CN111982050A - 云台控制器机械间隙自动检测系统、检测方法及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种云台控制器机械间隙自动检测系统、检测方法及补偿方法，此检测系统包括置开关、触发件、位置检测件和控制器，所述位置开关和位置检测件均与所述控制器相连；所述触发件固定于云台上且随云台同步转动，所述位置开关则位于云台的周侧，所述位置检测件位于驱动云台转动的电机上；当云台在不同方向转动时，触发件同步转动并经过位置开关触发位置开关产生触发信号，所述控制器在接收触发信号时记录位置检测件的记录值以得到机械间隙值。本发明具有结构简单、操作简便、检测精准、补偿实时性好等优点。

Description

云台控制器机械间隙自动检测系统、检测方法及补偿方法

技术领域

本发明主要涉及云台补偿技术领域，特指一种云台控制器机械间隙自动检测系统、检测方法及补偿方法。

背景技术

云台控制器已经广泛应用于安防、无人机、巡检机器人等领域。由于传动机构的机械间隙无法从机械设计上完全消除，且经过长时间运行后，因磨损或松动等原因机械间隙呈现增加趋势。由于机械间隙的存在，在不做补偿和补偿值不匹配时，从正向和反向设置运行到指定角度，云台的设定角度与实际角度就会存在一定的角度偏差，影响定位精度。

目前市场上存在未做补偿或只做固定补偿的云台控制器。如专利申请号CN104142691A实现补偿的方法主要是通过人工手动控制调整摄像机，使其对准某一目标，并在监视器上做上“十”字标记，并通过一系列的人工操作，获取最大误差值，并通过一套算法进行跟踪补偿。但是该方法仍需要较为复杂和精确的人工操作来获取补偿参数，且不能满足设备长期运行导致实际间隙增大后的定位精度要求。

对于大多数较高精度云台控制器都采用了位置编码器，例如编码器一周脉冲数是2000，传动比36:2，则云台旋转一周需要的脉冲数K是＝2000*36/2＝36000，在理论上云台控制角度分辨率为360度/36000＝0.01度，当数值变化100时，云台角度变化1度。但实际上因机械间隙的存在，若间隙值是50个脉冲计数值，转换为角度值50*360/36000＝0.5度，在控制时，如果电机向某个方向运行时，传动机构在走完机械间隙区域前，实际上云台是不会转动的，因此为了满足控制精度必须对机械间隙的进行补偿。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、实时性好的云台控制器机械间隙自动检测系统、检测方法及补偿方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种云台控制器机械间隙自动检测系统，包括位置开关、触发件、位置检测件和控制器，所述位置开关和位置检测件均与所述控制器相连；所述触发件固定于云台上且随云台同步转动，所述位置开关则位于云台的周侧，所述位置检测件位于驱动云台转动的电机上，用于检测电机位置；当云台在不同方向转动时，触发件同步转动并经过位置开关时触发位置开关以产生触发信号，所述控制器在接收触发信号时记录位置检测件的记录值以得到机械间隙值。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述位置开关为光电开关。

本发明还公开了一种基于如上所述的云台控制器机械间隙自动检测系统的检测方法，包括步骤：

云台沿某一方向运行，确保云台传动机构走完间隙区域且触发件到达位置开关，位置开关产生触发信号，控制器记录此时位置检测件的编码器值c1；

继续行进一定距离后，停止云台的转动，记录此时位置检测件的编码器值c2；

云台反转，使得触发件再次到达位置开关，位置开关产生触发信号，控制器记录此时位置检测件的编码器值c3；

计算机械间隙c_offset＝|c3-c2+c2-c1|＝|c3-c1|。

作为上述技术方案的进一步改进：

当位置开关在常态时输出高电平，则在步骤的低电平翻转为高电平时产生触发信号，在步骤中的高电平翻转为低电平时产生触发信号。

本发明进一步公开了一种云台控制器机械间隙自动补偿方法，包括步骤：

1)按照如上所述的云台控制器机械间隙自动检测系统的检测方法得到机械间隙值；

2)基于步骤1)中的机械间隙值对云台控制器机械间隙进行自动补偿。

作为上述技术方案的进一步改进：

步骤2)的具体过程为：

2.1)建立补偿对象结构化变量模型；

2.2)初始化补偿参数；

2.3)计算控制角度对应的目标计数值dest，计算实际角度degree进行补偿。

步骤2.1)的变量包括变量offset：步骤1)得到的机械间隙值；变量dir：已补偿方向，为二值变量，取值0或1，其中定义0为前向、正向或顺时针方向，1表示反向或逆时针方向；变量last：补偿方向上最近一次位置变量，通过周期读取编码器值，符合条件时进行更新；变量cnt：编码器计数值；变量dest：为补偿后的目标控制计数值，即将要达到的编码器的位置值；变量degree：补偿后的云台实际角度；常量K：云台旋转一周的脉冲数。

