CN107168170A - 增稳器控制装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种增稳器控制装置及系统，涉及无人机技术领域。该增稳器控制系统包括无刷电机、增稳器以及增稳器控制装置，该增稳器控制装置包括角度测量单元、单片机、惯性测量单元及主控制器，角度测量单元与单片机电连接，单片机及惯性测量单元均与主控制器电连接。该惯性测量单元用于获取增稳器的姿态数据并向主控制器输出姿态数据。该角度测量单元用于测量无刷电机的转动角度并向单片机输出测量数据。该单片机用于对测量数据进行处理后向主控制器输出角度数据。该主控制器被配置为与无刷电机电连接，用于依据姿态数据及角度数据驱动无刷电机以调整增稳器的姿态。本发明提供的增稳器控制装置及系统，可提高增稳器的控制精度，减少能源损耗。

Description

增稳器控制装置及系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体而言，涉及一种增稳器控制装置及系统。

背景技术

随着社会的发展和工业的突飞猛进，无人机航空摄影已经应用在越来越多的领域，同时对航空摄影的质量和效果也提出了更高的要求。一般情况下，拍摄的画面抖动，不稳定，容易使观看者产生烦躁、疲劳甚至反感的感觉，同时拍摄画面的稳定性好也便于相关人员分析和处理。

现有技术中，是将相机安装在一个增稳器以使进行拍摄的相机保持稳定，通过电流直接驱动电机以使增稳器的姿态趋于稳定。采用上述增稳器控制技术能源损耗大，并且增稳器的控制精度不高，无人机在实际飞行过程中，增稳器极容易因外界环境产生震动、晃动，从而导致相机拍摄的画面不稳定、不清晰，拍摄效果不好。

因此，如何解决现有的增稳器控制技术中的能源损耗大以及控制精度不高而导致的拍摄效果不好的问题，一直以来都是本领域技术人员关注的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增稳器控制装置及系统，以改善现有技术中存在的增稳器控制精度不高且能源损耗大的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提出一种增稳器控制装置，用于控制通过无刷电机驱动的增稳器。所述增稳器控制装置包括角度测量单元、单片机、惯性测量单元及主控制器，所述角度测量单元与所述单片机电连接，所述单片机及所述惯性测量单元均与所述主控制器电连接。所述惯性测量单元被配置为设置在所述增稳器上，用于获取所述增稳器的姿态数据并向所述主控制器输出所述姿态数据；所述角度测量单元被配置为设置在所述无刷电机上，用于测量所述无刷电机的转动角度并向所述单片机输出测量数据；所述单片机用于依据所述测量数据计算得到角度数据并将所述角度数据发送至所述主控制器；所述主控制器被配置为与所述无刷电机电连接，用于依据所述姿态数据及所述角度数据驱动所述无刷电机以调整所述增稳器的姿态。

第二方面，本发明实施例还提出一种增稳器控制系统。所述增稳器控制系统包括无刷电机、增稳器以及增稳器控制装置，所述增稳器控制装置包括角度测量单元、单片机、惯性测量单元及主控制器，所述角度测量单元与所述单片机电连接，所述单片机及所述惯性测量单元均与所述主控制器电连接。所述惯性测量单元被配置为设置在所述增稳器上，用于获取所述增稳器的姿态数据并向所述主控制器输出所述姿态数据；所述角度测量单元被配置为设置在所述无刷电机上，用于测量所述无刷电机的转动角度并向所述单片机输出测量数据；所述单片机用于依据所述测量数据计算得到角度数据并将所述角度数据发送至所述主控制器；所述主控制器被配置为与所述无刷电机电连接，用于依据所述姿态数据及所述角度数据驱动所述无刷电机以调整所述增稳器的姿态。

