CN104048141A

CN104048141A - 一种仿颈椎式云台机构及其电机控制方法

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Publication number: CN104048141A
Application number: CN201410274134.2A
Authority: CN
Inventors: 刘文勇; 马鹏式; 宋晗; 吴煜华; 刘金钰; 陈聪哲; 李德玉
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2034-06-18
Also published as: CN104048141B

Abstract

本发明公开了一种仿颈椎式云台机构及其电机控制方法。该设备的机械结构是仿照人类在跟踪观测目标时的一系列特定动作来设计的，包含有垂直升降组件、水平旋转组件和角度调节组件。云台机构采用滚珠丝杠导轨实现垂直升降动作，水平旋转动作由直流伺服电机驱动一对减速齿轮机构来完成，俯仰和左右微调动作均采用直流伺服电机直接驱动。本发明针对电机采用了PID算法的控制方法，该方法的特殊之处是采用复合控制来提高跟踪精度，解决了动态滞后问题并减小了跟踪误差。本发明的结构合理、重量较轻、视野范围很大、成像稳定，适用于机器视觉跟踪及航空拍摄场合。

Description

一种仿颈椎式云台机构及其电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种云台机构，更特别地说，是指一种基于视觉的仿颈椎式云台机构及其电机控制方法。

背景技术

云台是安装、固定摄像机的支撑设备，它分为固定云台和电动云台两种。固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。

在周边环境比较复杂的场合，为了使摄像头能实时、灵活地跟踪目标物，需要云台机构具有多自由度协同运动的能力。CCD摄像机或红外探测仪等安装于多自由度云台机构上，云台上配有传感器来向控制系统实时反馈云台机构当前的角度以及位置。

目前，国内外针对云台的机构以及控制方法也进行了大量研究。运动方式以二自由度居多，运动较为单一，显然已经不能满足日益复杂的监测环境对于多自由度的要求；有的方案为实现多自由度运动而采用较为繁杂的机械结构和控制系统，体积大且笨重，控制精度不高；除此之外，由于视觉的采样速度一般较慢，因此视觉处理造成的延迟会带来跟踪时的动态滞后问题，增大了跟踪误差。

发明内容

为了解决云台机构存在的因运动抖动导致的成像不稳定、因自由度有限造成的视野范围较小、或因单纯追求多自由度而使得云台自身笨重等缺陷，本发明设计了一种仿颈椎式云台机构。本发明的仿颈椎式云台机构绕Y轴进行旋转，沿Y轴进行升降，绕X轴进行俯仰，绕角度调节轴微旋，从而实现仿人体颈椎部的运动方式。本发明的仿颈椎式云台机构采用三段分体的结构设计，垂直升降组件与水平旋转组件之间通过螺钉固定，水平旋转组件与角度调节组件通过联轴器固定。垂直升降组件用于支撑水平旋转组件与角度调节组件，垂直升降组件在丝杠的带动下，降低了抖动导致的成像不稳定因素。

本发明设计的一种仿颈椎式云台机构的电机控制方法，通过PID算法控制四个直流电机运动，实现云台仿人体颈椎部的运动。采用本发明的电机控制方法机构运动稳定、控制精度高，解决了动态跟踪时的动作滞后问题。

本发明设计的一种仿颈椎式云台机构，该云台结构是仿照人在跟踪观测目标时产生的四个典型动作而设计的：通过下蹲或者垫脚来观察高低不同的目标(垂直升降运动)、扭转脖子来左右寻找目标(水平旋转运动)、低头和抬头(俯仰旋转运动)、眼球小范围摆动(左右微调运动)。该云台结构包括垂直升降组件、水平旋转组件和角度调节组件；所述的垂直升降外罩与外部固定连接作为运动基准，垂直升降外罩与丝杠滑块为的活动固连，垂直升降外罩上端与B底座固连，垂直升降组件中的滚珠丝杠机构由直流步进电机驱动，以实现整个机构垂直升降方向的自由度。

水平旋转组件中的齿轮减速机构安装于A底座与B底座之间，该齿轮减速机构中的主动齿轮由A直流伺服电机直接驱动，从动齿轮与垂直传动轴通过键相连，垂直传动轴上端与水平旋转架固定连接，A直流伺服电机以此来驱动水平旋转自由度的运动。

角度调节组件中的俯仰旋转框通过滚珠轴承安装在水平旋转架上，一端安装B直流伺服电机来驱动整个俯仰动作；所述的左右微调架通过滚珠轴承安装在俯仰旋转框中，一端安装C直流伺服电机来驱动整个左右微调动作；所述传感器模块包含3个光电编码器，与对应的直流电机分别同轴安装，用于检测水平旋转架、俯仰旋转架和角度调节架的驱动电机的位置以及转动角速度。传感器模块与电机驱动控制器通过数据线连接，4个直流电机通过电线与电机驱动控制器相连，电机驱动控制器接收传感器模块的反馈信号并向对应的电机发送驱动控制信号。

本发明云台机构的优点在于：

①云台机构为三段结构设计，装配简单，结构紧凑，运动灵活、三段结构设计合理、重量较轻。

②云台机构的绕Y轴旋转运动和在Y轴的微角度调节、以及绕X轴的转动，使得两个摄像头视野范围较大，运动灵活平稳，成像效果稳定，能够解决抖动带来的摄像头成像不稳定的问题。

