CN114167901A - 一种云台控制方法、装置、电子设备、吊舱及存储介质 - Google Patents

一种云台控制方法、装置、电子设备、吊舱及存储介质 Download PDF

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CN114167901A CN202111456559.1A CN202111456559A CN114167901A CN 114167901 A CN114167901 A CN 114167901A CN 202111456559 A CN202111456559 A CN 202111456559A CN 114167901 A CN114167901 A CN 114167901A
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Abstract

本发明涉及一种云台控制方法，涉及云台控制技术领域，所述云台包括电机，所述云台控制方法包括：获取控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机状态参数和扰动参数；其中，所述扰动参数包括动态扰动参数和系统扰动参数；根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机的状态参数和扰动参数，对所述云台进行姿态控制。本发明还提供一种云台控制装置、电子设备、吊舱及存储介质。通过利用所述云台的姿态参数、所述电机状态参数Um和扰动参数d，生成云台的电机控制量，以基于该电机控制量对云台进行姿态控制；如此，可以降低云台的扰动，如相机镜头长度发生变化，对云台控制精度的影响，进而提高云台的控制精度。

Description

一种云台控制方法、装置、电子设备、吊舱及存储介质
技术领域
本申请涉及云台控制技术领域，具体而言，涉及一种云台控制方法、装置、电子设备、吊舱及存储介质。
背景技术
在云台的控制场景中，一般采用串级的控制模式，以角度控制作为控制外环、角速度控制作为控制内环，通过给定云台设定的角度或者是角速度，并以角度或者角速度的测量值作为反馈，从而构建闭环的控制系统。
云台在工作的过程中，可以利用挂载的相机对一些目标对象进行拍摄，从而完成一些例如目标追踪、地图测绘等任务。
然而，相机在对目标对象进行拍摄的过程中，受工作状态变化的影响，整个云台系统的系统特性参数可能会发生变化，使得云台控制精度降低。
发明内容
为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。
本申请的目的在于提供一种云台控制方法、装置、控制设备及存储介质，能够提高云台的控制精度。
为了实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种云台控制方法，所述方法包括：
获取控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机状态参数Um和扰动参数d；其中，所述扰动参数包括动态扰动参数和系统扰动参数；
根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机的状态参数和扰动参数，对所述云台进行姿态控制。
第二方面，本申请提供一种云台控制装置，所述控制装置包括：
处理模块，用于获取控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机状态参数和扰动参数；其中，所述扰动参数包括动态扰动参数和系统扰动参数；
控制模块，用于根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机的状态参数和扰动参数，对所述云台进行姿态控制。
第三方面，本申请提供一种电子设备，所述电子设备包括存储器，用于存储一个或多个程序；处理器；当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，实现上述的云台控制方法。
第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的云台控制方法。
第五方面，本申请提供一种吊舱，所述吊舱包括其上述的云台控制装置。
本申请提供的一种云台控制方法、装置、电子设备、吊舱及存储介质，在基于接收的指令控制参数对云台进行姿态控制的过程中，通过利用所述云台的姿态参数、所述电机状态参数Um和扰动参数d，生成云台的电机控制量，以基于该电机控制量对云台进行姿态控制；如此，可以降低云台的扰动，如相机镜头长度发生变化，对云台控制精度的影响，进而提高云台的控制精度。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：
