CN106953553A - 一种云台、及云台电机的控制方法和装置 - Google Patents

一种云台、及云台电机的控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种云台电机的控制方法，所述云台为多轴云台，所述多轴为至少两轴，每个轴分别对应一台转轴电机，且每台转轴电机由各自对应的刚体构件来承载，在所述云台的载体平台上设置有第一惯性测量单元(IMU)，且在用来承载所述转轴电机的至少一个刚体构件上设置有第二IMU，所述方法包括：获得所述第一IMU测量得到的第一测量姿态信息，以及所述第二IMU测量得到的第二测量姿态信息；根据所述第一测量姿态信息和第二测量姿态信息，计算所述多轴云台上各个转轴电机对应的转动角度；基于所述各个转轴电机对应的转动角度，对相应的转轴电机执行闭环矢量控制。本发明还公开了一种云台电机的控制装置及云台。

Description

一种云台、及云台电机的控制方法和装置
技术领域
本发明涉及云台技术领域，如机载航拍云台、车载云台以及手持稳定器云台等等，尤其涉及一种云台、及云台电机的控制方法和装置。
背景技术
一般无人机航拍云台，车载云台以及电子陀螺仪手持稳定器云台都是由伺服电机驱动，伺服电机可以是有刷的或者无刷的。当采用无刷电机的时候，一种云台电机的控制方法叫做电机闭环矢量控制，此控制方法需要知道电机转子相对定子的转动角度，才能控制电机磁场的正确换向，保证电机的力矩输出平稳，这种做法也叫做电机闭环矢量控制；另外，此控制方法一般采用转角检测传感器来检测电机转子相对定子的转动角度，常用的转角检测传感器有光栅编码器、磁编码器、线性霍尔或电位器等，但是由于每个电机都有转角检测传感器，控制方案较为复杂，同时云台结构需要配合转角检测传感器以及电机驱动板，因此整体设计复杂，成本较高。另一种云台电机的控制方法是对电机直接采用开环控制，此控制方法在云台受到持续外力扰动的时候，电机的转矩表现出很大的波动，甚至有周期性出现反向力矩的现象，也叫做电机丢步；并且，此种控制方式在外力扰动消失，云台回归到目标位置后，电机消耗的电流依然很大，效率低，时间久了电机会发热严重，同时电机响应慢，云台使用效果不理想，但是云台控制以及结构都较为简单，成本较低。
因此，怎样简化云台的控制及机械结构，降低成本，又能保证对云台电机控制时响应快、力矩平稳、发热小、效率高、控制效果好等众多优点，这是本发明亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种云台、及云台电机的控制方法和装置，以至少解决以上部分或全部技术问题。
本发明的技术方案如下：
基于本发明的第一方面，本发明提供了一种云台电机的控制方法，所述云台为多轴云台，所述多轴为至少两轴，每个轴分别对应一台转轴电机，且每台转轴电机由各自对应的刚体构件来承载，在所述云台的载体平台上设置有第一惯性测量单元IMU，且在用来承载所述转轴电机的至少一个刚体构件上设置有第二IMU，所述方法包括：
获得所述第一IMU测量得到的第一测量姿态信息，以及所述第二IMU测量得到的第二测量姿态信息；
根据所述第一测量姿态信息和第二测量姿态信息，计算所述多轴云台上各个转轴电机对应的转动角度；
基于所述各个转轴电机对应的转动角度，对相应的转轴电机执行闭环矢量控制。
在一实施方式中，所述根据第一测量姿态信息和第二测量姿态信息，计算所述多轴云台上各个转轴电机对应的转动角度，包括：
根据所述第一测量姿态信息计算获得第一四元数q1，所述第一四元数q1用于表示所述第一IMU的惯性系姿态角；并根据所述第一四元数q1获得所述第一IMU相对于自身惯性系的旋转矩阵C1；
根据所述第二测量姿态信息计算获得第二四元数q2，所述第二四元数q2用于表示所述第二IMU的惯性系姿态角；并根据所述第二四元数q2获得所述第二IMU相对自身惯性系的旋转矩阵C2；
根据所述旋转矩阵C1和旋转矩阵C2，获得所述第二IMU相对于所述第一IMU的旋转矩阵C3＝C1TC2；
根据所述旋转矩阵C3计算所述第一IMU相对于所述第二IMU的姿态角，所述姿态角即用于表示所述多轴云台上相应转轴电机的转动角度。
在一实施方式中，所述基于各个转轴电机对应的转动角度，对相应的转轴电机执行闭环矢量控制，包括：
将所述转轴电机定子的磁场矢量对齐到转子的交轴上，并在所述转子转动时，基于所述转轴电机对应的转动角度，保持所述定子的磁场矢量跟随所述转子的交轴。
在一实施方式中，所述云台为三轴云台，第一刚体构件用于承载第一转轴电机，且所述第一刚体构件也作为支撑整个云台的刚体构件，第二刚体构件连接所述第一转轴电机和第二转轴电机，所述第二刚体构件用于承载所述第二转轴电机，第三刚体构件连接所述第二转轴电机和第三转轴电机，所述第三转轴电机连接所述云台的载体平台，所述第三刚体构件用于承载所述第三转轴电机和所述载体平台；
所述第二IMU设置于所述第一刚体构件上，所述第一IMU和第二IMU为9轴IMU，所述9轴IMU由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁计组成，所述第一测量姿态信息包括第一三轴角速度、第一三轴加速度和第一三轴地磁计测量信息，所述第二测量姿态信息包括第二三轴角速度、第二三轴加速度和第二三轴地磁计测量信息。