③云台机构采用PID处理器控制电机运动，解决了跟踪时的动态滞后问题且跟踪误差较小，大大提高了跟踪精度。

附图说明

图1是本发明的仿颈椎式云台机构的结构图。

图1A是本发明的仿颈椎式云台机构另一视角的结构图。

图1B是本发明的仿颈椎式云台机构再一视角的结构图。

图1C是本发明的仿颈椎式云台机构的分解图。

图2是本发明的仿颈椎式云台机构的垂直升降组件的结构图。

图3是本发明的仿颈椎式云台机构的水平旋转组件的结构图。

图3A是本发明的仿颈椎式云台机构的水平旋转组件的剖视图。

图3B是本发明水平旋转组件中的套筒剖视图。

图3C是本发明水平旋转组件中的齿轮轴结构图。

图4是本发明的仿颈椎式云台机构的角度调节组件的结构图。

图4A是本发明角度调节组件中的角度调节架结构图。

图4B是本发明角度调节组件中的角度调节架进行视角调节的角度示意图。

图4C是本发明角度调节组件中的俯仰旋转架的结构图。

图4D是本发明角度调节组件中的俯仰旋转架的另一视角结构图。

图5是本发明采用的PID控制器的电路原理图。

图5A是其中2个电机的驱动电路原理图。

图5B是另2个电机的驱动电路原理图。

图6是本发明采用的PID控制器的控制流程图。

1.垂直升降组件	1A.丝杠外罩	1A1.上壳板
			1A2.CA螺纹孔	1A3.CA通孔	1A4.A竖板
1A5.CB通孔	1A6.减重孔	1A7.B竖板
			1A8.CC通孔	1B.丝杠导轨	1C.丝杠滑块
1C1.CB螺纹孔	1D.滚珠丝杠	1E.上挡板
			1F.下挡板	1G.A底座	1G1.AA通孔
1G2.AB通孔	1G3.AC通孔	1G4.AA螺纹孔
			1H.B底座	1H1.BA通孔	1H3.BC通孔
1H4.BA螺纹孔	1H5.减重孔	1J.支撑柱
			1J1.BB螺纹孔	2.水平旋转组件	2A.齿轮轴
2A1.A圆柱段	2A2.B圆柱段	2A3.C圆柱段
			2A4.D圆柱段	2A5.E圆柱段	2A6.F圆柱段
2A7.G圆柱段	2A8.键槽	2B.传动轴
			2B1.上缩段	2B2.下缩段	2B3.键槽
2C.从动齿轮	2D.主动齿轮	2E.套筒盖

2F.套筒	2F1.外凸台	2F2.沉头通孔
			2F3.螺纹盲孔	2F4.中心通孔	2F5.内凸台
2G.AA联轴器	2H.AB联轴器	2J.AC联轴器
			2K.AA滚珠轴承	2L.AB滚珠轴承	2L1.AB滚珠轴承端盖
2M.AC滚珠轴承	2M1.AC滚珠轴承端盖	2N.齿轮轴套
			3.角度调节组件	3A.俯仰旋转架
3A1.上边框	3A11.A凸台	3A12.上通孔
			3A2.下边框	3A21.B凸台	3A22.下通孔
3A3.左边框	3A31.A沉头腔	3A32.C凸台
			3A4.右边框	3A41.B沉头腔	3A42.D凸台
3B.水平旋转架	3B1.连接板	3B2.A立板
			3B3.B立板	3B4.A轴承孔	3B5.B轴承孔
3B6.C沉头腔	3C.角度调节架	3C1.摄像头安装板
			3C11.镜头A通孔	3C12.镜头B通孔	3C13.A限位调节孔
3C14.B限位调节孔	3C2.上支撑臂	3C21.D沉头腔
			3C3.下支撑臂	3D.C电机安装座	3E.B电机安装座
3F.A限位座	3G.B限位座	3H.BA滚珠轴承
			3H1.BA联轴器	3J.BB滚珠轴承	3J1.BB联轴器
3J2.BB滚珠轴承端盖	3K.BC滚珠轴承	3K1.BC联轴器
			3K2.BC滚珠轴承端盖	3L.BD滚珠轴承	3L1.BD联轴器
9A.A摄像头	9B.B摄像头	10A.直流步进电机
			10B.A直流伺服电机	10C.A光电编码器	10D.B直流伺服电机
10E.B光电编码器	10F.C直流伺服电机	10G.C光电编码器

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B、图1C所示，本发明设计的一种仿颈椎式云台机构，其包括有垂直升降组件1、水平旋转组件2和角度调节组件3。

垂直升降组件1

参见图1、图1A、图1B、图1C、图2所示，垂直升降组件1包括有直流步进电机10A、丝杠外罩1A、丝杠导轨1B、丝杠滑块1C、滚珠丝杠1D、上挡板1E、下挡板1F、A底座1G、B底座1H、支撑柱1J。

丝杠外罩1A为一端有挡板的空心结构体。

丝杠外罩1A的上端设有上壳板1A1，上壳板1A1上设有CA螺纹孔1A2和CA通孔1A3。CA螺纹孔1A2内放置螺钉，CA螺纹孔1A2用于与B底座1H上的BA螺纹孔1H4配合，通过螺钉穿过CA螺纹孔1A2、CA螺纹孔1A3后实现将B底座1H安装在丝杠外罩1A的上端。CA通孔1A3用于安装AC滚珠轴承2M，AC滚珠轴承2M的外圈与CA通孔1A3卡紧，AC滚珠轴承2M的内圈套接在齿轮轴2A上。

丝杠外罩1A体上设有多个减重孔1A6，一方面用于观察滑块在丝杠上的运动情况。另一方面用于减轻丝杠外罩的重量。

丝杠外罩1A的A竖板1A4上设有用于与丝杠滑块1C固定用的CB通孔1A5，CB通孔1A5用于螺钉穿过后连接在丝杠滑块1C一侧面板的CB螺纹孔1C1中。

丝杠外罩1A的B竖板1A7上设有用于与丝杠滑块1C固定用的CC通孔1A8，CC通孔1A8用于螺钉穿过后连接在丝杠滑块1C另一侧面板的螺纹孔中。丝杠外罩1A与丝杠滑块1C是通过螺钉来固定的。

