CN110825124A - 云台控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种云台控制方法及系统，所述方法应用于三轴云台，包括：获取云台各轴的转动状态；根据所述转动状态控制云台以限制云台中间旋转轴的转动，使其关节角位于预设阈值区间内。本发明通过所获取的云台各轴的转动状态控制云台以限制云台中间旋转轴的转动，使其关节角位于预设阈值区间内，以避免云台处于万向节死锁等特殊位置状态而使得云台中的两个轴重合，即在云台工作过程中，将中间旋转轴的关节角限定在一个预设阈值区间内，以避免在转动过程中因处于特殊位置状态而导致云台控制异常的现象，从而可保持云台的正常转动。

Description

云台控制方法及系统

技术领域

本发明涉及云台设备技术领域，尤其涉及一种云台控制方法及系统。

背景技术

现有技术中，云台是为有效负载增稳的设备，例如，使用云台固定拍摄设备，可以为拍摄设备增稳，使得架设在云台上的拍摄设备即使在运动条件下也可以拍摄出流畅且稳定的画面。在使用云台固定拍摄设备进行拍摄时，云台一般按照横滚轴-俯仰轴-偏航轴或者是俯仰轴-横滚轴-偏航轴的旋转顺序控制旋转各个轴，以带动拍摄设备跟踪拍摄对象，因云台的外环控制一般采用欧拉角表示，而若旋转时云台的俯仰轴或横滚轴的欧拉角为±90°或趋近于±90°时，其余两个轴会重合而无法区分，引起云台控制异常，出现无法转动或不受控转动的现象，即产生万向节死锁的问题。

目前，通常采用机械角度限位的方式防止俯仰轴或横滚轴的欧拉角接近±90°，或者是在接近特殊位置状态时给俯仰轴或横滚轴的控制电机施加一力矩，强迫其远离万向锁状态，或者是在接近特殊位置状态时直接停掉电机，使云台处于宕机状态，上述方式限制了云台的灵活使用，且即使添加力矩后当受到外界的阻挡，仍会处于万向锁状态，而宕机的话需要手动重启，同时可能会误碰到万向锁状态，影响用户体验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种云台控制方法及系统，以达到保持云台正常转动的目的。

第一方面，本发明实施例提供了一种云台控制方法，应用于三轴云台，其包括：获取云台各轴的转动状态；根据所述转动状态控制云台以限制云台中间旋转轴的转动，使其关节角位于预设阈值区间内。

第二方面，本发明实施例还提供了一种云台控制系统，用于控制内设有控制器的三轴云台，包括：磁编码器，用于获取云台各轴的关节角角度；惯性测量单元，用于获取云台中间旋转轴的转动角度和位置；所述云台的控制器与惯性测量单元和磁编码器连接，用于根据所获取的关节角角度和转动角度控制云台以限制云台中间旋转轴的转动，使其关节角位于预设阈值区间内。

与现有技术相比，本发明通过所获取的云台各轴的转动状态控制云台以限制云台中间旋转轴的转动，使其关节角位于预设阈值区间内，以避免云台处于万向节死锁等特殊位置状态而使得云台中的两个轴重合，即在云台工作过程中，将中间旋转轴的关节角限定在一个预设阈值区间内，以避免在转动过程中因处于特殊位置状态而导致云台控制异常的现象，从而可保持云台的正常转动。

附图说明

图1为本发明实施例提供的云台控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的云台控制方法的子流程示意图；

图3为本发明实施例提供的云台控制方法的子流程示意图；以及

图4为本发明实施例提供的云台控制系统的示意性框图。

具体实施方式

为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

参照图1至图3，图1至图3展示了本发明云台控制方法的一具体实施例。本发明的云台控制方法应用于三轴云台中，所述云台用于支撑负载，其包括三个轴，分别为横滚轴(roll轴)、俯仰轴(pitch轴)及偏航轴(yaw轴)，分别对应于空间坐标系的x轴、y轴及z轴，每个轴上设有用于驱动该轴转动的电机或其他驱动元件，云台转动时，所述横滚轴(roll轴)绕x轴轴向旋转，所述俯仰轴(pitch轴)绕y轴轴向旋转，所述偏航轴(yaw轴)绕z轴轴向旋转，则三个轴可分别在相互正交的三个轴线方向实现转动，以实现云台的水平转动、横滚以及俯仰操作，以保证云台上的负载可朝向各个不同的方向；且本发明中的三轴云台按照横滚轴-俯仰轴-偏航轴或者是俯仰轴-横滚轴-偏航轴的旋转顺序旋转各个轴。

