CN112083673A - 一种基于细分驱动的高精度云台控制与实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于细分驱动的高精度云台控制与实现方法，特别是涉及云台控制技术领域，通过系统参数配置单元根据拨码开关的选择来配置云台的地址与通信速率，随后通过RS485通信单元接收通用的PelcoD协议对云台进行控制。该种基于细分驱动的高精度云台控制与实现方法，通过嵌入式微控制单元、RS485通信单元、系统参数配置单元以及步进电机细分驱动单元的配合，采用步进电机的细分驱动来实现电机的驱动，通过对电机的加减速算法和电机的运动过程中实现细分数的切换算法，实现了对云台的高精度与平稳控制，大大提高了云台在特殊应该场景对云台精度和平稳度的要求。
Description
技术领域
本发明涉及云台控制技术领域，特别是涉及一种基于细分驱动的高精度云台控制与实现方法。
背景技术
云台是安装、固定摄像机的支撑设备，它分为固定和电动云台两种，固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了，电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围，电动云台高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位，在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。
目前的云台在使用过程中的精度和平稳度都达不到一些特殊场景的需求，比如使用云台来搭载：远距离监控、远距离拾音、远距离测距和精准抓拍等设备，无法做到平稳运动和精准定位，目标无法准确的捕捉，这都是因为云台使用的同步电机和驱动方式已经决定了很难达到高端应用场景的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于细分驱动的高精度云台控制与实现方法，解决了目前的云台在使用过程中的精度和平稳度都达不到一些特殊场景的需求的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于细分驱动的高精度云台控制方法，包括如下步骤：
步骤一、DC-DC单元包括DC-DC单元转换电路1和DC-DC单元转换电路2，通过DC-DC单元根据输入的电源转换出各个模块和外围设备需求的电源，随后通过电动镜头控制单元和摄像机控制单元分别外接电动镜头和摄像机单元；
步骤二、通过系统参数配置单元根据拨码开关的选择来配置云台的地址与通信速率，随后通过RS485通信单元接收通用的PelcoD协议对云台进行控制；
步骤三、设置限位开关检测单元为检测云台的基准点，由于嵌入式微控制单元是整个系统的核心部分，负责控制各个功能模块的工作和对应算法与功能的实现，使得RS485通信单元可以利用嵌入式微控制单元将控制信息传输至步进电机细分驱动单元，使得步进电机细分驱动单元控制步进电机细分驱动，完成对步进电机细分驱动控制。
在上述技术方案的基础上，所述步进电机细分驱动单元包括积分电路。
在上述技术方案的基础上，所述控制步进电机细分驱动时，所述嵌入式微控制单元对积分电路进行运算。
在上述技术方案的基础上，所述步骤二中，RS485通信单元还可控制雨刷喷淋控制单元，这样可以进行对雨刷器和外部水箱的控制。
在上述技术方案的基础上，所述步骤三中，步进电机细分驱动单元控制步进电机细分驱动对云台的使用数据和参数将会被数据存储单元存储。
一种基于细分驱动的高精度云台控制方法的实现方法，包括如下步骤：
步骤一、外部电源可以由单电源或者双电源输入，从J1接口单电源输入DC24V或J1接口输入双电源DC24V和DC12V，如果是单电源输入，DC12V由U17器件XL4015E1从DC24V转换出来，DC5V通过由U20器件XL2576T-5.0E1从DC12V转换出来，DC3.3V通过由U18器件AMS117从DC5V转换出来，步进电机细分驱动单元由于需要隔离以防干扰，使得需要的+3.3V单独通过U10器件MP2451DT从输入的DC24V转换得到；
