專利名稱：一種框架式三自由度云臺控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及監測設備研究領域，特別涉及一種框架式三自由度云臺控制系統及其控制方法。
背景技術：
目前，視頻監控系統應用場合越來越多，尤其是在航空航拍、環境監測、公安、消防、救援以及民用方面等領域得到了廣泛應用。為了使攝像頭能夠實時的根據需要進行多角度的調整，多自由度云臺應運而生。多自由度云臺是將帶有CXD攝像機或紅外探測儀等設備安裝于云臺上，將云臺安裝于載機上，其中云臺上還設置有傳感 器，云臺控制系統根據傳感器信號對攝像機或紅外探測儀的方位和俯仰位置進行控制。但是目前的多自由度云臺精度不高，對于一些精度要求較高的領域，例如軍事監測等領域尚無法實現精確測量。目前，國內外也進行了大量研究，有的精度不高，有的實現采用的機械結構和控制系統較為復雜，體積大且笨重，不利于推廣應用。因此，需要提供一種結構簡單、實現方便、且成本低、精度高的多自由度云臺控制系統和方法。
發明內容
本發明的主要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種框架式三自由度云臺控制系統，該系統具有結構簡單、精度高的優點。本發明還提供了一種基于上述框架式三自由度云臺控制系統的控制方法，該方法具有控制精度高、實現方便的優點。本發明的目的通過以下的技術方案實現一種框架式三自由度云臺控制系統，包括第一支座安裝板、第二支座安裝板、外框架驅動電機、齒輪減速機構、內框架稀土永磁直流力矩電機、中框架稀土永磁直流力矩電機、傳感器模塊、內框架、中框架、外框架和電機控制模塊，所述第一支座安裝板與外部固定連接，齒輪減速機構設置在第一支座安裝板和第二支座安裝板上，外框架設置在第二支座安裝板上，外框架驅動電機通過驅動齒輪減速機構進而驅動外框架進行方位角調節；中框架與外框架連接，中框架稀土永磁直流力矩電機用于驅動中框架進行俯仰角調節；內框架與中框架連接，內框架稀土永磁直流力矩電機用于驅動內框架進行方位角調節；傳感器模塊包括3組傳感器，分別用于檢測內框架、中框架、夕卜框架的位置和轉動速率，傳感器模塊與電機控制模塊相連，外框架驅動電機、內框架稀土永磁直流力矩電機、中框架稀土永磁直流力矩電機均分別與電機控制模塊相連，電機控制模塊用于接收各個傳感器信號并根據信號向電機發出控制信號；內框架內固定設置一個安裝板，檢測裝置固定安裝在安裝板上。優選的，所述外框架驅動電機為直流電機。優選的，所述齒輪減速機構包括第一減速齒輪和第二減速齒輪，第一減速齒輪和第二減速齒輪的傳動比為65 1-75 I。優選的，所述第二支座安裝板和外框架通過螺栓連接；外框架驅動電機設置在第二支座安裝板上。安裝方便，且結構較小。
優選的，所述用于檢測外框架位置和轉動速率的位置傳感器和速率傳感器均固定設置在外框架中軸線與第一支座安裝板的交點處。優選的，所述用于檢測中框架位置的位置傳感器固定在外框架與中框架連接處的外框架外側，用于檢測中框架轉動速率的速率傳感芯片固定設置在位置傳感器的表面，中框架稀土永磁直流力矩電機設置在外框架的另一側，其中位置傳感器與中框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。優選的，所述用于檢測內框架位置的位置傳感器固定在中框架與內框架連接處中框架外側，用于檢測內框架轉動速率的速率傳感芯片固定設置在位置傳感器的表面，內框 架稀土永磁直流力矩電機設置在中框架的另一側，其中位置傳感器與內框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。優選的，所述內框架、中框架和外框架均采用航空用碳纖維。航空用碳纖維的比重不到鋼的1/4，材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7 9倍，抗拉彈性模量為230 430Gpa亦高于鋼。