CN110545050A - 压电执行器驱动的目标图像跟踪云台及其驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电执行器驱动的目标图像跟踪云台及其驱动控制方法，所述的目标跟踪云台至少有两个自由度，包括一个旋转自由度和一个仰俯自由度。旋转框架安装在水平回转轴上端，随着水平回转轴旋转而旋转，形成旋转运动；旋转运动和仰俯运动是两套不干涉的独立运动。探测镜头模组安装在旋转框架上，旋转框架安装在俯仰回转轴上，随俯仰回转轴旋转而旋转，形成仰俯运动。压电执行器安装时直接采用双端压紧固定的方法，能产生纵向和横向的复合振动分别驱动水平回转轴和俯仰回转轴，两个为一对，运行时仿生人类的双足行走。

Description

压电执行器驱动的目标图像跟踪云台及其驱动控制方法

技术领域

本发明属于目标跟踪定位技术领域，具体涉及一种压电执行器驱动的目标图像跟踪云台及其驱动控制方法。

背景技术

云台设备产生旋转和仰俯两个自由度的运动，带动光学镜头实现对低空无人机等目标的搜索和定位等功能，配合通讯设备，可形成用于小型无人机的自主着陆辅助器，或者作为低空安防系统的搜索器材等。在技术上要求其能在较远的距离发现无人机等目标，并具有对目标的连续跟踪能力，和对距离/姿态等参量的测量能力。小型化和低成本化是此类设备的发展趋势。此类设备往往采用伺服电机等电磁电机作为驱动器。电磁电机的低速特性和精度并不好，往往需要减速设备进行减速，会引入额外的回程间隙等系统误差，在原理上限制了对目标的跟踪、测量精度和速度，而且设备笨重。为此，提出了利用具有高精度、快响应特性的压电执行器驱动的目标图像跟踪方案，旨在提高精度、简化结构、降低成本、提高便携性，便于普及应用。

目标跟踪设备发明专利很多，但主要关注跟踪算法、机器学习和特定目标等，极少有关注驱动硬件。跟踪响应速度和跟踪精度等能力的提升对于提升跟踪设备性能有直接影响。而目前检索到的专利基本上都是默认传统的伺服电磁电机驱动方式。传统的电磁电机伺服云台精度是有限的，为了获得更高的精度，大型跟踪系统往往采用二级伺服系统，但提高精度的同时，设备体积和成本大幅攀升。

现有技术存在如下问题难以解决：

(1)电磁电机难以在低速下运行，必须引入减速机构才能实现低转速驱动，实现云台的慢速转动。这一过程会引入回程间隙等系统误差，增加系统重量和复杂程度，很难达到较高的精度。

(2)电磁电机驱动精度和体积成本密切相关，提高精度必然增大体积重量，增加二自由度/多自由度跟踪的设计难度，使设备丧失便携性，同时也会带来成本的增加。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有高精度、快响应特点的压电执行器，提出了驱动控制方法，用作新型目标搜索跟踪云台的驱动器：利用两组压电执行器分别实现对镜头组的水平旋转和仰俯运动的驱动，实现对目标的高精度跟踪；提出了利用压电执行器本身变形实现一个步长内高精度定位控制，大幅提高定位精度。

