CN111433702B - 无人机及其云台控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种无人机及其云台控制方法，其中，云台控制方法包括飞控系统(36)生成无人机(30)的偏航角速率指令(103)，云台控制系统(37)根据无人机(30)的偏航角速率指令(103)，控制云台(35)的偏航轴电机。由飞控系统(36)和云台控制系统(37)联合控制云台(35)的偏航轴电机，最大限度发挥了云台控制系统(37)高精度控制和快速响应的优点，利用该优点来补偿飞控系统(36)在偏航控制上的不足，实现了对云台(35)偏航通道的增稳，彻底解决了当无人机(30)低速偏航时，航拍视频的卡顿现象。

Description

无人机及其云台控制方法
技术领域
本发明涉及涉及无人机技术领域，特别是涉及一种无人机及其云台控制方法。
背景技术
航拍无人机包括消费级航拍无人机和专业级航拍无人机，无论是消费级航拍无人机还是专业级航拍无人机，其航拍质量均取决于无人机机身和云台的控制效果。飞行控制系统(Flight Control System,FCS)是保证无人机稳定飞行的基本前提，云台控制系统(Gimbal Control System,GCS)用于改善航拍视频质量，并且通过云台的减振系统来隔离机身的高频振动，其控制精度远高于FCS的控制精度。现有的航拍无人机中，GCS和FCS是独立的，亦即，GCS的俯仰、滚转通道不响应FCS姿态的变化，且GCS的偏航角一阶收敛于FCS的偏航角。这种GCS/FCS独立控制思想存在以下缺点：
1、FCS没有GCS的控制权限，GCS只获取无人机实际的偏航角/偏航角速率信息，并且无任何反馈信息与FCS进行实时交互；
2、FCS的偏航控制力矩小，偏航控制与俯仰控制、滚转控制存在通道耦合，在受到外界干扰时，会造成FCS偏航通道转速不均匀，从而导致航拍视频不流畅，特别是在FCS控制无人机低转速偏航时，视频卡顿现象严重；
3、云台偏航通道的控制受到无人机偏航角控制的影响，并没有将GCS的高精度控制优点有效地发挥出来，造成FCS控制压力增大。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中的上述问题，提供一种飞控系统和云台控制系统联合控制云台的偏航轴电机，能够消除视频卡顿现象的无人机及其云台控制方法。
为解决上述问题，本发明提供了一种无人机云台控制方法，所述无人机包括飞控系统和用于控制所述云台的云台控制系统，包括：
所述飞控系统生成所述无人机的偏航角速率指令；
所述云台控制系统根据所述无人机的偏航角速率指令，控制所述云台的偏航轴电机。
在本发明的一实施例中，所述云台控制系统根据所述无人机的所述偏航角速率指令，控制所述云台的所述偏航轴电机，包括：
判断输入所述无人机的偏航角速率指令是否为零；
若否，则：
所述云台控制系统获取所述云台的实际偏航角速率；
所述云台控制系统根据输入所述无人机的所述偏航角速率指令和所述云台的所述实际偏航角速率，生成所述云台的偏航轴电机控制指令；
所述云台控制系统获取所述云台的偏航轴电机附加控制指令，其中，所述偏航轴电机附加控制指令用于控制所述云台的偏航轴电机以使得所述云台搭载的影像设备的视线与所述无人机的航向重合；
所述云台控制系统根据所述云台的所述偏航轴电机控制指令和所述云台的所述偏航轴电机附加控制指令，生成所述云台的偏航轴电机控制量；
根据所述云台的所述偏航轴电机控制量，控制所述云台的偏航轴电机。
在本发明的一实施例中，所述云台控制系统获取所述云台的所述偏航轴电机附加控制指令，包括：
所述云台控制系统获取所述云台的实际偏航角和所述无人机的实际偏航角；
所述云台控制系统根据所述云台的所述实际偏航角和所述无人机的所述实际偏航角，生成所述云台的所述偏航轴电机附加控制指令。
在本发明的一实施例中，该方法还包括：
若输入所述无人机的所述偏航角速率指令为零，则：
所述云台控制系统获取所述无人机的实际偏航角和所述云台的实际偏航角；
所述云台控制系统根据所述无人机的所述实际偏航角和所述云台的所述实际偏航角，生成所述云台的偏航角速率控制指令；
所述云台控制系统获取所述云台的实际偏航角速率；
所述云台控制系统根据所述云台的所述偏航角速率控制指令和所述云台的所述实际偏航角速率，生成所述云台的偏航轴电机控制量；
所述云台控制系统根据所述云台的所述偏航轴电机控制量，控制所述云台的偏航轴电机。
在本发明的一实施例中，所述飞控系统生成所述无人机的所述偏航角速率指令，包括：
所述飞控系统获取输入所述无人机的位置指令和视线指令中的至少一种；
所述飞控系统根据输入所述无人机的所述位置指令和所述视线指令中的至少一种，生成所述无人机的所述偏航角速率指令。
在本发明的一实施例中，所述飞控系统生成所述无人机的所述偏航角速率指令，包括：
所述飞控系统获取输入所述无人机的速度指令和视线变化率指令中的至少一种；
所述飞控系统根据输入所述无人机的所述速度指令和所述视线变化率指令中的至少一种，生成所述无人机的所述偏航角速率指令。
在本发明的一实施例中，该方法还包括：
所述云台控制系统根据输入所述云台的俯拍角度指令和所述云台的输出状态信息，控制所述云台的俯仰轴电机和滚转轴电机，其中，所述云台的所述输出状态信息包括所述云台的实际姿态角及实际姿态角速率。
在本发明的一实施例中，所述云台的所述实际姿态角包括所述云台的实际俯仰角，所述云台的所述实际姿态角速率包括所述云台的实际俯仰角速率；
