CN203705964U - 一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置 - Google Patents

Abstract

一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置，它涉及一种机载三自由度云台闭环控制方法，本实用新型是为了解决现有机载云台由于姿态控制偏差无法反馈到微处理器，导致测量控制不精确，无法满足较高拍摄需求的问题。一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置，包括控制单元、传感系统、执行单元和成像设备，控制单元中的微处理器通过其输出端口与执行单元中的三个电机连接，传感系统与成像设备连接，同时传感系统与控制单元中的微处理器输入端口连接。本实用新型将传感系统、执行单元与成像设备固连后一起固定在机载三自由度云台上，能够消除由于云台承载设备本身倾斜造成的画面倾斜。本实用新型适用于飞行器系统，尤其适用于无人机飞控系统。

Description

一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置

技术领域

本发明涉及云台技术领域，尤其涉及一种机载三自由度云台闭环控制方法。

背景技术

云台具有稳定成像设备、改善拍摄质量功能，可应用在监测、勘探、搜救、森林防火等领域，尤其适用于飞行器系统，飞行器飞行中，机体本身会倾斜而且存在震动，造成拍摄视频图像模糊，目前，主要的解决办法是通过飞控系统中的姿态测量元件对飞行器的姿态进行测量，进而计算出云台作用在成像设备上的倾斜角度，并控制云台的转动部件，使云台向着飞行器的倾斜角度相反的方向转动相同大小的角度。但由于有关部件的控制误差等原因，并不能很好的保证云台旋转姿态和飞行中机体本身旋转姿态倾斜角度大小一致方向相反，云台的姿态控制偏差就无法反馈到微处理器，无法实现对云台的闭环控制，导致测量控制不精确，无法满足要求较高的拍摄需求。

发明内容

本发明是为了解决现有机载云台由于姿态控制偏差无法反馈到微处理器，导致测量控制不精确，无法满足较高拍摄需求的问题，而提出一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置。

一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置，包括控制单元1、传感系统2、执行单元3和成像设备4，所述的控制单元1包括微处理器11、微处理器输入端口a以及微处理器输出端口b1、b2和b3；所述的传感系统2包括三轴加速度计和三轴陀螺仪；所述执行单元3包括第一电机31、第二电机32和第三电机33，分别用于控制云台的俯仰角、横滚角和方位角。

传感单元2固定在机载三自由度云台上，并与云台上所搭载的成像设备4固连，将第一电机31、第二电机32和第三电机33通过云台的安装支架依次刚性固连，然后将第一电机31和成像设备4固连，将第三电机33和云台固定座固连。

控制单元1中的微处理器11通过其输出端口b1与执行单元3中的第一电机31连接，通过其输出端口b2与执行单元3中的第二电机32连接，通过其输出端口b3与执行单元3中的第二电机33连接，传感系统2与成像设备4连接，用于对成像设备4姿态变化信息进行采集，传感系统2与控制单元1中的微处理器输入端口a连接，用于将采集到的成像设备4姿态变化信息传送给微处理器11。

本发明包括以下有益效果：

1、本发明将传感系统、执行单元与成像设备固连后一起固定在机载三自由度云台上，能够消除由于云台承载设备本身倾斜造成的画面倾斜，即使云台承载设备本身旋转姿态并不完全与云台旋转姿态一致，但由于云台执行单元及传感系统安装在云台上，相对于外部系统独立，云台传感系统能够实时精确测出云台（成像设备）姿态并反馈至云台控制系统，这种闭环控制装置的控制精度高，对执行单元的要求低。

2、本发明采用将传感系统、执行单元与成像设备固连后一起固定在机载三自由度云台上，与外部系统独立的模块化设计，便于元器件更换和软硬件升级，整个成像系统具有集成化、小型化的特点，尤其适用于无人机航拍应用。

3、本发明所述成像系统具有自适应性强、安装简便、安全性高和对用户安装操作的要求低等特点。

附图说明

图1为本发明一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置的结构示意图，图中，1为控制单元，其中11为微处理器，a为微处理器输入端口，b1、b2和b3为微处理器输出端口，2为传感系统，3为执行单元，其中31为第一电机，32为第二电机，33为第三电机，4为成像设备；

图2为实验一中关于测量倾斜角度的过程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置，包括控制单元1、传感系统2、执行单元3和成像设备4，所述的控制单元1包括微处理器11、微处理器输入端口a以及微处理器输出端口b1、b2和b3；所述执行单元3包括第一电机31、第二电机32和第三电机33；

传感单元2固定在机载三自由度云台上，并与云台上所搭载的成像设备4固连，将第一电机31、第二电机32和第三电机33通过云台的安装支架依次刚性固连，然后将第一电机31和成像设备4固连，将第三电机33和云台固定座固连；

控制单元1中的微处理器11通过其输出端口b1与执行单元3中的第一电机31连接，通过其输出端口b2与执行单元3中的第二电机32连接，通过其输出端口b3与执行单元3中的第二电机33连接，传感系统2与成像设备4连接，传感系统2与控制单元1中的微处理器输入端口a连接。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作进一步说明，所述传感系统2包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二作进一步说明，所述三轴加速度计用于测量成像设备4在其三个正交的方向上所承受的加速度。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二作进一步说明，所述三轴陀螺仪用于测量成像设备4在其三个正交的方向上所承受的运动角速度。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一至四之一作进一步说明，所述第一电机31用于控制云台的俯仰角。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一至四之一作进一步说明，所述第二电机32用于控制云台的横滚角。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一至四之一作进一步说明，所述第三电机33用于控制云台的方位角。