技术方案

一种压电执行器驱动的目标图像跟踪云台，其特征在于包括云台底座、第一编码器、第一轴承及预紧系统、水平旋转用压电陶瓷复合驱动器、另一只水平旋转用压电陶瓷复合驱动器、旋转框架、仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器、另一只仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器、第二轴承、探测镜头模组、镜头模组安装框架、仰俯回转轴、第二编码器和水平回转轴；水平回转轴通过第一轴承及预紧系统安装在云台底座上，水平回转轴的下端连接第一编码器，在水平回转轴的一侧安装水平旋转用压电陶瓷复合驱动器和另一只水平旋转用压电陶瓷复合驱动器；旋转框架固连在水平回转轴上端，随着水平回转轴旋转而旋转，仰俯回转轴通过两端的第二轴承安装在旋转框架上，且仰俯回转轴与水平回转轴是垂直的，仰俯回转轴的一端与第二编码器连接，在仰俯回转轴的一侧安装仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器和另一只仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器，探测镜头模组安装在镜头模组安装框架上，镜头模组安装框架安装在仰俯回转轴上，随仰俯回转轴旋转而旋转，形成仰俯运动；所述的水平旋转用压电陶瓷复合驱动器、另一只水平旋转用压电陶瓷复合驱动器、仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器、另一只仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器的结构相同，包括横向叠层压电陶瓷接触头、横向叠层压电陶瓷、对称安装的横向叠层压电陶瓷、纵向叠层压电陶瓷、纵向叠层压电陶瓷接触头、对称安装的横向叠层压电陶瓷接触头和中间金属体，在中间金属体的一侧安装横向叠层压电陶瓷，另一侧对称安装的横向叠层压电陶瓷，与横向叠层压电陶瓷垂直安装纵向叠层压电陶瓷，在横向叠层压电陶瓷的端头设有横向叠层压电陶瓷接触头，在对称安装的横向叠层压电陶瓷的端头设有对称安装的横向叠层压电陶瓷接触头，在纵向叠层压电陶瓷的端头设有纵向叠层压电陶瓷接触头，其中横向叠层压电陶瓷接触头、对称安装的横向叠层压电陶瓷接触头与限位端接触，纵向叠层压电陶瓷接触头与回转轴接触。

还包括安装在水平回转轴另一侧的对称安装的水平旋转用压电陶瓷复合驱动器、对称安装的另一只水平旋转用压电陶瓷复合驱动器。

还包括安装在仰俯回转轴另一侧的对称安装的仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器、对称安装的另一只仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器。

一种目标图像跟踪云台的驱动控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：首先通过测量手段得到电压位移滞回曲线，获得与运动状态相符的驱动电压与压电陶瓷执行器变形量的关系；

步骤2：根据步骤1得到的关系给压电陶瓷执行器输入相应的驱动电压，由编码器测量位移，再返回调整电压控制仰俯回转轴或水平回转轴的转动角度。

有益效果

本发明提出的一种压电执行器驱动的目标图像跟踪云台及其驱动控制方法，有益效果如下：

(1)提高了响应速度和定位精度。压电元件本身的响应速度在毫秒数量级，压电执行器步长在微米数量级，本身直接驱动精度就能达到微米级，而压电执行器本身的变形能在此基础上提供更高的定位精度。因而，利用压电执行器替代传统电磁电机，在获得快响应的同时，能够将驱动端精度提高到高于微米级精度。

(2)提供了便捷的安装方式。所提出的压电执行器复合驱动元件可直接夹持安装，形成两端固支结构，便于安装，并保持定位精度。

(3)减轻了重量，为系统的小型化提供了一种技术途径，增加了便携性。

附图说明

图1压电执行器驱动的目标图像跟踪云台结构原理示意图：其中：11.云台底座，12.编码器，13.轴承及预紧系统，14.水平旋转用压电陶瓷复合驱动器，15.另一只水平旋转用压电陶瓷复合驱动器，16.旋转框架，17.仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器，18.另一只仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器，19.轴承，110.对称安装的仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器，111.对称安装的另一只仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器，112.镜头模组，113.镜头模组安装框架，114.仰俯回转轴，115.编码器，116.对称安装的水平旋转用压电陶瓷复合驱动器，117.对称安装的另一只水平旋转用压电陶瓷复合驱动器，118.水平回转轴，119.定位挡圈，120.端盖。

图2一种压电陶瓷复合驱动组件：其中：21.横向叠层压电陶瓷接触头，22.横向叠层压电陶瓷，23.纵向叠层压电陶瓷，24.纵向叠层压电陶瓷接触头，25.中间金属体，26.对称安装的横向叠层压电陶瓷，27.对称安装的横向叠层压电陶瓷接触头。

图3压电陶瓷复合驱动组件的极化和激励方式：其中：31.横向叠层压电陶瓷的一组电极，32.横向叠层压电陶瓷的另一组电极，33.纵向叠层压电陶瓷的一组电极，34.纵向叠层压电陶瓷的另一组电极，35.对称安装的横向叠层压电陶瓷的一组电极，36.对称安装的横向叠层压电陶瓷的另一组电极。

