CN110362121B - 一种云台姿态控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种云台姿态控制方法及系统，涉及无人机技术领域，该方法包括：电机控制板采集电机的机械角数据，并将所述机械角数据发送给主控板；主控板根据姿态数据及所述机械角数据计算出电流期望，并将所述电流期望发送至电机控制板；电机控制板根据所述电流期望进行电流闭环控制，能够通过解耦的方式获得电流期望，实现对云台姿态的电流闭环控制。

Description

一种云台姿态控制方法及系统
本专利申请是基于中国专利申请号为201611093265.6、申请日为2016年12月1日、发明名称为“一种云台姿态控制方法及系统”的所提出的分案申请。
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种云台姿态控制方法及系统。
背景技术
随着控制理论的不断发展，无人飞行器也受到各国研究者的关注，世界上产生了各式各样的飞行器，对于其中机械结构简单、占地体积小旋翼类飞行器尤为引人关注。但大多是对机身的姿态进行控制，来改变螺旋桨升力的方向，从而实现对飞行器空间位置的控制。但这种方法和结构就要求机身姿态的可控制器件比较多，才能完成对系统姿态的调整。这样就使得机体结构和控制算法变得复杂起来。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种云台姿态控制方法及系统，能够通过解耦的方式获得电流期望，实现对云台姿态的电流闭环控制。
为实现上述目的，本发明提供的一种云台姿态控制方法，包括：
电机控制板采集电机的机械角数据，并将所述机械角数据发送给主控板；
主控板根据姿态数据及所述机械角数据计算出电流期望，并将所述电流期望发送至电机控制板；
电机控制板根据所述电流期望进行电流闭环控制。
可选地，所述姿态数据包括云台姿态及机体角速度，通过惯性测量单元采集得到所述姿态数据，并通过姿态航向系统对所述姿态数据进行解算得到所述云台姿态及机体角速度。
可选地，所述主控板根据姿态数据及所述机械角数据计算出电流期望包括：
以转子角速度作为姿态角度环的控制量，主控板运行姿态角度环，姿态角度环通过反馈及坐标系转换输出转子角速度期望；
根据所述转子角速度期望及所述机体角速度实现转子角速度闭环控制，并输出电流期望。
可选地，根据所述云台姿态和所述机械角数据解算出无人机姿态，由无人机姿态量衡量翻滚程度，当所述翻滚程度达到预设的保护阈值时，进入保护模式。
可选地，所述电机控制板通过电机角度传感器采集电机的机械角数据，所述电机角度传感器包括磁编码器和线性霍尔传感器。
可选地，所述电机包括横滚轴电机、俯仰轴电机和偏航轴电机，所述电机控制板包括横滚轴电机控制板、俯仰轴电机控制板和偏航轴电机控制板。
可选地，当所述偏航轴电机的偏航机械角大于45度时，逐步减少所述偏航轴电机的转子角速度期望，当所述偏航机械角到达90度时，所述转子角速度期望为零。
可选地，所述主控板和电机控制板通过控制器局域网络CAN进行通信。
可选地，所述姿态航向系统包括陀螺仪和加速度计。
作为本发明的另一个方面，提供的一种云台姿态控制系统，包括：电机控制板和主控板，其中，
所述电机控制板，用于采集电机的机械角数据，并将所述机械角数据发送给主控板；
所述主控板，用于根据姿态数据及所述机械角数据计算出电流期望，并将所述电流期望发送至电机控制板；
所述电机控制板，还用于根据所述电流期望进行电流闭环控制。
可选地，所述姿态数据包括云台姿态及机体角速度，通过惯性测量单元采集得到所述姿态数据，并通过姿态航向系统对所述姿态数据进行解算得到所述云台姿态及机体角速度。
可选地，所述主控板根据姿态数据及所述机械角数据计算出电流期望包括：
以转子角速度作为姿态角度环的控制量，主控板运行姿态角度环，姿态角度环通过反馈及坐标系转换输出转子角速度期望；
根据所述转子角速度期望及所述机体角速度实现转子角速度闭环控制，并输出电流期望。
可选地，根据所述云台姿态和所述机械角数据解算出无人机姿态，由无人机姿态量衡量翻滚程度，当所述翻滚程度达到预设的保护阈值时，进入保护模式。
可选地，所述电机控制板通过电机角度传感器采集电机的机械角数据，所述电机角度传感器包括磁编码器和线性霍尔传感器。
