CN115202135A - 双相机三维重型云台系统及结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了双相机三维重型云台系统及结构，解决了常规三轴云台结构设计优化度低、在船舶等不稳定的场景适用性不强的问题，其主要技术方案包括包括云台主控板、电机驱动模块、姿态采集模块、通信模块与供电模块，所述云台主控板用以输出三路驱动信号给电机驱动模块，实现相机三轴式转动，所述姿态采集模块用以检测计算出相机三维姿态并发送给云台主控板，所述通信模块用以实现云台通信控制，所述云台包括重心保持一致的航向旋转机构、横滚旋转机构与俯仰旋转机构，对应每一机构分别包括航向轴、横滚轴、俯仰轴结构件，所述航向轴、横滚轴、俯仰轴结构件为316不锈钢方管结构。

Description

双相机三维重型云台系统及结构

技术领域

本发明涉及船舶用相机云台技术领域，尤其涉及双相机三维重型云台系统及结构。

背景技术

云台是一个复杂的、多输入多输出控制系统，必须与其他零件、部件共同工作，因此会受到诸多因素的影响。云台能够承载的最高重量称为云台的承载能力，即垂直方向上，稳定云台可以承受的最大压力。电机驱动器的功率、云台的结构、材质、尺寸、大小等都会影响云台的承载能力。此外，云台的运行速度、加速度也会影响承载能力。云台运行速度和加速度正常的情况下，云台能够承载的最大压力称为云台的承载力。

通常条件下，承载能力随速度的减慢而增强，随速度的提高而减弱，二者呈反比例关系。云台的负载中心要垂直与云台工作面，且经过回转中心，云台的最大负载点就是指该点。在设计云台结构、计算云台承载能力时，也是以该点为参考。假设负载的安装位置不合理，使得回转中心与重心不重合，负载力矩会显著提高，实际负载量会显著减小，无法达到理论值。所以，云台的承载重量随重心偏离度、垂直转动角度的提高而减小，随重心偏离度、垂直转动角度的降低而增加，二者呈反比例关系。所以在设计云台结构需充分考虑以下几个因素。

(1)要对机构布局、传动结构的重心平衡进行谨慎选择，根据静平衡标准对云台的质量分布进行合理配置，因为装置体积、质量较大，较高，框架的质心存在偏移，转动轴承无法保证质量的均匀分布，极易形成附加干扰力矩。

(2)选择加工材料和工艺，为了保证稳定云台的防震性和抗压性，其材料以重金属为主。考虑到云台应用在海上，充分考虑稳定云台设备的防腐蚀、防潮等防护。

(3)要综合考虑驱动器、编码器、电机的尺寸、大小、重量和体积，尽量减小云台的重量和体积。

(4)稳定云台的性能会受运动控制系统的影响和干扰，需要重点研究和分析，运动控制的关键是控制驱动电机，满足稳定性、可靠性、准确性和实时性的要求，并能够实现各种转角运动以满足不同的使用需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了在稳定性、适配性和可产品化程度上都能达到较高水平的双相机三维重型云台系统及结构。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：双相机三维重型云台系统，其特征在于包括云台主控板、电机驱动模块、姿态采集模块、通信模块与供电模块，所述云台主控板用以输出三路驱动信号给电机驱动模块，实现相机三轴式转动，所述姿态采集模块用以检测计算出相机三维姿态并发送给云台主控板，所述通信模块用以实现云台通信控制。

进一步的，所述云台主控板采用Storm32BGC云台控制器，所述电机驱动模块包括电机驱动芯片与电机，所述云台主控板通过电机驱动芯片驱动电机工作，所述电机驱动芯片型号为DRV8313，所述电机RMD-S-90型号的无刷电机，所述姿态采集模块采用两个集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪的MPU6050芯片，所述MPU6050芯片能够检测相机三维角速度和加速度，并将解算出的相机三维姿态串行通信发送给云台主控板，所述通信模块包括以太网网络通信、USB串口通信与遥控无线通信，所述供电模块用以云台主控板以及电机供电。

