CN110312913A - 用于自适应云台的方法和系统 - Google Patents

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苏铁
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Abstract

用于控制有效载荷(109，607，703，904)的姿态的方法和装置。这些装置可以包括：用于支撑有效载荷(109，607，703，904)的框架组件(105)；用于将框架组件(105)联接到可移动对象(101)的基座支撑件(103)；附接到框架组件(105)或有效载荷(109，607，703，904)的一个或多个惯性传感器(113，402，404)，并且该惯性传感器(113，402，404)被配置为采集有效载荷(109，607，703，904)的姿态信息；一个或多个位置传感器(115，701，801)，其附接到基座支撑件(103)或者一个或多个框架部件，并被配置为采集用于确定有效载荷(109，607，703，904)的水平加速度的位置数据；一个或多个致动器(603，711，713，715)，其被配置为控制多个框架部件的移动；以及一个或多个处理器，其被配置为基于经校正的姿态数据来控制有效载荷(109，607，703，904)的姿态，其中，基于有效载荷(109，607，703，904)的姿态信息和水平加速度来计算该经校正的姿态数据。

Description

用于自适应云台的方法和系统
背景技术
在许多应用中，有效载荷需要被稳定，以使得它们不受振动和不期望的移动的影响。用于使安装在可移动平台(诸如飞行器、人、载具)上的有效载荷稳定的一种技术是主动稳定。通常，主动稳定系统(诸如惯性稳定平台(ISP)或云台系统)使用马达来抵消由运动传感器检测到的任何振动或不期望的移动。通过控制由云台系统支撑的有效载荷的姿态来使有效载荷稳定。在许多情况下，有效载荷的姿态信息被用作用于控制云台系统的反馈信号。在某些情况下，用于获得姿态信息的现有办法可能不是最佳的。例如，当云台本身处于加速运动时，由于水平移动，检测到的姿态信息可能是不准确的。
发明内容
因此，需要可以允许增稳平台或承载件以提高的准确度控制有效载荷的姿态的设备和方法。需要改进的系统和方法，以基于反馈姿态数据来获得有效载荷的姿态信息。本发明解决了这种需要并且还提供了相关的优点。
在一个方面，本发明提供了一种用于控制有效载荷的姿态的增稳单元。增稳单元可以包括：框架组件，其包括可以相对于彼此移动的多个框架部件，其中，框架组件构造成支撑有效载荷；基座支撑件，其构造成将框架组件联接到可移动对象或活体；一个或多个惯性传感器，其附接到框架组件或有效载荷，其中，所述一个或多个惯性传感器被配置为采集有效载荷关于多个转动轴的姿态信息；一个或多个位置传感器，其附接到(1)基座支撑件或(2)框架组件的一个或多个框架部件，其中，所述一个或多个位置传感器被配置为采集用于确定有效载荷的水平加速度的位置数据；一个或多个致动器，其被配置为控制所述多个框架部件的移动，以控制有效载荷的姿态；以及一个或多个处理器，其中，所述一个或多个处理器被配置为基于经校正的姿态数据通过控制所述一个或多个致动器来控制有效载荷的姿态，其中，基于由所述一个或多个惯性传感器采集的姿态信息和基于位置数据确定的有效载荷的水平加速度来计算经校正的姿态数据。
在相关但又单独的方面，提供了一种使用增稳单元来控制有效载荷的姿态的方法。该方法包括：借助于下列部件支撑有效载荷：框架组件，其包括能够相对于彼此移动的多个框架部件，其中，框架组件构造成支撑有效载荷；以及基座支撑件，其构造成将框架组件联接到可移动对象；借助于一个或多个惯性传感器采集有效载荷关于多个转动轴的姿态信息；借助于附接到(1)基座支撑件或(2)框架组件的一个或多个框架部件的一个或多个位置传感器来采集位置数据，其中，位置数据用于确定有效载荷的水平加速度；获得关于有效载荷的经校正的姿态数据，其中，基于由所述一个或多个惯性传感器采集的姿态信息和基于位置数据确定的有效载荷的水平加速度来计算经校正的姿态数据；以及基于经校正的姿态数据通过控制一个或多个致动器来控制有效载荷的姿态。
在另一方面，提供了一种用于控制有效载荷的姿态的系统。该系统可以包括：可移动对象；增稳单元，该增稳单元包括：框架组件，其包括能够相对于彼此移动的多个框架部件，其中，框架组件构造成支撑有效载荷；基座支撑件，其构造成将框架组件联接到可移动对象；一个或多个惯性传感器，其附接到框架组件或有效载荷，其中，所述一个或多个惯性传感器被配置为采集有效载荷关于多个转动轴的姿态信息；一个或多个位置传感器，其附接到(1)基座支撑件或(2)框架组件的一个或多个框架部件，其中，所述一个或多个位置传感器被配置为采集用于确定有效载荷的水平加速度的位置数据；一个或多个致动器，其被配置为控制所述多个框架部件的移动，以控制有效载荷的姿态；以及一个或多个处理器，其被配置为基于经校正的姿态数据通过控制所述一个或多个致动器来控制有效载荷的姿态，其中，基于由所述一个或多个惯性传感器采集的姿态信息和基于位置数据确定的有效载荷的水平加速度来计算经校正的姿态数据。
在一些实施例中，在增稳单元中使用的所述一个或多个位置传感器包括GPS单元。所述一个或多个位置传感器可以设置在所述增稳单元上与所述一个或多个惯性传感器不同的位置处。在一些情况下，增稳单元的基座支撑件可以包括手持支撑件或安装组件。所述一个或多个位置传感器被配置为测量所述有效载荷或者所述一个或多个惯性传感器的水平运动。水平运动可以是相对于地面参照系而言的。在一些情况下，所述一个或多个位置传感器被配置为检测有效载荷或者所述一个或多个惯性传感器的位置、线速度、线加速度中的至少一者。
在一些实施例中，由增稳单元利用的所述一个或多个框架部件能够相对于彼此转动。通过借助于所述一个或多个致动器使所述一个或多个框架部件转动来实现有效载荷关于三个转动轴的移动，并且有效载荷的移动是相对于基座支撑件而言的，并且所述三个转动轴包括滚转轴、偏航轴和俯仰轴。有效载荷的姿态是相对于地面参照系稳定的。在一些实施例中，增稳单元还包括联接到框架部件的一个或多个角位置传感器，所述一个或多个角位置传感器被配置为检测用于驱动框架组件的转动移动的所述一个或多个致动器的角位置。在一些情况下，所述一个或多个传感器包括磁场传感器或光学编码器。在一些情况下，所述一个或多个惯性传感器包括加速计，该加速计附接到有效载荷或联接到有效载荷的框架部件。加速度计可以被配置为测量有效载荷相对于地面参照系而言关于至少滚转轴和俯仰轴的姿态角。加速度计可以是三轴加速度计。在一些情况下，通过使用加速度计测量重力矢量的方向来确定关于有效载荷的姿态信息，并且从所测量的重力矢量中减去水平加速度。
在一些实施例中，借助于一个或多个处理器计算有效载荷的经校正的姿态数据。所述一个或多个处理器机载在增稳单元上或远离增稳单元。在一些情况下，通过下列步骤来确定关于有效载荷的经校正的姿态数据：(a)通过包含一个或多个惯性传感器的第一组惯性传感器测量重力矢量的方向；(b)利用有效载荷的水平加速度来校正所测量的重力矢量的方向，以获得经校正的重力矢量的方向；以及(c)将包含一个或多个惯性传感器的第二组惯性传感器测量的传感器数据与经校正的重力矢量的方向融合。包含一个或多个惯性传感器的第一组惯性传感器可以至少包括加速度计，并且包含一个或多个惯性传感器的第二组惯性传感器可以至少包括陀螺仪或磁力计。在一些情况下，通过加速度计来测量重力矢量。校正姿态数据可以涉及从重力矢量中减去水平加速度。在一些情况下，基于变换矩阵和由所述一个或多个位置传感器测量的水平加速度来获得相对于加速度计本体参照系的水平加速度。在一些情况下，变换矩阵可以基于加速度计与所述一个或多个位置传感器之间由联接到框架组件的一个或多个角位置传感器或角运动传感器测量的相对移动。在一些情况下，估计的转动矩阵用于将水平加速度变换为惯性传感器本体参照系，并且估计的转动矩阵基于联接到框架组件的一个或多个角位置传感器。在一些情况下，所述一个或多个惯性传感器包括陀螺仪和/或磁力计。在一些情况下，下列滤波器中的至少一个用于计算姿态数据：卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器和互补滤波器。例如，当使用卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器时，来自加速度计的姿态信息被配置为更新由陀螺仪提供的估计姿态角，并且姿态角是至少关于俯仰轴或滚转轴而言的。来自加速度计、陀螺仪和磁力计的姿态信息被加权以得出有效载荷的经校正的姿态数据。在一些情况下，每种类型的传感器数据在被融合以获得经校正的姿态数据之前由滤波器单独处理。
在一些实施例中，增稳单元是多轴云台，该多轴云台还包括附接到框架组件的一个或多个角运动传感器和/或角位置传感器。一个或多个处理器被单独地或共同地被配置为基于目标角来确定要从所述一个或多个致动器提供给云台的所述一个或多个框架部件的输入扭矩。在一些情况下，使用反馈控制回路来确定输入扭矩。使用包括所述一个或多个处理器的比例-积分-微分(PID)控制器来实施反馈控制回路。在一些情况下，PID控制器定位成机载在云台上。在示例中，PID控制器被配置为基于目标角与由所述一个或多个运动传感器和/或位置传感器测量的角之间的差异，和/或基于输入角速度和由所述一个或多个角运动传感器和/或角位置传感器测量的角速度之间的差异来确定输入角速度。
在一些实施例中，可移动对象选自包括UAV、非机动承载件和活体的组。在一些实施例中，所述可移动对象或活体不与所述增稳单元电连通。在一些实施例中，所述有效载荷包括成像装置。
在单独但又相关的方面，本发明提供了一种使用增稳单元来控制有效载荷的姿态的方法。所述方法可以包括，所述方法包括：借助于下述部件支撑所述有效载荷：框架组件，其包括能够相对于彼此移动的多个框架部件，其中，所述框架组件构造成支撑所述有效载荷；以及基座支撑件，其构造成将所述框架组件联接到可移动对象或活体；借助于一个或多个惯性传感器采集所述有效载荷关于多个转动轴的姿态信息；借助于附接到(1)所述基座支撑件或(2)所述框架组件的一个或多个框架部件的一个或多个位置传感器来采集位置数据，其中，所述位置数据用于确定所述有效载荷的水平加速度；以及获得关于所述有效载荷的经校正的姿态数据，其中，基于由所述一个或多个惯性传感器采集的姿态信息和所述有效载荷的水平加速度来计算所述经校正的姿态数据；借助于一个或多个致动器控制所述多个框架部件的移动，从而控制所述有效载荷的姿态，其中，所述一个或多个致动器基于所述经校正的姿态数据来控制所述有效载荷的姿态。
在另一方面，提供了一种用于控制有效载荷的姿态的增稳单元。所述增稳单元包括：框架组件，其构造成支撑所述有效载荷；一个或多个惯性传感器，其被配置为采集所述有效载荷关于多个转动轴的姿态信息；以及一个或多个位置传感器，其可拆卸地附接到(1)所述框架组件的一个或多个框架部件或(2)所述有效载荷，其中，所述一个或多个位置传感器被配置为采集用于确定所述有效载荷的水平加速度的位置数据；一个或多个致动器，其被配置为通过致动所述框架组件来控制所述有效载荷的姿态，其中，所述一个或多个致动器基于经校正的姿态数据来控制所述有效载荷的姿态，其中，基于由所述一个或多个惯性传感器采集的姿态信息和所述有效载荷的水平加速度来计算所述经校正的姿态数据。
在一些实施例中，由所述增稳单元使用的一个或多个位置传感器被封闭在壳体中，并且所述壳体可释放地联接到所述框架组件的一个或多个框架部件的一部分或者所述有效载荷。在一些情况下，所述一个或多个位置传感器被配置为无线地传输所述位置数据。在一些情况下，动力单元也被封闭在所述壳体中。在一些情况下，一个或多个惯性传感器被封闭在所述壳体中，以检测所述手持支撑件或安装组件的姿态。在一些实施例中，所述一个或多个位置传感器包括GPS单元，并且所述一个或多个位置传感器在所述增稳单元上与所述一个或多个惯性传感器不同的位置处。所述一个或多个位置传感器被配置为测量所述有效载荷或所述增稳单元的水平运动。所述水平运动是相对于地面参照系而言的。在一些情况下，所述一个或多个位置传感器被配置为检测所述有效载荷或所述增稳单元的位置、线速度、线加速度中的至少一者。