A底座1G上设有AA通孔1G1、AB通孔1G2、AC通孔1G3和AA螺纹孔1G4，所述AA通孔1G1为带有阶梯台的通孔。AA通孔1G1用于放置支撑柱1J的上端。AB通孔1G2用于A直流伺服电机10B的输出轴穿过。AC通孔1G3用于安装AB滚珠轴承2L。AA螺纹孔1G4用于与套筒2F的外凸台2F1上的沉头通孔2F2对齐，且通过螺钉固定。

B底座1H上设有BA通孔1H1、CC通孔1H3、BA螺纹孔1H4和减重孔1H5，所述BA通孔1H1为带有阶梯台的通孔。BA通孔1H1用于放置支撑柱1J的下端。BC通孔1H3用于安装AC滚珠轴承2M。BA螺纹孔1H4用于与丝杠外罩1A的上壳板1A1上的CA螺纹孔1A2对齐，且通过螺钉固定。A底座1G与B底座1H保持平行放置，且A底座1G与B底座1H之间通过支撑柱1J支撑，在A直流伺服电机驱动下，主动齿轮与从动齿轮的啮合，从而使从动齿轮绕Y轴作圆周旋转运动更稳定。

支撑柱1J设计为两端带有收缩段的圆柱结构。支撑柱1J的上端设有BB螺纹孔1J1，支撑柱1J的下端设有BC螺纹孔(图1B中未未出)。

在本发明中，垂直升降组件1的装配为：滚珠丝杠1D安装在丝杠滑块1C上；丝杠导轨1B的一端安装有上挡板1E，丝杠导轨1B的另一端安装有下挡板1F；所述上挡板1E的外侧面板上安装有直流步进电机10A，直流步进电机10A的输出轴通过一联轴器与滚珠丝杠1D的一端连接，滚珠丝杠1D的另一端通过珠轴承安装在下挡板1F的沉头腔中；丝杠滑块1C与丝杠外罩1A的竖板1A4连接，丝杠外罩1A的上壳板1A1与B底座1H连接。

水平旋转组件2

参见图1、图1A、图1B、图1C、图3所示，水平旋转组件2包括有A直流伺服电机10B、A光电编码器10C、齿轮轴2A、传动轴2B、从动齿轮2C、主动齿轮2D、套筒盖2E、套筒2F、AA联轴器2G、AB联轴器2H、AC联轴器2J、AA滚珠轴承2K、AB滚珠轴承2L、AC滚珠轴承2M、齿轮轴套2N。

A光电编码器10C安装在A直流伺服电机10B上，A直流伺服电机10B的壳体固定在A底座1G上，A直流伺服电机10B的输出轴上连接有主动齿轮2D，主动齿轮2D与从动齿轮2C啮合。主动齿轮2D与从动齿轮2C的传动比为10:1。为了保证传动精度，及器件的加工，主动齿轮2D与从动齿轮2C的均采用聚缩醛(POM)材料加工。

齿轮轴2A为多段阶梯式轴承。齿轮轴2A从上至下分别为A圆柱段2A1、B圆柱段2A2、C圆柱段2A3、D圆柱段2A4、E圆柱段2A5、F圆柱段2A6、G圆柱段2A7；A圆柱段2A1上套接有AC联轴器2J；B圆柱段2A2上套接有AB轴承端盖2L1，AB轴承端盖2L1固定在A底座1G的上面板；C圆柱段2A3上套接有AB滚珠轴承2L，即AB滚珠轴承2L放置在A底座1G的AC通孔1G3内，AB滚珠轴承2L的内圈固定安装在C圆柱段2A3上，AB滚珠轴承2L的外圈与AC通孔1G3卡紧；D圆柱段2A4上套接有轴套2N；E圆柱段2A5上套接有从动齿轮2C；F圆柱段2A6上套接有AC滚珠轴承2M，即AC滚珠轴承2M放置在B底座1H的BC通孔1H3内，AC滚珠轴承2M的内圈固定安装在F圆柱段2A6上，AC滚珠轴承2M的外圈与BC通孔1H3卡紧；G圆柱段2A7上套接有AC轴承端盖2M1，AC轴承端盖2M1固定在B底座1H的下面板。所述D圆柱段2A4上设有键槽，该键槽用于安装平键，轴套2N通过平键卡紧在齿轮轴2A上。

传动轴2B为两端有收缩段的轴承。传动轴2B的上端部设有用于安装AA联轴器2G的上缩段2B1，所述上缩段2B1上设有键槽，AA联轴器2G通过平键(所述平键安装在键槽内)与传动轴2B的上端卡紧，传动轴2B的下端部设有用于安装AB联轴器2H的下缩段2B2。

套筒2F为空心结构。套筒2F的中心为通孔2F4；套筒2F的上端设有内凸台2F5，内凸台2F5上设有螺纹盲孔2F3；套筒2F的下端设有外凸台2F1，外凸台2F1上设有沉头通孔2F2。套筒2F的外凸台2F1固定在A底座1G的上面板。

在本发明中，水平旋转组件2的装配为：在传动轴2B的一端套接上AA滚珠轴承2K，在传动轴2B的另一端套接上AB联轴器2H，让AB联轴器2H与AC联轴器2J固定安装，套接有AA滚珠轴承2K(位于套筒2F的内凸台2F5处)的传动轴2B端穿过套筒2F的中心通孔2F4后，安装上套筒盖2E，也在传动轴2B的上端通过平键与键槽的配合安装上AA联轴器2G；将AC联轴器2J套接在齿轮轴2A的A圆柱段2A1上。

角度调节组件3

参见图1、图1A、图1B、图1C、图4所示，角度调节组件3包括有B直流伺服电机10D、B光电编码器10E、C直流伺服电机10F、C光电编码器10G、A摄像头9A、B摄像头9B、俯仰旋转架3A、水平旋转架3B、角度调节架3C、C电机安装座3D、B电机安装座3E、A限位座3F、B限位座3G、BA滚珠轴承3H、BB滚珠轴承3J、BC滚珠轴承3K、BD滚珠轴承3L、BA联轴器3H1、BB联轴器3J1、BC联轴器3K1、BD联轴器3L1。

