WO2019227464A1 - 旋转角度控制方法、云台以及计算机可读的记录介质 - Google Patents

旋转角度控制方法、云台以及计算机可读的记录介质 Download PDF

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WO2019227464A1
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joint angle
angle value
target joint
value
angle
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王映知
刘帅
王振动
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深圳市大疆创新科技有限公司
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D3/00—Control of position or direction
    • G05D3/12—Control of position or direction using feedback
    • G05D3/20—Control of position or direction using feedback using a digital comparing device

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a rotation angle, a head, and a computer-readable recording medium.
  • the gimbal opens the protocol for controlling the angle of the controlled equipment of other modules to facilitate other modules. Control the angle of the gimbal.
  • the PTZ cannot guarantee the rationality of the received instructions. The wrong command data will cause the PTZ to hit the limit very quickly, and it may be stuck forever and cannot end the angle control mode. There is a risk of burning the motor, and Affect the user experience.
  • the limit protection method on the existing handheld gimbal adopts a temperature protection strategy, that is, when the motor output saturation is detected for a certain period of time, the motor is considered to be stalled.
  • the PTZ can't be softened.
  • the present invention has been developed in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a rotation angle control method, a pan / tilt head, and a computer-readable recording medium, which are performed in accordance with angle control instructions obtained from the outside (for example, other modules, other applications, and users). It can avoid the collision limit when rotating, and it can also solve the problem that the gimbal is soft and weak due to stall when receiving an unreasonable external control instruction.
  • an aspect of the present invention provides a method for controlling a rotation angle, comprising: obtaining an angle control instruction; and obtaining a target joint angle value of a joint angle corresponding to a rotation axis according to the angle control instruction; Correcting the obtained target joint angle value so that the target joint angle value is within a given joint angle interval range with a reserved margin for the joint angle; and using the corrected target joint angle Value to control the rotation angle around the rotation axis.
  • a pan / tilt head comprising: an input unit for inputting an angle control instruction; a drive unit for driving the base to rotate; and a control unit for controlling the drive unit ,
  • the control unit obtains a target joint angle value of a joint angle corresponding to the rotation axis according to the angle control instruction, and corrects the obtained target joint angle value so that the target joint angle value is in Within a given range of the joint angle with a reserved margin of the joint angle, the corrected angle of the target joint angle is used to control the rotation angle of the base around the rotation axis via the driving unit.
  • another aspect of the present invention provides a rotation angle control method for a pan / tilt head
  • the pan / tilt head includes: an input unit for inputting an angle control instruction; a driving unit for driving the base to rotate; and A control unit for controlling the driving unit, the method comprising: the control unit obtaining a target joint angle value of a joint angle corresponding to a rotation axis according to the inputted angle control instruction; Correcting the obtained target joint angle value so that the target joint angle value is within a given joint angle interval range with a reserved margin for the joint angle; and the control unit uses the corrected the The target joint angle value controls the rotation angle of the base around the rotation axis via the driving unit.
  • another aspect of the present invention provides a computer-readable recording medium storing executable instructions that, when executed by a processor, cause the processor to execute the above-mentioned method of controlling the rotation angle.
  • the value of the target joint angle is obtained by the obtained angle control instruction, and correction is performed so that the target joint The value of the angle is within the range of the joint angle of the margin.
  • the rotation angle is controlled by using the corrected target joint angle, so that the collision limit can be avoided.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a handheld head according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a rotation angle control method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for obtaining a target joint angle according to an angle control instruction according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an example block diagram illustrating a pan / tilt according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention generally provides a method for controlling a rotation angle, a head, and a computer-readable recording medium.
  • the technical idea of the present invention is to obtain a joint corresponding to a rotation axis by using the obtained angle control instruction when performing rotation according to an angle control instruction obtained from the outside (for example, other modules, other applications, users, etc.).
  • the target joint angle value of the angle, and the obtained target joint angle value is corrected so that the target joint angle value is within a given joint angle interval range with a reserved margin for the joint angle, and the correction is used
  • the target joint angle value passed controls the rotation angle around the rotation axis, so as to avoid the collision limit.
  • the joint angle refers to the rotation angle in the joint space, and the joint angle can be obtained by measuring with an angle sensor.
  • an angle sensor such as a Hall sensor
  • the joint angle targeted is the joint angle corresponding to the rotation axis.
  • a given joint angle interval range refers to an angular interval range in which the corresponding joint angle can be reached in the joint space.
  • the limit range range of the factory shipment can be defined.
  • the minimum range value of the bit range interval is used as the range of the limit interval.
  • a hand-held gimbal can target at least any one of a yaw axis, a pitch axis, and a roll axis.
  • the rotation of the shaft applies the rotation angle control method of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a handheld head according to an embodiment of the present invention.
  • the handheld pan / tilt head 100 of the present invention may include the following components: a base 110 for fixing the camera unit, a stabilization enhancing assembly 120, and a handle (also referred to as a base) for supporting the stabilization enhancing assembly 120. ) 130.
  • the stability enhancing execution component 120 includes an outer frame, a middle frame, and an inner frame in order from the outside to the inside.
  • the base 110 is an inner frame
  • the inner frame is a pitch axis frame
  • the middle frame is a roll axis frame
  • the outer frame is a yaw Shaft frame.
  • the base 110 may also be a photography camera directly connected to the stabilization enhancing component 120.
  • an absolute mode is defined in the present invention.
  • the input command in the absolute mode is a value with positive and negative joint angles, and the movement is to the position of the specified joint angle, and the movement is planned to the target posture position.
  • the joint The positive and negative angles indicate the direction of rotation. For example, “positive” indicates a clockwise direction, and “negative” indicates a counterclockwise direction.
  • the NED coordinate system can also be referred to as the n coordinate system for short, also referred to as the navigation coordinate system, which is a reference coordinate system for navigation settlement that is selected according to the needs of the navigation system during navigation.
  • E East axis points to the east of the earth
  • D The ground axis is perpendicular to the surface of the earth and points upwards.