在一些实施例中，所述一个或多个框架部件能够相对于彼此转动，并且通过借助于所述一个或多个致动器使所述一个或多个框架部件转动来实现有效载荷关于三个转动轴的移动。在一些情况下，有效载荷的移动是相对于组装基座支撑件而言的，并且其中，所述三个转动轴包括滚转轴、偏航轴和俯仰轴。在一些实施例中，增稳单元还包括联接到框架部件的一个或多个角位置传感器，所述一个或多个角位置传感器被配置为检测用于驱动框架组件的转动移动的所述一个或多个致动器的角位置。在一些情况下，所述一个或多个传感器包括磁场传感器或光学编码器。在一些情况下，所述一个或多个惯性传感器包括加速计，该加速计附接到有效载荷或联接到有效载荷的框架部件。所述一个或多个惯性传感器包括加速度计，该加速度计被配置为测量有效载荷相对于地面参照系至少关于滚转轴和俯仰轴的姿态角。所述一个或多个惯性传感器包括三轴加速度计。通过使用加速度计测量重力矢量的方向来确定关于有效载荷的姿态信息。在一些情况下，当有效载荷或增稳单元经历线加速度时，从所测量的重力矢量中减去水平加速度。在一些情况下，基于变换矩阵和由所述一个或多个位置传感器测量的水平加速度来计算水平加速度。在一些情况下，变换矩阵基于所述一个或多个惯性传感器和所述一个或多个位置传感器之间通过联接到框架组件的一个或多个角位置传感器测量的相对移动。
在一些实施例中，可移动对象是UAV。可移动对象可以是空中载具、陆地载具、横穿水体的载具、移动电话、平板电脑、膝上型电脑、可穿戴装置或数码相机。在一些实施例中，可移动对象或活体不与增稳单元电通信。在一些实施例中，有效载荷包括成像装置。
在单独但又相关的方面，本发明提供了一种使用增稳单元来控制有效载荷的姿态的方法。该方法包括：借助于下列部件支撑有效载荷：框架组件，其包括能够相对于彼此移动的多个框架部件，其中，框架组件构造成支撑有效载荷；以及借助于附接到框架组件或有效载荷的一个或多个惯性传感器采集有效载荷关于多个转动轴的姿态信息；借助于可拆卸地附接到(1)框架组件的一个或多个框架部件或(2)有效载荷的一个或多个位置传感器来采集位置数据，其中，所述一个或多个位置传感器被配置为采集用于确定有效载荷的水平加速度的位置数据；以及借助于一个或多个致动器控制所述多个框架部件的移动，从而控制有效载荷的姿态，其中，所述一个或多个致动器基于经校正的姿态数据来控制有效载荷的姿态，其中，基于由所述一个或多个惯性传感器采集的姿态信息和有效载荷的水平加速度来计算经校正的姿态数据。
以引用的方式并入本文中的文献
本说明书中提及的全部出版物、专利和专利申请都以引用的方式并入本文中，直到如同每个单独的出版物、专利或专利申请都被明确地且单独地指出以引用的方式并入本文中的程度。
附图说明
在随附的权利要求中具体地阐述了本发明的新颖特征。通过参考以下详细描述和附图，将获得对本发明的特征和优点的更好的理解，该详细描述阐述了利用本发明的原理的说明性实施例，在附图中：
图1示出了根据一些实施例的用于使联接到可移动对象的有效载荷稳定的增稳单元的框图。
图2示出了在使用惯性传感器的姿态检测中引起的误差。
图3示出了用于使用经校正的加速度计数据和陀螺仪来获得有效载荷的姿态数据的示例性方案。
图4示出了根据许多实施例的用于使用传感器融合来估计有效载荷的姿态的方案。
图5示出了根据本发明的实施例的获得有效载荷的经校正的姿态数据的方案。
图6示出了根据一些实施例的用于控制有效载荷相对于一个或多个轴的移动或使有效载荷相对于一个或多个轴的移动稳定的系统的示例。
图7示出了根据本发明的实施例的用于使有效载荷稳定的装置的示例。
图8示出了根据本发明的实施例的模块化位置传感器，该模块化位置传感器构造成可拆卸地附接到框架组件的一部分。
图9示出了根据实施例的包括承载件和有效载荷的可移动对象。
图10是根据实施例的以框图的方式示出的用于控制可移动对象的系统的示意图。
具体实施方式
提供了用于控制承载件的系统、方法和设备，该承载件被配置为支撑有效载荷。在一些实施例中，可以使用控制有效载荷的姿态的承载件将有效载荷联接到可移动对象(例如，诸如UAV、人、载具)。承载件可以用作增稳单元，该增稳单元用于通过主动地实现有效载荷的移动来使有效载荷的姿态稳定。增稳单元可以被配置为使用传感数据作为反馈控制信号来主动地控制有效载荷的姿态，其中传感数据单独地或共同地提供有效载荷的具有提高的准确度的姿态数据。
在一个方面，提供了一种用于控制有效载荷的姿态的增稳单元。在实践中，增稳单元可以是承载件。在一些实施例中，增稳单元可以包括云台平台。承载件可以包括：框架组件，其包括可相对于彼此移动的多个框架部件，其中，框架组件构造成支撑有效载荷；基座支撑件，其构造成将框架组件联接到可移动对象或活体；以及一个或多个致动器，其构造成控制所述多个框架部件的移动以控制有效载荷的姿态。增稳单元还可以包括：一个或多个传感器，用于检测有效载荷的姿态数据；以及一个或多个处理器，其被配置为基于由所述一个或多个传感器提供的姿态数据来控制所述一个或多个致动器，以改变有效载荷的姿态。
在一些情况下，可以检测增稳单元相对于参照系(诸如地面参照系)的移动。检测到的移动结合检测到的关于有效载荷的姿态信息可以用于获得有效载荷的经校正的姿态。例如，增稳单元的横向位置或移动可能影响惯性传感器数据，导致检测到的姿态信息中的误差。可以收集关于这种移动的信息并用于校正有效载荷的姿态数据。
图1示出了根据一些实施例的用于使联接到可移动对象101的有效载荷109稳定的增稳单元111的框图。增稳单元可以包括框架组件105，该框架组件包括可相对于彼此移动的多个框架部件。增稳单元可以包括基座支撑件103，以将框架组件联接到可移动对象或活体。框架部件的一个或多个转动移动可以由控制器107控制的一个或多个致动器致动。在一些情况下，所有框架部件中的一些框架部件经历水平移动或平移移动。在一些情况下，水平移动或平移移动可以是加速的移动。在一些实施例中，控制器可以包括一个或多个处理器。在一些实施例中，控制器被配置为使用从多个传感器获得的姿态数据来控制有效载荷的姿态。所述多个传感器可以包括至少惯性传感器和位置传感器。在一些情况下，一个或多个惯性传感器113附接到框架组件或有效载荷，其被配置为检测有效载荷关于多个转动轴的姿态信息。一个或多个位置传感器115可以用于检测框架组件的水平加速度，其中水平加速度可以用于校正从惯性传感器获得的姿态信息。
可移动对象可以是活体，诸如人或动物，可移动对象可以是任何载具，诸如陆地载具或空中载具。可移动对象可以是空中载具、陆地载具、横穿水体的载具、移动电话、平板计算机、膝上型电脑、可穿戴式装置或数码相机。在一些情况下，可移动对象可以处于加速运动中，使得有效载荷和/或增稳单元可以经历相对于地面参照系的线加速度。
本文描述的系统、装置和方法可以应用于各种各样的对象。该对象可以是可移动对象。本文的任何描述也可以应用于静态对象，诸如三脚架。如前所述，本文对空中载具的任何描述可以应用于并用于任何可移动对象。本发明的可移动对象可以被配置为在任何合适的环境中移动，诸如在空气中(例如，固定翼飞行器、旋转翼飞行器、或既没有固定翼也没有旋转翼的飞行器)、在水中(例如，船舶或潜艇)、在地面上(例如，机动载具，诸如轿车、卡车、公共汽车、厢式货车、摩托车；可移动结构或框架，诸如棒状物、钓竿；或火车)、在地面下(例如，地铁)、在空间中(例如，太空飞机、卫星或探测器)、或这些环境的任何组合。可移动对象可以是载具，诸如本文其他地方所描述的载具。在一些实施例中，可移动对象可以安装在活体(诸如人或动物)上。合适的动物可以包括鸟类、犬科动物、猫科动物、马类、牛类、绵羊类、猪类、海豚类、啮齿动物或昆虫。可移动对象可以是活体，诸如可以承载增稳单元的人或动物。有机体可能正在使用有机自己的力量移动，或者可能正在乘坐载具。
可移动对象能够在环境内相对于六个自由度(例如，平移中的三个自由度和转动中的三个自由度)自由移动。例如，可移动对象可以沿任何方向(例如，竖直、水平或两者的组合)经历线加速度和/或相对于任何转动轴(例如，横滚、俯仰、偏航或轴中的任何轴的组合)而言具有转动移动。替代性地，可移动对象的移动可以相对于一个或多个自由度受约束，诸如通过预定的路径、轨道或取向。移动可以由任何合适的致动机构(诸如发动机或马达)致动。可移动对象的致动机构可以由任何合适的能量源(诸如电能、磁能、太阳能、风能、重力能、化学能、核能或它们的任何合适的组合)提供动力。如本文其他地方所述的，可移动对象可以通过推进系统自推进。推进系统可以可选地在能量源(诸如电能、磁能、太阳能、风能、重力能、化学能、核能或它们的任何合适的组合)上运行。替代性地，可移动对象可以由有机体承载。
在一些情况下，可移动对象可以是载具。合适的载具可以包括水域载具、空中载具、空间载具或地面载具。例如，空中载具可以是固定翼飞行器(例如，飞机、滑翔机)、旋转翼飞行器(例如，直升机、旋翼机)、兼有固定翼和旋转翼的飞行器、或者既没有固定翼也没有旋转翼的飞行器(例如，飞艇、热气球)。载具可以是自推进的，诸如通过空气、在水上或水中、在空间中、或者在地面上或地面下自推进。自推进式载具可以利用推进系统，诸如包括一个或多个发动机、马达、轮子、轴、磁体、转子、螺旋桨、叶片、喷嘴或它们的任何合适的组合的推进系统。在一些情况下，推进系统可以用于使可移动对象能够从表面起飞、降落在表面上、保持其当前位置和/或朝向(例如，悬停)、改变朝向和/或改变位置。
可移动对象可以由用户远程控制或由可移动对象内或可移动对象上的乘员在本地控制。在一些实施例中，可移动对象是无人可移动对象，诸如无人飞行器(UAV)。无人可移动对象(诸如UAV)可能没有机载在可移动对象上的乘员。可移动对象可以由人或自主控制系统(例如，计算机控制系统)或者它们的任何合适的组合控制。可移动对象可以是自主机器人或半自主机器人，诸如配置有人工智能的机器人。
如本文所述，增稳单元可以支撑和控制一个或多个有效载荷109/使一个或多个有效载荷109稳定。增稳单元能够支撑多种不同类型的有效载荷。有效载荷可以使用控制有效载荷的位置和姿态的增稳单元联接到可移动对象。在一些情况下，可以使用由主动机械控制系统控制的承载件来使有效载荷稳定。
在一些实施例中，由增稳单元承载的有效载荷可以包括一个或多个成像装置(包括但不限于摄像机或相机)和/或一个或多个非成像装置(包括但不限于到麦克风、样本采集器)。所述一个或多个有效载荷装置可以是相同类型的有效载荷装置或不同类型的有效载荷装置。
有效载荷装置的示例可以包括：采集数据的装置(例如，成像装置(用于可见光、红外线、紫外线(UV)、地热或任何其他类型的发射)；检测一个或多个粒子的装置；检测场(诸如磁场、电场、无线电场)的装置；辐射检测器；麦克风，如本文其他地方更详细描述的任何类型的传感器)；提供发射的装置(例如，光发射器、图像发射器、热发射器、无线电发射器、无线信号发射器、粒子发射器)；与环境相互作用的装置(例如，机械臂、样本采集器、液体分配器、农药或肥料喷淋器)；或任何其他类型的装置或它们的组合。有效载荷装置还可以包括用于勘测一个或多个目标的一个或多个传感器。可以将任何合适的传感器结合到有效载荷，诸如图像捕获装置(例如，相机)、音频捕获装置(例如，抛物面麦克风)、红外成像装置或紫外(UV)成像装置中。传感器可以提供静态感测数据(例如，相片)或动态感测数据(例如，视频)。在一些实施例中，传感器为有效载荷装置的目标提供感测数据。替代性地或组合地，有效载荷装置可以包括用于向一个或多个目标提供信号的一个或多个发射器。可以使用任何合适的发射器，诸如照明源或声源。在一些实施例中，有效载荷装置可以包括一个或多个收发器，诸如用于远离可移动对象的模块通信。可选地，有效载荷装置可以被配置为与环境或目标相互作用。例如，有效载荷装置可以包括能够操纵对象(诸如机械臂)的工具、仪器或机构。
在一些实施例中，有效载荷装置可以包括成像装置，该成像装置被配置为获取和/或传输对象在成像装置的视场内的一个或多个图像。成像装置的示例可以包括相机、摄像机、具有相机的智能电话/手机、或具有捕获光学信号的能力的任何装置。非成像装置可以包括诸如用于收集或分配声音、粒子、液体等的任何其他装置。非成像装置的示例可以包括麦克风、扬声器、粒子或辐射检测器、消防软管等。