B光电编码器10E安装在B直流伺服电机10D上，B直流伺服电机10D的壳体固定在B电机安装座3E上，B电机安装座3E固定在水平旋转架3B的一侧的A立板上。

C光电编码器10G安装在C直流伺服电机10F上，C直流伺服电机10F的壳体固定在C电机安装座3D上，C电机安装座3D固定在俯仰旋转架3A的上边框上。

参见图1C、图4C、图4D所示，俯仰旋转架3A为框架结构。俯仰旋转架3A上设有上边框3A1、下边框3A2、左边框3A3和右边框3A4；

上边框3A1的外部设有A凸台3A11，A凸台3A11上设有用于放置BA滚珠轴承3H的上通孔3A12，A凸台3A11上安装有C电机安装座3D；BA联轴器3H1固定在上边框3A1的下板面上；BA滚珠轴承3H的外圈与上通孔3A12卡紧，BA滚珠轴承3H的内圈套接在BA联轴器3H1上；BA联轴器3H1与C直流伺服电机10F的输出轴连接；

下边框3A2的外部设有B凸台3A21，B凸台3A21上设有用于放置BB滚珠轴承3J的下通孔3A22，B凸台3A21上安装有BB滚珠轴承3J的端盖3J2；BB滚珠轴承3J的外圈与下通孔3A22卡紧，BB滚珠轴承3J的内圈套接在BB联轴器3J1上；

左边框3A3的外部设有C凸台3A32，C凸台3A32的中心部位设有A沉头腔3A31，A沉头腔3A31内安装有BD联轴器3L1；BD联轴器3L1上套接有BD滚珠轴承3L，BD滚珠轴承3L的外圈与水平旋转架3B的A立板3B2上的A轴承孔3B4卡紧；

右边框3A4的外部设有D凸台3A42，D凸台3A42的中心部位设有B沉头腔3A41，B沉头腔3A41内安装有BC联轴器3K1；BC联轴器3K1上套接有BC滚珠轴承3K，BC滚珠轴承3K的外圈与水平旋转架3B的B立板3B3上的B轴承孔3B5卡紧。

参见图1C、图4所示，水平旋转架3B上设有连接板3B1、A立板3B3和B立板3B3；所述连接板3B1上设有C沉头腔3B6，在该C沉头腔3B6内放置螺钉，螺钉穿过C沉头腔3B6后连接要AA联轴器2G上，即实现了水平旋转架3B与AA联轴器2G的固定；所述A立板3B3上设有A轴承孔3B4，该A轴承孔3B4用于放置BD滚珠轴承3L，即BD滚珠轴承3L的外圈与A轴承孔3B4固定，BD滚珠轴承3L的内圈套接在BD联轴器3L1上；所述B立板3B3上设有B轴承孔3B5，该B轴承孔3B5用于放置BC滚珠轴承3K，即BC滚珠轴承3K的外圈与B轴承孔3B5固定，BC滚珠轴承3K的内圈套接在BC联轴器3K1上。

参见图1C、图4、图4A、图4B所示，角度调节架3C上设有摄像头安装板3C1、上支撑臂3C2和下支撑臂3C3；

所述摄像头安装板3C1上设有镜头A通孔3C11、镜头B通孔3C13、A限位调节孔3C12和B限位调节孔3C14；镜头A通孔3C11用于放置A摄像头9A；镜头B通孔3C13用于放置B摄像头9B；A限位调节孔3C12上安装有A限位座3F，B限位调节孔3C14上安装有B限位座3G，设有多个A限位调节孔3C12和B限位调节孔3C14是为了调节A限位座3F与B限位座3G之间在角度调节架3C上的位置，从而达到调节A摄像头9A与B摄像头9B之间的瞳距；

所述上支撑臂3C2上设有用于安装BA联轴器3H1的D沉头腔3C21；

所述下支撑臂3C3上设有用于安装BB联轴器3J1的D限位孔(图4A中未示出)。

在本发明中，2个摄像头(A摄像头9A、B摄像头9B)安装在角度调节架3C上，角度调节架3C通过4个联轴器(BA联轴器3H1、BB联轴器3J1、BC联轴器3K1、BD联轴器3L1)与俯仰旋转架3A和水平旋转架3B连接，C直流伺服电机10F安装在俯仰旋转架3A上，B直流伺服电机安装在水平旋转架3B，通过2个直流伺服电机的驱动实现安装在角度调节架3C上的2个摄像头实现不同视角的调节。

控制电机

本发明设计的一种仿颈椎式云台机构是采用微处理器通过嵌入其中的PID算法来实现对四个电机进行控制的。

微处理器选用美国微芯(MICROCHIP)科技公司生产的dsPIC33FJ64GS606单片机(处理器U3)，闭环PID控制程序预先下载到芯片当中，并按照图6执行。

为方便实时调试PID关联的各项电机参数，处理器U3(如图5所示)外围搭配了RS232串口驱动电路，可与上位机进行通讯，用来实时接收控制指令和发送电机状态数据。

在本发明中，处理器U3接收到的数据有：每个直流伺服电机配备的光电编码器发送的两路高低电平脉冲信号QEA、QEB，根据两路脉冲信号的相位关系判断电机实际转向，依据脉冲信号的频率计算电机的当前速度并作为速度反馈与期望速度进行比较，进而形成速度闭环回路。

