CN206417213U - 云台和无人飞行器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种云台(1)和无人飞行器。云台(1)包括：安装部，用于安装负载设备；磁传感器(30)，设置在所述安装部上或与所述安装部设置在同一刚体上，用于感测所述安装部绕偏航轴在一时间段内的第一偏转角；惯性传感器(40)，用于感测所述安装部绕偏航轴在该时间段内的第二偏转角；以及控制器(50)，与所述惯性传感器(40)和所述磁传感器(30)均电性连接，所述控制器(50)基于所述第一偏转角和所述第二偏转角来确定惯性传感器的角度误差，并使用修正所述角度误差后的惯性传感器(40)的测量数据，控制所述云台(1)的姿态。

Description

云台和无人飞行器
版权申明
本专利文件披露的内容包含受版权保护的材料。该版权为版权所有人所有。版权所有人不反对任何人复制专利与商标局的官方记录和档案中所存在的该专利文件或者专利披露。
技术领域
本实用新型涉及无人飞行器领域，更具体地，涉及一种云台和搭载有所述云台的无人飞行器。
背景技术
无人飞行器上一般搭载有云台，在云台上设置有安装部，用于安装例如摄像设备等负载设备，可以实现飞行过程中的实时拍摄或其他所需操作。由于无人飞行器的姿态在飞行期间可能有所改变，云台会控制安装部姿态在横滚、俯仰、或航向轴方向做相应的调整，以确保负载设备的姿态稳定。
现有云台大多使用惯性传感器和加速度融合姿态作为安装部姿态的参考。安装部的横滚轴和俯仰轴使用重力加速度作为绝对参考，可以保证横滚轴和俯仰轴两个方向的姿态稳定，但在航向轴方面并没有绝对的姿态参考，因此在惯性传感器存在零偏或者产生温漂等情况时，云台在锁定状态下，其不能保证安装部绕航向轴静止不转，而是通常会向一个方向一直转，产生漂移现象。
实用新型内容
为解决背景技术中提到的一个或多个问题而提出本实用新型。
本实用新型的一个方面提供了一种云台，包括用于安装负载设备的安装部以及惯性传感器，其特征在于：所述云台还包括磁传感器和控制器；所述磁传感器设置在所述安装部上或与所述安装部设置在同一刚体上，用于感测所述安装部绕偏航轴在一时间段内的第一偏转角；所述惯性传感器用于感测所述安装部绕偏航轴在该时间段内的第二偏转角；以及所述控制器与所述惯性传感器和所述磁传感器均电性连接，所述控制器基于所述第一偏转角和所述第二偏转角来确定惯性传感器的角度误差，并使用修正所述角度误差后的惯性传感器的测量数据，控制所述云台的姿态。
可选地，所述云台还包括多个相连的轴臂，每个轴臂在相应电机的驱动下，带动所述安装部运动。
可选地，所述多个相连的轴臂包括：俯仰轴轴臂，带动所述安装部在俯仰方向上运动；横滚轴轴臂，带动所述安装部在横滚方向上运动；以及偏航轴轴臂，带动所述安装部在偏航方向上运动，其特征在于，所述安装部设置在所述俯仰轴轴臂上。
可选地，所述惯性传感器设置在所述安装部上或与所述安装部设置在同一刚体上。
可选地，所述磁传感器包括电子指南针。
可选地，所述云台还包括加速度传感器，用于感测所述安装部在俯仰方向和/或横滚方向上的运动。
可选地，所述刚体包括所述云台的俯仰轴轴臂。
可选地，所述惯性传感器包括陀螺仪，所述修正角度误差是修正陀螺仪的角度误差。
可选地，所述角度误差包括所述惯性传感器的零偏和/或温漂。
可选地，所述惯性传感器与所述控制器集成在一起。
本实用新型的另一个方面提供了一种无人飞行器，包括：机身；以及多个机臂，与所述机身连接，所述机臂用于承载旋翼组件，其特征在于：所述无人飞行器还包括根据如上所述的云台，安装在机身上。
根据本实用新型的实施例，通过使用磁场方向对惯性传感器角度误差进行修正，可以有效地抑制安装部绕航向轴的漂移，提高云台的稳定性能。
附图说明
为了更完整地理解本实用新型及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本实用新型实施例的安装有摄像设备的云台示意图。
