一种三轴云台控制装置及其控制方法与流程

本发明涉及云台控制技术领域，尤其是一种三轴云台控制装置及其控制方法。

背景技术：

云台是一种用于挂载摄像机等光学器件的设备，可以实现相机的视角的稳定不变。无论云台的载体处于何种姿态，和产生振动，云台都会使得相机保持期望角度。多年以来简单易用的PID控制器广泛用于云台的角度反馈控制，随着对云台的控制精度，鲁棒性的要求越来越高，传统PID控制器的缺点逐渐显现。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种三轴云台控制装置及其控制方法，能够解决现有技术的不足，云台鲁棒性得到明显提高，云台载体的机械振动对相机的干扰大幅降低。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种三轴云台控制装置，包括第一连接臂和第二连接臂，第一连接臂和第二连接臂之间通过第一旋转电机连接，第一连接臂顶部通过第二旋转电机连接有支架，支架包括两个上下平行设置的夹板，两个夹板之间设置有若干个减震球，第二连接臂的外侧端通过第三旋转电机连接有相机；第一旋转电机、第二连接臂和第三旋转电机与控制器通讯连接，控制器包括跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性误差反馈控制器。

作为优选，所述夹板上对称设置有四个安装部，每个安装部内安装有两个减震球；夹板的厚度为2mm。

作为优选，两个夹板之间通过球形支撑体连接，球形支撑体的底部固定在第二旋转电机上。

作为优选，所述第一连接臂的外侧固定有安装板。

作为优选，所述相机通过减震架与第三旋转电机相连；减震架包括底板和顶板，底板上设置有橡胶垫，相机安装在橡胶垫，顶板与相机之间设置有第一弹簧体，第一弹簧体内设置有液压减振器，液压减振器与第一弹簧体之间设置有第二弹簧体。

作为优选，相机的重量为100～400g。

一种上述的三轴云台控制装置的控制方法，包括以下步骤：使用三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁场传感器对相机的运动状态进行实时进行测量，解算出三个姿态角，使用ADRC自抗扰控制器对云台姿态角进行闭环控制；在获得误差的过程中，将给定信号进行预处理；跟踪微分器利用非线性跟踪方式进行微分提取；利用非线性误差反馈控制器进行非线性加权，得到输出量；利用扩张状态观测器对系统的外扰和内扰进行分析。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明对于角度的控制既不会出现过冲现象也不会出现响应速度慢的现象。用户不用需要在云台硬件参数改变的时候从新调节控制器参数，相比起之前的PID算法更加简单高效。本发明用于无人机航拍，车载运动相机拍摄，画面稳定流畅，效果非常出色。也可以作为手持三轴云台，方便的使用自己的手机或者其他相机拍出画面稳定流畅的视频和照片。

附图说明

图1是本发明一个具体实施方式的主视图。

图2是本发明一个具体实施方式的左视图。

图3是本发明一个具体实施方式的俯视。

图4是本发明一个具体实施方式中控制部分的原理图。

图5是本发明一个具体实施中减震架的结构图。

具体实施方式

本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。

参照图1-5，本发明的一个具体实施方式包括第一连接臂1和第二连接臂2，第一连接臂1和第二连接臂2之间通过第一旋转电机3连接，第一连接臂1顶部通过第二旋转电机4连接有支架5，支架5包括两个上下平行设置的夹板6，两个夹板6之间设置有若干个减震球7，第二连接臂2的外侧端通过第三旋转电机8连接有相机9；第一旋转电机3、第二连接臂2和第三旋转电机8与控制器10通讯连接，控制器10包括跟踪微分器11、扩张状态观测器12和非线性误差反馈控制器13。夹板6上对称设置有四个安装部14，每个安装部14内安装有两个减震球7；夹板6的厚度为2mm。两个夹板6之间通过球形支撑体15连接，球形支撑体15的底部固定在第二旋转电机4上。第一连接臂1的外侧固定有安装板16。相机9通过减震架17与第三旋转电机8相连；减震架17包括底板18和顶板20，底板18上设置有橡胶垫19，相机9安装在橡胶垫19，顶板20与相机9之间设置有第一弹簧体21，第一弹簧体21内设置有液压减振器22，液压减振器22与第一弹簧体21之间设置有第二弹簧体23。相机的重量为100～400g。

一种上述的三轴云台控制装置的控制方法，包括以下步骤：使用三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁场传感器对相机的运动状态进行实时进行测量，解算出三个姿态角，使用ADRC自抗扰控制器对云台姿态角进行闭环控制；在获得误差的过程中，将给定信号进行预处理；跟踪微分器11利用非线性跟踪方式进行微分提取；利用非线性误差反馈控制器13进行非线性加权，得到输出量；利用扩张状态观测器12对系统的外扰和内扰进行分析。

在橡胶垫19内设置有气囊24。

使用云台电池电压和油门值对气囊24的压力和ADRC自抗扰控制器的反馈增益进行修正：

其中，P为气囊24的压力原始值，P′为气囊24的压力修正值，V为电池电压，O为油门值，k₁为比例系数。

其中，F为ADRC自抗扰控制器的原始反馈增益，F′为ADRC自抗扰控制器修正后的反馈增益，V为电池电压，O为油门值，k₂为比例系数，R为电池电压和油门值变化的相关度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。