  • the stabilization enhancing component 120 should be directly facing the north position.
  • the sensors of the attitude are only accelerometers and gyroscopes. Because of the drift of the gyroscope, the longer the time, the more the attitude angle drifts. At different times, the attitude angle may actually refer to north at this time, and after a while, it refers to south, so it has no reference significance.
  • the joint angle corresponding to the rotation axis is used as an absolute reference, and for example, in general, when a panoramic shooting is performed, the camera unit is placed on the base 110 for shooting. At this time, the world coordinate system and the body coordinate system basically coincide. In this case, moving from position A to position B can be expressed as
  • Implementation method one Take the attitude of the base as an absolute reference. If you want to rotate a angle around the positive direction of the attitude of the base, enter + a angle;
  • the input is directly the joint angle.
  • the Z axis of the body coordinate system is also basically vertical, and the value of the joint angle and the attitude angle are approximately equal (without considering positive negative).
  • the handle when the handle is put forward, it is also referred to as head-up and head-up; when the handle is turned upside-down, it is also called as head-down and head-down.
  • the target attitude of the stabilization enhancing component 120 can be calculated according to the base attitude + the angle of rotation around the base attitude. According to the target attitude, it is approximately the same as the incremental mode (offset mode) described later. To calculate the target joint angle.
  • the limit range is limited to the feasible range, and then the target attitude is calculated based on the modified target joint angle.
  • the input can be used as the target joint angle, and the target joint angle range is limited to the limit range.
  • the limit range of the joint angle is [-220, 65] degrees. If 5 degrees of margin is left, the control reachable range is [-215, 60] degrees. If the input angle is 100 degrees , It is limited to the reachable range, that is, corrected to 60 degrees.
  • the input is an angle value that continues to rotate around the world's Z axis based on the current posture, so a yaw axis angle command of positive means a clockwise rotation, regardless of the angle entered What is the size, when the gimbal 100 is being placed, the stabilization enhancing component 120 will move to the right.
  • the obtained angle control instruction is corrected, and the stabilization enhancing execution component 120 is controlled to go to any reachable place.
  • the speed direction is set according to the difference between the current joint angle and the target joint angle.
  • PTZ down (upside down): rotate around the positive direction of the world's Z axis, the yaw angle of the attitude increases, and the joint angle increases;
  • the attitude yaw When the gimbal is mounted, when the target joint angle is greater than the current joint angle, the attitude yaw should move in the negative direction to give the speed in the negative direction; when the target joint angle is less than the current joint angle, the attitude yaw moves in the positive direction and gives the positive Speed in direction
  • the attitude yaw When the gimbal is lowered, when the target joint angle is smaller than the current joint angle, the attitude yaw should move in the negative direction to give the speed in the negative direction; when the target joint angle is greater than the current joint angle, the attitude yaw moves in the positive direction and gives the positive Speed in direction.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a rotation angle control method according to an embodiment of the present invention.
  • the rotation angle control method according to an embodiment of the present invention includes: Step S201 to obtain an angle control instruction; and Step S202 to obtain a target of a joint angle corresponding to a rotation axis according to the obtained angle control instruction.
  • the angle indicated by the angle control instruction can be used as the target joint angle value. Further, when the Z axis of the body coordinate system is vertical, the angle indicated by the angle control instruction is preferably used as the target joint angle value.
  • the obtained target joint angle value when the obtained target joint angle value exceeds a given joint angle interval range of a reserved margin, the obtained target joint angle value may be corrected so that the target joint angle value is a reserved margin.
  • the upper or lower limit of the range of a given joint angle interval when the obtained target joint angle value exceeds a given joint angle interval range of a reserved margin, the obtained target joint angle value may be corrected so that the target joint angle value is a reserved margin.
  • obtaining the value of the target joint angle according to the angle control instruction includes: Step S301, according to the current base attitude and the angle value indicated by the angle control instruction , Calculate the target outer frame attitude; step S302, calculate the temporary target joint angle value based on the current base attitude and the target outer frame attitude; and step S303, according to the initial joint angle value, the direction indicated by the angle control instruction and the temporary target joint angle value To calculate the target joint angle.
  • the initial joint angle value joint_angle_init is recorded at the beginning, and the joint angle value can be obtained by an angle sensor measurement.
  • An angle sensor such as a Hall sensor or a magnetic encoder, is installed at the relevant joint, and the angle measurement value can be obtained from the sensor. According to the fusion of the accelerometer and the gyroscope, and using the corresponding angle sensor, the base attitude and the target outer frame attitude are obtained.
  • the measurement attitude of the stabilizing execution component 120 can be obtained according to the fusion of the accelerometer and the gyroscope, and the joint angle value of each joint angle of the stabilizing execution component 120 can be obtained through the measurement of the angle sensor.
  • the joint angle of the outer frame is rotated from the base attitude along the Z axis of the base.
  • the pose of the frame The joint angle of the frame is rotated along the X axis of the outer frame.
  • Joint_angle [frame_mid] can get the pose of the frame.
  • the joint of the frame is rotated along the Y axis of the middle frame.
  • the posture of the inner frame can be obtained, and the posture of the inner frame is the posture of the stabilizing execution component 120.
  • the posture of the stabilizing execution component 120 is the posture of the stabilizing execution component 120.
  • you can get the measurement posture of the base that is, the posture of the base.
  • the yaw of the target pose of the outer frame is a pose target calculated according to user input.
  • the base attitude is used as the absolute reference. If you want to rotate the angle a about the positive direction of the base attitude, the input is + a angle. Assuming the current attitude of the base is yaw_handle, the user input angle is a. Then the target posture yaw of the stabilization stabilization execution component 120 is a + yaw_handle; this is also the target posture of the outer frame of the stabilization stabilization execution component 120.
  • the target joint angle tar_joint_angle is equal to the user input without going through this operation.