图2示意性示出了根据本实用新型实施例的云台的结构框图。
图3a和3b示出了根据本实用新型实施例确定惯性传感器角度误差的原理。
图4示意性示出了根据本实用新型实施例的云台的结构框图。
图5示意性示出了根据本实用新型实施例的第一偏转角确定模块的结构框图。
图6示出了根据本实用新型实施例的无人飞行器的示意图。
具体实施方式
根据结合附图对本实用新型示例性实施例的以下详细描述，本实用新型的其它方面、优势和突出特征对于本领域技术人员将变得显而易见。
在本实用新型中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制；术语“或”是包含性的，意为和/或。
在本说明书中，下述用于描述本实用新型原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制实用新型的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本实用新型的示例性实施例。下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不背离本实用新型的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。此外，为了清楚和简洁起见，省略了公知功能和结构的描述。此外，贯穿附图，相同附图标记用于相同或相似的功能和操作。
图1示意性示出了根据本实用新型实施例的云台1的示意图。根据本实用新型的实施例，云台1可以包括多个相连的轴臂。负载设备，例如摄像设备，设置在其中一个轴臂上。每个轴臂在相应电机的驱动下，带动所述安装部运动。例如，如图1所示，该云台1包括俯仰轴轴臂11、横滚轴轴臂12、偏航轴轴臂13、俯仰轴电机14、横滚轴电机15、偏航轴电机16、安装部17、以及基座18。根据本实用新型的实施例，可以在云台1的安装部17上安装摄像设备2。
如图1所示，俯仰轴轴臂11、横滚轴轴臂12、偏航轴轴臂13依次连接。安装部17设置在俯仰轴轴臂11上。俯仰轴轴臂11可以在俯仰轴电机14的驱动下带动安装部17在俯仰方向上运动，横滚轴轴臂12可以在横滚轴电机15的驱动下带动安装部17在横滚方向上运动，偏航轴轴臂13可以在偏航轴电机16的驱动下带动安装部17在偏航方向上运动。通过俯仰轴轴臂11、横滚轴轴臂12、偏航轴轴臂13的转动，可以补偿云台1的抖动，保证摄像设备2的稳定，拍出稳定的画面。也可以通过俯仰轴轴臂11、横滚轴轴臂12、偏航轴轴臂13的转动来调节摄像设备2的姿态。
在安装部17上可以设置惯性传感器，所述惯性传感器可以包括陀螺仪，以检测安装部17绕偏航轴的旋转角度。可选地，惯性传感器也可以与安装部17设置在同一刚体上。如背景技术部分所述，如果在偏航轴方向没有绝对的姿态参考，则在陀螺仪例如由于零偏或者温漂等情况而具有角度误差时，云台在锁定状态下，其不能保证安装部绕偏航轴静止不转，而是通常会向一个方向一直转，产生漂移现象。
当两个空间位置相距较近时，可以认为地球表面的磁场强度在水平方向的分量的方向是相同的，因此，可以使用磁场强度的水平分量，对惯性传感器的角度误差，例如陀螺仪的角度误差，进行校正。根据本实用新型的实施例，可以每隔一段时间进行一次校正，以消除惯性传感器角度误差造成的累积误差。根据本实用新型的实施例，球表面的磁场强度可以是地磁场强度。
图2示出了根据本实用新型实施例的云台1的结构框图。根据本实用新型的实施例，云台1包括控制器20、磁传感器30、和惯性传感器40。磁传感器30例如是电子指南针，设置在安装部17上或与安装部17设置在同一刚体上，例如可以与安装部17一起设置在俯仰轴轴臂11上。所述惯性传感器40至少包括一陀螺仪。惯性传感器40设置在安装部17上或与安装部17设置在同一刚体上，例如可以与安装部17一起设置在俯仰轴轴臂11上。本实施方式中，所述控制器20和所述惯性传感器40一体设置。