所述云台控制系统根据输入所述云台的俯拍角度指令和所述云台的输出状态信息，控制所述云台的俯仰轴电机和滚转轴电机，包括：
所述云台控制系统根据所述云台的所述俯拍角度指令、所述云台的所述实际俯仰角和所述实际俯仰角速率，生成所述云台的俯仰轴电机控制量；
根据所述云台的所述俯仰轴电机控制量，控制所述云台的俯仰轴电机。
在本发明的一实施例中，所述云台的所述实际姿态角还包括所述云台的实际滚转角，所述云台的所述实际姿态角速率还包括所述云台的实际滚转角速率；
所述云台控制系统根据输入所述云台的俯拍角度指令和所述云台的输出状态信息，控制所述云台的俯仰轴电机和滚转轴电机，包括：
所述云台控制系统根据所述云台的所述俯拍角度指令、所述云台的所述实际滚转角和所述实际滚转角速率，生成所述云台的滚转轴电机控制量；
所述云台控制系统根据所述云台的所述滚转轴电机控制量，控制所述云台的滚转轴电机。
在本发明的一实施例中，所述云台控制系统获取所述云台的所述俯拍角度指令，包括：
所述云台控制系统获取由遥控器或智能终端发出的所述云台的所述俯拍角度指令。
在本发明的一实施例中，该方法还包括：
所述飞控系统根据所述云台的所述输出状态信息，控制所述无人机的姿态。
在本发明的一实施例中，所述飞控系统根据所述云台的所述输出状态信息，控制所述无人机的姿态，包括：
所述飞控系统根据所述云台的所述实际姿态角，生成所述无人机的姿态角限幅；
所述飞控系统获取所述无人机的实际姿态角和输入所述无人机的姿态角指令；
所述飞控系统根据所述无人机的所述姿态角限幅、输入所述无人机的所述姿态角指令以及所述无人机的所述实际姿态角，生成所述无人机的姿态角速率控制指令；
所述飞控系统根据所述云台的所述实际姿态角速率，生成所述无人机的姿态角速率限幅；
所述飞控系统获取所述无人机的实际姿态角速率和输入所述无人机的所述偏航角速率指令；
所述飞控系统根据所述无人机的所述姿态角速率控制指令、所述无人机的所述姿态角速率限幅、输入所述无人机的所述偏航角速率指令以及所述无人机的所述实际姿态角速率，生成所述无人机的电机控制指令；
所述飞控系统根据所述无人机的所述电机控制指令，控制所述无人机的姿态。
为解决其技术问题，本发明还提供了一种无人机，包括：
机身；
机臂，与所述机身相连；
动力装置，设于所述机臂；
云台，与所述机身相连；
飞控系统，设于所述机身；以及
云台控制系统，设于所述云台或机身，且用于控制所述云台；
所述飞控系统用于生成所述无人机的偏航角速率指令；
所述云台控制系统用于：
根据所述飞控系统生成的所述无人机的所述偏航角速率指令，控制所述云台的偏航轴电机。
在本发明的一实施例中，所述云台控制系统具体用于：
判断所述无人机的偏航角速率是否为零；
当所述无人机的所述偏航角速率指令不为零，则：
获取所述云台的实际偏航角速率；
根据输入所述无人机的所述偏航角速率指令和所述云台的实际偏航角速率，生成所述云台的偏航轴电机控制指令；
获取所述云台的偏航轴电机附加控制指令，其中，所述偏航轴电机附加控制指令用于控制所述云台的偏航轴电机以使得所述云台搭载的影像设备的视线与所述无人机的航向重合；
根据所述云台的所述偏航轴电机控制指令和所述云台的所述偏航轴电机附加控制指令，生成所述云台的偏航轴电机控制量；以及
根据所述云台的所述偏航轴电机控制量，控制所述云台的偏航轴电机。
在本发明的一实施例中，所述云台控制系统具体用于：
获取所述云台的实际偏航角和所述无人机的实际偏航角；
根据所述云台的所述实际偏航角和所述无人机的所述实际偏航角，生成所述云台的所述偏航轴电机附加控制指令。
在本发明的一实施例中，当输入所述无人机的偏航角速率指令为零，则所述云台控制系统还用于：
获取所述无人机的实际偏航角和所述云台的实际偏航角；
根据所述无人机的所述实际偏航角和所述云台的所述实际偏航角，生成所述云台的偏航角速率控制指令；
获取所述云台的实际偏航角速率；
根据所述云台的所述偏航角速率控制指令和所述云台的所述实际偏航角速率，生成所述云台的偏航轴电机控制量；
根据所述云台的所述偏航轴电机控制量，控制所述云台的偏航轴电机。
在本发明的一实施例中，所述飞控系统具体用于：
获取所述无人机的位置指令和视线指令中的至少一种；以及
根据所述无人机的所述位置指令和所述视线指令中的至少一种，生成所述无人机的所述偏航角速率指令。
在本发明的一实施例中，所述飞控系统具体用于：
获取所述无人机的速度指令和视线变化率指令中的至少一种；
根据所述无人机的所述速度指令和所述视线变化率指令中的至少一种，生成所述无人机的所述偏航角速率指令。
在本发明的一实施例中，所述云台控制系统还用于：
根据输入所述云台的俯拍角度指令和所述云台的输出状态信息，控制所述云台的俯仰轴电机和滚转轴电机，其中，所述云台的所述输出状态信息包括所述云台的实际姿态角及实际姿态角速率。
在本发明的一实施例中，所述云台控制系统具体用于：
根据所述云台的所述俯拍角度指令、所述云台的所述实际俯仰角和所述实际俯仰角速率，生成所述云台的俯仰轴电机控制量；
根据所述云台的所述俯仰轴电机控制量，控制所述云台的俯仰轴电机。
在本发明的一实施例中，所述云台控制系统还用于：
根据所述云台的所述俯拍角度指令、所述云台的所述实际滚转角和所述实际滚转角速率，生成所述云台的滚转轴电机控制量；
根据所述云台的所述滚转轴电机控制量，控制所述云台的滚转轴电机。
在本发明的一实施例中，所述云台控制系统具体用于获取由遥控器或智能终端发出的所述云台的所述俯拍角度指令。