在附图1所示的实施例中，所述云台控制方法包括步骤S110-S120。

S110、获取云台各轴的转动状态。

将摄像设备等负载设置在云台上，可使得摄像设备等负载在工作时，保证较为稳定的姿态，同时可以通过设置云台各个轴的转轴方向，以使三个轴的关节臂在产生相对转动时，对云台各个方向上的姿态进行调整。

本实施例中的云台上可设置检测云台各轴的转动状态的磁编码器(或霍尔传感器)和惯性测量单元，具体地，本实施例中，所述获取云台各轴的转动状态具体为：利用磁编码器获取云台各轴的关节角角度，且利用惯性测量单元获取云台中间旋转轴的转动角度和位置；即利用惯性测量单元对云台中间旋转轴进行独立的伺服控制，所述惯性测量单元一般设置于云台中间旋转轴的驱动元件上。

S120、根据所述转动状态控制云台以限制云台中间旋转轴的转动，使其关节角位于预设阈值区间内。

由于负载在工作时，可能需要大幅调整云台各元件与负载间的相对位置，这将使得云台各轴的转动角度较大。而如果云台中存在两个轴的转动轴线重合或者接近重合时，将会造成云台无法准确判断这两个轴的运动姿态和运动趋势，引起云台控制异常，产生万向节死锁的现象。因此本发明中，对云台各轴的转动状态进行检测，以便于根据转动状态选择相应的控制策略对云台上各个轴的转动进行控制，即在云台工作过程中，始终控制调整中间旋转轴的关节角位于预设阈值区间内。

云台中各轴的转动角度为-90°～90°，本实施例中，所述预设阈值区间为-55°～45°，而在某些其他实施例中，可根据云台的实际结构特性而设置不同数值的预设阈值区间，优选地，为了避免云台中间旋转轴趋近于±90°，限定预设阈值区间的取值在±70°这个区间内，例如所述预设阈值区间还可为-70°～55°。

本发明中，所述云台中间旋转轴为云台中第二个旋转的轴，因本发明方法应用于按照横滚轴-俯仰轴-偏航轴或者是俯仰轴-横滚轴-偏航轴的旋转顺序旋转各个轴的三轴云台中，则对应于两种旋转顺序不同的云台，本发明中的中间旋转轴相应为俯仰轴或横滚轴。

在一些实施例中，若所述云台按照横滚轴-俯仰轴-偏航轴的旋转顺序旋转各个轴，如图2所示，所述步骤S120可包括步骤S121a-S123a。

S121a、判断获取的云台俯仰轴的关节角是否在预设阈值区间内。

该步骤中，首先判断云台是否处于关节角死锁状态，优选地，根据所获取的各轴的转动状态判断云台俯仰轴的关节角是否在预设阈值区间内来判断云台此时的工作状态，当云台俯仰轴的关节角在预设阈值区间内时，则此时云台不处于或不趋近于关节角死锁状态，其按照三轴控制模式正常工作；而当云台俯仰轴的关节角在预设阈值区间外时，执行步骤S122a。

S122a、当云台俯仰轴的关节角在预设阈值区间外时，锁定云台横滚轴和偏航轴，并控制俯仰轴转动以使其关节角位于预设阈值区间内。

该步骤中，若云台中的俯仰轴的关节角位于预设阈值区间外，即不为-55°～45°范围内的任意一个角度时，即云台如果不小心达到了万向锁状态(手强制拨动或云台基座转动了导致的)时，将横滚轴和偏航轴固定在一位置处，以防止云台乱动，此时控制调整俯仰轴转动以使得其关节角重新位于预设阈值区间内，具体地，根据惯性测量单元所获取的俯仰轴的转动角度实时调整俯仰轴的转动，以使其关节角位于预设阈值区间内。而若检测到的云台俯仰轴的关节角在预设阈值区间内，则正常控制云台工作，即本实施例中，在云台的俯仰轴的关节角接近可能会产生万向节死锁的范围(预设阈值区间外的范围)时，对其横滚轴和偏航轴进行限定，使得云台仍具有一定的可控性，而非直接关闭电机，而在俯仰轴的关节角为其他角度(预设阈值区间内)或者是控制调整回其他角度时，云台会处于三轴控制模式，即云台的三个轴仍然保持在正常的工作状态下。