根据本实用新型的实施例，控制器20例如可以包括处理器和存储器。存储器存储有机器可读指令，所述处理器执行所述指令，以执行根据本实用新型的各种操作。或者，也可以使用例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC)或可以以用于对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现控制器20，或以软件、硬件以及固件三种实现方式的适当组合来实现控制器20。
根据本实用新型实施例，控制器20基于磁传感器30获得的第一磁场强度v1，确定安装部17绕偏航轴在一时间段内的第一偏转角，根据惯性传感器40的陀螺仪确定所述安装部17绕所述偏航轴在所述时间段内的第二偏转角。然后，控制器20基于所述第一偏转角和第二偏转角之间的差异，确定所述陀螺仪的角度误差，并使用修正所述角度误差后的惯性传感器40的测量数据，控制云台1的姿态。
图3a和3b示出了根据本实用新型实施例确定惯性传感器角度误差的原理。如图3a所示，假设第一坐标系是以安装部17为参照物的直角坐标系XYZ。为了下面描述的方便，假设直角坐标系XYZ的初始朝向为X轴指向正北方向，Y轴指向正东方向，Z轴指向地面，但是本实用新型不限于此。由于无人飞行器飞行过程中姿态改变，安装部17的姿态随之改变，第一坐标系XYZ的三个坐标轴方向也相应改变。如图3a所示，第一坐标系XYZ的三个坐标轴均偏离了其初始方向。可以理解，虽然图3a所示的例子是第一坐标系XYZ的三个坐标轴均偏离了其初始方向，但是根据本实用新型的实施例，可以只有两个坐标轴偏离其初始方向。例如，当安装部17只做横滚、俯仰或绕偏航轴旋转三者之一的运动时，第一坐标系XYZ可以只有两个坐标轴偏离其初始方向。
如图3b所示，磁传感器30测量得到第一磁场强度v1，该第一磁场强度v1是以第一坐标系XYZ下的三个彼此正交的分量表示的，即[x y z]。
引入第二坐标系，该第二坐标系是直角坐标系UVW，其UV平面是水平面，且该第二坐标系UVW绕偏航轴的旋转状态与所述第一坐标系相同。例如，第二坐标系UVW与第一坐标系XYZ同步地绕偏航轴旋转，但其UV平面始终保持水平。
控制器20将第一磁场强度v1转换为第二坐标系UVW下的第二磁场强度v2，该第二磁场强度v2的大小和方向与v1是相同的，不同之处在于v2是以第二坐标系UVW下的三个彼此正交的分量表示的，即[u v w]。
可以如下确定v2的值。假定第二坐标系UVW的UV平面绕U轴转动φ角度，绕V轴转动θ角度后，得到第一坐标系XYZ，则：
其中：
根据本实用新型的实施例，可以通过云台上安装的加速度传感器获取角度θ和φ。
然后，控制器20可以计算第二磁场强度v2在水平面上的投影v2’与第二坐标系UVW的U轴或V轴之间的夹角。例如，如图3所示，可以得到投影v2’与V轴之间的夹角：
经过一段时间之后，磁传感器30再次测量第一磁场强度v1，控制器20根据再次测量得到的第一磁场强度v1计算相应的ψ，两个ψ之间的差值即为这段时间安装部17绕偏航轴的旋转角度，将该旋转角度作为第一偏转角。
另一方面，控制器20可以使用惯性传感器40的陀螺仪确定所述安装部17绕所述偏航轴在所述时间段内的第二偏转角。
理论上，第一偏转角和第二偏转角应当是相同的，然而，实际上，当惯性传感器40存在零偏或者产生温漂时，使用惯性传感器40得到的第二偏转角会不同于第一偏转角。根据本实用新型的实施例，控制器20可以按照时间顺序获得多个第一偏转角和第二偏转角对，对所述第一偏转角和第二偏转角之差进行低通滤波，即可得到惯性传感器40的角度误差，即陀螺仪的角度误差。