可选地，所述电机包括横滚轴电机、俯仰轴电机和偏航轴电机，所述电机控制板包括横滚轴电机控制板、俯仰轴电机控制板和偏航轴电机控制板。
可选地，当所述偏航轴电机的偏航机械角大于45度时，逐步减少所述偏航轴电机的转子角速度期望，当所述偏航机械角到达90度时，所述转子角速度期望为零。
本发明提出的一种云台姿态控制方法及系统，该方法包括：电机控制板采集电机的机械角数据，并将所述机械角数据发送给主控板；主控板根据姿态数据及所述机械角数据计算出电流期望，并将所述电流期望发送至电机控制板；电机控制板根据所述电流期望进行电流闭环控制，能够通过解耦的方式获得电流期望，实现对云台姿态的电流闭环控制。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种云台姿态控制方法流程图；
图2为本发明实施例一提供的另一种云台姿态控制方法流程图；
图3为本发明实施例二提供的一种云台姿态控制系统示范性结构框图；
图4为本发明实施例二提供的另一种云台姿态控制系统示范性结构框图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，"模块"与"部件"可以混合地使用。
实施例一
如图1所示，在本实施例中，一种云台姿态控制方法，包括：
S10、电机控制板采集电机的机械角数据，并将所述机械角数据发送给主控板；
S20、主控板根据姿态数据及所述机械角数据计算出电流期望，并将所述电流期望发送至电机控制板；
S30、电机控制板根据所述电流期望进行电流闭环控制。
在本实施例中，主要用于无人机云台控制，能够通过解耦的方式获得电流期望，实现对云台姿态的电流闭环控制。
在本实施例中，所述姿态数据包括云台姿态及机体角速度，通过惯性测量单元采集得到所述姿态数据，并通过姿态航向系统对所述姿态数据进行解算得到所述云台姿态及机体角速度。
在本实施例中，所述姿态航向系统AHRS(Attitude and Heading ReferenceSystem)包括陀螺仪和加速度计，其与惯性测量单元IMU(Inertial Measurement Unit)的区别在于包含了嵌入式的姿态数据解算单元与航向信息，惯性测量单元IMU仅仅提供传感器数据，并不提供准确可靠的姿态数据，在本实施例中，所述姿态航向系统为云台上的姿态航向系统。
在本实施例中，所述主控板和电机控制板通过控制器局域网络CAN(ControllerArea Network)进行通信，电机板通过CAN总线以1000hz通过CAN给主控板发送机械角数据进行解耦控制，主控板通过CAN总线以1000hz的频率向电机板发送期望电流数据，实现整体的解耦与闭环控制。
如图2所示，在本实施例中，所述步骤S20包括：
S21、以转子角速度作为姿态角度环的控制量，主控板运行姿态角度环，姿态角度环通过反馈及坐标系转换输出转子角速度期望；
S22、根据所述转子角速度期望及所述机体角速度实现转子角速度闭环控制，并输出电流期望。
在本实施例中，主控板运行姿态角度环得出转子角速度期望，并且根据陀螺仪和机械角数据，主控板解算出转子角速度，然后运行转子角速度环，最后输出给电机电流期望，也即，主控板运行姿态角度环、转子角速度环；电机只运行电流环。
在本实施例中，电流期望通过CAN总线把电流期望发送给三个电机板，电机板通过磁场导向控制FOC(field-oriented control)方案实现电流闭环，最后对电机输出空间矢量脉宽调制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)实现云台整个闭环控制。
在本实施例中，根据所述云台姿态和所述机械角数据解算出无人机姿态，由无人机姿态量衡量翻滚程度，当所述翻滚程度达到预设的保护阈值时，进入保护模式。
现有技术中，当无人机翻转到大角度甚至直接反过来向上的姿态时，一方面电机角度达到机械允许的最大角度被堵转，另一方面姿态检测会出现roll＝90度的奇点，此时姿态会出现跳变，导致云台姿态控制失效，而本方案中，根据云台姿态和机械角数据解算出无人机姿态，由无人机姿态量衡量翻滚程度，当所述翻滚程度达到预设的保护阈值时，进入保护模式，在保护模式中，三个电机闭环控制在机械角0度，当无人机回到正常角度时，退出保护模式。
在本实施例中，所述电机控制板通过电机角度传感器采集电机的机械角数据，所述电机角度传感器包括磁编码器和线性霍尔传感器。