相对现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的增稳器控制系统包括无刷电机、增稳器以及增稳器控制装置，所述增稳器控制装置用于控制通过所述无刷电机驱动的所述增稳器，所述增稳器控制装置包括角度测量单元、单片机、惯性测量单元及主控制器，所述角度测量单元与所述单片机电连接，所述单片机及所述惯性测量单元均与所述主控制器电连接。所述惯性测量单元被配置为设置在所述增稳器上，用于获取所述增稳器的姿态数据并向所述主控制器输出所述姿态数据。所述角度测量单元被配置为设置在所述无刷电机上，用于测量所述无刷电机的转动角度并向所述单片机输出测量数据。所述单片机用于对所述测量数据进行处理后向所述主控制器输出角度数据。所述主控制器被配置为与所述无刷电机电连接，用于依据所述姿态数据及所述角度数据驱动所述无刷电机以调整所述增稳器的姿态。本发明提供的增稳器控制装置及系统，可减少能源损耗，提高增稳器的控制精度以使增稳器的姿态趋于稳定。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的增稳器控制系统的结构框图。

图2示出了本发明实施例所提供的增稳器控制装置的结构框图。

图3示出了本发明实施例所提供的光电编码器的输出信号波形图。

图4示出了本发明实施例所提供的鉴相电路与计数电路的电路连接示意图。

图5示出了无刷电机顺时针转动时光电编码器输出的脉冲信号的波形图。

图6示出了无刷电机逆时针转动时光电编码器输出的脉冲信号的波形图。

图标：10-增稳器控制系统；100-增稳器控制装置；200-无刷电机；300-增稳器；110-角度测量单元；120-单片机；130-惯性测量单元；140-主控制器；150-显示单元；112-光电编码器；114-鉴相电路；116-计数电路；1141-D触发器；1142-第一与非门；1143-第二与非门。

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，以下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。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，本发明实施例所提供的增稳器控制系统10的结构框图。所述增稳器控制系统10可应用于无人机，其包括增稳器控制装置100、无刷电机200以及增稳器300，所述无刷电机200用于驱动所述增稳器300。在本实施例中，所述增稳器300可用于安装摄像设备，所述增稳器控制装置100通过获取增稳器300的姿态数据以及无刷电机200的角度数据，并依据该姿态数据和角度数据驱动所述无刷电机200以调整所述增稳器300的姿态，使所述增稳器300的姿态保持稳定，保证无人机在进行航拍时，摄像设备拍摄的画面清晰、流畅、不抖动，拍摄效果较好。优选地，所述增稳器300可以为云台。

请参照图2，为本发明实施例所提供的增稳器控制装置100的结构框图。在本实施例中，所述增稳器控制装置100可用于控制通过无刷电机200驱动的增稳器300，其包括角度测量单元110、单片机120、惯性测量单元130(Inertial measurement unit，IMU)、主控制器140及显示单元150，所述角度测量单元110与所述单片机120电连接，所述单片机120及所述惯性测量单元130均与所述主控制器140电连接。

在本实施例中，所述角度测量单元110被配置为设置在所述无刷电机200上，用于测量所述无刷电机200的转动角度并向所述单片机120输出测量数据。

具体地，所述角度测量单元110可包括光电编码器112、鉴相电路114及计数电路116，所述光电编码器112、鉴相电路114及所述计数电路116依次电连接，所述计数电路116与所述单片机120电连接。优选地，所述光电编码器112设置在所述无刷电机200上并随着无刷电机200的转动而转动，用于在所述无刷电机200转动时向所述鉴相电路114输出脉冲信号，所述鉴相电路114用于对所述脉冲信号的相差进行鉴别后，依据相差鉴别结果输出控制电平至所述计数电路116。

在本实施例中，所述光电编码器112采用增量式编码器，其具有不同类型的输出电路，如图3所示，为其中一种输出电路的输出信号波形图。如图3所示，所述光电编码器112的输出信号包括3个，分别为A相信号、B相信号和Z相信号。其中，Z相信号可提供准确的零点信息，所述光电编码器112每转动一圈，输出一个基准脉冲(即Z相信号)。在本实施例中，所述光电编码器112的精度由转动一周产生的方波数决定，例如，当转动一周可产生2048个脉冲信号时，每个脉冲信号可表示为360°/2048。