在本发明的一实施例中，所述飞控系统还用于：
根据所述云台的所述输出状态信息，控制所述无人机的姿态。
在本发明的一实施例中，所述飞控系统具体用于：
根据所述云台的所述实际姿态角，生成所述无人机的姿态角限幅；
获取所述无人机的实际姿态角和输入所述无人机的姿态角指令；
根据所述无人机的所述姿态角限幅、输入所述无人机的所述姿态角指令以及所述无人机的所述实际姿态角，生成所述无人机的姿态角速率控制指令；
根据所述云台的所述实际姿态角速率，生成所述无人机的姿态角速率限幅；
获取所述无人机的实际姿态角速率和输入所述无人机的偏航角速率指令；
根据所述无人机的所述姿态角速率控制指令、所述无人机的所述姿态角速率限幅、输入所述无人机的所述偏航角速率指令以及所述无人机的所述实际姿态角速率，生成所述无人机的电机控制指令；
根据所述无人机的所述电机控制指令，控制所述无人机的姿态。
本发明由飞控系统和云台控制系统联合控制云台偏航轴电机，最大限度发挥了云台控制系统高精度控制和快速响应的优点，利用该优点来补偿飞控系统在偏航控制上的不足，实现了对云台偏航通道的增稳，彻底解决了当无人机低速偏航时，航拍视频的卡顿现象。
附图说明
图1为本发明一种无人机其中一实施例的结构示意图；
图2为本发明无人机中飞控系统和云台控制系统的控制原理框图；
图3为本发明无人机中飞控系统的控制原理框图；
图4为本发明无人机中云台控制系统的控制原理框图；
图5为本发明无人机中飞控系统和云台控制系统对云台的偏航轴电机进行联合控制的原理框图；
图6为本发明一种无人机云台控制方法的其中一实施例的流程图；
图7为图6所示方法中步骤S200其中一实施例的流程图；
图8为图6所示方法中步骤S300中云台控制系统控制俯仰轴电机的流程图；
图9为图6所示方法中步骤S300中云台控制系统控制滚转轴电机的流程图；
图10为图6所示方法中步骤S400中飞控系统根据云台控制系统的输出状态信息，控制无人机的姿态的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
如图1所示，本发明提出的一种无人机30包括机身31、与机身31相连的机臂32、设置在机臂32一端的动力装置33、与机身31相连的云台35、与所述云台35相连的影像设备34以及设置在机身21内的飞控系统、IMU、GPS以及用于控制所述云台35的云台控制系统。
在本实施例中，机臂32的数量为4，即该无人机30为四旋翼飞行器，在其他可能的实施例中，机臂32的数量也可以为3、6、8、10等。无人机30还可以是其他需要对其所处飞行环境进行风速估计或报警的可移动物体，例如行业无人机、载人飞行器、航模、无人飞艇、固定翼无人机和无人热气球等。机臂32可与所述机身31固定连接、一体成型或可相对于所述机身31折叠。
动力装置33包括设置在机臂32一端的电机332以及与电机332的转轴相连的螺旋桨331。电机332的转轴转动以带动螺旋桨331旋转从而给无人机30提供飞行所需的拉升力。
影像设备34可以为激光传感器、RGBD深度相机或者摄像机等。
视觉系统可以包括双目和/或单目摄像头以及视觉芯片。视觉芯片设于所述机身内部，与飞控系统通信连接。双目和/或单目摄像头可以设置在机身的前部、下部和后部中的任意一个或两个位置，也可以设置在任何其他合适的位置。
惯性测量单元(IMU)(图未示出)是用于测量无人机三轴姿态角以及加速度的装置。IMU可以包括三轴陀螺仪和三个方向的加速度计，以此来测量无人机在三维空间中的姿态角信息和加速度信息。IMU可以设置在无人机30的机身31的内部，例如，可以设置在无人机30的重心位置，也可以设置在其他合适的位置。
全球定位系统(GPS)(图未示出)用于测量无人机在三维空间中的位置信息和速度信息。GPS可以设置在无人机30的机身31上，也可以设置在机臂32上。在某些实施例中，机身31还可以包括起落架，GPS也可以设置在起落架上，以远离其他电子设备的干扰。
飞控系统(图未示出)用于稳定无人机30的飞行姿态并控制无人机30自主或半自主飞行。飞控系统可以实时采集无人机各传感器测量的飞行状态数据、接收控制终端发来的控制指令及数据，并将该控制指令和数据输出给执行机构(例如动力装置)以实现对无人机飞行姿态或执行任务的控制。在本发明的实施例中，飞控系统可以包括飞控芯片和与飞控芯片通信连接的处理器等其他必要的单元。飞控系统可以设置在无人机30的机身31内部，也可以设置在机身31的外表面或任何其他可能的位置。
在本发明的实施例中，影像设备34通过云台35与机身31相连，云台控制系统控制云台35允许影像设备34相对于无人机30绕至少一个轴转动，且用于减轻甚至消除动力装置33传递给影像设备34的振动，以保证影像设备34能够拍摄出稳定清晰的图像或视频。在本发明的一实施例中，云台35为三轴云台，即云台35允许影像设备34绕偏航轴、滚转轴、俯仰轴转动，因此，云台35相应的具有用于驱动影像设备34绕偏航轴转动的偏航轴电机、用于驱动影像设备34绕滚转轴转动的滚转轴电机以及用于驱动影像设备34绕俯仰轴转动的俯仰轴电机。
在本发明的实施例中，飞控系统和云台控系统能够相互配合以提高无人机在各种状态下(悬停、正常飞行、极端飞行等)低速偏航时，云台35控制影像设备34绕偏航轴转动时影像设备34的航拍质量。
因此，本发明提供了一种飞控系统和云台控制系统的联合控制方案，实现了航拍的高精度控制，达到了航拍增稳效果，保证无人机在偏航通道低转速的情况下，云台偏航通道转速的均匀性，彻底解决了低转速航拍时的视频卡顿现象。
