CN102707734A - 基于惯性姿态传感器的自稳定云台 - Google Patents

Abstract

一种基于加速度计和陀螺仪的自稳定云台，包括惯性姿态传感器、主控单元、云台、云台驱动单元。所述传感模块由加速度计、陀螺仪组成；所述云台驱动单元由俯仰轴舵机、横滚轴舵机组成；所述传感模块固定在云台上，所述传感模块上的所述加速度计、所述陀螺仪各自测量所述云台的姿态信息；所述主控单元使用加权算法将所述加速度计的信号和所述陀螺仪的信号进行融合处理，获得最优的姿态角；所述控制单元比较期望姿态角与所述最优姿态角，通过控制算法计算出消除云台姿态偏离期望姿态的控制量，并发送给所述云台驱动单元，驱动所述云台到期望姿态，从而使所述云台达到自稳定。本发明中同时使用了加速度计和陀螺仪，因此云台稳定性更好，精度更高。

Description

基于惯性姿态传感器的自稳定云台

技术领域

本发明涉及一种自稳定云台，特别是一种基于加速度计和陀螺仪传感器的自稳定云台。

背景技术

目前，无人机航拍摄影技术在很多领域已得到广泛应用。但航拍过程中飞行器载体的震动与晃动，会使得与之相连的摄像机拍摄平台进行受迫的振动和晃动，导致拍摄的图像不够清晰，不能满足实际需要。目前，已有通过基于图像处理的方法研制稳定云台，来获取优质的航拍效果的方法，但这种方法对环境比较敏感，而且算法较复杂占用计算机资源多。通过基于MEMS的检测方法研制的自稳定云台，来获取清晰航拍图像的方法受环境影响小，不占用计算机资源。目前，尚未见到通过基于加速度计和陀螺仪传感器设计的自稳定云台技术。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于加速度计和陀螺仪传感器的云台自稳定方法，通过加权算法对加速度计和陀螺仪的数据进行融合提高姿态传感器的测量精度，得到最优姿态角。加速度具有比陀螺仪更高的静态精度；而陀螺仪具有比加速度计更高的动态精度。所以，通过加权系数来融合加速度计和陀螺仪的数据，可以更好地检测出云台的动态、静态姿态角，提高云台的自稳定效果。

为达到上述目的，本发明运用如下技术方案：

一种基于加速度计和陀螺仪传感器的自稳定云台，包括传感模块、主控单元、云台、云台驱动单元；所述传感模块由加速度计、陀螺仪组成；所述云台驱动单元由俯仰轴舵机、横滚轴舵机组成；所述主控单元通过数字I2C接口与所述加速度计、所述陀螺仪连接；所述主控单元的PWM波形输出端口连接所述云台驱动单元；所述传感模块固定在所述云台上；所述云台螺钉固定在所述俯仰轴舵机和所述横滚轴舵机的驱动轴上，使所述俯仰轴舵机和所述横滚轴舵机分别驱动所述云台的俯仰运动和横滚运动。

所述主控模块使用加权法将所述加速度计的信号和所述陀螺仪的信号进行融合处理，获得最优的姿态角。所述加权算法如下：

1)设所计算的姿态角为                                                ，其中??为俯仰角，??为横滚角，姿态角的计算公式为：

其中

为使用所述加速度计数据计算得到的姿态角；

为使用所述陀螺仪数据计算得到的姿态角；式中

为加权系数；

2) 

中所述加速度计计算俯仰角??的公式为

；横滚角??的计算公式为，其中

、

、

分别为加速度计X、Y、Z轴测得的加速度值，g为重力加速度；

3) 

中所述陀螺仪计算俯仰角??的公式为

；横滚角??的计算公式为

（k=1，2，……，n，n为正整数），其中

和为k时刻的俯仰角和横滚角；

、

分别是绕X、Y轴的转动角速度；

为采样周期；

4)加权系数的计算公式为： ，其中

为衰减系数， 

， g为重力加速度。

所述加速度计为三轴加速度计，所述陀螺仪为三轴陀螺仪

本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点：

1）在云台处于静态时，由于本发明中使用了加速度计，因此相比单独使用陀螺仪更加稳定，精度更高。

2）在云台处于动态时，由于本发明中使用了陀螺仪，因此相比单独使用加速度计更加稳定，精度更高。

附图说明

图1为本发明自稳定云台系统的整体结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法进一步说明。

如图1所示，一种基于加速度计和陀螺仪传感器的自稳定云台，包括传感模块、主控单元、云台、云台驱动单元；所述传感模块1由加速度计11、陀螺仪12组成，所述加速度计11、所述陀螺仪12输出的数据包括所述云台4的实时姿态角（俯仰、横滚角）；所述云台驱动单元4由俯仰轴舵机41、横滚轴舵机42组成；所述云台3螺钉固定在所述俯仰轴舵机41和所述横滚轴舵机42的驱动轴上，使所述俯仰轴舵机41和所述横滚轴舵机42分别驱动所述云台3的俯仰运动和横滚运动；所述主控单元2通过数字I2C接口与所述加速度计11、所述陀螺仪12连接；所述主控单元2的PWM波形输出端口连接所述云台驱动单元4；所述传感模块1固定在所述云台3上。

