CN109725652B - 用于无人机云台航向解算与控制的方法 - Google Patents

用于无人机云台航向解算与控制的方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于无人机云台航向解算与控制的方法。提供了一种基于电位器与惯性测量单元(IMU)信息融合的三轴无人机云台航向解算与控制方法，该方法包括：使用电位器测量无人机与相机之间的偏航角度差；使用IMU测量相机的姿态；将无人机运动情况划分不同状态；通过电位器与IMU信息融合判断无人机的状态；在不同状态切换过程中设置云台控制量的平滑过渡。由于本方法采用电位器与IMU信息融合获取相机姿态，并且针对不同状态提出不同的控制方法，降低了成本，提高了云台的姿态的稳定性，增强了云台控制的鲁棒性。

Description

用于无人机云台航向解算与控制的方法
技术领域
本发明涉及无人机云台技术领域，具体涉及一种基于电位器与惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)信息融合的三轴无人机云台航向解算与控制方法。
背景技术
随着科技的发展，无人机使用领域日渐广泛。航拍无人机具有操控简单，拍摄视角独特等优势，使其成为风景拍摄的首选。但是无人机在飞行时，由于电机、桨叶与控制等因素，自身会产生震动，如果将相机直接安装在无人机上，必然会导致画面的震动，产生“果冻”现象，大大影响了用户的使用感受。为了视频画质的稳定，在飞机上加入云台，以减弱甚至消除相机的震动。
目前市面上的云台大部分采用电位器、霍尔传感器、IMU这三种传感器融合获取相机的姿态，其中融合了霍尔传感器的姿态数据提高了姿态解算与控制的精度，但是价格高、重量大，使云台的成本与功耗加大。减少霍尔传感器，能够降低云台成本，虽然精度降低，但是相机拍摄的视频效果不会有很明显的影响。
至少从上述原因考虑，一种基于电位器与IMU信息融合的三轴无人机云台航向解算与控制方法，采用电位器与IMU信息融合获取相机姿态，并且针对不同状态提出不同的控制方法，降低了成本，提高了云台的姿态的稳定性，增强了云台控制的鲁棒性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供一种基于电位器与惯性测量单元(IMU)信息融合的三轴无人机云台航向解算与控制方法，提高姿态解算准确性，已达到精准控制的目的，增强云台图像输出的稳定性。
为了解决上述问题，一种基于电位器与惯性测量单元(IMU)信息融合的三轴无人机云台航向解算与控制方法，所述方法包括：
使用电位器测量无人机与相机之间的偏航角度差；
使用IMU测量相机的姿态；
将无人机运动情况划分不同状态；
通过电位器与IMU信息融合判断无人机的状态；
在不同状态切换过程中设置云台控制量的平滑过渡。
优选地，所述使用电位器测量无人机与相机之间的偏航角度差包括：
电位器安装在云台偏航转轴方向；
使用单片机的A/D测量电位器电压；
通过对应关系，将A/D值转换为角度值。
优选地，所述使用IMU测量相机的姿态包括：
IMU与相机固定在一起；
将IMU测量的姿态转换为相机的姿态。
优选地，所述将无人机运动情况划分不同状态包括：
无人机处在的三种状态，悬停状态、旋转状态与平移状态；
对上述三种状态划定优先级。
优选地，所述通过电位器与IMU信息融合判断无人机的状态包括：
通过电位器测量的角度判断无人机是否在旋转状态；
通过IMU判断无人机在悬停状态还是平移状态。
优选地，所述在不同状态切换过程中设置云台控制量的平滑过渡包括：
将三种运动状态划分为两大类：云台保持自身航向与云台跟随机头的航向；
两大类切换之间的平滑过渡。
上述技术方案可以看出，由于本发明实施例一种基于电位器与惯性测量单元(IMU)信息融合的三轴无人机云台航向解算与控制方法，采用电位器与IMU信息融合获取相机姿态，并且针对不同状态提出不同的控制方法，降低了成本，提高了云台的姿态的稳定性，增强了云台控制的鲁棒性。
附图说明
为了更清楚地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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的一种基于电位器与惯性测量单元(IMU)信息融合的三轴无人机云台航向解算与控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中的通过电位器与IMU信息融合判断无人机的状态的流程图；
图3为本发明实施例中的在不同状态切换过程中设置云台控制量的平滑过渡的示意图。
具体实施方式