根据本实用新型的实施例，控制器20可以使用修正所述角度误差后的惯性传感器40的测量数据，控制所述云台的姿态。例如，控制器20可以将第二偏转角减去所述角度误差，得到修正的第二偏转角，并使用修正的第二偏转角，控制安装部17绕偏航轴的偏转。
图4示出了根据本实用新型实施例的云台1的结构框图。根据本实用新型的实施例，云台1包括磁传感器30、惯性传感器40、和控制系统50。磁传感器30设置在安装部17上或与安装部17设置在同一刚体上，例如可以与安装部17一起设置在俯仰轴轴臂11上。惯性传感器40包括至少一个陀螺仪。惯性传感器40设置在安装部17上或与安装部17设置在同一刚体上，例如可以与安装部17一起设置在俯仰轴轴臂11上。
根据本实用新型的实施例，控制系统50包括第一偏转角确定模块51、第二偏转角确定模块52、角度误差确定模块53、以及控制模块54。
第一偏转角确定模块52基于磁传感器30获得的第一磁场强度v1，确定所述安装部17绕偏航轴在一时间段内的第一偏转角。第二偏转角确定模块52使用惯性传感器40确定所述安装部17绕所述偏航轴在所述时间段内的第二偏转角。角度误差确定模块53基于所述第一偏转角和第二偏转角之间的差异，确定惯性传感器40的角度误差。控制模块54使用修正所述角度误差后的惯性传感器40的测量数据，控制所述云台的姿态。
图5示意性示出了根据本实用新型实施例的第一偏转角确定模块51的结构框图。根据本实用新型的实施例，第一偏转角确定模块51可以包括转换单元511、投影单元512、和确定单元513。
转换单元511将第一磁场强度v1从第一坐标系转换到第二坐标系下，得到第二磁场强度v2。投影单元512确定第二磁场强度v2在水平面上的投影。确定单元513根据所述投影确定第一偏转角。转换、投影和确定第一偏转角的方式如上文参考图3所述，这里不再重复。
根据本实用新型的实施例，第一偏转角确定模块51和第二偏转角确定模块52按照时间顺序获得多个第一偏转角和第二偏转角对。角度误差确定模块53对所述第一偏转角和第二偏转角之差进行低通滤波，得到所述惯性传感器40的角度误差，即陀螺仪的角度误差。
控制模块54可以使用修正所述角度误差后的惯性传感器40的测量数据，控制所述云台的姿态。例如，控制模块54可以用所述角度误差修正第二偏转角，得到修正的第二偏转角，使用修正的第二偏转角，控制安装部17绕偏航轴的偏转。
图6示出了根据本实用新型实施例的无人飞行器6的示意图。如图6所示，无人飞行器6包括：机身61和多个机臂62，与机身61连接，以及承载旋翼组件63。无人飞行器还包括上文描述的云台1，安装在机身61上。
根据本实用新型的实施例，一种计算机软件包括机器可读指令，所述指令在被处理器执行时，使得处理器执行如上参考图2、图3a和3b所描述的操作。
根据本实用新型的实施例，一种非易失性存储介质，包括机器可读指令，所述指令在被处理器执行时，使得处理器执行如上所述的方法。
通过使用磁场方向对惯性传感器角度误差进行修正，可以有效地抑制安装部绕偏航轴的漂移，提高云台的稳定性能。
根据本实用新型各实施例的上述方法、装置、单元和/或模块可以通过有计算能力的电子设备执行包含计算机指令的软件来实现。该系统可以包括存储设备，以实现上文所描述的各种存储。所述有计算能力的电子设备可以包含通用处理器、数字信号处理器、专用处理器、可重新配置处理器等能够执行计算机指令的装置，但不限于此。执行这样的指令使得电子设备被配置为执行根据本实用新型的上述各项操作。上述各设备和/或模块可以在一个电子设备中实现，也可以在不同电子设备中实现。这些软件可以存储在计算机可读存储介质中。计算机可读存储介质存储一个或多个程序(软件模块)，所述一个或多个程序包括指令，当电子设备中的一个或多个处理器执行所述指令时，所述指令使得电子设备执行本实用新型的方法。