图2给出了本发明无人机飞控系统36和云台控制系统37的联合控制结构框图。以下将分为几个部分对图2给出的控制机制进行描述。
飞控系统对无人机的控制：
如图2和图3所示，飞控系统36包括位置控制部分和姿态控制部分，因此可以认为飞控系统36包括位置控制模块361和姿态控制模块362。其中，位置控制模块361用于控制所述无人机30的位置和/或速度。姿态控制模块362用于控制所述无人机30的姿态。
飞控系统36获取由无人机30的视觉系统、智能控制终端、遥控器、或导航系统输入无人机30的控制指令101，位置控制模块361根据控制指令101和无人机30的输出状态信息108，输出控制指令102。
其中，控制指令101包括无人机30的位置指令和速度指令中的至少一种。在其他可能的实施例中，控制指令101还可以包括视线指令和视线变化率指令中至少一种。控制指令102包括无人机30的姿态角指令102.1、电机的推力指令和输入无人机的偏航角速率指令103。无人机30的输出状态信息108包括无人机的实际速度、无人机的实际姿态角108.2(包括无人机的实际滚转角、实际俯仰角和实际偏航角108.21(如图4))以及无人机的实际姿态角速率108.1(包括无人机的实际滚转角速率、实际俯仰角速率和实际偏航角速率)。
姿态控制模块362根据控制指令102、无人机30的输出状态信息108以及云台35的输出状态信息109，输出控制指令104，以对无人机30的执行机构(即，动力装置33)进行控制，从而实现对无人机姿态的控制。
在本发明的一实施例中，控制指令104为用于控制无人机30电机的控制信号。在其他实施例中，当无人机为固定翼飞机或混合翼飞机时，控制指令104也可以是固定翼飞机的推力及舵偏角，或者混合翼飞机的混合控制量。云台35的输出状态信息109包括云台的实际姿态角和实际姿态角速率。具体地，云台35的输出状态信息109可以分为状态信息109.1和状态信息109.2(如图4所示)。其中，状态信息109.1包括云台35的实际俯仰角、实际俯仰角速率、实际滚转角及实际滚转角速率。状态信息109.2包括云台35实际偏航角109.21及实际偏航角速率109.22。
值得注意的是，当云台35处于不同的航拍角度时，对无人机30姿态的敏感度会有所不同，本发明可针对云台35不同的航拍角度，来动态调整无人机30的姿态角度和/或姿态角速率的限制条件，以保证云台的高精度和稳定性。这是由于不同的飞行状态，云台35受到的扰动不同，尤其在极端飞行情况下，云台30受到的扰动极为明显，因此需要对无人机30的飞行姿态进行限制，此举有利于对云台进行增稳。例如，当云台35的航拍角度为-90°～75°时，将无人机30的俯仰角限制为±20°；当云台35的航拍角度为-10°～0°时，将无人机30的俯仰角限制为±25°；其他情况均将无人机30的俯仰角限制在±30°。
具体来说，如图3所示，飞控系统36可根据云台35的输出状态信息109自动生成无人机的姿态角限幅111和无人机的姿态角速率限幅112，从而对无人机30的姿态进行限制。
姿态控制模块362根据控制指令102中的姿态角指令102.1、无人机的实际姿态角108.2，以及无人机的姿态角限幅111生成无人机30的姿态角速率控制指令110。
姿态控制模块362根据无人机的姿态角速率控制指令110、无人机的偏航角速率指令103、无人机的姿态角速率限幅112和无人机的实际姿态角速率108.1，生成电机控制指令104，并根据该电机控制指令104控制无人机的姿态。
在本发明的一实施例中，所述姿态角指令102.1主要包括俯仰角指令和滚转角指令，在其他实施例中个，姿态角指令102.1还可以包括偏航角指令。无人机的实际姿态角108.2主要包括实际俯仰角和实际滚转角，还可以包括实际偏航角。无人机的姿态角限幅111主要包括俯仰角限幅和滚转角限幅。其中，无人机的姿态角限幅111可以根据云台输出状态信息109中的云台的实际姿态角(主要包括云台的实际俯仰角和实际滚转角生成)。无人机的姿态角速率控制指令110主要包括俯仰角速率控制指令和滚转角速率控制指令，无人机的姿态角速率限幅112主要包括俯仰角速率限幅、滚转角速率限幅和偏航角速率限幅。无人机的姿态角速率限幅112可根据云台输出状态信息109中云台35的实际姿态角速率生成。
飞控系统和云台控制系统对云台的联合控制：
如图4所示，云台控制系统37对云台35的控制可以分为两个部分，一是对云台35的偏航轴电机的控制，二是对云台35的俯仰轴电机和滚转轴电机的控制。其中，对云台35的偏航轴电机的控制是由飞控系统36和云台控制系统37共同完成的。图5为本发明中飞控系统36和云台控制系统37对云台35的偏航轴电机进行联合控制的原理框图。
如图5所示，飞控系统36首先将控制指令102中输入无人机的偏航角速率指令103发送给云台控制系统37，云台控制系统37获取输入无人机的偏航角速率指令103后进行逻辑判断。判断输入无人机的偏航角速率指令103是否为零。
当输入无人机的偏航角速率指令103不为零时，将云台35的偏航轴电机的控制权限交给飞控系统36，云台35的偏航角速率误差权重较大，偏航角误差只作为补偿，权重较低。具体说来，此时，由于输入无人机的偏航角速率指令103不为零，则云台控制系统37选择控制率1(控制律(control law)，云台控制系统形成控制指令的算法，描述了受控状态变量与系统输入信号之间的函数关系。)，云台控制系统37根据无人机的偏航角速率指令103和云台35的实际偏航角速率109.22，生成云台35的偏航轴电机控制指令。然后，云台控制系统37生成云台35的偏航轴电机附加控制指令，最后根据云台35的偏航轴电机控制指令和云台35的偏航轴电机附加控制指令，生成云台35的偏航轴电机控制量，并根据该偏航轴电机控制量控制云台的偏航轴电机。
