CN117348609A - 一种云台载荷的视轴稳定方法及云台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种云台载荷的视轴稳定方法及云台，其包括如下步骤：通过云台上搭载的云台相机、按照预定时间间隔T获取若干帧图像；通过相邻两帧图像获取图像的X轴偏移量dx以及Y轴偏移量dy；根据图像的X轴偏移量dx、Y轴偏移量dy获取X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量；以及伺服控制组件的速度环控制器分别根据X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量进行补偿计算，以对应获得X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果，并根据X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果控制云台电机运动。本发明可以使得图像漂移量逐渐收敛，最终将云台的期望姿态角度稳定在期望位置，由此保持云台相机视觉视轴的稳定。

Description

一种云台载荷的视轴稳定方法及云台

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，特别是一种云台载荷的视轴稳定方法及云台。

背景技术

目前，云台设备已经广泛应用于无人机、云台、稳定平台、机器人等领域，其中，云台视轴的稳定性与成像质量有密切联系。但由于温度以及其他因素影响，云台视轴容易产生漂移，导致获取的图像质量不佳。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种云台载荷的视轴稳定方法及云台，其可以使得图像漂移量逐渐收敛，最终将云台的期望姿态角度稳定在期望位置，由此保持云台相机视觉视轴的稳定。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一方面，提供了一种云台载荷的视轴稳定方法，其包括如下步骤：

通过云台上搭载的云台相机、按照预定时间间隔T获取同一目标的若干帧图像；

通过相邻两帧图像获取图像的X轴偏移量dx以及Y轴偏移量dy；

根据图像的X轴偏移量dx、Y轴偏移量dy获取X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量；

以及伺服控制组件的速度环控制器分别根据X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量进行补偿计算，以对应获得X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果，并根据X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果控制云台电机运动。

优选的，T的取值范围为[16.7ms，5s]。

优选的，所述X轴偏移量dx、Y轴偏移量dy的获取通过特征匹配法、相位匹配算法以及光流算法中的一种或几种实现。

优选的，偏移补偿量的计算可通过如下方法完成：

通过公式(1)获取修正偏移量Err_b：

Err_b＝∫Err dt (1)

其中，Err为X轴偏移量dx或Y轴偏移量dy；

根据公式(2)-(3)获取偏移补偿量Out：

Out＝K*Err_b＝K*(Err_b+Err) (2)

Err_b＝Err_b+Err (3)

其中，K为增益系数，可根据实际效果、云台相机的不同进行调整，取值范围为0.01～100。

优选的，偏移补偿量的计算可通过如下方法完成：

根据公式(1)获取偏移补偿量Out：

其中，Err为X轴偏移量dx或Y轴偏移量dy；Kp为比例因子，Ki为积分因子，Kd为微分因子。

优选的，根据X轴补偿计算结果控制俯仰电机运动，以及根据Y轴补偿计算结果控制方位电机运动。

还提供一种云台，其包括：伺服组件、视觉相机组件以及云台接口；

所述视觉相机组件包括：

云台相机，其用于按照预定时间间隔T获取同一目标的若干帧图像；

图像处理单元，其连接所述云台相机，用于对图像进行处理；

视觉观测器组件，其连接图像处理单元，用于通过以完成处理的、相邻两帧图像获取图像的X轴偏移量dx以及Y轴偏移量dy。

优选的，所述伺服组件包括：

传感器，其用于获取姿态数据和/或加速度数据；

补偿计算组件，其连接所述视觉观测器组件，用于根据图像的X轴偏移量dx、Y轴偏移量dy获取X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量；

云台电机，其包括方位电机、横滚电机以及俯仰电机中的一项或几项；

以及伺服控制组件，其连接所述补偿计算组件以及云台电机，且具有速度环控制器，且速度环控制器分别根据X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量进行补偿计算，以对应获得X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果，并根据X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果控制云台电机运动。

本发明的有益效果是：

本申请首先获取X、Y轴偏移量，然后根据偏移量获取不同方向的偏移补偿量，然后速度环控制器根据X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量进行补偿计算，并根据补偿计算结果控制云台电机，由此补偿闭环控制使得图像漂移量逐渐收敛，最终将云台的期望姿态角度稳定在期望位置，由此保持云台相机视觉视轴的稳定，消除图像漂移现象。