图4压电陶瓷复合驱动组件的变形和接触头运动轨迹图：其中：41.横向叠层压电陶瓷固定端限位，42.纵向叠层压电陶瓷接触头的某一位置，43.纵向叠层压电陶瓷接触头椭圆运动轨迹，44.纵向叠层压电陶瓷原始位置(无激励电压)，45.另一侧横向叠层压电陶瓷固定端限位，46.横向叠层压电陶瓷弹性支撑元件，47.纵向叠层压电陶瓷固定端限位。

图5电压位移滞回曲线：其中：51.电压减小时位移曲线，52.电压增加时位移曲线。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明所述的目标跟踪云台结构如图1所示，至少有两个自由度，包括一个旋转自由度和一个仰俯自由度。11为底座，16为旋转框架，旋转框架16安装在水平回转轴118上端，随着水平回转轴118旋转而旋转，形成旋转运动。探测镜头模组112安装在框架113上，框架113安装在俯仰回转轴114上，随俯仰回转轴114旋转而旋转，形成仰俯运动。旋转运动和仰俯运动是两套不干涉的独立运动，分别驱动。利用一组压电执行器14、15、116和117驱动回转轴118做旋转运动，另外一组压电执行器17、18、110和111驱动回转轴114做仰俯运动。13和19为轴承预紧体系，保证达到较高的轴向回转精度。12和115为编码器，用于测量和控制旋转位置和速度。

压电执行器为一种压电陶瓷复合驱动组件，其结构如图2所示。该组件包含横向叠层压电陶瓷22、对称安装的横向叠层压电陶瓷26、纵向叠层压电陶瓷23和中间金属体25。两个横向叠层压电陶瓷元件构成横向振动系统，一个伸长时另一个缩短，总体长度不变，一个纵向叠层压电陶瓷元件构造纵向振动系统。纵向叠层压电陶瓷接触头24为驱动头。

压电执行器，激励时，一个横向压电执行器的驱动电极接正弦激励信号，其另一个电极接地；对应的另一个横向压电执行器的驱动电极接负电压正弦激励信号，其另一个电极接地；纵向压电执行器的驱动电极接余弦激励信号，其另一个电极接地。

图3给出了压电元件极化和激励的方式。一个常规但不唯一的极化和激励方式是：极化时横向叠层压电陶瓷的一组电极31、纵向叠层压电陶瓷的一组电极33和对称安装的横向叠层压电陶瓷的另一组电极36接正电压，横向叠层压电陶瓷的另一组电极32、纵向叠层压电陶瓷的另一组电极34和对称安装的横向叠层压电陶瓷的一组电极35接负电压；激励时横向叠层压电陶瓷的一组电极31、横向叠层压电陶瓷的一组电极35接正弦信号，纵向叠层压电陶瓷的一组电极33接余弦信号，横向叠层压电陶瓷的另一组电极32、纵向叠层压电陶瓷的另一组电极34和对称安装的横向叠层压电陶瓷的另一组电极36接地。使得左侧横向叠层压电陶瓷振幅与右侧横向叠层压电陶瓷振幅相反，造成中间金属体的左右平移，纵向叠层压电陶瓷与横向振动压电陶瓷保持90度振动相位差。

压电执行器安装在横向叠层压电陶瓷限位端41和另一侧横向叠层压电陶瓷限位端45之间，采用左右夹紧的方式固定，精度高、装夹容易，远优于目前国际市场上能见到的压电直线驱动器的弹性安装固定方式。压电执行器振动时，纵向叠层压电陶瓷接触头24的运动轨迹为椭圆43，压电执行器振动时，纵向叠层压电陶瓷接触头24的运动轨迹为椭圆43，42为压电执行器驱动头24的某一位置，44为纵向叠层压电陶瓷无激励电压的原始位置。横向叠层压电陶瓷弹性支撑元件46用于平衡掉上端纵向压电陶瓷24的振动力。椭圆振动是振动驱动的基本原理，有STICK-SLIP接触模型和赫兹接触模型等描述其驱动机理。接触头与圆柱面之间通常会涂摩擦材料(耐磨层)，以提高驱动效果、延长寿命。

