CN111142577A - 一种高精度、响应迅速的云台系统 - Google Patents

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张准
邝健洲
刘阳
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Abstract

本发明公开了一种高精度、响应迅速的云台系统，包括第一云台电机、第二云台电机、第一云台电机配套电调、第二云台电机配套电调和MCU主控板；由于第一云台电机和第二云台电机使用了霍尔传感器进行电机状态的采集，经过第一云台电机配套电调和第二云台电机配套电调的数据解算和回传，将数据反馈到MCU主控板上，因此MCU主控板可以根据回传的数据实时地调整对电机的控制量，使其可以稳定在一个位置上，当云台位置出现偏差时，就会经过云台电机配套的电调反馈到MCU主控板上，MCU主控板就会通过这个数据调整电机的控制量，使其回到原来的位置上。本发明随时切换控制流程能够防止其中一个信号反馈路线的丢失，可以达到高精度控制以及响应迅速的特点。

Description

一种高精度、响应迅速的云台系统
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种高精度、响应迅速的云台系统。
背景技术
机器人已经服务于生活中的方方面面了，有的机器人使用四轮的移动平台进行全方位的运动，有的机器人在移动底盘的基础上搭载一系列的传感器，方便人们进行一些数据的测量。还有的机器人搭载了摄像头，给人们一种第一视角的操作体验。云台系统一般会搭载在此类机器人上。一般该类机器人会搭载一个双轴或者三轴的云台系统。
由于现实生活中的平面都是粗糙不平的，机器人移动平台的轮子也存在粗糙的平面。所以，机器人移动平台在运动时难免会出现轻微的抖动，导致一些参数出现偏差，影响机器人移动平台的正常运作。为了克服上述现象，现有的机器人移动平台大多会在机器人的底盘基础上加上云台系统。云台系统目的就是稳定搭载在机器人移动平台上面的设备，比如摄像头，传感器等。由于云台需要在一个不断振动以及运动的物体上保持稳定，所以云台的控制精度要高，响应要迅速，才能使搭载在云台上面的摄像头捕捉到清晰的画面，传感器能获取到真实的信息。
现有的关于云台系统稳定控制的技术方案，大多需要依赖高精度加速度传感器进行数据采集与反馈。这个数据处理的过程容易导致检测延迟、容易出现故障。而且在大批量生产过程中，运用这种高精度的加速度传感器无疑增加了生产成本。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种高精度、响应迅速的云台系统。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种高精度、响应迅速的云台系统，包括第一云台电机、第二云台电机、第一云台电机配套电调、第二云台电机配套电调和MCU主控板；
所述第一云台电机与第一云台电机配套电调进行电性连接，所述第二云台电机与第二云台电机配套电调进行电性连接，所述第一云台电机配套电调与MCU主控板电性连接，所述第二云台电机配套电调与MCU主控板电性连接；
所述第一云台电机上的传感器发送信号从而获取当前电机运动的状态数据，状态数据包括电机当前的角度值、电机当前的角速度、电机当前的电流值以及电机当前的温度，并将该状态数据反馈给第一云台电机配套电调；
所述第二云台电机上的传感器发送信号从而获取当前电机运动的状态数据，状态数据包括电机当前的角度值、电机当前的角速度、电机当前的电流值以及电机当前的温度，并将该状态数据反馈给第二云台电机配套电调；
所述第一云台电机配套电调接收到反馈的状态数据后将进行即时的结算，并将结算好的数据打包成一个个数据包传回到MCU主控板上；
所述第二云台电机配套电调接收到反馈的状态数据后将进行即时的结算，并将结算好的数据打包成一个个数据包传回到MCU主控板上；
所述MCU主控板根据回传的数据实时地调整对电机的控制量，使其稳定在一个位置上，
所述第一云台电机配套电调和第二云台电机配套电调还用于接收MCU主控板的控制报文，此控制报文是用于向电机发送控制指令控制驱动器的电压输出。