可选地，有效载荷装置可以涉及视场。当可以准确地控制视场时，可以改进有效载荷装置的操作。在一些情况下，可以控制有效载荷装置以使其主动稳定，从而使得可以消除抖动和/或不期望的移动。在一些情况下，有效载荷装置可以由用户控制以具有期望的取向或视线。在一些情况下，可以控制有效载荷装置以用于自动跟踪目标。
有效载荷装置可以由增稳单元支撑。可以为有效载荷装置提供增稳单元，并且有效载荷装置可以通过增稳单元直接地(例如，直接接触可移动对象)或间接地(例如，不接触可移动对象)联接到可移动对象。在一些实施例中，有效载荷装置可以与增稳单元一体地形成。替代性地，有效载荷装置可以可释放地联接到增稳单元。在一些情况下，可以由活体保持或释放承载件。在一些实施例中，有效载荷装置可以包括一个或多个有效载荷元件，并且有效载荷元件中的一个或多个有效载荷元件可相对于可移动对象和/或增稳单元移动。
增稳单元可以向有效载荷装置提供支撑(例如，承载有效载荷装置的至少一部分重量)。增稳单元可以包括能够使有效载荷装置的移动稳定和/或指导有效载荷装置的移动的合适的安装结构(例如，增稳云台平台)。在一些实施例中，增稳单元可以被配置为控制有效载荷装置相对于可移动对象的状态(例如，位置和/或取向)。例如，增稳单元可以被配置为相对于可移动对象移动(例如，相对于一个平移度、两个平移度或三个平移度和/或一个转动度、两个转动度或三个转动度)，使得无论可移动对象的移动如何，有效载荷装置都保持其相对于合适的参照系的位置和/或取向。参照系可以是固定的参照系(例如，周围环境)。替代性地，参照系可以是移动参照系(例如，可移动对象或有效载荷目标物体)。
框架组件可以包括一个或多个框架部件和彼此联接的有效载荷支撑结构。框架部件可以是可以用于将有效载荷支撑结构连接到可移动对象的任何框架构件、连接构件、安装臂、连接臂、扭转臂、细长臂、支撑框架等。在其他情况下，框架构件可以具有任何形状因子，诸如球形马达的球形转子。承载件组件可以构造成将有效载荷支撑结构和/或有效载荷连接到可移动对象，例如如图1所示。
在一些实施例中，增稳单元可以构造成允许有效载荷装置相对于增稳单元和/或可移动对象的移动。移动可以是关于多达三个自由度的平移(例如，沿着一个轴、两个轴或三个轴)或关于多达三个自由度的转动(例如，关于一个轴、两个轴或三个轴))或它们的任何合适的组合。有效载荷的移动可以是稳定的移动，而没有由可移动对象或任何外部干扰引起的不期望的振动/抖动或移动。有效载荷的移动可以是相对于固定参照系的受控移动，诸如相对于地面参照系的目标的自动跟踪。
可以提供增稳单元(诸如相机架座或云台架座)用于支撑一个或多个有效载荷装置和使一个或多个有效载荷装置稳定。增稳单元可以包括承载件，该承载件包括构造成保持有效载荷装置、马达组件、控制器组件和/或基座支撑件的框架组件。
增稳单元可以包括控制器组件，该控制器组件包括感测系统和控制器107。在一些情况下，感测系统可以被配置为检测或获得与有效载荷装置相关联的状态信息。状态信息可以包括有效载荷装置所经历的速度、取向、姿态、重力、加速度、位置和/或任何其他物理状态。例如，状态信息可以包括角位置和/或线性位置、速度和/或加速度(其可以包括有效载荷装置的取向或倾斜度)。
在一些实施例中，感测系统可以包括多个传感器113、115。在一些情况下，所述多个传感器可以包括一个或多个惯性传感器113和一个或多个位置传感器115。在一些情况下，从位置传感器采集的传感数据可以用于校正由惯性传感器测量的姿态数据，以实现姿态测量的提高的准确度。所述多个传感器可以包括至少惯性测量构件，该惯性测量构件包括一个或多个陀螺仪、速度传感器、加速度计、磁力计和一个或多个位置传感器。惯性传感器可以用于获得指示有效载荷的空间布局(例如，位置、取向、角度)和/或运动特性(例如，平移(线性)速度、角速度、平移(线性)加速度、角加速度)的数据。本文中可以使用惯性传感器来指代运动传感器(例如，速度传感器、加速度传感器，诸如加速度计)、取向传感器(例如，陀螺仪、倾斜仪)或具有一个或多个集成的运动传感器和/或一个或多个集成的取向传感器的IMU。惯性传感器可以提供相对于单个运动轴的感测数据。运动轴可以与惯性传感器的轴(例如，纵轴)对应。可以使用多个惯性传感器，其中每个惯性传感器提供沿不同的运动轴的测量。例如，可以使用三个角加速度计来提供沿三个不同的运动轴的角加速度数据。所述三个运动方向可以是正交轴。角加速度计中的一个或多个可以被配置为测量环绕转动轴的加速度。作为另一个示例，可以使用三个陀螺仪来提供关于三个不同转动轴的取向数据。所述三个转动轴可以是正交轴(例如，滚转轴、俯仰轴、偏航轴)。替代性地，惯性传感器中的至少一些或全部惯性传感器可以提供相对于相同运动轴的测量。例如，可以实施这种冗余以提高测量准确度。可选地，单个惯性传感器能够提供相对于多个轴的感测数据。例如，包括多个加速度计和陀螺仪的IMU可以用于产生关于多达六个运动轴的加速度数据和取向数据。在一些实施例中，一个或多个惯性传感器113可以定位到框架组件或有效载荷。
在一些实施例中，可以通过从所述一个或多个位置传感器采集的数据来校正由IMU采集的姿态数据。所述一个或多个位置传感器可以包括能够测量增稳单元或有效载荷相对于参照系(诸如地面参照系)的位置的各种合适的传感器。相对于地面参照系的位置可以沿任何方向，诸如在水平平面中或在竖直方向上。位置传感器例如可以包括全球定位系统(GPS)、视觉传感器、近距离传感器等。可以诸如使用GPS从直接传感数据获得位置。可以通过诸如使用近距离传感器来测量相对于参考对象的距离来获得位置。可以通过诸如使用视觉传感器来分析参考对象的图像数据来重建传感器的世界坐标来获得位置。在一些情况下，从位置传感器采集的传感数据可以用于获得沿相关方向的线加速度。在一些情况下，可以通过一个或多个处理传感数据的步骤来获得线加速度。例如，当使用GPS收集位置数据时，可以通过在一段时间内获取检测到的位置或线速度的导数来获得线加速度。
一个或多个位置传感器115可以定位在增稳单元上。所述一个或多个位置传感器例如可以定位在框架部件上或框架组件的任何结构上。所述一个或多个位置传感器可以定位在增稳单元上与所述一个或多个惯性传感器不同的位置处。可选地，一个或多个位置传感器115可以与惯性传感器定位在一起。在一些实施例中，所述一个或多个位置传感器可以定位在惯性传感器附接的相同框架部件上。在一些情况下，位置传感器可以定位在与惯性传感器不同的框架部件上，使得惯性传感器可以相对于位置传感器具有转动移动。在一些情况下，转动移动可以是关于滚转轴和/或俯仰轴而言的。相对的转动移动可能不会导致惯性传感器和位置传感器之间的水平线速度的显著差异。在一些情况下，可以基于由位置传感器测量的线加速度使用变换矩阵来得出所述一个或多个惯性传感器的线加速度。可以基于惯性传感器和位置传感器之间的已知几何学关系或运动学关系(例如，框架部件的长度、接合角等)来获得变换矩阵。将在随后描述关于所述多个传感器的细节。
控制器组件还可以包括用于基于由感测系统获得的状态信息来计算与有效载荷装置相关联的姿势信息的控制器107。例如，检测到的有效载荷装置的角速度和/或线加速度可以用于计算有效载荷装置关于有效载荷装置的俯仰轴、滚转轴和/或偏航轴的姿态。控制器可以被配置为获得附加信息，诸如关于增稳单元或有效载荷的横向移动的信息。控制器可以被配置为计算增稳单元的线加速度。线加速度可以在水平平面或横向平面中。在一些情况下，横向加速度或水平加速度可以用于对检测到的有效载荷装置的姿态数据进行校正。
基于所计算的有效载荷装置的姿势，可以生成一个或多个马达信号以控制马达组件。马达组件可以被配置为直接驱动框架组件绕有效载荷装置的俯仰轴、滚转轴或偏航轴中的至少一者转动，以便调整有效载荷装置的姿势(例如，成像装置的拍摄角度)。在一些实施例中，马达组件可以包括一个或多个致动器，所述一个或多个致动器被配置为致动框架组件的一个或多个部件绕一个或多个转动轴移动。一个或多个致动器可以包括一个或多个马达。可以使用各种马达，诸如步进马达、无刷DC马达、有刷DC马达、DC伺服马达等。在一些实施例中，转动轴(例如，俯仰、滚转和偏航)中的一个或多个可以与有效载荷装置相交。
在一些实施例中，框架组件可以包括多个框架部件，选择有效载荷装置的转动顺序以允许在用于有效载荷装置的普通操作环境下(诸如当笔直向下指时)转动有效载荷装置，而没有“云台锁定”的问题。例如，在一个实施例中，转动顺序可以是从最内转动轴到最外转动轴的俯仰、滚转和偏航。在另一个实施例中，转动顺序可以是从最外转动轴到最内转动轴的俯仰、滚转和偏航。可以考虑有效载荷装置的任何转动顺序(例如，从最外转动轴到最内转动轴或从最内转动轴到最外转动轴的俯仰/偏航/滚转、滚转/俯仰/偏航、滚转/偏航/俯仰、偏航/滚转/俯仰或偏航/俯仰/滚转)。在一些实施例中，框架组件可以包括球形致动器，在这种情况下，球形致动器可以使有效载荷支撑件绕多达三个转动轴移动。
在一些实施例中，控制承载件可以包括部分地基于反馈信号实现承载件的移动。反馈信号可以包含关于有效载荷的姿势数据。在一些实施例中，承载件的移动可以包括承载件关于一个或多个轴的角位置、角速度和/或角加速度。
承载件框架组件可以包括单独的承载件框架部件，其中一些承载件框架部件可以相对于彼此可移动。承载件致动组件可以包括一个或多个致动器(例如，马达)，所述一个或多个致动器致动单独的承载件框架部件的移动。致动器可以允许同时移动多个承载件框架部件，或者可以被配置为允许一次移动单个承载件框架部件。承载件框架部件的移动可以产生有效载荷的对应移动。例如，承载件致动组件可以致动一个或多个承载件框架部件绕一个或多个转动轴(例如，滚转轴、俯仰轴或偏航轴)的转动。所述一个或多个承载件框架部件的转动可以使有效载荷相对于可移动对象绕一个或多个转动轴转动。替代性地或组合地，承载件致动组件可以沿着一个或多个平移轴致动一个或多个承载件框架部件的平移，从而产生有效载荷相对于可移动对象沿着一个或多个对应轴的平移。
承载件可以与可移动对象一体地形成。替代性地，承载件可以可释放地联接到可移动对象。承载件可以直接或间接地联接到可移动对象。承载件可以为有效载荷提供支撑(例如，承载有效载荷的至少一部分重量)。承载件可以是能够使有效载荷的移动稳定和/或指导有效载荷的移动的合适的安装结构(例如，云台平台)。在一些实施例中，承载件可以适于控制有效载荷相对于可移动对象的状态(例如，位置和/或取向)。承载件可以可转动地联接到可移动对象(例如，通过可转动的接头或连接件)，以便相对于可移动对象绕一个或多个转动轴转动。例如，承载件可以构造成相对于可移动对象(例如，相对于一个平移度、两个平移度或三个平移度和/或一个转动度、两个转动度或三个转动度)移动，使得无论可移动对象的移动如何，有效载荷保持其相对于合适的参照系的位置和/或取向。参照系可以是固定的参照系(例如，周围环境)。替代性地，参照系可以是移动参照系(例如，可移动对象、有效载荷目标)。例如，移动参照系可以用于指定相对于有效载荷目标的移动以进行自主跟踪。
在一些实施例中，如前所述，增稳单元可以包括基座支撑件103，以将框架组件联接到可移动对象或活体。基座支撑件可以定位在选自以下对象中的至少一个上或由选自以下对象中的至少一个承载：可移动对象、固定物体或活体。在一些情况下，可移动对象可以包括空中载具、陆基载具或手持架座。
在一些实施例中，基座支撑件可以包括手持支撑件，该手持支撑件构造成允许增稳单元由可移动对象承载。例如，手持支撑件可以允许人类承载增稳系统。手持支撑件可以包括用于人类抓握或握持的任何形状或结构。该结构可以是符合人体工程学的。手持支撑件可以包括单个手柄或多个手柄。手持支撑件可以允许人类从相对于有效载荷的各种位置(诸如有效载荷的上方、下方或后面)承载或握持增稳单元。握持手持支撑件的人类可能处于运动中或者可能没有处于运动中。在另一个示例中，手持支撑件可以允许增稳单元由机动化载具或非机动化载具(诸如自行车)承载。载具可以处于具有宽范围加速度率的运动中。在一些情况下，手持支撑件可以不包括将增稳单元附接到可移动对象的联接装置。在一些情况下，手持支撑件可以包括联接装置，而不需要用于将增稳单元附接到可移动对象的工具。当增稳单元通过手持支撑件由可移动对象承载时，手持支撑件和可移动对象之间可能存在或可能不存在相对移动。