压电执行器两个为一对，运行时仿生人类的双足行走，在本发明中的驱动对象为转轴，驱动端面为圆柱面。接触头与圆柱面之间通常会涂摩擦材料(耐磨层)，以提高驱动效果、延长寿命。两个压电执行器振动相位差为180度。为了增加功率和抵消驱动时产生的振动，在另一侧对称布置了一对压电执行器，4个压电执行器为一组。为降低成本，可以将压电执行器14、15、116和117，缩减为仅采用14和15或者14和117两个压电执行器驱动回转轴118做旋转运动；另一组同样也可以将压电执行器17、18、110和111缩减为仅采用17和18或者17和110，驱动回转轴114做仰俯运动。

所提出的压电执行器驱动方式总的来说是一种步进方式。通常，步进步长在微米数量级(10^-6m)，由连续的步进达到对目标的快速跟踪。驱动电压越大，跟踪速度越高，驱动频率越高，跟踪速度越高。

在静止或者对低速目标跟踪时，若驱动端所需要移动位移小于一个步长，可通过压电陶瓷组件本身的变形量进行精细的目标跟踪驱动。压电执行器上的变形量并不与所施加的驱动电压成正比，变形要滞后于电压的变化，这是因为压电器件存在滞回效应。实现精细的目标跟踪就是需要将所需的微小位移量与所需施加的电压对应起来。

首先通过测量手段得到图5所示的电压位移滞回曲线，获得与运动状态相符的驱动电压与压电陶瓷执行器变形量的关系。若是只是用特定的驱动电压，可编制电压与位移的关系表，在使用时通过查表的方式获得与运动状态相符的驱动电压与压电陶瓷执行器变形量的对应关系。若是使用多种驱动电压，需要先将电压位移滞回曲线做线性变换，获得相应电压下与运动状态相符的变形量的关系。

低速下高精度定位时，利用正在驱动的压电陶瓷组件在驱动电压下的变形量可形成定位精度高于步长精度的精确定位。跟踪定位时，可根据施加精细的变形电压使云台定位在超过编码器测量精度的精确位置上。也可根据实际施加的电压，预估出高于编码器等位移传感器测量精度的实际位移值。

本发明所述的目标跟踪云台具有高精度、快响应和轻便便携的优点。

控制方法：

所提出的压电执行器驱动方式总的来说是一种步进方式。常规的电磁电机驱动的跟踪系统步长决定了定位的精度。本发明提出的压电执行器驱动方式结合先进的控制方法，其定位精度能达到远小于步长的精度，甚至超过所采用的编码器等测量传感器的精度。

执行器步进时步长的大小与在压电陶瓷上所施加的激励信号电压的大小有关，激励信号电压越大，相应的作用在压电陶瓷上的电场强度也就越大，因而压电陶瓷变形量就越大，对应的步进步长也就越大。通常，步进步长在微米数量级(10^-6m)，系统本身直接提供的定位精度就已远在普通电磁电机系统之上。通过改变驱动电压或驱动频率的方法改变步长，也就是改变了驱动速度。

在静止或者对低速目标跟踪时，若驱动端所需要移动位移小于一个步长，仍可通过压电陶瓷组件本身的变形量进行精细的目标跟踪驱动。可提前编制当前所用电压下电压与位移的关系表，在使用时通过查电子表格的方式获得与运动状态相符的驱动电压与压电陶瓷执行器变形量的对应关系，直接将驱动电压变化为该电压，达到精确定位的目的。

但此时压电执行器上的变形量并不与所施加的驱动电压成正比，变形要滞后于电压的变化，这是因为压电器件存在滞回效应。图5为其电压位移滞回曲线示意图，51为电压减小时的位移曲线，52为电压增加时的位移曲线。

实现精细的目标跟踪就是需要将所需的微小位移量与所需施加的电压对应起来。

对应的驱动控制步骤：

(1)首先通过测量手段得到图5所示的电压位移滞回曲线，获得与运动状态相符的驱动电压与压电陶瓷执行器变形量的关系。

(2)若是只是用特定的驱动电压，可编制电压与位移的关系表，在使用时通过查表的方式获得与运动状态相符的驱动电压与压电陶瓷执行器变形量的对应关系。

(3)若是使用多种驱动电压，需要先将电压位移滞回曲线做线性变换，获得相应电压下与运动状态相符的变形量的关系。

(4)位移由编码器等位移传感器测量得到，但是编码器本身是有精度极限的。压电执行器的位移通常应在编码器的测量下实现，但其有超过编码器精度的驱动潜力。在编码器最小刻度之间，其仍可通过所给的精细电压，估计出对应的当前位移。