附图说明

图1为本发明中视轴稳定方法的步骤流程图。

图2为现有技术中云台伺服控制组件的控制模型图。

图3为现有技术中云台伺服控制组件的仿真控制结果。

图4为本发明中云台伺服控制组件的控制模型图。

图5为本发明中云台伺服控制组件的仿真控制结果。

图6为本发明中云台的结构示意图。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种云台载荷的视轴稳定方法，其包括如下步骤：

S1、通过云台上搭载的云台相机(即载荷)、按照预定时间间隔T获取同一目标的若干帧图像，其中，T的取值范围为[16.7ms，5s]，具体取值受云台相机固有视频参数影响，例如视频帧率为60Hz时，T的取值为获取1帧图像所需要的时间，即1/60s等；

S2、通过相邻两帧图像获取图像的X轴偏移量dx以及Y轴偏移量dy；

本实施例中，所述X轴偏移量dx以及Y轴偏移量dy的获取可以通过特征匹配法、相位匹配算法以及光流算法中的一种或几种实现；

S3、根据图像的X轴偏移量dx、Y轴偏移量dy获取X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量；

具体的，偏移补偿量的计算可通过如下方法中的一种或两种完成：

方法一：

通过公式(1)获取修正偏移量Err_b：

Err_b＝∫Err dt (1)

其中，Err为X轴偏移量dx或Y轴偏移量dy；

根据公式(2)-(3)获取偏移补偿量Out：

Out＝K*Err_b＝K*(Err_b+Err) (2)

Err_b＝Err_b+Err (3)

其中，K为增益系数，可根据实际效果、云台相机的不同进行调整，取值范围为0.01～100；

由此分别获取X轴的偏移补偿量Out_x以及Y轴的偏移补偿量Out_y；

方法二：

根据公式(1)获取偏移补偿量Out：

其中，Err为X轴偏移量dx或Y轴偏移量dy；Kp为比例因子，Ki为积分因子，Kd为微分因子，三者均为可人工调节的参数，且三个参数均为常数；

由此同样分别获取X轴的偏移补偿量Out_x以及Y轴的偏移补偿量Out_y；

以及S4、伺服控制组件的速度环控制器分别根据X轴的偏移补偿量Out_x、Y轴的偏移补偿量Out_y进行补偿计算，以对应获得X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果，并根据X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果控制云台电机运动(例如根据X轴补偿计算结果控制俯仰电机运动，根据Y轴补偿计算结果控制方位电机运动等)，以完成对云台姿态的调节，由此实现对云台姿态的闭环控制，使得云台相机的视觉视轴稳定。

本实施例中，所述云台相机包括方位电机、横滚电机以及俯仰电机中的一种或几种。

如图2所示，所述伺服控制组件是云台吊舱中传统的控制模型结构，其主要由2个控制回路组成，即速度环控制器与位置环控制器。

如图3为现有技术中云台的伺服控制组件的MATLAB仿真结果(图3中横坐标为时间，纵坐标为云台视轴偏移的角度)，从中可以看出，云台的期望姿态角度为0°，但由于传感器的温漂、零漂等其他因素，云台视轴实际角度在20秒内发生0.5°的漂移，最终导致成像效果很差，尤其是针对长焦距、视场角极小的云台相机。

如图4为本实施例中补偿计算过程，相比传统控制方法，其速度环控制器根据X轴的偏移补偿量Out_x、Y轴的偏移补偿量Out_y进行补偿计算，并根据补偿计算结果控制云台电机。图5为通过本实施例中的视轴稳定方法获取的MATLAB仿真结果(图5中横坐标为时间，纵坐标为云台视轴偏移的角度)，从中可以看出，本实施例中的视轴稳定方法通过补偿闭环控制，在图像漂移初期即可将漂移抑制在极小范围内，最终使得图像漂移量逐渐收敛，最终将云台的期望姿态角度稳定在期望位置，即0°附近，由此保持云台相机视觉视轴的稳定，消除图像漂移现象。