一種基于上述框架式三自由度云臺控制系統的控制方法，包括以下步驟(I)對方位和俯仰角度的調節首先將待跟蹤拍攝的目標相對慣性空間坐標系的三維坐標與檢測裝置當前相對于慣性坐標系的三維坐標進行比對，根據坐標差值再結合機構運動學分析，利用矩陣坐標變換得出檢測裝置轉向目標位置所需的方位角和俯仰角度；然后將上述方位角與俯仰角度信息經功率放大器放大后發送到外框架驅動電機和中框架稀土永磁直流力矩電機進行調節，外框架驅動電機根據方位角信息對方位進行調節，中框架稀土永磁直流力矩電機對俯仰角度進行調節；上述調節完成后，再次將待跟蹤拍攝目標的方位角度信息與當前的角度信息進行比較得出新的方位角差值，如果此方位角差值不為0，則將此方位角差值經功率放大器放大后發送到內框架稀土永磁直流力矩電機，內框架稀土永磁直流力矩電機對方位進行進一步調節；在上述調節過程中，各電機一旦完成目標的位置信息差值調節，則此電機停止運動，待所有電機均停止動作，則調節完成；(2)對速度的調節根據目標運動情況、拍攝圖像的質量要求、目標與當前檢測裝置三維位置信息，得出拍攝的最優時間和所需轉過的方位角度和俯仰角度，進而得到最優運行速度，速度大小的調節采用PWM的占空比可調的調節方式。優選的，用于檢測外框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當前外框架的位置信息，一旦當前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則外框架驅動電機停止運動，實現方位角度的閉環調節；用于檢測中框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當前中框架的位置信息，一旦當前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則中框架稀土永磁直流力矩電機停止運動，實現俯仰角度的閉環調節；用于檢測內框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當前內框架的位置信息，一旦當前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則內框架稀土永磁直流力矩電機停止運動，實現方位角度的閉環調節。采用閉環調節，使控制精度更高。優選的，所述速度調節采用閉環調節方式，即將計算出的最優運行速度作為速度閉環系統的輸入速度，在運動過程中對各個框架運行速度進行實時檢測作為系統反饋，將二者之間的速度差值經過PWM功率放大后去調節對應電機的運行速度。更進一步的，所述方位和俯仰角度的調節、速度的調節采用位置、速度雙閉環串級調節，其中位置調節器的輸出作為速度調節的輸入。本發明與 現有技術相比，具有如下優點和有益效果I、本發明結構簡單，零件數量少，加工制造容易，重量輕，機械強度高，不存在動力學耦合，能夠抗擊風阻和載體姿態變化所產生的擾動，通過控制方位角和俯仰角度，保持視軸穩定。框架起到載機和攝像儀或光學傳感器的結構上的連接作用和隔離擾動的作用。適用于航空航天，航拍或監測等領域，可用于高空探測和災情監測等。2、本發明中各框架均采用直流電機直接驅動，減少了中間傳動環節，提高了系統的效率，同時提高了機械結構的剛度，有利于抗擊擾動和振動。3、本發明中采用稀土永磁直流力矩電機直接驅動，傳動效率高，轉動慣量小，機電時間常數小，快速啟動性能好。能夠長時間工作在堵轉，實現無級調速且調速范圍寬，能夠實現方位和俯仰的精確快速控制。
圖I是本發明裝置的結構示意圖；圖2是本發明裝置中齒輪傳動機構處的結構示意圖；圖3是本發明方法的控制流程圖；圖4是本發明方法中位置閉環調節原理圖；圖5是本發明方法中速度最優解算原理示意圖；圖6是本發明方法中速度閉環調節原理圖；圖7是本發明方法中位置、速度雙閉環調節原理圖；圖8是本發明裝置中稀土永磁直流力矩電機H橋驅動原理圖。圖1-2中101-第一支座安裝板、102-第二支座安裝板、201-第一組傳感器模塊、202-第二組傳感器模塊、203-第三組傳感器模塊、301-外框架驅動電機、302-中框架稀土永磁直流力矩電機、303-內框架稀土永磁直流力矩電機、401-齒輪減速機構、4011-第一減速齒輪、4012-第二減速齒輪、501-外框架、502-中框架、503-內框架。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。實施例I如圖I所示，一種框架式三自由度云臺控制系統，包括第一支座安裝板101、第二支座安裝板102、外框架驅動電機301、齒輪減速機構401、內框架稀土永磁直流力矩電機303、中框架稀土永磁直流力矩電機302、傳感器模塊、內框架503、中框架502、外框架501和電機控制模塊，所述第一支座安裝板101與外部固定連接，齒輪減速機構401設置在第一支座安裝板101和第二支座安裝板102上，外框架501設置在第二支座安裝板102上，外框架驅動電機301通過驅動齒輪減速機構401進而驅動外框架501進行方位角調節；中框架502與外框架501連接，中框架稀土永磁直流力矩電機302用于驅動中框架502進行俯仰角調節；內框架503與中框架502連接，內框架稀土永磁直流力矩電機303用于驅動內框架503進行方位角調節。