  • the target posture of the stabilization enhancement execution component 120 is offset + yaw, which is also the internal of the stabilization stabilization execution component 120.
  • Target posture of the frame If the offset mode is used, assuming the current posture of the stabilization execution component 120 is yaw_camera, and the user input angle is b, the target posture of the stabilization enhancement execution component 120 is offset + yaw, which is also the internal of the stabilization stabilization execution component 120. Target posture of the frame.
  • the target joint angle tar_joint_angle should be ⁇ the initial joint angle joint_angle_init; if the calculated temporary target joint If the angle tar_joint_angle_tmp> joint_angle_init, then tar_joint_angle_tmp-2PI is reduced to less than or equal to joint_angle_init. Then limit tar_joint_angle to the joint angle range.
  • the target joint angle value is within a given joint angle interval range with a reserved margin.
  • the balance is preferably 0 to 10 degrees, and more preferably 5 to 10 degrees.
  • the angle control instruction indicates an angle value and a direction that continues to rotate around at least one of the X-axis, Y-axis, or Z-axis of the world based on the current posture.
  • FIG. 4 is an example block diagram illustrating a pan / tilt according to an embodiment of the present invention.
  • the PTZ 400 according to the embodiment of the present invention includes: an input unit 401 for inputting an angle control instruction; a driving unit 402 for driving the rotation of the base; and a control unit 403 for controlling the The driving unit, the control unit 403 obtains a target joint angle value of a joint angle corresponding to a rotation axis according to the angle control instruction, and corrects the obtained target joint angle value so that the target joint angle The value is within a given joint angle interval range with a reserved margin for the joint angle. Using the corrected target joint angle value, the rotation of the base around the rotation axis is controlled via the driving unit 402. angle.
  • controlling the stabilization augmentation component to move to a specified position it can be ensured that if the instruction is legal, it will move to the specified position according to the user / other module requirements; if the instruction is not It is legal, or the posture changes from reachable to unreachable due to the movement of the handle during the movement, or it can be stopped near the limit. It will not continue to move and cause stalling, so that the stability-enhancing execution component is soft and uncontrollable.
  • the user does not need to understand the corresponding meanings of the joint angle and Euler angle, but only needs to understand that the stabilizing executive component will rotate according to the angle value given by the user in the corresponding direction and corresponding angle. Therefore, the user experience can be greatly improved.