在步骤2.2)中，在计算机械间隙步骤完成的同时，标定云台相对0点位置，编码器计数清0；初始化补偿模型变量，dir＝1，last＝0，offset＝c_offset。

步骤2.3)的具体过程为：

2.3.1)计算控制角度对应的目标计数值dest

参照当前角度，如果到达设置角度θ，云台逆时针方向运行，则dest＝θ*K/360；

参照当前角度，如果到达设置角度θ，云台顺时针方向运行，则dest＝θ*K/360+offset；

其中确定运行方向的方法为，若设置角度θ>当前角度则为顺时针运行，反之目标角度<当前角度之则为逆时针运行；

2.3.2)计算实际角度degree

(a)当dir＝1时，dest<＝last逆时针方向运行，则degree＝cnt*K/360；dir不变，last＝cnt；

(b)当dir＝1时，dest>last顺时针方向运行；

若|cnt-last|>＝offset，则degree＝(cnt-offset)*K/360，dir＝0，last＝cnt；

若|cnt-last|<offset，则degree＝last*K/360，dir不变，last不变；

(c)当dir＝0时，dest>＝last顺时针方向运行；

degree＝(cnt-offset)*K/360；dir不变，last＝cnt；

(d)当dir＝0时，dest<last逆时针方向运行；

若|cnt-last|>＝offset，则degree＝cnt*K/360；dir＝1，last＝cnt；

若|cnt-last|<offset，则degree＝(last-offset)*K/360；dir不变，last不变。

在步骤1)中，在上电初始化或者云台实际运行过程中自动跟随检测机械间隙值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明在初始化时程序或设备运行过程中自动测量传动机构的机械间隙；而且检测系统结构简单、成本低且操作简便。

(2)本发明在运行过程中程序自动跟踪测量传动机构的机械间隙，进行适时修正，保证补偿的实时性。

(3)本发明采用位置开关边沿中断方式测量间隙法，比人工定“十”字标法更加精准、快捷。

(4)本发明的补偿方法关注已补偿的方向dir、已补偿方向上的计数last和实际运动方向上的计数cnt三者之间的关系，准确地反映了存在间隙的传动机构正反向运动过程的实质。

(5)本发明由于last记录了补偿方向上计数值，在发生反向运动时，即使停在机械间隙区域的任意位置，云台的实际角度也可以由last计数值换算而来。

附图说明

图1为本发明的检测系统在具体应用时的结构示意图。

图2为本发明的检测方法在实施例的检测示意图。

图中标号表示：1、电机；101、位置检测件；2、同步带；3、云台；301、转轴；4、位置开关；5、触发件。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的云台控制器机械间隙自动检测系统，包括位置开关4(如光电开关等)、触发件5(如挡光片)、位置检测件101(如光学编码器等)和控制器(采用独立的控制器或者云台控制器)，光电开关和光学编码器均与控制器相连；挡光片固定于云台3的转轴301上且随云台3的转轴301同步转动，光电开关则位于云台3的周侧，光学编码器位于驱动云台3转动的电机1上；当云台3在不同方向转动时，挡光片同步转动并经过光电开关时遮挡住光电开关，所述光电开关在被挡光片遮挡时输出触发信号至控制器，所述控制器在接收触发信号时记录光学编码器的记录值以得到云台控制器机械间隙值；其中光电开关常态时输出高电平，对应的触发信号是高低电平信号的边沿翻转信号。

如图1所示，本实施例还公开了一种云台系统，包括云台3、电机1和如上所述的云台控制器机械间隙自动检测系统，其中电机1通过同步带2传动机构，带动云台3水平或垂直方向转动。

如图2所示，本发明还公开了一种基于如上所述的云台控制器机械间隙自动检测系统的检测方法，具体包括步骤：

(1)云台3顺时针方向充分运行，确保传动机构走完间隙区域且挡光片到达光电开关S1，在走过光电开关S1时，云台控制器MCU产生上升沿中断，记录光学编码器此时的编码器值c1；

