CN106444859B - 一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台，包括云台手柄、电机、拍摄器卡具和电路仓；所述电路仓内设置有电路板和电源模块，所述电路板上设置有主控模块、陀螺仪和加速度计；所述电机包括电机转子和电机定子，所述云台手柄与电机转子固定连接，所述电机定子与电路仓固定连接，拍摄器卡具与电路仓固定连接，所述拍摄器卡具用于卡接一拍摄器。本发明使载体在拍摄器横滚轴向的角运动对拍摄器的影响得到抑制，从而有效改善拍摄画面的清晰度和稳定性。同时，本发明结构设计科学合理，安全有效，成本较低、小型轻便、无噪节能、广泛适用于各类拍摄场合，特别是手机和运动相机的手持拍摄场合。
Description
技术领域
本发明属于摄像仪载体设备，尤其涉及一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台。
背景技术
稳定云台是一种能够在运动状态下为拍摄器提供稳定方向的承载装置，广泛用于无人机载拍摄系统、车载拍摄系统和手持拍摄系统。运动拍摄过程中，载体(无人机、车辆或拍摄人员)的角运动进行隔离，使拍摄器对地的全部(三个)或部分(一个或两个)角自由不变或按动态规律变化，从而改善拍摄画面的清晰度和稳定性。稳定云台按能够隔离的角的自由度数量分为三轴稳定云台、双轴稳定云台和单轴稳定云台。
现有单轴稳定云台主要用于隔离载体的俯仰角运动或航向角运动。但对于手持拍摄来说，由于载体很难将拍摄器绕横滚方向稳定在某一角度，绕横滚方向的晃动导致拍摄效果严重下降。目前，尚无用于横滚角运动隔离的单轴稳定云台。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台，其能解决载体横滚角运动过大时对拍摄效果的影响的问题。
本发明的目的之二在于一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台的控制方法，其能解决载体横滚角运动过大时对拍摄效果的影响的问题。
本发明的目的之一采用以下技术方案实现：
一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台，包括云台手柄、电机、拍摄器卡具和电路仓；所述电路仓内设置有电路板和电源模块，所述电路板上设置有主控模块、陀螺仪和加速度计；所述电源模块、电机、陀螺仪和加速度计均与主控模块电性连接；
所述电机包括电机转子和电机定子，所述云台手柄与电机转子固定连接，所述电机定子与电路仓固定连接，拍摄器卡具与电路仓固定连接，所述拍摄器卡具用于卡接一拍摄器。
优选地，所述电机为无刷电机。
优选地，所述陀螺仪为三轴陀螺仪，所述加速度计为三轴加速度计。
本发明的目的之二采用以下技术方案实现：
一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台的控制方法，其应用于上述任意一项所述的单轴稳定云台，包括以下步骤：
S1：根据稳定云台启动后的位置来确定横滚角的零位；
S2：获取工作状态下稳定云台的横滚角和俯仰角，并判断当前的俯仰角是否处于第一预设范围内，如果是，则执行S3；如果否，则执行S4；
S3：根据获取到的横滚角得到第一电机控制信号，并将该第一电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角为零；
S4：根据获取到的横滚角的角速度积分得到第二电机控制信号，并将第二电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角的角速度积分为零，将此时的横滚角记为第一横滚角。
优选地，在S4之后还包括以下步骤：
S5：根据获取到的第一横滚角得到第三电机控制信号，并将该第三电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角减小至第二预设范围，将横滚角减小至第二预设范围的横滚角记为第二横滚角；根据获取到的第二横滚角得到第四电机控制信号，并将该第四电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角为零。
优选地，在步骤S5中具体包括以下步骤：
S51：据获取到的第一横滚角得到第三电机控制信号，并将该第三电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角减小至第二预设范围，将横滚角减小至第二预设范围的横滚角记为第二横滚角；
S52：根据获取到的第二横滚角得到第四电机控制信号，并将该第四电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角为零。
优选地，步骤S51具体包括以下子步骤：
S511：根据获取到的第一横滚角得到减小至第二预设范围所需要的角速度；
S512：根据得到的角速度得到第三电机控制信号；
S513：将该第三电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角减小至第二预设范围内，将此时的横滚角记为第二横滚角。
优选地，所述第一预设范围为-65°～+65°。
优选地，所述第二预设范围为-5°～+5°。
优选地，所述电机为无刷电机。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的稳定云台俯仰角从接近±90°的状态重新减小到合理的范围后，首先以小角速度将横滚轴角调整到较小的范围后再重新恢复将横滚角控制为0°的稳定控制功能，从而避免由此引起的控制发散。本发明使载体在拍摄器横滚轴向的角运动对拍摄器的影响得到抑制，从而有效改善拍摄画面的清晰度和稳定性。同时，本发明结构设计科学合理，安全有效，成本较低、小型轻便、无噪节能、广泛适用于各类拍摄场合，特别是手机和运动相机的手持拍摄场合。
附图说明
图1为本发明一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台的结构图；
