专利名称：一种框架式三自由度云台控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及监测设备研究领域，特别涉及一种框架式三自由度云台控制系统及其控制方法。
背景技术：
目前，视频监控系统应用场合越来越多，尤其是在航空航拍、环境监测、公安、消防、救援以及民用方面等领域得到了广泛应用。为了使摄像头能够实时的根据需要进行多角度的调整，多自由度云台应运而生。多自由度云台是将带有CXD摄像机或红外探测仪等设备安装于云台上，将云台安装于载机上，其中云台上还设置有传感 器，云台控制系统根据传感器信号对摄像机或红外探测仪的方位和俯仰位置进行控制。但是目前的多自由度云台精度不高，对于一些精度要求较高的领域，例如军事监测等领域尚无法实现精确测量。目前，国内外也进行了大量研究，有的精度不高，有的实现采用的机械结构和控制系统较为复杂，体积大且笨重，不利于推广应用。因此，需要提供一种结构简单、实现方便、且成本低、精度高的多自由度云台控制系统和方法。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种框架式三自由度云台控制系统，该系统具有结构简单、精度高的优点。本发明还提供了一种基于上述框架式三自由度云台控制系统的控制方法，该方法具有控制精度高、实现方便的优点。本发明的目的通过以下的技术方案实现一种框架式三自由度云台控制系统，包括第一支座安装板、第二支座安装板、外框架驱动电机、齿轮减速机构、内框架稀土永磁直流力矩电机、中框架稀土永磁直流力矩电机、传感器模块、内框架、中框架、外框架和电机控制模块，所述第一支座安装板与外部固定连接，齿轮减速机构设置在第一支座安装板和第二支座安装板上，外框架设置在第二支座安装板上，外框架驱动电机通过驱动齿轮减速机构进而驱动外框架进行方位角调节；中框架与外框架连接，中框架稀土永磁直流力矩电机用于驱动中框架进行俯仰角调节；内框架与中框架连接，内框架稀土永磁直流力矩电机用于驱动内框架进行方位角调节；传感器模块包括3组传感器，分别用于检测内框架、中框架、夕卜框架的位置和转动速率，传感器模块与电机控制模块相连，外框架驱动电机、内框架稀土永磁直流力矩电机、中框架稀土永磁直流力矩电机均分别与电机控制模块相连，电机控制模块用于接收各个传感器信号并根据信号向电机发出控制信号；内框架内固定设置一个安装板，检测装置固定安装在安装板上。优选的，所述外框架驱动电机为直流电机。优选的，所述齿轮减速机构包括第一减速齿轮和第二减速齿轮，第一减速齿轮和第二减速齿轮的传动比为65 1-75 I。优选的，所述第二支座安装板和外框架通过螺栓连接；外框架驱动电机设置在第二支座安装板上。安装方便，且结构较小。
优选的，所述用于检测外框架位置和转动速率的位置传感器和速率传感器均固定设置在外框架中轴线与第一支座安装板的交点处。优选的，所述用于检测中框架位置的位置传感器固定在外框架与中框架连接处的外框架外侧，用于检测中框架转动速率的速率传感芯片固定设置在位置传感器的表面，中框架稀土永磁直流力矩电机设置在外框架的另一侧，其中位置传感器与中框架稀土永磁直流力矩电机同轴安装。优选的，所述用于检测内框架位置的位置传感器固定在中框架与内框架连接处中框架外侧，用于检测内框架转动速率的速率传感芯片固定设置在位置传感器的表面，内框 架稀土永磁直流力矩电机设置在中框架的另一侧，其中位置传感器与内框架稀土永磁直流力矩电机同轴安装。优选的，所述内框架、中框架和外框架均采用航空用碳纤维。航空用碳纤维的比重不到钢的1/4，材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7 9倍，抗拉弹性模量为230 430Gpa亦高于钢。