(2)继续行进一定距离后，停止云台3的转动，记录光学编码器此时的编码器值c2；

(3)控制云台3反转，使得挡光片再次到达光电开关S1，产生下降沿中断，记录光学编码器此时的编码器值c3；

(4)计算机械间隙c_offset＝|c3-c2+c2-c1|＝|c3-c1|。

具体地，图2中的左箭头方向为顺时针方向，编码器计数值增加；右箭头方向为逆时针方向，编码器计数值减小；虚线部分为分别到达光电开关S1时产生边沿信号的位置；其中c1、c2、c3分别表示边沿位置时的编码器计数值。

本发明还公开了一种基于如上所述的检测方法的补偿方法，包括步骤：

1)按照如上所述的云台控制器机械间隙自动检测系统的检测方法得到机械间隙值；

2)基于步骤1)中的机械间隙值对云台控制器机械间隙进行自动补偿。

本实施例中，在步骤1)中，自动检测机械间隙可以在上电初始化时完成，也可以在运动过程中自动跟随检测，实时更新补偿值，确保机械间隙补偿值的准确性。

本实施例中，步骤2)的具体过程为:

2.1)建立补偿对象结构化变量模型；具体包括如下变量：

1、变量offset为以上检测方法步骤测算得到的补偿值；

2、变量dir为已补偿方向，为二值变量，取值0或1。定义0为前向、正向或顺时针方向，1表示反向或逆时针方向；

3、变量last为补偿方向上是近一次位置变量，通过周期读取编码器值更新；

4、变量cnt为编码器计数值；

5、变量dest为补偿后的目标控制计数值，即将要达到的编码器的位置值；

6、变量degree为补偿后的云台3实际角度；

7、常量K为云台旋转一周需要的脉冲数；

2.2)初始化补偿参数

在计算机械间隙步骤完成的同时，标定云台3相对0点位置，编码器计数清0。初始化补偿模型变量，dir＝1，last＝0，offset＝c_offset；

2.3)补偿过程：

2.3.1)计算控制角度对应的目标计数值dest

(a)参照当前角度，如果到达设置角度θ，云台3逆时针方向运行，则dest＝设置角度θ*K/360；

(b)参照当前角度，如果到达设置角度θ，云台3顺时针方向运行，则dest＝设置角度θ*K/360+offset；

注：确定运行方向的方法，若设置角度θ>当前角度则为顺时针运行，反之目标角度<当前角度之则为逆时针运行；

2.3.2)计算实际角度degree

(a)当dir＝1时，dest<＝last逆时针方向运行

则degree＝cnt*K/360；dir不变，last＝cnt；

(b)当dir＝1时，dest>last顺时针方向运行

若|cnt-last|>＝offset，则degree＝(cnt-offset)*K/360，dir＝0，last＝cnt；

若|cnt-last|<offset，则degree＝last*K/360，dir不变，last不变；

(c)当dir＝0时，dest>＝last顺时针方向运行

degree＝(cnt-offset)*K/360；dir不变，last＝cnt；

(d)当dir＝0时，dest<last逆时针方向运行

若|cnt-last|>＝offset，则degree＝cnt*K/360；dir＝1，last＝cnt；

若|cnt-last|<offset，则degree＝(last-offset)*K/360；dir不变，last不变。

上述技术方案具有的技术效果有：

(1)在初始化时程序或设备运行过程中自动测量传动机构的机械间隙；

(2)在运行过程中程序自动跟踪测量传动机构的机械间隙，进行适时修正；

(3)采用光电开关边沿中断方式测量间隙法，比人工定“十”字标法更加精准、快捷；

(4)补偿方法关注已补偿的方向dir、已补偿方向上的计数last和实际运动方向上的计数cnt三者之间的关系，准确地反映了存在间隙的传动机构正反向运动过程的实质；

(5)由于last记录了补偿方向上计数值，在发生反向运动时，即使停在机械间隙区域的任意位置，云台3的实际角度也可以由last计数值换算而来。

下面结合一完整的具体实施例对上述发明做进一步说明：

S01、自动检测机械间隙补偿值；

S11、MCU程序控制云台3水平轴顺时针方向充分运行，确保传动机构走完间隙区域；

S12、当云台3运行到光电开关S1位置，当S1产生上升沿信号触发MCU中断，程序记录S1位置的编码器值c1；

S13、继续行进一定距离，停止电机1，控制反转；

S14、MCU程序控制云台3逆时针转动，在到达光电开关S1前，会经历下述过程：a、传动机构反向，运行在机械间隙区域，该过程云台3的位置不动；b、当走完间隙区域后，进入有效行程，云台3和传动机构同步运行；

