CN207472269U - 惯性测量系统、云台驱动控制装置及航拍器 - Google Patents

惯性测量系统、云台驱动控制装置及航拍器 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供一种惯性测量系统，包括用于运行惯性测量算法的微处理器电路、数据通信接口、电源电路以及惯性传感器电路，所述惯性传感器电路用于测量惯性角速度和线性加速度，所述惯性传感器电路通过总线将采集到的惯性角速度和线性加速度传输至所述微处理器电路，所述微处理器电路通过所述数据通信接口与上位机建立通信，所述电源电路与所述微处理器电路电连接，数据传输可靠、数据更新率高且数据包可编程配置，本实用新型还提供了云台驱动控制装置及航拍器，装调简单、成本相对低廉，保证云台上承载的成像装置指向角度始终保持惯性稳定。

Description

惯性测量系统、云台驱动控制装置及航拍器
技术领域
本实用新型涉及惯性测量领域，特别涉及一种惯性测量系统、云台驱动控制装置及航拍器。
背景技术
近年来，各类动基座成像云台广泛用于航拍、无人车、机器人等领域，越来越受到人们的关注。对于动基座载体，在移动过程中不可避免地存在载体姿态的变化、振动等影响，导致视频严重晃动、照片模糊不清。稳定云台的诞生解决了这一问题。三轴稳定云台具有体积小、重量轻、费用低、操作灵活和安全性高的特点，可广泛用于电影现场拍摄、监测、勘察等领域。由于三轴稳定云台采用了前馈控制和反馈补偿控制相结合的技术特点，具备更高的稳定性和控制精度。
但是，市场上现有的云台驱动控制系统中，稳定控制通常采用惯性角速度传感器(陀螺仪)输出的惯性角速度信号做闭环控制，并且采用的是消费级惯性传感器，该类传感器漂移较大，因此很难保证稳定云台的最优性能。而市场上已有的低成本惯性姿态测量模块数据更新率低、通信抗干扰能力差、数据包不能进行可编程配置，很难拍摄出高质量的图像，无法满足专业需要。
发明内容
有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种惯性测量系统、云台驱动控制装置及航拍器。
第一方面，本实用新型提供一种惯性测量系统，包括用于运行惯性测量算法的微处理器电路、数据通信接口、电源电路以及惯性传感器电路，所述惯性传感器电路用于测量惯性角速度和线性加速度，所述惯性传感器电路通过总线将采集到的惯性角速度和线性加速度传输至所述微处理器电路，所述微处理器电路通过所述数据通信接口与上位机建立通信，所述电源电路与所述微处理器电路电连接。
可选地，所述电源电路将外部提供的电源进行转换并传输至微处理器电路、数据通信接口及惯性传感器电路。
可选地，所述惯性传感器电路包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，所述三轴陀螺仪和所述三轴加速度计分别与所述微处理器电路连接。
可选地，还包括电平转换芯片，所述电平转换芯片用于将TTL电平与 RS-422差分电平相互转化，所述电平转换芯片与所述数据通信接口电连接。
第二方面，本实用新型提供一种云台驱动控制装置，所述装置包括：
获取单元，用于获取惯性传感器电路采集的惯性传感器数据；
误差补偿单元，用于对所述惯性传感器数据进行误差补偿；
执行单元，用于对进行误差补偿后的惯性传感器数据进行卡曼滤波处理得到四元数结果，并将所述四元数结果作为云台的姿态信息进行云台驱动控制。
可选地，所述执行单元具体用于对所述惯性角速度和线性加速度进行误差补偿，所述误差补偿包括惯性传感器电路的偏置补偿、常值漂移补偿以及温度漂移补偿。
可选地，所述执行单元具体用于：
根据角传感器数据以及惯性角测量单元数据解算各轴惯性角运动，根据反馈数据做闭环稳定控制，将计算得到的稳定控制量发送给数字控制系统，数字控制系统控制云台各轴运动，所述数字控制系统控制量计算过程为：
其中uci为控制量，r为控制指令参考值，a为解算各个轴的惯性姿态角。
第三方面，本实用新型提供一种云台驱动控制方法，所述方法包括：
获取惯性传感器电路采集的惯性传感器数据；
对所述惯性传感器数据进行误差补偿；
对进行误差补偿后的惯性传感器数据进行卡曼滤波处理得到四元数结果，并将所述四元数结果作为云台的姿态信息进行云台驱动控制。