一种基于上述框架式三自由度云台控制系统的控制方法，包括以下步骤(I)对方位和俯仰角度的调节首先将待跟踪拍摄的目标相对惯性空间坐标系的三维坐标与检测装置当前相对于惯性坐标系的三维坐标进行比对，根据坐标差值再结合机构运动学分析，利用矩阵坐标变换得出检测装置转向目标位置所需的方位角和俯仰角度；然后将上述方位角与俯仰角度信息经功率放大器放大后发送到外框架驱动电机和中框架稀土永磁直流力矩电机进行调节，外框架驱动电机根据方位角信息对方位进行调节，中框架稀土永磁直流力矩电机对俯仰角度进行调节；上述调节完成后，再次将待跟踪拍摄目标的方位角度信息与当前的角度信息进行比较得出新的方位角差值，如果此方位角差值不为0，则将此方位角差值经功率放大器放大后发送到内框架稀土永磁直流力矩电机，内框架稀土永磁直流力矩电机对方位进行进一步调节；在上述调节过程中，各电机一旦完成目标的位置信息差值调节，则此电机停止运动，待所有电机均停止动作，则调节完成；(2)对速度的调节根据目标运动情况、拍摄图像的质量要求、目标与当前检测装置三维位置信息，得出拍摄的最优时间和所需转过的方位角度和俯仰角度，进而得到最优运行速度，速度大小的调节采用PWM的占空比可调的调节方式。优选的，用于检测外框架位置的传感器模块实时地传递当前外框架的位置信息，一旦当前的位置信息与待跟踪拍摄的三维位置信息差值为零，则外框架驱动电机停止运动，实现方位角度的闭环调节；用于检测中框架位置的传感器模块实时地传递当前中框架的位置信息，一旦当前的位置信息与待跟踪拍摄的三维位置信息差值为零，则中框架稀土永磁直流力矩电机停止运动，实现俯仰角度的闭环调节；用于检测内框架位置的传感器模块实时地传递当前内框架的位置信息，一旦当前的位置信息与待跟踪拍摄的三维位置信息差值为零，则内框架稀土永磁直流力矩电机停止运动，实现方位角度的闭环调节。采用闭环调节，使控制精度更高。优选的，所述速度调节采用闭环调节方式，即将计算出的最优运行速度作为速度闭环系统的输入速度，在运动过程中对各个框架运行速度进行实时检测作为系统反馈，将二者之间的速度差值经过PWM功率放大后去调节对应电机的运行速度。更进一步的，所述方位和俯仰角度的调节、速度的调节采用位置、速度双闭环串级调节，其中位置调节器的输出作为速度调节的输入。本发明与 现有技术相比，具有如下优点和有益效果I、本发明结构简单，零件数量少，加工制造容易，重量轻，机械强度高，不存在动力学耦合，能够抗击风阻和载体姿态变化所产生的扰动，通过控制方位角和俯仰角度，保持视轴稳定。框架起到载机和摄像仪或光学传感器的结构上的连接作用和隔离扰动的作用。适用于航空航天，航拍或监测等领域，可用于高空探测和灾情监测等。2、本发明中各框架均采用直流电机直接驱动，减少了中间传动环节，提高了系统的效率，同时提高了机械结构的刚度，有利于抗击扰动和振动。3、本发明中采用稀土永磁直流力矩电机直接驱动，传动效率高，转动惯量小，机电时间常数小，快速启动性能好。能够长时间工作在堵转，实现无级调速且调速范围宽，能够实现方位和俯仰的精确快速控制。
图I是本发明装置的结构示意图；图2是本发明装置中齿轮传动机构处的结构示意图；图3是本发明方法的控制流程图；图4是本发明方法中位置闭环调节原理图；图5是本发明方法中速度最优解算原理示意图；图6是本发明方法中速度闭环调节原理图；图7是本发明方法中位置、速度双闭环调节原理图；图8是本发明装置中稀土永磁直流力矩电机H桥驱动原理图。图1-2中101-第一支座安装板、102-第二支座安装板、201-第一组传感器模块、202-第二组传感器模块、203-第三组传感器模块、301-外框架驱动电机、302-中框架稀土永磁直流力矩电机、303-内框架稀土永磁直流力矩电机、401-齿轮减速机构、4011-第一减速齿轮、4012-第二减速齿轮、501-外框架、502-中框架、503-内框架。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例I如图I所示，一种框架式三自由度云台控制系统，包括第一支座安装板101、第二支座安装板102、外框架驱动电机301、齿轮减速机构401、内框架稀土永磁直流力矩电机303、中框架稀土永磁直流力矩电机302、传感器模块、内框架503、中框架502、外框架501和电机控制模块，所述第一支座安装板101与外部固定连接，齿轮减速机构401设置在第一支座安装板101和第二支座安装板102上，外框架501设置在第二支座安装板102上，外框架驱动电机301通过驱动齿轮减速机构401进而驱动外框架501进行方位角调节；中框架502与外框架501连接，中框架稀土永磁直流力矩电机302用于驱动中框架502进行俯仰角调节；内框架503与中框架502连接，内框架稀土永磁直流力矩电机303用于驱动内框架503进行方位角调节。传感器模块包括3组传感器，第一组传感器模块201用于检测外框架的位置和转动速率，第二组传感器模块202用于检测中框架的位置和转动速率，第三组传感器模块203用于检测内框架的位置和转动速率，传感器模块与电机控制模块相连，外框架驱动电机301、内框架稀土永磁直流力矩电机303、中框架稀土永磁直流力矩电机302均分别与电机控制模块相连，电机控制模块用于接收各个传感器信号并根据信号向电机发出控制信号；内框架503内固定设置一个安装板，检测装置固定安装在安装板上。检测装置可以为摄像机或光学传感器等。