为说明本发明的有益效果，实验一对本发明所述的机载三自由度云台稳定闭环控制装置的操作过程做详细说明。

一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置，包括控制单元1、传感系统2、执行单元3和成像设备4，所述的控制单元1包括微处理器11、微处理器输入端口a以及微处理器输出端口b1、b2和b3；所述执行单元3包括第一电机31、第二电机32和第三电机33，分别用于控制云台的俯仰角、横滚角和方位角，可由控制单元1互不干扰地控制转动；

传感单元2固定在机载三自由度云台上，并与云台上所搭载的成像设备4固连，将第一电机31、第二电机32和第三电机33通过云台的安装支架依次刚性固连，然后将第一电机31和成像设备4固连，将第三电机33和云台固定座固连；

控制单元1中的微处理器11通过其输出端口b1与执行单元3中的第一电机31连接，通过其输出端口b2与执行单元3中的第二电机32连接，通过其输出端口b3与执行单元3中的第二电机33连接，传感系统2与成像设备4连接，用于对成像设备4姿态变化信息进行采集，传感系统2与控制单元1中的微处理器输入端口a连接，用于将采集到的成像设备4姿态变化信息传送给微处理器11。

1、由于传感单元2和成像设备4与云台固定连接，当云台发生姿态改变时，测量成像设备4的姿态改变值就等同于测量云台的姿态改变值，传感系统2对成像设备4的姿态改变值进行测量，并将测量结果通过微处理器输入端口a发送给控制单元1中的微处理器11，其中成像设备4的姿态改变值包括：成像设备4在三轴加速度计的三个正交的方向上所承受的加速度，成像设备4在三轴陀螺仪的三个正交的方向上所承受的运动角速度；

2、控制单元1中的微处理器11对接收到的数据进行处理，得到成像设备4的倾斜角度，利用如下公式： $\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\θ}}_1)=G_1/G;$

其中，G1是三轴加速度计的一个轴上测得的加速度值，G是当地重力加速度，而θ1是对应轴与重力加速度即铅垂线的夹角，图2为实验一中关于测量倾斜角度的过程示意图；

得到成像设备4的倾斜角度（成像设备4的俯仰角、横滚角和方位角）后，控制单元1将调整信号通过微处理器输出端口b1传送给执行单元3中的第一电机31，以调整云台的俯仰角，将调整信号通过微处理器输出端口b2传送给执行单元3中的第一电机32，以调整云台的横滚角，将调整信号通过微处理器输出端口b3传送给执行单元3中的第一电机33，以调整云台的方位角，使成像设备4和云台的姿态朝着倾斜偏差减小的方向改变。

3、重复步骤1和步骤2直到成像设备4和云台的俯仰角偏差、横滚角偏差和方位角偏差都变为零为止，从而实现云台的闭环调节。

本发明将传感系统、执行单元与成像设备固连后一起固定在机载三自由度云台上，能够消除由于云台承载设备本身倾斜造成的画面倾斜，即使云台承载设备本身旋转姿态并不完全与云台旋转姿态一致，但由于云台执行单元及传感系统安装在云台上，相对于外部系统独立，云台传感系统能够实时精确测出云台（成像设备）姿态并反馈至云台控制系统，这种闭环控制装置的控制精度高，对执行单元的要求低。

Claims (7)

1.一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置，其特征在于它包括控制单元（1）、传感系统（2）和执行单元（3），所述的控制单元（1）包括微处理器（11）、微处理器输入端口（a）以及微处理器输出端口（b1）、（b2）和（b3）；所述执行单元（3）包括第一电机（31）、第二电机（32）和第三电机（33）；传感单元（2）固定在机载三自由度云台上，并与云台上所搭载的成像设备（4）固连，将第一电机（31）、第二电机（32）和第三电机（33）通过云台的安装支架依次刚性固连，然后将第一电机（31）和成像设备（4）固连，将第三电机（33）和云台固定座固连；控制单元（1）中的微处理器（11）通过其输出端口（b1）与执行单元（3）中的第一电机（31）连接，通过其输出端口（b2）与执行单元（3）中的第二电机（32）连接，通过其输出端口（b3）与执行单元（3）中的第二电机（33）连接，传感系统（2）与成像设备（4）连接，同时传感系统（2）与控制单元（1）中的微处理器输入端口（a）连接。

2.如权利要求1所述的一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置，其特征在于所述传感系统（2）包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。

3.如权利要求2所述的一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置，其特征在于所述三轴加速度计用于测量成像设备（4）在其三个正交的方向上所承受的加速度。

4.如权利要求2所述的一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置，其特征在于所述三轴陀螺仪用于测量成像设备（4）在其三个正交的方向上所承受的运动角速度。

5.如权利要求1所述的一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置，其特征在于所述第一电机（31）用于控制云台的俯仰角。

6.如权利要求1所述的一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置，其特征在于所述第二电机（32）用于控制云台的横滚角。

7.如权利要求1所述的一种机载三自由度云台稳定闭环控制装置，其特征在于所述第三电机（33）用于控制云台的方位角。