步骤二、电动镜头控制单元外接电动镜头后，U2是一个双极型H桥电路IC，由U3通过主控芯片的SPI信号来控制，输出三组与COM组成的电压差，当电动镜头要调整ZOOM时，ZOMM脚与COM脚产生一个正负12V的电压，驱动ZOOM电机的正反转动，当电动镜头要调整FOUS时，FOUS脚与COM脚产生一个正负12V的电压，驱动FOUS电机的正反转动，当电动镜头要调整IRIS时，IRIS脚与COM脚产生一个正负12V的电压，驱动IRIS电机的正反转动；摄像机控制单元外接摄像机单元后，支持摄像机的多种通信协议，包括VISCA、LG、SAMSUNG、CNB以及HITACHI，主要控制对应的一体化摄像机的变焦、变倍、光圈以及读取一体化摄像机的具体参数；
步骤三、系统参数配置单元中，U11、U12两颗IO扩展IC级联组成一个16路的IO扩展，U11、U12通过SPI信号与U1的SPI信号脚连接，通过SPI接口读取SW1、SW2开关的状态，并根据SW1、SW2的开关状态来决定系统中RS485通信单元的通信波特率与系统的地址码，其中地址码SW1配置，波特率由SW2配置；
步骤四、RS485通信单元中，信号由J2接口经过保险管和TVS管后输入，进入RS485通信单元中的信号转换芯片U19的A和B信号脚，U19的RO和DI脚是TTL电平信号，直接与主控芯片U1的串口2相连接，U19的RE与DE脚通过下拉电阻R76与U1的普通IO口PB2相连，控制U19的接收与发送；
步骤五、步进电机细分驱动单元中，电机的驱动信号通过隔离器件OC1-OC8后进行电机驱动器件U14和U15，驱动信号PWM通过一个积分电路后由PWM的点空比得到一个稳定的电压值，具体公式如下：
输出电压为
输入电压为uo＝uR+uo
当时间常数τ＞＞tω时，uR＞＞uC
则uR≈ui
所以有
故
即输出电压近似与输入电压的积分成正比。
与现有技术相比，本发明实现的有益效果：该种基于细分驱动的高精度云台控制与实现方法，通过嵌入式微控制单元、RS485通信单元、系统参数配置单元以及步进电机细分驱动单元的配合，采用步进电机的细分驱动来实现电机的驱动，通过对电机的加减速算法和电机的运动过程中实现细分数的切换算法，实现了对云台的高精度与平稳控制，大大提高了云台在特殊应该场景对云台精度和平稳度的要求。
附图说明
图1为本发明的系统模块示意图；
图2为本发明的嵌入式微控制单元电路图；
图3为本发明的步进电机细分驱动单元电路图；
图4为本发明的DC-DC单元转换电路1电路图；
图5为本发明的DC-DC单元转换电路2电路图；
图6为本发明的摄像机控制单元电路图；
图7为本发明的电动镜头控制单元电路图；
图8为本发明的RS485通信单元电路图；
图9为本发明的雨刷喷淋控制单元电路图；
图10为本发明的系统参数配置单元电路图；
图11为本发明的数据存储单元电路图；
图12为本发明的限位开关检测单元电路图；
图13为本发明的积分电路原理图；
图14为本发明的步进电机驱动时序图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-14，本发明提供一种技术方案：一种基于细分驱动的高精度云台控制方法，包括如下步骤：
步骤一、DC-DC单元包括DC-DC单元转换电路1和DC-DC单元转换电路2，通过DC-DC单元根据输入的电源转换出各个模块和外围设备需求的电源，随后通过电动镜头控制单元和摄像机控制单元分别外接电动镜头和摄像机单元；
步骤二、通过系统参数配置单元根据拨码开关的选择来配置云台的地址与通信速率，随后通过RS485通信单元接收通用的PelcoD协议对云台进行控制，所述RS485通信单元还可控制雨刷喷淋控制单元，这样可以进行对雨刷器和外部水箱的控制，具体来说，雨刷喷淋控制单元中，U13是一个双极型H桥电路IC，控制一个两相四线的步进电机实现雨刷器的左右摆动的工作，喷淋则由一个继电器的输出，通断外部的水箱进行喷水工作；
步骤三、设置限位开关检测单元为检测云台的基准点，限位开关检测单元中，限位开关由两个光电开关接入到J16与J18，如果光电开关的光线被其他结构上的挡片挡住，检测的IO口由高电平变到低电平，实现了开关电路的检测工作，由于嵌入式微控制单元是整个系统的核心部分，负责控制各个功能模块的工作和对应算法与功能的实现，使得RS485通信单元可以利用嵌入式微控制单元将控制信息传输至步进电机细分驱动单元，使得步进电机细分驱动单元控制步进电机细分驱动，完成对步进电机细分驱动控制，所述步进电机细分驱动单元包括积分电路，所述控制步进电机细分驱动时，所述嵌入式微控制单元对积分电路进行运算，所述步进电机细分驱动单元控制步进电机细分驱动对云台的使用数据和参数将会被数据存储单元存储，数据存储单元中，U2是一颗外部EEPROM存取芯片，芯片的A0、A1、A2的地址线接到GND，数据线SCL和SDA能过R81、R82上拉接入到控制芯片，由I2C总线来读取EEPROM中的数据。
