CN104142691B - 电动云台机械间隙的自动跟踪与补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种电动云台机械间隙的自动跟踪与补偿方法，该方法通过如下步骤（1）确定间隙误差的最大值；（2）通过对间隙误差的自动跟踪，测算出间隙误差值；（3）根据预置点的坐标及其间隙误差的测量值计算出目标位置的坐标值；（4）目标位置的间隙误差补偿；实现对间隙误差自动跟踪并补偿，从而可以大大降低间隙误差对定位精度的影响。

Description

电动云台机械间隙的自动跟踪与补偿方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种应用于安防系统中摄像机的云台控制的电机控制技术。

背景技术

在安防系统中，摄像机的云台需要有一个调预置位的功能，即先调整云台水平、垂直两方向运动对准目标，然后再调变倍、变焦使图像清晰，保存水平、垂直、变倍及变焦四个坐标值，称为预置点，并加以编号，如预置点1（PRE_POS_01）。继续操作云台，可以设置多个预置点。正常使用时，如果需要摄像机对准某个预置点，只要输入预置点的编号，云台将自动水平、垂直运动，同时变倍、变焦，最终精确对准并清晰显示所调预置点对应的目标图像。但实际使用过程中，经常出现调预置位后的图像与设置图像存在偏差的现象。

调预置位过程中产生的偏差主要由两方面原因造成：

一是受控制精度的影响，如电机因速度控制过低，未到目标而停止；或者因速度过高，刹车后因惯性冲过目标。提高控制精度可以通过使电机低速接近目标（接近目标后先降速然后超低速运行），到达目标瞬间及时刹车的方法实现。

二是受机械间隙的影响。而机械间隙所造成的误差，既存在于到达目标停止后产生的间隙，也包括当用户设置预置位时，预置位的坐标本身所包含的间隙误差。预置点为用户随意设置，云台停止瞬间电机的运行方向和运行速度都不固定，云台静止后产生的间隙量是随机的，间隙误差不是固定值。这样，当调用该预置点时，电机的刹车信号是根据已到达预置点的坐标值才发出的，由于速度和方向上的不同，根本无法保证电机再次以同样的间隙停止在设定的坐标上。这不只是惯性问题，电机静止后的间隙量还会受温度、材料的弹性等多种因素的影响。

机械间隙分为正向间隙和反向间隙，一般情况下，机械间隙在某一特定方向上运行时，在运动过程中，由间隙造成的位置误差为一个固定值。如图1所示。

图中N为电机输出齿轮的一个齿，M为传动机构齿轮的一个齿，此处只用于示意机械传动过程中的间隙，并不代表具体机械结构。M的位置代表镜头实际指向的位置，简称实际位置（POS_act）;N的位置代表电机实际停止的位置，可由编码器直接测量得到，简称当前位置（POS_cur）;M与N之间固有的间隙存在一个最大值，简称最大间隙（PLAY_RANGE），当前位置与实际位置的的偏差即为间隙误差（POS_OFFS）,公式表示如下：

POS_OFFS=POS_cur-POS_act; （1）

从图1中可以看出，间隙误差（POS_OFFS）是有符号的，正向运动时，POS_OFFS=PLAY_RANGE/2；反向运动时，POS_OFFS=-PLAY_RANGE/2；

然而机械间隙只是在传动方向不改变且连续运动的情况下，所造成的间隙误差才为固定值POS_OFFS=PLAY_RANGE/2，当传动系统随机起动，随机停止，无规律换向时，受装配、弹性变形、环境温度等的影响，当运动停止时由机械间隙产生的位置误差具有随机性，没有确定值，如图2所示，间隙1、间隙2、间隙3互不相等。值得说明的是，图2所示三种情况由一种运动方向停止也是能够产生的，尤其在手动微调时，经常出现电机转动而镜头指向不动的情况，即电机只在间隙范围内运行，无实际输出扭矩。

由公式（1）可得：

POS_act=POS_cur-POS_OFFS; （2）

公式（2）说明镜头的实际指向是受间隙误差影响的。只有确切知道间隙误差（POS_OFFS）的大小，才能得出镜头指向的实际位置。

发明内容：

摄像机的云台属于精确定位系统，用户常常把需要监测的点调整好，然后进行保存，需要监测时直接调用，从而省去调整时间。这种应用叫作预置点存贮与调用。显然，由于机械间隙造成的间隙误差既存在于预置点的设定过程中，也存在于预置点的调用过程中，经常出现调预置位后的图像与设置图像存在偏差的现象，所以需要对间隙误差进行补偿以降低误差，避免图像出现较大偏差。

以全向电动云台水平控制为例，水平方向每周行程为360度，水平位移采用霍尔编码器进行测量，每周计数值为32000，对应位置测量分辨率约为0.01度（360/32000），经实际测量，最大间隙的计数值约为10，对应的行程为0.1度。当镜头进行远距离自动定位拉近观测时，0.1度的偏差会导致目标偏出监视屏幕，只能通过手动方式重新调整镜头指向，如此给监控带来很大不便，且影响观测效率。间隙误差也存在于这种情形，即当电机由正转切换为反转时，电机输出齿轮N转动了0.1度，而镜头指向M却没有任何变化。同样，图2电机停止瞬间，电机输出齿轮N产生了反向位移，但镜头指向M并没有变化，即由编码器测量到的当前位置（POS_cur），与镜头的实际位置（POS_act）存在一个随机大小的间隙误差。