进一步地，所述MCU主控板上设置有PID控制器，在电机控制量的计算方式中，MCU主控板接收到第一云台电机配套电调和第二云台电机配套电调的回传数据后，自动地加载MCU控制器上的PID控制器。
进一步地，所述MCU主控板上设置有多个不一样的PID控制器，即使用了多个不一样的控制流程，PID控制流程的输入信号来源于多个不同的位置，互不干扰，每一个PID控制流程都不相同，每一个反馈信号都不一样，不同的PID控制流程的反馈参数随时进行切换，加强云台的稳定性。
进一步地，所述高精度、响应迅速的云台系统还包括遥控器，用于工作人员控制云台系统。
进一步地，PID控制器的PID算法为双环PID算法，对第一云台电机反馈的状态数据进行自动控制算法具体包括：
第一步获取所述第一云台电机当前参数(Now1)和使用者通过遥控输入的目标参数(Target1)；通过对当前参数和目标参数取差值，获得当前值和目标值的误差(error1)，将此参数作为第一个PID控制器的第一个参数，加载到第一个PID控制器上；此时，第一个PID控制器的比例项系数(P1)、积分项系数(I1)、微分项系数(D1)三个值将分别和输入进第一个PID控制器的误差值(error1)进行乘积运算；误差值(error1)与P1值的乘积成为C11，误差值(error1)与I1值的乘积成为C12，误差值(error1)与D1值的乘积成为C13；乘积运算结束后，需要对C12值进行限幅，即限制C12的大小；此后，将C11、限幅了的C12、C13三个值相加起来作为第一个PID控制环的输出；
第二个PID控制环的目标参数(Target2)为第一个PID控制环的输出，第二个PID控制环的当前参数为所述第一云台电机的电机转速(Now2)，通过对当前参数和目标参数取差值，获得当前值和目标值的误差(error2)，将此误差作为第二个PID控制器的第一个参数，加载到第二个PID控制器上；此时，第二个PID控制器的比例项系数(P2)、积分项系数(I2)、微分项系数(D2)三个值将分别和输入进第二个PID控制器的误差值进行相乘；误差值(error2)与P2值的乘积成为C21，误差值(error2)与I值的乘积成为C22，误差值(error2)与D值的乘积成为C23；乘积结束后，需要对C22值进行限幅，即限制C22的大小；此后，将C21、限幅了的C22、C23三个值相加起来作为第二个PID控制环的输出。
进一步地，所述第一云台电机配套电调和所述第二云台电机配套电调通过CAN通信的方式把数据传回到MCU主控板上。
进一步地，所述第一云台电机与第二云台电机为霍尔电机，其上的传感器为霍尔传感器。
进一步地，所述高精度、响应迅速的云台系统还包括底盘，云台系统设置于底盘上，所述底盘为双轴固定底盘。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明使用了多个不一样的PID控制器，即使用了多个不一样的控制流程。PID控制流程的输入信号来源于多个不同的位置，互不干扰。每一个PID控制流程都不相同，每一个反馈信号都不一样，有的反馈信号来源于电机反馈的数据，有的反馈信号来源于MCU上集成的加速度计。而且不同的PID控制流程的反馈参数还能随时进行切换，加强云台的稳定性。因此，云台系统的每一个自由度都有专门为之优化的PID控制器。将云台的每一个自由度独立起来，每一个自由度使用一种PID控制器，可以针对每一个轴做单独的闭环操作，有针对性地控制云台系统的每一个自由度，避免一个自由度的控制稳定而有的自由度控制滞后或超前这类情况的发生。随时切换控制流程能够防止其中一个信号反馈路线的丢失，可以达到高精度控制以及响应迅速的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明高精度、响应迅速的云台系统的元件连接图；
图2是本发明PID控制器流程图；
图3是本发明PID控制器算法实现的流程图。
具体实施方式
为便于更好的理解本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。