双相机三维重型云台结构，包括由航向旋转机构、横滚旋转机构与俯仰旋转机构组成的三轴式云台，每一机构分别对应有轴承连接的电机，其特征在于：所述航向旋转机构、横滚旋转机构与俯仰旋转机构重心保持一致，对应每一机构分别包括航向轴、横滚轴、俯仰轴结构件，所述航向轴、横滚轴、俯仰轴结构件为316不锈钢方管结构，

所述航向轴结构件顶部折弯且折弯处与横滚轴结构件垂直，其通过连接方板与横滚旋转机构连接固定，

所述横滚轴结构件位于航向轴结构件折弯处底部，其两端焊接有对称的联轴板，所述横滚轴结构件上还焊接有连接板，所述联轴板与俯仰旋转机构中轴承连接固定，

所述俯仰轴结构件通过电机与连接板螺栓固定，其两端焊接有对称的钣金挡板，所述相机与钣金挡板螺栓固定并以俯仰轴结构件中心对称，

所述俯仰旋转机构还包括转轴，所述转轴两端与钣金挡板连接固定。

进一步地，所述俯仰旋转机构中电机、转轴与相机位于同一轴线。

进一步地，所述钣金挡板边线折弯处理。

进一步地，所述电机外还设有安装基板、支柱挡板、轴承安装板、轴承盖与法兰，所述安装基板用以与外界船舶螺栓固定，其与支柱挡板、轴承安装板一体固定成箱体结构，所述电机通过轴承盖与法兰带动各机构转动。

进一步地，双相机三维重型云台结构，其特征在于包括如下检测步骤：

S1、对航向轴、横滚轴、俯仰轴结构件依次进行仿真计算，材料设定为316不锈钢，将各结构件接触条件设置为固定接触，在各结构件连接处施加固定夹具，对各结构件采用基于曲率的网格类型划分；

S2、对航向轴、横滚轴、俯仰轴结构件依次进行受力加载，其中航向轴结构件最大网格不超过1mm，有特征的部位采用0.1mm网格、横滚轴结构件最大网格不超过2.17mm，有特征的部位采用0.3mm网格、俯仰轴结构件最大网格不超过2.17mm，有特征的部位采用0.3mm网格；

S3、将各结构件连接处应力值与316不锈钢屈服强度比较，判断各结构件是否满足要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

(1)云台可控制双相机在船体横滚、俯仰、航向的运动中始终保持双相机处于固定姿态；

(2)云台可控制双相机在跟随船体航向的运动,并不受船体横滚、俯仰的动作的影响；

(3)云台可实现双相机在一定范围内进行角度的连续调节；

(4)云台满足负载要求；

(5)云台结构满足在承受最大负载的情况下的刚度和强度要求；

(6)云台在稳定性、适配性和可产品化程度上都能达到较高的水平。

附图说明

参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：

图1示意性显示了根据本发明一个实施方式的总体结构示意图；

图2示意性显示了根据本发明一个实施方式的航向旋转机构示意图；

图3示意性显示了根据本发明一个实施方式的横滚结构件示意图；

图4示意性显示了根据本发明一个实施方式的云台系统内部模块图；

图5示意性显示了根据本发明一个实施方式的云台系统流程图；

图6示意性显示了根据本发明一个实施方式的嵌入式控制系统软件执行流程；

图7示意性显示了根据本发明一个实施方式的无刷电机结构图。

图中标号：1、安装基板；2、支柱挡板；3、轴承安装板；4、轴承盖；5、法兰；6、航向轴结构件；7、连接方板；8、横滚轴结构件；9、联轴板；10、连接板；11、俯仰轴结构件； 12、钣金挡板；13、转轴；14、相机。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