参见图5A、图5B所示，电机驱动芯片L298N(U4、U5)的5(IN1)、7(IN2)、10(IN3)以及12(IN4)号引脚接收输入控制电平信号，控制电机的正反转。2(OUT1)、3(OUT2)和13(OUT3)、14(OUT4)号引脚之间分别经过8个肖特基二极管1N5818形成四个单向电流通道，可驱动两个直流伺服电机的正反转运动。6(ENA)，11(ENB)号引脚为控制使能端，分别接入经控制器PID算法调制后的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4脉宽调制波形信号，实现调节速度的功能。

对于步进电机的驱动控制相对简单一些，同样采用上述由L298N芯片搭建的电路进行驱动。步进电机转速的高低与控制脉冲频率有关，通过改变PWM控制脉冲频率，可改变步进电机转速。步进电机不需要配备编码器进行速度反馈，控制算法简单，稳定性较好。

该设计实现了直流伺服电机的正转、反转、加速快转、减速慢转的功能，启动系统后，通过控制脉冲来控制系统，经过L298N驱动电路对脉冲进行处理，输出能直接控制步进电机的脉冲信号，在此基础上，重新分配I/O资源，同时可增加驱动芯片L298N的个数，在负载能力范围允许内，还能实现多台步进电机独立正转、反转、加速快转、减速慢转的控制。

参见图5、图5A、图5B所示，处理器U3的QEA1端、QEB1端与A光电编码器连接，处理器U3的QEA2端、QEB2端与B光电编码器连接，处理器U3的QEA3端、QEB3端与C光电编码器连接；

处理器U3的CTRL1端、CTRL2端、CTRL3端、CTRL4端、PWM1端、PWM2端分别与第一电机驱动芯片U4的CTRL1端、CTRL2端、CTRL3端、CTRL4端、PWM1端、PWM2端连接。

处理器U3的CTRL5端、CTRL6端、CTRL7端、CTRL8端、PWM3端、PWM4端分别与第二电机驱动芯片U5的CTRL5端、CTRL6端、CTRL7端、CTRL8端、PWM3端、PWM4端连接。

第一电机驱动芯片U4的M1端、M2端与A直流伺服电机连接，第一电机驱动芯片U4的M3端、M4端与B直流伺服电机连接。

第一电机驱动芯片U4的M1端与+12V电源之间连接肖特基二极管D1，第一电机驱动芯片U4的M1端与地之间连接肖特基二极管D5；

第一电机驱动芯片U4的M2端与+12V电源之间连接肖特基二极管D2，第一电机驱动芯片U4的M2端与地之间连接肖特基二极管D6；

第一电机驱动芯片U4的M3端与+12V电源之间连接肖特基二极管D3，第一电机驱动芯片U4的M3端与地之间连接肖特基二极管D7；

第一电机驱动芯片U4的M4端与+12V电源之间连接肖特基二极管D4，第一电机驱动芯片U4的M4端与地之间连接肖特基二极管D8。

第二电机驱动芯片U5的M5端、M6端与C直流伺服电机连接，第一电机驱动芯片U5的M7端、M8端与直流步进电机连接。

第二电机驱动芯片U5的M5端与+12V电源之间连接肖特基二极管D9，第一电机驱动芯片U5的M5端与地之间连接肖特基二极管D13；

第二电机驱动芯片U5的M6端与+12V电源之间连接肖特基二极管D10，第一电机驱动芯片U5的M6端与地之间连接肖特基二极管D14；

第二电机驱动芯片U5的M7端与+12V电源之间连接肖特基二极管D11，第一电机驱动芯片U5的M7端与地之间连接肖特基二极管D15；

第二电机驱动芯片U5的M8端与+12V电源之间连接肖特基二极管D12，第一电机驱动芯片U5的M8端与地之间连接肖特基二极管D16。

本发明设计的一种基于仿颈椎式云台机构在4个电机的驱动下能够实现升降、俯仰及旋转的运动。

在直流步进电机10A驱动实现的运动记为沿云台机构的Y轴作升降运动。

在A直流伺服电机10B驱动实现的运动记为沿云台机构的Y轴作圆周旋转运动。

在B直流伺服电机10D驱动实现的运动记为沿云台机构的X轴作俯仰运动。B直流伺服电机10D的输出轴的轴线记为本发明云台机构的X轴轴线(图1所示)。

在C直流伺服电机10F驱动实现的运动记为沿云台机构的Y轴作微角度转动运动。C直流伺服电机10F的输出轴的轴线记为本发明云台机构Y轴轴线(图1所示)。

在本发明中，直流伺服电机选用德国Faulhaber2342L012CR空心杯电机，直流步进电机选用宇辉42BYGH两相混合式步进电机。

升降运动

参见图1、图1A、图1C所示，在本发明中，在直流步进电机10A的驱动下，丝杠外罩1A在丝杠滑块1C的带动下沿滚珠丝杠1D作上下运动，即带动承载在丝杠外罩1A上的水平旋转组件2和角度调节组件3作上下运动。本发明云台机构的升降运动扩大了摄像头的信息采集区间，视野更广。

圆周旋转运动

参见图1、图1A、图1C所示，在本发明中，在A直流伺服电机10B的驱动下，主动齿轮2D的运动带着从动齿轮2C随动，从而使齿轮轴2A旋转，通过联轴器(AC联轴器2J、AB联轴器2H)的连接，传动轴2B作旋转运动，角度调节组件3通过AA联轴器2G与传动轴2B连接，故角度调节组件3随传动轴2B作旋转运动。本发明云台机构的圆周旋转运动实现了摄像头的360度无死角的信息采集，视野更广。

俯仰运动

参见图1、图1A、图1C所示，在本发明中，在B直流伺服电机10D的驱动下，俯仰旋转架3A沿X轴轴线摆动，角度调节架3C通过联轴器与俯仰旋转架3A连接，故安装在角度调节架3C上的2个摄像头随角度调节架3C作俯仰运动。本发明云台机构在安装升降运动、圆周旋转运动后进入俯仰运动调节。

