电机角度控制方法、系统及无人机
技术领域
本申请涉及飞行器技术领域,具体而言,涉及一种电机角度控制方法、系统及无人机。
背景技术
随着无人机行业的发展,对于无人机云台进行控制的技术也越来越成熟。目前对云台进行角度控制的方式有两类,一种是以有感无刷直流电机配合位置传感器实现云台角度的闭环控制,即位置传感器获得有感无刷直流电机的转子位置信息并发送给控制器,以使控制器根据转子位置信息控制有感无刷直流电机中的三相定子绕组中的每两相,以调节有感无刷直流电机的转速以及转动方向;另一种是以舵机配合位置传感器实现云台控制,即根据位置传感器获取的电机的实际角度数据,舵机内部采用直流电机加减速齿轮对控制云台的电机进行控制。
使用有感无刷直流电机对云台进行角度控制时,控制精度与位置传感器及有感无刷直流电机的结构有关,控制过程较为复杂;使用舵机对云台进行角度控制时,控制精度相对较差,控制效果不理想。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供了一种电机角度控制方法、系统及无人机,与现有的电机角度控制方法相比,本发明实施例提供的电机角度控制方法能够实现控制过程较为简洁的同时提高电机的控制精度。
为实现上述目的,本发明实施例提供了一种电机角度控制方法,用于对直流有刷电机进行控制,所述方法包括:获取电机的目标角度数据;获取所述电机的实际角度数据;判断所述目标角度数据与实际角度数据是否相等;若否,根据所述目标角度数据以及实际角度数据执行预设操作,其中,所述执行预设操作包括以下之一:导通与所述电机耦合的第一通路以使所述电机正转;导通与所述电机耦合的第二通路以使所述电机反转。
本发明实施例还提供了一种电机角度控制系统,所述系统包括:控制器、直流有刷电机、第一通路以及第二通路,所述控制器与所述直流有刷电机电连接,所述控制器分别通过所述第一通路以及第二通路与所述直流有刷电机电连接,控制器用于获取所述直流有刷电机的目标角度数据;所述控制器用于获取所述直流有刷电机的实际角度数据;所述控制器用于判断所述目标角度数据与实际角度数据是否相等,若否,则所述控制器用于根据所述目标角度数据以及实际角度数据执行预设操作,其中,所述执行预设操作包括以下之一:导通与所述直流有刷电机耦合的第一通路以使所述直流有刷电机正转;导通与所述直流有刷电机耦合的第二通路以使所述直流有刷电机反转。
本发明实施例还提供了一种无人机,该无人机包括上述的电机角度控制系统。
本发明实施例提供的电机角度控制方法、系统及无人机的有益效果为:
本发明实施例提供的电机角度控制方法包括:控制器分别获取电机的目标角度数据以及电机的实际角度数据。控制器判断目标角度数据与实际角度数据是否相等,若否,则对目标角度数据以及实际角度数据进行处理,并根据处理结果导通与电机耦合的第一通路,实现电机正转;或导通与电机耦合的第二通路,实现电机反转。本发明实施例提供的电机角度控制方法、系统及无人机可以根据电机的目标角度数据以及实际角度数据的值对与电机耦合的第一通路或第二通路进行控制,以实现电机的正转或反转,与现有的电机角度控制方法相比,本申请能够实现控制过程较为简洁的同时,提高电机的控制精度。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,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是本发明实施例提供的电机角度控制系统的示意性结构框图;
图2是本发明实施例提供的电机角度控制系统的一种具体实施方式的示意性结构框图;
图3是本发明实施例提供的电机角度控制方法的流程示意图;
图4是图3示出的步骤S140的具体步骤流程示意图;
图5是单级PID控制器的控制示意图;
图6是两级PID控制器的控制示意图。
图标:100-电机角度控制系统;110-控制器;112-处理器;113-驱动器;120-电机;130-第一开关;140-第二开关;150-第三开关;160-第四开关;170-位置传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图,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申请一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
请参见图1,图1是本发明实施例提供的电机角度控制系统100的组成示意图,该电机角度控制系统100应用于无人机,在其他实施例中,该电机角度控制系统100还可以应用于其他装置,如机器人、玩具车等。
电机角度控制系统100包括控制器110、电机120、第一开关130、第二开关140、第三开关150以及第四开关160。上述电机120具体可以为直流有刷电机,控制器110与电机120可以通信连接,且控制器110分别与第一开关130的控制端、第二开关140的控制端、第三开关150的控制端以及第四开关160的控制端相连接。