图1示出镜头长度变化时的一种控制效果对比图。
图2示出本申请提供的控制设备的一种示意性结构框图。
图3示出本申请提供的云台控制方法的一种示例性流程图。
图4示出镜头坐标系与电机坐标系的一种关系示例图。
图5示出镜头长度变化时的另一种控制效果对比图。
图6示出本申请提供的云台控制装置的一种示例性结构框图。
图中：100-控制设备；101-存储器；102-处理器；103-通信接口；300-云台控制装置；301-处理模块；302-控制模块。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请的一些实施例中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请选定的一些实施例。基于本申请中的一部分实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在例如上述的云台使用场景中，可以通过在云台上挂载的相机镜头对目标对象进行拍摄，并基于不同的拍摄需求，可以对相机执行变焦操作。
其中，在一些可能的场景中，受云台工作状态变化的影响，云台系统的一些系统特征参数可能会发生变化，导致云台控制精度降低。
比如，当云台挂载在无人机上进行飞行的过程中，云台所受风阻的大小或者是方向等一般会发生变化，导致云台的不平衡力矩可能发生变化，使得用户通过例如遥控器等设备操作云台的姿态变化量与云台实际的姿态变化量存在差异，造成云台的控制精度降低。
又比如，在对相机执行变焦操作的过程中，由于相机镜头的长度一般会发生变化，使得包含有相机的云台系统整体的比如重心、转动惯量等系统特征参数可能发生变化。
示例性地，以某一变焦倍数下的相机镜头长度进行计算说明，在该相机镜头长度下，结合云台的电机的电气参数，各个转动轴的电气时间常数可以表示为：
Figure BDA0003386133920000051
其中，Tm表示电气时间常数，J表示电机与负载的转动惯量之和，R表示电机电枢电阻，Ke表示电机反电动势常数，Kt表示电机转矩常数。
在上述计算公式中，R、Ke、Kt均为电机的电气参数，可以直接读取获得；而J表示的是电机与负载的转动惯量之和，其值与相机镜头长度有关，当相机镜头长度发生变化，则J的取值也会发生变化。
并且，在不考虑直流电机的电感影响时，单轴系统转动运动方程可以表示如下：
Figure BDA0003386133920000061
其中，θ和ω分别表示云台转动的角度和角速度、Kd表示电机转速增益系数、TL表示单轴上的摩擦力矩和偏离平衡点的不平衡力矩之和，u表示电机的电枢电流。
可见，结合上述的公式可知，当相机镜头长度发生变化，导致电机与负载的转动惯量之和J的取值也会发生变化，使得云台转动的角度和角速度也会发生变化，进而导致云台的控制精度降低，比如云台的转动角度低于接收的指令角度。
比如，结合图1所示，图1中变化曲线一可以指示相机镜头最短时云台的角度变化曲线，变化曲线二可以指示相机镜头最长时云台的角度变化曲线；经过简单的对比可以发现，当相机镜头变长时，云台的角度控制会出现较大的超调，控制效果降低。
因此，基于上述缺陷，本申请提供的一些可能的实施方式为：
在对云台进行姿态控制的过程中，除了接收控制指令参数外，还需要根据云台的姿态参数、所述电机状态参数Um和扰动参数，一同确定云台的电机控制量，并根据该电机控制量实现对云台的姿态控制。在上述过程中，扰动参数除了系统扰动参数外，还包括动态扰动参数，在控制过程中，可以有效避除动态扰动参数对云台姿态的影响。
请参阅图2，图2示出本申请提供的控制设备100的一种示意性结构框图，该控制设备100可以是云台的控制单元，也可以是无人机的控制单元，或者是其他与云台电性连接的用于对云台进行控制的设备。
在一些实施例中，控制设备100可以包括存储器101、处理器102和通信接口103，该存储器101、处理器102和通信接口103相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。
存储器101可以用于存储软件程序及模块，如本申请提供的云台控制装置对应的程序指令/模块，处理器102通过执行存储在存储器101内的软件程序及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，进而执行本申请提供的云台控制方法的步骤。该通信接口103可用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。
其中，存储器101可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read—Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read—Only Memory，EPROM)，电可擦除可编程只读存储器(Electric Erasable Programmable Read—OnlyMemory，EEPROM)等。