在本发明的一实施例中，云台35的偏航轴电机附加控制指令是指云台的实际偏航角109.21与无人机的实际偏航角108.21之间的差值。引入云台的偏航轴电机附加控制指令是为了使得云台35搭载的影像设备34的视线与无人机的航向尽量重合或保持一致。
无人机的偏航角速率指令103反应了飞控系统对无人机偏航通道的控制期望，云台控制系统37利用其自身具有的高精度控制和快速响应的特点，结合飞控系统给出的无人机的偏航角速率指令103，来对云台的偏航轴电机进行控制，因此能够最大限度地发挥云台控制系统高精度控制和快速响应的优点，实现对云台偏航轴的增稳，进而消除其搭载的影像设备在偏航轴方向上的卡顿。
如图5所示，当输入无人机的偏航角速率指令103为零时将云台35的偏航轴电机的控制权限交给云台控制系统37，云台控制系统37选择控制率2，即由云台控制系统37直接控制云台35的偏航轴电机，云台35的偏航轴电机不受飞控系统36输出指令的影响。此时云台控制系统37获取无人机的实际偏航角108.21和云台的实际偏航角109.21，根据无人机的实际偏航角108.21和云台的实际偏航角109.21生成云台的偏航角速率控制指令，然后再获取云台的实际偏航角速率109.22，最后根据云台的偏航角速率控制指令和云台的实际偏航角速率109.22，生成云台35的偏航轴电机的控制量，控制云台35的偏航轴电机。此时，云台的偏航角一阶收敛于无人机的偏航角。
值得注意的是，不论云台控制系统37选择控制率1还是控制率2，云台35的俯仰轴电机和滚转轴电机的控制权限一直属于云台控制系统37。
如图4所示，云台控制系统37对俯仰轴电机和滚转轴电机的控制具体为：云台控制系统37获取输入云台35的俯拍角度指令100、云台的实际俯仰角和实际俯仰角速率，根据云台35的俯拍角度指令100、云台的实际俯仰角和实际俯仰角速率生成云台的俯仰轴电机控制量，云台控制系统37根据该俯仰轴电机控制量控制云台35的俯仰轴电机。
相似的，云台控制系统37获取输入云台35的俯拍角度指令100，云台的实际滚转角和实际滚转角速率，根据云台的俯拍角度指令100、云台的实际滚转角和实际滚转角速率生成云台的滚转轴电机控制量，云台控制系统37根据该滚转轴电机控制量控制云台35的滚转轴电机。
在本发明的一实施例中，上述云台35的俯拍角度指令100可以由遥控器或智能终端(如手机或平板电脑上的app)发出。
其中，图4中的状态信息109.1包括云台35的实际俯仰角、实际俯仰角速率、实际滚转角及实际滚转角速率。控制指令107.1包括云台的俯仰轴电机控制量和云台的滚转轴电机控制量。控制指令107.2为云台的偏航轴电机控制量。
以上这种由飞控系统和云台控制系统联合控制云台偏航轴电机的方案，巧妙地利用云台控制系统高精度、快速响应的特性来补偿飞控系统在偏航控制上的不足，最大限度发挥了云台控制系统高精度控制和快速响应的优点，利用该优点来补偿飞控系统在偏航控制上的不足，实现了对云台偏航通道的增稳，彻底解决了当无人机低速偏航时，航拍视频的卡顿现象。
如图6所示，本发明还提供了一种云台控制方法，包括：
S100、飞控系统生成无人机的偏航角速率指令。
在本发明的一实施例中，无人机的偏航角速率指令可以由无人机的飞控系统根据输入无人机的位置指令和速度指令中的至少一种生成。在其他可能的实施例中，飞控系统还可以根据视线指令和视线变化率指令中至少一种，生成无人机的偏航角速率指令。在本发明的一实施例中，位置指令、速度指令、视线指令和视线变化率指令中的任意一种均可以为由无人机的视觉系统、智能控制终端、遥控器、或导航系统输入。
S200、云台控制系统根据无人机的所述偏航角速率指令，控制云台的偏航轴电机。
如图7所示，在本发明的一实施例中，该步骤又包括：
S201、判断输入无人机的偏航角速率指令是否为零。
在本发明的一实施例中，可以由无人机的云台控制系统判断输入无人机的偏航角速率指令是否为零。无人机的偏航角速率指令是否为零，决定了云台控制系统采用的控制率。可参考图5，当输入无人机的偏航角速率指令不为零时，将云台的偏航轴电机的控制权限交给无人机的飞控系统，云台的偏航角速率误差权重较大，偏航角误差只作为补偿，权重较低。当输入无人机的偏航角速率指令为零时，将云台的偏航轴电机的控制权限交给云台控制系统，即由云台控制系统直接控制云台的偏航轴电机，云台的偏航轴电机不受飞控系统的影响。值得注意的是，不论云台控制系统选择控制率1还是控制率2，云台的俯仰轴电机和滚转轴电机的控制权限一直属于云台控制系统。
当输入无人机的偏航角速率指令不为零时，由云台控制系统执行步骤S202-S206：
S202：获取云台的实际偏航角速率。
在本发明的一实施例中，云台的实际偏航角速率可以由云台的IMU测量得到，其中，云台的IMU一般安装于云台，并与云台控制系统通信连接。也可以由云台反馈的输出状态信息得到，其中，云台的输出状态信息包括云台的实际姿态角及其角速率，即，云台的实际俯仰角、实际俯仰角速率、实际滚转角、实际滚转角速率、实际偏航角及实际偏航角速率。
