CN111198528A - 一种用于飞拍的伺服驱动器及飞拍设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种用于飞拍的伺服驱动器及飞拍设备，所述伺服驱动器内置三环控制模块，所述三环控制模块用于伺服电机的三环控制；所述伺服驱动器内置位置比较输出模块，所述位置比较输出模块用于根据伺服电机编码器反馈的脉冲信号，在判定被控对像到达设定的目标飞拍位置时，输出到位脉冲信号，触发飞拍作业。本发明将位置比较输出功能集成在驱动器内部，由驱动器对反馈位置进行直接判断，在到达指定位置时，立刻输出一个信号来触发相机拍照，避免了通信延迟造成的位置偏差。
Description
技术领域
本申请属于飞拍技术领域，尤其是涉及一种用于飞拍的伺服驱动器及飞拍设备。
背景技术
飞拍，即“飞行拍摄”，物体在飞行图中经过摄像机构，摄像机构通过精准控制曝光时间实现对物体定位、拍摄。目前，飞拍存在以下技术问题：
1、受控制器或者运动控制卡扫描周期的影响，相同条件下每次拍照的位置都会出现不同程度的偏差；
2、受通信延迟、相机拍摄延迟以及伺服响应延迟，当移动速度发生变化时，每次拍照的位置也会发生变化；
3、驱动器采样频率限制了触发位置的定位精度。在32K的采样频率下，如果是分辨率为1um的直线电机以2m/s的速度运行，则一个控制环周期的最小位置增量为62.5个count；如果是23位的旋转电机，以50r/s的速度运行，则一个控制环周期的最小位置增量为13107.2个count；
4、通过比较实际位置生成触发信号，拍摄位置会有一定的滞后，而通过比较指令位置生成触发信号，拍摄位置会有些超前。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中飞拍定位不准的问题，从而提供一种用于飞拍的伺服驱动器及飞拍设备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明第一方面提供了一种用于飞拍的伺服驱动器，所述伺服驱动器内置三环控制模块，所述三环控制模块用于伺服电机的三环控制；所述伺服驱动器内置位置比较输出模块，所述位置比较输出模块用于根据伺服电机编码器反馈的脉冲信号，在判定被控对像到达设定的目标飞拍位置时，输出到位脉冲信号，触发飞拍作业。
进一步地，根据本发明第一方面所述的伺服驱动器，所述伺服驱动器包括双核DSP控制器，所述双核DSP控制器的一个内核用于搭建三环控制模块，另一个内核用于搭建位置比较输出模块。
进一步地，根据本发明第一方面所述的伺服驱动器，还包括FPGA和光耦，所述DSP控制器根据伺服电机编码器反馈的脉冲信号，在判定被控对象达到设定飞拍位置时，输出一个开关量数字信号至FPGA，所述FPGA对所述开关量数字信号经过滤波处理后，通过所述光耦输出实际电平信号来启动飞拍作业。
进一步地，根据本发明第一方面所述的伺服驱动器，还包括硬件延时补偿单元，用于根据伺服电机当前的运行速度和加速度，计算出对应的位置增量，根据实际飞拍位置与设定的目标飞拍位置的位置偏差，对硬件延时造成的拍摄位置滞后进行补偿。
进一步地，根据本发明第一方面所述的伺服驱动器，还包括拍照延时补偿单元，用于根据硬件延时补偿后的实际飞拍位置与设定的目标飞拍位置的位置偏差，设置位置误差补偿参数，对拍摄延时造成的拍摄位置滞后进行补偿。
进一步地，根据本发明第一方面所述的伺服驱动器，所述位置误差补偿参数为多次测量的实际飞拍位置与设定的目标飞拍位置的位置误差均值。
进一步地，根据本发明第一方面所述的伺服驱动器，所述位置比较输出模块的采样频率设置为120KHz～130KHz。
进一步地，根据本发明第一方面所述的伺服驱动器，所述位置比较输出模块判定被控对像到达设定的目标飞拍位置的步骤包括：
接收伺服电机编码器反馈的脉冲信号，确定被控对象的实际位置，并将所述实际位置与设定的目标飞拍位置进行比较，当位值误差达到设定阈值范围时，判定被控对像到达设定的目标飞拍位置。
