CN105955328B - 云台摄像头的速度控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种云台摄像头的速度控制装置，包括：指令接收单元，用于接收驱动云台摄像头运转的转动指令；位移计算单元，用于根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离；速度查询单元，用于根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取电机转动速度；驱动控制单元，用于将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。采用本发明，可以通过较低的成本较大程度地消除云台摄像头抖动。
Description
技术领域
本发明涉及摄像头传动技术，更具体地，涉及云台摄像头的速度控制方法和装置。
背景技术
云台摄像头设置有转动电机，电机在驱动摄像头转动时，需要摄像头在预定时间转动至预定位置，因此摄像头需要以最高速转动至预定位置。现有技术中，电机直接驱动摄像头以额定的最高速转动，因而摄像头拍摄的画面会产生抖动，从而影响了拍摄质量。
现有的防抖技术主要有自然防抖技术，比如：调高感光度来提高快门速度；光学防抖技术，比如：利用特殊的镜头或者电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)的结构，可以通过这些防抖技术降低摄像头在使用过程中由于抖动造成的影响等。但是，这些防抖技术对硬件要求过高，且主要适用于手机、相机在拍摄过程中的手抖问题，并不适用于云台摄像头通过电机运转的应用场景。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种云台摄像头的速度控制方法和装置，能够通过较低的成本较大程度地消除云台摄像头的抖动。
本发明实施例中提供了一种云台摄像头的速度控制方法，包括：
接收驱动云台摄像头运转的转动指令；
根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离；
根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取电机转动速度；
将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。
优选地，根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取速度变换列表的步骤中，所述速度与加速度模型，包括：
其中，w为控制模型的自然频率，Z为参考输入值，v为电机转动速度，a为加速度，为加速度的一阶导数。
优选地，查询预先存储的速度与加速度模型之后，获取电机转动速度之前，还包括：
利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿。
优选地，利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿的步骤中，所述扰动观测模型，包括：
GD(s)＝k0/s+1
其中，GD(s)为比例积分环节，D为实时检测的补偿误差，k0为补偿系数。
优选地，接收驱动云台摄像头运转的转动指令的步骤之前，包括：
通过手持终端发送所述转动指令。
优选地，通过手持终端发送所述转动指令，还包括：
通过手持终端编辑第一转动指令，该指令包括摄像头水平转动角度和水平转动方向。
优选地，接收驱动云台摄像头运转的转动指令的步骤之前，还包括：
通过手持终端编辑第二转动指令，该指令包括摄像头垂直转动角度和垂直转动方向。
优选地，接收驱动云台摄像头运转的转动指令的步骤之前，还包括：
通过手持终端编辑第三转动指令，该指令包括云台的移动距离和移动方向。
优选地，将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置的步骤中，所述电机控制端，包括：直流力矩电机伺服系统。
优选地，所述直流力矩电机伺服系统的动态方程，包括：
u＝iR+L·di/dt+Kev；
M＝iKm；
M＝Jθ+T0；
其中，u，i，M，J，v，θ，Ke、Km以及T0分别为输入电压、线圈电流、电机输出力矩、转动惯量、电机转动速度、角加速度、反电动势常数、转矩常数和负载力矩。
相应地，本发明实施例提供了一种云台摄像头的速度控制装置，包括：
指令接收单元，用于接收驱动云台摄像头运转的转动指令；
位移计算单元，用于根据所述转动指今，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离；
速度查询单元，用于根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取电机转动速度；
驱动控制单元，用于将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。
优选地，所述位移计算单元中，所述速度与加速度模型，包括：
其中，w为控制模型的自然频率，Z为参考输入值，v为电机转动速度，a为加速度，为加速度的一阶导数。
优选地，所述位移计算单元，还包括：
补偿计算单元，用于利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿。
优选地，所述补偿计算单元中，所述扰动观测模型，包括：
GD(s)＝k0/s+1
其中，GD(s)为比例积分环节，D为实时检测的补偿误差，k0为补偿系数。
优选地，包括：指令发送单元，用于通过手持终端发送所述转动指令。
优选地，还包括：与所述指令发送单元相连的第一指令编辑单元，用于通过手持终端编辑第一转动指令，该指令包括摄像头水平转动角度和水平转动方向。
优选地，还包括：与所述指令发送单元相连的第二指令编辑单元，用于通过手持终端编辑第二转动指令，该指令包括摄像头垂直转动角度和垂直转动方向。