如图1-图3所示，双相机三维重型云台结构，包括由航向旋转机构、横滚旋转机构与俯仰旋转机构组成的三轴式云台，每一机构分别对应有轴承连接的电机，航向旋转机构、横滚旋转机构与俯仰旋转机构重心保持一致，对应每一机构分别包括航向轴、横滚轴、俯仰轴结构件，航向轴、横滚轴、俯仰轴结构件为316不锈钢方管结构，航向轴结构件顶部折弯且折弯处与横滚轴结构件垂直，其通过连接方板与横滚旋转机构连接固定，横滚轴结构件位于航向轴结构件折弯处底部，其两端焊接有对称的联轴板，横滚轴结构件上还焊接有连接板，联轴板与俯仰旋转机构中轴承连接固定，俯仰轴结构件通过电机与连接板螺栓固定，其两端焊接有对称的钣金挡板，相机与钣金挡板螺栓固定并以俯仰轴结构件中心对称，俯仰旋转机构还包括转轴，转轴两端与钣金挡板连接固定，俯仰旋转机构中电机、转轴与相机位于同一轴线，钣金挡板边线折弯处理，电机外还设有安装基板、支柱挡板、轴承安装板、轴承盖与法兰，安装基板用以与外界船舶螺栓固定，其与支柱挡板、轴承安装板一体固定成箱体结构，电机通过轴承盖与法兰带动各机构转动。

本方案中的云台一共有3个自由度，三轴云台由空间上互相垂直的三个平面机构组成，分别为俯仰旋转机构、横滚旋转机构和航向旋转机构，它们三者分别控制着成像装置(相机) 的俯仰运动、横滚运动和航向运动。它的工作原理是，当成像装置受到外界干扰发生了振动或者是方位变化时，相机上的姿态传感器可以迅速获得相机姿态角的变化，然后将姿态变化量输入到控制器并由控制器进行姿态解算和算法计算后得到相应的补偿指令，最后传递到云台三轴电机并驱动三轴进行补偿运动，从而达到稳定云台上相机视轴的目的。

由于该云台是用于海洋船舶上，使用的材料必须具有耐碱耐腐蚀的防护效果，所以选用 316不锈钢材料。因为不锈钢材料密度大，使整个装置重量显著增加，所以如何减轻质量是我们解决的问题之一。

该云台机构可以分成三大部分，航向旋转机构、横滚旋转机构、俯仰旋转机构。依次对应云台在Z、Y与X轴方向上偏移角度的补偿。

由于俯仰旋转机构只需承担钣金挡板与相机的重量，其负载较小。但航向旋转机构与横滚旋转机构负载较大，为增强这两机构对应电机的强度，避免承受额外的弯矩载荷，在对应的电机下方安装轴承，使轴承来承受额外的弯矩载荷，从而增强强度。

(1)航向旋转机构

航向旋转机构主要起到承载云台的整体质量和船舶上支架的连接作用。

安装基板是用于连接船舶支架与整台装置，并且可以对电机起到保护作用，利用螺栓与支柱挡板连接，材料为不锈钢，具有耐碱耐腐蚀作用，支柱挡板的作用是对安装基板和底部的轴承安装板起到支承作用，并且用螺栓进行连接，而且还可以起到对电机与轴承的保护密封作用。

为了减轻重量，将支柱挡板中非连接部位的厚度减薄，这样既不会影响支柱挡板所需的强度，还可以起到减轻重量的作用，其中轴承安装板与轴承是重要部件，其作用是防止电机产生额外的弯矩，从而使电机强度得到保证，其次还可以对电机底部进行密封，防止海水或其他异物进入内部，底部法兰与电机和航向轴结构件(如图4所示)连接，使其可以绕着Z 轴方向旋转，从而补偿该方向的偏转角度。