可选地，所述惯性传感器数据包括惯性角速度和线性加速度，所述对所述惯性传感器数据进行误差补偿，所述误差补偿包括惯性传感器电路的偏置补偿、常值漂移补偿以及温度漂移补偿，包括：
对所述惯性角速度和线性加速度进行误差补偿，所述误差补偿包括惯性传感器电路的偏置补偿、常值漂移补偿以及温度漂移补偿。
可选地，所述对进行误差补偿后的惯性传感器数据进行卡曼滤波处理得到四元数结果，并将所述四元数结果作为云台的姿态信息进行云台驱动控制，包括：
根据角传感器数据以及惯性角测量单元数据解算各轴惯性角运动，根据反馈数据做闭环稳定控制，将计算得到的稳定控制量发送给数字控制系统，数字控制系统控制云台各轴运动，所述数字控制系统控制量计算过程为：
其中uci为控制量，r为控制指令参考值，a为解算各个轴的惯性姿态角。
第四方面，本实用新型提供一种航拍器，所述航拍器具有如上述的惯性测量系统。
从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：
本实用新型提供一种惯性测量系统，包括用于运行惯性测量算法的微处理器电路、数据通信接口、电源电路以及惯性传感器电路，所述惯性传感器电路用于测量惯性角速度和线性加速度，所述惯性传感器电路通过总线将采集到的惯性角速度和线性加速度传输至所述微处理器电路，所述微处理器电路通过所述数据通信接口与上位机建立通信，所述电源电路与所述微处理器电路电连接，数据传输可靠、数据更新率高且数据包可编程配置，本实用新型还提供了云台驱动控制装置及航拍器，装调简单、成本相对低廉，保证云台上承载的成像装置指向角度始终保持惯性稳定。
附图说明
图1是本实用新型实施例中提供的一种惯性测量系统的结构框图；
图2是本实用新型实施例中提供的一种云台驱动控制装置的结构框图；
图3是本实用新型实施例中提供的一种航拍器的惯性测量系统的安装位置示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，本实用新型提供一种惯性测量系统，包括用于运行惯性测量算法的微处理器电路1、数据通信接口7、电源电路6以及惯性传感器电路2，所述惯性传感器电路2用于测量惯性角速度和线性加速度，所述惯性传感器电路2通过总线将采集到的惯性角速度和线性加速度传输至所述微处理器电路1，所述微处理器电路1通过所述数据通信接口7与上位机建立通信，所述电源电路6与所述微处理器电路1电连接。
可选地，所述电源电路6将外部提供的电源输入的4～36V电压转换成为处理器及其他电路适用的电压，提供给微处理器电路1、数据通信接口7及惯性传感器电路2使用。
可选地，所述惯性传感器电路2包括三轴陀螺仪3和三轴加速度计4以及三轴地磁传感器5，所述三轴陀螺仪3和所述三轴加速度计4、三轴地磁传感器5分别与所述微处理器电路1连接。
可选地，还包括电平转换芯片8，所述电平转换芯片8用于将TTL电平与 RS-422差分电平相互转化，所述电平转换芯片8与所述数据通信接口7电连接。
惯性测量系统可以安装在稳定云台的基座框架或者内框架上，能够检测稳定云台的运动的惯性角速度以及惯性姿态，并反馈给云台主控制器，云台主控制器利用惯性测量单元数据通过控制云台各轴无刷电机转动，保证云台上承载的成像装置指向角度始终保持惯性稳定。
结合图2所示，本实用新型提供一种云台驱动控制装置，所述装置包括：
获取单元201，用于获取惯性传感器电路采集的惯性传感器数据；
误差补偿单元202，用于对所述惯性传感器数据进行误差补偿；
执行单元203，用于对进行误差补偿后的惯性传感器数据进行卡曼滤波处理得到四元数结果，并将所述四元数结果作为云台的姿态信息进行云台驱动控制。
可选地，所述执行单元203具体用于对所述惯性角速度和线性加速度进行误差补偿，所述误差补偿包括惯性传感器电路的偏置补偿、常值漂移补偿以及温度漂移补偿。
可选地，所述执行单元203具体用于：
根据角传感器数据以及惯性角测量单元数据解算各轴惯性角运动，根据反馈数据做闭环稳定控制，将计算得到的稳定控制量发送给数字控制系统，数字控制系统控制云台各轴运动，所述数字控制系统控制量计算过程为：
其中uci为控制量，r为控制指令参考值，a为解算各个轴的惯性姿态角。
对应地，本实用新型提供一种云台驱动控制方法，所述方法包括：