图2为本发明一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台的控制方法。
附图标记：1、云台手柄；2、无刷电机；3、电路仓；4、电路板；5、电源模块；6、拍摄器卡具。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
如图1所示，一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台，包括云台手柄、电机、拍摄器卡具和电路仓；所述电路仓内设置有电路板和电源模块，所述电路板上设置有主控模块、陀螺仪和加速度计；所述电源模块、电机、陀螺仪和加速度计均与主控模块电性连接；其中，所述电机为无刷电机，所述陀螺仪为三轴陀螺仪，所述加速度计为三轴加速度计，一般的，在此将三轴陀螺仪和三轴加速度计的组合叫做微机械惯性测量组合；
所述无刷电机包括电机转子和电机定子，所述云台手柄与电机转子固定连接，所述电机定子与电路仓固定连接，拍摄器卡具与电路仓固定连接，所述拍摄器卡具用于卡接一拍摄器。当采用稳定云台后，拍摄器的俯仰角(也即是稳定云台的俯仰角)由稳定云台的载体来决定，并不受稳定云台的控制，拍摄器绕无刷电机轴，也即是横滚轴的角度受稳定云台的控制。
在稳定云台启动前，俯仰角要求处于幅度较小的状态，比如在-45°～+45°之间，然后手动调整绕横滚轴的角度到预定的角度状态，比如，当拍摄器为手机的时候，可选择竖屏拍摄或者横屏拍摄。
如图2所示，一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台的控制方法，其上述所描述的单轴稳定云台，包括以下步骤：
S1：根据稳定云台启动后的位置来确定横滚角的零位；确定好横滚角的零位之后才能进行下述控制操作；
稳定云台控制分为三种工作状态，第一种是以横滚角等于零为控制目标的状态；第二种是以绕横滚轴角速度积分为零作为控制目标的状态；第三种是以横滚轴以小角速度将横滚角调整至较小范围内的工作状态；稳定云台的工作过程根据俯仰角变化在这个三种状态之间进行转换；
S2：获取工作状态下稳定云台的横滚角和俯仰角，并判断当前的俯仰角是否处于第一预设范围内，如果是，则执行S3；如果否，则执行S4；所述第一预设范围为-65°～+65°；如果稳定云台的俯仰角超过这个范围，由于载体角运动干扰会导致稳定云台横滚角的计算值出现大幅度变化，如果继续工作在第一种工作状态中，则会对拍摄造成不利的影响；
S3：根据获取到的横滚角得到第一电机控制信号，并将该第一电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角为零；当拍摄器的横滚角不为零的时候，即图中拍摄器的下边沿与水平面不平行的时候，电路板上的微机械惯性测量组合(三轴陀螺仪和三轴加速度计)通过解算可实时检测出上述横滚角的角度，根据该角度计算消除上述角度所需要的电机交轴电流，然后根据计算结果向无刷电机传输相应的控制信号，使得拍摄器的横滚角为零；
S4：根据获取到的横滚角的角速度积分得到第二电机控制信号，并将该第二电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角的角速度积分为零；将横滚角的角速度积分为零的横滚角记为第一横滚角，也即是此时的横滚角，当拍摄器绕横滚轴角速度积分不为零的时候，电路板上的微机械惯性测量组合通过解算可实时检测出上述角速度积分，并根据角速度积分计算消除上述角速度积分所需要的电机交轴电流，然后根据计算结果向无刷电机传输相应的控制信号以使拍摄器绕横滚轴的角速度积分为零。该步骤虽然不能保证拍摄画面下边沿水平，但可确保画面绕镜头方向不发生明显转动，从而达到改善拍摄效果的目的，在此步骤中存在横滚角不为零的问题，即拍摄画面下边沿不水平，拍摄画面稳定效果不如S3中的效果好，所以当稳定云台俯仰角重新减小到合理范围的时候，需要退出此工作状态；但是考虑到此工作状态下横滚角可能较大，故而会先转入步骤S5。
S5：根据获取到的第一横滚角得到第三电机控制信号，并将该第三电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角减小至第二预设范围内；且所述第二预设范围为-5°～+5°；根据获取到的第二横滚角得到第四电机控制信号，并将该第四电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角为零。步骤S51具体包括以下子步骤：
S511：根据获取到的第一横滚角得到减小至第二预设范围所需要的角速度；
S512：根据得到的角速度得到第三电机控制信号；
S513：将该第三电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角减小至第二预设范围内。在步骤S5中，当拍摄器绕横滚轴的转角较大时，例如在-5°～+5°以外，电路板上的微机械惯性测量组合通过解算可实时检测出上述角度，并根据该角度计算减小上述角度所需要的角速度，进而计算电机交轴电流，然后根据计算结果向无刷电机传输相应的控制信号以使拍摄器横滚角减小到规定的范围内，也即是-5°～+5°内。此步骤避免由于横滚角过大时转入第一种状态引起控制发散的问题。
S6：根据获取到的第二横滚角得到第四电机控制信号，并将该第四电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角为零。其中，所述电机为无刷电机。无刷电机定子与装有电路板和电池的电池仓相连，避免了使用滑环作为活动供电连接向电机供电引起的可靠性下降或使用软导线(或柔性PCB)作为活动供电连接部件向电机供电引起的电机转角限位问题。本步骤的实现方式与步骤S3的实现方式相同，目的也相同。
本实施例的工作原理：