在一些实施例中，基座支撑件可以包括安装组件。安装组件可以使得增稳单元能够联接到具有用于接收安装组件的互补部分的载具。在一些情况下，通过安装组件进行的联接可能不需要使用工具。在一些情况下，一旦联接，则安装组件可以相对于所联接的可移动对象固定。在其他情况下，可以允许安装组件相对于所联接的可移动对象移动，诸如绕偏航轴转动。
如前所述，可移动对象能够相对于六个自由度(例如，三个平移自由度和三个转动自由度)在环境内自由移动。在一些情况下，运动可以沿地表面具有线加速度。例如，可移动对象的水平位置可以相对于时间而改变。可移动对象的加速运动可能导致有效载荷的不期望的移动。在一些情况下，当可移动对象具有水平加速率时，由可移动对象承载的有效载荷也经受加速移动。在这种情况下，可能在由惯性传感器采集的关于有效载荷的姿态数据中引起误差。这种姿态误差可能导致有效载荷具有错误的姿态，例如不期望的倾斜。所提供的方法和增稳单元能够校正该误差，从而提供了有效载荷的改进的稳定性和姿态控制。
图2示出了在使用惯性传感器的姿态检测中引起的误差。在一些实施例中，用于检测有效载荷的姿态角的惯性传感器是加速度计。在一些情况下，加速度计是三轴加速度计。加速度计可以安装在有效载荷上或附接到有效载荷的任何部分。加速度计可以附接到框架组件的一部分。在一些情况下，加速度计具有与有效载荷相同的转动移动。加速度计对线加速度和本地重力场都很敏感。
在一些情况下，可以通过下述步骤来确定关于有效载荷的姿态信息：(a)测量重力矢量g，并且重力矢量由有效载荷的水平加速度aH进行校正；以及(b)将由所述一个或多个惯性传感器测量的传感器数据与(a)进行融合。
加速度计能够测量传感器在地球重力场中的取向。相对于地球/世界重力场的取向角可以通过从地面参照系到加速度计传感器本体坐标系的转动矩阵获得。测量可以基于对传感器的本体坐标系中的加速度矢量与重力矢量之间的差异的测量。在一些情况下，加速度计的读出数据a可以基于传感器在经历重力加速度g的假设。因此，将重力加速度从加速度计所经历的总的线加速度分解是至关重要的。
如图2所示，参照系XYZ可以表示地面参照系。例如，轴Z 201-3可以与地球重力场对齐，并且轴X 201-1和轴Y 201-2可以限定水平面。在一些情况下，轴Z 201-3可以表示转动轴，诸如偏航轴，轴X和轴Y可以分别表示滚转轴和俯仰轴。
坐标系xyz(201-1、201-2、201-3)可以表示加速度计的本体坐标系。可以引入地面参照系XYZ和本体坐标系xyz之间的转动矩阵R来描述加速度计相对于地面参照系的取向。在情况A中，当加速度计在由世界坐标系定义的水平面中不具有加速度矢量分量时，由加速度计测量的加速度矢量是重力矢量g或与重力矢量方向对齐的加速度。在这种情况下，加速度计的读出可以通过表示，其中，可以以任何合适的单位测量该读出，例如当单位为g时，g可以在右手侧标准化为1。Gx、Gy和Gz表示xyz本体坐标系中的读出。在一些情况下，可以不使用绕偏航轴的转动角。
可以将转动矩阵R分解并且可以获得关于滚转轴和俯仰轴(例如，201-1和201-2)的转动角。在情况B中，当加速度计具有线加速度分量，诸如与重力方向(例如，201-3)不对齐的aH 205时，可以通过下列等式表示加速度计的读出：
其中ax、ay和az表示加速度计的线加速度，ax和ay分别是水平加速度aH 205在X201-1和Y轴201-2方向上的分量，a′x、a′y和a′z表示由一个或多个传感器(例如GPS)测量的线加速度。ag 207表示重力场方向上的分量，R表示从地面参照系到加速度计本体坐标系的转动矩阵。T表示从由一个或多个传感器测量的线加速度到加速度计的加速度的变换矩阵。T可以取决于传感器(例如GPS)和加速度计之间的一个或多个相对转动移动和尺寸信息(例如，坐标系长度)。在一些情况下，可以从附接到框架部件的一个或多个转动传感器获得相对转动移动。尺寸信息可以是预先确定的并且是系统已知的。请注意上面的等式是为了说明的目的，等式的形式可能取决于参照系、测量单位等的表示而有所不同。
在情况B中，如果我们不考虑线加速度，则可能引起误差。在一些情况下，可以由水平加速度估计线加速度。需要水平加速度来消除水平力的影响。水平加速度可以用作重力的校正项。在一些情况下，加速度计的读出可以以g为单位，将重力加速度从水平加速度分解是至关重要的。在一些情况下，在计算姿态角之前，可以从加速度计的输出数据中减去水平加速度。为了将关于滚转轴和俯仰轴(例如，201-1和201-2)的正确转动角从转动矩阵R分解，需要水平加速度aH 205(即，ax和ay)。来自加速度计(Gx、Gy、Gz)的读出在利用加速度本体坐标系和惯性坐标系之间的转动矩阵R用于计算关于滚转轴和俯仰轴的转动角度之前，可以用于计算水平加速度aH。所述一个或多个位置传感器可以相对于所述一个或多个加速度计移动或不移动。
在一些实施例中，通过测量水平位置和/或速度来获得水平加速度。可以通过一个或多个位置传感器获得水平加速度。在一些情况下，位置传感器可以是全球定位系统(GPS)。可以采用各种技术来提高GPS测量(诸如实时动态定位(RTK))的准确度。可以通过GPS测量有效载荷的水平移动。由GPS检测的水平移动至少可以包括水平面中的线速度或有效载荷在水平面中的位置。可以进一步处理由GPS测量的数据以获得水平加速度。例如，x方向和y方向上速度的一阶导数或位置的二阶导数可以提供x方向和y方向(即，ax和ay)上的加速度aH 205。在这种情况下，应该更新变换矩阵T以表示所测量的水平加速度的参照系与加速度计的参照系之间的相对移动。
其他合适的位置传感器也可以用于获得水平面中的加速度。也可以使用任何合适的传感器来获得水平加速度。例如，运动传感器(诸如IMU)或视觉传感器(诸如双目视觉传感器或单目视觉里程计)也可以用于获得水平加速度。位置传感器可能需要或不需要与外部物体(如卫星)通信。在一些情况下，可以基于诸如使用GPS在一段时间内捕获的位置数据来计算水平加速度。在一些情况下，可以诸如使用加速度计直接从传感器获得水平加速度。在一些情况下，一个或多个传感器可以包括能够测量有效载荷的水平线速度、位置或线加速度的任何合适的传感器。例如，代替GPS，可以使用运动传感器(诸如IMU)或视觉传感器(诸如双目视觉传感器或单目视觉里程计(MVO))来获得水平加速度。可选地，可以共同地使用两个或更多个传感器来产生水平加速度。例如，可以使用GPS数据和视觉传感器数据或IMU数据的融合来产生水平加速度。在另一个实例中，可以使用多于一个的GPS单元来测量水平速度。在一些情况下，被配置为检测有效载荷的水平移动(例如，位置、速度)的传感器中的至少一部分被封闭在壳体中，而传感器中的其余部分可以位于不同的位置处。例如，当两个GPS用于产生时，GPS中的一个可以被封闭在壳体中，而另一个GPS可以被设置在有效载荷上或可移动对象/活体上。在一些情况下，当两种或两种以上的不同类型的传感器被配置为提供水平加速度时，可以在融合传感器数据以计算水平加速度之前交叉检查传感器数据的有效性或质量。
在一些实施例中，当使用位置传感器(诸如GPS)来测量水平加速度时，可能需要变换矩阵T将线性水平加速度变换为加速度计在加速度计本体坐标系中的加速度。GPS可以相对于加速度计移动或不移动。位置传感器(例如，GPS)和惯性传感器可以具有或不具有不同的水平加速度。在一些情况下，位置传感器和惯性传感器可以具有不同的水平加速度，在这种情况下可以使用变换矩阵。T表示从由GPS测量的线加速度到加速度计的加速度的变换矩阵。T可以取决于GPS和加速度计之间的一个或多个相对转动移动和尺寸信息(例如，坐标系长度)。在一些情况下，可以从附接到框架部件的一个或多个转动传感器获得相对转动移动。尺寸信息可以是预先确定的并且是系统已知的。在一些情况下，可以使用一个或多个转动传感器来检测角位置。所述一个或多个转动传感器可以包括磁场传感器或光学编码器。例如，转动传感器诸如编码器可以用于检测框架组件中框架部件相对于彼此的相对角位置，并且转动关系连同尺寸信息可以用于得出变换矩阵。各种其他传感器(诸如陀螺仪或IMU)也可以用于获得变换矩阵。
在一些实施例中，位置传感器(例如GPS)和惯性传感器(例如，加速度计)可以具有基本相同的平移加速度，在这种情况下，变换矩阵可以表示从初始参照系(例如，地面参照系)到惯性传感器/有效载荷的当前取向的转动。在一些情况下，可以基于联接到框架组件的一个或多个角位置传感器或角运动传感器来估计矩阵。角位置传感器至少可以包括磁场传感器或光学编码器。角位置传感器或角运动传感器可以是与先前所描述的相同的转动传感器。
在一些情况下，可以通过下列步骤来确定关于有效载荷的姿态信息：(a)测量重力矢量，并且重力矢量由有效载荷的水平加速度进行校正；以及(b)将由所述一个或多个惯性传感器测量的传感器数据与(a)进行融合。
基于加速度计和GPS的经校正的角位移可以进一步与其他惯性传感器进行融合，以获得有效载荷的经校正的姿态数据。图3示出了用于使用经校正的加速度计数据和陀螺仪来获得有效载荷的姿态数据的示例性方案。被配置为测量有效载荷的姿态的多个传感器可以位于增稳单元上。用于支撑有效载荷的增稳单元可以与图1所描述的相同。在一些实施例中，可以通过一个或多个加速度计307来测量有效载荷的姿态信息。可以基于有效载荷的水平加速度来校正该姿态信息。在一些情况下，姿态信息可以包括至少俯仰角位移和/或滚转角位移。可以使用一个或多个位置传感器303来获得水平加速度。应当注意，GPS的任何描述可以应用于用于测量有效载荷的位置的任何类型的位置传感器或传感器，并且加速度计的任何描述可以应用于基于重力加速度方向测量姿态的任何类型的传感器。
加速度计307可以定位到有效载荷。加速度计可以定位到增稳单元的有效载荷支撑件。加速度计可以定位在任何部件或部分上，只要该部件具有与有效载荷相同的姿态即可。在一些情况下，加速度计可能是IMU的一部分。加速度计可以与先前在图2中所描述的相同。可以通过加速度计检测它们关于有效载荷的姿态信息。姿态信息可以包括相对于地面参照系而言关于滚转轴的角位移。姿态信息可以包括关于俯仰轴或滚转轴和俯仰轴两者的角位移。可以通过补偿水平加速度来校正角位移。如前所述，可以使用各种传感器来获得水平加速度。在一些情况下，可以通过一个或多个位置传感器来获得水平加速度。
位置传感器303例如可以是GPS。GPS可以用于测量增稳单元的有效载荷相对于地面参照系的位置。可以采用各种技术来提高GPS测量(诸如实时动态定位(RTK))的准确度。可以从由GPS检测到的位置或线速度得出水平加速度。GPS可以定位在增稳单元上。GPS例如可以定位在增稳单元的框架部分上。GPS可以定位在增稳单元的任何部分上，只要GPS可以检测到有效载荷的水平位置。在一些实施例中，GPS可以定位在框架组件或有效载荷上。在一些实施例中，GPS可以与惯性传感器定位在一起。在一些实施例中，GPS可以定位在惯性传感器附接的相同框架部件上或相同的有效载荷上。替代性地，GPS可以定位在与惯性传感器不同的框架部件上。惯性传感器可以相对于GPS具有转动移动。在一些情况下，转动移动可以是关于滚转轴和/或俯仰轴而言的。相对的转动移动可能不会导致惯性传感器和GPS之间的显著水平速度差异。在一些情况下，可以基于由GPS测量的线加速度使用变换矩阵来得出所述一个或多个惯性传感器的线加速度。可以使用变换矩阵来将由GPS获得的水平加速度转换为加速度计的加速度。可以基于所述一个或多个惯性传感器与GPS之间的已知几何学或运动学关系(例如，框架部件的长度、接合角等)以及惯性传感器与GPS之间的相对转动关系来获得变换矩阵。
可以使用被配置为测量惯性传感器与GPS之间的转动关系的一个或多个传感器来获得变换矩阵。在一些情况下，可以从附接到框架部件的一个或多个转动传感器获得相对转动关系。在一些情况下，可以使用一个或多个转动传感器来检测转动位置。例如，可以使用转动传感器(诸如编码器)来检测框架组件中框架部件相对于彼此的相对角位置，并且转动关系连同尺寸信息可以用于得出变换矩阵。