而对于航向轴结构件：

一是与航向电机安装位置，此位置主要是为了重心平衡，使云台系统达到机械自平衡，从而减小电机的负载，增加电机寿命以及系统稳定性，并具有一定的刚性要求。

二是承载航向轴结构件以下的部件重量，受力较大，所受弯矩也很大，所以对航向轴结构件的有限元分析是必要的。

三是为外部设备的接入提供预留口和承载台，即电池和天线的连接位置。

四是提供安装孔，用于电机安装。

通常讲，要想提高机构的承载能力，不可避免增大尺寸，从而使重力增加，特别是航向旋转机构，因为其应力分布和动力变化较大，所以需要在设计上解决重量问题。为解决这一点，将用方管来做航向轴结构件，将支柱挡板上非连接部分可去除一块，来减少不必要的重量。

(2)横滚旋转机构

横滚旋转机构的主要作用是使相机可沿着X轴方向旋转，对此方向的偏转角进行补偿，横滚轴结构件作用有以下两个方面:

一是调节云台水平方向的重心，因为不同相机的尺寸、重量及重心等参数都有变化，如果最终调节不能使云台系统重心平衡，会大量增加电机的负载，甚至导致云台不能正常工作，在外界搭载参数发生变化的情况下，首先是调节相机搭载台的位置，当搭载台的调节不能满足中心平衡时，就要调节横滚轴结构件左右的距离了；

二是承载横滚轴结构件以下部件的重量。

具体的，横滚轴结构件是采用方管制作的，这样既可以保证横滚轴结构件的强度要求，也可以相应的减轻重量，在横滚轴结构件上设置几个孔用于电机布线安装，横滚轴结构件两端分别焊接一个联轴板，可安装轴承与轴，这样的优点颇多，可在俯仰方向旋转；两轴与俯仰电机处于同心位置，可保证俯仰机构的扭曲强度。

(3)俯仰旋转机构

相机钣金挡板和俯仰轴结构件连接，为保证云台的三轴重心尽量重合，所以俯仰轴结构件和相机的重心要保持在横滚轴结构件的中心，然后对相应的孔位用螺丝进行固定。

相机、电机和轴在同一轴线上，使云台精度更加准确，钣金挡板的作用是固定相机与对相机起到保护，为增加钣金挡板的刚度与屈服强度，在其边线处弯折处理。

机械强度仿真分析

三轴云台的机械强度仿真分析是为了研究所设计的云台结构在受力作用时内部应力与形变的情况，保证设计的三轴云台的可靠性。通过有限元仿真分析，确定云台内部应力集中区域，检验结构强度和刚度能否达到要求。在仿真实验结果满足要求的前提下，再完成三轴云台的制作。本云台的结构中，主要的承力结构有航向轴结构件、横滚轴结构件和俯仰轴结构件。因此，依次对设计的各结构部件进行静力学仿真，并分析仿真结果。

航向轴结构件仿真分析

1、材料设置

考虑到设计的三轴云台需要在海上工作，该工作条件下设备将长期处于潮湿且具有较强的盐雾腐蚀的状态，所以需要选择耐蚀性的材质。综合考虑后，采用316不锈钢作为结构件加工的材质，该材料耐蚀性、耐大气腐蚀性和高温强度特别好，可在苛刻的条件下使用。仿真时必须设置材料的性能参数如下表所示：

316不锈钢材料参数性能表

2、边界条件设置

在云台工作过程中，可以认为航向轴结构件连接处是固定不变的，因此，同样将俯仰轴结构件的接触条件设置为固定接触，在航向轴结构件的连接处施加固定夹具。

3、网格划分

由于横滚轴结构件所承受的载荷最大，为保证仿真计算结果的准确性，横滚轴结构件采用基于曲率的网格类型划分，这种类型的网格不受网格单元形状约束，没有固定的网格规则，常用于形状复杂，曲面多的实体模型，计算结果更精准，该部件的最大网格不超过1mm，有特征的部位采用0.1mm网格。