电机120的第一端分别与第一开关130的第一端以及第二开关140的第一端连接,第一开关130的第二端与电源VCC连接,第二开关140的第二端接地。
电机120的第二端分别与第三开关150的第一端以及第四开关160的第一端连接,第三开关150的第二端与电源VCC连接,第四开关160的第二端接地。
控制器110具体可以包括处理器112和驱动器113,详情请参见图2,处理器112通过驱动器113分别与第一开关130的控制端、第二开关140的控制端、第三开关150的控制端以及第四开关160的控制端相连接。
第一开关130、第二开关140、第三开关150以及第四开关160均可以为MOS管,即第一开关130、第二开关140、第三开关150以及第四开关160分别对应第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3以及第四MOS管Q4,详情请参见图2。
驱动器113分别与第一MOS管Q1的栅极、第二MOS管Q2的栅极、第三MOS管Q3的栅极以及第四MOS管Q4的栅极相连接。电机120的第一端分别与第一MOS管Q1的源极以及第二MOS管Q2的漏极连接,第一MOS管Q1的漏极与电源VCC连接,第二MOS管Q2的源极接地。电机120的第二端分别与第三MOS管Q3的源极以及第四MOS管Q4的漏极连接,第三MOS管Q3的漏极与电源VCC连接,第四MOS管Q4的漏极接地。
该电机角度控制系统100还包括位置传感器170,详情请参见图2,位置传感器170与处理器112相连接,位置传感器170具体可以为惯性测量单元(Inertial measurementunit,简称 IMU),上述惯性测量单元可以固定于电机轴。
本发明实施例提供的电机角度控制系统100的工作原理为:
控制器110通过位置传感器170获取电机120的实际角度数据,位置传感器170具体可以获得三轴加速度以及三轴角速度,并将三轴加速度以及三轴角速度发送给控制器110,控制器110对三轴加速度以及三轴角速度进行处理后,获得实际角度数据。
其中,控制器110对三轴加速度以及三轴角速度的处理过程包括:
控制器110对三轴加速度以及三轴角速度进行卡尔曼滤波,并于滤波后通过姿态解算算法得到四元数,进而对四元数进行转换获得欧拉角。随后控制器110可以对以四元数、欧拉角表示的零漂移三维方位数据进行处理,获得实际角度数据。卡尔曼滤波包括高通滤波和低通滤波,具体地,控制器可以对三轴加速度进行低通滤波,对三轴角速度进行高通滤波。
控制器110还可以获取电机120的目标角度数据。作为一种实施方式,可以获取从用户终端传递过来的用户输入的目标角度数据。
控制器110判断上述的目标角度数据以及实际角度数据是否相等,若否,则控制器110用于对目标角度数据以及实际角度数据根据预设PID算法进行处理,并根据处理结果导通如图1所示的第一开关130以及第四开关160(即导通如图2所示的第一MOS管Q1以及第四MOS管Q4),以导通第一通路实现电机120正转;或根据处理结果导通如图1所示的第二开关140以及第三开关150(即导通如图2所示的第二MOS管Q2以及第三MOS管Q3),以导通第二通路实现电机120反转。应当理解,这里的目标角度数据与实际角度数据的相等并非绝对意义上的相等,允许存在预定的误差范围。
上述的预设PID算法可以包括通过单级PID即角度环对目标角度数据以及实际角度数据进行处理。当然,控制器110对目标角度数据以及实际角度数据进行处理的具体过程也可以如下:
上述的实际角度数据包括实际角度值以及实际角速度值,上述的目标角度数据包括目标角度值。控制器110根据目标角度值、实际角度值以及第一PID算法获得目标角速度值。具体地,控制器110对目标角度值以及实际角度值进行比例、积分或微分运算处理后,获得目标角速度值。控制器110得到目标角速度值后,根据目标角速度值、位置传感器反馈回的实际角速度值以及第二PID算法获得一个在预设范围内的无量纲的数值。在系统运行过程中,上述调节过程一直持续进行。
控制器110根据该无量纲的数值输出对应的信号至如图2所示的第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3或第四MOS管Q4。
应当理解,上述的目标角速度值可以根据目标角度值、实际角度值以及第一PID算法获得,也可以由用户通过用户终端输入。若目标角速度值由用户通过用户终端输入。若目标角速度值由用户通过用户终端输入,则第一PID算法的处理过程可以省略。在一些实施方式中,控制器可以只通过第一PID算法对目标角度值以及实际角度值进行调节,同样也可以实现角度控制。
控制器110通过调节第二PID算法中的比例系数P2、微分系数D2以及积分系数I2以使电机120的角度可以维持在固定的角度。即使通过外力使电机120的角度发生偏转,控制器110也能迅速将电机120的角度调整回上述的固定的角度。