在一些实施例中，位置传感器(诸如GPS)和惯性传感器(诸如加速度计)可以具有基本相同的平移加速度，在这种情况下，变换矩阵可以表示从初始参照系(例如，地面参照系)到惯性传感器/有效载荷的当前取向的转动。在一些情况下，可以基于联接到框架组件的一个或多个角位置传感器或角运动传感器305来估计矩阵。角位置传感器或角运动传感器可以包括至少磁场传感器或光学编码器。角位置传感器可以是与先前所描述的转动传感器相同的传感器。角位置传感器例如可以是可以测量相对于初始位置的转动位置的编码器(例如，增量编码器)。在一些情况下，当初始位置与地面参照系对齐时，角位置传感器能够跟踪有效载荷相对于地面参照系的取向。
所述一个或多个位置传感器(例如GPS)和所述一个或多个加速度计可以具有或不具有相同的采样频率。在一些情况下，与加速度计相比，位置传感器可以具有更低的采样频率。在一些实施例中，由加速度计采集的姿态信息同时由GPS数据校正。可以以各种频率校正由加速度计采集的姿态信息。频率可以取决于或不取决于GPS的采样频率。校正率可以是恒定的或不是恒定的。例如，当检测到有效载荷处于高动态移动中时，校正频率可能很高。
在一些实施例中，姿态分析器311可以被配置为计算经校正的姿态数据。可以基于由一个或多个惯性传感器采集的姿态信息和有效载荷的水平加速度来计算经校正的姿态数据。在一些情况下，所述一个或多个惯性传感器可以包括至少陀螺仪和加速度计。由加速度计采集的姿态信息可以在与由陀螺仪309采集的姿态信息进行融合以获得有效载荷的姿态数据之前由所述一个或多个位置传感器进行校正。在某些情况下，陀螺仪和加速度计是IMU的部件。
可以使用任何合适的方法将来自加速度计307和位置传感器的经校正的姿态信息与由陀螺仪309采集的姿态信息进行融合。能够测量有效载荷的姿态信息或取向信息的其他传感器也可以与加速度计结合使用，以提供有效载荷的姿态数据。在一些情况下，也可以使用附加传感器(诸如磁力计)来获得有效载荷的姿态数据。关于有效载荷的姿态数据可以包括有效载荷关于多达三个转动轴的转动角度。可以使用各种方法来得出有效载荷的姿态数据，诸如卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器、互补滤波器和各种其他传感器融合算法。在一些实施例中，上述滤波器中的至少一个用于计算姿态数据。在一些情况下，当使用卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器时，来自加速度计的经校正的姿态信息可以用于确定由陀螺仪提供的估计姿态角。在一些情况下，当使用互补滤波器时，来自加速度计的经校正的姿态信息、来自陀螺仪和磁力计的姿态信息可以被加权以得出有效载荷的姿态数据。在一些情况下，每种类型的传感器数据可以在被融合以获得有效载荷的姿态数据之前由一个或多个滤波器单独地预处理。
图4示出了根据许多实施例的用于使用传感器融合来估计有效载荷的姿态的方案400。该方案可以采用扩展卡尔曼滤波器416作为传感器融合算法。可以使用多个传感器数据来获得有效载荷的姿态数据。在一些情况下，姿态数据可以包括关于一个轴、两个轴或三个轴(例如，滚转轴、俯仰轴、偏航轴)的姿态角418。各种传感器数据类型可以以任何组合和任何顺序进行融合。可以使用两种或更多种类型的传感器数据来获得相同的姿态数据。例如，具有高采样频率(例如，IMU)的传感器数据可以用于预测系统的状态和协方差，并且仅当低采样频率数据(例如，GPS)可用且稳定时才可以更新系统状态。在另一个示例中，可以使用陀螺仪测量来在预测步骤期间计算姿态估计，并且一旦计算出卡尔曼增益，就结合经校正的加速度计数据来帮助陀螺仪测量，两个值都乘以卡尔曼增益，以根据它们的噪声特性使用每个测量的百分比。用于获得每个转动角的传感器数据可以相同或不相同。在一些情况下，相同类型的传感器数据用于绕每个转动轴的转动角度。在一些情况下，用于滚转轴和俯仰轴的传感器数据对于偏航轴可能不相同。方案400利用一个或多个惯性传感器，所述一个或多个惯性传感器包括：一个或多个陀螺仪402、一个或多个加速度计404、GPS 414、转动传感器(角位置传感器/角运动传感器)(例如编码器)412、以及磁力计406。惯性传感器402和磁力计406可以用于提供对有效载荷偏航角408、410的相应绝对估计。惯性传感器(例如，加速度计)404、位置传感器(例如，GPS)414和转动传感器(例如，编码器)412可以提供滚转角估计和俯仰角估计，并与来自陀螺仪的滚转角数据和俯仰角数据进行融合。可以结合任何附加传感器来计算姿态角，诸如相对取向传感器。相对取向传感器可以包括视觉传感器、激光雷达、超声波传感器、以及飞行时间或深度相机。可以分析相对取向传感器数据，以便提供对偏航率和相对偏航角的估计。尽管该方案仅示出一个扩展卡尔曼滤波器，但是可以使用任何数量的滤波器来获得最终的姿态角。不同类型的测量数据的组合可以改进最终结果418的准确度。例如，在由加速度计提供的数据被破坏的情况下(例如，由于有效载荷的加速移动)，使用来自GPS 414和编码器412的数据可以减小加速度计误差影响最终结果的程度。
图5示出了根据本发明的实施例的获得有效载荷的经校正的姿态数据的方案。该方案可以用于获得姿态数据，该姿态数据包括相对于多达三个轴(滚转轴、俯仰轴和偏航轴)的转动角度。可以实时地获得具有改进的准确度的姿态数据。在该方案中，可以从一个或多个位置传感器获得相对于地面参照系的水平加速度510。所述一个或多个位置传感器可以包括GPS。可选地，可以通过各种其他传感器(诸如惯性传感器)获得水平加速度。水平加速度可以用于校正从一个或多个加速度计测量的数据520。在一些情况下，可以从由加速度计测量的加速度中消除水平加速度，以获得重力加速度。在一些情况下，可以使用变换矩阵从由位置传感器测量的加速度来计算加速度计的水平加速度。可以使用一个或多个角位置传感器或角运动传感器(诸如磁场传感器或光学编码器)来获得变换矩阵。所述一个或多个角位置传感器或角运动传感器可以联接到增稳单元的一个或多个致动器，所述一个或多个致动器记录增稳单元的框架部件的转动移动。一旦校正了加速度计数据，就可以基于重力矢量来计算关于有效载荷的姿态信息。姿态信息可以包括关于滚转轴和/或俯仰轴的转动角度530。姿态信息可以进一步与来自其他传感器(诸如陀螺仪、磁力计)的姿态信息进行融合，以获得有效载荷的姿态数据540。如前所述，可以使用任何合适的算法来基于各种传感器数据计算姿态数据。
在一些实施例中，经校正的姿态数据可以用于控制由增稳单元支撑的有效载荷的姿态。一个或多个致动器可以被配置为实现多个框架部件的移动以控制有效载荷的姿态。在一些实施例中，增稳单元可以包括用于控制所述一个或多个致动器以基于经校正的姿态数据来改变有效载荷的姿态的一个或多个处理器。所述一个或多个处理器可以单独地或共同地被配置为基于目标角确定从所述一个或多个致动器提供给增稳单元的所述一个或多个框架部件的输入扭矩。在一些情况下，可以使用反馈控制回路来确定输入扭矩。
图6示出了根据一些实施例的用于控制有效载荷相对于一个或多个轴的转动移动或使有效载荷相对于一个或多个轴的转动移动稳定的系统600的示例。系统600可以包括控制器601、一个或多个致动器603、承载件605、一个或多个传感器609和611、以及有效载荷607。在一些实施例中，承载件605可以是三轴云台平台。替代性地，承载件可以是单轴云台平台或双轴云台平台。承载件可以包括一个或多个框架部件。
在一些实施例中，控制承载件可以包括部分地基于检测到的有效载荷的姿态数据来实现所述一个或多个框架部件的移动。在一些实施例中，承载件的移动可以包括承载件的角位置、角速度、和/或角加速度。在一些实施例中，相对于惯性参照系(诸如地面)实现承载件的移动。例如，有效载荷可以由承载件相对于地面稳定或平衡。
如上文和本文中所述，承载件605可以用于控制联接的有效载荷的空间布局。例如，承载件可以用于使有效载荷转动到期望的空间布局。期望的空间布局可以由用户手动输入(例如，通过远程终端或与可移动对象、承载件和/或有效载荷通信的其他外部设备)、自主确定而无需用户输入(例如，通过可移动对象、承载件和/或有效载荷的一个或多个处理器)或者借助于可移动对象、承载件和/或有效载荷的一个或多个处理器半自主地确定。期望的空间布局可以用于计算将实现有效载荷的期望的空间布局的承载件或其一个或多个部件(例如，一个或多个框架)的移动。
例如，在一些实施例中，(例如，可移动对象、承载件和/或有效载荷的)控制器接收与有效载荷的期望姿态相关联的输入角602(例如，用于使有效载荷平衡的滚转角)。输入角可以由用户提供或自主提供，诸如如先前所描述的相对于固定参照系的增稳角。基于输入角，控制器可以包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器可以确定待施加到承载件或其一个或多个部件(例如，偏航框架)的输出扭矩，以便实现期望的姿态。可以以各种方式(诸如使用控制器601)确定输出扭矩。在一些实施例中，可以使用反馈控制回路来控制承载件的移动。反馈控制回路可以将输入角作为输入，并输出输出扭矩作为输出。可以使用比例(P)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分(PI)控制器、比例-积分-微分(PID)控制器或它们的组合中的一个或多个来实施反馈控制回路。
在一些实施例中，一个(或多个)致动器603可以是一个或多个马达。马达可以是或不是DC伺服马达。在一些实施例中，可以通过改变马达的供给电压来执行马达的速度控制。如先前在图1中所描述的，可以使用各种其他类型的马达。
在一些实施例中，可以使用一个或多个传感器609来获得关于有效载荷的姿态信息。所述一个或多个传感器可以定位在承载件或有效载荷上。所述一个或多个传感器可以包括一个或多个惯性传感器和位置传感器。位置传感器可以包括用于获得有效载荷的水平加速度的GPS。水平加速度可以用于校正从所述一个或多个惯性传感器采集的姿态信息。在一些实施例中，所述一个或多个传感器可以共同地构成惯性测量单元(IMU)。在其他实施例中，所述一个或多个传感器可以包括至少用于测量承载件角速度的陀螺仪和用于测量有效载荷的姿态信息的加速度计。然而，可以使用任何类型的传感器，这取决于系统中待控制的变量。
一个(或多个)传感器609可以包括适合于获得指示有效载荷的空间布局(例如，位置、取向、角度)和/或运动特性(例如，平移(线性)速度、角速度、平移(线性)加速度、角加速度)的数据的任何传感器，诸如惯性传感器。在一些情况下，一个(或多个)传感器可以包括至少惯性传感器和至少位置传感器。从位置传感器采集的传感数据可以用于校正由惯性传感器测量的姿态数据，以实现姿态测量的提高的准确度。本文中可以使用惯性传感器来指代运动传感器(例如，速度传感器、加速度传感器，诸如加速度计)、取向传感器(例如，陀螺仪、倾斜仪)或具有一个或多个集成的运动传感器和/或一个或多个集成的取向传感器的IMU。惯性传感器可以提供相对于单个运动轴的感测数据。运动轴可以与惯性传感器的轴(例如，纵轴)对应。可以使用多个惯性传感器，其中每个惯性传感器提供沿不同的运动轴的测量。例如，可以使用三个角加速度计来提供沿三个不同的运动轴的角加速度数据。所述三个运动方向可以是正交轴。角加速度计中的一个或多个可以被配置为测量环绕转动轴的加速度。作为另一个示例，可以使用三个陀螺仪来提供关于三个不同的转动轴的取向数据。所述三个转动轴可以是正交轴(例如，滚转轴、俯仰轴、偏航轴)。替代性地，惯性传感器中的至少一些或全部可以提供相对于相同运动轴的测量。例如，可以实施这种冗余以提高测量准确度。可选地，单个惯性传感器可以能够提供相对于多个轴的感测数据。例如，包括多个加速度计和陀螺仪的IMU可以用于产生关于多达六个运动轴的加速度数据和取向数据。可以使用如本文其他地方所描述的位置传感器数据(例如，GPS)来校正由IMU采集的姿态数据。