本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。其次，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例
如图1所示，本发明提供一种高精度、响应迅速的云台系统，由以下部分组成：云台电机1、云台电机2、云台电机配套电调1、云台电机配套电调2和MCU主控板，MCU主控板上集成有加速度计。
所述云台电机1与云台电机配套电调1进行电性连接，所述云台电机2与云台电机配套电调2进行电性连接，所述云台电机配套电调1与MCU主控电性连接，所述云台电机配套电调2与MCU主控电性连接。
云台的底盘使用自主设计研发的双轴固定底盘，稳定可靠。此云台系统有着左右170度和上下40度的大角度转动范围。大角度的转动范围不仅扩大了机器人的视野，也可以增强使用者的感官体验。所述云台电机1与云台电机2为霍尔电机，使用霍尔传感器的好处是可以对电机编码，通过电机上的霍尔元件的发送信号来获取当前电机运动的状态，除此之外，带霍尔传感器的电机在使用时状态稳定，扭矩大，无异响。通过所述云台电机配套电调1和云台电机配套电调2上面搭载的芯片可以结算霍尔元件反馈的数据。反馈的数据包括电机当前的角度值、电机当前的角速度、电机当前的电流值以及电机当前的温度。电机配套的电调接收到霍尔元件的反馈数据后将进行即时的结算，并将结算好的数据打包成一个个数据包，通过CAN通信的方式把数据传回到MCU主控板上。
所述云台电机配套电调1和云台电机配套电调2上面除了有霍尔数据解算的功能以外，还可以接收MCU主控板的控制报文，此控制报文是用于向电机发送控制指令控制驱动器的电压输出。
由于所述云台电机1和云台电机2使用了霍尔传感器进行电机状态的采集，经过云台电机配套电调1和云台电机配套电调2的数据解算和回传，将数据反馈到MCU上。因此MCU可以根据回传的数据实时地调整对电机的控制量，使其可以稳定在一个位置上。当云台位置出现偏差时，就会经过云台电机配套的电调反馈到MCU上，MCU就会通过这个数据调整电机的控制量，使其回到原来的位置上。
在电机控制量的计算方式中，MCU主控板接收到所述云台电机配套的电调的回传数据后，自动地加载MCU主控板上的PID控制器。该控制器是一个经典的自动控制算法，作用是可以将需要控制的物理量带到目标附近，可以“预见”这个量的变化趋势，也可以消除因为散热、阻力等因素造成的静态误差等作用。小到控制一个元件的温度，大到控制无人机的飞行姿态和飞行速度，其中都有PID控制器的身影。PID流程图参照附图说明——PID控制器流程图。
目前市面上的绝大部分产品都使用单一的PID控制器的控制方法，即一款产品上使用的PID控制流程是同一个，PID控制器的输入信号的来源位置只有1个，反馈信号的来源位置也只有1个。一般的云台系统都会使用到PID控制流程，并且大部分的做法是每个自由度都使用上述的控制流程，即使用同一个PID控制器。这样的好处是程序体积得以压缩，但会出现控制效果不好的情况。如有套PID控制器适合左右转动的控制，但对于上下转动来说，控制效果不好，上下转动的轴就会出现无规律抖动的现象，导致云台系统的不稳，导致传感器数据出现偏差、获取的图像不清晰等现象。这就是PID控制器出现了问题的其中一种表现形式。
本发明使用了多个不一样的PID控制器，即使用了多个不一样的控制流程。PID控制流程的输入信号来源于多个不同的位置，互不干扰。每一个PID控制流程都不相同，每一个反馈信号都不一样，有的反馈信号来源于电机反馈的数据，有的反馈信号来源于MCU上集成的加速度计。而且不同的PID控制流程的反馈参数还能随时进行切换，加强云台的稳定性。因此，云台系统的每一个自由度都有专门为之优化的PID控制器。将云台的每一个自由度独立起来，每一个自由度使用一种PID控制器，可以针对每一个轴做单独的闭环操作，有针对性地控制云台系统的每一个自由度，避免一个自由度的控制稳定而有的自由度控制滞后或超前这类情况的发生。随时切换控制流程能够防止其中一个信号反馈路线的丢失而使云台控制系统。