傳感器模塊包括3組傳感器，第一組傳感器模塊201用于檢測外框架的位置和轉動速率，第二組傳感器模塊202用于檢測中框架的位置和轉動速率，第三組傳感器模塊203用于檢測內框架的位置和轉動速率，傳感器模塊與電機控制模塊相連，外框架驅動電機301、內框架稀土永磁直流力矩電機303、中框架稀土永磁直流力矩電機302均分別與電機控制模塊相連，電機控制模塊用于接收各個傳感器信號并根據信號向電機發出控制信號；內框架503內固定設置一個安裝板，檢測裝置固定安裝在安裝板上。檢測裝置可以為攝像機或光學傳感器等。
本實施例中，所述外框架驅動電機301為直流電機。所述電機控制模塊采用AVRmegal6L芯片，用于檢測位置的位置傳感器采用SAKAE電位器，用于檢測轉動速率的速率傳感器采用ENC-03M型角速度傳感器，采用功率驅動芯片L298N驅動電機。如圖2所示，所述齒輪減速機構401包括第一減速齒輪4011和第二減速齒輪4012，第一減速齒輪4011和第二減速齒輪4012的傳動比為65 I。根據實際要求，此傳動比可在65 1-75 I之間進行選擇。如圖I所示，本實施例中，所述第二支座安裝板102和外框架501通過螺栓連接；外框架驅動電機301設置在第二支座安裝板102上。安裝方便，且結構較小。如圖I所示，所述用于檢測外框架位置和轉動速率的第一組傳感器模塊201均固定設置在外框架501中軸線與第一支座安裝板101的交點處。所述第二組傳感器模塊202中用于檢測中框架502位置的位置傳感器固定在外框架501與中框架502連接處的外框架外側，第二組傳感器模塊202中用于檢測中框架轉動速率的速率傳感芯片固定設置在位置傳感器的表面，中框架稀土永磁直流力矩電機302設置在外框架的另一側，其中位置傳感器與中框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。所述第三組傳感器模塊203中用于檢測內框架位置的位置傳感器固定在中框架502與內框架503連接處中框架外側，第三組傳感器模塊203中用于檢測內框架轉動速率的速率傳感芯片固定設置在位置傳感器的表面，內框架稀土永磁直流力矩電機303設置在中框架502的另一側，其中位置傳感器與內框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。本實施例中，所述內框架503、中框架502和外框架501均采用航空用碳纖維。航空用碳纖維的比重不到鋼的1/4，材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7 9倍，抗拉彈性模量為230 430Gpa亦高于鋼。如圖3所示，一種基于上述框架式三自由度云臺控制系統的控制方法，包括以下步驟(I)對方位和俯仰角度的調節首先將待跟蹤拍攝的目標相對慣性空間坐標系的三維坐標與檢測裝置當前相對于慣性坐標系的三維坐標進行比對，根據坐標差值再結合機構運動學分析，利用矩陣坐標變換得出檢測裝置轉向目標位置所需的方位角和俯仰角度；然后將上述方位角與俯仰角度信息經功率放大器放大后發送到外框架驅動電機和中框架稀土永磁直流力矩電機進行調節，外框架驅動電機根據方位角信息對方位進行調節，中框架稀土永磁直流力矩電機對俯仰角度進行調節；上述調節完成后，再次將待跟蹤拍攝目標的方位角度信息與當前的角度信息進行比較得出新的方位角差值，如果此方位角差值不為O，則將此方位角差值經功率放大器放大后發送到內框架稀土永磁直流力矩電機，內框架稀土永磁直流力矩電機對方位進行進一步調節；在上述調節過程中，各電機一旦完成目標的位置信息差值調節，則此電機停止運動，待所有電機均停止動作，則調節完成；(2)對速度的調節根據目標運動情況、拍攝圖像的質量要求、目標與當前檢測裝置三維位置信息，得出拍攝的最優時間和所需轉過的方位角度和俯仰角度，進而得到最優運行速度，速度大小的調節采用PWM的占空比可調的調節方式。