本发明第二方面提供了一种飞拍设备，包括摄像装置，还包括本发明第一方面所述的伺服驱动器，所述伺服驱动器用于输出到位脉冲信号至摄像装置，触发摄像装置执行飞拍作业。
进一步地，根据本发明第二方面所述的飞拍设备，所述摄像装置为工业相机。
本发明的有益效果是：本发明能够保证伺服电机在高速运动的情况下，在同一指定位置拍出的照片的实际位置保持高度吻合，保证了系统的稳定性；而且只需要一台伺服驱动器，即可在满足运动控制需求的同时，实现高精度的位置比较输出功能，降低了设备成本；动态拍照检测位置，不需要减速或停机，大大缩短了CT时间，提高了生产效率。
本发明将位置比较输出功能集成在驱动器内部，由驱动器对反馈位置进行直接判断，在到达指定位置时，立刻输出一个信号来触发相机拍照，避免了通信延迟造成的位置偏差。
本发明采样双核DSP作为核心处理器，将位置比较输出功能单独使用一个内核进行处理，128K的采样频率最大程度的提高了位置比较精度。
本发明加入了位触发补偿模块，对硬件实际电平信号的延时进行补偿，消除了由于硬件延时造成的拍摄位置滞后。
本发明开放了拍照延时补偿功能，不同的拍摄系统、不同的运动速度设置不同的拍摄位置延迟，方便灵活易用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例的飞拍设备原理框图；
图2是伺服电机三环控制原理框图；
图3是本申请实施例的延时补偿功能时序图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例1
本实施例提供了一种用于飞拍的伺服驱动器，如图1所示，所述伺服驱动器内置三环控制模块，所述三环控制模块用于伺服电机的三环控制；
所述伺服驱动器内置位置比较输出模块，所述位置比较输出模块用于根据伺服电机编码器反馈的脉冲信号，在判定被控对像到达设定的目标飞拍位置时，输出到位脉冲信号，触发飞拍作业。
本实施例将位置比较输出功能集成在驱动器内部，由驱动器对反馈位置进行直接判断，在到达指定位置时，立刻输出一个信号来触发相机拍照。避免了由控制器与伺服驱动器之间的通信延迟造成的位置偏差。
本实施例的上述技术方案能够保证伺服电机在高速运动的情况下，在同一指定位置拍出的照片的实际位置保持高度吻合，保证了系统的稳定性；而且只需要一台伺服驱动器，即可在满足运动控制需求的同时，实现高精度的位置比较输出功能，降低了设备成本。
该方案可以有效的提高具有飞拍应用场景的加工速率(如贴片机，锁螺丝机等)和定位精度，减少因拍照定位不准造成的产品不良现象。
本实施例在伺服驱动器内部同时实现三环控制以及位置比较输出，避免了由于主站和伺服驱动器之间的通讯延迟造成的位置触发延迟。
为了进一步提高采样频率，提升位置比较的定位精度，本实施例采用双核DSP控制器作为伺服驱动器的核心控制器。该双核DSP控制器的一个内核用于伺服电机的三环控制，最小控制周期为31.25us；另一个内核用于位置比较输出。
伺服电机三环控制的控制原理框图如图2所示，从内到外依次是电流环、速度环和位置环。电流环的给定和电流环的反馈值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给伺服电机。速度环的设定值与速度环的反馈值进行比较后的差值在速度环做PID调节后输出，该输出为电流环的给定。位置环的给定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计算器的计算后的数值在经过位置环的PID调节后输出，该输出和位置给定的前馈信号的和值即为速度环的给定。
位置比较输出功能配置一个单独内核来实现，该内核只负责实时采集被控对象(待飞拍的对象)的实际位置信息，然后和设定的目标飞拍位置进行比较，在位置误差达到一定阈值范围内，立刻输出到位脉冲信号，来触发飞拍作业。