  • the present invention can be applied not only to a handheld gimbal, but also to a monitoring system gimbal with a gyroscope as a sensor.
  • a monitoring system PTZ it can be regarded as a handheld PTZ with a fixed handle.
  • attitude feedback is not necessarily required, but it is just possible to use the absolute mode in the present invention.
  • the present invention can also be applied to aircraft gimbals and the like, and for an airplane or an aircraft with a compass, the absolute mode in the present invention can be applied.
  • the quaternion method is used to solve the attitude, but the attitude may also be expressed by Euler angle (three parameters), directional cosine method (nine parameters), and the like, as long as the calculation method is appropriately changed.

Abstract

一种旋转角度控制方法、云台以及计算机可读的记录介质，旋转角度控制方法包括：获得角度控制指令；根据角度控制指令，获得与旋转轴对应的关节角的目标关节角值；对所获得的目标关节角值进行校正，使得目标关节角值处于针对关节角的预留余量的给定关节角区间范围内；以及利用校正过的目标关节角值，控制绕旋转轴的旋转角度。

Description

旋转角度控制方法、云台以及计算机可读的记录介质 技术领域
本发明涉及旋转角度控制方法、云台以及计算机可读的记录介质。
背景技术
为了满足其他模块如导航(全景模式)等对云台角度控制的需求，为了提供给用户对云台进行二次开发的需要，云台开放给其他模块受控设备控制角度的协议，方便其他模块控制云台角度。然而，云台无法保证收到的指令的合理性，错误的指令数据会使得云台非常快速撞到限位，并且有可能一直怼着而无法结束角度控制模式，有烧坏电机的风险，并且影响用户体验。
为了克服上述问题，防止烧坏电机，例如在现有的手持云台上的限位保护方式采用的是温度保护策略，也就是当检测到电机输出饱和超过一定时间时，认为电机堵转，此时进入保护模式，云台软掉不出力。虽然该方法可以减少烧坏电机的风险，但是也非常影响用户体验，这种用着用着就云台软掉无法正常运行的场景也会让用户感到困惑。
发明内容
本发明鉴于上述的情况而研发，目的在于提供一种旋转角度控制方法、云台以及计算机可读的记录介质，在根据从外界(例如，其他模块、其他应用、用户)获得的角度控制指令进行旋转时能够规避撞限位，此外能够解决云台在收到不合理的外界控制指令时由于堵转而软掉无力的问题。
为了解决上述的至少部分问题，本发明的一个方面提供了一种旋转角度控制方法，包括：获得角度控制指令；根据所述角度控制指令，获得与旋转轴对应的关节角的目标关节角值；对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值处于针对所述关节角的预留余量的给定关节 角区间范围内；以及利用校正过的所述目标关节角值，控制绕所述旋转轴的旋转角度。
此外，本发明的另一个方面提供了一种云台，包括：输入单元，其用于输入角度控制指令；驱动单元，其用于驱动底座旋转；和控制单元，其用于控制所述驱动单元，所述控制单元根据所述角度控制指令，获得与旋转轴对应的关节角的目标关节角值，并且对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值处于针对所述关节角的预留余量的给定关节角区间范围内，利用校正过的所述目标关节角值，经由所述驱动单元，控制所述底座绕所述旋转轴的旋转角度。
此外，本发明的另一个方面提供了一种用于云台的旋转角度控制方法，所述云台包括：输入单元，其用于输入角度控制指令；驱动单元，其用于驱动底座旋转；和控制单元，其用于控制所述驱动单元，所述方法包括：所述控制单元根据所输入的所述角度控制指令，获得与旋转轴对应的关节角的目标关节角值；所述控制单元对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值处于针对所述关节角的预留余量的给定关节角区间范围内；以及所述控制单元利用校正过的所述目标关节角值，经由所述驱动单元，控制所述底座绕所述旋转轴的旋转角度。
此外，本发明的另一个方面提供了一种计算机可读的记录介质，存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使该处理器执行上述的旋转角度控制方法。
根据本发明，在根据从外界(例如，其他模块、其他应用、用户)获得的角度控制指令进行旋转时，通过由所获得的角度控制指令，获得目标关节角的值，并且进行校正使得目标关节角的值处于预留余量的关节角区间范围内，利用校正过的目标关节角控制旋转角度，从而能够规避撞限位，在将本发明应用于云台时，能够解决云台在收到不合理的外界控制指令时由于堵转而软掉无力的问题。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解。
图1是示意性示出根据本发明实施方式的手持云台的立体图。
图2是示出根据本发明实施方式的旋转角度控制方法的流程图。
图3是示出根据本发明实施方式的用于根据角度控制指令获得目标关节角的方法的流程图。
图4是示出根据本发明实施方式的云台的示例框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或实施例用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明总体上提出了一种旋转角度控制方法、云台以及计算机可读的记录介质。
大体上，本发明的技术思想在于在根据从外界(例如，其他模块、其他应用、用户等)获得的角度控制指令进行旋转时，通过由所获得的角度控制指令，获得与旋转轴对应的关节角的目标关节角值，并且对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值处于针对所述关节角的预留余量的给定关节角区间范围内，利用校正过的所述目标关节角值，控制绕所述旋转轴的旋转角度，从而能够规避撞限位，在将本发明应用于云台时，能够解决云台在收到不合理的外界控制指令时由于堵转而软掉无力的问题。