本實施例中，位置調節是采用如圖4所示的閉環調節方式，具體是，用于檢測外框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當前外框 架的位置信息，一旦當前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則外框架驅動電機停止運動，實現方位角度的閉環調節；用于檢測中框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當前中框架的位置信息，一旦當前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則中框架稀土永磁直流力矩電機停止運動，實現俯仰角度的閉環調節；用于檢測內框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當前內框架的位置信息，一旦當前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則內框架稀土永磁直流力矩電機停止運動，實現方位角度的閉環調節。采用閉環調節，使控制精度更高。同時，本實施例中所述速度調節也采用閉環調節方式，具體是首先如圖5所示，根據跟蹤拍攝目標運動的規律(可能是無規律的運動，可以根據統計學原理，得出其運動規律)、拍攝圖像質量的要求來計算出跟蹤拍攝的最優時間；同時根據跟蹤目標的三維坐標信息、當前拍攝裝置的三維坐標信息(也可用最后一次完成跟蹤的拍攝裝置的三維坐標信息來替代)，再運用機構運動學知識及坐標變換原理得到需要調整的方位角度和俯仰角度；最后根據上述得到的信息計算出最優運行速度；然后采用如圖6所示的速度閉環調節方式，即將計算出的最優運行速度Vi作為速度閉環系統的輸入速度，在運動過程中對各個框架運行速度Vtl進行實時檢測作為系統反饋，將二者之間的速度差值經過PWM功率放大后去調節對應電機的運行速度。整個速度調節過程可以看作系統的調速優化，是一個及時性跟蹤拍攝系統。本實施例中，方位和俯仰角度的調節、速度的調節采用如圖7所示的位置、速度雙閉環串級調節，其中位置調節器的輸出作為速度調節的輸入。通過實時檢測各個電機和框架的運行速度和位置，然后將位置反饋給位置調節控制器，將速度反饋到速度調節控制器，根據反饋信號共同實現調節。如圖8所示，內框架稀土永磁直流力矩電機、中框架稀土永磁直流力矩電機中的H橋驅動原理通過對四個功率開關(V1、V2、V3、V4)的導通和關斷來控制電機的速度和方向的，通過一組開關(V1、V4)與另一組開關(V2、V3)可以改變流過直流電機兩端的電源極性，從而控制電機的轉向。當開關(V1、V4)導通，另一組開關(V2、V3)斷開時，電源電流從電機A端流向B端，假設電機正轉；當開關(V2、V3)導通，另一組開關(V1、V4)斷開時，電源電流從電機B端流向A端，則電機反轉。四個功率開關(V1、V2、V3、V4)的控制采用PWM信號來控制，將方波信號加在電機電樞的兩端，通過固定周期調節PWM信號的占空比來改變電機電樞上的平均電壓，控制電機的轉速或方向。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制， 其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種框架式三自由度云臺控制系統，其特征在于，包括第一支座安裝板、第二支座安裝板、外框架驅動電機、齒輪減速機構、內框架稀土永磁直流力矩電機、中框架稀土永磁直流力矩電機、傳感器模塊、內框架、中框架、夕卜框架和電機控制模塊，所述第一支座安裝板與外部固定連接，齒輪減速機構設置在第一支座安裝板和第二支座安裝板上，外框架設置在第二支座安裝板上，外框架驅動電機通過驅動齒輪減速機構進而驅動外框架進行方位角調節；中框架與外框架連接，中框架稀土永磁直流力矩電機用于驅動中框架進行俯仰角調節；內框架與中框架連接，內框架稀土永磁直流力矩電機用于驅動內框架進行方位角調節；傳感器模塊包括3組傳感器，分別用于檢測內框架、中框架、外框架的位置和轉動速率，傳感器模塊與電機控制模塊相連，外框架驅動電機、內框架稀土永磁直流力矩電機、中框架稀土永磁直流力矩電機均分別與電機控制模塊相連，電機控制模塊用于接收各個傳感器信號并根據信號向電機發出控制信號；內框架內固定設置一個安裝板，檢測裝置固定安裝在安裝板上。
2.根據權利要求I所述的框架式三自由度云臺控制系統，其特征在于，所述外框架驅動電機為直流電機；所述齒輪減速機構包括第一減速齒輪和第二減速齒輪，第一減速齒輪和第二減速齒輪的傳動比為65 1-75 : I。..
