CN106873641A - 三轴微型云台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴微型云台及其控制方法，该微型云台包括横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件，其特征在于，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件上分别安装有微型直流电机和用于采集各轴角速度、加速度的IMU传感器，三个所述微型直流电机、三个IMU传感器分别与处理电路装置电连接；控制方法为通过处理电路板的微处理器实时接收三个IMU传感器实时采集的三轴角速度与加速度数据，从而实时控制横滚轴组件、俯仰轴组件上的微型直流电机转动。本发明三轴微型云台体积小巧，实现了微型化，可挂载于微型无人机或口袋式无人机，为用户提供清晰稳定的视频图像，同时其控制方式简单。

Description

三轴微型云台及其控制方法

技术领域

本发明涉及云台技术领域，具体涉及一种三轴微型云台及其控制方法。

背景技术

现有无人机上连接的云台所用电机为无刷电机，无刷电机接口为A、B、C三相。

如图1所示现有云台控制方法流程图，其采用了三闭环控制，云台主控处理器通过IMU传感器解算出云台当前的横滚、俯仰姿态角及偏航角，得到云台各轴位置控制量；云台各轴的位置控制量经过位置控制器形成闭环，得到各轴的速度控制量；各轴的速度控制量，经过速度控制器形成闭环，得到各轴的电流控制量；各轴的电流控制量经过电流控制器形成闭环，经过转子磁场定向控制FOC算法和SVPWM及逆变技术对无刷电机进行控制。如图，在FOC算法中，需要采集电机的三相电流，并将三相电流由三相平面坐标系向两相静止平面直角坐标系的转换，转换为，称之为 Clarke变换(也叫 3s/2s 变换)；由两相静止平面直角坐标系向两相旋转直角坐标系的转换，称之为 Park变换（也叫2s/2r变换)；以及它们的逆变换。在进行Park变换及其逆变换过程中，需要用到电机电角度信息，需要有测角传感器对电机电角度进行测量。

因此采用FOC控制算法对无刷电机进行控制，FOC控制算法的前提条件是要获取电机的电角度和电机三相电流。获取三相电流的方式都是采用采样电阻测量。测量电机的电角度常用的有两种测量方法：第一种是采用角度传感器测量，其将角度传感器套在电机轴上，获取电机的物理角度，然后换算出电机的电角度。但是这种传感器存在物理摩擦，寿命短的缺点；并且传感器的体积大，无法小型化，从而导致云台的体积大；另一种是采用磁编码器测量，磁编码为非接触式传感器，不存在物理摩擦，故寿命比角度传感器长。但是需要外部磁铁配合，无法进行微型化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三轴微型云台及其控制方法，其体积小巧，实现了微型化，可挂载于微型无人机或口袋式无人机，为用户提供清晰稳定的视频图像，同时其控制方式简单。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种三轴微型云台，包括横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件，其中所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件上分别安装有微型直流电机和用于采集各轴角速度、加速度的IMU传感器，三个所述微型直流电机、三个IMU传感器分别与处理电路装置电连接，所述处理电路装置通过接收三个IMU传感器实时采集的各轴角速度与加速度数据实时控制横滚轴组件、俯仰轴组件上的微型直流电机转动。

优选地，三个所述微型直流电机均采用空心杯电机。

优选地，所述偏航轴组件上安装有用于采集偏航轴组件角度的微型磁编码器，所述微型磁编码器与所述处理电路装置电连接，所述处理电路装置通过读取微型磁编码器的角度数据和偏航轴组件上的IMU传感器的偏航角速度数据，实时控制偏航轴组件上的微型直流电机转动。

优选地，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件分别沿各自轴心线方向固定有所述微型直流电机。

优选地，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件分别包括一安装座，所述横滚轴组件、俯仰轴组件、偏航轴组件中任意两个相邻设置的组件之间通过其中一个微型直流电机的输出轴与另一个安装座连接固定。

优选地，远离无人机连接端的最外侧所述横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件上安装有相机组件，所述相机组件与所述处理电路装置电连接，所述相机组件包括微型镜头模组及极细同轴线，所述极细同轴线的一端固定于微型镜头模组，另一端经过所连接的横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件上的微型直流电机后固定于相邻的俯仰轴组件或偏航轴组件或横滚轴组件的微型直流电机上，并与所述处理电路装置电连接，所述处理电路装置实时获取微型镜头模组采集的视频数据。