在一实施方式中，所述云台为三轴云台，第一刚体构件用于承载第一转轴电机，且所述第一刚体构件也作为支撑整个云台的刚体构件，第二刚体构件连接所述第一转轴电机和第二转轴电机，所述第二刚体构件用于承载所述第二转轴电机，第三刚体构件连接所述第二转轴电机和第三转轴电机，所述第三转轴电机连接所述云台的载体平台，所述第三刚体构件用于承载所述第三转轴电机和所述载体平台；
所述第二IMU设置于所述第二刚体构件上，所述第一IMU和第二IMU为6轴IMU，所述6轴IMU由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，所述第一测量姿态信息包括第一三轴角速度和第一三轴加速度，所述第二测量姿态信息包括第二三轴角速度和第二三轴加速度。
基于本发明的第二方面，本发明提供了一种云台电机的控制装置，所述云台为多轴云台，所述多轴为至少两轴，每个轴分别对应一台转轴电机，且每台转轴电机由各自对应的刚体构件来承载，在所述云台的载体平台上设置有第一惯性测量单元IMU，且在用来承载所述转轴电机的至少一个刚体构件上设置有第二IMU，所述装置包括：
测量姿态信息获得单元，用于获得所述第一IMU测量得到的第一测量姿态信息，以及所述第二IMU测量得到的第二测量姿态信息；
电机转动角度计算单元，用于根据所述第一测量姿态信息和第二测量姿态信息，计算所述多轴云台上各个转轴电机对应的转动角度；
闭环控制单元，用于基于所述各个转轴电机对应的转动角度，对相应的转轴电机执行闭环矢量控制。
在一实施方式中，所述电机转动角度计算单元进一步用于，
根据所述第一测量姿态信息计算获得第一四元数q1，所述第一四元数q1用于表示所述第一IMU的惯性系姿态角；并根据所述第一四元数q1获得所述第一IMU相对于自身惯性系的旋转矩阵C1；
根据所述第二测量姿态信息计算获得第二四元数q2，所述第二四元数q2用于表示所述第二IMU的惯性系姿态角；并根据所述第二四元数q2获得所述第二IMU相对自身惯性系的旋转矩阵C2；
根据所述旋转矩阵C1和旋转矩阵C2，获得所述第二IMU相对于所述第一IMU的旋转矩阵C3＝C1TC2；
根据所述旋转矩阵C3计算所述第一IMU相对于所述第二IMU的姿态角，所述姿态角即用于表示所述多轴云台上相应转轴电机的转动角度。
在一实施方式中，所述闭环控制单元进一步用于，将所述转轴电机定子的磁场矢量对齐到转子的交轴上，并在所述转子转动时，基于所述转轴电机对应的转动角度，保持所述定子的磁场矢量跟随所述转子的交轴。
在一实施方式中，所述云台为三轴云台，第一刚体构件用于承载第一转轴电机，且所述第一刚体构件也作为支撑整个云台的刚体构件，第二刚体构件连接所述第一转轴电机和第二转轴电机，所述第二刚体构件用于承载所述第二转轴电机，第三刚体构件连接所述第二转轴电机和第三转轴电机，所述第三转轴电机连接所述云台的载体平台，所述第三刚体构件用于承载所述第三转轴电机和所述载体平台；
所述第二IMU设置于所述第一刚体构件上，所述第一IMU和第二IMU为9轴IMU，所述9轴IMU由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁计组成，所述第一测量姿态信息包括第一三轴角速度、第一三轴加速度和第一三轴地磁计测量信息，所述第二测量姿态信息包括第二三轴角速度、第二三轴加速度和第二三轴地磁计测量信息。
在一实施方式中，所述云台为三轴云台，第一刚体构件用于承载第一转轴电机，且所述第一刚体构件也作为支撑整个云台的刚体构件，第二刚体构件连接所述第一转轴电机和第二转轴电机，所述第二刚体构件用于承载所述第二转轴电机，第三刚体构件连接所述第二转轴电机和第三转轴电机，所述第三转轴电机连接所述云台的载体平台，所述第三刚体构件用于承载所述第三转轴电机和所述载体平台；
所述第二IMU设置于所述第二刚体构件上，所述第一IMU和第二IMU为6轴IMU，所述6轴IMU由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，所述第一测量姿态信息包括第一三轴角速度和第一三轴加速度，所述第二测量姿态信息包括第二三轴角速度和第二三轴加速度。
基于本发明的第三方面，本发明还提供了一种云台，所述云台为多轴云台，所述多轴为至少两轴，每个轴分别对应一台转轴电机，且每台转轴电机由各自对应的刚体构件来承载，在所述云台的载体平台上设置有第一惯性测量单元IMU，且在用来承载所述转轴电机的至少一个刚体构件上设置有第二IMU，所述第一IMU用于测量获得第一测量姿态信息，所述第二IMU用于测量获得第二测量姿态信息。
在一实施方式中，所述云台还包括本发明所述的云台电机的控制装置。所述云台电机的控制装置可以安装在所述云台的载体平台上，也可以安装在用于支撑整个云台的支撑端(如：第一刚体构件上)；当然，本发明并不仅限于以上的安装位置，本发明并不限制控制装置的安装位置，实际应用中任何能够适用于本发明的安装位置应当都属于本发明实施例的保护范围。