上述控制器110对数据进行处理的过程具体可以发生在如图2示出的处理器112中。具体地,处理器112根据上述的无量纲的数值输出对应的信号至驱动器113,驱动器113导通或关断第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3或第四MOS管Q4。
控制器110对第一PID算法中的比例系数P1进行调节时,需要注意限幅,放置系统出现严重振荡。
控制器110根据该无量纲的数值输出对应的信号至第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3或第四MOS管Q4的具体过程如下:
设上述的无量纲的数值为a,该无量纲的数值的预设范围可以在-b到b之间,其中|a|<|b|。则控制器110可以根据a的正负来确定导通第一MOS管Q1以及第四MOS管Q4,或第二MOS管Q2以及第三MOS管Q3。若a为正,则导通第一MOS管Q1以及第四MOS管Q4,以使电机120正转;若a为负,则导通第二MOS管Q2以及第三MOS管Q3,以使电机120反转。上述的b的具体数值可以自行设定,b值的具体大小不应该理解为是对本发明的限制。
控制器110具体可以输出PWM(脉冲宽度调制)信号至第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3或第四MOS管Q4,可以将|a|/|b|作为PWM信号的占空比。PWM信号的占空比与控制电压相对应。控制器110可以根据控制电压对电机120的转速进行调节。控制电压为控制器110输出至第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3以及第四MOS管Q4的电压。
例如,上述的无量纲的数值为100,该无量纲的数值的预设范围可以在-1000到1000之间。100为正,则控制器110可以导通第一MOS管Q1以及第四MOS管Q4以使电机120正转。控制器110输出至第一MOS管Q1的PWM信号的占空比为100/1000=1/10。假设PWM信号的周期为1秒,则在一个周期中的0.1秒(即1/10秒)时间段内,第一MOS管Q1导通,第四MOS管Q4在控制器110的控制下与第一MOS管Q1同时导通,电机120正转;在一个周期中的0.9秒时间段内,第一MOS管Q1以及第四MOS管Q4均关断,电机120停转。若占空比为1时,控制电压为4V,则在占空比为0.1时,控制电压为0.4V。控制电压的大小与电机120转速的快慢可以具有预定的映射关系。在实际控制过程中,PWM信号的周期可以达微秒级,此处以1秒作为周期举例,是为了方便说明。
控制器110可以根据位置传感器170反馈回的实际角度值以及实际角速度值进行闭环控制来不断调整电机120的角度。控制上,采用单级PID即角度环控制便可以实现,也可以采用两级PID控制,使系统具有更高的鲁棒性。
详情请参见图5,图5示出了单级PID控制器的示意图,具体可以输入目标角度值以及实际角度值(即如图5的r(t))至该PID控制器,该PID控制器经过比例、微分、积分运算后获得输出结果,控制器110根据输出结果对电机120进行控制。
在单级PID控制器(如图5)的基础上,采用PID控制器串联实现两级PID控制器(如图6)实现实时控制角度。详情请参见图6,角度环为主控制模块,角速度环为副控制模块,外环为角度环、内环为角速度环,外环的控制周期可以为内环的控制周期的两倍。应当理解,外环的控制周期可以为内环控制周期的两倍,外环的控制周期的具体长短不应该理解为对本发明的限制,外环的控制周期应当为内环的控制周期的两倍到五倍。
在如图6所示的两级PID控制器中,目标角度值和实际角度值输入至角度PID控制器,可以得到目标角速度值;目标角速度值以及实际角速度值输入至角速度PID控制器,可以获得输出结果,控制器110根据输出结果对电机120进行控制。
控制器110具体可以输出PWM信号至第一MOS管Q1以及第三MOS管Q3,输出与PWM信号对应的高电平、或低电平信号至第四MOS管Q4以及第二MOS管Q2。例如,当PWM信号使第一MOS管Q1导通时,控制器110对应输出高电平信号至第四MOS管Q4,以使第四MOS管Q4与第一MOS管Q1同时导通;当PWM信号使第一MOS管Q1关断时,控制器110对应输出低电平信号至第四MOS管Q4,以使第四MOS管Q4与第一MOS管Q1同时关断。控制器110只需要给出两路PWM信号至第一MOS管Q1以及第三MOS管Q3,给出两路IO口高低电平信号至第四MOS管Q4以及第二MOS管Q2便可对电机120进行控制,控制过程较为简洁。
详情请参见图3,本发明实施例还提供了一种电机120角度控制方法,包括如下步骤:
步骤S110:获取电机120的目标角度数据。
本实施例中控制器110可以从用户终端获取目标角度数据,用户终端包括遥控器、手机等终端设备。用户终端中的目标角度数据可以由用户输入。
