CN112644726B - 一种动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的结构及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的结构及其方法，该结构它包括数据互交的DSP模块和FPGA模块，FPGA模块通过电机驱动模块和直流有刷力矩电机与三轴云台框架连接，数据互交；电机驱动模块通过电机电波信号调理电路与DSP模块连接；FPGA模块通过继电器模块和电磁锁紧装置与三轴云台框架连接；三轴云台框架通过编码器和FPGA模块连接；三轴云台框架分别通过陀螺仪和POS与DSP模块连接；所述DSP模块与航摄任务控制模块数据互交，DSP模块通过MPU模块与云台基座连接；本发明能够有效补偿飞行器的姿态扰动对成像设备的影响，一方面可以提高后期三维建模的精度，同时在作业时无需采用过高的重叠度，节省了存储空间，也节省了后期处理的时间。

Description

一种动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的结构及其方法
技术领域
本发明涉及一种动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的结构及其方法，属于倾斜摄影技术领域。
背景技术
倾斜摄影云台是倾斜摄影系统中十分重要的有机组成部分之一，它用于支撑并稳定成像设备，可有效隔离飞行载体的姿态扰动对成像设备视轴稳定的影响，能够很好地保持成像设备相位中心的平稳理想运动。
随着数字化城市的发展，倾斜摄影系统越来越多地被用来进行三维建模数据的获取，倾斜摄影系统目前一般安装在低空飞行器，常见的有动力三角翼、轻小型飞机（如国产蜜蜂型飞机）、无人机（大疆M600Pro），而这类飞行器在低空飞行时，容易受到阵风的影响，导致飞行器出现非理想姿态扰动，从而导致安装在飞行器上的倾斜摄影设备成像质量较差，照片重叠度也会受到影响，特别是偏航的影响给后处理阶段带来很大的影响，因此，为了最大程度上隔离飞行器的姿态扰动对成像设备的影响，需要安装稳定装置。
目前，国内自带稳定云台装置的倾斜摄影系统未见报道，绝大部分的倾斜摄影系统采用提高前向和旁向重叠度来弥补飞行器姿态扰动的影响，有一定效果，但是对精度提升意义不大。
即：现需要一种动力三角翼用的倾斜摄影三轴云台装置，将稳定装置和成像设备结合在一起，能够有效补偿飞行器的姿态扰动对成像设备的影响，一方面可以提高后期三维建模的精度，同时在作业时无需采用过高的重叠度，节省了存储空间，也节省了后期处理的时间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的结构及其方法，集成有主动稳定控制功能的倾斜摄影云台装置，提高了成像精度，同时能够节省存储空间以及后处理的时间，可以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案是：一种动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的结构及其方法，该结构它包括数据互交的DSP模块和FPGA模块，FPGA模块通过电机驱动模块和直流有刷力矩电机与三轴云台框架连接，数据互交；电机驱动模块通过电机电波信号调理电路与DSP模块连接；FPGA模块通过继电器模块和电磁锁紧装置与三轴云台框架连接；三轴云台框架通过编码器和FPGA模块连接；三轴云台框架分别通过陀螺仪和POS与DSP模块连接；所述DSP模块与航摄任务控制模块数据互交，DSP模块通过MPU模块与云台基座连接。
所述DSP模块通过一路RS232接口实时接收航摄任务控制模块发送的指令信息；通过另外一路RS232接口实时获取POS高频输出的姿态和航向信息，通过IIC总线获取MPU模块输出的云台基座的角速率信息，通过内部高速ADC获取电机电流信息和陀螺仪输出的角速率信息，并通过数据总线从FPGA模块获取编码器输出的框架角信息，执行PID控制算法，产生控制3台直流有刷力矩电机的PWM信号，PWM信号经FPGA模块扩展为6路带有死区控制的互补型PWM信号，经电机驱动模块转换成电压信号，驱动直流有刷力矩电机转动，从而实现对三轴云台框架的稳定控制。