这些软件可以存储为易失性存储器或非易失性存储装置的形式(比如类似ROM等存储设备)，不论是可擦除的还是可重写的，或者存储为存储器的形式(例如RAM、存储器芯片、设备或集成电路)，或者被存储在光可读介质或磁可读介质上(比如，CD、DVD、磁盘或磁带等等)。应该意识到，存储设备和存储介质是适于存储一个或多个程序的机器可读存储装置的实施例，所述一个程序或多个程序包括指令，当所述指令被执行时，实现本实用新型的实施例。实施例提供程序和存储这种程序的机器可读存储装置，所述程序包括用于实现本实用新型的任何一项权利要求所述的装置或方法的代码。此外，可以经由任何介质(比如，经由有线连接或无线连接携带的通信信号)来电传递这些程序，多个实施例适当地包括这些程序。
根据本实用新型各实施例的方法、装置、单元和/或模块还可以使用例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC)或可以以用于对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式的适当组合来实现。该系统可以包括存储设备，以实现上文所描述的存储。在以这些方式实现时，所使用的软件、硬件和/或固件被编程或设计为执行根据本实用新型的相应上述方法、步骤和/或功能。本领域技术人员可以根据实际需要来适当地将这些系统和模块中的一个或多个，或其中的一部分或多个部分使用不同的上述实现方式来实现。这些实现方式均落入本实用新型的保护范围。
尽管已经参照本实用新型的特定示例性实施例示出并描述了本实用新型，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以对本实用新型进行形式和细节上的多种改变。因此，本实用新型的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (11)

1.一种云台，包括用于安装负载设备的安装部以及惯性传感器，其特征在于：
所述云台还包括磁传感器和控制器；
所述磁传感器设置在所述安装部上或与所述安装部设置在同一刚体上，用于感测所述安装部绕偏航轴在一时间段内的第一偏转角；
所述惯性传感器用于感测所述安装部绕偏航轴在该时间段内的第二偏转角；以及
所述控制器与所述惯性传感器和所述磁传感器均电性连接，所述控制器基于所述第一偏转角和所述第二偏转角来确定惯性传感器的角度误差，并使用修正所述角度误差后的惯性传感器的测量数据，控制所述云台的姿态。
2.根据权利要求1所述的云台，其特征在于，所述云台还包括多个相连的轴臂，每个轴臂在相应电机的驱动下，带动所述安装部运动。
3.根据权利要求2所述的云台，其特征在于，所述多个相连的轴臂包括：
俯仰轴轴臂，带动所述安装部在俯仰方向上运动；
横滚轴轴臂，带动所述安装部在横滚方向上运动；以及
偏航轴轴臂，带动所述安装部在偏航方向上运动，
其特征在于，所述安装部设置在所述俯仰轴轴臂上。
4.根据权利要求1所述的云台，其特征在于，所述惯性传感器设置在所述安装部上或与所述安装部设置在同一刚体上。
5.根据权利要求1所述的云台，其特征在于，所述磁传感器包括电子指南针。
6.根据权利要求1所述的云台，其特征在于，所述云台还包括加速度传感器，用于感测所述安装部在俯仰方向和/或横滚方向上的运动。
7.根据权利要求1所述的云台，其特征在于，所述刚体包括所述云台的俯仰轴轴臂。
8.根据权利要求1所述的云台，其特征在于，所述惯性传感器包括陀螺仪，所述修正角度误差是修正陀螺仪的角度误差。
9.根据权利要求1所述的云台，其特征在于，所述角度误差包括所述惯性传感器的零偏和/或温漂。
10.根据权利要求1所述的云台，其特征在于，所述惯性传感器与所述控制器集成在一起。
11.一种无人飞行器，包括：
机身；以及
多个机臂，与所述机身连接，所述机臂用于承载旋翼组件，
其特征在于：
所述无人飞行器还包括根据权利要求1～10中任一项所述的云台，安装在机身上。
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