一种基于细分驱动的高精度云台控制方法的实现方法，包括如下步骤：
步骤一、外部电源可以由单电源或者双电源输入，从J1接口单电源输入DC24V或J1接口输入双电源DC24V和DC12V，如果是单电源输入，DC12V由U17器件XL4015E1从DC24V转换出来，DC5V通过由U20器件XL2576T-5.0E1从DC12V转换出来，DC3.3V通过由U18器件AMS117从DC5V转换出来，步进电机细分驱动单元由于需要隔离以防干扰，使得需要的+3.3V单独通过U10器件MP2451DT从输入的DC24V转换得到；
步骤二、电动镜头控制单元外接电动镜头后，U2是一个双极型H桥电路IC，由U3通过主控芯片的SPI信号来控制，输出三组与COM组成的电压差，当电动镜头要调整ZOOM时，ZOMM脚与COM脚产生一个正负12V的电压，驱动ZOOM电机的正反转动，当电动镜头要调整FOUS时，FOUS脚与COM脚产生一个正负12V的电压，驱动FOUS电机的正反转动，当电动镜头要调整IRIS时，IRIS脚与COM脚产生一个正负12V的电压，驱动IRIS电机的正反转动；摄像机控制单元外接摄像机单元后，支持摄像机的多种通信协议，包括VISCA、LG、SAMSUNG、CNB以及HITACHI，主要控制对应的一体化摄像机的变焦、变倍、光圈以及读取一体化摄像机的具体参数；
步骤三、系统参数配置单元中，U11、U12两颗IO扩展IC级联组成一个16路的IO扩展，U11、U12通过SPI信号与U1的SPI信号脚连接，通过SPI接口读取SW1、SW2开关的状态，并根据SW1、SW2的开关状态来决定系统中RS485通信单元的通信波特率与系统的地址码，其中地址码SW1配置，波特率由SW2配置；
步骤四、RS485通信单元中，信号由J2接口经过保险管和TVS管后输入，进入RS485通信单元中的信号转换芯片U19的A和B信号脚，U19的RO和DI脚是TTL电平信号，直接与主控芯片U1的串口2相连接，U19的RE与DE脚通过下拉电阻R76与U1的普通IO口PB2相连，控制U19的接收与发送；
步骤五、如图13所示，步进电机细分驱动单元中，电机的驱动信号通过隔离器件OC1-OC8后进行电机驱动器件U14和U15，驱动信号PWM通过一个积分电路后由PWM的点空比得到一个稳定的电压值，具体公式如下：
输出电压为
输入电压为uo＝uR+uo
当时间常数τ＞＞tω时，uR＞＞uC
则uR≈ui
所以有
故
即输出电压近似与输入电压的积分成正比；
驱动信号MSX是控制驱动的细分数，驱动信号DIR是控制电机的转动方向，驱动信号STEP是控制电机的脉冲，驱动的时序如图14所示，电机的驱动电流大小ITRIPmax由公式ITRIPmax＝VREF/(8×RS)，其中VREF是由PWM通过积分电路后所得的电压，PWM由嵌入式微控制单元产生，RS为电机输出电流的取样电阻，由硬件电路决定，这样采用步进电机的细分驱动来实现电机的驱动，通过对电机的加减速算法和电机的运动过程中实现细分数的切换算法，实现了对云台的高精度与平稳控制，大大提高了云台在特殊应该场景对云台精度和平稳度的要求。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于细分驱动的高精度云台控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、DC-DC单元包括DC-DC单元转换电路1和DC-DC单元转换电路2，通过DC-DC单元根据输入的电源转换出各个模块和外围设备需求的电源，随后通过电动镜头控制单元和摄像机控制单元分别外接电动镜头和摄像机单元；
步骤二、通过系统参数配置单元根据拨码开关的选择来配置云台的地址与通信速率，随后通过RS485通信单元接收通用的PelcoD协议对云台进行控制；
步骤三、设置限位开关检测单元为检测云台的基准点，由于嵌入式微控制单元是整个系统的核心部分，负责控制各个功能模块的工作和对应算法与功能的实现，使得RS485通信单元可以利用嵌入式微控制单元将控制信息传输至步进电机细分驱动单元，使得步进电机细分驱动单元控制步进电机细分驱动，完成对步进电机细分驱动控制。