如图4所示，为所述鉴相电路114与所述计数电路116的电路连接示意图。所述鉴相电路114包括D触发器1141、第一与非门1142以及第二与非门1143，所述D触发器1141的输入端与所述光电编码器112电连接，所述D触发器1141的输出端与所述第一与非门1142及第二与非门1143均电连接。具体地，在本实施例中，以A相信号和B相信号为例，光电编码器112的A相信号的输出端与D触发器1141的时钟输入端CLK电连接，光电编码器112的B相信号的输出端与D触发器1141的数据输入端D电连接，D触发器1141的数据输出端Q与第一与非门1142电连接，D触发器1141的数据输出端与第二与非门1143电连接。

所述光电编码器112用于依据所述无刷电机200的不同转动方向向所述鉴相电路114输出不同相差的所述脉冲信号(例如A相信号和B相信号)，所述鉴相电路114用于依据所述脉冲信号的相差获得所述相差鉴别结果，并依据所述相差鉴别结果将所述控制电平输出至所述计数电路116。具体地，如图5所示，为所述无刷电机200顺时针转动时光电编码器112输出的脉冲信号的波形图，当所述无刷电机200顺时针转动时，A相信号超前B相信号输出，A相信号的上升沿到来时B相信号为低，则所述D触发器1141依据所述脉冲信号的相差输出第一电平信号(即为高电平，Q为低电平)以使所述第二与非门1143打开以及所述第一与非门1142关闭，所述第一与非门1142输出高电平，所述第二与非门1143输出所述控制电平(低电平)到所述计数电路116。如图6所示，为所述无刷电机200逆时针转动时光电编码器112输出的脉冲信号的波形图，当所述无刷电机200逆时针转动时，A相信号迟于B相信号输出，A相信号的上升沿到来时B相信号为高，则所述D触发器1141依据所述脉冲信号的相差输出第二电平信号(即为低电平，Q为高电平)以使所述第一与非门1142打开以及所述第二与非门1143关闭，所述第二与非门1143输出高电平，所述第一与非门1142输出所述控制电平(即低电平)到所述计数电路116。需要说明的是，所述第一电平信号及所述第二电平信号可以理解为上述的相差鉴别结果。

在本实施例中，所述计数电路116用于对所述控制电平进行计数以获取所述测量数据，并向所述单片机120输出所述测量数据，其主要包括三个计数芯片U1、U2及U3，以及两个数据处理芯片U4、U5，且三个计数芯片U1、U2、U3均相同，数据处理芯片U4与数据处理芯片U5相同。其中，所述第一与非门1142与所述计数芯片U1的减脉冲输入端DOWN电连接，所述第二与非门1143与所述计数芯片U1的加脉冲输入端UP电连接，所述计数芯片U1的进位输出端与计数芯片U2的加脉冲输入端UP电连接，所述计数芯片U1的借位输出端与计数芯片U2的减脉冲输入端DOWN电连接，所述计数芯片U2的进位输出端与计数芯片U3的加脉冲输入端UP电连接，所述计数芯片U2的借位输出端与计数芯片U3的减脉冲输入端DOWN电连接。计数芯片U1的数据输出端(即QA、QB、QC及QD)与数据处理芯片U4的数据输入端(即A1、A2、A3及A4)电连接，计数芯片U2的数据输出端(即QA、QB、QC及QD)与数据处理芯片U4的数据输入端(即A5、A6、A7及A8)电连接，计数芯片U3的数据输出端(即QA、QB、QC及QD)与数据处理芯片U5的数据输入端(即A1、A2、A3及A4)电连接，数据处理芯片U4的数据输出端(即B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)及数据处理芯片U5的数据输出端(即B1、B2、B3、B4)与单片机120电连接。