Claims (4)

1.一种压电执行器驱动的目标图像跟踪云台，其特征在于包括云台底座(11)、第一编码器(12)、第一轴承及预紧系统(13)、水平旋转用压电陶瓷复合驱动器(14)、另一只水平旋转用压电陶瓷复合驱动器(15)、旋转框架(16)、仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器(17)、另一只仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器(18)、第二轴承(19)、探测镜头模组(112)、镜头模组安装框架(113)、仰俯回转轴(114)、第二编码器(115)和水平回转轴(118)；水平回转轴(118)通过第一轴承及预紧系统(13)安装在云台底座(11)上，水平回转轴(118)的下端连接第一编码器(12)，在水平回转轴(118)的一侧安装水平旋转用压电陶瓷复合驱动器(14)和另一只水平旋转用压电陶瓷复合驱动器(15)；旋转框架(16)固连在水平回转轴(118)上端，随着水平回转轴(118)旋转而旋转，仰俯回转轴(114)通过两端的第二轴承(19)安装在旋转框架(16)上，且仰俯回转轴(114)与水平回转轴(118)是垂直的，仰俯回转轴(114)的一端与第二编码器(115)连接，在仰俯回转轴(114)的一侧安装仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器(17)和另一只仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器(18)，探测镜头模组(112)安装在镜头模组安装框架(113)上，镜头模组安装框架(113)安装在仰俯回转轴(114)上，随仰俯回转轴(114)旋转而旋转，形成仰俯运动；所述的水平旋转用压电陶瓷复合驱动器(14)、另一只水平旋转用压电陶瓷复合驱动器(15)、仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器(17)、另一只仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器(18)的结构相同，包括横向叠层压电陶瓷接触头(21)、横向叠层压电陶瓷(22)、对称安装的横向叠层压电陶瓷(26)、纵向叠层压电陶瓷(23)、纵向叠层压电陶瓷接触头(24)、对称安装的横向叠层压电陶瓷接触头(27)和中间金属体(25)，在中间金属体(25)的一侧安装横向叠层压电陶瓷(22)，另一侧对称安装的横向叠层压电陶瓷(26)，与横向叠层压电陶瓷(22)垂直安装纵向叠层压电陶瓷(23)，在横向叠层压电陶瓷(22)的端头设有横向叠层压电陶瓷接触头(21)，在对称安装的横向叠层压电陶瓷(26)的端头设有对称安装的横向叠层压电陶瓷接触头(27)，在纵向叠层压电陶瓷(23)的端头设有纵向叠层压电陶瓷接触头(24)，其中横向叠层压电陶瓷接触头(21)、对称安装的横向叠层压电陶瓷接触头(27)与限位端接触，纵向叠层压电陶瓷接触头(24)与回转轴接触。

2.根据权利要求1所述的一种压电执行器驱动的目标图像跟踪云台，其特征在于还包括安装在水平回转轴(118)另一侧的对称安装的水平旋转用压电陶瓷复合驱动器(116)、对称安装的另一只水平旋转用压电陶瓷复合驱动器(117)。

3.根据权利要求1所述的一种压电执行器驱动的目标图像跟踪云台，其特征在于还包括安装在仰俯回转轴(114)另一侧的对称安装的仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器(110)、对称安装的另一只仰俯驱动用压电陶瓷复合驱动器(111)。

4.一种对权利要求1所述的压电执行器驱动的目标图像跟踪云台的驱动控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：首先通过测量手段得到电压位移滞回曲线，获得与运动状态相符的驱动电压与压电陶瓷执行器变形量的关系；

步骤2：根据步骤1得到的关系给压电陶瓷执行器输入相应的驱动电压，由编码器测量位移，再返回调整电压控制仰俯回转轴(114)或水平回转轴(118)的转动角度。