处理器102可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理器102可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field—Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
可以理解的是，图2所示的结构仅为示意，控制设备100还可以包括比图2中所示更多或者更少的组件，或者具有与图2所示不同的配置。图2中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
下面以图2所示的控制设备100作为示意性执行主体，对本申请提供的云台控制方法进行说明。
请参阅图3，图3示出本申请提供的云台控制方法的一种示例性流程图，在一些实施例中，该云台控制方法可以包括以下步骤：
步骤S301，获取控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机状态参数Um和扰动参数d；其中，所述扰动参数包括动态扰动参数和系统扰动参数；
步骤S302，根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机的状态参数和扰动参数，对所述云台进行姿态控制。
在一些实施例中，所述根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机的状态参数和扰动参数，对所述云台进行姿态控制，包括：
根据所述控制指令参数、所述云台的状态参数和所述动态扰动参数，确定电机控制量；
根据所述电机控制量、所述电机状态参数Um和所述系统扰动参数，对所述云台进行姿态控制。
其中，所述动态扰动参数可以是其他设备发送的，也可以是自行根据当前云台状态确定的。
进一步的，所述根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数和所述动态扰动参数，确定电机控制量，具体包括：
根据所述控制指令参数以及所述云台的姿态参数，计算出所述云台的姿态控制误差；
将所述姿态控制误差以及所述动态扰动参数，输入预先设置的控制器，所述控制器输出的结果为所述电机控制量。
具体的，所述控制指令参数包括：目标角加速度、目标角度和目标角速度；所述云台的姿态参数包括：测量角度和测量角速度。
具体的，
所述电机状态参数为电流；
所述方法还包括：获取系统状态参数，所述系统状态参数包括电气时间常数Tm和电机转速增益系数Kd；
根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述动态扰动参数和所述系统状态参数，计算所述电机控制量。
在一些可选的实施例中，采用如下公式计算所述电机控制量：
Figure BDA0003386133920000091
其中，u(t)表示第t时刻的电机控制量；s(t)＝ceθ(t)+eω(t)，c、k以及η均为预先设定的控制器参数；αr(t)表示第t时刻接收的指令控制参数中的目标加速度；sgn(s)为符号函数；
Figure BDA0003386133920000092
表示第t时刻的动态扰动参数；电气时间常数Tm和电机转速增益系数Kd；
eθ(t)表示姿态控制误差中的角度误差，即θr(t)与θm(t)之差；eω(t)表示姿态控制误差中的角速度误差，即ωr(t)与θm(t)之差；θr(t)表示第t时刻接收的指令控制参数中的目标角度；ωr(t)表示第t时刻接收的指令控制参数中的目标角速度；θm(t)表示第t时刻云台的姿态参数中的测量角度；ωm(t)表示第t时刻云台的姿态参数中的测量角速度。
具体的，获取所述动态扰动参数，可以包括：
获取所述云台的历史姿态参数、历史电机控制量和系统状态参数；
根据所述云台的历史姿态参数、所述历史电机控制量和所述系统状态参数，确定所述动态扰动参数。
其中，所述动态扰动参数为所述云台在当前工作状态下相对于标称工作状态的当前扰动参数。
所述根据所述云台的历史姿态参数、历史电机控制量和系统状态参数，确定所述动态扰动参数，包括：
根据所述历史电机控制量、所述历史电机控制量和所述系统状态参数，计算出所述云台的历史姿态参数相对于标称姿态参数的姿态偏差；其中，所述标称姿态参数为所述云台在标称工作状态下的姿态参数；
根据所述姿态偏差和所述历史扰动参数，计算出所述云台在当前工作状态下相对于标称工作状态的当前扰动参数。
在一些可选的实施例中，所述计算出所述云台的历史姿态参数相对于标称姿态参数的姿态偏差，包括：