优选地，还包括：与所述指令发送单元相连的第三指令编辑单元，用于通过手持终端编辑第三转动指令，该指令包括云台的移动距离和移动方向。
优选地，所述驱动控制单元中，所述电机控制端，包括：直流力矩电机伺服系统。
优选地，所述直流力矩电机伺服系统的动态方程，包括：
u＝iR+L·di/dt+Kev；
M＝iKm；
M＝Jθ+T0；
其中，u，i，M，J，v，θ，Ke、Km以及T0分别为输入电压、线圈电流、电机输出力矩、转动惯量、电机转动速度、角加速度、反电动势常数、转矩常数和负载力矩。
相对于现有技术，本发明提供的方案，在接收驱动云台摄像头运转的转动指令之后，云台摄像头并非按照现有技术当中以额定的最高速度启动电机到达预设的目标位置，而是先根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离。根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度列表。将查询获得的速度和/或加速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。电机按照指定的加速度运转，加速度在所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的过程中从小到大，再从大到小，使得电机的运转速度呈缓慢变化，消除摄像头因电机转动而产生的抖动现象。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的流程图；
图2为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的第一实施例示意图；
图3为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的第二实施例示意图；
图4为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的扰动观测模型示意图；
图5为本发明一种云台摄像头的速度控制装置的示意图；
图6为本发明一种云台摄像头的速度控制装置的实施例示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的流程图，包括：
S101：接收驱动云台摄像头运转的转动指令；
S102：根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离；
S103：根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取电机转动速度；
S104：将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。
在接收驱动云台摄像头运转的转动指令之后，云台摄像头并非按照现有技术当中以额定的最高速度启动电机到达预设的目标位置，而是先根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离。根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度列表。将查询获得的电机转动的速度和/或加速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。电机按照指定的加速度运转，加速度在所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的过程中从小到大，再从大到小，使得电机的运转速度呈缓慢变化，消除摄像头因电机转动而产生的抖动现象。
图2为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的第一实施例示意图。其中，阴影部分的面积表示步骤S102计算的位移距离，根据该位移距离以及预先存储的速度与加速度模型，绘制电机转动速度随时间变化的曲线。如图2所示，加速度在所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的过程中从小到大，再从大到小，使得电机的运转速度呈缓慢变化，消除摄像头因电机转动而产生的抖动现象。
图3为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的第二实施例示意图。与图2不同，图3的实施例转动的距离较小，速度并没有加速到电机额定的最高速度便开始减速。同样，图3的实施例也是先根据步骤S102计算的位移距离，即阴影面积。再根据阴影面积以及速度与加速度模型绘制电机转动速度的变化曲线，最后，将查询获得的电机转动的速度和/或加速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。
从时域控制角度来说，传统的运动控制器的设计着眼于如何尽快达到目标位置，而对于系统所受到的扰动，则是以被动的反馈方式进行抑制。这样设计出来的控制方法往往较为复杂，而且动态响应存在超调，不能很好地抑制系统所受到的外界扰动，从而难以使运动控制系统不同方面的性能同时达到高指标要求。比如在云台摄像头当中，电机的运动受到外界扰动而使摄像头产生抖动，影响拍摄质量。
为了减小外界扰动对系统造成的影响，国内外的伺服技术将速度反馈引入到控制系统设计中。然而，在这些应用了速度/加速度信号的控制方法中，速度/加速度多单纯地被用于抑制扰动，而且其实现方式为简单的速度/加速度反馈，这样做实际上相当于增大了系统的等效惯量。也就是说，这种方法一方面提高了系统抗扰动性，另一方面却降低了系统的响应速度，而补偿响应速度的方法是提高增益，但提高增益既降低了系统的稳定性，又放大了速度/加速度环之外的扰动。所以，本发明提出了速度与加速度模型，包括：
其中，w为控制模型的自然频率，Z为参考输入值，v为电机转动速度，a为加速度，为加速度的一阶导数。w的数值由程序设定，通过对参数w的调节，可以改变模型的带宽。只要不超过电机的响应带宽，并满足抑制噪声的需要，可以尽可能增大w，以提高系统的响应速度。