优选地，所述微型镜头模组包括镜头及与镜头连接的PCB板，所述PCB板上集成有可实时检测微型镜头模组角速度和加速度的惯性测量单元。

优选地，所述PCB板上还集成有极细同轴线插座，所述极细同轴线与极细同轴线插座对接。

优选地，所述相机组件所连接的横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件及与该组件相连接的组件上的两个所述微型直流电机上分别设置有卡槽，所述极细同轴线卡固于两个卡槽上。

优选地，所述相机组件安装于一固定座内，所述固定座与远离无人机连接端的最外侧所述横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件上的微型直流电机输出轴连接，所述极细同轴线穿出所述固定座后卡固于两个所述卡槽上，所述极细同轴线上靠近其中一个卡槽且对应其所在的微型直流电机轴心位置的部位包扎有软胶，所述极细同轴线上靠近另一个卡槽且对应其所在的微型直流电机轴心位置的部位也包扎有软胶。

一种三轴微型云台控制方法，其包括以下步骤：

处理电路装置实时接收IMU传感器的三轴角速度和加速度数据；

处理电路装置实时解算出云台横滚和俯仰方向的姿态角，与处理电路装置预设的姿态角做比较，得到姿态角误差；

在姿态增稳的情况下预设姿态角度为零度，姿态角误差经过控制器运算输出；

输出量作为预设值与采集到的横滚、俯仰角速度做比较，得到速度误差值；

速度误差值经过控制器运算输出，产生电机驱动控制信号，输出给横滚轴组件、俯仰轴组件的微型直流电机驱动器。

优选地，还包括对偏航轴组件的微型直流电机的驱动控制步骤：

处理电路装置实时读取偏航磁编码器的角度数据；

与处理电路装置预设的偏航角度做比较，得到偏航角误差，偏航方向预设偏航角度与飞机机头保持一致；

偏航角误差经过控制器计算后输出；

输出量作为偏航预设角速度与采集到的偏航轴角速度数据做对比，得到偏航角速度误差；

偏航角速度误差经过控制器计算后输出形成电机驱动控制信号，电机驱动控制信号经过偏航轴组件的微型直流电机驱动器，驱动该微型直流电机转动。

采用上述方案后，本发明三轴微型云台及其控制方法具有以下有益效果：

1、本发明通过在云台的横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件上分别安装直流空心杯电机，直流空心杯电机控制采用位置环和速度环闭环控制，不需要电流采集电路对电流进行采集，横滚轴组件和俯仰轴组件上不需要测角传感器或测角器件来测量轴系转动角度，也不需要在电流环进行坐标变换，最大程度的缩小了云台体积，其相对现有的无刷电机能在小体积下做到更大的力矩，并可以满足云台三轴的高频快速转动及及时响应的要求，且空心杯电机接口为“+”、“-”两根线，控制方式简单；

2、通过将相机组件集成化，即通过在微型镜头模组上集成了用于实时检测微型镜头模组角速度和加速度的惯性测量单元（IMU），因此不用额外做电路板来检测微型镜头模组的转动角速度和加速度；

3、通过在相机组件与横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件之间使用极细同轴线作为图像信号传输线，该极细同轴线由多股细线组成，易弯曲和包扎，占用空间小且便于走线，易于提高云台的稳像精度；而传统的云台均采用软排线作为图像信号传输线，由于云台对画质要求较高，所以图像信号传输线的pin数较多，如果采用软排线，该软排就会做得宽而且厚，因此一方面占用空间较大不利于云台的小型化，另一方面软排厚了，其柔软度较差，弯曲力较大，以致电机需要克服软排线产生的较大扭力而难以达到较高稳像精度；

4、在相机组件与横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件之间，在横滚轴组件、俯仰轴组件、偏航轴组件中的两个相邻轴组件之间分别采用极细同轴线连接的方式、走线方式巧妙，转动阻力小，有利于微型直流电机的控制。

附图说明

图1为现有云台控制方法流程图；

图2为本发明微型云台结构框图；

图3为本发明微型云台的前视立体结构示意图；

图4为本发明微型云台的立体分解结构示意图；

图5为本发明微型云台的后视立体结构示意图；

图6为本发明微型云台控制方法流程图。

具体实施方式

下面根据附图所示实施方式阐述本发明。此次公开的实施方式可以认为在所有方面均为例示，不具限制性。本发明的范围不受以下实施方式的说明所限，仅由权利要求书的范围所示，而且包括与权利要求范围具有同样意思及权利要求范围内的所有变形。