S203、根据输入无人机的偏航角速率指令和云台的实际偏航角速率，生成云台的偏航轴电机控制指令。
S204、获取云台的偏航轴电机附加控制指令。
在本发明的一实施例中，云台的偏航轴电机附加控制指令是指云台的实际偏航角与无人机的实际偏航角之间的差值，该指令可保证云台搭载的影像设备的视线与无人机的航向或视线保持一致。其中，云台的实际偏航角可以由云台的IMU测量得到，或由云台反馈的输出状态信息得到。无人机的实际偏航角则可由无人机的IMU测量得到，或者由无人机反馈的输出状态信息得到。无人机的输出状态信息包括无人机的实际姿态角及其角速率，即，无人机的实际俯仰角、实际俯仰角速率、实际滚转角、实际滚转角速率、实际偏航角及实际偏航角速率。
S205、根据云台的偏航轴电机控制指令和云台的偏航轴电机附加控制指令，生成云台的偏航轴电机控制量。
S206、根据云台的偏航轴电机控制量，控制云台的偏航轴电机。
当输入无人机的偏航角速率指令为零时，执行步骤S207-S211：
S207、获取无人机的实际偏航角和云台的实际偏航角。
同样的，无人机的实际偏航角可以由无人机的IMU测量得到或无人机反馈的输出状态信息得到，云台的实际偏航角可由云台的IMU测量得到或云台反馈的输出状态信息得到。
S208、根据无人机的实际偏航角和云台的实际偏航角，生成云台的偏航角速率控制指令。
S209、获取云台的实际偏航角速率。
S210、根据云台的偏航角速率控制指令和云台的实际偏航角速率，生成云台的偏航轴电机控制量。
S211、根据云台的偏航轴电机控制量，控制云台的偏航轴电机。
在本发明的一实施例中，该方法还包括：
S300、云台控制系统根据输入云台的俯拍角度指令和云台的输出状态信息，控制云台的俯仰轴电机和滚转轴电机，其中，所述云台的所述输出状态信息包括所述云台的实际姿态角和实际姿态角速率。
在本发明的一实施例中，云台的实际姿态角包括实际俯仰角、实际滚转角和实际偏航角。云台的实际姿态角速率包括实际俯仰角速率、实际滚转角速率和实际偏航角速率。
在本发明的一实施例中，输入云台的俯拍角度指令可以由遥控器或智能终端发出，其中，遥控器用于控制无人机，与无人机通信连接。智能终端包括手机、平板电脑等，智能终端上通常安装有用于控制无人机的app。
如图8所示，云台控制系统根据输入云台的俯拍角度指令和云台的输出状态信息，控制云台的俯仰轴电机包括：
S301、根据云台的俯拍角度指令、云台的实际俯仰角和实际俯仰角速率，生成云台的俯仰轴电机控制量。
S302、根据上述云台的俯仰轴电机控制量，控制云台的俯仰轴电机。
类似的，云台控制系统对云台的滚转轴电机的控制包括：
S303、根据输入云台的俯拍角度指令、云台的实际滚转角和实际滚转角速率，生成云台的滚转轴电机控制量。
S304、根据上述云台的滚转轴电机控制量，控制云台的滚转轴电机。
在本发明的一实施例中，该方法还包括：
S400、飞控系统根据云台的输出状态信息，控制无人机的姿态。
其中，所述无人机的姿态包括无人机的姿态角和无人机的姿态角速率。
如图10所示，步骤S400进一步包括：
S401、根据云台的实际姿态角，生成无人机的姿态角限幅。
在本发明的一实施例中，云台的实际姿态角主要包括云台的实际俯仰角和实际滚转角，在其他可能的实施例中，还可以进一步包括云台的实际偏航角。云台的实际姿态角均可以通过云台反馈的输出信息得到。对应的，无人机的姿态角限幅主要包括无人机的俯仰角限幅和滚转角限幅，还可以进一步包括无人机的偏航角限幅。
S402、获取无人机的实际姿态角和输入无人机的姿态角指令。
在本发明的一实施例中，无人机的实际姿态角可以通过无人机反馈的输出状态信息(包括实际姿态角和实际姿态角速率)得到，也可以通过无人机的IMU测量得到。无人机的姿态角指令主要包括输入无人机的俯仰角指令和滚转角指令。其中，输入无人机的俯仰角指令和滚转角指令可以由飞控系统根据输入无人机的位置指令、速度指令、视线指令和视线变化率指令中的至少一种生成。
S403、根据无人机的姿态角限幅、输入无人机的姿态角指令、以及无人机的实际姿态角，生成无人机的姿态角速率控制指令。
其中，无人机的姿态角控制指令主要包括无人机的俯仰角速率控制指令和滚转角速率控制指令。
S404、根据云台的实际姿态角速率，生成无人机的姿态角速率限幅。
云台的实际姿态角速率包括云台的实际俯仰角速率、实际滚转角速率即实际偏航角速率。因此，无人机的姿态角速率限幅包括无人机的俯仰角速率限幅、滚转角速率限幅及偏航角速率限幅。
S405、获取无人机的实际姿态角速率和输入无人机的偏航角速率指令。
输入无人机的偏航角速率指令可以通过步骤S100的方式获取。
S406、根据无人机的姿态角速率控制指令、无人机的姿态角速率限幅、输入无人机的偏航角速率指令以及无人机的实际姿态角速率，生成无人机的电机控制指令。
S407、根据上述无人机的电机控制指令，控制无人机的姿态。
本发明一种云台控制方法的详细描述可参考对无人机实施例的详细描述。
本发明的云台控制方法，采用云台控制系统与飞控系统联合控制，最大限度发挥了云台控制系统高精度控制和快速响应的优点，利用该优点来补偿飞控系统在偏航控制上的不足，实现了对云台偏航通道的增稳，彻底解决了当无人机低速偏航时，航拍视频的卡顿现象。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
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 (22)