在本实施例中，所述电机包括横滚轴电机、俯仰轴电机和偏航轴电机，所述电机控制板包括横滚轴电机控制板、俯仰轴电机控制板和偏航轴电机控制板。
在本实施例中，当所述偏航轴电机的偏航机械角大于45度时，逐步减少所述偏航轴电机的转子角速度期望，当所述偏航机械角到达90度时，所述转子角速度期望为零。
当横滚轴电机mx从机械角0度旋转到机械角±90度时，出现万向节死锁，俯仰轴电机my与偏航轴电机mz逐渐趋向重合，系统由全驱动变成欠驱动，解耦中表现为z轴电机转子角速度期望wzfzd出现无穷大，此时应使wzfzd为0，为使系统平滑切换，选择从mz转到±45度时开始减少wzfzd，直到±90度时使wzfzd为0。
在本实施例中，当无人机飞行后，设置在无人机上的云台也跟着变化，如果所述偏航轴电机的偏航机械角yaw角仅仅通过姿态航向系统的陀螺仪进行积分解算，此法得到所述偏航轴电机的偏航机械角yaw角无法精确的表示相对于云台初始位置的水平偏转了多少角度，所以云台实现跟头拍摄并不选择直接通过飞控发送航向期望进行跟头；而是直接通过云台姿态以及电机角度解算出基座航向，设云台航向期望为基座航向，可得云台与基座的航向进行角度闭环控制，此时的航向偏差与云台检测的航向角无关，故不会包含航向检测的积分误差。
实施例二
如图3所示，在本实施例中，一种云台姿态控制系统，包括：电机控制板10和主控板20，其中，
所述电机控制板，用于采集电机的机械角数据，并将所述机械角数据发送给主控板；
所述主控板，用于根据姿态数据及所述机械角数据计算出电流期望，并将所述电流期望发送至电机控制板；
所述电机控制板，还用于根据所述电流期望进行电流闭环控制。
在本实施例中，主要用于无人机云台控制，能够通过解耦的方式获得电流期望，实现对云台姿态的电流闭环控制。
在本实施例中，所述姿态数据包括云台姿态及机体角速度，通过惯性测量单元采集得到所述姿态数据，并通过姿态航向系统对所述姿态数据进行解算得到所述云台姿态及机体角速度。
在本实施例中，所述姿态航向系统AHRS(Attitude and Heading ReferenceSystem)包括陀螺仪和加速度计，其与惯性测量单元IMU(Inertial Measurement Unit)的区别在于包含了嵌入式的姿态数据解算单元与航向信息，惯性测量单元IMU仅仅提供传感器数据，并不提供准确可靠的姿态数据，在本实施例中，所述姿态航向系统为云台上的姿态航向系统。
在本实施例中，所述主控板和电机控制板通过控制器局域网络CAN(ControllerArea Network)进行通信，电机板通过CAN总线以1000hz通过CAN给主控板发送机械角数据进行解耦控制，主控板通过CAN总线以1000hz的频率向电机板发送期望电流数据，实现整体的解耦与闭环控制。
在本实施例中，所述主控板根据姿态数据及所述机械角数据计算出电流期望包括：
以转子角速度作为姿态角度环的控制量，主控板运行姿态角度环，姿态角度环通过反馈及坐标系转换输出转子角速度期望；
根据所述转子角速度期望及所述机体角速度实现转子角速度闭环控制，并输出电流期望。
在本实施例中，主控板运行姿态角度环得出转子角速度期望，并且根据陀螺仪和机械角数据，主控板解算出转子角速度，然后运行转子角速度环，最后输出给电机电流期望，也即，主控板运行姿态角度环、转子角速度环；电机只运行电流环。
在本实施例中，电流期望通过CAN总线把电流期望发送给三个电机板，电机板通过磁场导向控制FOC(field-oriented control)方案实现电流闭环，最后对电机输出空间矢量脉宽调制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)实现云台整个闭环控制。
如图4所示，在本实施例中，云台姿态控制系统除了电机控制板10和主控板20组成的解耦部分，还包括翻转控制模块30和偏航控制模块40。
在本实施例中，翻转控制模块，用于根据所述云台姿态和所述机械角数据解算出无人机姿态，由无人机姿态量衡量翻滚程度，当所述翻滚程度达到预设的保护阈值时，进入保护模式。
现有技术中，当无人机翻转到大角度甚至直接反过来向上的姿态时，一方面电机角度达到机械允许的最大角度被堵转，另一方面姿态检测会出现roll＝90度的奇点，此时姿态会出现跳变，导致云台姿态控制失效，而本方案中，根据云台姿态和机械角数据解算出无人机姿态，由无人机姿态量衡量翻滚程度，当所述翻滚程度达到预设的保护阈值时，进入保护模式，在保护模式中，三个电机闭环控制在机械角0度，当无人机回到正常角度时，退出保护模式。