如图2至图5所示,本发明微型云台包括依次连接的横滚轴组件1、俯仰轴组件2及偏航轴组件3，本实施例中，位于远离无人机连接端的最外侧的横滚轴组件1上安装有相机组件25，即偏航轴组件3与无人机连接，俯仰轴组件2分别与横滚轴组件1和偏航轴组件3连接，偏航轴组件3与无人机连接作为最内侧，则横滚轴组件1位于最外侧。

横滚轴组件1包括第一安装座4、俯仰轴组件2包括第二安装座5，偏航轴组件3包括第三安装座6，横滚轴组件1、俯仰轴组件2及偏航轴组件3分别沿各自轴心线方向固定有第一微型直流电机7、第二微型直流电机8和第三微型直流电机9，且第一微型直流电机7、第二微型直流电机8和第三微型直流电机9分别固定安装于第一安装座4、第二安装座5及第三安装座6上。第一微型直流电机7、第二微型直流电机8和第三微型直流电机9均采用直流空心杯电机，其具有电机响应快，转矩特性好的特点。横滚轴组件1上的第一微型直流电机7输出轴与相机组件25连接，俯仰轴组件2的第二微型直流电机8输出轴与横滚轴组件1的第一安装座4连接固定。偏航轴组件3上的第三微型直流电机9输出轴与俯仰轴组件2的第二安装座5连接固定。

横滚轴组件1、俯仰轴组件2及偏航轴组件3上分别安装有用于采集各轴角速度、加速度的横滚IMU传感器10、俯仰IMU传感器11及偏航IMU传感器12，横滚IMU传感器10、俯仰IMU传感器11及偏航IMU传感器12均采用六轴传感器。偏航轴组件3上安装有用于采集偏航轴组件3角度的微型磁编码器13。第一微型直流电机7、第二微型直流电机8、第三微型直流电机9、横滚IMU传感器10、俯仰IMU传感器11、偏航IMU传感器12及微型磁编码器13分别与处理电路装置电连接，此处理电路装置在本实施例为带有微处理器的处理电路板14，该处理电路板14通过SPI接口连接横滚IMU传感器10、俯仰IMU传感器11及偏航IMU传感器12，读取横滚IMU传感器10、俯仰IMU传感器11、偏航IMU传感器12测量到的角速度和加速度数据。处理电路板14通过IIC接口连接微型磁编码器13测量到的角度数据。处理电路板14根据上述采集的数据，依次进行横滚和俯仰姿态角解算、实现姿态控制闭环及控制算法、角速度闭环及控制算法、电机驱动控制信号的产生、电机驱动控制信号输出给电机驱动器、电机驱动器输出电机驱动信号给各对应的微型直流电机并驱动相应的微型直流电机转动。

相机组件25安装于固定座15内，固定座15由半壳状座本体26与盖27连接组成。固定座15的盖27与横滚轴组件1上的第一微型直流电机7的输出轴连接固定在一起。相机组件25包括微型镜头模组16及极细同轴线17，微型镜头模组16包括镜头18及与镜头18连接的PCB板19，PCB板19上集成有可实时检测微型镜头模组16角速度和加速度的惯性测量单元（IMU）20。在PCB板19的背面还集成有极细同轴线插座21，极细同轴线17的一端与极细同轴线插座21对接，极细同轴线17是由多股细线组成，易弯曲和包扎，占用空间小且便于走线，极细同轴线17的另一端穿过固定座15后经过横滚轴组件1上的第一微型直流电机7后固定于俯仰轴组件2上的第二微型直流电机8上，第一微型直流电机7、第二微型直流电机8的尾部分别设置有第一卡槽22、第二卡槽（图中未示出），极细同轴线17卡固于第一卡槽22及第二卡槽上。微型镜头模组16通过极细同轴线17与处理电路板14电连接，获取视频数据信号。第二微型直流电机8与第三微型直流电机9之间通过软排线连接，此为现有技术，不再展开叙述。极细同轴线17上靠近第一卡槽22且对应第一微型直流电机7轴心位置的部位包扎有软胶24，极细同轴线17上靠近第二卡槽且对应第二微型直流电机8轴心位置的部位也包扎有软胶24。由于横滚轴组件1工作时，第一微型直流电机7转动，带动相机组件25相对横滚轴组件1转动，因此相机组件25安装的固定座15带动极细同轴线17围绕横滚轴组件1转动，而第一卡槽22处、第二卡槽处的极细同轴线17处于固定状态，所以使极细同轴线17位于固定座15的出线端与第一卡槽22之间、第一卡槽22与第二卡槽之间形成的自由悬荡段弯曲摆动，而上述所说的包扎部位正是自由悬荡段的弯曲点。该弯曲点在横滚轴组件1的第一微型直流电机7、第二微型直流电机8的转动轴心上，所以其转动力臂无限接近转动中心，转动阻力也就越小，越利于第一微型直流电机7、第二微型直流电机8的控制。