2.如权利要求1所述的一种基于细分驱动的高精度云台控制方法，其特征在于：所述步进电机细分驱动单元包括积分电路。
3.如权利要求2所述的一种基于细分驱动的高精度云台控制方法，其特征在于：所述控制步进电机细分驱动时，所述嵌入式微控制单元对积分电路进行运算。
4.如权利要求1所述的一种基于细分驱动的高精度云台控制方法，其特征在于：所述步骤二中，RS485通信单元还可控制雨刷喷淋控制单元，这样可以进行对雨刷器和外部水箱的控制。
5.如权利要求1所述的一种基于细分驱动的高精度云台控制方法，其特征在于：所述步骤三中，步进电机细分驱动单元控制步进电机细分驱动对云台的使用数据和参数将会被数据存储单元存储。
6.一种基于权利要求1-5所述的基于细分驱动的高精度云台控制方法的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、外部电源可以由单电源或者双电源输入，从J1接口单电源输入DC24V或J1接口输入双电源DC24V和DC12V，如果是单电源输入，DC12V由U17器件XL4015E1从DC24V转换出来，DC5V通过由U20器件XL2576T-5.0E1从DC12V转换出来，DC3.3V通过由U18器件AMS117从DC5V转换出来，步进电机细分驱动单元由于需要隔离以防干扰，使得需要的+3.3V单独通过U10器件MP2451DT从输入的DC24V转换得到；
步骤二、电动镜头控制单元外接电动镜头后，U2是一个双极型H-桥电路IC，由U3通过主控芯片的SPI信号来控制，输出三组与COM组成的电压差，当电动镜头要调整ZOOM时，ZOMM脚与COM脚产生一个正负12V的电压，驱动ZOOM电机的正反转动，当电动镜头要调整FOUS时，FOUS脚与COM脚产生一个正负12V的电压，驱动FOUS电机的正反转动，当电动镜头要调整IRIS时，IRIS脚与COM脚产生一个正负12V的电压，驱动IRIS电机的正反转动；摄像机控制单元外接摄像机单元后，支持摄像机的多种通信协议，包括VISCA、LG、SAMSUNG、CNB以及HITACHI，主要控制对应的一体化摄像机的变焦、变倍、光圈以及读取一体化摄像机的具体参数；
步骤三、系统参数配置单元中，U11、U12两颗IO扩展IC级联组成一个16路的IO扩展，U11、U12通过SPI信号与U1的SPI信号脚连接，通过SPI接口读取SW1、SW2开关的状态，并根据SW1、SW2的开关状态来决定系统中RS485通信单元的通信波特率与系统的地址码，其中地址码SW1配置，波特率由SW2配置；
步骤四、RS485通信单元中，信号由J2接口经过保险管和TVS管后输入，进入RS485通信单元中的信号转换芯片U19的A和B信号脚，U19的RO和DI脚是TTL电平信号，直接与主控芯片U1的串口2相连接，U19的RE与DE脚通过下拉电阻R76与U1的普通IO口PB2相连，控制U19的接收与发送；
步骤五、步进电机细分驱动单元中，电机的驱动信号通过隔离器件OC1-OC8后进行电机驱动器件U14和U15，驱动信号PWM通过一个积分电路后由PWM的点空比得到一个稳定的电压值，具体公式如下：
输出电压为
输入电压为uo＝uR+uo
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112988617A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-06-18 | 智洋创新科技股份有限公司 | 一种输电可视化球机装置的预置位扩展方法及应用方法 |
| CN113346807A (zh) * | 2021-07-16 | 2021-09-03 | 重庆大学 | 一种用于深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路 |
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- 2020-09-04 CN CN202010927206.4A patent/CN112083673A/zh active Pending
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