基于预先配置的观测器计算出所述云台在所述标称工作状态下的估计姿态参数；
将所述云台的历史姿态参数与所述估计姿态参数之差，确定为所述云台的历史姿态参数相对于标称姿态参数的姿态偏差。
在一些可选的实施例中，所述获取所述系统状态参数，包括：
将所述云台调整至所述标称工作状态；
根据所述云台在所述标称工作状态下的转动惯量，计算出所述控制器的系统状态参数。
在一些实施例中，结合上述的公式(1)为例，控制设备可以记录一标称工作状态，该标称工作状态可以为云台的相机镜头处于预设状态时云台的工作状态，也可以是云台未受风阻影响时的工作状态；示例性地，以相机镜头处于预设状态为例，假定相机镜头的变化范围为10～40mm，可以将相机镜头长度为20mm时云台的工作状态确定为云台的标称工作状态。
当然，可以理解的是，上述仅为举例，针对云台的标称工作状态进行说明，在本申请其他一些可能的实施例中，云台的标称工作状态还可以为相机镜头处于其他状态时云台的工作状态，本申请对此不进行限定。
基于该标称工作状态，控制设备在执行本申请提供的云台控制方法的过程中，可以先根据云台的历史姿态参数，计算出云台在当前工作状态下相对于标称工作状态的当前扰动参数。
比如，控制设备可以采用迭代计算的方式，假定当前时刻为第t时刻，t为大于1的整数，则控制设备可以将第t-1时刻采集的云台的姿态参数确定为第t时刻的历史姿态参数；将t时刻采集的云台的姿态参数确定为第t+1时刻的历史姿态参数；将t+1时刻采集的云台的姿态参数确定为第t+2时刻的历史姿态参数；……。
在一些实施例中，控制设备计算出的上述当前扰动参数可以作为云台控制的补偿量，使得控制设备可以在接收到例如遥控器等设备发送的姿态控制指令时，可以将接收的控制指令作为针对云台的姿态进行控制的指令控制参数，并结合云台的当前姿态参数以及通过步骤201计算出的当前扰动参数，生成该云台的电机控制量，使得控制设备可以基于该电机控制量对云台进行姿态控制；即：控制设备在基于指令控制参数对云台进行姿态控制的过程中，可以利用计算出的当前扰动参数进行补偿，从而降低例如云台的相机镜头长度发生变化对云台控制的影响，进而提高云台的控制精度。
其中，在一些实施例中，控制设备在执行步骤201以计算出云台的当前扰动参数的过程中，控制设备可以基于差分计算的方式，将云台的标称工作状态为参照对象，将云台在标称工作状态下的姿态参数确定为标称姿态参数，计算出云台的历史姿态参数相对于标称姿态参数的姿态偏差。
比如，控制设备可以预先配置一观测器，且该观测器对应有一状态参数，该状态参数可以指示云台在标称工作状态下的状态参数，例如以上述的相机镜头长度为例，该观测器中相机镜头的长度可以为上述的20mm，即云台的相机镜头处于预设状态。
基于此，控制设备在计算出云台的历史姿态参数相对于标称姿态参数的姿态偏差的过程中，可以先基于该预先配置的观测器，计算出云台在标称工作状态下的估计姿态参数。
比如，示例性地，以云台的角速度以及角度作为姿态参数的计算维度为例，云台在标称工作状态下的估计姿态参数的计算公式可以表示如下：
Figure BDA0003386133920000131
式中，
Figure BDA0003386133920000132
表示第t时刻的估计角度；
Figure BDA0003386133920000133
表示第t-1时刻的估计角度；h表示第t-1时刻到第t时刻的时间间隔；
Figure BDA0003386133920000134
表示第t时刻的估计角速度；
Figure BDA0003386133920000135
表示第t-1时刻的估计角速度；Tm表示电气时间常数；Kd表示电机转速增益系数，u(t-1)表示第t-1时刻的电机控制量；
Figure BDA00033861339200001312
表示第t-1时刻估计的扰动参数；L表示预设的观测器参数；
Figure BDA00033861339200001313
表示第t-1时刻的姿态偏差，其计算公式可以表示如下：
Figure BDA0003386133920000136
式中，
Figure BDA0003386133920000137
且
Figure BDA0003386133920000138
θm(t-1)表示第t-1时刻云台的测量角度，ωm(t-1)表示第t-1时刻云台的测量角速度。
然后，基于上述估计计算出的第t时刻的估计姿态参数(包括估计角速度
Figure BDA0003386133920000139
与估计角度
Figure BDA00033861339200001310
)，控制设备可以将其与第t时刻云台的历史姿态参数(包括第t时刻云台的测量角速度ωm(t)和测量角度θm(t))做差，并将求得的云台的历史姿态参数与估计姿态参数之差，确定为云台的历史姿态参数相对于标称姿态参数的姿态偏差
Figure BDA00033861339200001311