由于配置一个单独的内核只负责位置比较输出功能，因此，采样频率可以设置为120KHz～130KHz，极大程度的提高了位置比较的精度。如果是分辨率为1um的直线电机以2m/s的速度运行，则一个采样周期的最小位置增量为15.625个count；如果是23位的旋转电机，以50r/s的速度运行，则一个采样周期的最小位置增量为3276.8个count。
进一步地，伺服驱动器还设置有FPGA和光耦，所述DSP控制器根据伺服单机编码器反馈的脉冲信号，在判定被控对象达到设定飞拍位置时，输出一个开关量数字信号至FPGA，所述FPGA对所述开关量数字信号经过滤波处理后，通过所述光耦输出实际电平信号来启动飞拍作业。
DSP控制器根据伺服单机编码器反馈的脉冲信号，在判定被控对象达到设定飞拍位置时，会输出一个开关量数字信号，该开关量数字信号经过FPGA的滤波处理后，由光耦输出实际电平信号来启动飞拍作业。从开关量数字信号输出到实际电平信号输出，这之间会有一个延时，称之为硬件延时，硬件延时一般都是比较固定的(300us)。
在进一步地实施方案中，为了减小硬件延时造成的触发位置延迟，本实施例增设了硬件延时补偿单元。在DSP内部根据当前电机的运行速度和加速度，计算出对应的位置增量，对通信延迟、伺服响应延迟造成的拍摄位置滞后进行补偿。该功能在DSP内部自行补偿，不对外开放，不必特地去设定延时参数，方便使用。
更进一步地，还包括拍照延时补偿单元，用于根据硬件延时补偿后的实际飞拍位置与设定的目标飞拍位置的位置偏差，设置位置误差补偿参数，对拍摄延时造成的拍摄位置滞后进行补偿。所述位置误差补偿参数为多次测量的实际飞拍位置与设定的目标飞拍位置的位置误差均值。
从实际电平信号输出给摄像装置，到摄像装置触发飞拍这一瞬间也会存在拍照延时，位置比较输出模块对外开放了一个位置误差补偿参数，通过设置位置误差补偿参数，进一步保证拍摄位置精度。
这个拍照延时受不同摄像装置的响应速率以及通讯速率的影响，无法预估，但是对于一个稳定的摄像装置，这个延时也是相对固定的。
在搭建好飞拍平台后，起初先不使用拍照延时补偿，利用摄像装置的视觉系统多次测量拍照的实际位置和设定飞拍位置的差值，计算出位置误差均值，将这个位置误差均值作为位置误差补偿参数，可以有效的解决由于不同摄像装置的拍照延时造成的位置滞后问题。
下面结合图3，对本实施例的延时补偿做进一步说明：
如图3所示，本实施例设置的目标飞拍位置为s2，在进行延时补偿之前，DSP的位置比较输出模块在检测到被控对象到达s2位置时，在对应的t2时刻输出到位脉冲信号，因为存在通信延时、相机拍摄延时等，使得相机实际在t3时刻触发拍照，对应的拍照位置为s3，造成了实际拍摄位置的滞后。
根据设定的目标飞拍位置s2与实际拍摄位置s3的位置偏差，本实施例对DSP输出到位脉冲信号的触发位置进行位置延时补偿，以减小硬件延时造成的拍摄位置滞后。
进一步地，因为相机从收到到位脉冲信号到执行飞拍作业，存在一定的拍摄延迟，本实施例进一步设置位置误差补偿参数，以对相机拍摄延迟造成的拍摄位置滞后进行位置延时补偿，进一步保证拍摄位置精度。
如图3，经位置延时补偿后，使得DSP在t1时刻输出到位脉冲信号，对应的到位脉冲触发位置为s1，比设定的目标飞拍位置s2超前，使到位脉冲触发位置s1与设定的目标飞拍位置s2存在一定的位置偏差，这样，因为通信延时、相机拍摄延时等，使得相机的实际拍摄位置正好在s2处。因此，经过位置延时补偿后，消除了s3与s2之间的位置偏差，使得实际拍摄位置始终保持在s2处。
本实施例的技术方案能够保证电机在高速运动的情况下，实际拍摄位置与设定的目标飞拍位置保持高度吻合，保证了系统的稳定性。本发明只需要一台伺服驱动器，即可在满足运动控制需求的同时，实现高精度的位置比较输出功能，降低了设备成本。另外，本实施例动态拍照检测位置，不需要减速或停机，大大缩短了CT时间，提高了生产效率。
实施例2