所述一个(或多个)传感器609可以由承载件承载。传感器可以位于承载件的任何合适的部分上，诸如承载件的上方、下方、一侧(或两侧)上或本体内。所述一个(或多个)传感器可以定位在承载件的框架或支撑部分上。一些传感器可以机械地联接到承载件，使得承载件的空间布局和/或运动与传感器的空间布局和/或运动对应。传感器可以通过刚性联接联接到承载件，使得传感器不会相对于其所附接的承载件的部分移动。联接可以是永久联接或非永久(例如，可释放的)联接。合适的联接方法可以包括粘合剂、粘接、焊接和/或紧固件(例如，螺钉、钉子、销等)。可选地，传感器可以与有效载荷的一部分一体地形成。此外，传感器可以与有效载荷的一部分(例如，处理单元、控制系统、数据存储)电耦合。在一些情况下，所述一个(或多个)传感器可以包括多个传感器，所述多个传感器中的所有传感器都定位在框架部件上。在一些情况下，所述一个(或多个)传感器定位在有效载荷上。在一些情况下，传感器中的一些传感器定位在有效载荷上，而其他传感器定位在承载件的部件上。
在一些实施例中，可以使用定位在马达上的一个或多个传感器611来获得马达的转动角度。例如，所述一个(或多个)传感器611可以定位在马达的输出轴上并且被配置为测量马达的角加速度，诸如编码器或角电位器。马达的转动角可以用于获得从惯性参照系或初始位置到加速度计本体坐标系或有效载荷的当前取向的相对转动。所述一个(或多个)传感器可以是与本文其他地方所描述的角位置传感器或角运动传感器相同的传感器。
控制器601可以包括用于处理各种传感器数据以获得有效载荷的经校正的姿态数据的一个或多个处理器。响应于姿态数据，所述一个或多个处理器可以向所述一个或多个致动器提供输入信号，以使有效载荷稳定在期望的取向。
关于控制系统，级联式比例-积分-微分(PID)可以用于控制承载件的姿态和速度。应该注意的是，有多种控制算法可以用于控制云台或承载件系统，包括但不限于：开-关、PID模式、前馈、自适应、智能(模糊逻辑、神经网络、专家系统和遗传)控制算法。对于特定的控制模型(诸如PID控制)，基于待控制的各种控制目标/输出变量(例如，角速度、角位置、角加速度、扭矩等)和输入变量(例如输入电压)，控制系统可以不同。因此，可以以各种方式表示控制参数。然而，所提出的方法和系统提供了一种控制器，该控制器自动地适于各种有效载荷，而与如何机械地和/或数学地表示系统无关。
经校正的姿态数据可以用于控制由增稳单元支撑的有效载荷的姿态。有效载荷的经校正的姿态数据可以用于各种其他目的。例如，当有效载荷包括成像装置时，经校正的姿态数据可以用于图像处理，诸如图像稳定。
在一些实施例中，一个或多个处理器可以被配置为计算有效载荷的经校正的姿态数据。在一些实施例中，所述一个或多个处理器可以是可编程处理器(例如，中央处理单元(CPU)或微控制器)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或一个或多个ARM处理器。在一些实施例中，所述一个或多个处理器可以可操作地联接到非暂时性计算机可读介质。非暂时性计算机可读介质可以存储由所述一个或多个处理器单元执行的逻辑、代码和/或程序指令，用于执行一个或多个步骤。非暂时性计算机可读介质可以包括一个或多个存储器单元(例如，可移动介质或外部存储装置，诸如SD卡或随机存取存储器(RAM))。
在一些实施例中，用于检测有效载荷相对于世界参照系的位置的所述一个或多个位置传感器可以可移除地附接到增稳单元的一部分或有效载荷。所述一个(或多个)位置传感器可以包括GPS。所述一个(或多个)位置传感器可以附接到增稳单元的各种位置，诸如增稳单元的框架组件的所述一个或多个框架部件。在一些情况下，所述一个(或多个)位置传感器可以与有效载荷一起定位。
图7示出了根据本发明的实施例的用于使有效载荷增稳的设备的示例。设备700的元件可以与本文描述的系统、装置和方法中的任何系统、装置和方法结合使用。设备700可以由可移动对象(未示出，诸如活体、载具、UAV等)承载。设备700可以是由人承载的手持装置。设备700包括联接到有效载荷703的承载件。该设备可以包括定位在设备的一部分上的位置传感器701。
在所描绘的实施例700中，承载件710包括固定到有效载荷703的第一框架705和联接到第一框架705的第二框架707。在所描绘的实施例700中，第三框架709是由偏航致动器715致动以使承载件710和联接的有效载荷710绕偏航轴转动的偏航框架，并且第一框架705是由俯仰致动器711致动以使承载件710和联接的有效载荷703绕俯仰轴转动的俯仰框架。承载件710还可以包括被配置为使有效载荷703绕滚转轴转动的滚转致动器713。致动器711、713和715均可以施加扭矩以使相应的框架或有效载荷绕对应的转动轴转动。每个致动器都可以是包括转子和定子的马达。例如，偏航致动器715可以包括联接到偏航框架(第三框架709)的转子和联接到可移动对象(未示出)的定子，或反之亦然。然而，应当理解，也可以使用承载件的替代性配置(例如，小于或多于两个框架，第二框架707可以是俯仰框架或偏航框架，而不是滚转框架，第一框架可以是偏航框架或滚转框架，而不是俯仰框架等)。在一些情况下，如本文其他地方所描述的，承载件可以包括球形马达，使得所有三个转动轴可以在球形马达的中心处相交。
在一些实施例中，如本文先前所描述的，一个或多个位置传感器可以定位在承载件上以测量水平速度或位置。所述一个或多个位置传感器701可以是与图1中描述的位置传感器相同的传感器。位置传感器可以安装在承载件任何合适的位置上，诸如框架部件709，在这种情况下，位置传感器可以相对于可移动对象具有转动移动。位置传感器可以在第一框架部件、第二框架部件和/或第三框架部件上。例如，位置传感器可以定位在偏航框架上，使得位置传感器可以相对于可移动对象绕偏航轴转动。位置传感器可以放置在框架部件的其他部分上或者放置在其他框架部件(诸如第二框架707或第一框架705)上。变换矩阵可以根据加速度计与位置传感器的相对位置和移动而变化。变换矩阵可以表示加速度计和位置传感器之间的平移移动和转动移动，并且可以基于如本文先前所描述的尺寸信息和转动信息来获得变换矩阵。例如，当位置传感器定位在不同的框架上或同一框架上的不同位置上时，变换矩阵可以是不同的。
在一些情况下，位置传感器可以位于沿竖直方向具有较少快速移动的位置上。例如，位置传感器可以定位在被配置为相对于地面参照系绕偏航轴转动的框架部件上。在这种情况下，由位置传感器检测到的移动可以基本上是增稳单元在水平面中的横向移动。
如上文和本文中所讨论的，承载件可以用于控制联接的有效载荷的空间布局(例如，位置和/或取向)。例如，承载件可以用于使有效载荷相对于地表面稳定。有效载荷例如可以与地表面齐平，使得由可移动对象引起的倾斜或滚转移动可以由承载件减轻。在另一实例中，承载件可以用于将有效载荷移动(例如，平移和/或转动)到期望的空间布局。期望的空间布局可以由用户手动输入(例如，通过远程终端或与可移动对象、承载件和/或有效载荷通信的其他外部装置)、自主确定而无需用户输入(例如，通过可移动对象、承载件和/或有效载荷的一个或多个处理器)或者借助于可移动对象、承载件和/或有效载荷的一个或多个处理器半自主地确定。期望的空间布局可以用于计算将实现有效载荷的期望的空间布局的承载件或其一个或多个部件(例如，一个或多个框架)的移动。
例如，在一些实施例中，(例如，可移动对象、承载件和/或有效载荷的)一个或多个处理器接收与有效载荷的期望姿态相关联的输入角(例如，滚转角)。基于输入角，所述一个或多个处理器可以确定待施加到承载件或其一个或多个部件(例如，滚转框架)的输出扭矩，以便实现期望的姿态。可以以各种方式(诸如使用反馈控制回路)确定输出扭矩。反馈控制回路可以将输入角作为输入，并输出输出扭矩作为输出。可以使用比例(P)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分(PI)控制器、比例-积分-微分(PID)控制器或它们的组合中的一个或多个来实现反馈控制回路。
可以提供一个或多个处理器以使用本文提供的方法来确定有效载荷的姿态数据。可以针对承载件的水平移动校正姿态数据。可以借助于一个或多个处理器来计算经校正的姿态数据。在一些情况下，所述一个或多个处理器可以机载在增稳单元上。在一些情况下，所述一个或多个处理器可以远离增稳单元。
承载件或云台可以是单轴云台系统或多轴云台系统。可以包括一个或多个传感器以测量承载件的运动。所述一个(或多个)传感器可以是适合于获得指示有效载荷的空间布局(例如，位置、取向、角度)和/或运动特性(例如，平移(线性)速度、角速度、平移(线性)加速度、角加速度)的数据的任何传感器，诸如惯性传感器。本文中可以使用惯性传感器来指代运动传感器(例如，速度传感器、加速度传感器(诸如加速度计))、取向传感器(例如，陀螺仪、倾斜仪)或具有一个或多个集成的运动传感器和/或一个或多个集成的取向传感器的IMU。惯性传感器可以提供相对于单个运动轴的感测数据。运动轴可以与惯性传感器的轴(例如，纵轴)对应。可以使用多个惯性传感器，其中每个惯性传感器提供沿不同的运动轴的测量。例如，可以使用三个加速度计来提供沿三个不同的运动轴的加速度数据。所述三个运动方向可以是正交轴。加速度计中的一个或多个可以是被配置为测量沿平移轴的加速度的线加速度计。相反，加速度计中的一个或多个可以是被配置为测量绕转动轴的角加速度的角加速度计。作为另一个示例，可以使用三个陀螺仪来提供关于三个不同转动轴的取向数据。所述三个转动轴可以是正交轴(例如，滚转轴、俯仰轴、偏航轴)。替代性地，惯性传感器中的至少一些或全部可以提供相对于相同运动轴的测量。例如，可以实施这种冗余以提高测量准确度。可选地，单个惯性传感器能够提供相对于多个轴的感测数据。例如，包括多个加速度计和陀螺仪的IMU可以用于产生关于多达六个运动轴的加速度数据和取向数据。替代性地，可以使用单个加速度计来检测沿多个轴的加速度，并且可以使用单个陀螺仪来检测关于多个轴的转动。
在一些实施例中，位置传感器可以包括被封装在壳体中的GPS。图8示出了根据本发明的实施例的模块化位置传感器800，该模块化位置传感器被配置为可释放地附接到框架组件的一部分。位置传感器模块800可以包括壳体807。壳体可以包括用于将传感器模块联接到框架组件的一部分或有效载荷的结构809。传感器模块可以包括与本文其他地方所描述的位置传感器相同的传感器。联接可以需要或不需要工具。如其他地方所描述的，模块化位置传感器可以重复地附接到增稳单元以及从增稳单元拆卸，以提高姿态数据的准确度。在一些情况下，模块化位置传感器能够在不同的增稳单元之间互换。在一些情况下，单个模块化位置传感器可以附接到不同的增稳单元。在一些情况下，不同的模块化位置传感器可以替代地附接到相同的增稳单元。在一些情况下，联接结构809可以向框架部件提供快速附接(例如，夹子、紧固件等)。在一些情况下，壳体可以附接到框架组件上的预定位置或有效载荷，使得位置传感器和惯性传感器之间的尺寸信息或转动信息对于系统是已知的。在其他情况下，壳体可以附接到系统不要求位置传感器和惯性传感器之间的相对位置的各种位置。位置传感器模块800可以包括一个或多个位置传感器801、动力单元803和数据传输元件805。所述一个或多个位置传感器801可以包括GPS单元。可以采用各种技术来提高GPS测量(诸如实时动态定位(RTK))的准确度。在一些情况下，壳体还可以包括用于采集关于有效载荷的姿态信息的一个或多个惯性传感器。在一些情况下，位置传感器模块可以定位在增稳单元上与所述一个或多个惯性传感器不同的位置处。
所述一个或多个传感器可以包括能够测量有效载荷的水平线速度、位置或线加速度的任何合适的传感器。例如，代替GPS，也可以使用运动传感器(诸如IMU)或视觉传感器(诸如双目视觉传感器或单目视觉里程计(MVO))来获得水平加速度。可选地，可以共同地使用两个或更多个传感器来产生水平加速度。例如，可以使用GPS数据和视觉传感器数据或IMU数据的融合来产生水平加速度。在另一个实例中，可以使用一个以上的GPS单元来测量水平速度。在一些情况下，被配置为检测有效载荷的水平移动(例如，位置、速度)的传感器中的至少一部分被封闭在壳体中，而传感器中的其余部分可以定位在不同的位置。例如，当两个GPS用于产生时，GPS中的一个可以被封闭在壳体中，而另一个GPS可以被设置在有效载荷上或可移动对象/活体上。在一些情况下，当两种或两种以上的不同类型的传感器被配置为提供水平加速度时，可以在融合传感器数据以计算水平加速度之前交叉检查传感器数据的有效性或质量。在一些情况下，可以根据某些条件(诸如传感器数据可用性、传感器数据的质量、环境条件等)使用用于检测水平移动的不同传感器。例如，当GPS数据不可用时，可以使用视觉传感器，或者当环境的照明或视图中的关键特征不足够好以实现质量视觉数据时，可以使用GPS数据。可以采用各种阈值或标准来决定待使用的传感器数据的选择。可以基于经验信息、实验信息、模拟等来确定阈值或标准。