上述速度与加速度模型在没有任何外界扰动及被控对象模型误差的理想情况下可以满足我们的需求，降低电机因扰动而致使摄像头抖动的问题。但要实现速度与加速度模型所确定的期望运动方式，首先需要对外界扰动及模型误差所组成的等价扰动进行精确补偿。本发明的云台摄像头的速度控制方法，查询预先存储的速度与加速度模型之后，获取电机转动速度之前，还包括：
利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿。
通过加速度信号来构造扰动观测器的一个显著的优点是该观测器所涉及的各变量之间都是线性关系，几乎不需要微积分环节，因此能够实现扰动观测的快速性与准确性。
图4为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的扰动观测模型示意图.在图4所示系统中，T作为补偿器的输出，能够对外界扰动Td予以补偿，而D为实时观测的补偿误差。为了实现T对Td迅速而精确的补偿，由D通过一个比例积分环节GD(s)对T进行矫正。故此，扰动观测模型GD(s)，包括：
GD(s)＝k0/s+1
其中，GD(s)为比例积分环节，D为实时检测的补偿误差，k0为补偿系数。扰动观测模型GD(s)的积分环节用于保证扰动补偿的稳态误差为零，其增益系数由k0调试而定。
将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置的步骤中，所述电机控制端，包括：直流力矩电机伺服系统。
在其中一个实施例当中，所述直流力矩电机伺服系统的动态方程，包括：
u＝iR+L·di/dt+Kev；
M＝iKm；
M＝Jθ+T0；
其中，u，i，M，J，v，θ，Ke、Km以及T0分别为输入电压、线圈电流、电机输出力矩、转动惯量、电机转动速度、角加速度、反电动势常数、转矩常数和负载力矩。
在其中一个实施例当中，接收驱动云台摄像头运转的转动指令的步骤S101之前，包括：通过手持终端发送所述转动指令。所述手持终端包括手机，Ipad，移动电脑等终端设备。通过上述手持终端可选择编辑的转动指令可以包括第一转动指令、第二转动指令和第三转动指令，分别控制第一电机，第二电机和第三电机。其中，第一电机负责控制摄像头在水平方向上(向左或向右)的转动，以便摄像头拍摄四周画面。第二电机负责控制摄像头在垂直方向上(向上或向下)的转动，以便摄像头拍摄仰视和俯视画面。第一电机和第二电机的相互配合，可以拍摄全景画面。另外，第三电机负责搭载摄像头的云台的移动，以便于实现摄像头的巡航。
故此，通过手持终端编辑第一转动指令，该指令包括摄像头水平转动角度和水平转动方向。通过手持终端编辑第二转动指令，该指令包括摄像头垂直转动角度和垂直转动方向。通过手持终端编辑第三转动指令，该指令包括云台的移动距离和移动方向。
相应地，图5为本发明一种云台摄像头的速度控制装置的示意图，包括：
指令接收单元，用于接收驱动云台摄像头运转的转动指令；
位移计算单元，用于根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离；
速度查询单元，用于根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度列表；
驱动控制单元，用于将查询获得的速度和/或加速度发送给云台摄像头的电机控制端，该电机控制端驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。
在其中一个实施例当中，所述位移计算单元中，所述速度与加速度模型，包括：
其中，w为控制模型的自然频率，Z为参考输入值，v为电机转动速度，a为加速度，为加速度的一阶导数。
在其中一个实施例当中，所述位移计算单元，还包括：
补偿计算单元，用于利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿。
所述补偿计算单元中，所述扰动观测模型，包括：
GD(s)＝k0/s+1
其中，GD(s)为比例积分环节，D为实时检测的补偿误差，k0为补偿系数。
图6为本发明一种云台摄像头的速度控制装置的实施例示意图，包括：
指令发送单元，用于通过手持终端发送所述转动指令。
如图6所示，还包括：
与所述指令发送单元相连的第一指令编辑单元，用于通过手持终端编辑第一转动指令，该指令包括摄像头水平转动角度和水平转动方向。
如图6所示，还包括：
与所述指令发送单元相连的第二指令编辑单元，用于通过手持终端编辑第二转动指令，该指令包括摄像头垂直转动角度和垂直转动方向。
如图6所示，还包括：
与所述指令发送单元相连的第三指令编辑单元，用于通过手持终端编辑第三转动指今，该指今包括云台的移动距离和移动方向。
在其中一个实施例当中，所述驱动控制单元中，所述电机控制端，包括：直流力矩电机伺服系统。
所述直流力矩电机伺服系统的动态方程，包括：
u＝iR+L·di/dt+Kev；
M＝iKm；
M＝Jθ+T0；
其中，u，i，M，J，v，θ，Ke、Km以及T0分别为输入电压、线圈电流、电机输出力矩、转动惯量、电机转动速度、角加速度、反电动势常数、转矩常数和负载力矩。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (18)
1.一种云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，包括：
接收驱动云台摄像头运转的转动指令；
根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离；
根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取电机转动速度；
将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置；
其中，所述速度与加速度模型，包括：其中，w为控制模型的自然频率，Z(t)为参考输入值，v为电机转动速度，a为加速度，为加速度的一阶导数。