如图1，本实施例提供了一种飞拍设备，包括摄像装置，以及实施例1所述的伺服驱动器。所述伺服驱动器用于输出到位脉冲信号至摄像装置，触发摄像装置执行飞拍作业。所述摄像装置可以为工业相机。
本实施例伺服驱动器的具体结构以及工作原理均与实施例1相同。
基于EtherCAT(以太网控制自动化技术)总线的主站(例如PLC，控制卡，软PLC等)控制周期一般为1ms，刷新周期较慢，很难实现高速运动过程中的位置比较输出功能。因此，本发明将飞拍功能直接集成在伺服驱动器内部，可以显著的提高采样频率，最高能达到32KHz，即31.25us的最小控制周期。
本发明为了避免由控制器与驱动器之间的通信延迟造成的位置偏差，将位置比较输出功能集成在驱动器内部，由驱动器对反馈位置进行直接判断，在到达指定位置时，立刻输出一个信号来触发相机拍照。
本发明采样双核DSP作为核心处理器，将位置比较输出功能单独使用一个内核进行处理，128K的采样频率最大程度的提高了位置比较精度。
本发明加入了硬件延时补偿，在DSP内部对硬件输出实际电平信号的延时进行补偿，消除了由于硬件延时造成的拍摄位置滞后。
本发明开放了相机触发拍摄延时位置补偿功能，不同的拍摄系统、不同的运动速度设置不同的拍摄位置延迟，方便灵活易用。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种用于飞拍的伺服驱动器，所述伺服驱动器内置三环控制模块，所述三环控制模块用于伺服电机的三环控制；其特征在于：
所述伺服驱动器内置位置比较输出模块，所述位置比较输出模块用于根据伺服电机编码器反馈的脉冲信号，在判定被控对像到达设定的目标飞拍位置时，输出到位脉冲信号，触发飞拍作业。
2.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述伺服驱动器包括双核DSP控制器，所述双核DSP控制器的一个内核用于搭建三环控制模块，另一个内核用于搭建位置比较输出模块。
3.根据权利要求2所述的伺服驱动器，其特征在于，还包括FPGA和光耦，所述DSP控制器根据伺服电机编码器反馈的脉冲信号，在判定被控对象达到设定飞拍位置时，输出一个开关量数字信号至FPGA，所述FPGA对所述开关量数字信号经过滤波处理后，通过所述光耦输出实际电平信号来启动飞拍作业。
4.根据权利要求3所述的伺服驱动器，其特征在于，还包括硬件延时补偿单元，用于根据伺服电机当前的运行速度和加速度，计算出对应的位置增量，根据实际飞拍位置与设定的目标飞拍位置的位置偏差，对硬件延时造成的拍摄位置滞后进行补偿。
5.根据权利要求4所述的伺服驱动器，其特征在于，还包括拍照延时补偿单元，用于根据硬件延时补偿后的实际飞拍位置与设定的目标飞拍位置的位置偏差，设置位置误差补偿参数，对拍摄延时造成的拍摄位置滞后进行补偿。
6.根据权利要求5述的伺服驱动器，其特征在于，所述位置误差补偿参数为多次测量的实际飞拍位置与设定的目标飞拍位置的位置误差均值。
7.根据权利要求2所述的伺服驱动器，其特征在于，所述位置比较输出模块的采样频率设置为120KHz～130KHz。
8.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述位置比较输出模块判定被控对像到达设定的目标飞拍位置的步骤包括：
接收伺服电机编码器反馈的脉冲信号，确定被控对象的实际位置，并将所述实际位置与设定的目标飞拍位置进行比较，当位值误差达到设定阈值范围时，判定被控对像到达设定的目标飞拍位置。
9.一种飞拍设备，包括摄像装置，其特征在于，还包括如权利要求1-7任一项所述的伺服驱动器，所述伺服驱动器用于输出到位脉冲信号至摄像装置，触发摄像装置执行飞拍作业。
10.根据权利要求9所述的飞拍设备，其特征在于，所述摄像装置为工业相机。
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