4、受力加载

航向轴结构件所承受的载荷最大，包括相机的质量，俯仰轴结构件各零部件质量以及横滚轴结构件各零部件质量所产生的载荷，通过计算总静载荷为92.1N，在航向轴结构件与横滚轴结构件的连接处施加92.1N的总载荷。

5、求解及结果分析

通过仿真分析计算后得到航向轴结构件的变形情况，在静载荷情况下，航向轴结构件的整体变形均处于正常范围，部件的最大变形在结构件与横滚轴结构件连接处的边缘端，该处的最大变形量为0.0387mm，符合标准。

航向轴结构件的应力分布情况，通过仿真计算，部件的应力集中点在航向轴结构件电机安装焊接处，该处的最大应力值为2.199x10⁷N/m²，相较于材料的屈服力1.724x10⁸N/m²，满足可靠性要求。

横滚轴结构件仿真分析

1、材料设置

横滚轴结构件和航向轴结构件材料相同，材料特性参数设置与航向轴结构件的材料一致。

2、边界条件设置

在三轴云台工作过程中，可以认为横滚轴结构件连接处是固定不变的。因此，将俯仰轴结构件的接触条件设置为固定接触，在横滚轴结构件的连接处施加固定夹具。

3、网格划分

为保证仿真计算结果的准确性，横滚轴结构件的网格划分方法与俯仰轴结构件一致，采用基于曲率的网格类型划分，该部件的最大网格不超过2.17mm，有特征的部位采用0.3mm 网格。

4、受力加载

横滚轴结构件所受的载荷与俯仰轴结构件不同，除了相机的质量外，还需要包括承载俯仰轴结构件各零部件质量所产生的载荷，计算得到总静载荷为79.4N，在横滚轴结构件与俯仰轴结构件的连接处施加总载荷为79.4N的面载荷。

5、求解及结果分析

通过仿真分析计算后得到横滚轴结构件的变形情况，在静载荷情况下，横滚轴结构件的整体变形均处于正常范围，部件的最大变形在左右边缘端与俯仰轴结构件的连接处，该处的变形量为0.022mm，符合标准。

横滚轴结构件的应力分布情况，通过计算结果得到，部件的应力集中点在电机与横滚轴结构件焊接处，该处的应力值为8.5x10⁶N/m²，相较于材料的屈服力1.724x10⁸ N/m²，满足可靠性要求。

俯仰轴结构件仿真分析

1、材料设置

同样，俯仰轴结构件和航向轴结构件材料也相同，材料特性参数设置与航向轴结构件的材料一致。

2、边界条件设置

俯仰轴结构件的两端通过轴承连接在横滚轴结构件的末端，中间连接调节俯仰平面的电机上，可以绕轴心旋转，在三轴云台工作过程中，可以认为俯仰轴结构件连接处是固定不变的，因此，将俯仰轴结构件的接触条件设置为固定接触，在连接处施加固定夹具。

3、网格划分

同样采用基于曲率的网格类型划分，对实体模型进行网格划分得到有限元模型，为保证仿真的真实性和准确性，有限元划分中最大网格不超过2.17mm，有特征的部位采用0.3mm 网格。

4、受力加载

三轴云台在使用时，俯仰轴结构件的左右两端需安装两台质量约为2kg的摄像机，因此在无其他负载的静载荷情况下，可估算俯仰轴结构件的左右两端各有一个竖直向下的20N的力，俯仰轴结构件和摄像机通过螺栓固定连接，主要承力面为俯仰轴结构件与摄像机的安装面。因此，在俯仰轴结构件左右两端相机的安装面各施加20N的面载荷。