本发明基于IMU测量的方式来获得多轴云台上各转轴电机的转动角度，一方面简化了云台结构设计，即省去了电机的转角检测传感器，使得原本分散的云台电机控制板可以整合在一起，省去了板间通讯，缩减了云台控制板的总体积，降低了机械结构设计同电子电路设计之间的相互影响；另一方面，在省去了云台电机转角检测传感器的情况下，依旧能对云台电机实施闭环矢量控制，从而降低云台总体控制方案成本；再一方面，基于获得的多轴云台上各转轴电机的转动角度，实现对电机的闭环矢量控制，能够确保云台电机的响应快，效率高，力矩平稳、发热小、耗电省，控制效果好。
附图说明
图1为本发明实施例的一种三轴云台的结构示意图；
图2为本发明实施例一的云台电机的控制方法流程图；
图3为本发明实施例二的一种三轴云台上的IMU安装位置示意图；
图4为本发明实施例三的一种三轴云台上的IMU安装位置示意图；
图5为本发明实施例五的一种云台电机的控制装置的组成结构示意图；
图6为本发明实施例中三轴云台的电机爆炸示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明实施例，旨在简化云台的控制及机械结构，降低成本，又保证对云台电机控制时响应快、力矩平稳、发热小、效率高、控制效果好等众多优点。下面结合具体附图并分实施例详细阐述本发明的技术方案。
实施例一
本发明实施例一提供了一种云台电机的控制方法，该方法用于实施对云台电机的控制，所述云台为多轴云台，所述多轴为至少两轴，如：两轴云台、三轴云台等等；每个轴分别对应一台转轴电机，如：两轴云台可以包括两台转轴电机，每台转轴电机分别绕一轴线旋转(如分别绕x轴、y轴旋转)，三轴云台可以包括三台转轴电机，每台转轴电机分别绕一轴线旋转(如分别绕x轴、y轴、z轴旋转)；每台转轴电机由各自对应的刚体构件来承载，例如：参见图1所示的三轴云台结构，第一刚体构件11用于承载第一转轴电机12，且所述第一刚体构件11也作为支撑整个云台的刚体构件，第一刚体构件11可以固定在支撑座上，如固定在无人机的基座上，或固定在地面移动机器人的身体或头部基座上，或固定在手持稳定器云台的手柄基座上等等，第二刚体构件21连接第一转轴电机12和第二转轴电机22，第二刚体构件21用于承载第二转轴电机22，第三刚体构件31连接第二转轴电机22和第三转轴电机32，第三转轴电机32连接云台的载体平台33，第三刚体构件31用于承载第三转轴电机32和载体平台33，所述载体平台33上用于架设拍摄装置，如相机、拍照手机等等。第一转轴电机12的转轴旋转会带动第二刚体构件21旋转，第二转轴电机22的转轴旋转会带动第三刚体构件31旋转，第三转轴电机32的转轴旋转会带动载体平台33旋转，如此就实现了载体平台33在三自由度(如俯仰、偏航、滚转)上的活动。
再例如：对于两轴云台结构，相当于图1所示的三轴云台结构去掉第一转轴电机12和第二刚体构件21，而是由第一刚体构件11来承载第二转轴电机22，其他结构关系不变。两轴云台实现载体平台33在两自由度上的活动。
本发明实施例一在云台的载体平台上设置有第一惯性测量单元(IMU，InertialMeasurement Unit)，且在用来承载转轴电机的至少一个刚体构件上设置有第二IMU，所述第一IMU和第二IMU用于分别测量获得姿态信息。如图2所示，本发明实施例一的方法还包括：
步骤201，获得第一IMU测量得到的第一测量姿态信息，以及第二IMU测量得到的第二测量姿态信息。
第一测量姿态信息由第一IMU测量获得，第二IMU测量姿态由第二IMU测量获得。需要说明的是，常见的IMU有9轴IMU和6轴IMU，其中，9轴IMU由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁计组成，三轴陀螺仪能够测量获得三轴角速度，三轴加速度计能够测量获得三轴加速度，三轴地磁计能够检测出地磁场在惯性系中水平面上的分量，该分量的方向始终指向北极；6轴IMU由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，三轴陀螺仪能够测量获得三轴角速度，三轴加速度计能够测量获得三轴加速度。IMU可以检测其自身在惯性系中的姿态角度，6轴IMU由于没有水平方向的校准模块，加之陀螺仪有零漂移，所以其测算到的姿态角中的航向角部分会有漂移；9轴IMU由于有地磁计的存在，其所有的姿态角相对惯性系都是绝对的，且不会随着时间漂移。
步骤202，根据第一测量姿态信息和第二测量姿态信息，计算多轴云台上各个转轴电机对应的转动角度。
具体的，根据第一测量姿态信息计算获得第一四元数q1，第一四元数q1用于表示第一IMU的惯性系姿态角；并根据第一四元数q1获得第一IMU相对于自身惯性系的旋转矩阵C1；
根据第二测量姿态信息计算获得第二四元数q2，第二四元数q2用于表示第二IMU的惯性系姿态角；并根据第二四元数q2获得第二IMU相对自身惯性系的旋转矩阵C2；
根据旋转矩阵C1和旋转矩阵C2，获得第二IMU相对于第一IMU的旋转矩阵C3＝C1TC2；
根据旋转矩阵C3计算第一IMU相对于第二IMU的姿态角，姿态角即用于表示多轴云台上相应转轴电机的转动角度。
其中，四元数获得方式为：