S123a、当俯仰轴的关节角位于预设阈值区间内后，解除对横滚轴和偏航轴的锁定。

该步骤中，当俯仰轴的关节角位于预设阈值区间内后，则解除对横滚轴和偏航轴的锁定，恢复三轴控制模式。

在一些实施例中，若所述云台按照俯仰轴-横滚轴-偏航轴的旋转顺序旋转各个轴，如图3所示，所述步骤S120可包括步骤S121b-S123b。

S121b、判断获取的云台横滚轴的关节角是否在预设阈值区间内。

该步骤中，首先判断云台是否处于关节角死锁状态，优选地，通过判断云台横滚轴的关节角是否在预设阈值区间内来判断云台此时的工作状态，当云台横滚轴的关节角在预设阈值区间内时，则说明此时云台不处于或不趋近于关节角死锁状态，其按照三轴控制模式正常工作；而当云台横滚轴的关节角在预设阈值区间外时，则执行步骤S122b。

S122b、当云台横滚轴的关节角在预设阈值区间外时，锁定云台俯仰轴和偏航轴，并控制横滚轴转动以使其关节角位于预设阈值区间内。

本实施例与上述实施例不同在于，本实施例中的云台旋转轴的顺序不同，则检测其中间旋转轴(本实施例中为横滚轴)的关节角是否在预设阈值区间内，若在预设阈值区间内则正常控制云台工作，若不在则将另外两个旋转轴(本实施例中为俯仰轴和偏航轴)固定在一位置处，然后控制调整中间旋转轴转动以使得其关节角重新位于预设阈值区间内。

S123b、当横滚轴的关节角位于预设阈值区间内后，解除对俯仰轴和偏航轴的锁定。

该步骤与步骤S123a类似，在此不再赘述。

综上可知，本发明中的云台控制方法需控制中间旋转轴(根据云台旋转轴的顺序可为俯仰轴或横滚轴)的关节角位于预设阈值区间内，以尽量防止云台达到万向锁状态，而如果云台不小心达到了万向锁状态时，即当通过惯性测量单元和磁编码器(或惯性测量单元和霍尔传感器)检测到中间旋转轴的关节角在预设阈值区间外时，锁定云台另外两个轴，即将两个轴固定在一位置处，以防止云台乱动，再控制调整中间旋转轴转动以使得其关节角重新位于预设阈值区间内，恢复正常控制。

图4是本发明一实施例提供的一种云台控制系统200的示意性框图。该云台控制系统200用于控制内设有控制器230的三轴云台，如图4所示，所述云台控制系统200包括设于云台上的惯性测量单元210以及磁编码器220。

所述磁编码器220用于获取云台各轴的关节角角度；所述惯性测量单元210用于获取云台中间旋转轴的转动角度和位置；云台用于承载支撑摄像设备等负载，通过设置云台各个轴的转轴方向，以使三个轴的关节臂在产生相对转动时，对云台各个方向上的姿态进行调整，从而保证负载较为稳定的工作姿态；本实施例中通过磁编码器220和惯性测量单元210检测云台各轴的转动状态。而所述云台的控制器230与惯性测量单元210和磁编码器220连接，用于根据所获取的关节角角度和转动角度控制云台以限制云台中间旋转轴的转动，使其关节角位于预设阈值区间内；本实施例中，惯性测量单元210与控制器230还有中间旋转轴的驱动元件共同形成闭环控制系统，闭环控制系统用于实时调整中间旋转轴相对其他元件的转动，具体地，闭环控制系统中，惯性测量单元210所检测到的角度可以反馈给控制器230，控制器230可根据惯性测量单元210的检测结果对中间旋转轴的转动进行实时控制。

云台中各轴的转动角度为-90°～90°，本实施例中，所述预设阈值区间设置为-55°～45°，而在某些其他实施例中，可根据云台的实际结构特性而设置不同数值的预设阈值区间，优选地，为了避免云台中间旋转轴趋近于±90°，限定预设阈值区间的取值在±70°这个区间内，例如所述预设阈值区间还可为-70°～55°。基于上述设计，本发明在云台工作过程中，将中间旋转轴的关节角限定在一个预设阈值区间内，以避免在转动过程中因处于特殊位置状态而导致云台控制异常的现象，从而可保持云台的正常转动。

本发明中，所述云台中间旋转轴为云台中第二个旋转的轴，因本发明系统200用于控制按照横滚轴-俯仰轴-偏航轴或者是俯仰轴-横滚轴-偏航轴的旋转顺序旋转各个轴的三轴云台，则对应于两种旋转顺序不同的云台，本发明中的中间旋转轴相应为俯仰轴或横滚轴。