本实施例中，所述外框架驱动电机301为直流电机。所述电机控制模块采用AVRmegal6L芯片，用于检测位置的位置传感器采用SAKAE电位器，用于检测转动速率的速率传感器采用ENC-03M型角速度传感器，采用功率驱动芯片L298N驱动电机。如图2所示，所述齿轮减速机构401包括第一减速齿轮4011和第二减速齿轮4012，第一减速齿轮4011和第二减速齿轮4012的传动比为65 I。根据实际要求，此传动比可在65 1-75 I之间进行选择。如图I所示，本实施例中，所述第二支座安装板102和外框架501通过螺栓连接；外框架驱动电机301设置在第二支座安装板102上。安装方便，且结构较小。如图I所示，所述用于检测外框架位置和转动速率的第一组传感器模块201均固定设置在外框架501中轴线与第一支座安装板101的交点处。所述第二组传感器模块202中用于检测中框架502位置的位置传感器固定在外框架501与中框架502连接处的外框架外侧，第二组传感器模块202中用于检测中框架转动速率的速率传感芯片固定设置在位置传感器的表面，中框架稀土永磁直流力矩电机302设置在外框架的另一侧，其中位置传感器与中框架稀土永磁直流力矩电机同轴安装。所述第三组传感器模块203中用于检测内框架位置的位置传感器固定在中框架502与内框架503连接处中框架外侧，第三组传感器模块203中用于检测内框架转动速率的速率传感芯片固定设置在位置传感器的表面，内框架稀土永磁直流力矩电机303设置在中框架502的另一侧，其中位置传感器与内框架稀土永磁直流力矩电机同轴安装。本实施例中，所述内框架503、中框架502和外框架501均采用航空用碳纤维。航空用碳纤维的比重不到钢的1/4，材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7 9倍，抗拉弹性模量为230 430Gpa亦高于钢。如图3所示，一种基于上述框架式三自由度云台控制系统的控制方法，包括以下步骤(I)对方位和俯仰角度的调节首先将待跟踪拍摄的目标相对惯性空间坐标系的三维坐标与检测装置当前相对于惯性坐标系的三维坐标进行比对，根据坐标差值再结合机构运动学分析，利用矩阵坐标变换得出检测装置转向目标位置所需的方位角和俯仰角度；然后将上述方位角与俯仰角度信息经功率放大器放大后发送到外框架驱动电机和中框架稀土永磁直流力矩电机进行调节，外框架驱动电机根据方位角信息对方位进行调节，中框架稀土永磁直流力矩电机对俯仰角度进行调节；上述调节完成后，再次将待跟踪拍摄目标的方位角度信息与当前的角度信息进行比较得出新的方位角差值，如果此方位角差值不为O，则将此方位角差值经功率放大器放大后发送到内框架稀土永磁直流力矩电机，内框架稀土永磁直流力矩电机对方位进行进一步调节；在上述调节过程中，各电机一旦完成目标的位置信息差值调节，则此电机停止运动，待所有电机均停止动作，则调节完成；(2)对速度的调节根据目标运动情况、拍摄图像的质量要求、目标与当前检测装置三维位置信息，得出拍摄的最优时间和所需转过的方位角度和俯仰角度，进而得到最优运行速度，速度大小的调节采用PWM的占空比可调的调节方式。本实施例中，位置调节是采用如图4所示的闭环调节方式，具体是，用于检测外框架位置的传感器模块实时地传递当前外框 架的位置信息，一旦当前的位置信息与待跟踪拍摄的三维位置信息差值为零，则外框架驱动电机停止运动，实现方位角度的闭环调节；用于检测中框架位置的传感器模块实时地传递当前中框架的位置信息，一旦当前的位置信息与待跟踪拍摄的三维位置信息差值为零，则中框架稀土永磁直流力矩电机停止运动，实现俯仰角度的闭环调节；用于检测内框架位置的传感器模块实时地传递当前内框架的位置信息，一旦当前的位置信息与待跟踪拍摄的三维位置信息差值为零，则内框架稀土永磁直流力矩电机停止运动，实现方位角度的闭环调节。采用闭环调节，使控制精度更高。