下面将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。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例中的一种基于电位器与惯性测量单元(IMU)信息融合的三轴无人机云台航向解算与控制方法的流程示意图。在本公开的实施例中，IMU可以是包括三轴加速度计、三轴角速度计、气压高度计的任何现在已知或未来研发的、能够测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。
如图1所示，该方法包括：
步骤S101，使用电位器测量无人机与相机之间的偏航角度差；
步骤S102，使用IMU测量相机的姿态；
步骤S104，至少部分地基于所述偏航角度差和所测量的姿态来判断预先划分无人机的状态；
步骤S105，在不同状态切换过程中设置云台控制量的平滑过渡。
根据一个实施例，无人机运动情可以由本领域技术人员根据需要预先划分。可选地，根据另一实施例，方法可以在步骤S102和步骤S104之间包括步骤S103，其中将无人机运动情况划分不同状态。进一步地，使用电位器测量无人机与相机之间的偏航角度差的具体实现为：云台中相机底板在z轴方向上通过转轴与上部连接，相机底板能够绕z轴转动。云台上部与无人机耦合，相机底板与相机结合。假设无人机不动，即云台上部不动，那么相机绕z轴旋转即会产生偏航角度差(定义为
Figure BDA0001868163260000031
)。为了测量偏航角度差，将电位器安装在z轴的转轴上，电位器外部安装在与无人机相连接的结构上，电位器可调节部分与转轴紧紧咬合。转轴转动时，必然能够引起电位器的电压值的变化。单片机通过模数转换(A/D)模块获取电位器的电压值，并且通过公式转换为角度值，具体的公式如下：
Figure BDA0001868163260000032
其中uadc为从电位器上获得的电压，umid为云台零度时电压器值，kadc为电压与角度之间的转换系数。
进一步地，通过以下方式可以较为方便获得kadc与umid。一般而言，云台偏航角在结构上存在限位。假设已知顺时针旋转最大角度为
Figure BDA0001868163260000033
逆时针旋转最大角度为
Figure BDA0001868163260000034
那么，通过测量顺时针最大限位对应的电压值为uc与逆时针最大限位对应的电压值为ucc，可以求得：
Figure BDA0001868163260000035
Figure BDA0001868163260000036
使用IMU测量相机的姿态包括：IMU与相机固定在一起与将IMU测量的姿态转换为相机的姿态。
进一步地，IMU与相机固定在一起的具体步骤为将IMU安装在云台的相机平台的底板上，而相机则固定在相机平台的底板上。IMU、相机平台底板、相机三者之间在云台工作的过程中，不存在相对运动的情况。
进一步地，将IMU测量的姿态转换为相机的姿态具体包括：IMU中具有陀螺仪与加速度计，陀螺仪用于测量旋转的角速度，加速度计用于测量自身的加速度，通过姿态解算算法，将角速度与加速度数据融合解算为IMU自身的姿态角。由于相机与IMU刚性连接，因此IMU的姿态近似等于相机的姿态。定义通过IMU获得的相机姿态为翻滚角φimu、俯仰角θimu与偏航角
Figure BDA0001868163260000037
由于IMU获取的偏航角转轴方向平行于重力，因此重力没法修正偏航角，获得的
Figure BDA0001868163260000038
实际上只能从陀螺仪积分计算出来。
Figure BDA0001868163260000039
只是相对于上电时刻的偏航角相对值，因此为了初始化时，相机对准无人机机头方向，必须通过融合
Figure BDA0001868163260000041
进一步地，融合方法为初始化时，只使用IMU获得的偏航角
Figure BDA0001868163260000042
作为云台的偏航角，目标偏航角设定为
Figure BDA0001868163260000043
进一步地，将无人机运动情况划分不同状态。根据航拍无人机的特点，主要分为悬停状态，平移状态与机头旋转状态。而且针对不同的状态，云台需要进行不同的控制策略：
悬停状态：云台相机保持自己的朝向，不受到机头摆动的影响，以保证画面的稳定，不会左右晃动；
平移状态：云台跟随无人机的机头旋转，朝向与无人机朝向一致，一般飞手在控制无人机移动时，会配合无人机旋转对景物进行拍摄；
机头旋转状态：拍摄全景时，一般飞手会控制无人机在原定旋转。此时云台需要跟随无人机的机头旋转，朝向与无人机朝向一致，保证云台快速跟随机头方向。
进一步地，对上述三种状态划定优先级的具体实现为：判断机头旋转的优先级最高，先检测是否满足进入机头旋转状态的条件，如果满足，则马上进入机头跟随模式，以免拍摄到无人机脚架。接着再判断是否满足平移状态条件，最后其他情况是悬停状态。
图2是通过电位器与IMU信息融合判断无人机的状态的流程图。
进一步地，通过电位器与IMU信息融合判断无人机的状态的步骤包括：
在控制周期内，不断通过电位器获取无人机与云台的偏航角度差