优选地，本实施例中，所述控制器230包括判断单元231、锁定单元232、调整单元233以及解锁单元234；本实施例中若所述云台按照横滚轴-俯仰轴-偏航轴的旋转顺序控制旋转各个轴，则所述判断单元231用于判断所获取的云台俯仰轴的关节角是否在预设阈值区间内；本实施例中，通过判断云台俯仰轴的关节角是否在预设阈值区间内来判断云台此时的工作状态；所述锁定单元232用于当云台俯仰轴的关节角在预设阈值区间外时，锁定云台横滚轴和偏航轴；所述调整单元233用于根据所获取的俯仰轴的转动角度实时调整该俯仰轴的转动以使其关节角位于预设阈值区间内；所述解锁单元234用于在控制俯仰轴关节角位于预设阈值区间内后，解除对横滚轴和偏航轴的锁定。可知，本实施例中，控制器230中的判断单元231判断云台俯仰轴的关节角是否位于预设阈值区间内，若否，即在云台的俯仰轴的关节角接近可能会产生万向节死锁的范围(预设阈值区间外的范围)时，锁定单元232对其横滚轴和偏航轴进行限定，以将该横滚轴和偏航轴固定在一位置处，防止云台乱动，此时调整单元233控制调整俯仰轴转动，其在控制转动过程中根据惯性测量单元210获取的转动角度对俯仰轴的转动进行实时控制调整，以使得其关节角重新位于预设阈值区间内；而在俯仰轴的关节角为其他角度(预设阈值区间内)时，云台会处于三轴控制模式，即解锁单元234解除对横滚轴和偏航轴的锁定，使得云台的三个轴仍然保持在正常的工作状态下，云台正常工作。

可理解地，在某些其他实施例中，若所述云台按照俯仰轴-横滚轴-偏航轴的旋转顺序旋转各个轴，则所述判断单元231用于判断所获取的云台横滚轴的关节角是否在预设阈值区间内；所述锁定单元232用于当云台横滚轴的关节角在预设阈值区间外时，锁定云台俯仰轴和偏航轴；所述调整单元233用于根据所获取的横滚轴的转动角度实时调整该横滚轴的转动以使其关节角位于预设阈值区间内；所述解锁单元234用于在控制横滚轴关节角位于预设阈值区间内后，解除对俯仰轴和偏航轴的锁定。该实施例中云台旋转轴的顺序与上述实施例不同，则其调整控制关节角在预设阈值区间内的轴为横滚轴，而在横滚轴的关节角在预设阈值区间外时，锁定的轴为俯仰轴和偏航轴。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的。例如，各个单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。本发明实施例装置中的单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种云台控制方法，应用于三轴云台，其特征在于，所述云台控制方法包括：

获取云台各轴的转动状态；

根据所述转动状态控制云台以限制云台中间旋转轴的转动，使其关节角位于预设阈值区间内。

2.如权利要求1所述的云台控制方法，其特征在于，所述根据所述转动状态控制云台以限制云台中间旋转轴的转动，使其关节角位于预设阈值区间内，包括：

判断获取的云台中间旋转轴的关节角是否在预设阈值区间内；

当云台中间旋转轴的关节角在预设阈值区间外时，锁定云台另外两旋转轴，并控制中间旋转轴转动以使其关节角位于预设阈值区间内。

3.如权利要求2所述的云台控制方法，其特征在于，所述控制中间旋转轴转动以使其关节角位于预设阈值区间内之后，还包括：解除对云台另外两旋转轴的锁定。

4.如权利要求2所述的云台控制方法，其特征在于，所述控制中间旋转轴转动以使其关节角位于预设阈值区间内具体为：根据获取的中间旋转轴的转动角度实时调整该中间旋转轴的转动，以使其关节角位于预设阈值区间内。

5.如权利要求1所述的云台控制方法，其特征在于，所述获取云台各轴的转动状态具体为：利用磁编码器获取云台各轴的关节角角度，且利用惯性测量单元获取云台中间旋转轴的转动角度和位置。

6.一种云台控制系统，用于控制内设有控制器的三轴云台，其特征在于，包括：

磁编码器，用于获取云台各轴的关节角角度；

惯性测量单元，用于获取云台中间旋转轴的转动角度和位置；

所述云台的控制器与惯性测量单元和磁编码器连接，用于根据所获取的关节角角度和转动角度控制云台以限制云台中间旋转轴的转动，使其关节角位于预设阈值区间内。

7.如权利要求6所述的云台控制系统，其特征在于，所述控制器包括：

判断单元，用于判断云台中间旋转轴的关节角是否在预设阈值区间内；

锁定单元，用于当云台中间旋转轴的关节角在预设阈值区间外时，锁定云台另外两旋转轴；

调整单元，用于根据获取的中间旋转轴的转动角度实时调整该中间旋转轴的转动，以使其关节角位于预设阈值区间内。

8.如权利要求7所述的云台控制系统，其特征在于，所述控制器还包括解锁单元，用于在控制中间旋转轴位于预设阈值区间内后，解除对云台另外两旋转轴的锁定。

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