结合图6所示，采用上述三轴微型云台实施例的控制方法，包括以下步骤：

处理电路板14的微处理器实时接收横滚IMU传感器10、俯仰IMU传感器11及偏航IMU传感器12的三轴角速度数据和三轴加速度数据；

通过姿态解算算法实时解算出云台横滚和俯仰方向的姿态角，与微处理器预设的姿态角做比较，得到姿态角误差；

在姿态增稳的情况下预设姿态角度为零度，姿态角误差经过控制器运算输出一个输出量，控制器采用PID控制器或带校正网络的PID控制器，或采用智能控制器；

所述输出量作为预设值与采集到的横滚、俯仰角速度做比较，得到速度误差值；

所述速度误差值经过所述控制器运算输出，产生PWM电机驱动控制信号，并输出给横滚轴组件1、俯仰轴组件2的微型直流电机驱动器，驱动第一微型直流电机7、第二微型直流电机8转动。

飞行器俯仰和横滚产生扰动角速度时，依靠角速度闭环高带宽，快速响应向扰动的反方向驱动第一微型直流电机7、第二微型直流电机8旋转，隔离飞行器横滚和俯仰的扰动，实现横滚和俯仰图像的稳定。

对偏航轴组件3的微型直流电机的驱动控制步骤包括：

处理电路板14的微处理器实时读取偏航磁编码器13的角度数据；

所读取的偏航磁编码器13的角度数据与微处理器预设的偏航角度做比较，得到偏航角误差，预设偏航角度与飞机机头保持一致；

偏航角误差经过控制器计算后输出一个输出量，控制器采用PID控制器或带校正网络的PID控制器，或采用智能控制器；

由控制器计算后的输出的所述输出量作为偏航预设角速度与采集到的偏航角速度数据做对比，其中采集到的偏航角速度数据为在偏航轴组件3上的偏航IMU传感器12的输出数据，得到偏航角速度误差；

偏航角速度误差经过控制器计算后输出形成PWM电机驱动控制信号，电机驱动控制信号经过偏航轴组件3的第三微型直流电机驱动器，驱动第三微型直流电机9转动，实现偏航对飞机机头的跟随，在飞行器偏航扰动产生扰动角速度时，依靠角速度闭环高带宽，快速响应向扰动的反方向驱动第三微型直流电机9旋转，隔离飞行器的扰动，实现偏航增稳。

通过上述实施例阐述，本发明通过在云台的横滚轴组件1、俯仰轴组件2及偏航轴组件3上分别安装直流空心杯电机即第一微型直流电机7、第二微型直流电机8及第三微型直流电机9，这三个直流空心杯电机控制采用位置环和速度环闭环控制，不需要电流采集电路对电流进行采集，横滚轴组件1和俯仰轴组件2上不需要测角传感器或测角器件来测量轴系转动角度，也不需要在电流环进行坐标变换，最大程度的缩小了云台体积，其相对现有的无刷电机能在小体积下做到更大的力矩，并可以满足云台三轴的高频快速转动及及时响应的要求，且第一微型直流电机7、第二微型直流电机8及第三微型直流电机9的接口均为“+”、“-”两根线，控制方式简单；通过将相机组件4集成化，即通过在微型镜头模组16上集成了用于实时检测微型镜头模组16角速度和加速度的惯性测量单元（IMU）20，因此不用额外做电路板来检测微型镜头模组16的转动角速度和加速度；通过在相机组件4与横滚轴组件1之间、横滚轴组件1与俯仰轴组件2之间使用极细同轴线17作为图像信号传输线，该极细同轴线17由多股细线组成，易弯曲和包扎，占用空间小且便于走线，易于提高云台的稳像精度；而传统的云台均采用软排线作为图像信号传输线，由于云台对画质要求较高，所以图像信号传输线的pin数较多，如果采用软排线，该软排就会做得宽而且厚，因此一方面占用空间较大不利于云台的小型化，另一方面软排厚了，其柔软度较差，弯曲力较大，以致电机需要克服软排线产生的较大扭力而难以达到较高稳像精度；本发明在相机组件4与横滚轴组件或1之间，在横滚轴组件1与俯仰轴组件2之间分别采用极细同轴线17连接的方式、走线方式巧妙，转动阻力小，有利于微型直流电机的控制。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (12)