Figure BDA0001868163260000044
并且统计一段时间内的
Figure BDA0001868163260000045
比较这段时间内
Figure BDA0001868163260000046
变化(定义为
Figure BDA0001868163260000047
)是否大于阈值
Figure BDA0001868163260000048
Figure BDA0001868163260000049
大于阈值
Figure BDA00018681632600000410
则认为无人机处的机头在旋转，那么此时需要控制云台的朝向与机头相一致，从而不至于拍到无人机的支架。具体的实现方法为将云台的偏航角赋值为偏航角度差
Figure BDA00018681632600000411
目标偏航角
Figure BDA00018681632600000412
Figure BDA00018681632600000413
小于或等于阈值
Figure BDA00018681632600000414
则判断IMU的水平加速度的模a是否大于阈值aTH。
如果a＞aTH，则认为无人机正在加速。因为垂直上下飞行并不影响偏航角，所以此情况不作考虑。视频拍摄较多情况是往一个方向飞行，然后缓慢旋转偏航飞行。所以在水平面上的前后左右飞行，需要保持云台的偏航角与飞机的机头一致。具体实现方法与上述类似，云台的偏航角
Figure BDA00018681632600000415
目标偏航角
Figure BDA00018681632600000416
当a＜aTH时，则保持云台的偏航角，不论无人机的偏航角如何变化。此时，设定云台的偏航角等于IMU获得的偏航角，即
Figure BDA00018681632600000417
在切换时刻，设定目标偏航角为IMU测量的偏航角，即
Figure BDA00018681632600000418
图3是在不同状态切换过程中设置云台控制量的平滑过渡的示意图。
进一步地，将无人机的三种运动状态(悬停状态、平移状态、机头旋转状态)分成两大类，一类是云台保持自身航向，不跟随机头方向变化，此时云台的偏航角
Figure BDA00018681632600000419
目标偏航角
Figure BDA00018681632600000420
其中包括悬停状态；另一类是云台跟随机头的航向，此时云台的偏航角
Figure BDA0001868163260000051
目标偏航角
Figure BDA0001868163260000052
其中包括平移状态跟机头旋转状态。
进一步地，从云台自身保持航向到云台跟随机头的航向的切换，从
Figure BDA0001868163260000053
Figure BDA0001868163260000054
到
Figure BDA0001868163260000055
底层控制采用PID控制，PID的输出对应电机的PWM。PWM的突变会引起电机控制的突变，从而引起拍摄画质的抖动。那么保证PID输出的突变至关重要。而PID输出与偏差有关，因此保证切换前后的偏差
Figure BDA0001868163260000056
不突变，那么最终的输出也不会突变。而偏差e与目标状态
Figure BDA0001868163260000057
当前状态
Figure BDA0001868163260000058
有关，切换前
Figure BDA0001868163260000059
切换后
Figure BDA00018681632600000510
如果直接使用上述切换，必然会导致偏差的突变。
进一步地，通过调整
Figure BDA00018681632600000511
使偏差突变减少。令突变时刻前后的偏差相等，那么：
Figure BDA00018681632600000512
Figure BDA00018681632600000513
目标是让
Figure BDA00018681632600000514
在整个切换过程中令
Figure BDA00018681632600000515
随着时间线性变化。假设切换时刻为0，时刻为t，那么
Figure BDA00018681632600000516
其中Δt为自定的衰减时间，越大则
Figure BDA00018681632600000517
衰减得越慢。当t＞Δt时，令
Figure BDA00018681632600000518
进一步地，从云台跟随机头的航向到云台自身保持航向的切换，从
Figure BDA00018681632600000519
Figure BDA00018681632600000520
到
Figure BDA00018681632600000521
那么同样地，
Figure BDA00018681632600000522
Figure BDA00018681632600000523
目标是让