2.根据权利要求1所述的云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，查询预先存储的速度与加速度模型之后，获取电机转动速度之前，还包括：
利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿。
3.根据权利要求2所述的云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿的步骤中，所述扰动观测模型，包括：
GD(s)＝k0/s+1
其中，GD(s)为比例积分环节，k0为补偿系数。
4.根据权利要求1所述的云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，接收驱动云台摄像头运转的转动指令的步骤之前，包括：
通过手持终端发送所述转动指令。
5.根据权利要求4所述的云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，通过手持终端发送所述转动指令，还包括：
通过手持终端编辑第一转动指令，该指令包括摄像头水平转动角度和水平转动方向。
6.根据权利要求4所述的云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，接收驱动云台摄像头运转的转动指令的步骤之前，还包括：
通过手持终端编辑第二转动指令，该指令包括摄像头垂直转动角度和垂直转动方向。
7.根据权利要求4所述的云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，接收驱动云台摄像头运转的转动指令的步骤之前，还包括：
通过手持终端编辑第三转动指令，该指令包括云台的移动距离和移动方向。
8.根据权利要求1所述的云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置的步骤中，所述电机控制端，包括：直流力矩电机伺服系统。
9.根据权利要求8所述的云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，所述直流力矩电机伺服系统的动态方程，包括：
u＝iR+L·di/dt+Kev；
M＝iKm；
M＝Jθ+T0；
其中，u，i，M，J，v，θ，Ke、Km以及T0分别为输入电压、线圈电流、电机输出力矩、转动惯量、电机转动速度、角加速度、反电动势常数、转矩常数和负载力矩。
10.一种云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，包括：
指令接收单元，用于接收驱动云台摄像头运转的转动指令；
位移计算单元，用于根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离；
速度查询单元，用于根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取电机转动速度；
驱动控制单元，用于将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置；
其中，所述速度与加速度模型，包括：其中，w为控制模型的自然频率，Z(t)为参考输入值，v为电机转动速度，a为加速度，为加速度的一阶导数。
11.根据权利要求10所述的云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，所述位移计算单元，还包括：
补偿计算单元，用于利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿。
12.根据权利要求11所述的云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，所述补偿计算单元中，所述扰动观测模型，包括：
GD(s)＝k0/s+1
其中，GD(s)为比例积分环节，k0为补偿系数。
13.根据权利要求10所述的云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，包括：
指令发送单元，用于通过手持终端发送所述转动指令。
14.根据权利要求13所述的云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，还包括：
与所述指令发送单元相连的第一指令编辑单元，用于通过手持终端编辑第一转动指令，该指令包括摄像头水平转动角度和水平转动方向。
15.根据权利要求13所述的云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，还包括：
与所述指令发送单元相连的第二指令编辑单元，用于通过手持终端编辑第二转动指令，该指令包括摄像头垂直转动角度和垂直转动方向。
16.根据权利要求13所述的云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，还包括：
与所述指令发送单元相连的第三指令编辑单元，用于通过手持终端编辑第三转动指令，该指令包括云台的移动距离和移动方向。
17.根据权利要求10所述的云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，所述驱动控制单元中，所述电机控制端，包括：直流力矩电机伺服系统。
18.根据权利要求17所述的云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，所述直流力矩电机伺服系统的动态方程，包括：
u＝iR+L·di/dt+Kev；
M＝iKm；
M＝Jθ+T0；
其中，u，i，M，J，v，θ，Ke、Km以及T0分别为输入电压、线圈电流、电机输出力矩、转动惯量、电机转动速度、角加速度、反电动势常数、转矩常数和负载力矩。
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