5、求解及结果分析

在静载荷情况下，相机支架的整体变形均处于正常范围，部件的最大变形在左右边缘端，该处的变形量为0.21mm，符合标准。

部件的应力集中点在结构件的折弯连接处，该处的应力值为6.6x10⁶N/m²，相较于材料的屈服力1.724x10⁸ N/m²，满足可靠性要求。

如图4所示，云台控制系统总体方案设计

云台主控板拟采用Storm32BGC云台控制器,主要实现对云台的控制和通信功能；电机驱动模块主要有电机驱动器和直流无刷电机组成，通过云台主控板可以输出三路驱动信号给直流电机驱动芯片，然后由芯片驱动三个无刷直流电机工作，从而控制相机在空间中进行转动；姿态采集模块拟采用了两个集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪的MPU6050芯片，此芯片可以检测相机在空间中的三维角速度和加速度，并且解算出相机的三维姿态，并通过串行通信把姿态信息发送给云台主控板。通信模块主要包括以太网网络通信、USB串口通信和遥控无线通信，以太网通信主要用于模式切换、姿态显示等功能USB串口通信主要用于程序烧写、调节参数等功能，遥控无线通信功能是将指令输入到云主控板，云台主控板分别向各个电机驱动输入PWM信号，实现云台的控制功能。供电模块采用变压器来对微处理器及电机供电。

如图5所示，云台控制系统的工作原理如下：

云台系统在结构上包括了三个空间中相互垂直的框架，分别是俯仰框架、横滚框架和航向框架，且分别绕着俯仰轴结构件、横滚轴结构件和航向轴结构件转动，可在一定角度范围转动。当云台在自稳工作时，受到了外界环境(海浪、海风等)的扰动影响造成云台产生了振动或者角度偏移时，姿态采集模块就能获取这种角度偏移，然后将姿态偏差量通过IIC通信方式将变化量传送云台主控板中，然后与原先的姿态进行比较解算出对云台的修正量，接着云台主控板输出控制电机转动的PWM波，通过驱动电机转动实现相机的稳定。但当需要遥控控制云台实现相机的转动时，通过控制遥控器发出PCM波发送遥控指令，接收机接受到遥控器发出的PC波后会进行调制解调，输出相应的PWM波。当完成遥控指令后，云台会重新进入新的自稳状态。使用网络通讯用来实现云台模式切换及姿态观测。

从以上云台的控制系统的工作原理分析，要想实现较好的控制效果主要问题有两点：一是如何对相机进行姿态解算以获得精确的相机当前姿态；二是如何精确控制云台电机以达到理想的稳定精度，接下来从云台的各个模块进行具体的分析和设计。

如图6所示，云台主控板的设计

1、云台控制器选型

本项目云台嵌入式控制系统拟采用开源方案，硬件拟采用Storm32-BGC，软件基于SimpleBGC开源代码进行二次开发，云台主控板芯片型号为STM32F103,基于ARM Cortex-M处理器的STM32系列32位Flash微控制器为用户提供了很多自由发挥的空间，有以下主要特征：

嵌入式软件系统模拟多线程运行，系统启动后先进行底层初始化工作，包括对各设置各时钟、信号指示灯系统状态标志位，初始化滤波器、传感器、完毕后从FLASH读取系统参数，包含控制器参数、电机参数、传感器电机驱动等工作，初始化过程中通过串口输出初始化相关信息。完成底层初始化工作后，系统会读取MPU6050传感器的数据，进行初始方位的估计。获取云台初始方位后，系统进入循环状态，模拟4个不同频率的线程进行协调工作。其中，最高频率为500Hz,主要运行云台的核心工作，包括读取传感器的数据，进行数据融合、滤波，利用传感器数据进行姿态解算，根据位置误差计算执行电机控制量等。50Hz线程主要接收遥控器的控制指令，更新云台的期望姿态角。10Hz线程主要接收来自串口的命令并处理，可利用此线程进行相关的测试工作。5Hz线程频率较低，主要进行信号指示灯的状态转换功能。

2、云台控制器PID算法

云台控制器使用典型的PID控制算法，其控制原理明确、调节便捷、对模型误差也有较好的鲁棒性，PID控制器组成部分比较简单，一般情况下由比例环节、积分环节和微分环节构成。