其中，所谓关节角，指的是关节空间内的旋转角度，能够通过角度传感器测量来获得关节角。例如，在云台上，在关节处安装角度传感器(例 如，霍尔传感器)，传感器反馈的关节角的值即为关节角的测量值。在根据角度控制指令对旋转角度进行控制时，所针对的关节角是与旋转轴对应的关节角。具体的是在体坐标系上与旋转轴对应的关节角。
此外，所谓给定关节角区间范围，指的是相应关节角在关节空间内能够达到的角度区间范围。对于关节角区间范围，首先在设计上会有一个设计的限位范围，在此基础上考虑一定的制造误差、安装误差等，可以定义出厂为良品的限位范围区间，此外，优选将良品限位范围区间的最小范围值作为限位区间的范围。
例如，在将本发明的旋转角度控制方法应用于云台时，例如，手持云台，可以针对绕偏航(yaw)轴、俯仰(pitch)轴和横滚(roll)轴中的至少任一个轴的旋转，来应用本发明的旋转角度控制方法。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
作为本发明的一个实施方式，下面，针对将本发明应用于手持云台并且针对偏航轴进行控制的情况为例进行说明。
图1是示意性示出根据本发明实施方式的手持云台的立体图。如图1所示，本发明的手持云台100可以包括以下部件：用于固定摄像单元的底座110、增稳执行组件120、以及用于支承增稳执行组件120的手柄(也称为基座)130。增稳执行组件120从外至内依次包括外框架、中框架和内框架。本实施例中，所述底座110即为内框架，所述内框架为俯仰(pitch)轴框架，所述中框架为横滚(roll)轴框架，而所述外框架为偏航(yaw)轴框架。可以理解的是，所述底座110也可以是与增稳执行组件120直接连接的摄影相机。
首先，考虑到手持云台100缺乏绝对的航向参考，按照一般的北东地坐标系即NED(North East Down)坐标系定义，当yaw轴角度为0时指向的应该是正北方向，而手持云台100并不知道哪里是北面。并且正是因为没有航向参考，因此增稳执行组件120的姿态会因为陀螺仪漂移(bias)一直在漂，即使期望达到的目标姿态不变，但是运动实际到达的姿态与期望到达的姿态之间会有差距，且该差距与运动的距离和时间有关，距离越长，时间越长，该差距越大，从而yaw轴的绝对姿态角度是不可信的。 针对该问题，在本发明中定义了一种绝对模式，绝对模式下的输入指令为带有正负的关节角的值，运动到指定关节角的位置，规划运动到目标姿态位置，其中，关节角的正负表示旋转的方向，例如“正”表示顺时针方向，“负”表示逆时针方向。
NED坐标系也可以简称为n坐标系，也称为导航坐标系，是在导航时根据导航系统工作的需要而选取的用于导航结算的参考坐标系。
其中，NED坐标系各轴的定义：
N——北轴指向地球北；
E——东轴指向地球东；
D——地轴垂直于地球表面并指向上方。
也就是说按照一般的协议定义，如果在绝对模式下，yaw轴角度输入为0的时候，增稳执行组件120应该正对到正北的位置。但是由于手持时缺乏绝对航向参考(比如说飞机会有指南针可以表明北方)，姿态的传感器来源只有加速度计和陀螺仪，陀螺仪由于存在漂移，因此时间越长，姿态角漂的越厉害，同样的姿态角度，在不同的时间可能实际上这个时候指的是北，过一段时间指的就是南了，因此没有参考的意义。而在本发明中，使用与旋转轴对应的关节角来作为绝对参考，而且例如一般进行全景拍摄时，摄像单元是放在底座110上进行拍摄的，此时世界坐标系和体坐标系基本重合，这种情况下从位置A运动到位置B，可以表示为|关节角A-关节角B|。
在本发明中，绝对模式例如可以考虑如下两种不同的实现方式。
实现方式一，以基座姿态为绝对参考，若希望绕基座姿态正方向旋转a角度，则输入为+a角度；
实现方式二，输入直接是关节角，考虑到一般而言手柄是正放的或者倒放的，体坐标系的Z轴基本上也是竖直的，关节角与姿态角的值大致相等(不考虑正负号)。
在本发明中，手柄正放时，也称为云台正放、云台上置；手柄倒放时，也称为云台倒放、云台下置。
当采用实现方式一时，可以根据基座姿态+绕基座姿态旋转的角度来计算增稳执行组件120的目标姿态，按照和后述的增量模式(offset模式) 大致相同的方式，根据目标姿态来计算目标关节角。根据限位范围限制在可行范围内，再根据修正后的目标关节角来计算目标姿态。
当采用实现方式二时，可以将输入作为目标关节角，根据目标关节角范围限制在限位范围内。
例如，给定关节角区间范围即关节角限位范围是[-220，65]度，若留5度余量，则控制可达范围就是[-215，60]度，若输入角度是100度，则限制在可达范围内，即修正为60度。
此外，在本发明中，可以定义增量模式(offset模式)，考虑到一般用户可能无法理解欧拉角的含义，比如说，用户输入：以当前为基准，运动到300度的位置。其实是希望增稳执行组件120能够向右转到300度的位置，然而，如果真的运动到欧拉角300度的位置，实际上增稳执行组件120会向左转到-60度的位置(300＝-60+360，表示同一个方位)。因此，在本发明的实施方式中定义：输入为在当前姿态的基础上绕世界的Z轴继续旋转的角度值，因此yaw轴角度命令为正时意味着顺时针方向的旋转，不管输入的角度大小是多少，当云台100正放时增稳执行组件120均会向右运动。
在本发明中，在上述两种模式定义下，对所获得的角度控制指令进行校正，控制增稳执行组件120转到任意可达的地方。
在绝对模式下，由于输入为关节角，所以规避限位的方式很简单，只要限制目标关节角在可达关节角范围内即可。
在增量模式下，根据当前关节角和目标关节角的差来设置速度的方向。在本发明中考虑：
云台上置(正放)：绕世界的Z轴正方向旋转，姿态的yaw角增加，关节角减小；
云台下置(倒放)：绕世界的Z轴正方向旋转，姿态的yaw角增加，关节角增加；
云台上置的时候，目标关节角大于当前关节角的时候，姿态yaw应该往负方向去运动，给负方向的速度；目标关节角＜当前关节角时，姿态yaw往正方向运动，给正方向的速度；
云台下置的时候，目标关节角小于当前关节角的时候，姿态yaw应 该往负方向去运动，给负方向的速度；目标关节角＞当前关节角时，姿态yaw往正方向运动，给正方向的速度。
图2是示出根据本发明实施方式的旋转角度控制方法的流程图。如图2所示，在本发明的一个实施方式的旋转角度控制方法中包括：步骤S201，获得角度控制指令；步骤S202，根据所获得的角度控制指令，获得与旋转轴对应的关节角的目标关节角值；步骤S203，对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值处于针对所述关节角的预留余量的给定关节角区间范围内；以及步骤S204，利用校正过的所述目标关节角值，控制绕所述旋转轴的旋转角度。
在本发明定义的绝对模式下，可以将角度控制指令表示的角度作为目标关节角值。进一步，优选在体坐标系的Z轴为竖直的情况下，将角度控制指令表示的角度作为目标关节角值。
在本发明中，可以在所获得的目标关节角值超过预留余量的给定关节角区间范围的情况下，对所获得的目标关节角值进行校正，使得目标关节角值为预留余量的给定关节角区间范围的上限值或下限值。