上述的编码器和FPGA模块之间设有差分转单端电路。
上述的陀螺仪和DSP模块之间设有陀螺仪信号调整电路。
上述MPU模块安装在云台基座上，用于测量出云台基座的三维角速率。
一种动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的方法，该方法基于角速率前馈的PID控制方法，三个框架采用独立控制方式，即每个框架分别设计控制系统，其中每个框架的控制系统采用三环路从属控制方式，即从外环路到内环路分别为位置环、速度环、电流环；
所述位置环的控制方式为：DSP模块通过RS232接口接收航摄任务控制模块发送的指令信息，解析出期望的角度信息，将此信息与从POS输出的姿态角信息进行作差，执行PID算法，产生速度环的指令角速率信号；所述速度环的控制方式为：DSP模块通过内部AD以20KHz的频率采集陀螺仪经过陀螺仪信号调理电路输出的电压信号，并根据标定因数计算出对应的框架角速率信息，将此信息与位置环输出的指令角速率进行作差，执行PI算法，产生电流环的指令电流信号；所述电流环的控制方式为：电流环控制器采用PI控制，反馈信号为通过直流有刷力矩电机的电流信号，采用线性光耦ACS712采集，线性光耦输出0-2.5V的电压信号，DSP模块内部AD采集线性光耦输出的电压信号，并根据标定因数计算出对应的电流值，DSP模块将此电流与速度环产生的指令电流信号作差，执行PI算法，产生控制直流有刷力矩电机的PWM信号，该PWM信号经过FPGA模块2扩展为两路互补型PWM信号，经电机驱动模块3产生相应的电压信号，驱动直流有刷力矩电机转动。
基于上述三环路从属控制方案的基础上，增设MPU模块，其测量出云台基座的角速率，可以用于角速率前馈，具体控制方式为：DSP模块通过IIC总线获取MPU模块测量的云台基座的角速率信息，经过软件滤波以及坐标转换之后，产生补偿角速率信号，直接叠加在上述速度环控制器的输入端，从而实现对云台基座角速率的补偿。
电磁锁紧装置安装在直流有刷力矩电机的尾部，当云台工作在正常航拍模式时，DSP模块通过数据总线向FPGA模块发送解锁指令，FPGA模块控制相应的IO引脚输出高电平给继电器模块，继电器模块输出24V直流电压给电磁锁紧装置，电磁锁紧装置将会打开，从而对直流有刷力矩电机进行解锁；同理，当云台处于非工作带电状态时，DSP模块通过数据总线向FPGA模块发送锁紧指令，FPGA模块控制相应的IO引脚输出低电平给继电器模块，继电器模块输出0V直流电压给电磁锁紧装置，电磁锁紧装置将会闭合，从而对直流有刷力矩电机进行锁紧；当系统掉电时，电磁锁紧装置因为没有外部电压输入，自身处于闭合状态，从而直流有刷力矩电机将被锁紧。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明具备主动稳定控制功能，即具备三轴稳定功能，能够有效隔离飞行器姿态扰动对成像设备视轴的影响，从而提升成像质量。
（2）本发明在云台基座增加了MPU模块，可以直接测量云台基座的三维角运动信息，并采用角速率前馈补偿方法，有效补偿飞行器姿态扰动对成像设备视轴指向的影响，从而提高控制精度。
（3）本发明增加了电磁锁紧装置，用于系统掉电或者非工作状态时对三轴框架进行锁紧，防止框架之间发生碰撞而可能导致的成像设备损坏。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1是本发明的结构组成框图。
图2是本发明的带有角速率前馈的三环路从属控制框图。
图3是本发明的DSP模块主工作流程图。