即：按照迭代计算的方式，该状态偏差
Figure BDA0003386133920000141
的计算公式可以表示如下：
Figure BDA0003386133920000142
式中，
Figure BDA0003386133920000143
且
Figure BDA0003386133920000144
θm(t)表示第t时刻云台的测量角度，ωm(t)表示第t时刻云台的测量角速度。
然后，基于上述计算出的姿态偏差，控制设备可以根据该姿态偏差以及保存的历史扰动参数，计算出云台在当前工作状态下相对于标称工作状态的当前扰动参数。
比如，基于迭代计算的方式，该当前扰动参数的计算公式可以表示如下：
Figure BDA0003386133920000145
式中，
Figure BDA0003386133920000146
表示第t时刻估计的扰动参数；
Figure BDA0003386133920000147
表示保存的第t-1时刻估计的扰动参数；
Figure BDA0003386133920000148
表示第t-1时刻的姿态偏差；f表示预设的非线性函数，其表达式可以如下：
Figure BDA0003386133920000149
式中，ε表示设定的观测误差阈值。其中，在一些可能的场景中，当控制设备计算出的姿态偏差较小，相比于线性函数的方式，本申请提供的上述方式可以提高扰动参数估计计算时的收敛速度，从而确保在较短的时间内能够较为精确的计算出扰动参数。
需要说明的是，本申请提供的上述实现方式仅为示例，采用差分计算的方式，在计算第t时刻估计的扰动参数时，利用第t-1时刻估计的扰动参数进行迭代计算；在本申请其他一些可能的实现方式中，控制设备还可以采用例如微分等方式，利用预先配置的微分公式，以计算出的姿态偏差作为输入，而无需结合上一时刻估计的扰动参数，从而得到当前扰动参数。
另外，在一些可能的场景中，控制设备在执行步骤203的过程中，可以结合预先设置的控制器，对指令控制参数、云台的当前姿态参数以及上述计算得到的当前扰动参数进行处理，从而生成云台的电机控制量。
比如，在一些可能的实现方式中，控制设备根据所述控制指令参数以及所述云台的姿态参数，计算出所述云台的姿态控制误差的操作中，以角度和角速度控制为例，云台的姿态控制误差的计算公式可以表示如下：
Figure BDA0003386133920000151
式中，eθ(t)表示姿态控制误差中的角度误差；eω(t)表示姿态控制误差中的角速度误差；θr(t)表示第t时刻的指令控制参数中的角度参数；ωr(t)表示第t时刻的指令控制参数中的角速度参数；θm(t)表示第t时刻云台的姿态参数中的角度参数；ωm(t)表示第t时刻云台的姿态参数中的角速度参数。
接下来，基于计算出的姿态控制误差，控制设备可以将该姿态控制误差以及上述计算出的当前扰动参数输入至该预先设置的控制器，并获得该控制器输出的结果，从而将该控制器输出的结果作为云台的电机控制量。
比如，在一些可能的实施方式中，第t时刻云台的电机控制量的计算公式可以表示如下：
Figure BDA0003386133920000161
式中，u(t)表示第t时刻的电机控制量，该参数为电流值；s(t)＝ceθ(t)+eω(t)，c、k以及η均为预先设定的控制器参数；αr(t)表示第t时刻的指令控制参数中的加速度；sgn(s)为符号函数。
如此，按照例如上述公式计算得到云台在第t时刻的电机控制量u(t)后，控制设备可以将其作为电机的控制输入，以基于该姿电机控制量对云台进行姿态控制。
需要说明的是，在一些可能的场景中，云台的旋转轴一般包括航向轴、俯仰轴以及横滚轴。在获取云台的当前姿态参数时，可以利用设置在云台各个旋转轴上的角度传感器，测量云台在例如航向方向、俯仰方向以及横滚方向的姿态参数。在一些实施例中，也可以采用镜头上的IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)反馈的加速度，来确定云台的角度。
然而，由于云台各个旋转轴旋转角度的变化，使得镜头上的IMU与电机轴不完全平行，导致IMU测得的姿态参数与电机轴旋转的姿态参数并不对应。因此，需要将IMU各轴测得的姿态参数映射至各个电机轴上。
其中，结合图4所示，以角速度映射为例，当云台的相机镜头处于零位，镜头坐标系与电机坐标系重合。当相机镜头绕航向轴旋转，云台的相机镜头部分与横滚和俯仰电机一同旋转，此时云台的电机坐标系与镜头坐标系仍然重合，因此转动航向不会改变相机镜头与电机坐标系的映射关系。
当云台的相机镜头绕横滚轴旋转角度
Figure BDA0003386133920000175
俯仰电机所在框架随相机镜头一起旋转，此时云台的俯仰电机轴仍与镜头俯仰轴平行，但镜头的航向轴C”轴与电机航向轴Z存在夹角，并具有如下映射关系：
Figure BDA0003386133920000171