在进行拍摄的时候，先判断俯仰角是否处于第一预设范围内，如果处于第一预设范围内，则执行第一种工作状态，也即是以横滚角等于零为控制目标的状态，如果处于第一预设范围之外，则执行第二工作状态，也即是以横滚角的角速度积分为零的工作状态。但是在整个工作过程中，存在变换状态的情况，也即是当从第二种状态变换到第一种工作状态的时候，由于在第二中状态中存在横滚角过大的问题，故而需要先经过第三种工作状态，也即是将横滚角调整至较小范围内的工作状态，在从第三种工作状态转入第一种工作状态，避免了由于横滚角过大引起的控制发散的问题。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台，其特征在于，包括云台手柄、电机、拍摄器卡具和电路仓；所述电路仓内设置有电路板和电源模块，所述电路板上设置有主控模块、陀螺仪和加速度计；所述电源模块、电机、陀螺仪和加速度计均与主控模块电性连接；所述主控模块用于执行如下步骤：
S1：根据稳定云台启动后的位置来确定横滚角的零位；
S2：获取工作状态下稳定云台的横滚角和俯仰角，并判断当前的俯仰角是否处于第一预设范围内，如果是，则执行S3；如果否，则执行S4；
S3：根据获取到的横滚角得到第一电机控制信号，并将该第一电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角为零；
S4：根据获取到的横滚角的角速度积分得到第二电机控制信号，并将第二电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角的角速度积分为零，将横滚角的角速度积分为零的横滚角记为第一横滚角；
S5：根据获取到的第一横滚角得到第三电机控制信号，并将该第三电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角减小至第二预设范围，将横滚角减小至第二预设范围的横滚角记为第二横滚角；根据获取到的第二横滚角得到第四电机控制信号，并将该第四电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角为零；
所述电机包括电机转子和电机定子，所述云台手柄与电机转子固定连接，所述电机定子与电路仓固定连接，拍摄器卡具与电路仓固定连接，所述拍摄器卡具用于卡接一拍摄器。
2.如权利要求1所述的横滚角运动隔离的单轴稳定云台，其特征在于，所述电机为无刷电机。
3.如权利要求1所述的横滚角运动隔离的单轴稳定云台，其特征在于，所述陀螺仪为三轴陀螺仪，所述加速度计为三轴加速度计。
4.一种横滚角运动隔离的单轴稳定云台的控制方法，其应用于如权利要求1-3中任意一项所述的单轴稳定云台，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据稳定云台启动后的位置来确定横滚角的零位；
S2：获取工作状态下稳定云台的横滚角和俯仰角，并判断当前的俯仰角是否处于第一预设范围内，如果是，则执行S3；如果否，则执行S4；
S3：根据获取到的横滚角得到第一电机控制信号，并将该第一电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角为零；
S4：根据获取到的横滚角的角速度积分得到第二电机控制信号，并将第二电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角的角速度积分为零，将横滚角的角速度积分为零的横滚角记为第一横滚角；
S5：根据获取到的第一横滚角得到第三电机控制信号，并将该第三电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角减小至第二预设范围，将横滚角减小至第二预设范围的横滚角记为第二横滚角；根据获取到的第二横滚角得到第四电机控制信号，并将该第四电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角为零。
5.如权利要求4所述的横滚角运动隔离的单轴稳定云台的控制方法，其特征在于，在步骤S5中具体包括以下步骤：
S51：据获取到的第一横滚角得到第三电机控制信号，并将该第三电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角减小至第二预设范围，将横滚角减小至第二预设范围的横滚角记为第二横滚角；步骤S51具体包括以下子步骤：
S511：根据获取到的第一横滚角得到减小至第二预设范围所需要的角速度；
S512：根据得到的角速度得到第三电机控制信号；
S513：将该第三电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角减小至第二预设范围内，将此时的横滚角记为第二横滚角；
S52：根据获取到的第二横滚角得到第四电机控制信号，并将该第四电机控制信号传输至电机以使所述稳定云台的横滚角为零。
6.如权利要求5所述的横滚角运动隔离的单轴稳定云台的控制方法，其特征在于，所述第二预设范围为-5°～+5°。
7.如权利要求4所述的横滚角运动隔离的单轴稳定云台的控制方法，其特征在于，所述第一预设范围为-65°～+65°。
8.如权利要求4所述的横滚角运动隔离的单轴稳定云台的控制方法，其特征在于，所述电机为无刷电机。
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| WO2018086177A1 (zh) | 2018-05-17 |
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| Date | Code | Title | Description |
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Granted publication date: 20190726 Termination date: 20191110 |
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