图3是示出根据本发明实施方式的用于根据角度控制指令获得目标关节角的方法的流程图。在本发明定义的绝对模式和/或增量模式下，如图3所示，根据角度控制指令获得目标关节角的值，包括：步骤S301，根据当前基座姿态和角度控制指令表示的角度值，计算目标外框架姿态；步骤S302，根据当前基座姿态和目标外框架姿态，计算临时目标关节角值；和步骤S303，根据初始关节角值、角度控制指令表示的方向和临时目标关节角值，计算目标关节角值。
具体而言，开始的时候记录初始关节角值joint_angle_init，关节角的值可以通过角度传感器测量来得到。在相关的关节处，安装有角度传感器，例如霍尔传感器或者磁编码器，从传感器可以获得到角度的测量值。根据加速度计和陀螺仪融合，并且利用相应角度传感器，得到基座姿态、目标外框架姿态。
根据目标外框架姿态q(tar_outer_arm)、基座姿态Q(atti_handle)以及输入的yaw轴角度命令(带有方向)，计算目标关节角q(tar_joint_angle[euler_y])的值。
若基座姿态己知，目标外框架姿态己知，则根据Q(atti_handle)*q(tar_joint_angle[euler_y])＝q(tar_outer_arm)，可求得q(tar_joint_angle[euler_y])，该四元数表示绕瞬时z轴的旋转，可解得旋转角度，该角度与关节角的值是相等的。即为临时目标关节角值tar_joint_angle_tmp[euler_y]。
在本发明中，根据加速度计和陀螺仪融合能够得到增稳执行组件120的测量姿态，通过角度传感器测量能够得到增稳执行组件120的各个关节角的关节角值。从手持云台100的基座(也即手柄)姿态到增稳执行组件姿态经过了三次旋转，从基座姿态沿着基座的Z轴旋转外框架的关节角值joint_angle[frame_out]可以得到外框架的姿态，外框架沿着外框架的X轴旋转中框架的关节角值joint_angle[frame_mid]可以得到中框架的姿态，中框架沿着中框架的Y轴旋转中框架的关节角值[frame_inn]可以得到内框架的姿态，内框架的姿态即为增稳执行组件120的姿态。反之，若己知增稳执行组件120的姿态，己知外框架、中框架和内框架的关节角，则可以得到基座的测量姿态，即基座姿态。
在本发明的一个实施方式中，外框架目标姿态的yaw也就是根据用户输入计算出来的姿态目标。
如果用的是NED模式定义，以基座姿态为绝对参考，若希望绕基座姿态正方向旋转a角度，则输入为+a角度，假设基座当前姿态yaw是yaw_handle，用户输入角度是a，则增稳执行组件120的目标姿态yaw即为a+yaw_handle；此也即增稳执行组件120的外框架的目标姿态。
如果输入是目标关节角，则不用经过此运算，可以直接得到目标关节角tar_joint_angle等于用户输入。
如果用的是offset模式，则假设增稳执行组件120的当前姿态为yaw_camera，用户输入角度是b，则增稳执行组件120的目标姿态为offset+yaw，此也即增稳执行组件120的内框架的目标姿态。
在云台上置的情况下，yaw轴命令角度为正的时，用户想要从当前姿态顺时针运动到目标姿态，则目标关节角tar_joint_angle应该＜初始关节角joint_angle_init；若计算得到的临时目标关节角tar_joint_angle_tmp＞joint_angle_init，则tar_joint_angle_tmp-2PI一直减 到小于等于joint_angle_init为止。然后再将tar_joint_angle限制在关节角区间范围内。
云台上置情况下：yaw轴命令角度为负的时，用户想要从当前姿态逆时针运动到目标姿态，则tar_joint_angle应该＞joint_angle_init；若计算得到的tar_joint_angle_tmp＜joint_angle_init，tar_joint_angle_tmp+2PI一直加到大于等于joint_angle_init为止。然后再将tar_joint_angle限制在关节角区间范围内。
云台下置的时候：yaw轴命令角度为正的时，用户想要从当前姿态顺时针运动到目标姿态，则tar_joint_angle应该＞joint_angle_init；若计算得到的tar_joint_angle_tmp＜joint_angle_init，tar_joint_angle_tmp+2PI一直加到大于等于joint_angle_init为止。然后再将tar_joint_angle限制在关节角区间范围内。
云台下置的时候：yaw轴命令角度为负的时，用户想要从当前姿态逆时针运动到目标姿态，则tar_joint_angle应该＜joint_angle_init；若计算得到的tar_joint_angle_tmp＞joint_angle_init，tar_joint_angle_tmp-2PI一直减到小于等于joint_angle_init为止。然后再将tar_joint_angle限制在关节角区间范围内。
此外，在本发明中，优选进行校正使得所述目标关节角值处于预留余量的给定关节角区间范围内。
此外，在本发明中，优选在所获得的目标关节角值超过预留余量的给定关节角区间范围的情况下，进行校正使得目标关节角值为预留余量的给定关节角区间范围的上限值或下限值。
此外，在本发明中，所述余量优选为0至10度，更优选为5至10度。
此外，在本发明中，优选在角度控制指令的方向为正的情况下，从当前姿态顺时针运动到目标姿态。
此外，在本发明中，优选在角度控制指令的方向为负的情况下，从当前姿态逆时针运动到目标姿态。
此外，在本发明中，优选角度控制指令表示在当前姿态的基础上绕世界的X轴、Y轴或Z轴中的至少一个轴继续旋转的角度值以及方向。
图4是示出根据本发明实施方式的云台的示例框图。如图4所示，根据本发明实施方式的云台400包括：输入单元401，其用于输入角度控制指令；驱动单元402，其用于驱动底座旋转；和控制单元403，其用于控制所述驱动单元，所述控制单元403根据所述角度控制指令，获得与旋转轴对应的关节角的目标关节角值，并且对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值处于针对所述关节角的预留余量的给定关节角区间范围内，利用校正过的所述目标关节角值，经由所述驱动单元402，控制所述底座绕所述旋转轴的旋转角度。
根据本发明，根据计算得到的目标关节角来控制增稳执行组件运动到指定的位置，即可保证若当指令是合法的，会按照用户/其他模块需求运动到指定的位置；若该指令不合法，或者在运动过程中由于手柄运动该姿态从可达变成不可达，也可以运动到限位附近处停止，不会仍然一直运动造成堵转，从而增稳执行组件软掉不可控。
此外，根据本发明，用户不用理解关节角和欧拉角的相应含义，只需要了解增稳执行组件会按照用户给的角度值去进行对应方向对应角度的旋转就可以。因此，能够大幅提高用户的使用体验。
此外，本发明不仅能够应用于手持云台，还能够适用于有陀螺仪作为传感器的监控系统云台。对于固定的监控系统云台而言，可视作手柄固定不动的手持云台，为了便于控制以及考虑云台性能，这种情况下可以不需要采用本发明中的offset模式，因为手柄不动，只需要在关节空间进行控制即可，不一定需要姿态进行反馈，但是刚好可以采用本发明中的绝对模式。此外，本发明也能够应用于飞行器云台等，而对于具有指南针的飞机、飞行器而言，可以应用本发明中的绝对模式。