1.一种无人机云台控制方法，所述无人机包括飞控系统和用于控制所述云台的云台控制系统，其特征在于，包括：
所述飞控系统生成所述无人机的偏航角速率指令；
所述云台控制系统根据所述无人机的偏航角速率指令，控制所述云台的偏航轴电机；
所述云台控制系统根据所述无人机的所述偏航角速率指令，控制所述云台的所述偏航轴电机，包括：
判断输入所述无人机的偏航角速率指令是否为零；
若否，则：
所述云台控制系统获取所述云台的实际偏航角速率；
所述云台控制系统根据输入所述无人机的所述偏航角速率指令和所述云台的所述实际偏航角速率，生成所述云台的偏航轴电机控制指令；
所述云台控制系统获取所述云台的偏航轴电机附加控制指令，其中，所述偏航轴电机附加控制指令用于控制所述云台的偏航轴电机以使得所述云台搭载的影像设备的视线与所述无人机的航向重合；
所述云台控制系统根据所述云台的所述偏航轴电机控制指令和所述云台的所述偏航轴电机附加控制指令，生成所述云台的偏航轴电机控制量；
根据所述云台的所述偏航轴电机控制量，控制所述云台的偏航轴电机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述云台控制系统获取所述云台的所述偏航轴电机附加控制指令，包括：
所述云台控制系统获取所述云台的实际偏航角和所述无人机的实际偏航角；
所述云台控制系统根据所述云台的所述实际偏航角和所述无人机的所述实际偏航角，生成所述云台的所述偏航轴电机附加控制指令。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
若输入所述无人机的所述偏航角速率指令为零，则：
所述云台控制系统获取所述无人机的实际偏航角和所述云台的实际偏航角；
所述云台控制系统根据所述无人机的所述实际偏航角和所述云台的所述实际偏航角，生成所述云台的偏航角速率控制指令；
所述云台控制系统获取所述云台的实际偏航角速率；
所述云台控制系统根据所述云台的所述偏航角速率控制指令和所述云台的所述实际偏航角速率，生成所述云台的偏航轴电机控制量；
所述云台控制系统根据所述云台的所述偏航轴电机控制量，控制所述云台的偏航轴电机。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述飞控系统生成所述无人机的所述偏航角速率指令，包括：
所述飞控系统获取输入所述无人机的位置指令和视线指令中的至少一种；
所述飞控系统根据输入所述无人机的所述位置指令和所述视线指令中的至少一种，生成所述无人机的所述偏航角速率指令。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述飞控系统生成所述无人机的所述偏航角速率指令，包括：
所述飞控系统获取输入所述无人机的速度指令和视线变化率指令中的至少一种；
所述飞控系统根据输入所述无人机的所述速度指令和所述视线变化率指令中的至少一种，生成所述无人机的所述偏航角速率指令。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
所述云台控制系统根据输入所述云台的俯拍角度指令和所述云台的输出状态信息，控制所述云台的俯仰轴电机和滚转轴电机，其中，所述云台的所述输出状态信息包括所述云台的实际姿态角及实际姿态角速率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述云台的所述实际姿态角包括所述云台的实际俯仰角，所述云台的所述实际姿态角速率包括所述云台的实际俯仰角速率；
所述云台控制系统根据输入所述云台的俯拍角度指令和所述云台的输出状态信息，控制所述云台的俯仰轴电机和滚转轴电机，包括：
所述云台控制系统根据所述云台的所述俯拍角度指令、所述云台的所述实际俯仰角和所述实际俯仰角速率，生成所述云台的俯仰轴电机控制量；
根据所述云台的所述俯仰轴电机控制量，控制所述云台的俯仰轴电机。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述云台的所述实际姿态角还包括所述云台的实际滚转角，所述云台的所述实际姿态角速率还包括所述云台的实际滚转角速率；
所述云台控制系统根据输入所述云台的俯拍角度指令和所述云台的输出状态信息，控制所述云台的俯仰轴电机和滚转轴电机，包括：
所述云台控制系统根据所述云台的所述俯拍角度指令、所述云台的所述实际滚转角和所述实际滚转角速率，生成所述云台的滚转轴电机控制量；
所述云台控制系统根据所述云台的所述滚转轴电机控制量，控制所述云台的滚转轴电机。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述云台控制系统获取所述云台的所述俯拍角度指令，包括：
所述云台控制系统获取由遥控器或智能终端发出的所述云台的所述俯拍角度指令。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
所述飞控系统根据所述云台的所述输出状态信息，控制所述无人机的姿态。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述飞控系统根据所述云台的所述输出状态信息，控制所述无人机的姿态，包括：
所述飞控系统根据所述云台的所述实际姿态角，生成所述无人机的姿态角限幅；
所述飞控系统获取所述无人机的实际姿态角和输入所述无人机的姿态角指令；