S15、当到达光电开关S1时，产生下降沿中断，停止电机1、计录编码器值c3；

设c1＝2000,c3＝1000；则c_offset＝|c3-c1|＝|1000-2000|＝1000。

S16、设云台旋转一周所需计数值为K＝36000。

S02、机械间隙补偿方法实现过程

经过上述计算补偿值的步骤，完成了逆时针方向的补偿，即dir＝1，last＝0，确定了云台3相对0度位置，为方便计算，可对编码器进行清0，把光电开关S1位置作为计数0点，以下将通过如下步骤进行推导：

(1)控制云台3到-1度位置，则需要继续逆时针运行，目标计数值

dest＝-1*36000/3600＝-100；

若cnt＝-100，degree＝-100*360/36000＝-1度,dir＝1不变，更新last＝-100；

(2)控制云台3到-2度位置，dest＝-2*36000/360＝-200；

若cnt＝-200，degree＝-200*360/36000＝-2度；dir＝1不变，更新last＝-200；

(3)控制云台3到-3度位置，dest＝-3*36000/360＝-300；

若cnt＝-300，degree＝-300*360/36000＝-3度；dir＝1不变，更新last＝-300；

(4)以上可以推导出，当dir＝1时，dest＝设置角度θ*36000/360；且当cnt<last时，degree＝cnt*3600/36000；

(5)控制云台3度到0度位置，dest＝0*36000/360+offset＝0+1000＝1000；将经历如下过程：

当|cnt-last|<offset，则未走完间隙区域，未进入有效行程，云台3还在-3度位置未动，degree＝last*360/36000＝-300*360/36000＝-3度；可以推出当dir＝1、cnt>last、且|cnt-last|<offset时，degree＝last*360/36000；

当|cnt-last|>＝offset，则已走完间隙区域，进入有效行程，云台3开始转动，更新dir＝0，last＝cnt，degree＝(cnt-offset)*360/36000；

若cnt＝1000，degree＝(1000-1000)*360/36000＝0度；

更新dir＝0，last＝1000；

(6)控制云台3到1度位置，dest＝1*36000/360+offset＝1*100+1000＝1100；

若cnt＝1100，degree＝(1000-1000)*360/36000＝1度；dir＝0不变，更新last＝1100；

(7)控制云台3到2度位置，dest＝2*36000/360+offset＝2*100+1000＝1200；

若cnt＝1200，degree＝(1200-1000)*360/36000＝2度；dir＝0不变，更新last＝1200；

(8)控制云台3到3度位置，dest＝3*36000/360+offset＝3*100+1000＝1300；

若cnt＝1300，degree＝(1300-1000)*360/36000＝3度；dir＝0不变，更新last＝1300；

(9)以上可以推导出，当dir＝0，dest＝设置角度θ*36000/360+offset；当cnt>last(顺时针),则degree＝(cnt-offset)*360/36000，dir＝0，last＝cnt；

(10)控制云台3到0度位置，目标位置位dest＝0*36000/360＝0；将经历如下过程：

当|cnt-last|<offset，则未走完间隙区域，未进入有效行程，云台3还在3度位置未动，可以推出当dir＝0、cnt<last(逆时针)、|cnt-last|<offset时，则

degree＝(last-offset)*360/36000，dir不变，last不变；

当|cnt-last|>＝offset，则已走完间隙区域，进入有效行程，云台3开始转动，更新dir＝1，last＝cnt，degree＝cnt*360/36000；

若cnt＝0，degree＝0*360/36000＝0度；更新dir＝0，last＝0。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种云台控制器机械间隙自动检测系统，其特征在于，包括位置开关(4)、触发件(5)、位置检测件(101)和控制器，所述位置开关(4)和位置检测件(101)均与所述控制器相连；所述触发件(5)固定于云台(3)上且随云台(3)同步转动，所述位置开关(4)则位于云台(3)的周侧，所述位置检测件(101)位于驱动云台(3)转动的电机(1)上，用于检测电机(1)位置；当云台(3)在不同方向转动时，触发件(5)同步转动并经过位置开关(4)时触发位置开关(4)以产生触发信号，所述控制器在接收触发信号时记录位置检测件(101)的记录值以得到机械间隙值。