Figure BDA00018681632600000524
那么也一样定义切换时刻为0，那么，
Figure BDA00018681632600000525
当t＞Δt时，令
Figure BDA00018681632600000526
从上述两种方法保证了两类状态之间的平滑切换，减少偏差与控制的突变，从而使控制更加平滑。
本发明实施例中，采用电位器与IMU信息融合获取相机姿态，并且针对不同状态提出不同的控制方法，降低了成本，提高了云台的姿态的稳定性，增强了云台控制的鲁棒性。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
例如，使用一个或多个软件组件、一个或多个硬件组件、和/或软件和硬件组件的一个或多个组合，本发明的各种实施例的一些或全部组件各自单独地和/或以与至少另一组件结合的方式被实施。在另一示例中，本发明的各种实施例的一些或全部组件各自单独地和/或以与至少另一组件结合的方式被实施在诸如一个或多个模拟电路和/或一个或多个数字电路之类的一个或多个电路中。在另一示例中，本发明的各种实施例和/或示例可以被结合。
以上对本发明实施例所提供一种基于电位器与惯性测量单元(IMU)信息融合的三轴无人机云台航向解算与控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于电位器与惯性测量单元(IMU)信息融合的三轴无人机云台航向解算与控制方法，所述方法包括：
使用所述电位器测量无人机与相机之间的偏航角度差；
使用所述IMU测量所述相机的姿态；
至少部分地基于所述偏航角度差和所测量的姿态来判断所述无人机的运动状态，所述无人机的运动状态包括悬停状态、旋转状态、与平移状态；
将所述无人机的运动状态划分为云台保持自身航向与云台跟随机头的航向两大类运动状态，并且在检测到所述两大类运动状态之间的切换时设置云台控制量的平滑过渡。
2.如权利要求1所述的方法，其中使用电位器测量无人机与相机之间的偏航角度差包括：
将所述电位器安装在所述云台偏航转轴方向；
使用单片机的A/D测量所述电位器的电压；并且
根据通过预先确定的对应关系将A/D值转换为角度值。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述使用IMU测量相机的姿态包括：
将所述IMU与所述相机固定在一起；并且
根据预先确定的规则将所述IMU测量的姿态转换为相机的姿态。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：对所述无人机的运动状态划定优先级。
5.如权利要求1所述的方法，其中至少部分地基于所述偏航角度差和所测量的姿态来判断预先划分无人机状态包括：
通过电位器测量的角度判断无人机是否在旋转状态；
通过IMU判断无人机在悬停状态还是平移状态。
6.如权利要求1所述的方法，其中至少部分地基于所述偏航角度差和所测量的姿态来判断预先划分无人机状态包括：
在控制周期内，不断通过所述电位器获取所述无人机与云台的偏航角度差，并且统计一段时间内的
Figure FDA0003327874890000011
比较这段时间内
Figure FDA0003327874890000012
变化
Figure FDA0003327874890000013
是否大于阈值
Figure FDA0003327874890000014
如果
Figure FDA0003327874890000015
大于
Figure FDA0003327874890000016
则所述无人机处的机头在旋转，控制所述云台的朝向与机头相一致。
7.如权利要求6所述的方法，其中如果
Figure FDA0003327874890000017
小于或等于
Figure FDA0003327874890000018
则判断IMU的水平加速度的模a是否大于阈值aTH，当a＜aTH时，则保持所述云台的偏航角，而不论无人机的偏航角如何变化。
8.如权利要求1所述的方法，其中，设定目标偏航角
Figure FDA0003327874890000021
为IMU测量的偏航角
Figure FDA0003327874890000022
9.一种基于电位器与惯性测量单元(IMU)信息融合的三轴无人机云台航向解算与控制的系统，所述系统包括：
用于控制所述电位器测量无人机与相机之间的偏航角度差的装置；
用于控制所述IMU测量所述相机的姿态的装置；
用于至少部分地基于所述偏航角度差和所测量的姿态来判断所述无人机的运动状态的装置，其中，所述无人机的运动状态包括悬停状态、旋转状态、与平移状态；以及
用于将所述无人机的运动状态划分为云台保持自身航向与云台跟随机头的航向两大类运动状态，并且在检测到所述两大类运动状态之间的切换时设置云台控制量的平滑过渡的装置。
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