通过读取IMU中三轴陀螺仪测量得到的三轴角速度，则可以获得关于四元数的微分方程，通过求解该微分方程，则可初步获得目标体的四元数q3，但是由于陀螺仪会有漂移，因此该四元数q3会随着时间变的不准确，一方面，三轴加速度计可以感知到惯性系中的重力矢量，因此可以使用加速度计的数值对该四元数q3进行修正，可采用互补滤波、卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波等多种方法进行修正，但由于重力矢量在惯性系中是垂直向下，因此q3在水平面上的漂移没法被修正，这就是6轴IMU测算其在惯性系中四元数的基本方法，同时由该方法获得的四元数而计算出来的目标体在惯性系中的航向角是不准确的，会随着时间漂移；
另一方面，三轴地磁计可以检测出地磁场在惯性系中水平面上的分量，该分量的方向始终指向北极，因此可以再借助三轴地磁计的数据对上述经过三轴加速度计修正后的q3做进一步修正，此时获得的四元数q3就更加准确，这就是9轴IMU测算其在惯性系中四元数的基本方法。
步骤203，基于各个转轴电机对应的转动角度，对相应的转轴电机执行闭环矢量控制。
具体的，将转轴电机定子的磁场矢量对齐到转子的交轴上，并在所述转子转动时，基于所述转轴电机对应的转动角度，保持所述定子的磁场矢量跟随所述转子的交轴。
需要说明的是，对于图1所示的三轴云台而言，第二IMU可以设置于第一刚体构件11上，第一IMU和第二IMU为9轴IMU，9轴IMU由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁计组成，所述第一测量姿态信息包括第一三轴角速度、第一三轴加速度和第一三轴地磁计测量信息，第二测量姿态信息包括第二三轴角速度、第二三轴加速度和第二三轴地磁计测量信息；后续实施例会对三轴云台的第一刚体构件11上安装第二IMU的云台电机控制方法做详细说明；
或者，对于图1所示的三轴云台而言，第二IMU也可以设置于第二刚体构件21上，此时第一IMU和第二IMU可以为6轴IMU，6轴IMU由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，所述第一测量姿态信息包括第一三轴角速度和第一三轴加速度，所述第二测量姿态信息包括第二三轴角速度和第二三轴加速度。后续实施例会对三轴云台的第二刚体构件21上安装第二IMU的云台电机控制方法做详细说明。
通过实施本发明实施例一，基于IMU测量的方式来获得多轴云台上各转轴电机的转动角度，一方面简化了云台结构设计，即省去了电机的转角检测传感器(电机转角检测传感器是指：除采用IMU间接计算电机转角之外的直接测量电机转子相对定子转动角度的一切传感器)，使得原本分散的云台电机控制板可以整合在一起，省去了板间通讯，缩减了云台控制板的总体积，降低了机械结构设计同电子电路设计之间的相互影响；另一方面，在省去了云台电机转角检测传感器的情况下，依旧能对云台电机实施闭环矢量控制，从而降低云台总体控制方案成本；再一方面，基于获得的多轴云台上各转轴电机的转动角度，实现对电机的闭环矢量控制，能够确保云台电机的响应快、效率高，力矩平稳、发热小、耗电省，控制效果好。电机闭环矢量控制的优点为：云台在受到持续不平衡力扰动的时候，电机可以持续输出平稳的转矩，当外力扰动消失时，云台的载体平台回归目标位置后，电机的输出转矩立即下降，电机消耗的电流立即降低。
实施例二
如图3所示，实施例二为一三轴云台，第一刚体构件11用于承载第一转轴电机12，且所述第一刚体构件11也作为支撑整个云台的刚体构件，第一刚体构件11可以固定在支撑座上，如固定在无人机的基座上，或固定在地面移动机器人的身体或头部基座上，或固定在手持稳定器云台的手柄基座上等等，第二刚体构件21连接第一转轴电机12和第二转轴电机22，第二刚体构件21用于承载第二转轴电机22，第三刚体构件31连接第二转轴电机22和第三转轴电机32，第三转轴电机32连接云台的载体平台33，第三刚体构件31用于承载第三转轴电机32和载体平台33，所述载体平台33上用于架设拍摄装置，如相机、拍照手机等等。第一转轴电机12的转轴旋转会带动第二刚体构件21旋转，第二转轴电机22的转轴旋转会带动第三刚体构件31旋转，第三转轴电机32的转轴旋转会带动载体平台33旋转，如此就实现了载体平台33在三自由度(如俯仰、偏航、滚转)上的活动。
本实施例中，第一IMU 01安装在载体平台33上，第二IMU 01安装在第一刚体构件11上，且第一IMU 01和第二IMU 02均为9轴IMU，基于第一IMU 01测量所得姿态角，能够计算出用于表示第一IMU的惯性系姿态角的第一四元数q1，基于第二IMU 02测量所得姿态角，能够计算出用于表示第二IMU的惯性系姿态角的第二四元数q2；根据第一四元数q1能够获得第一IMU 01相对于自身惯性系的旋转矩阵C1；根据第二四元数q2能够获得第二IMU 02相对自身惯性系的旋转矩阵C2；根据旋转矩阵C1和旋转矩阵C2，能够获得第二IMU 02相对于第一IMU 01的旋转矩阵C3＝C1TC2，C3即表示第一刚体构件11所在物体系到载体平台33所在的物体系的旋转矩阵，由该旋转矩阵能够计算出第一刚体构件11所在的物体系旋转到载体平台33所在的物体系的转动角度，包括航向角、滚转角、俯仰角。有了该转动角度则可以在控制三轴云台时对各转轴电机进行闭环矢量控制。另外，在进行电机控制时，还基于获得的第一四元数q1，判断是否达到主控制器指定的目标值，从而发出指令控制三个转轴电机的运动；基于获得的第二四元数q2，用来确定云台控制中各个转轴电机的换轴策略。