所述加权算法如下：

1)设所计算的姿态角为

，其中??为俯仰角，??为横滚角，姿态角的计算公式为：

其中

为使用所述加速度计11数据计算得到的姿态角；

为使用所述陀螺仪12数据计算得到的姿态角；式中

为加权系数；

2) 

中所述加速度计11计算俯仰角??的公式为

；横滚角??的计算公式为

，其中

、

、分别为加速度计X、Y、Z轴测得的加速度值，g为重力加速度；

3) 

中所述陀螺仪12计算俯仰角??的公式为

；横滚角??的计算公式为（k=1，2，……，n，n为正整数），其中

和为k时刻的俯仰角和翻滚角；、

分别是绕X、Y轴的转动角速度；

为采样周期；

4)加权系数的计算公式为： 

，其中

为衰减系数， 

， g为重力加速度。

加速度传感器11选用飞思卡尔公司的MMA8452加速计、陀螺仪12选用意法半导体公司的L3G4200D陀螺仪传感器；主控单元2选用意法半导体公司的STM32F103单片机搭建。

当无人机姿态下俯或上仰时，传感模块1上的加速度计11、陀螺仪12各自检测出固定在无人机上的云台3的俯仰角度，并发送给主控模块2；主控模块2接收到加速度计11和陀螺仪12数据后进行数据融合，得到最优俯仰角，并比较最优俯仰角与云台的期望俯仰角，通过控制算法计算出消除云台姿态偏离期望姿态的控制量，最后发送控制量给俯仰轴舵机31（横滚轴也同时发送）。俯仰轴舵机31相应地转过一定角度，从而抵消云台3因无人机下俯或上仰改变的姿态，使云台3俯仰角保持稳定。无人机姿态变化引起云台横滚轴角度变化，经上述过程同样也可以使横滚轴的姿态保持稳定。从而实现云台的自稳定。

Claims (3)

1.一种基于加速度计和陀螺仪传感器的自稳定云台，其特征在于：包括传感模块（1）、主控单元（2）、云台（3）、云台驱动单元（4）；所述传感模块（1）由加速度计（11）、陀螺仪（12）组成，所述传感模块（1）固定在所述云台（3）上；所述主控单元（2）通过数字I2C接口与所述加速度计（11）、所述陀螺仪（12）连接，所述主控单元（2）的PWM波形输出端口连接所述云台驱动单元（4）；所述云台驱动单元（4）由俯仰轴舵机（41）、横滚轴舵机（42）组成，所述云台（3）螺钉固定在所述俯仰轴舵机（41）和所述横滚轴舵机（42）的驱动轴上，使所述俯仰轴舵机（41）和所述横滚轴舵机（42）分别驱动所述云台（3）的俯仰运动和横滚运动。

2.根据权利要求1所述的基于加速度计和陀螺仪传感器的自稳定云台，其特征在于：所述主控单元（2）使用加权法将所述加速度计（11）的信号和所述陀螺仪（12）的信号进行融合处理，获得最优的姿态角；所述加权算法如下：

设所计算的姿态角为                                               ，其中??为俯仰角，??为横滚角，姿态角的计算公式为：

其中

为使用所述加速度计（11）数据计算得到的姿态角；

为使用所述陀螺仪（12）数据计算得到的姿态角；式中

为加权系数；

上述使用加速度计（11）数据计算得到的姿态角

中计算俯仰角??的公式为

；横滚角??的计算公式为

，其中、

、

分别为加速度计X、Y、Z轴测得的加速度值，g为重力加速度；

上述使用陀螺仪（12）数据计算得到的姿态角

中计算俯仰角??的公式为

；横滚角??的计算公式为

，其中k=1，2，……，n；n为正整数，其中

和

为k时刻的俯仰角和翻滚角；、

分别是绕X、Y轴的转动角速度；为采样周期；

上述加权系数

的计算公式为：，其中

为衰减系数，

，g为重力加速度。

3.根据权利要求1所述的基于加速度计和陀螺仪传感器的自稳定云台，其特征在于：所述加速度计（11）为三轴加速度计，所述陀螺仪（12）为三轴陀螺仪。

Images