所述飞控系统根据所述无人机的所述姿态角限幅、输入所述无人机的所述姿态角指令以及所述无人机的所述实际姿态角，生成所述无人机的姿态角速率控制指令；
所述飞控系统根据所述云台的所述实际姿态角速率，生成所述无人机的姿态角速率限幅；
所述飞控系统获取所述无人机的实际姿态角速率和输入所述无人机的所述偏航角速率指令；
所述飞控系统根据所述无人机的所述姿态角速率控制指令、所述无人机的所述姿态角速率限幅、输入所述无人机的所述偏航角速率指令以及所述无人机的所述实际姿态角速率，生成所述无人机的电机控制指令；
所述飞控系统根据所述无人机的所述电机控制指令，控制所述无人机的姿态。
12.一种无人机，其特征在于，包括：
机身；
机臂，与所述机身相连；
动力装置，设于所述机臂；
云台，与所述机身相连；
飞控系统，设于所述机身；以及
云台控制系统，设于所述云台或机身，且用于控制所述云台；
所述飞控系统用于生成所述无人机的偏航角速率指令；
所述云台控制系统用于：
根据所述飞控系统生成的所述无人机的所述偏航角速率指令，控制所述云台的偏航轴电机；
所述云台控制系统具体用于：
判断所述无人机的偏航角速率是否为零；
当所述无人机的所述偏航角速率指令不为零，则：
获取所述云台的实际偏航角速率；
根据输入所述无人机的所述偏航角速率指令和所述云台的实际偏航角速率，生成所述云台的偏航轴电机控制指令；
获取所述云台的偏航轴电机附加控制指令，其中，所述偏航轴电机附加控制指令用于控制所述云台的偏航轴电机以使得所述云台搭载的影像设备的视线与所述无人机的航向重合；
根据所述云台的所述偏航轴电机控制指令和所述云台的所述偏航轴电机附加控制指令，生成所述云台的偏航轴电机控制量；以及
根据所述云台的所述偏航轴电机控制量，控制所述云台的偏航轴电机。
13.根据权利要求12所述的无人机，其特征在于，所述云台控制系统具体用于：
获取所述云台的实际偏航角和所述无人机的实际偏航角；
根据所述云台的所述实际偏航角和所述无人机的所述实际偏航角，生成所述云台的所述偏航轴电机附加控制指令。
14.根据权利要求12或13所述的无人机，其特征在于，当输入所述无人机的偏航角速率指令为零，则所述云台控制系统还用于：
获取所述无人机的实际偏航角和所述云台的实际偏航角；
根据所述无人机的所述实际偏航角和所述云台的所述实际偏航角，生成所述云台的偏航角速率控制指令；
获取所述云台的实际偏航角速率；
根据所述云台的所述偏航角速率控制指令和所述云台的所述实际偏航角速率，生成所述云台的偏航轴电机控制量；
根据所述云台的所述偏航轴电机控制量，控制所述云台的偏航轴电机。
15.根据权利要求12或13所述的无人机，其特征在于，所述飞控系统具体用于：
获取所述无人机的位置指令和视线指令中的至少一种；以及
根据所述无人机的所述位置指令和所述视线指令中的至少一种，生成所述无人机的所述偏航角速率指令。
16.根据权利要求12或13所述的无人机，其特征在于，所述飞控系统具体用于：
获取所述无人机的速度指令和视线变化率指令中的至少一种；
根据所述无人机的所述速度指令和所述视线变化率指令中的至少一种，生成所述无人机的所述偏航角速率指令。
17.根据权利要求12或13所述的无人机，其特征在于，所述云台控制系统还用于：
根据输入所述云台的俯拍角度指令和所述云台的输出状态信息，控制所述云台的俯仰轴电机和滚转轴电机，其中，所述云台的所述输出状态信息包括所述云台的实际姿态角及实际姿态角速率。
18.根据权利要求17所述的无人机，其特征在于，所述云台的所述实际姿态角包括所述云台的实际俯仰角，所述云台的所述实际姿态角速率包括所述云台的实际俯仰角速率，所述云台控制系统具体用于：
根据所述云台的所述俯拍角度指令、所述云台的所述实际俯仰角和所述实际俯仰角速率，生成所述云台的俯仰轴电机控制量；
根据所述云台的所述俯仰轴电机控制量，控制所述云台的俯仰轴电机。
19.根据权利要求18所述的无人机，其特征在于，所述云台的所述实际姿态角还包括所述云台的实际滚转角，所述云台的所述实际姿态角速率还包括所述云台的实际滚转角速率，所述云台控制系统还用于：
根据所述云台的所述俯拍角度指令、所述云台的所述实际滚转角和所述实际滚转角速率，生成所述云台的滚转轴电机控制量；
根据所述云台的所述滚转轴电机控制量，控制所述云台的滚转轴电机。
20.根据权利要求17所述的无人机，其特征在于，所述云台控制系统具体用于获取由遥控器或智能终端发出的所述云台的所述俯拍角度指令。
21.根据权利要求17所述的无人机，其特征在于，所述飞控系统还用于：
根据所述云台的所述输出状态信息，控制所述无人机的姿态。
22.根据权利要求21所述的无人机，其特征在于，所述飞控系统具体用于：
根据所述云台的所述实际姿态角，生成所述无人机的姿态角限幅；
获取所述无人机的实际姿态角和输入所述无人机的姿态角指令；
根据所述无人机的所述姿态角限幅、输入所述无人机的所述姿态角指令以及所述无人机的所述实际姿态角，生成所述无人机的姿态角速率控制指令；
根据所述云台的所述实际姿态角速率，生成所述无人机的姿态角速率限幅；
获取所述无人机的实际姿态角速率和输入所述无人机的偏航角速率指令；
根据所述无人机的所述姿态角速率控制指令、所述无人机的所述姿态角速率限幅、输入所述无人机的所述偏航角速率指令以及所述无人机的所述实际姿态角速率，生成所述无人机的电机控制指令；
根据所述无人机的所述电机控制指令，控制所述无人机姿态。
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