PID控制器在结构上存在较强的线性关系，已知的输入信号rin(t)与实际的输出信号形成了控制的偏差error(t)。

error(t)＝rin(t)-yout(t)

PID控制器的控制率为：

控制系统的传递函数为：

以上的表达式中，Kp表示控制系统比例系数，T_D表示控制系统微分时间常数，T_r表示控制系统积分时间常数。根据云台结构的控制原理，云台控制系统也属于典型的PID控制，如图4为云台PID控制框图。

图中u(t)可表达为：

通过云台电机的转动来调节云台的空间姿态，从而稳定相机的角度，即通过控制角度来达到云台的稳定。在云台的实际工作过程中，不需要调整PID参数，只有当改变了云台结构时，才需要改变确定更优的PID参数。

系统其他模块具体设计

1、电机选型

如图7所示，本方案采用的无刷电机型号为RMD-S-90，从电机的参数中可以得到电机重量轻、体积小、且都有较大的载荷能力，且从两款电机的实物可以看出电机的两个平面上都分布着几个螺纹孔位，利用这样孔位可以直接将电机与云台结构进行接触面连接，这样既可以很方便地对驱动电机进行组装，又由于不需要对电机进行设计改造直接最大接触面积连接云台结构，最大程度保证了云台结构的刚度。

2、电机驱动模块

在设计直流电机控制电路时，由于非桥式驱动电路的低绕组的利用率和较差的转动力矩性能，一般电机驱动电路多数选用桥式驱动电路。

电机驱动芯片为DRV8313，它被集成在云台控制器上，和直流无刷电机组成了一个稳定的运动控制系统。DRV8313提供了三个可独立控制的半桥式驱动器，集成了六个MOSFET功率管，DRV8313芯片主要用途是用来驱动三相无刷电机。它的工作特性：可以驱动三相无刷直流电机、低MOSFET导通电阻、运行电压范围8-60V、具有过流保护，电流保护，欠压闭锁和过温保护的内部关断功能。

3、姿态采集模块

MPU6050传感器模块是完整的六轴运动跟踪装置，它结合了三轴陀螺仪，三轴加速度计和数字运动处理器，其包含有三辅陀螺仪的微机电系统(MEMS)，用于检测沿X、Y、Z辅的旋转速度：

当陀螺仪围绕任一测量轴旋转时，科里奥利效应会引起振动，MPU6050内的MEMS通过检测这个振动来测量转速。旋转信号通过放大、解调和滤波，会产生与角速度成比例的电压输出，再使用16位ADC对电压进行采样，量程有+/-250，+/-500，+/-1000，+/-2000可供选择。

对于沿X、Y、Z轴的倾斜角，MPU6050是采用三轴加速度计进行检测，沿轴的加速度使物体偏转，这个偏转使微分电容失去平衡，从而产生电压，此电压与加速度成正比，MPU6050通过检测电压的大小从而得到加速度的大小。加速计的量程有+/-2g，+/-4g，+/-8g， +/-16g可供选择。

4、通信模块

无线传输模块主要由遥控器和接收机两部分组成，遥控器作为地面端用于发射遥控指令，接收机通过串口与云台的控制器相连，用于接收指令并将指令传输到云台控制器。

5、供电模块

供电模块拟采用220V家用交流电转24V直流电，电源型号拟选用S-350-24。此电源恒压恒流，可调可控，具有过流、短路保护功能，能够满足控制板及电机供电，具体参数如下表：

最后对于控制界面的设计

(1)云台姿态显示模块

云台控制系统根据以太网接收的数据包，解析出姿态数据，显示在图形界面上。

(2)模式选择模块

云台控制模式包含两个模式：锁定模式和跟随模式。

1、锁定模式

锁定模式下，摄像头锁定世界坐标方位，始终指向锁定方向及角度。

2、跟随模式

跟随模式是一个特殊的控制模式，它使相机跟随外部框架的运动而运动，但同时会消除细微框架抖动的影响，相机跟随着电机的固定位置，跟随模式下摄像头始终跟随船体运动，指向船体指定方向。