此外，在上述实施方式中，求解姿态利用了四元数法，但是还可以利用欧拉角(三参数)、方向余弦法(九参数)等来表示姿态，只要适当改变计算方法即可。
以上所述仅为本发明的实施方式、实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (43)

  1. 一种旋转角度控制方法，包括：
    获得角度控制指令；
    根据所述角度控制指令，获得与旋转轴对应的关节角的目标关节角值；
    对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值处于针对所述关节角的预留余量的给定关节角区间范围内；以及
    利用校正过的所述目标关节角值，控制绕所述旋转轴的旋转角度。
  2. 根据权利要求1所述的旋转角度控制方法，其中，
    根据所述角度控制指令，获得与旋转轴对应的关节角的目标关节角值，包括：将所述角度控制指令表示的角度作为所述目标关节角值。
  3. 根据权利要求2所述的旋转角度控制方法，其中，
    在体坐标系的Z轴为竖直的情况下，将所述角度控制指令表示的角度作为所述目标关节角值。
  4. 根据权利要求2所述的旋转角度控制方法，其中，
    对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值处于针对所述关节角的预留余量的给定关节角区间范围内，包括：在所获得的所述目标关节角值超过所述预留余量的给定关节角区间范围的情况下，对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值为所述预留余量的给定关节角区间范围的上限值或下限值。
  5. 根据权利要求1所述的旋转角度控制方法，其中，
    根据所述角度控制指令，获得与旋转轴对应的关节角的目标关节角值，包括：
    根据当前基座姿态和所述角度控制指令表示的角度值，计算目标外框架姿态；
    根据当前基座姿态和计算出的所述目标外框架姿态，计算所述关节角的临时目标关节角值；
    根据所述关节角的初始关节角值、所述角度控制指令表示的方向和计算出的所述临时目标关节角值，计算所述目标关节角值。
  6. 根据权利要求5所述的旋转角度控制方法，其中，
    通过角度传感器测量得到所述初始关节角值，
    根据加速度计和陀螺仪融合，并且利用相应角度传感器，得到所述基座姿态。
  7. 根据权利要求5所述的旋转角度控制方法，其中，
    在云台上置、并且所述角度控制指令的方向为正的情况下，若所述临时目标关节角值大于所述初始关节角值，则使所述临时目标关节角值重复减去360度，直到所述临时目标关节角值小于等于所述初始关节角值，
    将小于等于所述初始关节角值的所述临时目标关节角值作为所述目标关节角值。
  8. 根据权利要求5所述的旋转角度控制方法，其中，
    在云台上置、并且所述角度控制指令的方向为负的情况下，若所述临时目标关节角值小于所述初始关节角值，则使所述临时目标关节角值重复加上360度，直到所述临时目标关节角值大于等于所述初始关节角值，
    将大于等于所述初始关节角值的所述临时目标关节角值作为所述目标关节角值。
  9. 根据权利要求5所述的旋转角度控制方法，其中，
    在云台下置、并且所述角度控制指令的方向为正的情况下，若所述临时目标关节角值小于所述初始关节角值，则使所述临时目标关节角值重复加上360度，直到所述临时目标关节角值大于等于所述初始关节角值，
    将大于等于所述初始关节角值的所述临时目标关节角值作为所述目标关节角值。
  10. 根据权利要求5所述的旋转角度控制方法，其中，
    在云台下置、并且所述角度控制指令的方向为负的情况下，若所述临时目标关节角值大于所述初始关节角值，则使所述临时目标关节角值重复减去360度，直到所述临时目标关节角值小于等于所述初始关节角值，
    将小于等于所述初始关节角值的所述临时目标关节角值作为所述目标关节角值。
  11. 根据权利要求1至10中任一项所述的旋转角度控制方法，其中，
    在所述角度控制指令的方向为正的情况下，从当前姿态顺时针运动到 目标姿态，或者
    在所述角度控制指令的方向为负的情况下，从当前姿态逆时针运动到目标姿态。
  12. 根据权利要求1至10中任一项所述的旋转角度控制方法，其中，
    所述角度控制指令表示在当前姿态的基础上绕世界的X轴、Y轴或Z轴中的至少一个轴继续旋转的角度值以及方向。
  13. 根据权利要求1至10中任一项所述的旋转角度控制方法，其中，
    所述获得角度控制指令，包括：从用户或其他应用获得角度控制指令。
  14. 根据权利要求1至10中任一项所述的旋转角度控制方法，其中，
    所述余量为0至10度，或者
    所述余量为5至10度。
  15. 一种云台，包括：
    输入单元，其用于输入角度控制指令；
    驱动单元，其用于驱动底座旋转；和
    控制单元，其用于控制所述驱动单元，
    所述控制单元根据所述角度控制指令，获得与旋转轴对应的关节角的目标关节角值，并且对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值处于针对所述关节角的预留余量的给定关节角区间范围内，利用校正过的所述目标关节角值，经由所述驱动单元，控制所述底座绕所述旋转轴的旋转角度。
  16. 根据权利要求15所述的云台，其中，
    所述控制单元将所述角度控制指令表示的角度作为所述目标关节角值。
  17. 根据权利要求16所述的云台，其中，
    在所述云台的体坐标系的Z轴为竖直的情况下，所述控制单元将所述角度控制指令表示的角度作为所述目标关节角值。
  18. 根据权利要求16所述的云台，其中，
    在所获得的所述目标关节角值超过所述预留余量的给定关节角区间范围的情况下，所述控制单元对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值为所述预留余量的给定关节角区间范围的上限值或 下限值。
  19. 根据权利要求15所述的云台，其中，
    所述控制单元：
    根据所述云台的当前基座姿态和所述角度控制指令表示的角度值，计算所述云台的目标外框架姿态；
    根据所述云台的当前基座姿态和计算出的所述目标外框架姿态，计算所述关节角的临时目标关节角值；
    根据所述关节角的初始关节角值、所述角度控制指令表示的方向和计算出的所述临时目标关节角值，计算所述目标关节角值。
  20. 根据权利要求15所述的云台，其中，还包括：
    用于测量所述初始关节角值的角度传感器；以及
    用于获得所述基座姿态的加速度计和陀螺仪。
  21. 根据权利要求15所述的云台，其中，
    在云台上置、并且所述角度控制指令的方向为正的情况下，若所述临时目标关节角值大于所述初始关节角值，则所述控制单元使所述临时目标关节角值重复减去360度，直到所述临时目标关节角值小于等于所述初始关节角值，