S201、获取惯性传感器电路采集的惯性传感器数据；
S202、对所述惯性传感器数据进行误差补偿；
S203、对进行误差补偿后的惯性传感器数据进行卡曼滤波处理得到四元数结果，并将所述四元数结果作为云台的姿态信息进行云台驱动控制。
可选地，所述惯性传感器数据包括惯性角速度和线性加速度，所述对所述惯性传感器数据进行误差补偿，所述误差补偿包括惯性传感器电路的偏置补偿、常值漂移补偿以及温度漂移补偿，包括：
对所述惯性角速度和线性加速度进行误差补偿，所述误差补偿包括惯性传感器电路的偏置补偿、常值漂移补偿以及温度漂移补偿。
可选地，所述对进行误差补偿后的惯性传感器数据进行卡曼滤波处理得到四元数结果，并将所述四元数结果作为云台的姿态信息进行云台驱动控制，包括：
根据角传感器数据以及惯性角测量单元数据解算各轴惯性角运动，根据反馈数据做闭环稳定控制，将计算得到的稳定控制量发送给数字控制系统，数字控制系统控制云台各轴运动，所述数字控制系统控制量计算过程为：
其中uci为控制量，r为控制指令参考值，a为解算各个轴的惯性姿态角。
本实用新型还提供了一种实施例针对如何利用卡曼滤波处理惯性测量传感器数据，下面进行具体说明：
通过总线采集惯性传感器电路采集的惯性传感器数据，得到惯性角速度以及线性加速度数据，
对采集的数据进行误差补偿，包括惯性测量传感器的偏置补偿、常值漂移补偿以及温度漂移补偿，
得到补偿后的惯性角速度以及线加速度然后采用Kalman(卡曼) 滤波算法，Kalman滤波算法如下：
首先假设k时刻系统的状态方程和观测方程为：
Xk＝Ak,k-1Xk-1+Bk,k-1Wk-1
Zk＝HkXk+Vk
在上式中Ak,k-1所代表的含义是系统由tk-1到tk时刻一步状态转移矩阵；Bk,k-1表示的是系统的噪声驱动矩阵；Wk表示系统噪声序列；Hk表示系统的观测矩阵；Vk为系统观测噪声序列。
其中，系统的噪声序列Wk和观测噪声序列Vk为不相关的白噪声序列，其满足如下关系：
在上式中，使用矩阵Qk表示系统噪声序列Wk的非负定方差；使用矩阵Rk表示系统观测噪声序列的正定方差；δkj是Kronecker-δ函数。
离散卡尔曼滤波的时间更新过程可以利用方程进行如下描述：
系统状态一步预测方程：
误差方差阵的一步预测方程：
观测更新过程方程描述为：
系统状态估计方程：
卡尔曼滤波增益矩阵：
估计误差方差阵：
Pk＝(I-KkHk)Pk|k-1
上述方程是线性离散时间系统的卡尔曼滤波方程，在使用时要求系统的状态方程和观测方程都是线性的。然而在实际应用中很少存在绝对的线性系统，通常情况下系统的状态方程和观测方程中都会存在非线性因素，只要系统的离散时间状态方程和观测方程之中存在非线性部分，那么该离散时间系统就是非线性离散时间系统。
一般地，非线性离散时间系统的状态方程和观测方程可表示为：
Xk＝f(Xk-1,k-1)+g(Xk-1,k-1)Wk-1
Zk＝h(Xk,k)+Vk
其中，f(g)是n维的向量函数，对Xk是可微的，它是自变量的非线性函数； h(g)是m维向量函数，是自变量的非线性函数；Wk-1和Vk分别为p维系统噪声向量和m维观测噪声向量；假设系统噪声向量Wk和观测噪声向量Vk是零均值白噪声序列，且互不相关。
假设k时刻状态向量Xk的线性最小均方误差估计已经得到，这样就可以将非线性离散时间系统的状态方程在附近进行成泰勒级数展开，并且只保留一阶小量(即保留展开式的线性部分)，然后可以近似得到
将非线性离散时间系统的观测方程在附近进行泰勒级数展开，同样只保留展开式的线性部分，我们可以近似得到：
故离散系统状态一步预测变为：
至此，可以得到线性化的离散状态方程和观测方程为：
其中
利用之前推导线性离散时间系统卡尔曼滤波的方法，可以推导出扩展卡尔曼滤波的递推公式。
系统的状态一步预测：
系统的估计误差方差阵：
状态估计：
卡尔曼滤波增益矩阵：
估计误差方差阵：
Pk＝(I-KkHk)Pk|k-1
经过Kalman滤波算法后根据计算的四元数结果可以得到系统的姿态信息。
具体地说，本实用新型实施例中惯性测量系统算法流程，可以按照以下方式进行：
(1)程序开始运行；
(2)系统初始化；
(3)设置Kalman滤波参数初始值；
(4)惯性测量单元俯仰、横滚、方位初始化；
(5)由k-1时刻的状态量使用四阶龙格库塔法，估计出k时刻状态量其预测方程如下：