具体地，当所述无刷电机200顺时针转动时，所述第二与非门1143打开，并输出所述控制电平至所述计数芯片U1的加脉冲输入端UP，所述计数芯片U1、U2及U3用于对接收的所述控制电平进行加法计数，并将各自的计数结果输出至所述数据处理芯片U4、U5，所述数据处理芯片U4、U5对接收的计数结果进行处理以获取最终的测量数据，并向所述单片机120输出所述测量数据。同理，当所述无刷电机200逆时针转动时，所述第一与非门1142打开，并输出所述控制电平至所述计数芯片U1的减脉冲输入端DOWN，所述计数芯片U1、U2及U3用于对接收的所述控制电平进行减法计数，并将各自的计数结果输出至所述数据处理芯片U4、U5，所述数据处理芯片U4、U5对接收的计数结果进行处理以获取最终的测量数据，并向所述单片机120输出所述测量数据。

需要说明的是，在本实施例中，对无刷电机200以及光电编码器112的数量不做限制。当使用多路光电编码器112进行测度测量时，每路获取的测量数据可通过译码进行区分。

在本实施例中，所述单片机120用于依据所述测量数据计算得到所述角度数据并将所述角度数据发送至所述主控制器140。具体地，所述单片机120可依据测量数据(即光电编码器112产生的脉冲信号个数)计算得到所述无刷电机200转动的角度数据。具体地，所述单片机120可通过232或485串行通信接口将所述角度数据发送至所述主控制器140。

在本实施例中，所述惯性测量单元130被配置为设置在所述增稳器300上，用于获取所述增稳器300的姿态数据并向所述主控制器140输出所述姿态数据。

在本实施例中，所述主控制器140被配置为与所述无刷电机200电连接，用于依据所述姿态数据及所述角度数据驱动所述无刷电机200以调整所述增稳器300的姿态。具体地，所述主控制器140通过对获取的姿态数据和无刷电机200的角度数据进行分析和处理，若增稳器300的姿态要发生变化时，通过驱动无刷电机200及时校正无刷电机200的转动状态，从而使得所述增稳器300的姿态趋于稳定，在一定程度上提高了增稳器300的控制精度。若增稳器300的姿态没有变化或较为稳定，则让无刷电机200暂保持原来的转动状态。

在本实施例中，所述显示单元150与所述单片机120电连接，所述单片机120还用于将所述角度数据通过所述显示单元150进行显示。

综上所述，本发明实施例所提供的增稳器控制装置及系统，所述惯性测量单元被配置为设置在所述增稳器上，通过获取所述增稳器的姿态数据并向所述主控制器输出所述姿态数据，所述光电编码器被配置为设置在所述无刷电机上，在所述无刷电机转动时，依据所述无刷电机的不同转动方向向所述鉴相电路输出不同相差的所述脉冲信号，所述鉴相电路对所述脉冲信号的相差进行鉴别后，依据相差鉴别结果输出控制电平至所述计数电路，所述计数电路对所述控制电平进行计数以获取所述测量数据，并向所述单片机输出所述测量数据。具体地，当所述无刷电机顺时针转动时，A相信号超前B相信号输出，所述D触发器依据所述脉冲信号的相差输出第一电平信号以使所述第二与非门打开以及所述第一与非门关闭，所述第二与非门输出所述控制电平到所述计数电路的加脉冲输入端以使计数电路对控制电平进行加法计数并获取最终的测量数据。当所述无刷电机200逆时针转动时，A相信号迟于B相信号输出，所述D触发器依据所述脉冲信号的相差输出第二电平信号以使所述第一与非门打开以及所述第二与非门关闭，所述第一与非门输出所述控制电平到所述计数电路的减脉冲输入端，以使计数电路对控制电平进行减法计数并获取最终的测量数据。所述单片机对该测量数据进行计算得到无刷电机转动的角度数据并将所述角度数据发送至所述主控制器，所述主控制器依据所述姿态数据及所述角度数据驱动所述无刷电机以调整所述增稳器的姿态。本发明提供的增稳器控制装置及系统，依据反馈的角度数据及姿态数据驱动适时无刷电机，可提高增稳器的控制精度，并且与现有的通过电流直接、实时驱动无刷电机相比，减少了能源损耗。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。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。