如图2所示，当前云台电机数据以及陀螺仪数据会不断地传到MCU，而MCU内部的PID控制器就会不断地做比例、积分、微分的运算，不断地调整该电机的控制量，以达到云台姿态的调整与稳定。
本发明PID控制器算法由软件实现，流程图如3所示，此PID算法为双环PID算法，此算法以所述云台电机1为例。
第一步获取所述云台电机1当前参数(Now1)和使用者通过遥控输入的目标参数(Target1)。通过对当前参数和目标参数取差值，获得当前值和目标值的误差(error1)，将此参数作为第一个PID控制器的第一个参数，加载到第一个PID控制器上。此时，第一个PID控制器的比例项系数(P1)、积分项系数(I1)、微分项系数(D1)三个值将分别和输入进第一个PID控制器的误差值(error1)进行乘积运算。误差值(error1)与P1值的乘积成为C11，误差值(error1)与I1值的乘积成为C12，误差值(error1)与D1值的乘积成为C13。乘积运算结束后，需要对C12值进行限幅，即限制C12的大小。此后，将C11、限幅了的C12、C13三个值相加起来作为第一个PID控制环的输出。
第二个PID控制环的目标参数(Target2)为第一个PID控制环的输出，第二个PID控制环的当前参数为所述云台电机1的电机转速(Now2)，通过对当前参数和目标参数取差值，获得当前值和目标值的误差(error2)，将此误差作为第二个PID控制器的第一个参数，加载到第二个PID控制器上。此时，第二个PID控制器的比例项系数(P2)、积分项系数(I2)、微分项系数(D2)三个值将分别和输入进第二个PID控制器的误差值进行相乘。误差值(error2)与P2值的乘积成为C21，误差值(error2)与I值的乘积成为C22，误差值(error2)与D值的乘积成为C23。乘积结束后，需要对C22值进行限幅，即限制C22的大小。此后，将C21、限幅了的C22、C23三个值相加起来作为第二个PID控制环的输出。
针对不同的情况以及用户要求，可以对当前参数的输入值进行调整切换，以达到不同的控制效果。还可以避免PID控制器的反馈参数出现问题，例如没有反馈数据而导致系统出现问题的情况。
本发明云台系统可以搭载在四轮驱动的底盘上，外形与普通的遥控机器人差不多。机器人主体包括全电驱动底盘、云台系统、MCU主控芯片、操控装置、通讯装置和摄像头。所述操控装置用于发送控制指令到所述全电驱动底盘，并接收所述全电驱动底盘发送的数据或图像信息；所述全电驱动底盘用于接收并执行所述操控装置发送的控制指令，同时发送数据或图像信息到所述操控装置；所述通讯装置用于所述操控装置和所述全电驱动底盘之间的控制指令、数据或图像信息的传输。
启动时，所述机器人可以通过2.4GHz遥控器控制底盘的运动以及云台的运动。操作者可以通过搭载机器人云台上的摄像头获取机器人当前所处的环境。在遥控控制时可以借助摄像头的回传图像，修正机器人前进的方向以及云台的朝向。当该机器人处于运动状态时，由于地面的不平整性，整个机器人都会有微小的震动，导致机器人在移动时会出现偏差。当我们在上面搭载摄像头或其他传感器时，由于机器人的震动，摄像头捕获的画面会出现不同程度的抖动，影响使用者的视野以及使用体验；而传感器获取的数据就会出现偏差。而云台的存在可以使搭载在机器人上的图传设备和传感器保持平稳，减少抖动，使用户可以获取相对稳定的传感器数据和清晰的图像。
本发明提供了一款新型的云台控制方案，相较于以往的云台控制系统，此系统可以达到高精度控制以及响应迅速的特点。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种高精度、响应迅速的云台系统，其特征在于，包括第一云台电机、第二云台电机、第一云台电机配套电调、第二云台电机配套电调和MCU主控板；
所述第一云台电机与第一云台电机配套电调进行电性连接，所述第二云台电机与第二云台电机配套电调进行电性连接，所述第一云台电机配套电调与MCU主控板电性连接，所述第二云台电机配套电调与MCU主控板电性连接；
所述第一云台电机上的传感器发送信号从而获取当前电机运动的状态数据，状态数据包括电机当前的角度值、电机当前的角速度、电机当前的电流值以及电机当前的温度，并将该状态数据反馈给第一云台电机配套电调；