针对上述实施例二，需要说明的是，当第二IMU 02安装在第一刚体构件11上时，第二IMU 02相对第一IMU 01有三个转动自由度，因此理论恰好可以计算出三轴云台的三个转动关节的转动角度，这个角度恰好就是三个转轴电机的转子相对定子的转动角度。但是本实施例中的IMU需要采用9轴IMU，若采用6轴IMU，会由于第一IMU 01和第二IMU 02各自惯性系姿态角中偏航角的漂移，最后导致三电机转动角度计算的错误；而9轴IMU的航偏角是由地磁计校准而来，而地磁计容易受到电机磁场的影响，因此9轴IMU的方案对电机的设计和IMU的布局也有严格的要求，电机的漏磁要严格控制，此外IMU的摆放位置要远离电机。
实施例三
如图4所示，实施例三为一三轴云台，第一刚体构件11用于承载第一转轴电机12，且所述第一刚体构件11也作为支撑整个云台的刚体构件，第一刚体构件11可以固定在支撑座上，如固定在无人机的基座上，或固定在地面移动机器人的身体或头部基座上，或固定在手持稳定器云台的手柄基座上等等，第二刚体构件21连接第一转轴电机12和第二转轴电机22，第二刚体构件21用于承载第二转轴电机22，第三刚体构件31连接第二转轴电机22和第三转轴电机32，第三转轴电机32连接云台的载体平台33，第三刚体构件31用于承载第三转轴电机32和载体平台33，所述载体平台33上用于架设拍摄装置，如相机、拍照手机等等。第一转轴电机12的转轴旋转会带动第二刚体构件21旋转，第二转轴电机22的转轴旋转会带动第三刚体构件31旋转，第三转轴电机32的转轴旋转会带动载体平台33旋转，如此就实现了载体平台33在三自由度(如俯仰、偏航、滚转)上的活动。
在本实施例中，第一IMU 01安装在载体平台33上，第二IMU 01安装在第二刚体构件21上(位于第二刚体构件21上任意位置都可)，且第一IMU 01和第二IMU 02均为6轴IMU，基于第一IMU 01测量所得姿态角，能够计算出用于表示第一IMU的惯性系姿态角的第一四元数q1，基于第二IMU 02测量所得姿态角，能够计算出用于表示第二IMU的惯性系姿态角的第二四元数q2；根据第一四元数q1能够获得第一IMU 01相对于自身惯性系的旋转矩阵C1；根据第二四元数q2能够获得第二IMU 02相对自身惯性系的旋转矩阵C2；根据旋转矩阵C1和旋转矩阵C2，能够获得第二IMU 02相对于第一IMU 01的旋转矩阵C3＝C1TC2，C3即表示第二刚体构件21所在物体系到载体平台33所在的物体系的旋转矩阵，由该旋转矩阵能够计算出第二刚体构件21所在的物体系旋转到载体平台33所在的物体系的转动角度，即滚转角和俯仰角，分别对应第二转轴电机22和第三转轴电机32的转动角度。
针对上述实施例三，还需要说明的是，本实施例使用6轴IMU的原因时，当第二IMU02安装在第二刚体构件21上时，第二IMU 02相对第一IMU 01只有两个转动自由度，被约束的自由度恰好是惯性系的偏航角，因此这种应用中，姿态角中的偏航角是无用信息。也就是说，本实施例中由于第二IMU 02和第一IMU 01真实的惯性系偏航角被约束了，得不到第一转轴电机12的转角，因此第一转轴电机12的转角需要由一个转角检测传感器来检测，但由于省去了两颗转角检测传感器(即第二转轴电机22和第三转轴电机32的转角检测传感器)，云台整体的控制和结构也有很大的简化，同时6轴IMU更加便宜，降低了整体成本。此种应用中，第二转轴电机22和第三转轴电机32的转动角度获得方式同实施例二，分别为第一四元数q1、第二四元数q2推算出的第一IMU相对第二IMU的姿态角中的俯仰角和滚转角，而第一转轴电机12的转动角度由转角检测传感器测量获得。有了该转动角度则可以在控制三轴云台时对各转轴电机进行闭环矢量控制。另外，在进行电机控制时，还基于获得的第一四元数q1，判断是否达到主控制器指定的目标值，从而发出指令控制三个转轴电机的运动；基于获得的第二四元数q2，用来确定云台控制中各个转轴电机的换轴策略。
总结实施例二和实施例三，当采用一9轴IMU位于云台的载体平台上，另一9轴IMU位于第一刚体构件上时，第一转轴电机的转角检测传感器可以省去；当采用一6轴IMU位于云台的载体平台上，另一6轴IMU位于第二刚体构件上时，第一转轴电机的转角检测传感器则需要保留。
实施例四
参见图3，对于两轴云台结构，相当于图3所示的三轴云台结构去掉第一转轴电机12和第二刚体构件21，而是由第一刚体构件11来承载第二转轴电机22，其他结构关系不变。两轴云台实现载体平台33在两自由度上的活动。那么，针对两轴云台结构，本发明的电机控制方法仍然适用，第一IMU 01安装在载体平台33上，第二IMU 01安装在第一刚体构件11上，且第一IMU 01和第二IMU 02均为6轴IMU，基于第一IMU 01测量所得姿态角，能够计算出用于表示第一IMU的惯性系姿态角的第一四元数q1，基于第二IMU 02测量所得姿态角，能够计算出用于表示第二IMU的惯性系姿态角的第二四元数q2；根据第一四元数q1能够获得第一IMU 01相对于自身惯性系的旋转矩阵C1；根据第二四元数q2能够获得第二IMU 02相对自身惯性系的旋转矩阵C2；根据旋转矩阵C1和旋转矩阵C2，能够获得第二IMU 02相对于第一IMU01的旋转矩阵C3＝C1TC2，C3即表示第一刚体构件11所在物体系到载体平台33所在的物体系的旋转矩阵，由该旋转矩阵能够计算出第一刚体构件11所在的物体系旋转到载体平台33所在的物体系的转动角度，即第二转轴电机22和第三转轴电机32的转动角度，基于该转动角度则可以在控制两轴云台时对各转轴电机进行闭环矢量控制。