本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.双相机三维重型云台系统，其特征在于包括云台主控板、电机驱动模块、姿态采集模块、通信模块与供电模块，所述云台主控板用以输出三路驱动信号给电机驱动模块，实现相机三轴式转动，所述姿态采集模块用以检测计算出相机三维姿态并发送给云台主控板，所述通信模块用以实现云台通信控制。

2.根据权利要求1所述的双相机三维重型云台系统，其特征在于：所述云台主控板采用Storm32BGC云台控制器，所述电机驱动模块包括电机驱动芯片与电机，所述云台主控板通过电机驱动芯片驱动电机工作，所述电机驱动芯片型号为DRV8313，所述电机RMD-S-90型号的无刷电机，为所述姿态采集模块采用两个集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪的MPU6050芯片，所述MPU6050芯片能够检测相机三维角速度和加速度，并将解算出的相机三维姿态串行通信发送给云台主控板，所述通信模块包括以太网网络通信、USB串口通信与遥控无线通信，所述供电模块用以云台主控板以及电机供电。

3.双相机三维重型云台结构，包括由航向旋转机构、横滚旋转机构与俯仰旋转机构组成的三轴式云台，每一机构分别对应有轴承连接的电机，其特征在于：所述航向旋转机构、横滚旋转机构与俯仰旋转机构重心保持一致，对应每一机构分别包括航向轴、横滚轴、俯仰轴结构件，所述航向轴、横滚轴、俯仰轴结构件为316不锈钢方管结构，

所述航向轴结构件顶部折弯且折弯处与横滚轴结构件垂直，其通过连接方板与横滚旋转机构连接固定，

所述横滚轴结构件位于航向轴结构件折弯处底部，其两端焊接有对称的联轴板，所述横滚轴结构件上还焊接有连接板，所述联轴板与俯仰旋转机构中轴承连接固定，

所述俯仰轴结构件通过电机与连接板螺栓固定，其两端焊接有对称的钣金挡板，所述相机与钣金挡板螺栓固定并以俯仰轴结构件中心对称，

所述俯仰旋转机构还包括转轴，所述转轴两端与钣金挡板连接固定。

4.根据权利要求3所述的双相机三维重型云台结构，其特征在于：所述俯仰旋转机构中电机、转轴与相机位于同一轴线。

5.根据权利要求3所述的双相机三维重型云台结构，其特征在于：所述钣金挡板边线折弯处理。

6.根据权利要求3所述的双相机三维重型云台结构，其特征在于：所述电机外还设有安装基板、支柱挡板、轴承安装板、轴承盖与法兰，所述安装基板用以与外界船舶螺栓固定，其与支柱挡板、轴承安装板一体固定成箱体结构，所述电机通过轴承盖与法兰带动各机构转动。

7.根据权利要求3所述的双相机三维重型云台结构，其特征在于包括如下检测步骤：

S1、对航向轴、横滚轴、俯仰轴结构件依次进行仿真计算，材料设定为316不锈钢，将各结构件接触条件设置为固定接触，在各结构件连接处施加固定夹具，对各结构件采用基于曲率的网格类型划分；

S2、对航向轴、横滚轴、俯仰轴结构件依次进行受力加载，其中航向轴结构件最大网格不超过1mm，有特征的部位采用0.1mm网格、横滚轴结构件最大网格不超过2.17mm，有特征的部位采用0.3mm网格、俯仰轴结构件最大网格不超过2.17mm，有特征的部位采用0.3mm网格；

S3、将各结构件连接处应力值与316不锈钢屈服强度比较，判断各结构件是否满足要求。

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