步骤S120:获取所述电机120的实际角度数据。
在本实施例中,可以由位置传感器170获取电机120的三轴加速度以及三轴角速度。上述的位置传感器170可以为姿态传感器,型号具体可以为MPU6500。姿态传感器获得三轴加速度以及三轴角速度并将三轴加速度以及三轴角速度发送给控制器110,控制器110对三轴加速度以及三轴角速度进行处理,从而获得实际角度数据。
其中,控制器110对三轴加速度以及三轴角速度的处理过程包括:控制器110对三轴加速度以及三轴角速度进行卡尔曼滤波,并于滤波后通过姿态解算算法得到四元数,进而对四元数进行转换获得欧拉角。随后控制器110可以对以四元数、欧拉角表示的零漂移三维方位数据进行处理,获得实际角度数据。
步骤S130:判断所述目标角度数据与实际角度数据是否相等,若否,则执行步骤S140。
目标角度数据包括目标角度值,实际角度数据包括实际角度值。在一种具体实施方式中,具体可以判断目标角度值与实际角度值是否相等。应当理解,这里的相等并非绝对意义上的相等,允许存在预定的误差范围。
步骤S140:根据所述目标角度数据以及实际角度数据执行预设操作,并执行步骤S120。
上述的执行预设操作包括根据所述目标角度数据、实际角度数据和预设算法对电机120的角度进行调节。对电机120的角度进行调节的过程包括:请参见图2,导通第一MOS管Q1以及第四MOS管Q4实现电机120的正转,或导通第二MOS管Q2以及第三MOS管Q3实现电机120的反转。
在一种具体实施方式中,实际角度数据还可以包括实际角速度值,控制器110根据目标角度值、实际角度值以及第一PID算法获得目标角速度值。具体地,控制器110对目标角度值以及实际角度值进行比例、积分或微分运算处理后,获得目标角速度值。控制器110得到目标角速度值后,根据目标角速度值、位置传感器反馈回的实际角速度值以及第二PID算法获得调试数据参数。控制器110可以根据所述调试数据参数获得电机调控脉冲;并根据所述电机调控脉冲调节所述电机的转速。电机调控脉冲具体可以为电压信号,电机120在角度控制这方面,电机120的转速随着电压的升高而增大。
上述的调试数据参数可以为无量纲的数值。设无量纲的数值为a,该无量纲的数值的预设范围可以在-b到b之间,其中|a|<|b|。则控制器110可以根据a的正负来确定导通第一MOS管Q1以及第四MOS管Q4,或第二MOS管Q2以及第三MOS管Q3。若a为正,则导通第一MOS管Q1以及第四MOS管Q4,以使电机120正转;若a为负,则导通第二MOS管Q2以及第三MOS管Q3,以使电机120反转。
控制器110具体可以输出PWM(脉冲宽度调制)信号至所述第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3或第四MOS管Q4,可以将|a|/|b|作为PWM信号的占空比。PWM信号的占空比与控制电压相对应。控制器110可以根据控制电压对电机120的转速进行调节。
详情请参见图4,图4示出了步骤S140的具体流程,具体包括如下步骤:
步骤S141,控制器根据目标角度值、实际角度值和第一PID算法获得目标角速度值。
步骤S142,控制器根据目标角速度值、实际角速度值和第二PID算法获得调试数据参数。
步骤S143,控制器根据调试数据参数对电机的角度进行调节,并接收位置传感器反馈回的实际角度以及实际角速度。
步骤S141至步骤S143主要通过上述电机角度控制系统100中的控制器110来实现,关于控制器110所执行的功能可以参见上文的详细描述,在此便不做赘述。
综上所述,本发明实施例提供了一种电机角度控制方法及系统,同时还提供了一种包括有该电机角度控制系统100的无人机。上述的电机角度控制方法包括:控制器110分别获取电机120的目标角度数据以及电机120的实际角度数据。控制器110判断目标角度数据与实际角度数据是否相等,若否,则对目标角度数据以及实际角度数据进行处理,并根据处理结果导通与电机120耦合的第一通路,实现电机120正转;或导通与电机120耦合的第二通路,实现电机120反转。本发明实施例提供的电机120角度控制方法、系统及无人机可以根据电机120的目标角度数据以及实际角度数据的值对与电机120连接的第一通路或第二通路进行控制,以实现电机120的正转或反转,与现有的电机120角度控制方法相比,本申请能够实现控制过程较为简洁的同时,提高电机120的控制精度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,上面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了清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语 “上”、“下”、 “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。