(6)对状态量中的四元数进行归一化处理；
(7)计算F和G矩阵
(8)计算协方差阵Ρk＝(I+FT)Pk-1(I+FT)T+T2GQkGT
(9)地磁传感器是否更新，如果未更新那么进行步骤(5)进行计算；
(10)如果地磁数据已更新，计算H矩阵
(11)计算由状态量估计的观测值
(12)滤波器序列更新
K＝PkHT(HPkHT+Rk)-1
Pk＝Pk-KHPk
(13)对状态量中的四元素归一化
(14)如果程序结束运行，则对变量进行保存并结束程序。
结合图3，本实用新型提供一种航拍器，所述航拍器具有如上述的惯性测量系统，航拍器具有稳定云台，所述的惯性测量系统可以安装在稳定云台的基座框架或者内框架上，能够检测稳定云台的运动的惯性角速度以及惯性姿态，并反馈给云台主控制器，云台主控制器利用惯性测量系统的数据通过控制云台各轴无刷电机转动，保证云台上承载的成像装置指向角度始终保持惯性稳定。
具体地说，在航空中，pitch是围绕X轴旋转，也叫做俯仰角，yaw是围绕Y轴旋转，也叫偏航角，roll是围绕Z轴旋转，也叫翻滚角，本领域不同技术人员应当了解，具体不作赘述。
在稳定模式下，稳定云台数字控制器读取惯性测量单元数据，读角传感器数据，根据角传感器数据以及惯性角测量单元数据解算各轴惯性角运动，根据反馈数据做闭环稳定控制，将计算得到的稳定控制量发送给数字控制系统，数字控制系统控制量计算过程为其中 uci为控制量，r为控制指令参考值，a为解算各个轴的惯性姿态角，数字控制系统控制云台各轴运动，实现高精度的图像稳定。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本实用新型所提供的一种惯性测量系统、云台驱动控制装置及航拍器进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种惯性测量系统，其特征在于，包括用于运行惯性测量算法的微处理器电路、数据通信接口、电源电路以及惯性传感器电路，所述惯性传感器电路用于测量惯性角速度和线性加速度，所述惯性传感器电路通过总线将采集到的惯性角速度和线性加速度传输至所述微处理器电路，所述微处理器电路通过所述数据通信接口与上位机建立通信，所述电源电路与所述微处理器电路电连接。
2.根据权利要求1所述的惯性测量系统，其特征在于，所述电源电路将外部提供的电源进行转换并传输至微处理器电路、数据通信接口及惯性传感器电路。
3.根据权利要求1所述的惯性测量系统，其特征在于，所述惯性传感器电路包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，所述三轴陀螺仪和所述三轴加速度计分别与所述微处理器电路连接。
4.根据权利要求1所述的惯性测量系统，其特征在于，还包括电平转换芯片，所述电平转换芯片用于将TTL电平与RS-422差分电平相互转化，所述电平转换芯片与所述数据通信接口电连接。
5.一种云台驱动控制装置，其特征在于，所述装置包括：
获取单元，用于获取惯性传感器电路采集的惯性传感器数据；
误差补偿单元，用于对所述惯性传感器数据进行误差补偿；
执行单元，用于对进行误差补偿后的惯性传感器数据进行卡曼滤波处理得到四元数结果，并将所述四元数结果作为云台的姿态信息进行云台驱动控制；所述惯性传感器数据包括惯性角速度和线性加速度。
6.根据权利要求5所述的云台驱动控制装置，其特征在于，所述执行单元具体用于对所述惯性角速度和线性加速度进行误差补偿，所述误差补偿包括惯性传感器电路的偏置补偿、常值漂移补偿以及温度漂移补偿。
7.根据权利要求5所述的云台驱动控制装置，其特征在于，所述执行单元具体用于：
根据角传感器数据以及惯性角测量单元数据解算各轴惯性角运动，根据反馈数据做闭环稳定控制，将计算得到的稳定控制量发送给数字控制系统，数字控制系统控制云台各轴运动，所述数字控制系统控制量计算过程为：
其中uci为控制量，r为控制指令参考值，a为解算各个轴的惯性姿态角，Kp为比例系数，Ki积分系数，Kd为微分系数。
8.一种航拍器，其特征在于，所述航拍器具有如权利要求1至4中任一项所述的惯性测量系统。
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