微角度转动运动

参见图1、图1A、图1C、图4、图4B所示，在本发明中，在C直流伺服电机10F的驱动下，角度调节架3C沿Y轴轴线作微角度转动的调节。角度调节架3C上的坐标标注关系为：

角度调节架3C的XYZ三轴与本发明设计的云台机构的XYZ三轴保持一致，A摄像头9A与B摄像头9B之间的瞳距记为d，一般d＝2～35cm。目标点Tg在角度调节架3C上的摄像头安装板3C1上的投影点记为Tp，连接目标点Tg与投影点Tp且延长构成Z₂线。从投影点Tp作垂直于X轴的垂线且交于P点，过P点作平行于Z轴的线即Z₁线。连接P点与目标点Tg构成第一条线，第一条线与Z₁线的夹角记为β；连接投影点Tp与坐标原点O构成第二条线，第二条线与Y轴的负方向的夹角记为α；目标点Tg与坐标原点O的距离记为ρ。在空中三角测量原理中，夹角α为方位角，夹角β为俯仰角，距离ρ为斜距离。一般地，α＝0～±90度，β＝0～±90度，ρ＝20F～50F，F为摄像头的焦距，单位为毫米。

对本发明设计的云台机构进行转动调节包括有下列调节步骤：

第一步，将目标点在两台摄像机中的成像进行数字图像处理后，按照空中三角测量原理并配合“数字摄影测量与计算机视觉”的第2节中公开的内容对双目中同一像点进行几何计算，得到目标点对于云台双目摄像机中心的方位角α和俯仰角β以及斜距离ρ(如图4B所示、图6)，便明确了目标物在相对于云台摄像机中心的准确位置。“数字摄影测量与计算机视觉”是2004年12月第29卷第12期，《武汉大学学报信息科学版》。

第二步，将方位角α和俯仰角β作为位置反馈环节的大外环视觉反馈量反馈给PID控制器进行处理，后进行机构运动学分析。控制算法将方位角α分解成水平旋转分量α_水平和左右微调分量α_左右，水平旋转分量α_水平反馈给云台机构的水平旋转方位控制通道以控制A直流伺服电机运行，左右微调分量α_左右反馈给云台机构的左右微调方位控制通道以控制B直流伺服电机运行；同时将俯仰角β分解成垂直升降分量β_升降和俯仰旋转分量β_俯仰，垂直升降分量β_升降反馈给云台机构的垂直升降方位控制通道以控制直流步进电机运行，俯仰旋转分量β_俯仰反馈给云台机构的俯仰旋转方位控制通道以控制C直流伺服电机运行。

待第二步调节完成后，再重复执行第一步的工作再次得到当前目标点相对于云台摄像机中心的方位角α_当前和俯仰角β_当前，然后按照第二步所述的方法继续控制四个电机联动，通过这样不断地更新迭代α_水平、α_左右、β_升降、β_俯仰的数值，目标点逐渐与云台双目摄像机中心接近，当实时测得的方位角α_当前和俯仰角β_当前均等于0时，即目标位于视野正中心时，电机停止运行完成方位调节工作。

第三步，转速的调节跟方位角的调整是并行同时进行的，在经第一步以及第二步不断地更新迭代得到的α_水平、α_左右、β_升降、β_俯仰后，根据α_水平、α_左右、β_升降、β_俯仰的数值大小，PID控制器制定出每个电机对应的最优期望转速曲线。每个通道的电机以及其对应的编码器构成速度闭环调节回路，使得电机的实际转速曲线可以很好的跟随最优期望转速曲线。速度的闭环控制采用增量式PID方法来进行实现，速度大小的调节采用PWM(Pulse-Width Modulation)方法通过调整脉冲占空比来实现。

在本发明中，所述的方位角α和俯仰角β，根据目标位置与当前位置的位置误差以及各电机当前的位置，可快速分配优化的α_水平、α_左右、β_升降、β_俯仰给四个电机，达到快速响应、运行平稳和节约能源的目的。

在本发明中，所述的位置和速度的调节方法中，位置调节的输出α_水平、α_左右、β_升降和β_俯仰又作为速度调节的输入，是一种典型的位置、速度双闭环串级调节方式，可确保整个机构精确定位和平稳运行。

Claims

1.一种仿颈椎式云台机构，其特征在于：所述仿颈椎式云台机构包括有垂直升降组件(1)、水平旋转组件(2)和角度调节组件(3)；

垂直升降组件(1)包括有直流步进电机(10A)、丝杠外罩(1A)、丝杠导轨(1B)、丝杠滑块(1C)、滚珠丝杠(1D)、上挡板(1E)、下挡板(1F)、A底座(1G)、B底座(1H)、支撑柱(1J)；

丝杠外罩(1A)为一端有挡板的空心结构体；丝杠外罩(1A)的上端设有上壳板(1A1)，上壳板(1A1)上设有CA螺纹孔(1A2)和CA通孔(1A3)；

丝杠外罩(1A)体上设有多个减重孔(1A6)；

丝杠外罩(1A)的A竖板(1A4)上设有用于与丝杠滑块(1C)固定用的CB通孔(1A5)，CB通孔(1A5)用于螺钉穿过后连接在丝杠滑块(1C)一侧面板的CB螺纹孔(1C1)中；

丝杠外罩(1A)的B竖板(1A7)上设有用于与丝杠滑块(1C)固定用的CC通孔(1A8)，CC通孔(1A8)用于螺钉穿过后连接在丝杠滑块(1C)另一侧面板的螺纹孔中；

A底座(1G)上设有AA通孔(1G1)、AB通孔(1G2)、AC通孔(1G3)和AA螺纹孔(1G4)，所述AA通孔(1G1)为带有阶梯台的通孔；AA通孔(1G1)用于放置支撑柱(1J)的上端；AB通孔(1G2)用于A直流伺服电机(10B)的输出轴穿过；AC通孔(1G3)用于安装AB滚珠轴承(2L)；AA螺纹孔(1G4)用于与套筒(2F)的外凸台(2F1)上的沉头通孔(2F2)对齐，且通过螺钉固定；