1.一种三轴微型云台，包括横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件，其特征在于，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件上分别安装有微型直流电机和用于采集各轴角速度、加速度的IMU传感器，三个所述微型直流电机、三个IMU传感器分别与处理电路装置电连接，所述处理电路装置通过接收三个IMU传感器实时采集的各轴角速度与加速度数据实时控制横滚轴组件、俯仰轴组件上的微型直流电机转动。

2.根据权利要求1所述的三轴微型云台，其特征在于，三个所述微型直流电机均采用空心杯电机。

3.根据权利要求2所述的三轴微型云台，其特征在于，所述偏航轴组件上安装有用于采集偏航轴组件角度的微型磁编码器，所述微型磁编码器与所述处理电路装置电连接，所述处理电路装置通过读取微型磁编码器的角度数据和偏航轴组件上的IMU传感器的偏航角速度数据，实时控制偏航轴组件上的微型直流电机转动。

4.根据权利要求1-3任一项所述的三轴微型云台，其特征在于，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件分别沿各自轴心线方向固定有所述微型直流电机。

5.根据权利要求4所述的三轴微型云台，其特征在于，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件分别包括一安装座，所述横滚轴组件、俯仰轴组件、偏航轴组件中任意两个相邻设置的组件之间通过其中一个微型直流电机的输出轴与另一个安装座连接固定。

6.根据权利要求5所述的三轴微型云台，其特征在于，远离无人机连接端的最外侧所述横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件上安装有相机组件，所述相机组件与所述处理电路装置电连接，所述相机组件包括微型镜头模组及极细同轴线，所述极细同轴线的一端固定于微型镜头模组，另一端经过所连接的横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件上的微型直流电机后固定于相邻的俯仰轴组件或偏航轴组件或横滚轴组件的微型直流电机上，并与所述处理电路装置电连接，所述处理电路装置实时获取微型镜头模组采集的视频数据。

7.根据权利要求6所述的三轴微型云台，其特征在于，所述微型镜头模组包括镜头及与镜头连接的PCB板，所述PCB板上集成有可实时检测微型镜头模组角速度和加速度的惯性测量单元。

8.根据权利要求7所述的三轴微型云台，其特征在于，所述PCB板上还集成有极细同轴线插座，所述极细同轴线与极细同轴线插座对接。

9.根据权利要求8所述的三轴微型云台，其特征在于，所述相机组件所连接的横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件及与该组件相连接的组件上的两个所述微型直流电机上分别设置有卡槽，所述极细同轴线卡固于两个卡槽上。

10.根据权利要求9所述的三轴微型云台，其特征在于，所述相机组件安装于一固定座内，所述固定座与远离无人机连接端的最外侧所述横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件上的微型直流电机输出轴连接，所述极细同轴线穿出所述固定座后卡固于两个所述卡槽上，所述极细同轴线上靠近其中一个卡槽且对应其所在的微型直流电机轴心位置的部位包扎有软胶，所述极细同轴线上靠近另一个卡槽且对应其所在的微型直流电机轴心位置的部位也包扎有软胶。

11.一种三轴微型云台控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

处理电路装置实时接收IMU传感器的三轴角速度和加速度数据；

处理电路装置实时解算出云台横滚和俯仰方向的姿态角，与处理电路装置预设的姿态角做比较，得到姿态角误差；

在姿态增稳的情况下预设姿态角度为零度，姿态角误差经过控制器运算输出；

输出量作为预设值与采集到的横滚、俯仰角速度做比较，得到速度误差值；

速度误差值经过控制器运算输出，产生电机驱动控制信号，输出给横滚轴组件、俯仰轴组件的微型直流电机驱动器。

12.根据权利要求11所述的三轴微型云台控制方法，其特征在于，

还包括对偏航轴组件的微型直流电机的驱动控制步骤：

处理电路装置实时读取偏航磁编码器的角度数据；

与处理电路装置预设的偏航角度做比较，得到偏航角误差，偏航方向预设偏航角度与飞机机头保持一致；

偏航角误差经过控制器计算后输出；

输出量作为偏航预设角速度与采集到的偏航轴角速度数据做对比，得到偏航角速度误差；

偏航角速度误差经过控制器计算后输出形成电机驱动控制信号，电机驱动控制信号经过偏航轴组件的微型直流电机驱动器，驱动该微型直流电机转动。