还需要说明的是，对应第二IMU安装在云台的第三刚体构件31上的实施例，第二IMU相对第一IMU只有一个转动自由度，被约束的自由度恰好是惯性系的俯仰角，此时两个IMU只能检测出第三转轴电机32的转动角度，对于只有第三转轴电机32的单轴云台进行电机闭环矢量控制，该方案可以直接使用，对于两轴或三轴云台，需要在其他的转轴电机上再增加相应的转角检测传感器来检测对应转轴电机的转动角度。
实施例五
对应本发明实施例的云台电机的控制方法，本发明实施例五还提供了一种云台电机的控制装置，该装置用于实施对云台电机的控制，所述云台为多轴云台，所述多轴为至少两轴，如：两轴云台、三轴云台等等；每个轴分别对应一台转轴电机，如：两轴云台可以包括两台转轴电机，每台转轴电机分别绕一轴线旋转(如分别绕x轴、y轴旋转)，三轴云台可以包括三台转轴电机，每台转轴电机分别绕一轴线旋转(如分别绕x轴、y轴、z轴旋转)；每台转轴电机由各自对应的刚体构件来承载，例如：参见图1所示的三轴云台结构，第一刚体构件11用于承载第一转轴电机12，且所述第一刚体构件11也作为支撑整个云台的刚体构件，第一刚体构件11可以固定在支撑座上，如固定在无人机的基座上，或固定在地面移动机器人的身体或头部基座上，或固定在手持稳定器云台的手柄基座上等等，第二刚体构件21连接第一转轴电机12和第二转轴电机22，第二刚体构件21用于承载第二转轴电机22，第三刚体构件31连接第二转轴电机22和第三转轴电机32，第三转轴电机32连接云台的载体平台33，第三刚体构件31用于承载第三转轴电机32和载体平台33，所述载体平台33上用于架设拍摄装置，如相机、拍照手机等等。第一转轴电机12的转轴旋转会带动第二刚体构件21旋转，第二转轴电机22的转轴旋转会带动第三刚体构件31旋转，第三转轴电机32的转轴旋转会带动载体平台33旋转，如此就实现了载体平台33在三自由度(如俯仰、偏航、滚转)上的活动。
再例如：对于两轴云台结构，相当于图1所示的三轴云台结构去掉第一转轴电机12和第二刚体构件21，而是由第一刚体构件11来承载第二转轴电机22，其他结构关系不变。两轴云台实现载体平台33在两自由度上的活动。
本发明的实施例五在云台的载体平台上设置有第一IMU，且在用来承载所述转轴电机的至少一个刚体构件上设置有第二IMU，电机控制装置包括：
测量姿态信息获得单元601，用于获得所述第一IMU测量得到的第一测量姿态信息，以及所述第二IMU测量得到的第二测量姿态信息；
电机转动角度计算单元602，用于根据所述第一测量姿态信息和第二测量姿态信息，计算所述多轴云台上各个转轴电机对应的转动角度；
闭环控制单元603，用于基于所述各个转轴电机对应的转动角度，对相应的转轴电机执行闭环矢量控制。
其中，电机转动角度计算单元602进一步用于，
根据所述第一测量姿态信息计算获得第一四元数q1，所述第一四元数q1用于表示所述第一IMU的惯性系姿态角；并根据所述第一四元数q1获得所述第一IMU相对于自身惯性系的旋转矩阵C1；
根据所述第二测量姿态信息计算获得第二四元数q2，所述第二四元数q2用于表示所述第二IMU的惯性系姿态角；并根据所述第二四元数q2获得所述第二IMU相对自身惯性系的旋转矩阵C2；
根据所述旋转矩阵C1和旋转矩阵C2，获得所述第二IMU相对于所述第一IMU的旋转矩阵C3＝C1TC2；
根据所述旋转矩阵C3计算所述第一IMU相对于所述第二IMU的姿态角，所述姿态角即用于表示所述多轴云台上相应转轴电机的转动角度。
其中，闭环控制单元603进一步用于，将所述转轴电机定子的磁场矢量对齐到转子的交轴上，并在所述转子转动时，基于所述转轴电机对应的转动角度，保持所述定子的磁场矢量跟随所述转子的交轴。
在一可实施方式中，云台为三轴云台，第一刚体构件用于承载第一转轴电机，且所述第一刚体构件也作为支撑整个云台的刚体构件，第二刚体构件连接所述第一转轴电机和第二转轴电机，所述第二刚体构件用于承载所述第二转轴电机，第三刚体构件连接所述第二转轴电机和第三转轴电机，所述第三转轴电机连接所述云台的载体平台，所述第三刚体构件用于承载所述第三转轴电机和所述载体平台；
所述第二IMU设置于所述第一刚体构件上，所述第一IMU和第二IMU为9轴IMU，所述9轴IMU由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁计组成，所述第一测量姿态信息包括第一三轴角速度、第一三轴加速度和第一三轴地磁计测量信息，所述第二测量姿态信息包括第二三轴角速度、第二三轴加速度和第二三轴地磁计测量信息。