具体实施 方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1.如图1所示，一种动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的结构，它包括数据互交的DSP模块1和FPGA模块2，FPGA模块2通过电机驱动模块3和直流有刷力矩电机4与三轴云台框架5连接，数据互交；电机驱动模块3通过电机电波信号调理电路10与DSP模块1连接；FPGA模块2通过继电器模块6和电磁锁紧装置7与三轴云台框架5连接；三轴云台框架5通过编码器8和FPGA模块2连接；三轴云台框架5分别通过陀螺仪11和POS13与DSP模块1连接；所述DSP模块1与航摄任务控制模块14数据互交，DSP模块1通过MPU模块15与云台基座16连接。
所述DSP模块1通过一路RS232接口实时接收航摄任务控制模块14发送的指令信息；通过另外一路RS232接口实时获取POS13高频输出的姿态和航向信息，通过IIC总线获取MPU模块15输出的云台基座16的角速率信息，通过内部高速ADC获取电机电流信息和陀螺仪11输出的角速率信息，并通过数据总线从FPGA模块2获取编码器8输出的框架角信息，执行PID控制算法，产生控制3台直流有刷力矩电机4的PWM信号，PWM信号经FPGA模块2扩展为6路带有死区控制的互补型PWM信号，经电机驱动模块3转换成电压信号，驱动直流有刷力矩电机4转动，从而实现对三轴云台框架5的稳定控制。
在编码器8和FPGA模块2之间设有差分转单端电路9；在陀螺仪11和DSP模块1之间设有陀螺仪信号调整电路12；所述MPU模块15安装在云台基座16上，用于测量出云台基座16的三维角速率。
一种动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的方法，该方法基于角速率前馈的PID控制方法，三个框架采用独立控制方式，即每个框架分别设计控制系统，其中每个框架的控制系统采用三环路从属控制方式，即从外环路到内环路分别为位置环、速度环、电流环；
所述位置环的控制方式为：DSP模块1通过RS232接口接收航摄任务控制模块14发送的指令信息，解析出期望的角度信息，将此信息与从POS13输出的姿态角信息进行作差，执行PID算法，产生速度环的指令角速率信号。
所述速度环的控制方式为：DSP模块1通过内部AD以20KHz的频率采集陀螺仪11经过陀螺仪信号调理电路12输出的电压信号，并根据标定因数计算出对应的框架角速率信息，将此信息与位置环输出的指令角速率进行作差，执行PI算法，产生电流环的指令电流信号。
所述电流环的控制方式为：电流环控制器采用PI控制，反馈信号为通过直流有刷力矩电机4的电流信号，采用线性光耦ACS712采集，线性光耦输出0-2.5V的电压信号，DSP模块1内部AD采集线性光耦输出的电压信号，并根据标定因数计算出对应的电流值，DSP模块1将此电流与速度环产生的指令电流信号作差，执行PI算法，产生控制直流有刷力矩电机4的PWM信号，该PWM信号经过FPGA模块2扩展为两路互补型PWM信号，经电机驱动模块3产生相应的电压信号，驱动直流有刷力矩电机4转动。
基于上述三环路从属控制方案的基础上，增设MPU模块15，其测量出云台基座16的角速率，可以用于角速率前馈，具体控制方式为：DSP模块1通过IIC总线获取MPU模块15测量的云台基座16的角速率信息，经过软件滤波以及坐标转换之后，产生补偿角速率信号，直接叠加在上述速度环控制器的输入端，从而实现对云台基座16角速率的补偿。
电磁锁紧装置7安装在直流有刷力矩电机4的尾部，当云台工作在正常航拍模式时，DSP模块1通过数据总线向FPGA模块2发送解锁指令，FPGA模块2控制相应的IO引脚输出高电平给继电器模块6，继电器模块6输出24V直流电压给电磁锁紧装置7，电磁锁紧装置7将会打开，从而对直流有刷力矩电机4进行解锁；同理，当云台处于非工作带电状态时，DSP模块1通过数据总线向FPGA模块2发送锁紧指令，FPGA模块2控制相应的IO引脚输出低电平给继电器模块6，继电器模块6输出0V直流电压给电磁锁紧装置7，电磁锁紧装置7将会闭合，从而对直流有刷力矩电机4进行锁紧；当系统掉电时，电磁锁紧装置7因为没有外部电压输入，自身处于闭合状态，从而直流有刷力矩电机4将被锁紧。