    所述控制单元将小于等于所述初始关节角值的所述临时目标关节角值作为所述目标关节角值。
  22. 根据权利要求15所述的云台，其中，
    在云台上置、并且所述角度控制指令的方向为负的情况下，若所述临时目标关节角值小于所述初始关节角值，则所述控制单元使所述临时目标关节角值重复加上360度，直到所述临时目标关节角值大于等于所述初始关节角值，
    所述控制单元将大于等于所述初始关节角值的所述临时目标关节角值作为所述目标关节角值。
  23. 根据权利要求15所述的云台，其中，
    在云台下置、并且所述角度控制指令的方向为正的情况下，若所述临时目标关节角值小于所述初始关节角值，则所述控制单元使所述临时目标关节角值重复加上360度，直到所述临时目标关节角值大于等于所述初始 关节角值，
    所述控制单元将大于等于所述初始关节角值的所述临时目标关节角值作为所述目标关节角值。
  24. 根据权利要求15所述的云台，其中，
    在云台下置、并且所述角度控制指令的方向为负的情况下，若所述临时目标关节角值大于所述初始关节角值，则所述控制单元使所述临时目标关节角值重复减去360度，直到所述临时目标关节角值小于等于所述初始关节角值，
    所述控制单元将小于等于所述初始关节角值的所述临时目标关节角值作为所述目标关节角值。
  25. 根据权利要求15至24中任一项所述的云台，其中，
    在所述角度控制指令的方向为正的情况下，所述底座从当前姿态顺时针运动到目标姿态，或者
    在所述角度控制指令的方向为负的情况下，所述底座从当前姿态逆时针运动到目标姿态。
  26. 根据权利要求15至24中任一项所述的云台，其中，
    所述角度控制指令表示在当前姿态的基础上绕世界的X轴、Y轴或Z轴中的至少一个轴继续旋转的角度值以及方向。
  27. 根据权利要求15至24中任一项所述的云台，其中，
    所述输入单元从用户或其他模块获得角度控制指令。
  28. 根据权利要求15至24中任一项所述的云台，其中，
    所述余量为0至10度，或者
    所述余量为5至10度。
  29. 一种用于云台的旋转角度控制方法，所述云台包括：
    输入单元，其用于输入角度控制指令；
    驱动单元，其用于驱动底座旋转；和
    控制单元，其用于控制所述驱动单元，
    所述方法包括：
    所述控制单元根据所输入的所述角度控制指令，获得与旋转轴对应的关节角的目标关节角值；
    所述控制单元对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值处于针对所述关节角的预留余量的给定关节角区间范围内；以及
    所述控制单元利用校正过的所述目标关节角值，经由所述驱动单元，控制所述底座绕所述旋转轴的旋转角度。
  30. 根据权利要求29所述的旋转角度控制方法，其中，
    所述控制单元将所输入的所述角度控制指令表示的角度作为所述目标关节角值。
  31. 根据权利要求30所述的旋转角度控制方法，其中，
    在所述云台的体坐标系的Z轴为竖直的情况下，所述控制单元将所述角度控制指令表示的角度作为所述目标关节角值。
  32. 根据权利要求30所述的旋转角度控制方法，其中，
    在所获得的所述目标关节角值超过所述预留余量的给定关节角区间范围的情况下，所述控制单元对所获得的所述目标关节角值进行校正，使得所述目标关节角值为所述预留余量的给定关节角区间范围的上限值或下限值。
  33. 根据权利要求29所述的旋转角度控制方法，其中，
    所述控制单元：
    根据所述云台的当前基座姿态和所述角度控制指令表示的角度值，计算所述云台的目标外框架姿态；
    根据所述云台的当前基座姿态和计算出的所述目标外框架姿态，计算所述关节角的临时目标关节角值；
    根据所述关节角的初始关节角值、所述角度控制指令表示的方向和计算出的所述临时目标关节角值，计算所述目标关节角值。
  34. 根据权利要求33所述的旋转角度控制方法，其中，
    通过角度传感器测量得到所述初始关节角值，
    根据加速度计和陀螺仪融合，并且利用相应角度传感器，得到所述基座姿态。
  35. 根据权利要求33所述的旋转角度控制方法，其中，
    在云台上置、并且所述角度控制指令的方向为正的情况下，若所述临时目标关节角值大于所述初始关节角值，则所述控制单元使所述临时目标 关节角值重复减去360度，直到所述临时目标关节角值小于等于所述初始关节角值，
    所述控制单元将小于等于所述初始关节角值的所述临时目标关节角值作为所述目标关节角值。
  36. 根据权利要求33所述的旋转角度控制方法，其中，
    在云台上置、并且所述角度控制指令的方向为负的情况下，若所述临时目标关节角值小于所述初始关节角值，则所述控制单元使所述临时目标关节角值重复加上360度，直到所述临时目标关节角值大于等于所述初始关节角值，
    所述控制单元将大于等于所述初始关节角值的所述临时目标关节角值作为所述目标关节角值。
  37. 根据权利要求33所述的旋转角度控制方法，其中，
    在云台下置、并且所述角度控制指令的方向为正的情况下，若所述临时目标关节角值小于所述初始关节角值，则所述控制单元使所述临时目标关节角值重复加上360度，直到所述临时目标关节角值大于等于所述初始关节角值，
    所述控制单元将大于等于所述初始关节角值的所述临时目标关节角值作为所述目标关节角值。
  38. 根据权利要求33所述的旋转角度控制方法，其中，
    在云台下置、并且所述角度控制指令的方向为负的情况下，若所述临时目标关节角值大于所述初始关节角值，则所述控制单元使所述临时目标关节角值重复减去360度，直到所述临时目标关节角值小于等于所述初始关节角值，
    所述控制单元将小于等于所述初始关节角值的所述临时目标关节角值作为所述目标关节角值。
  39. 根据权利要求29至38中任一项所述的旋转角度控制方法，其中，
    在所述角度控制指令的方向为正的情况下，所述底座从当前姿态顺时针运动到目标姿态，或者
    在所述角度控制指令的方向为负的情况下，所述底座从当前姿态逆时针运动到目标姿态。
  40. 根据权利要求29至38中任一项所述的旋转角度控制方法，其中，
    所述角度控制指令表示在当前姿态的基础上绕世界的X轴、Y轴或Z轴中的至少一个轴继续旋转的角度值以及方向。
  41. 根据权利要求29至38中任一项所述的旋转角度控制方法，其中，
    所述输入单元从用户或其他模块获得角度控制指令。
  42. 根据权利要求29至38中任一项所述的旋转角度控制方法，其中，
    所述余量为0至10度，或者
    所述余量为5至10度。
  43. 一种计算机可读的记录介质，存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使该处理器执行权利要求1至14中任一项或权利要求29至42中任一项所述的旋转角度控制方法。
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