理论上讲，间隙误差是不可能完全消除的，但由于编码器测量分辨率很高，通过某种算 法，是能够跟踪测量出任何情况下的间隙误差，最后，可以通过分析计算目标位置发生时的间隙误差，对当前运动的目标位置加以修正，则可以大大减小当前运动停止后的位置与目标位置之间的偏差，从而实现精确定位的目的。

本专利正是基于这样一种思路，设计了一种自动跟踪并补偿间隙误差的方法，从而可以大大降低间隙误差对定位精度的影响。

仔细分析图1和图2，不难发现，这种间隙误差总是处于一个固定的范围，即-PLAY_RANGE/2～+PLAY_RANGE/2之间。

第一步：确定间隙误差的最大值（PLAY_RANGE）:

A、测量设备连接：将被测云台、摄像机、监视器、电脑、可调直流电源等连接好，并加电;

B、调整摄像机，使其精确清晰对准某一目标，并在监视器上做上“十”字标记，断开水平电机接线，换以可调直流电源供电；

C、给水平电机加向左电压，由小到大，微调可调直流电源，以不让图像偏离标记为准则；记录此时霍尔编码器输出的位置值POS_left。

D、再给垂直电机加向右电压，由小到大，微调可调直流电源，以不让图像偏离标记为准则；记录此时霍尔编码器输出的位置值POS_right。

E、POSright-POS_left即为云台水平方向的间隙误差最大值（PLAY_RANGE）。

为保证测量准确性，按BCDE步骤重复五次，反复进行测量，测量结果的平均值即可作为最终测量结果。

第二步：间隙误差的自动跟踪：

本功能是在系统软件中完成的，电机运动的位置变化已经通过霍尔编码器转换为脉冲边沿的变化，每变化一个脉冲边沿对应电机转动最小角度单位（如0.01度），脉冲边沿触发软件中断，每中断一次，执行一次如下计算：

设间隙误差为POS_OFFS,最大间隙为PLAY_RANGE

当正向且PLAY_RANGE/2-POS_OFFS>=0时，POS_OFFS+1；

当反向且PLAY_RANGE/2+POS_OFFS>=0时，POS_OFFS-1；

自动跟踪的算法要点是：电机正向运动过程中，当行程超过PLAY_RANGE后，POS_OFFS=PLAY_RANGE，当电机停止瞬间，因弹性会在间隙范围内产生反转，反转的行程就是间隙误差，通过POS_OFFS的值就能确定此时的间隙误差具体值；反向时同理。由算法可知， 运行方向不同，停止后的间隙误差符号也是不一样的。

第三步：根据预置点的坐标及其间隙误差的测量值计算出目标位置的坐标值

预置点的坐标就是电机将要达到的目标，由于预置点的坐标未对间隙误差进行处理或补偿，并且对于全向云台而言，到达预置点可以从正反两个方向分别到达，运行方向不同，补偿算法也是不一样的，所以应该把预置点的坐标及其间隙误差同时进行存贮，调用时再根据具体运行方向进行补偿计算，得到的新坐标叫作目标位置（POS_target）。在设置预置位时由于系统软件自动跟踪着间隙误差，所以无论用户如何操作，电机停止后的间隙误差会和四个坐标值一起被保存。

目标位置（POS_target）是指当电机输出齿轮N运行至红色位置时，才能确保镜头指向M到达预置点的镜头实际指向。如图3所示。由于全向云台可以360度连续旋转，所以到达一个目标既可以正向到达，也可以反向到达，一般根据行程长短选择趋近目标的方向。另外从图3中可以看出，正向与反向时的目标位置相差10，这就是补偿的结果，如果不补偿，无论正向趋近还是反向趋近，目标位置都应该是一样的。由此可以看出补偿的必要性。

POS_act=POS_cur–POS_OFFS

上述公式中POS_cur可实时测得，POS_OFFS根据第二步的系统软件测试计算得出，间隙误差的补偿需要考虑电机运行方向，方向不同产生间隙误差的符号也不同，所以POS_act的值可实时计算。

PLAY_RANGE/2的值通过第一步也可测得，所以：

正向时，POS_target=POS_act+PLAY_RANGE/2；

反向时，POS_target=POS_act-PLAY_RANGE/2。

一般情况下变倍、变焦两个电机的间隙误差极小，不做补偿，只对水平和垂直两个方向上的电机停止的间隙误差进行保存。

第四步：目标位置的间隙误差补偿

即根据目标位置的坐标值重新调整电机和镜头的位置。

进一步地，由于调预置位操作是由软件自动控制电机的运行，每次刹车前速度基本一致，在方向相同时产生的间隙误差几乎一致，可以采用多次测量然后求平均的方法得到自动停止时的间隙误差值。经验证明正反两个方向上的自动停止时的间隙误差基本相同，这样保存下一个自动停止的间隙误差值即可。