Claims (10)

1.一种增稳器控制装置，用于控制通过无刷电机驱动的增稳器，其特征在于，所述增稳器控制装置包括：角度测量单元、单片机、惯性测量单元及主控制器，所述角度测量单元与所述单片机电连接，所述单片机及所述惯性测量单元均与所述主控制器电连接；

所述惯性测量单元被配置为设置在所述增稳器上，用于获取所述增稳器的姿态数据并向所述主控制器输出所述姿态数据；

所述角度测量单元被配置为设置在所述无刷电机上，用于测量所述无刷电机的转动角度并向所述单片机输出测量数据；

所述单片机用于依据所述测量数据计算得到角度数据并将所述角度数据发送至所述主控制器；

所述主控制器被配置为与所述无刷电机电连接，用于依据所述姿态数据及所述角度数据驱动所述无刷电机以调整所述增稳器的姿态。

2.如权利要求1所述的增稳器控制装置，其特征在于，所述角度测量单元包括光电编码器、鉴相电路及计数电路，所述光电编码器、鉴相电路及所述计数电路依次电连接，所述计数电路与所述单片机电连接，所述光电编码器设置在所述无刷电机上；

所述光电编码器用于在所述无刷电机转动时向所述鉴相电路输出脉冲信号；所述鉴相电路用于对所述脉冲信号的相差进行鉴别后，依据相差鉴别结果输出控制电平至所述计数电路；所述计数电路用于对所述控制电平进行计数以获取所述测量数据，并向所述单片机输出所述测量数据。

3.如权利要求2所述的增稳器控制装置，其特征在于，所述光电编码器用于依据所述无刷电机的不同转动方向向所述鉴相电路输出不同相差的所述脉冲信号，所述鉴相电路用于依据所述脉冲信号的相差获得所述相差鉴别结果，并依据所述相差鉴别结果将所述控制电平输出至所述计数电路的加脉冲输入端或者减脉冲输入端。

4.如权利要求3所述的增稳器控制装置，其特征在于，当所述无刷电机顺时针转动时，所述鉴相电路用于将所述控制电平输出至所述计数电路的加脉冲输入端，所述计数电路用于对所述加脉冲输入端接收的所述控制电平进行加法计数。

5.如权利要求3所述的增稳器控制装置，其特征在于，当所述无刷电机逆时针转动时，所述鉴相电路用于将所述控制电平输出至所述计数电路的减脉冲输入端，所述计数电路用于对所述减脉冲输入端接收的所述控制电平进行减法计数。

6.如权利要求4或5所述的增稳器控制装置，其特征在于，所述鉴相电路包括D触发器、第一与非门以及第二与非门，所述D触发器的输入端与所述光电编码器电连接，所述D触发器的输出端与所述第一与非门及第二与非门均电连接，所述第一与非门与所述减脉冲输入端电连接，所述第二与非门与所述加脉冲输入端电连接。

7.如权利要求6所述的增稳器控制装置，其特征在于，当所述无刷电机顺时针转动时，所述D触发器依据所述脉冲信号的相差输出第一电平信号以使所述第二与非门打开以及所述第一与非门关闭。

8.如权利要求6所述的增稳器控制装置，其特征在于，当所述无刷电机逆时针转动时，所述D触发器依据所述脉冲信号的相差输出第二电平信号以使所述第一与非门打开以及所述第二与非门关闭。

9.如权利要求1所述的增稳器控制装置，其特征在于，所述增稳器控制装置还包括显示单元，所述显示单元与所述单片机电连接，所述单片机还用于将所述角度数据通过所述显示单元进行显示。

10.一种增稳器控制系统，其特征在于，所述增稳器控制系统包括无刷电机、增稳器以及如权利要求1-9任一项所述的增稳器控制装置。