在一些情况下，动力单元803可以是被封闭在壳体中的自主源动力(例如，电池)。替代性地，传感器模块可以由外部装置(例如，增稳单元、可移动对象等)提供动力。
在一些情况下，所述一个或多个位置传感器被配置为无线地传输位置数据。在一些情况下，传输元件805可以被配置为将传感器数据传输到增稳单元的一个或多个处理器。可以利用任何合适的手段进行数据传输。例如，可以提供有线通信(例如，内部集成电路(I2C))总线用于数据传输。注意，可以使用任何类型和任何数量的有线通信总线(诸如I2C或串行外设接口(SPI)或无线通信手段(例如，蓝牙、Wi-Fi))来完成数据传输。可以基于传输速度和带宽要求的需要来确定对用于传输数据的各种手段的选择。由位置传感器采集的位置数据和/或速度数据可以被提供给所述一个或多个处理器，以用于校正有效载荷的姿态数据。
在一些实施例中，增稳单元可以包括安装组件以允许增稳单元开关从安装到一个可移动对象到安装到另一个可移动对象。在一些实施例中，可以不主动控制承载件和可移动对象之间的相对移动。例如，当增稳单元由人类承载或联接到没有姿态信息的可移动对象时，无论可移动对象的移动如何，都可以使有效载荷的姿态相对于惯性参照系稳定。在一些实施例中，可以主动控制承载件和可移动对象之间的相对移动。例如，当可移动对象是UAV时，可以基于从UAV上的传感器采集的姿态数据和从有效载荷上的传感器采集的姿态数据来控制增稳单元的移动。在一些情况下，用于校正有效载荷的姿态数据的水平加速度可以由机载在UAV上的传感器提供。当增稳单元附接到具有和不具有用于姿态测量的传感器的可移动对象时，控制机构可以是相同的或不相同的。
图9示出了根据实施例的包括承载件902和有效载荷904的可移动对象900。尽管可移动对象900被描绘为飞行器，但是该描绘并非意图是限制性的，并且如本文先前所描述的，可以使用任何合适类型的可移动对象。本领域的技术人员将理解，本文在飞行器系统的背景下描述的实施例中的任何实施例都可以应用于任何合适的可移动对象(例如，UAV)。在一些情况下，有效载荷904可以设置在可移动对象900上，而不需要承载件902。可移动对象900可以包括推进机构906、感测系统908和通信系统910。
如前所述，推进机构906可以包括转子、螺旋桨、叶片、发动机、马达、轮子、轴、磁体或喷嘴中的一个或多个。例如，如本文其他地方所公开的，推进机构906可以是自紧式转子、转子组件或其他转动推进单元。可移动对象可以具有一个或一个以上、两个或两个以上、三个或三个以上、或者四个或四个以上推进机构。推进机构可以都是相同类型的。替代性地，一个或多个推进机构可以是不同类型的推进机构。推进机构906可以使用任何合适的装置(诸如本文其他地方所描述的支撑元件(例如，驱动轴))安装在可移动对象900上。推进机构906可以安装在可移动对象900的任何合适的部分上，诸如顶部、底部、前面、背面、侧面或它们的合适的组合上。
在一些实施例中，推进机构906可以使得可移动对象900能够竖直地从表面竖直起飞或在表面上竖直地着陆，而不需要可移动对象900的任何水平移动(例如，不沿着跑道行进)。可选地，推进机构906可操作以允许可移动对象900在指定位置和/或取向悬停在空气中。推进机构900中的一个或多个可以独立于其他推进机构被控制。替代性地，推进机构900可以被配置为被同时控制。例如，可移动对象900可以具有多个水平取向的转子，该水平取向的转子可以向可移动对象提供升力和/或推力。可以致动所述多个水平取向的转子以向可移动对象900提供竖直起飞、竖直着陆和悬停能力。在一些实施例中，水平取向的转子中的一个或多个可以在顺时针方向上旋转，而水平转子中的一个或多个可以在逆时针方向上旋转。例如，顺时针转子的数量可以等于逆时针转子的数量。水平取向的转子中的每一个的转动速率可以独立地变化，以便控制由每个转子产生的升力和/或推力，从而调节可移动对象900的空间布局、速度和/或加速度(例如，相对于多达三个平移度和多达三个转动度)。
感测系统908可以包括可以感测可移动对象900的空间布局、速度和/或加速度(例如，相对于多达三个平移度和多达三个转动度)的一个或多个传感器。所述一个或多个传感器可以包括全球定位系统(GPS)传感器、运动传感器、惯性传感器、近距离传感器或图像传感器。可以使用由感测系统908提供的感测数据来控制可移动对象900的空间布局、速度和/或取向(例如，如下所述，使用合适的处理单元和/或控制模块)。替代性地，感测系统908可以用于提供关于可移动对象周围的环境的数据，诸如天气状况、与潜在障碍物的接近度、地理特征的位置、人造结构的位置等。
通信系统910使得能够通过无线信号916与具有通信系统914的终端912进行通信。通信系统910、914可以包括适合于无线通信的任何数量的发射器、接收器和/或收发器。通信可以是单向通信，使得可以仅在一个方向上传输数据。例如，单向通信可以仅涉及可移动对象900将数据传输到终端912，或者反之亦然。数据可以从通信系统910的一个或多个发射器传输到通信系统912的一个或多个接收器，或者反之亦然。替代性地，通信可以是双向通信，使得可以在可移动对象900和终端912之间在两个方向上传输数据。双向通信可以涉及将数据从通信系统910的一个或多个发射器传输到通信系统914的一个或多个接收器，并且反之亦然。
在一些实施例中，终端912可以向可移动对象900、承载件902和有效载荷904中的一个或多个提供控制数据，并从可移动对象900、承载件902和有效载荷904中的一个或多个接收信息(例如，可移动对象、承载件或有效载荷的位置和/或运动信息；由有效载荷感测到的数据，诸如由有效载荷相机捕获的图像数据)。在一些情况下，来自终端的控制数据可以包括用于可移动对象、承载件和/或有效载荷的相对位置、移动、致动或控制的指令。例如，控制数据可以导致对可移动对象的位置和/或取向的修改(例如，通过推进机构906的控制)，或者有效载荷相对于可移动对象的移动(例如，通过控制承载件902)。来自终端的控制数据可以导致对有效载荷的控制，诸如控制相机或其他图像捕获装置的操作(例如，拍摄静止图片或运动图片、放大或缩小、打开或关闭、切换成像模式、改变图像分辨率、改变焦距、改变景深、改变曝光时间、改变视角或视场)。在一些情况下，来自可移动对象、承载件和/或有效载荷的通信可以包括来自(例如，感测系统908的或有效载荷904的)一个或多个传感器的信息。通信可以包括来自一个或多个不同类型的传感器(例如，GPS传感器、运动传感器、惯性传感器、近距离传感器或图像传感器)的感测信息。这样的信息可以关于可移动对象、承载件和/或有效载荷的位置(例如，位置、取向)、移动或加速度。来自有效载荷的此类信息可以包括由有效载荷捕获的数据或有效载荷的感测状态。由终端912传输提供的控制数据可以被配置为控制可移动对象900、承载件902或有效载荷904中的一个或多个的状态。替代性地或组合地，承载件902和有效载荷904也可以各自包括被配置为与终端912通信的通信模块，使得终端可以独立地与可移动对象900、承载件902和有效载荷904中的每一个通信并对其进行控制。
在一些实施例中，可移动对象900可以被配置为与除了终端912的另一个远程装置或代替终端912的另一个远程装置通信。终端912还可以被配置为与另一个远程装置以及可移动对象900通信。例如，可移动对象900和/或终端912可以与另一个可移动对象或另一个可移动对象的承载件或有效载荷通信。当需要时，远程装置可以是第二终端或其他计算装置(例如，计算机、膝上型电脑、平板电脑、智能电话或其他移动装置)。远程装置可以被配置为将数据传输到可移动对象900、从可移动对象900接收数据、将数据传输到终端912、和/或从终端912接收数据。可选地，可以将远程装置连接到因特网或其他电信网络，使得从可移动对象912和/或终端912接收的数据可以上载到网站或服务器。
图10是根据实施例的以框图的方式示出的用于控制可移动对象的系统1000的示意图。系统1000可以与本文公开的系统、装置和方法的任何合适的实施例结合使用。系统1000可以包括感测模块1002、处理单元1004、非暂时性计算机可读介质1006、控制模块1008和通信模块1010。
感测模块1002可以利用不同类型的传感器，该不同类型的传感器以不同方式采集与可移动对象有关的信息。不同类型的传感器可以感测不同类型的信号或来自不同源的信号。例如，传感器可以包括惯性传感器、GPS传感器、近距离传感器(例如，激光雷达)或视觉/图像传感器(例如，相机)。感测模块1002可以可操作地联接到具有多个处理器的处理单元1004。在一些实施例中，感测模块可以可操作地联接到传输模块1012(例如，Wi-Fi图像传输模块)，该传输模块被配置为将感测数据直接传输到合适的外部装置或系统。例如，传输模块1012可以用于将由传感模块1002的相机捕获的图像传输到远程终端。
处理单元1004可以具有一个或多个处理器，诸如可编程处理器(例如，中央处理单元(CPU))。处理单元1004可以可操作地联接到非暂时性计算机可读介质1006。非暂时性计算机可读介质1006可以存储可以由处理单元1004执行的用于执行一个或多个步骤的逻辑、代码和/或程序指令。非暂时性计算机可读介质可以包括一个或多个存储器单元(例如，可移动介质或外部存储装置诸如SD卡或随机存取存储器(RAM))。在一些实施例中，来自感测模块1002的数据可以直接传送到非暂时性计算机可读介质1006的存储器单元并存储在其内。非暂时性计算机可读介质1006的存储器单元可以存储可以由处理单元1004执行以执行本文描述的方法中的任何合适的实施例的逻辑、代码和/或程序指令。例如，处理单元1004可以被配置为执行使得处理单元1004的一个或多个处理器分析由感测模块产生的感测数据的指令。存储器单元可以存储来自感测模块的感测数据以由处理单元1004进行处理。在一些实施例中，非暂时性计算机可读介质1006的存储器单元可以用于存储由处理单元1004产生的处理结果。
在一些实施例中，处理单元1004可以可操作地联接到控制模块1008，该控制模块被配置为控制可移动对象的状态。例如，控制模块1008可以被配置为控制可移动对象的推进机构，以相对于六个自由度调节可移动对象的空间布局、速度和/或加速度。替代性地或组合地，控制模块1008可以控制承载件、有效载荷或感测模块的状态中的一个或多个。
处理单元1004可以可操作地联接到通信模块1010，该通信模块被配置为传输和/或接收来自一个或多个外部设备(例如，终端、显示设备或其他远程控制器)的数据。可以使用任何合适的通信手段，诸如有线通信或无线通信。例如，通信模块1010可以利用局域网(LAN)、广域网(WAN)、红外线、无线电、WiFi、点到点(P2P)网络、电信网络、云通信等中的一个或多个。可选地，可以使用中继站，诸如塔、卫星或移动台。无线通信可以是依赖于接近度的或与接近度无关的。在一些实施例中，通信可能需要或可能不需要视线。通信模块1010可以传输和/或接收来自感测模块1002的一个或多个感测数据、由处理单元1004产生的处理结果、预定的控制数据、来自终端或远程控制器的用户命令等。
可以以任何合适的配置来布置系统1000的部件。例如，系统1000的部件中的一个或多个部件可以定位在可移动对象、承载件、有效载荷、终端、感测系统或与上述部件中的一个或多个部件通信的附加外部装置上。另外，尽管图10描绘了单个处理单元1004和单个非暂时性计算机可读介质1006，但是本领域的技术人员将理解的是，这并不意图是限制性的，并且系统1000可以包括多个处理单元和/或多个非暂时性计算机可读介质。在一些实施例中，多个处理单元和/或多个非暂时性计算机可读介质中的一个或多个可以位于不同的位置，诸如位于可移动对象、承载件、有效载荷、终端、感测模块、与上述处理单元和/或非暂时性计算机可读介质中的一个或多个处理单元和/或非暂时性计算机可读介质的附加外部装置上或者它们的合适的组合进行通信，使得由系统1000执行的处理功能和/或存储功能的任何合适的方面都可以在前述位置中的一个或多个位置处发生。
虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域的技术人员明显的是，这些实施例仅以示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，本领域的技术人员现在将想到许多变化、改变和替换。应该理解的是，可以采用本文所描述的本发明的实施例的各种替代方案来实践本发明。本文描述的实施例的许多不同组合是可能的，并且这种组合被认为是本公开内容的一部分。另外，结合本文的任何一个实施例讨论的所有特征可以容易地适用于本文的其他实施例。意图由随附的权利要求书限定本发明的范围，并且由此覆盖这些权利要求及其等同物的范围内的方法和结构。

Claims (50)

1.一种用于控制有效载荷的姿态的增稳单元，包括：
框架组件，其包括能够相对于彼此移动的多个框架部件，其中，所述框架组件构造成支撑所述有效载荷；
基座支撑件，其构造成将所述框架组件联接到可移动对象；
一个或多个惯性传感器，其附接到所述框架组件或所述有效载荷，其中，所述一个或多个惯性传感器被配置为采集所述有效载荷关于多个转动轴的姿态信息；
一个或多个位置传感器，其附接到(1)所述基座支撑件或(2)所述框架组件的一个或多个框架部件，其中，所述一个或多个位置传感器被配置为采集对确定所述有效载荷的水平加速度有用的位置数据；
一个或多个致动器，其被配置为控制所述多个框架部件的移动，以控制所述有效载荷的姿态；以及
一个或多个处理器，其被配置为基于经校正的姿态数据通过控制所述一个或多个致动器来控制所述有效载荷的姿态，其中，基于由所述一个或多个惯性传感器采集的姿态信息和基于所述位置数据确定的所述有效载荷的水平加速度来计算所述经校正的姿态数据。
2.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述一个或多个位置传感器包括GPS单元。
3.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述一个或多个位置传感器设置在所述增稳单元上与所述一个或多个惯性传感器不同的位置处。
4.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述基座支撑件包括手持支撑件。
5.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述基座支撑件包括安装组件。
6.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述一个或多个位置传感器被配置为测量所述有效载荷或者所述一个或多个惯性传感器的水平运动。
7.根据权利要求6所述的增稳单元，其中，所述水平运动是相对于地面参照系而言的。
8.根据权利要求7所述的增稳单元，其中，所述一个或多个位置传感器被配置为检测所述有效载荷或者所述一个或多个惯性传感器的位置、线速度或线加速度中的至少一者。
9.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述多个框架部件能够相对于彼此转动。
10.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，通过借助于所述一个或多个致动器使所述多个框架部件转动来实现所述有效载荷关于三个转动轴的移动。
11.根据权利要求10所述的增稳单元，其中，所述有效载荷的移动是相对于所述基座支撑件而言的，并且其中，所述三个转动轴包括滚转轴、偏航轴和俯仰轴。
12.根据权利要求10所述的增稳单元，其中，所述有效载荷的姿态相对于地面参照系稳定。
13.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述增稳单元还包括联接到所述框架部件的一个或多个角位置传感器，所述一个或多个角位置传感器被配置为检测用于驱动所述框架组件的转动移动的所述一个或多个致动器的角位置。
14.根据权利要求13所述的增稳单元，其中，所述一个或多个角位置传感器包括磁场传感器或光学编码器。
15.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述一个或多个惯性传感器包括加速度计，所述加速度计附接到所述有效载荷或联接到所述有效载荷的框架部件。
16.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述一个或多个惯性传感器包括加速度计，所述加速度计被配置为测量所述有效载荷相对于地面参照系关于至少滚转轴和俯仰轴的姿态角。
17.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述一个或多个惯性传感器包括三轴加速度计。
18.根据权利要求17所述的增稳单元，其中，通过使用所述加速度计测量重力矢量的方向来确定关于所述有效载荷的姿态信息。
19.根据权利要求18所述的增稳单元，其中，从所测量的重力矢量中减去所述水平加速度。
20.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，借助于所述一个或多个处理器计算所述经校正的姿态数据。
21.根据权利要求20所述的增稳单元，其中，所述一个或多个处理器机载在所述增稳单元上。
22.根据权利要求20所述的增稳单元，其中，所述一个或多个处理器远离所述增稳单元。
23.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，通过下述步骤来确定所述姿态数据：(a)通过包括一个或多个惯性传感器的第一组惯性传感器测量重力矢量的方向；(b)利用所述有效载荷的水平加速度来校正所测量的所述重力矢量的方向，以获得经校正的所述重力矢量的方向；以及(c)将包括一个或多个惯性传感器的第二组惯性传感器测量的传感器数据与所述经校正的所述重力矢量的方向融合。
24.根据权利要求23所述的增稳单元，其中，所述包括一个或多个惯性传感器的第一组惯性传感器包括加速度计。
25.根据权利要求24所述的增稳单元，其中，从所述重力矢量中减去所述水平加速度。
26.根据权利要求25所述的增稳单元，其中，基于变换矩阵和由所述一个或多个位置传感器测量的水平加速度来获得相对于加速度计本体参照系的所述水平加速度。
27.根据权利要求26所述的增稳单元，其中，所述变换矩阵基于所述加速度计与所述一个或多个位置传感器之间由联接到所述框架组件的一个或多个角位置传感器测量的相对移动。
28.根据权利要求26所述的增稳单元，其中，估计的转动矩阵用于将所述水平加速度变换为惯性传感器本体参照系。
29.根据权利要求28所述的增稳单元，其中，所述估计的转动矩阵基于联接到所述框架组件的一个或多个角位置传感器。
30.根据权利要求23所述的增稳单元，其中，所述包括一个或多个惯性传感器的第二组惯性传感器包括陀螺仪。
31.根据权利要求23所述的增稳单元，其中，所述包括一个或多个惯性传感器的第二组惯性传感器包括陀螺仪和磁力计，并且其中，所述包括一个或多个惯性传感器的第二组惯性传感器包括加速度计。
32.根据权利要求31所述的增稳单元，其中，以下滤波器中的至少一个用于计算所述姿态数据：卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器和互补滤波器。
33.根据权利要求32所述的增稳单元，其中，来自所述加速度计的姿态信息用于更新由所述陀螺仪提供的估计姿态角。
34.根据权利要求33所述的增稳单元，其中，所述姿态角是至少关于俯仰轴或滚转轴而言的。
35.根据权利要求32所述的增稳单元，其中，来自所述加速度计、陀螺仪和磁力计的姿态信息被加权以得出所述有效载荷的经校正的姿态数据。
36.根据权利要求32所述的增稳单元，其中，每种类型的传感器数据在被融合以获得所述经校正的姿态数据之前由滤波器单独地处理。
37.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述增稳单元是多轴云台，所述多轴云台还包括附接到所述框架组件的一个或多个角运动传感器和/或角位置传感器。
38.根据权利要求37所述的增稳单元，其中，一个或多个处理器被单独地或共同地配置为基于目标角来确定要从所述一个或多个致动器提供给所述云台的一个或多个框架部件的输入扭矩。
39.根据权利要求38所述的增稳单元，其中，使用反馈控制回路来确定所述输入扭矩。
40.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述可移动对象选自包括UAV、非机动载具和活体的组。
41.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述有效载荷包括成像装置。
42.根据权利要求1所述的增稳单元，其中，所述一个或多个位置传感器被封闭在壳体中。
43.根据权利要求42所述的增稳单元，其中，所述壳体可释放地联接到所述框架组件的一个或多个框架部件的一部分或所述有效载荷。
44.根据权利要求43所述的增稳单元，其中，所述一个或多个位置传感器被配置为无线地传输所述位置数据。
45.根据权利要求43所述的增稳单元，其中，动力单元也被封闭在所述壳体中。
46.根据权利要求43所述的增稳单元，其中，一个或多个惯性传感器被封闭在所述壳体中，以检测手持支撑件或安装组件的姿态。
47.一种使用增稳单元来控制有效载荷的姿态的方法，所述方法包括：
借助于下述部件支撑所述有效载荷：
框架组件，其包括能够相对于彼此移动的多个框架部件，其中，所述框架组件构造成支撑所述有效载荷；以及
基座支撑件，其构造成将所述框架组件联接到可移动对象；
借助于一个或多个惯性传感器采集所述有效载荷关于多个转动轴的姿态信息；
借助于附接到(1)所述基座支撑件或(2)所述框架组件的一个或多个框架部件的一个或多个位置传感器来采集位置数据，其中，所述位置数据用于确定所述有效载荷的水平加速度；
获得关于所述有效载荷的经校正的姿态数据，其中，基于由所述一个或多个惯性传感器采集的姿态信息和基于所述位置数据确定的所述有效载荷的水平加速度来计算所述经校正的姿态数据；以及
基于所述经校正的姿态数据通过控制一个或多个致动器来控制所述有效载荷的姿态。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述一个或多个位置传感器包括GPS单元。
49.根据权利要求47所述的方法，其中，通过下述步骤来确定所述姿态数据：(a)通过包含一个或多个惯性传感器的第一组惯性传感器测量重力矢量的方向；(b)利用所述有效载荷的水平加速度来校正所测量的所述重力矢量的方向，以获得经校正的所述重力矢量的方向；以及(c)将包含一个或多个惯性传感器的第二组惯性传感器测量的传感器数据与所述经校正的所述重力矢量的方向融合。
50.一种用于控制有效载荷的姿态的系统，所述系统包括：
可移动对象；
增稳单元，所述增稳单元包括：
框架组件，其包括能够相对于彼此移动的多个框架部件，其中，所述框架组件构造成支撑所述有效载荷；
基座支撑件，其构造成将所述框架组件联接到所述可移动对象；
一个或多个惯性传感器，其附接到所述框架组件或所述有效载荷，其中，所述一个或多个惯性传感器被配置为采集所述有效载荷关于多个转动轴的姿态信息；
一个或多个位置传感器，其附接到(1)所述基座支撑件或(2)所述框架组件的一个或多个框架部件，其中，所述一个或多个位置传感器被配置为采集用于确定所述有效载荷的水平加速度的位置数据；
一个或多个致动器，其被配置为控制所述多个框架部件的移动，以控制所述有效载荷的姿态；以及
一个或多个处理器，其被配置为基于经校正的姿态数据通过控制所述一个或多个致动器来控制所述有效载荷的姿态，其中，基于由所述一个或多个惯性传感器采集的姿态信息和基于所述位置数据确定的所述有效载荷的水平加速度来计算所述经校正的姿态数据。
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