在另一可实施方式中，云台为三轴云台，第一刚体构件用于承载第一转轴电机，且所述第一刚体构件也作为支撑整个云台的刚体构件，第二刚体构件连接所述第一转轴电机和第二转轴电机，所述第二刚体构件用于承载所述第二转轴电机，第三刚体构件连接所述第二转轴电机和第三转轴电机，所述第三转轴电机连接所述云台的载体平台，所述第三刚体构件用于承载所述第三转轴电机和所述载体平台；
所述第二IMU设置于所述第二刚体构件上，所述第一IMU和第二IMU为6轴IMU，所述6轴IMU由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，所述第一测量姿态信息包括第一三轴角速度和第一三轴加速度，所述第二测量姿态信息包括第二三轴角速度和第二三轴加速度。
需要说明的是，本发明实施例五中的测量姿态信息获得单元601、电机转动角度计算单元602和闭环控制单元603可以由微控制器(MCU,Micro Controller Unit)来实现，MCU可以安装在所述云台的载体平台上，也可以安装在用于支撑整个云台的支撑端(如：第一刚体构件上)；当然，本发明实施例并不仅限于以上的安装位置，本发明实施例并不限制MCU的安装位置，实际应用中任何能够适用于本发明的安装位置应当都属于本发明实施例的保护范围。
实施例六
本发明实施例六还提供了一种云台，所述云台为多轴云台，所述多轴为至少两轴，每个轴分别对应一台转轴电机，且每台转轴电机由各自对应的刚体构件来承载，在所述云台的载体平台上设置有第一IMU，且在用来承载所述转轴电机的至少一个刚体构件上设置有第二IMU，所述第一IMU用于测量获得第一测量姿态信息，所述第二IMU用于测量获得第二测量姿态信息。
在一可实施方式中，云台还包括本发明前述实施例中所述的云台电机的控制装置(如MCU)，控制装置可以安装在所述云台的载体平台上，也可以安装在用于支撑整个云台的支撑端(如：第一刚体构件上)；当然，本发明实施例并不仅限于以上的安装位置，本发明实施例并不限制控制装置的安装位置，实际应用中任何能够适用于本发明的安装位置应当都属于本发明实施例的保护范围。
最后，还需要补充说明的是，本发明实施例的前述附图1、3、4中，第一转轴电机、第二转轴电机、第三转轴电机分别位于标号12、22、32所指的位置，但附图1、3、4中第一转轴电机、第二转轴电机、第三转轴电机没有显露在外；而结合图6所示的电机爆炸图可以看出，本发明实施例中第一转轴电机12、第二转轴电机22、第三转轴电机32的具体安装位置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种云台电机的控制方法，其特征在于，所述云台为多轴云台，所述多轴为至少两轴，每个轴分别对应一台转轴电机，且每台转轴电机由各自对应的刚体构件来承载，在所述云台的载体平台上设置有第一惯性测量单元IMU，且在用来承载所述转轴电机的至少一个刚体构件上设置有第二IMU，所述方法包括：
获得所述第一IMU测量得到的第一测量姿态信息，以及所述第二IMU测量得到的第二测量姿态信息；
根据所述第一测量姿态信息和第二测量姿态信息，计算所述多轴云台上各个转轴电机对应的转动角度；
基于所述各个转轴电机对应的转动角度，对相应的转轴电机执行闭环矢量控制。
2.根据权利要求1所述云台电机的控制方法，其特征在于，所述根据第一测量姿态信息和第二测量姿态信息，计算所述多轴云台上各个转轴电机对应的转动角度，包括：
根据所述第一测量姿态信息计算获得第一四元数q1，所述第一四元数q1用于表示所述第一IMU的惯性系姿态角；并根据所述第一四元数q1获得所述第一IMU相对于自身惯性系的旋转矩阵C1；
根据所述第二测量姿态信息计算获得第二四元数q2，所述第二四元数q2用于表示所述第二IMU的惯性系姿态角；并根据所述第二四元数q2获得所述第二IMU相对自身惯性系的旋转矩阵C2；
根据所述旋转矩阵C1和旋转矩阵C2，获得所述第二IMU相对于所述第一IMU的旋转矩阵C3＝C1TC2；
根据所述旋转矩阵C3计算所述第一IMU相对于所述第二IMU的姿态角，所述姿态角即用于表示所述多轴云台上相应转轴电机的转动角度。
3.根据权利要求1所述云台电机的控制方法，其特征在于，所述基于各个转轴电机对应的转动角度，对相应的转轴电机执行闭环矢量控制，包括：
将所述转轴电机定子的磁场矢量对齐到转子的交轴上，并在所述转子转动时，基于所述转轴电机对应的转动角度，保持所述定子的磁场矢量跟随所述转子的交轴。
4.根据权利要求1、2或3所述云台电机的控制方法，其特征在于，所述云台为三轴云台，第一刚体构件用于承载第一转轴电机，且所述第一刚体构件也作为支撑整个云台的刚体构件，第二刚体构件连接所述第一转轴电机和第二转轴电机，所述第二刚体构件用于承载所述第二转轴电机，第三刚体构件连接所述第二转轴电机和第三转轴电机，所述第三转轴电机连接所述云台的载体平台，所述第三刚体构件用于承载所述第三转轴电机和所述载体平台；
所述第二IMU设置于所述第一刚体构件上，所述第一IMU和第二IMU为9轴IMU，所述9轴IMU由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁计组成，所述第一测量姿态信息包括第一三轴角速度、第一三轴加速度和第一三轴地磁计测量信息，所述第二测量姿态信息包括第二三轴角速度、第二三轴加速度和第二三轴地磁计测量信息。