所述第二云台电机上的传感器发送信号从而获取当前电机运动的状态数据，状态数据包括电机当前的角度值、电机当前的角速度、电机当前的电流值以及电机当前的温度，并将该状态数据反馈给第二云台电机配套电调；
所述第一云台电机配套电调接收到反馈的状态数据后将进行即时的结算，并将结算好的数据打包成一个个数据包传回到MCU主控板上；
所述第二云台电机配套电调接收到反馈的状态数据后将进行即时的结算，并将结算好的数据打包成一个个数据包传回到MCU主控板上；
所述MCU主控板根据回传的数据实时地调整对电机的控制量，使其稳定在一个位置上；
所述第一云台电机配套电调和第二云台电机配套电调还用于接收MCU主控板的控制报文，此控制报文是用于向电机发送控制指令控制驱动器的电压输出。
2.根据权利要求1所述的高精度、响应迅速的云台系统，其特征在于，所述MCU主控板上设置有PID控制器，在电机控制量的计算方式中，MCU主控板接收到第一云台电机配套电调和第二云台电机配套电调的回传数据后，自动地加载MCU控制器上的PID控制器。
3.根据权利要求2所述的高精度、响应迅速的云台系统，其特征在于，所述MCU主控板上设置有多个不一样的PID控制器，即使用了多个不一样的控制流程，PID控制流程的输入信号来源于多个不同的位置，互不干扰，每一个PID控制流程都不相同，每一个反馈信号都不一样，不同的PID控制流程的反馈参数随时进行切换，加强云台的稳定性。
4.根据权利要求3所述的高精度、响应迅速的云台系统，其特征在于，所述高精度、响应迅速的云台系统还包括遥控器，用于工作人员控制云台系统。
5.根据权利要求4所述的高精度、响应迅速的云台系统，其特征在于，PID控制器的PID算法为双环PID算法，对第一云台电机反馈的状态数据进行自动控制算法具体包括：
第一步获取所述第一云台电机当前参数(Now1)和使用者通过遥控输入的目标参数(Target1)；通过对当前参数和目标参数取差值，获得当前值和目标值的误差(error1)，将此参数作为第一个PID控制器的第一个参数，加载到第一个PID控制器上；此时，第一个PID控制器的比例项系数(P1)、积分项系数(I1)、微分项系数(D1)三个值将分别和输入进第一个PID控制器的误差值(error1)进行乘积运算；误差值(error1)与P1值的乘积成为C11，误差值(error1)与I1值的乘积成为C12，误差值(error1)与D1值的乘积成为C13；乘积运算结束后，需要对C12值进行限幅，即限制C12的大小；此后，将C11、限幅了的C12、C13三个值相加起来作为第一个PID控制环的输出；
第二个PID控制环的目标参数(Target2)为第一个PID控制环的输出，第二个PID控制环的当前参数为所述第一云台电机的电机转速(Now2)，通过对当前参数和目标参数取差值，获得当前值和目标值的误差(error2)，将此误差作为第二个PID控制器的第一个参数，加载到第二个PID控制器上；此时，第二个PID控制器的比例项系数(P2)、积分项系数(I2)、微分项系数(D2)三个值将分别和输入进第二个PID控制器的误差值进行相乘；误差值(error2)与P2值的乘积成为C21，误差值(error2)与I值的乘积成为C22，误差值(error2)与D值的乘积成为C23；乘积结束后，需要对C22值进行限幅，即限制C22的大小；此后，将C21、限幅了的C22、C23三个值相加起来作为第二个PID控制环的输出。
6.根据权利要求1所述的高精度、响应迅速的云台系统，其特征在于，所述第一云台电机配套电调和所述第二云台电机配套电调通过CAN通信的方式把数据传回到MCU主控板上。
7.根据权利要求1所述的高精度、响应迅速的云台系统，其特征在于，所述第一云台电机与第二云台电机为霍尔电机，其上的传感器为霍尔传感器。
8.根据权利要求1所述的高精度、响应迅速的云台系统，其特征在于，所述高精度、响应迅速的云台系统还包括底盘，云台系统设置于底盘上，所述底盘为双轴固定底盘。
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