2.根据权利要求1所述的云台控制器机械间隙自动检测系统，其特征在于，所述位置开关(4)为光电开关。

3.一种基于如权利要求1或2所述的云台控制器机械间隙自动检测系统的检测方法，其特征在于，包括步骤：

(1)云台(3)沿某一方向运行，确保云台(3)传动机构走完间隙区域且触发件(5)到达位置开关(4)，位置开关(4)产生触发信号，控制器记录此时位置检测件(101)的编码器值c1；

(2)继续行进一定距离后，停止云台(3)的转动，记录此时位置检测件(101)的编码器值c2；

(3)云台(3)反转，使得触发件(5)再次到达位置开关(4)，位置开关(4)产生触发信号，控制器记录此时位置检测件(101)的编码器值c3；

(4)计算机械间隙c_offset＝|c3-c2+c2-c1|＝|c3-c1|。

4.根据权利要求3所述的云台控制器机械间隙自动检测系统的检测方法，其特征在于,当位置开关(4)在常态时输出高电平，则在步骤(1)的低电平翻转为高电平时产生触发信号，在步骤(3)中的高电平翻转为低电平时产生触发信号。

5.一种云台控制器机械间隙自动补偿方法，其特征在于，包括步骤：

1)按照如权利要求3-4中任意一项所述的云台控制器机械间隙自动检测系统的检测方法得到机械间隙值；

2)基于步骤1)中的机械间隙值对云台控制器机械间隙进行自动补偿。

6.根据权利要求5所述的云台控制器机械间隙自动补偿方法，其特征在于，步骤2)的具体过程为：

2.1)建立补偿对象结构化变量模型；

2.2)初始化补偿参数；

2.3)计算控制角度对应的目标计数值dest，计算实际角度degree进行补偿。

7.根据权利要求6所述的云台控制器机械间隙自动补偿方法，其特征在于，步骤2.1)的变量包括变量offset：步骤1)得到的机械间隙值；变量dir：已补偿方向，为二值变量，取值0或1，其中定义0为前向、正向或顺时针方向，1表示反向或逆时针方向；变量last：补偿方向上最近一次位置变量，通过周期读取编码器值，符合条件时进行更新；变量cnt：编码器计数值；变量dest：为补偿后的目标控制计数值，即将要达到的编码器的位置值；变量degree：补偿后的云台(3)实际角度；常量K:云台旋转一周的脉冲数。

8.根据权利要求7所述的云台控制器机械间隙自动补偿方法，其特征在于，在步骤2.2)中，在计算机械间隙步骤完成的同时，标定云台(3)相对0点位置，编码器计数清0；初始化补偿模型变量，dir＝1，last＝0，offset＝c_offset。

9.根据权利要求8所述的云台控制器机械间隙自动补偿方法，其特征在于，步骤2.3)的具体过程为：

2.3.1)计算控制角度对应的目标计数值dest

参照当前角度，如果到达设置角度θ，云台(3)逆时针方向运行，则dest＝θ*K/360；

参照当前角度，如果到达设置角度θ，云台(3)顺时针方向运行，则dest＝θ*K/360+offset；

其中确定运行方向的方法为，若设置角度θ>当前角度则为顺时针运行，反之目标角度<当前角度之则为逆时针运行；

2.3.2)计算实际角度degree

(a)当dir＝1时，dest<＝last逆时针方向运行，则degree＝cnt*K/360；dir不变，last＝cnt；

(b)当dir＝1时，dest>last顺时针方向运行；

若|cnt-last|>＝offset，则degree＝(cnt-offset)*K/360，dir＝0，last＝cnt；

若|cnt-last|<offset，则degree＝last*K/360，dir不变，last不变；

(c)当dir＝0时，dest>＝last顺时针方向运行；

degree＝(cnt-offset)*K/360；dir不变，last＝cnt；

(d)当dir＝0时，dest<last逆时针方向运行；

若|cnt-last|>＝offset，则degree＝cnt*K/360；dir＝1，last＝cnt；

若|cnt-last|<offset，则degree＝(last-offset)*K/360；dir不变，last不变。

10.根据权利要求5～9中任意一项所述的云台控制器机械间隙自动补偿方法，其特征在于，在步骤1)中，在上电初始化或者云台实际运行过程中自动跟随检测机械间隙值。

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