5.根据权利要求1、2或3所述云台电机的控制方法，其特征在于，所述云台为三轴云台，第一刚体构件用于承载第一转轴电机，且所述第一刚体构件也作为支撑整个云台的刚体构件，第二刚体构件连接所述第一转轴电机和第二转轴电机，所述第二刚体构件用于承载所述第二转轴电机，第三刚体构件连接所述第二转轴电机和第三转轴电机，所述第三转轴电机连接所述云台的载体平台，所述第三刚体构件用于承载所述第三转轴电机和所述载体平台；
所述第二IMU设置于所述第二刚体构件上，所述第一IMU和第二IMU为6轴IMU，所述6轴IMU由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，所述第一测量姿态信息包括第一三轴角速度和第一三轴加速度，所述第二测量姿态信息包括第二三轴角速度和第二三轴加速度。
6.一种云台电机的控制装置，其特征在于，所述云台为多轴云台，所述多轴为至少两轴，每个轴分别对应一台转轴电机，且每台转轴电机由各自对应的刚体构件来承载，在所述云台的载体平台上设置有第一惯性测量单元IMU，且在用来承载所述转轴电机的至少一个刚体构件上设置有第二IMU，所述装置包括：
测量姿态信息获得单元，用于获得所述第一IMU测量得到的第一测量姿态信息，以及所述第二IMU测量得到的第二测量姿态信息；
电机转动角度计算单元，用于根据所述第一测量姿态信息和第二测量姿态信息，计算所述多轴云台上各个转轴电机对应的转动角度；
闭环控制单元，用于基于所述各个转轴电机对应的转动角度，对相应的转轴电机执行闭环矢量控制。
7.根据权利要求6所述云台电机的控制装置，其特征在于，所述电机转动角度计算单元进一步用于，
根据所述第一测量姿态信息计算获得第一四元数q1，所述第一四元数q1用于表示所述第一IMU的惯性系姿态角；并根据所述第一四元数q1获得所述第一IMU相对于自身惯性系的旋转矩阵C1；
根据所述第二测量姿态信息计算获得第二四元数q2，所述第二四元数q2用于表示所述第二IMU的惯性系姿态角；并根据所述第二四元数q2获得所述第二IMU相对自身惯性系的旋转矩阵C2；
根据所述旋转矩阵C1和旋转矩阵C2，获得所述第二IMU相对于所述第一IMU的旋转矩阵C3＝C1TC2；
根据所述旋转矩阵C3计算所述第一IMU相对于所述第二IMU的姿态角，所述姿态角即用于表示所述多轴云台上相应转轴电机的转动角度。
8.根据权利要求6所述云台电机的控制装置，其特征在于，所述闭环控制单元进一步用于，将所述转轴电机定子的磁场矢量对齐到转子的交轴上，并在所述转子转动时，基于所述转轴电机对应的转动角度，保持所述定子的磁场矢量跟随所述转子的交轴。
9.根据权利要求6、7或8所述云台电机的控制装置，其特征在于，所述云台为三轴云台，第一刚体构件用于承载第一转轴电机，且所述第一刚体构件也作为支撑整个云台的刚体构件，第二刚体构件连接所述第一转轴电机和第二转轴电机，所述第二刚体构件用于承载所述第二转轴电机，第三刚体构件连接所述第二转轴电机和第三转轴电机，所述第三转轴电机连接所述云台的载体平台，所述第三刚体构件用于承载所述第三转轴电机和所述载体平台；
所述第二IMU设置于所述第一刚体构件上，所述第一IMU和第二IMU为9轴IMU，所述9轴IMU由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁计组成，所述第一测量姿态信息包括第一三轴角速度、第一三轴加速度和第一三轴地磁计测量信息，所述第二测量姿态信息包括第二三轴角速度、第二三轴加速度和第二三轴地磁计测量信息。
10.根据权利要求6、7或8所述云台电机的控制装置，其特征在于，所述云台为三轴云台，第一刚体构件用于承载第一转轴电机，且所述第一刚体构件也作为支撑整个云台的刚体构件，第二刚体构件连接所述第一转轴电机和第二转轴电机，所述第二刚体构件用于承载所述第二转轴电机，第三刚体构件连接所述第二转轴电机和第三转轴电机，所述第三转轴电机连接所述云台的载体平台，所述第三刚体构件用于承载所述第三转轴电机和所述载体平台；
所述第二IMU设置于所述第二刚体构件上，所述第一IMU和第二IMU为6轴IMU，所述6轴IMU由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，所述第一测量姿态信息包括第一三轴角速度和第一三轴加速度，所述第二测量姿态信息包括第二三轴角速度和第二三轴加速度。
11.一种云台，其特征在于，所述云台为多轴云台，所述多轴为至少两轴，每个轴分别对应一台转轴电机，且每台转轴电机由各自对应的刚体构件来承载，在所述云台的载体平台上设置有第一惯性测量单元IMU，且在用来承载所述转轴电机的至少一个刚体构件上设置有第二IMU，所述第一IMU用于测量获得第一测量姿态信息，所述第二IMU用于测量获得第二测量姿态信息。
12.根据权利要求11所述云台，其特征在于，所述云台还包括权利要求6-10任一项所述的云台电机的控制装置。
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