当云台的相机镜头绕俯仰轴旋转角度γ时，由于镜头的旋转导致云台横滚和航向电机轴与相机镜头之间存在夹角，并具有如下映射关系：
Figure BDA0003386133920000172
当云台的相机镜头在俯仰方向、横滚方向和航向方向分别旋转角度γ、
Figure BDA0003386133920000173
Ψ，则相机的镜头坐标系与电机坐标系的关系如图4所示。
因此，基于单轴对应的旋转变换矩阵，计算出镜头坐标系到电机坐标系的坐标转换矩阵可以表示为：
Figure BDA0003386133920000174
因此，基于上述的坐标变换矩阵的表达公式，控制设备在根据指令控制参数以及云台的当前姿态参数，计算出云台的姿态控制误差之前，还可以将云台的相机镜头在当前时刻的姿态参数代入到上述的坐标变换矩阵表达式中，从而获得相机镜头在当前时刻对应的旋转变换矩阵，以利用相机镜头在当前时刻对应的旋转变换矩阵，将云台的当前姿态参数进行坐标变换，即：将镜头坐标系下的坐标参数转换到云台坐标系中，从而对云台的当前姿态参数进行解耦，并以利用坐标变换后的当前姿态参数执行计算出云台的操作控制误差的操作。
示例性地，以上述的角速度映射为例，基于上述的坐标转换矩阵，则将相机镜头IMU测得的旋转角速度解耦得到各个电机轴的角速度的计算公式可以表达如下：
ω＝Ωω′……(13)
其中，ω′为镜头IMU测得的角速度，ω为坐标转换后的各电机轴角速度。
需要指出的是，结合上述的公式(9)可知，在计算第t时刻云台的电机控制量时，利用的计算公式中包括有一些控制器的系统状态参数，比如电气时间常数Tm、电机转速增益系数Kd以及c、k、η等预先设定的控制器参数；而结合公式(1)可知，电气时间常数Tm是与电机与负载的转动惯量之和有关的参数，也就是说：电气时间常数Tm可能会受相机镜头长度变化的影响。
在一些实施例中，控制设备在基于公式(9)计算电机的电机控制量u(t)时，可以用设定的电气时间常数Tm参与计算；但为了提高电机控制量u(t)的计算精度，在一些可能的场景中，控制设备还可以根据云台在当前时刻的转动轴的转动惯量，更新控制器的系统状态参数，比如上述的电气时间常数Tm，从而使控制设备可以利用控制器更新后的系统状态参数计算电机控制量u(t)，以提高电机控制量u(t)的计算精度，从而提高云台的控制精度。
另外，结合本申请提供的上述实施方式可知，本申请提供的云台控制方法，需要以云台的标称工作状态作为参考，计算出云台在当前工作状态下相对于标称工作状态的当前扰动参数，从而利用该当前扰动参数对指令控制参数进行补偿，以提高云台的控制精度。
其中，上述的标称工作状态，可以是指云台的相机镜头处于预设状态时云台的工作状态，比如在上述的示例中，该标称工作状态可以为相机镜头的长度为20mm时云台的工作状态。而在计算时，需要利用云台处于标称工作状态时的控制器的系统状态参数参与计算，比如云台上电时的电气时间常数Tm。
因此，在一些可能的实施方式中，控制设备在执行步骤301之前，当云台上电，控制设备可以将云台调整至标称工作状态，并根据云台在标称工作状态下的转动惯量，计算出控制器的系统状态参数，从而将计算出的该系统状态参数应用在上述的计算过程中；比如，控制设备在云台上电时，可以采用例如公式(1)的方式计算出电气时间常数Tm，并将计算出的电气时间常数Tm应用在公式(2)、公式(3)以及公式(9)的计算过程中。
其中，示例性地，以云台的相机镜头长度作为标称工作状态的考量维度为例，控制设备在将云台调整至标称工作状态的过程中，可以将云台的相机镜头调整至预设状态，比如上述示例的将相机镜头的长度调整至20mm，从而云台处于标称工作状态。
当然，可以理解的是，上述方式仅为示例，通过自动计算的方式，计算出云台上电时控制器的系统状态参数；在本申请其他一些可能的实施方式中，控制设备还可以采用接收其他设备输入或者是用户设定的方式，获得控制器初始的系统状态参数。
下面基于一些云台控制场景，对本申请提供的云台控制方法进行举例说明。
控制设备内可以运行有滑膜控制器和扰动观测器，云台各轴的电机及负载在工作时，可以通过设置的电流传感器、角速度传感器以及角度传感器，分别采集云台的工作电流um、解耦后的角速度ωm以及角度θm；并且，当云台启动上电时，控制设备可以采用例如上述公式(1)的方式，计算出电气时间常数Tm等系统状态参数。
在一些可能的场景中，遥控器可以向云台发送指令加速度αr、指令角速度ωr、指令角度θr等指令控制参数，以操控云台调整姿态。
其中，控制设备在执行本申请提供的云台控制方法的过程中，控制设备内运行的扰动观测器可以基于上述的公式(3)、公式(4)等算法，利用保存的上一计算时刻的电机控制量u(t-1)以及角度、角速度等姿态参数进行迭代计算，得到上一计算时刻的姿态偏差
Figure BDA0003386133920000201