3.根據權利要求I所述的框架式三自由度云臺控制系統，其特征在于，所述第二支座安裝板和外框架通過螺栓連接；外框架驅動電機設置在第二支座安裝板上； 所述用于檢測外框架位置和轉動速率的位置傳感器和速率傳感器均固定設置在外框架中軸線與第一支座安裝板的交點處。
4.根據權利要求I所述的框架式三自由度云臺控制系統，其特征在于，所述用于檢測中框架位置的位置傳感器固定在外框架與中框架連接處的外框架外側，用于檢測中框架轉動速率的速率傳感芯片固定設置在位置傳感器的表面，中框架稀土永磁直流力矩電機設置在外框架的另一側，其中位置傳感器與中框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。
5.根據權利要求I所述的框架式三自由度云臺控制系統，其特征在于，所述用于檢測內框架位置的位置傳感器固定在中框架與內框架連接處中框架外側，用于檢測內框架轉動速率的速率傳感芯片固定設置在位置傳感器的表面，內框架稀土永磁直流力矩電機設置在中框架的另一側，其中位置傳感器與內框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。
6.根據權利要求I所述的框架式三自由度云臺控制系統，其特征在于，所述內框架、中框架和外框架均采用航空用碳纖維。
7.一種基于權利要求I所述框架式三自由度云臺控制系統的控制方法，，其特征在于，包括以下步驟 (I)對方位和俯仰角度的調節首先將待跟蹤拍攝的目標相對慣性空間坐標系的三維坐標與檢測裝置當前相對于慣性坐標系的三維坐標進行比對，根據坐標差值再結合機構運動學分析，利用矩陣坐標變換得出檢測裝置轉向目標位置所需的方位角和俯仰角度； 然后將上述方位角與俯仰角度信息經功率放大器放大后發送到外框架驅動電機和中框架稀土永磁直流力矩電機進行調節，外框架驅動電機根據方位角信息對方位進行調節，中框架稀土永磁直流力矩電機對俯仰角度進行調節； 上述調節完成后，再次將待跟蹤拍攝目標的方位角度信息與當前的角度信息進行比較得出新的方位角差值，如果此方位角差值不為O，則將此方位角差值經功率放大器放大后發送到內框架稀土永磁直流力矩電機，內框架稀土永磁直流力矩電機對方位進行進一步調節; 在上述調節過程中，各電機一旦完成目標的位置信息差值調節，則此電機停止運動，待所有電機均停止動作，則調節完成； (2)對速度的調節根據目標運動情況、拍攝圖像的質量要求、目標與當前檢測裝置三維位置信息，得出拍攝的最優時間和所需轉過的方位角度和俯仰角度，進而得到最優運行速度，速度大小的調節采用PWM的占空比可調的調節方式。
8.根據權利要求7所述的框架式三自由度云臺控制方法，其特征在于，用于檢測外框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當前外框架的位置信息，一旦當前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則外框架驅動電機停止運動，實現方位角度的閉環調節； 用于檢測中框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當前中框架的位置信息，一旦當前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則中框架稀土永磁直流力矩電機停止運動，實現俯仰角度的閉環調節； 用于檢測內框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當前內框架的位置信息，一旦當前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則內框架稀土永磁直流力矩電機停止運動，實現方位角度的閉環調節。
9.根據權利要求7所述的框架式三自由度云臺控制方法，其特征在于，所述速度調節采用閉環調節方式，即將計算出的最優運行速度作為速度閉環系統的輸入速度，在運動過程中對各個框架運行速度進行實時檢測作為系統反饋，將二者之間的速度差值經過PWM功率放大后去調節對應電機的運行速度。
10.根據權利要求8或9所述的框架式三自由度云臺控制方法，其特征在于，所述方位和俯仰角度的調節、速度的調節采用位置、速度雙閉環串級調節，其中位置調節器的輸出作為速度調節的輸入。
全文摘要
本發明公開了一種框架式三自由度云臺控制系統及其控制方法，該系統包括外、中、內三個框架、控制各個框架動作的電機、齒輪減速機構、用于位置和速度檢測的傳感器模塊。其特殊之處是云臺的方位微調和俯仰控制都是采用的稀土永磁直流力矩電機直接驅動。外框架采用普通直流電機和一對減速齒輪機構實現方位粗調，由稀土永磁直流力矩電機直接驅動的中框架結構實現拍攝裝置的俯仰運動控制，由稀土永磁直流力矩電機直接驅動的內框架結構實現拍攝裝置的方位微調。本發明還提供了一種基于上述系統的控制方法。本發明機械強度大，抗振動特性好，穩像性能好，結構簡單、重量輕，適用于航空拍攝以及多種航天應用。
文檔編號H04N5/232GK102621995SQ20121010189
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月9日 優先權日2012年4月9日
發明者尹選春, 張征, 張鐵民 申請人:華南農業大學