B底座(1H)上设有BA通孔(1H1)、CC通孔(1H3)、BA螺纹孔(1H4)和减重孔(1H5)，所述BA通孔(1H1)为带有阶梯台的通孔；BA通孔(1H1)用于放置支撑柱(1J)的下端；BC通孔(1H3)用于安装AC滚珠轴承(2M)；BA螺纹孔(1H4)用于与丝杠外罩(1A)的上壳板(1A1)上的CA螺纹孔(1A2)对齐，且通过螺钉固定；

支撑柱(1J)设计为两端带有收缩段的圆柱结构；支撑柱(1J)的上端设有BB螺纹孔(1J1)，支撑柱(1J)的下端设有BC螺纹孔；

水平旋转组件(2)包括有A直流伺服电机(10B)、A光电编码器(10C)、齿轮轴(2A)、传动轴(2B)、从动齿轮(2C)、主动齿轮(2D)、套筒盖(2E)、套筒(2F)、 AA联轴器(2G)、AB联轴器(2H)、AC联轴器(2J)、AA滚珠轴承(2K)、AB滚珠轴承(2L)、AC滚珠轴承(2M)、齿轮轴套(2N)；

A光电编码器(10C)安装在A直流伺服电机(10B)上，A直流伺服电机(10B)的壳体固定在A底座(1G)上，A直流伺服电机(10B)的输出轴上连接有主动齿轮(2D)，主动齿轮(2D)与从动齿轮(2C)啮合；

齿轮轴(2A)为多段阶梯式轴承；齿轮轴(2A)从上至下分别为A圆柱段(2A1)、B圆柱段(2A2)、C圆柱段(2A3)、D圆柱段(2A4)、E圆柱段(2A5)、F圆柱段(2A6)、G圆柱段(2A7)；A圆柱段(2A1)上套接有AC联轴器(2J)；B圆柱段(2A2)上套接有AB轴承端盖(2L1)，AB轴承端盖(2L1)固定在A底座(1G)的上面板；C圆柱段(2A3)上套接有AB滚珠轴承(2L)，即AB滚珠轴承(2L)放置在A底座(1G)的AC通孔(1G3)内，AB滚珠轴承(2L)的内圈固定安装在C圆柱段(2A3)上，AB滚珠轴承(2L)的外圈与AC通孔(1G3)卡紧；D圆柱段(2A4)上套接有轴套(2N)；E圆柱段(2A5)上套接有从动齿轮(2C)；F圆柱段(2A6)上套接有AC滚珠轴承(2M)，即AC滚珠轴承(2M)放置在B底座1H的BC通孔(1H3)内，AC滚珠轴承(2M)的内圈固定安装在F圆柱段(2A6)上，AC滚珠轴承(2M)的外圈与BC通孔(1H3)卡紧；G圆柱段(2A7)上套接有AC轴承端盖(2M1)，AC轴承端盖(2M1)固定在B底座(1H)的下面板；所述D圆柱段(2A4)上设有键槽，该键槽用于安装平键，轴套(2N)通过平键卡紧在齿轮轴(2A)上；

传动轴(2B)为两端有收缩段的轴承；传动轴(2B)的上端部设有用于安装AA联轴器(2G)的上缩段(2B1)，所述上缩段(2B1)上设有键槽，AA联轴器(2G)通过平键与传动轴(2B)的上端卡紧，传动轴(2B)的下端部设有用于安装AB联轴器(2H)的下缩段(2B2)；

套筒(2F)为空心结构；套筒(2F)的中心为通孔(2F4)；套筒(2F)的上端设有内凸台(2F5)，内凸台(2F5)上设有螺纹盲孔(2F3)；套筒(2F)的下端设有外凸台(2F1)，外凸台(2F1)上设有沉头通孔(2F2)；套筒(2F)的外凸台(2F1)固定在A底座(1G)的上面板；

角度调节组件(3)包括有B直流伺服电机(10D)、B光电编码器(10E)、C直流伺服电机(10F)、C光电编码器(10G)、A摄像头(9A)、B摄像头(9B)、俯仰旋转架(3A)、水平旋转架(3B)、角度调节架(3C)、C电机安装座(3D)、B电机安装座 (3E)、A限位座(3F)、B限位座(3G)、BA滚珠轴承(3H)、BB滚珠轴承(3J)、BC滚珠轴承(3K)、BD滚珠轴承(3L)、BA联轴器(3H1)、BB联轴器(3J1)、BC联轴器(3K1)、BD联轴器(3L1)；

B光电编码器(10E)安装在B直流伺服电机(10D)上，B直流伺服电机(10D)的壳体固定在B电机安装座(3E)上，B电机安装座(3E)固定在水平旋转架(3B)的一侧的A立板上；

C光电编码器(10G)安装在C直流伺服电机(10F)上，C直流伺服电机(10F)的壳体固定在C电机安装座(3D)上，C电机安装座(3D)固定在俯仰旋转架(3A)的上边框上；

俯仰旋转架(3A)为框架结构；俯仰旋转架(3A)上设有上边框(3A1)、下边框(3A2)、左边框(3A3)和右边框(3A4)；

上边框(3A1)的外部设有A凸台(3A11)，A凸台(3A11)上设有用于放置BA滚珠轴承(3H)的上通孔(3A12)，A凸台(3A11)上安装有C电机安装座(3D)；BA联轴器(3H1)固定在上边框(3A1)的下板面上；BA滚珠轴承(3H)的外圈与上通孔(3A12)卡紧，BA滚珠轴承(3H)的内圈套接在BA联轴器(3H1)上；BA联轴器(3H1)与C直流伺服电机(10F)的输出轴连接；