本发明的DSP模块1的主工作流程如下：如图3所示，系统上电之后，首先进行系统初始化，主要包括陀螺仪11零偏修正、编码器8寻零、POS13初始化设置，初始化完成之后，DSP模块1通过一路RS232实时接收航摄任务控制模块14发送的指令数据，并解析出指令类型，并判断是否是跟踪指令，若是跟踪指令，则控制对应的IO引脚输出高电平给继电器模块6，继电器模块6将输出24V电压给电磁锁紧装置7，从而打开电磁锁紧装置7，云台框架可以转动，然后DSP模块1中各控制器执行PID算法，控制云台框架运动到期望角度；若接收的指令不是跟踪指令，则DSP模块1将会断开各环控制器，直流有刷力矩电机4不再输出力矩，然后DSP模块1控制对应的IO引脚输出低电平给继电器模块6，闭合电磁锁紧装置7，从而对云台框架进行锁紧，框架间不再发生相对运动。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的结构，其特征在于：它包括数据互交的DSP模块（1）和FPGA模块（2），FPGA模块（2）通过电机驱动模块（3）和直流有刷力矩电机（4）与三轴云台框架（5）连接，数据互交；电机驱动模块（3）通过电机电波信号调理电路（10）与DSP模块（1）连接；FPGA模块（2）通过继电器模块（6）和电磁锁紧装置（7）与三轴云台框架（5）连接；三轴云台框架（5）通过编码器（8）和FPGA模块（2）连接；三轴云台框架（5）分别通过陀螺仪（11）和POS（13）与DSP模块（1）连接；所述DSP模块（1）与航摄任务控制模块（14）数据互交，DSP模块（1）通过MPU模块（15）与云台基座（16）连接；
所述DSP模块（1）通过一路RS232接口实时接收航摄任务控制模块（14）发送的指令信息；通过另外一路RS232接口实时获取POS（13）高频输出的姿态和航向信息，将指令信息解析出期望的角度信息，将此信息与从POS输出的姿态角信息进行作差，执行PID算法，产生速度环的指令角速率信号；通过IIC总线获取MPU模块（15）输出的云台基座（16）的角速率信息，经过软件滤波以及坐标转换之后，产生补偿角速率信号，直接叠加在上述速度环的控制器的输入端，从而实现对云台基座（16）角速率的补偿，通过内部高速ADC获取电机电流信息和陀螺仪（11）输出的角速率信息，DSP模块通过内部AD采集陀螺仪经过陀螺仪信号调理电路输出的电压信号，并根据标定因数计算出对应的框架角速率信息，将此信息与指令角速率进行作差，执行PI算法，产生电流环的指令电流信号；采集通过直流有刷力矩电机的电流信号，DSP模块内部AD采集线性光耦输出的电压信号，并根据标定因数计算出对应的电流值，DSP模块将此电流与速度环产生的指令电流信号作差；并通过数据总线从FPGA模块（2）获取编码器（8）输出的框架角信息，执行PID控制算法，产生控制3台直流有刷力矩电机（4）的PWM信号，PWM信号经FPGA模块（2）扩展为6路带有死区控制的互补型PWM信号，经电机驱动模块（3）转换成电压信号，驱动直流有刷力矩电机（4）转动，从而实现对三轴云台框架（5）的稳定控制。
2.根据权利要求1所述的动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的结构，其特征在于：在编码器（8）和FPGA模块（2）之间设有差分转单端电路（9）。
3.根据权利要求1所述的动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的结构，其特征在于：在陀螺仪（11）和DSP模块（1）之间设有陀螺仪信号调整电路（12）。
4.根据权利要求1所述的动力三角翼用倾斜摄影三轴云台装置的结构，其特征在于：所述MPU模块（15）安装在云台基座（16）上，用于测量出云台基座（16）的三维角速率。
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