在本实施例中，所述电机控制板通过电机角度传感器采集电机的机械角数据，所述电机角度传感器包括磁编码器和线性霍尔传感器。
在本实施例中，所述电机包括横滚轴电机、俯仰轴电机和偏航轴电机，所述电机控制板包括横滚轴电机控制板、俯仰轴电机控制板和偏航轴电机控制板。
在本实施例中，偏航控制模块，用于当所述偏航轴电机的偏航机械角大于45度时，逐步减少所述偏航轴电机的转子角速度期望，当所述偏航机械角到达90度时，所述转子角速度期望为零。
当横滚轴电机mx从机械角0度旋转到机械角±90度时，出现万向节死锁，俯仰轴电机my与偏航轴电机mz逐渐趋向重合，系统由全驱动变成欠驱动，解耦中表现为z轴电机转子角速度期望wzfzd出现无穷大，此时应使wzfzd为0，为使系统平滑切换，选择从mz转到±45度时开始减少wzfzd，直到±90度时使wzfzd为0。
在本实施例中，当无人机飞行后，设置在无人机上的云台也跟着变化，如果所述偏航轴电机的偏航机械角yaw角仅仅通过姿态航向系统的陀螺仪进行积分解算，此法得到所述偏航轴电机的偏航机械角yaw角无法精确的表示相对于云台初始位置的水平偏转了多少角度，所以云台实现跟头拍摄并不选择直接通过飞控发送航向期望进行跟头；而是直接通过云台姿态以及电机角度解算出基座航向，设云台航向期望为基座航向，可得云台与基座的航向进行角度闭环控制，此时的航向偏差与云台检测的航向角无关，故不会包含航向检测的积分误差。
需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种云台姿态控制方法，其特征在于，包括：
电机控制板采集电机的机械角数据和采集姿态数据，并将所述机械角数据和所述姿态数据发送给主控板；其中，所述姿态数据包括云台姿态及机体角速度；所述电机包括偏航轴电机，当所述偏航轴电机的偏航机械角大于45度时，逐步减少所述偏航轴电机的转子角速度期望，当所述偏航机械角到达90度时，所述转子角速度期望为零；
主控板根据姿态数据及所述机械角数据计算出电流期望，并将所述电流期望发送至电机控制板；
电机控制板根据所述电流期望进行电流闭环控制。
2.根据权利要求1所述的云台姿态控制方法，其特征在于，所述采集姿态数据，包括：通过惯性测量单元采集得到所述姿态数据，并通过姿态航向系统对所述姿态数据进行解算得到所述云台姿态及机体角速度。
3.根据权利要求2所述的云台姿态控制方法，其特征在于，所述主控板根据姿态数据及所述机械角数据计算出电流期望，包括：
以转子角速度作为姿态角度环的控制量，主控板运行姿态角度环，姿态角度环通过反馈及坐标系转换输出转子角速度期望；
根据所述转子角速度期望及所述机体角速度实现转子角速度闭环控制，并输出电流期望。
4.根据权利要求2所述的云台姿态控制方法，其特征在于，根据所述云台姿态和所述机械角数据解算出无人机姿态，由无人机姿态量衡量翻滚程度，当所述翻滚程度达到预设的保护阈值时，进入保护模式。
5.根据权利要求1所述的云台姿态控制方法，其特征在于，所述电机控制板根据所述电流期望进行电流闭环控制，包括：
电机控制板根据所述电流期望通过磁场导向控制实现电流闭环；
对电机输出空间矢量脉宽调制进行电流闭环控制。
6.根据权利要求1所述的云台姿态控制方法，其特征在于，所述电机控制板通过电机角度传感器采集电机的机械角数据，所述电机角度传感器包括磁编码器和线性霍尔传感器；所述主控板和电机控制板通过控制器局域网络CAN进行通信。
7.一种云台姿态控制系统，应用于权利要求1至6任一项所述的一种云台姿态控制方法，其特征在于，所述系统包括：电机控制板和主控板，其中，
所述电机控制板，用于采集电机的机械角数据和采集姿态数据，并将所述机械角数据和姿态数据发送给主控板；其中，所述姿态数据包括云台姿态及机体角速度；所述电机包括偏航轴电机，当所述偏航轴电机的偏航机械角大于45度时，逐步减少所述偏航轴电机的转子角速度期望，当所述偏航机械角到达90度时，所述转子角速度期望为零；
所述主控板，用于根据所述姿态数据和所述机械角数据计算出电流期望，并将所述电流期望发送至电机控制板；
所述电机控制板，用于根据所述电流期望进行电流闭环控制。
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