然后，扰动观测器可以基于上述的公式(5)、公式(6)等算法，利用保存的上一计算时刻的扰动参数
Figure BDA0003386133920000202
计算得到的上一计算时刻的姿态偏差
Figure BDA0003386133920000203
角速度传感器测得的角速度ωm以及角度传感器测得的角度θm，计算出当前时刻的扰动参数
Figure BDA0003386133920000204
并将该扰动参数
Figure BDA0003386133920000205
输出给控制设备内运行的滑膜控制器；相应地，滑膜控制器可以基于上述的公式(8)、公式(9)等算法，利用计算出的电气时间常数Tm、预先配置的电机转速增益系数Kd、计算获得的当前时刻的扰动参数
Figure BDA0003386133920000211
接收的指令加速度αr、指令角速度ωr、指令角度θr、测得的角速度ωm以及角度θm作为输入，从而计算出云台在当前时刻的电机控制量u(t)，并将电机控制量u(t)输出给电流控制器，然后由电流控制器根据获得的电机控制量u(t)以及电流传感器测得的工作电流um对云台进行控制，以调整云台的姿态。
其中，为了对本申请提供的云台控制方法的控制效果进行说明，结合图5所示，图5中的变化曲线一可以指示相机镜头最短时云台的角度变化曲线，变化曲线二可以指示相机镜头最长时云台的角度变化曲线；可以看出，即使相机镜头在最短到最长范围内变化，但云台的角度控制并未出现超调，提高了控制效果。
另外，基于与本申请提供的上述云台控制方法相同的发明构思，请参阅图6，图6示出本申请提供的云台控制装置300的一种示例性结构框图，在一些可能的实施方式中，云台控制装置300可以包括处理模块301及控制模块302。
处理模块301，用于获取控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机状态参数和扰动参数；其中，所述扰动参数包括动态扰动参数和系统扰动参数；
控制模块302，用于根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机的状态参数和扰动参数，对所述云台进行姿态控制。
在一些可选的实施例中，所述控制模块302在根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机的状态参数和扰动参数，对所述云台进行姿态控制时，具体用于：
根据所述控制指令参数、所述云台的状态参数和所述动态扰动参数，确定电机控制量；
根据所述电机控制量、所述电机状态参数Um和所述系统扰动参数，对所述云台进行姿态控制。
在一些可选的实施例中，所述控制模块302在根据所述控制指令参数、所述云台的状态参数和所述动态扰动参数，确定电机控制量时，具体用于：
根据所述控制指令参数以及所述云台的姿态参数，计算出所述云台的姿态控制误差；将所述姿态控制误差以及所述动态扰动参数，输入预先设置的控制器，所述控制器输出的结果为所述电机的控制量。
在一些可选的实施例中，所述控制指令参数包括：目标角加速度、目标角度和目标角速度；
所述云台的姿态参数包括：测量角度和测量角速度。
在一些可选的实施例中，所述电机状态参数为电流；
所述处理模块在获取控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机状态参数Um和扰动参数d时，还用于：
获取系统状态参数，所述系统状态参数包括电气时间常数和电机转速增益系数；
所述控制模块在根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机的状态参数和扰动参数，对所述云台进行姿态控制时，具体用于：
根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述动态扰动参数和所述系统状态参数，计算所述电机控制量。
在一些可选的实施例中，所述处理模块301，采用如下公式计算所述电机控制量：
Figure BDA0003386133920000231
其中，u(t)表示第t时刻的电机控制量；s(t)＝ceθ(t)+eω(t)，c、k以及η均为预先设定的控制器参数；αr(t)表示第t时刻接收的指令控制参数中的目标加速度；sgn(s)为符号函数；
Figure BDA0003386133920000232
表示第t时刻的动态扰动参数；电气时间常数Tm和电机转速增益系数Kd；
eθ(t)表示姿态控制误差中的角度误差，即θr(t)与θm(t)之差；eω(t)表示姿态控制误差中的角速度误差，即ωr(t)与θm(t)之差；θr(t)表示第t时刻接收的指令控制参数中的目标角度；ωr(t)表示第t时刻接收的指令控制参数中的目标角速度；θm(t)表示第t时刻云台的姿态参数中的测量角度；ωm(t)表示第t时刻云台的姿态参数中的测量角速度。
