例如，橡胶球)，但应当理解的是可以使用多类阻尼元件的任何适合的组合。例如，可以使用任何适合类型的一个或多个阻尼元件来将载具联接至可移动物体。阻尼元件可以具有相同的或不同的特征或特性，例如硬度、粘弹性等。每一阻尼元件可以联接至负荷的不同部分或仅联接至负荷的某一部分。例如，阻尼元件可以被定位成靠近负荷与可移动物体之间的接触点或联接点或表面。在某些情况下，负荷可以被嵌入一个或多个阻尼元件内或由其包裹。
[0049] 图7是根据本发明的多种实施例的、具有嵌入在内转子电机中的相机模块的云台系统的示例性图示。如图7所示，云台系统700可以相对于俯仰轴线712、偏航轴线713和/或横滚轴线711来使嵌入在内转子电机701内的相机模块710稳定。
[0050] 此外，可以对内转子电机701连同相机模块710一起致动来绕轴线I旋转，所述轴线与云台系统700的横滚轴线701相匹配。而且，内转子电机701和相机模块710可以被配置成使得重心基本上接近于云台系统700中的平衡点(例如俯仰轴线712、偏航轴线713和/或横滚轴线711的交点)。
[0051] 根据本发明的多种实施例，云台系统700可以利用分布在空间中的多个电机701-703。例如，电机701可以控制相机模块710绕横滚轴线711(即轴线I)的旋转，而电机702控制相机模块710绕俯仰轴线712(即轴线II)的旋转，并且电机701控制相机模块710绕偏航轴线
713(即轴线III)的旋转。
[0052] 此外，电机701-703可以通过框架组件来彼此连接。例如，电机702的转子可以与内转子电机701的定子相连接，并且电机703的转子可以与内转子电机702的定子相连接。备选地，电机703的转子可以与内转子电机701的定子相连接，并且电机702的转子可以与内转子电机703的定子相连接。
[0053] 因此，具有简单结构且重量轻的云台系统700可以被容易地控制和平衡。
[0054] 已经出于展示和说明的目的提供了以上对本发明的描述。其并不旨在穷举或将本发明限制为所披露的精确形式。本发明的广度和范围不应受限于上述任一示例性实施例。许多修改和变体对于本领域的技术人员是显而易见的。所述修改和变体包括所披露的特征的任何相关组合。选择和描述所述实施例是为了最佳地阐释本发明的原理以及其实际应用，由此使得本领域其他技术人员能够理解本发明，以实现各种实施例和进行适合于所考虑到的实际用途的各种修改。本发明的范围旨在是由所附权利要求书以及其等效物来限定。