实施例2：

本实施例提供了一种云台，如图6所示，其包括：伺服组件100、视觉相机组件200以及云台接口300；

具体的，所述视觉相机组件200包括：

云台相机201，其用于按照预定时间间隔T获取若干帧图像；且所述云台相机201可以有若干个；

图像处理单元202，其连接所述云台相机201，用于对图像进行处理，所述处理包括包括将彩色图像转换为灰度图像、图像增强或复原等，以提高图像质量；

视觉观测器组件203，其连接图像处理单元202，用于通过以完成处理的、相邻两帧图像获取图像的X轴偏移量dx以及Y轴偏移量dy，其具体过程与步骤S2相同。

所述伺服组件100包括：

传感器101，其用于获取姿态数据和/或加速度数据，例如本实施例中，所述传感器101包括IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)；

补偿计算组件102，其连接所述视觉观测器组件203，用于根据图像的X轴偏移量dx、Y轴偏移量dy获取X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量，其具体过程与步骤S3相同；

云台电机，其包括方位电机103、横滚电机104以及俯仰电机105中的一项或几项；

以及伺服控制组件106，其连接所述补偿计算组件102以及云台电机，且具有速度环控制器，且速度环控制器分别根据X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量进行补偿计算，以对应获得X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果，并根据X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果控制云台电机运动。

综上所述，本申请首先基于图像获取X、Y轴偏移量，然后根据偏移量获取不同方向的偏移补偿量，然后速度环控制器根据X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量进行补偿计算，并根据补偿计算结果控制云台电机，由此补偿闭环控制使得图像漂移量逐渐收敛，最终将云台的期望姿态角度稳定在期望位置，即0°附近，由此保持云台相机视觉视轴的稳定，消除图像漂移现象。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种云台载荷的视轴稳定方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过云台上搭载的云台相机、按照预定时间间隔T获取同一目标的若干帧图像；

通过相邻两帧图像获取图像的X轴偏移量dx以及Y轴偏移量dy；

根据图像的X轴偏移量dx、Y轴偏移量dy获取X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量；

以及伺服控制组件的速度环控制器分别根据X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量进行补偿计算，以对应获得X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果，并根据X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果控制云台电机运动。

2.如权利要求1所述的视轴稳定方法，其特征在于，T的取值范围为[16.7ms，5s]。

3.如权利要求1所述的视轴稳定方法，其特征在于，所述X轴偏移量dx、Y轴偏移量dy的获取通过特征匹配法、相位匹配算法以及光流算法中的一种或几种实现。

4.如权利要求1所述的视轴稳定方法，其特征在于，偏移补偿量的计算可通过如下方法完成：

通过公式(1)获取修正偏移量Err_b：

Err_b＝∫Err dt (1)

其中，Err为X轴偏移量dx或Y轴偏移量dy；

根据公式(2)-(3)获取偏移补偿量Out：

Out＝K*Err_b＝K*(Err_b+Err) (2)

Err_b＝Err_b+Err (3)

其中，K为增益系数，取值范围为0.01～100。

5.如权利要求1所述的视轴稳定方法，其特征在于，偏移补偿量的计算可通过如下方法完成：

根据公式(1)获取偏移补偿量Out：

其中，Err为X轴偏移量dx或Y轴偏移量dy；Kp为比例因子，Ki为积分因子，Kd为微分因子。

6.如权利要求1所述的视轴稳定方法，其特征在于，根据X轴补偿计算结果控制俯仰电机运动，以及根据Y轴补偿计算结果控制方位电机运动。

7.一种云台，其特征在于，包括：伺服组件、视觉相机组件以及云台接口；

所述视觉相机组件包括：

云台相机，其用于按照预定时间间隔T获取同一目标的若干帧图像；

图像处理单元，其连接所述云台相机，用于对图像进行处理；

视觉观测器组件，其连接图像处理单元，用于通过以完成处理的、相邻两帧图像获取图像的X轴偏移量dx以及Y轴偏移量dy。

8.如权利要求7所述的云台，其特征在于，所述伺服组件包括：

传感器，其用于获取姿态数据和/或加速度数据；

补偿计算组件，其连接所述视觉观测器组件，用于根据图像的X轴偏移量dx、Y轴偏移量dy获取X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量；

云台电机，其包括方位电机、横滚电机以及俯仰电机中的一项或几项；

以及伺服控制组件，其连接所述补偿计算组件以及云台电机，且具有速度环控制器，且速度环控制器分别根据X轴的偏移补偿量、Y轴的偏移补偿量进行补偿计算，以对应获得X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果，并根据X轴补偿计算结果、Y轴补偿计算结果控制云台电机运动。