在一些可选的实施例中，所述处理模块301在获取所述动态扰动参数时，具体用于：
获取所述云台的历史姿态参数、历史电机控制量和系统状态参数；
根据所述云台的历史姿态参数、所述历史电机控制量和所述系统状态参数，确定所述动态扰动参数。
在一些可选的实施例中，所述处理模块301在所述根据所述云台的历史姿态参数，在计算出所述云台的历史姿态参数相对于标称姿态参数的姿态偏差之前，还用于：
当所述云台上电，将所述云台调整至所述标称工作状态；
根据所述云台在所述标称工作状态下的转动惯量，计算出所述控制器的系统状态参数。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的一些实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。
也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。
也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请的一些实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请的一些实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本申请的部分实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种云台控制方法，所述云台包括电机，其特征在于，包括：
获取控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机状态参数Um和扰动参数d；其中，所述扰动参数包括动态扰动参数和系统扰动参数；
根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机的状态参数和扰动参数，对所述云台进行姿态控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机的状态参数和扰动参数，对所述云台进行姿态控制，包括：
根据所述控制指令参数、所述云台的状态参数和所述动态扰动参数，确定电机控制量；
根据所述电机控制量、所述电机状态参数Um和所述系统扰动参数，对所述云台进行姿态控制。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数和所述动态扰动参数，确定电机控制量，具体包括：
根据所述控制指令参数以及所述云台的姿态参数，计算出所述云台的姿态控制误差；
将所述姿态控制误差以及所述动态扰动参数，输入预先设置的控制器，所述控制器输出的结果为所述电机控制量。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，
获取所述动态扰动参数，包括：
获取所述云台的历史姿态参数、历史电机控制量和系统状态参数；
根据所述云台的历史姿态参数、所述历史电机控制量和所述系统状态参数，确定所述动态扰动参数。
5.一种云台控制装置，其特征在于，包括：
处理模块，用于获取控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机状态参数和扰动参数；其中，所述扰动参数包括动态扰动参数和系统扰动参数；
控制模块，用于根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机的状态参数和扰动参数，对所述云台进行姿态控制。
6.根据权利要求5所述的云台控制装置，其特征在于，所述控制模块在根据所述控制指令参数、所述云台的姿态参数、所述电机的状态参数和扰动参数，对所述云台进行姿态控制时，具体用于：
根据所述控制指令参数、所述云台的状态参数和所述动态扰动参数，确定电机控制量；
根据所述电机控制量、所述电机状态参数Um和所述系统扰动参数，对所述云台进行姿态控制。
7.根据权利要求5或6所述的云台控制装置，其特征在于，
所述处理模块在获取所述动态扰动参数时，具体用于：
获取所述云台的历史姿态参数、历史电机控制量和系统状态参数；
根据所述云台的历史姿态参数、所述历史电机控制量和所述系统状态参数，确定所述动态扰动参数。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行如权利要求1-8任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为执行如权利要求1-4任一项所述的方法。
10.一种吊舱，其特征在于，包括如权利要求5至7任一项所述的云台控制装置。
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