因此可统计调预置位时电机自动停止时的间隙误差，得出一个平均值，作为一个经验值，可以避免每次均进行误差的适时跟踪与计算。

附图说明：

图1为云台在正、反不同运动方向中其间隙误差为固定值时示意图；

图2为间隙误差为不定值时的状态示意图；

图3为实施例中测量最大间隙误差步骤的示意图；

图4为正向运动时间隙误差的具体值测量示意图；

图5为正反不同方向运动停止时间隙误差补偿示意图。

具体实施方式：

第一步，确定间隙误差的最大值

如图3所示，水平方向每周行程为360度，水平位移采用霍尔编码器进行测量，每周计数值为32000，对应位置测量分辨率约为0.01度（360/32000），镜头实际指向水平坐标为16000，经上述测量后得到：

POS_left=15995；

POSright=16005；

PLAY_RANGE=POSright-POS_left=16005-15995=10；说明水平方向最大间隙为10，对应角度约为0.1度。

第二步：间隙误差的自动跟踪

如图4所示，水平电机正向运行停止后的当前位置坐标为15000，经上述算法软件计算后得到：

POS_OFFS=+3；说明水平电机正向断电停止瞬间，电机出现瞬时反转，因为最大间隙为10，正向运行时，最大POS_OFFS=+5；而实测POS_OFFS=+3；说明电机反转了2个计数值，对应角度约为0.02度。通过当前位置坐标和间隙误差，可以计算出镜头实际指向（POS_act）位置为14997，即电机正向运行到15002位置时，镜头位置才是实际目标位置。

第三步：根据预置点的坐标及其间隙误差的测量值计算出目标位置的坐标值

当调用预置位时，系统先取出预置点的坐标及其间隙误差（dx），如图5所示，POS_cur=15000,POS_OFFS=+3;根据公式（2）可求得：

POS_act=POS_cur–POS_OFFS=15000-3=14997为镜头实际指向。

然后根据间隙范围可计算出电机运行的目标位置：

正向时，POS_target=POS_act+PLAY_RANGE/2=15002；

反向时，POS_target=POS_act-PLAY_RANGE/2=14992；

第四步：目标位置的间隙误差补偿

即根据目标位置的坐标值重新调整电机和镜头的位置。

实验证明，按照常规机械间隙误差的补偿方法，测量得到间隙范围为0.1度，补偿后的定位精度应为±0.05度。此时虽然霍尔编码器的分辨率达0.01度，但由于间隙误差的补偿不彻底，云台的定位精度也只能是±0.05度，远低于云台运动的实际分辨率。

当采用机械间隙误差的自动跟踪算法及补偿后，经实验测得云台的定位精度±0.01度，其提高定位精度的效果相当明显。

Claims (3)

1.电动云台机械间隙的自动跟踪与补偿方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)确定间隙误差的最大值；

(2)通过对间隙误差的自动跟踪，测算出间隙误差值；

(3)根据预置点的坐标及其间隙误差的测量值计算出目标位置的坐标值；

(4)目标位置的间隙误差补偿；

其中步骤(1)是采用如下方式实现：

A、将被测云台、摄像机、监视器、电脑、可调直流电源连接好，并加电；

B、调整摄像机，使其精确清晰对准某一目标，并在监视器上做上“十”字标记，断开水平电机接线，换以可调直流电源供电；

C、给水平电机加向左电压，由小到大，微调可调直流电源，以不让图像偏离标记为准则；记录此时霍尔编码器输出的位置值POS_left；

D、再给垂直电机加向右电压，由小到大，微调可调直流电源，以不让图像偏离标记为准则；记录此时霍尔编码器输出的位置值POS_right；

E、POSright-POS_left即为云台水平方向的间隙误差最大值PLAY_RANGE；

其中步骤(2)采用如下方式实现：

将电机运动的位置变化通过霍尔编码器转换为脉冲边沿的变化，通过系统软件，每变化一个脉冲边沿对应电机转动最小角度单位，脉冲边沿触发软件中断，每中断一次，执行一次如下计算：

当正向且PLAY_RANGE/2-POS_OFFS>＝0时，POS_OFFS+1；

当反向且PLAY_RANGE/2+POS_OFFS>＝0时，POS_OFFS-1。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于其中步骤(3)采用如下方式实现：

A、根据POS_act＝POS_cur–POS_OFFS，求得某位置状态下POS_act的坐标值，其中POS_act表示镜头的实际位置，POS_cur表示由编码器测量到的当前位置；

B、求出目标位置POS_target的坐标值：

正向时，POS_target＝POS_act+PLAY_RANGE/2；

反向时，POS_target＝POS_act-PLAY_RANGE/2。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：对于某云台设备其中步骤(2)中间隙误差POS_OFFS的测算可以进行多次，取其平均值，并在其后步骤中直接作为间隙误差的数值计算。