下边框(3A2)的外部设有B凸台(3A21)，B凸台(3A21)上设有用于放置BB滚珠轴承(3J)的下通孔(3A22)，B凸台(3A21)上安装有BB滚珠轴承(3J)的端盖(3J2)；BB滚珠轴承(3J)的外圈与下通孔(3A22)卡紧，BB滚珠轴承(3J)的内圈套接在BB联轴器(3J1)上；

左边框(3A3)的外部设有C凸台(3A32)，C凸台(3A32)的中心部位设有A沉头腔(3A31)，A沉头腔(3A31)内安装有BD联轴器(3L1)；BD联轴器(3L1)上套接有BD滚珠轴承(3L)，BD滚珠轴承(3L)的外圈与水平旋转架(3B)的A立板(3B2)上的A轴承孔(3B4)卡紧；

右边框(3A4)的外部设有D凸台(3A42)，D凸台(3A42)的中心部位设有B沉头腔(3A41)，B沉头腔(3A41)内安装有BC联轴器(3K1)；BC联轴器(3K1)上套接有BC滚珠轴承(3K)，BC滚珠轴承(3K)的外圈与水平旋转架(3B)的B立板(3B3)上的B轴承孔(3B5)卡紧；

水平旋转架(3B)上设有连接板(3B1)、A立板(3B2)和B立板(3B3)；所述连接板(3B1)上设有C沉头腔(3B6)，在该C沉头腔(3B6)内放置螺钉，螺钉穿过C沉头腔(3B6)后连接要AA联轴器(2G)上，即实现了水平旋转架(3B)与AA联轴器(2G)的固定；所述A立板(3B2)上设有A轴承孔(3B4)，该A轴承孔(3B4)用于放置BD滚珠轴承(3L)，即BD滚珠轴承(3L)的外圈与A轴承孔(3B4)固定，BD滚珠轴承(3L)的内圈套接在BD联轴器(3L1)上；所述B立板(3B3)上设有B轴承孔(3B5)，该B轴承孔(3B5)用于放置BC滚珠轴承(3K)，即BC滚珠轴承(3K)的外圈与B轴承孔(3B5)固定，BC滚珠轴承(3K)的内圈套接在BC联轴器(3K1)上；

角度调节架(3C)上设有摄像头安装板(3C1)、上支撑臂(3C2)和下支撑臂(3C3)；

所述摄像头安装板(3C1)上设有镜头A通孔(3C11)、镜头B通孔(3C13)、A限位调节孔(3C12)和B限位调节孔(3C14)；镜头A通孔(3C11)用于放置A摄像头(9A)；镜头B通孔(3C13)用于放置B摄像头(9B)；A限位调节孔(3C12)上安装有A限位座(3F)，B限位调节孔(3C14)上安装有B限位座(3G)；

所述上支撑臂(3C2)上设有用于安装BA联轴器(3H1)的D沉头腔(3C21)；

所述下支撑臂(3C3)上设有用于安装BB联轴器(3J1)的D限位孔。

2.根据权利要求1所述的仿颈椎式云台机构，其特征在于：主动齿轮(2D)与从动齿轮(2C)的传动比为10:1。

3.根据权利要求1所述的仿颈椎式云台机构，其特征在于：主动齿轮(2D)与从动齿轮(2C)的采用聚缩醛材料加工。

4.根据权利要求1所述的仿颈椎式云台机构，其特征在于：直流步进电机(10A)用于实现所述仿颈椎式云台机构的沿Y轴的升降运动；

A直流伺服电机(10B)用于实现所述仿颈椎式云台机构的沿Y轴的圆周旋转运动；

B直流伺服电机(10D)用于实现所述仿颈椎式云台机构的沿X轴的俯仰运动；

C直流伺服电机(10F)用于实现所述仿颈椎式云台机构的沿Y轴的微角度转动运动。

5.根据权利要求4所述的仿颈椎式云台机构，其特征在于：采用PID处理器对电机运动进行控制。

6.根据权利要求1所述的仿颈椎式云台机构，其特征在于所述云台机构进行转动调节包括有下列调节步骤：

第一步，将目标点在两台摄像机中的成像进行数字图像处理后，得到目标点对于云台双目摄像机中心的方位角α和俯仰角β以及斜距离ρ；

第二步，将方位角α和俯仰角β反馈给PID控制器进行处理，利用矩阵坐标变换将方位角α分解成水平旋转分量α_水平和左右微调分量α_左右，水平旋转分量α_水平反馈给云台机构的水平旋转方位控制通道以控制A直流伺服电机运行，左右微调分量α_左右反馈给云台机构的左右微调方位控制通道以控制B直流伺服电机运行；同时将俯仰角β分解成垂直升降分量β_升降和俯仰旋转分量β_俯仰，垂直升降分量β_升降反馈给云台机构的垂直升降方位控制通道以控制直流步进电机运行，俯仰旋转分量β_俯仰反馈给云台机构的俯仰旋转方位控制通道以控制C直流伺服电机运行；

待第二步调节完成后，再重复执行第一步的工作再次得到当前目标点相对于云台摄像机中心的方位角α_当前和俯仰角β_当前，然后按照第二步所述的方法继续控制四个电机联动，通过这样不断地更新迭代α_水平、α_左右、β_升降、β_俯仰的数值，目标点逐渐与云台双目摄像机中心接近，当实时测得的方位角α_当前和俯仰角β_当前均等于0时，即目标位于视野正中心时，电机停止运行完成方位调节工作；

第三步，转速的调节跟方位角的调整是并行同时进行的，在经第一步以及第二步不断地更新迭代得到的α_水平、α_左右、β_升降、β_俯仰后，根据α_水平、α_左右、β_升降、β_俯仰的数值大小，PID控制器制定出每个电机对应的最优期望转速曲线。