同时，本实施例中所述速度调节也采用闭环调节方式，具体是首先如图5所示，根据跟踪拍摄目标运动的规律(可能是无规律的运动，可以根据统计学原理，得出其运动规律)、拍摄图像质量的要求来计算出跟踪拍摄的最优时间；同时根据跟踪目标的三维坐标信息、当前拍摄装置的三维坐标信息(也可用最后一次完成跟踪的拍摄装置的三维坐标信息来替代)，再运用机构运动学知识及坐标变换原理得到需要调整的方位角度和俯仰角度；最后根据上述得到的信息计算出最优运行速度；然后采用如图6所示的速度闭环调节方式，即将计算出的最优运行速度Vi作为速度闭环系统的输入速度，在运动过程中对各个框架运行速度Vtl进行实时检测作为系统反馈，将二者之间的速度差值经过PWM功率放大后去调节对应电机的运行速度。整个速度调节过程可以看作系统的调速优化，是一个及时性跟踪拍摄系统。本实施例中，方位和俯仰角度的调节、速度的调节采用如图7所示的位置、速度双闭环串级调节，其中位置调节器的输出作为速度调节的输入。通过实时检测各个电机和框架的运行速度和位置，然后将位置反馈给位置调节控制器，将速度反馈到速度调节控制器，根据反馈信号共同实现调节。如图8所示，内框架稀土永磁直流力矩电机、中框架稀土永磁直流力矩电机中的H桥驱动原理通过对四个功率开关(V1、V2、V3、V4)的导通和关断来控制电机的速度和方向的，通过一组开关(V1、V4)与另一组开关(V2、V3)可以改变流过直流电机两端的电源极性，从而控制电机的转向。当开关(V1、V4)导通，另一组开关(V2、V3)断开时，电源电流从电机A端流向B端，假设电机正转；当开关(V2、V3)导通，另一组开关(V1、V4)断开时，电源电流从电机B端流向A端，则电机反转。四个功率开关(V1、V2、V3、V4)的控制采用PWM信号来控制，将方波信号加在电机电枢的两端，通过固定周期调节PWM信号的占空比来改变电机电枢上的平均电压，控制电机的转速或方向。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制， 其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种框架式三自由度云台控制系统，其特征在于，包括第一支座安装板、第二支座安装板、外框架驱动电机、齿轮减速机构、内框架稀土永磁直流力矩电机、中框架稀土永磁直流力矩电机、传感器模块、内框架、中框架、夕卜框架和电机控制模块，所述第一支座安装板与外部固定连接，齿轮减速机构设置在第一支座安装板和第二支座安装板上，外框架设置在第二支座安装板上，外框架驱动电机通过驱动齿轮减速机构进而驱动外框架进行方位角调节；中框架与外框架连接，中框架稀土永磁直流力矩电机用于驱动中框架进行俯仰角调节；内框架与中框架连接，内框架稀土永磁直流力矩电机用于驱动内框架进行方位角调节；传感器模块包括3组传感器，分别用于检测内框架、中框架、外框架的位置和转动速率，传感器模块与电机控制模块相连，外框架驱动电机、内框架稀土永磁直流力矩电机、中框架稀土永磁直流力矩电机均分别与电机控制模块相连，电机控制模块用于接收各个传感器信号并根据信号向电机发出控制信号；内框架内固定设置一个安装板，检测装置固定安装在安装板上。
2.根据权利要求I所述的框架式三自由度云台控制系统，其特征在于，所述外框架驱动电机为直流电机；所述齿轮减速机构包括第一减速齿轮和第二减速齿轮，第一减速齿轮和第二减速齿轮的传动比为65 1-75 : I。..
3.根据权利要求I所述的框架式三自由度云台控制系统，其特征在于，所述第二支座安装板和外框架通过螺栓连接；外框架驱动电机设置在第二支座安装板上； 所述用于检测外框架位置和转动速率的位置传感器和速率传感器均固定设置在外框架中轴线与第一支座安装板的交点处。
4.根据权利要求I所述的框架式三自由度云台控制系统，其特征在于，所述用于检测中框架位置的位置传感器固定在外框架与中框架连接处的外框架外侧，用于检测中框架转动速率的速率传感芯片固定设置在位置传感器的表面，中框架稀土永磁直流力矩电机设置在外框架的另一侧，其中位置传感器与中框架稀土永磁直流力矩电机同轴安装。
5.根据权利要求I所述的框架式三自由度云台控制系统，其特征在于，所述用于检测内框架位置的位置传感器固定在中框架与内框架连接处中框架外侧，用于检测内框架转动速率的速率传感芯片固定设置在位置传感器的表面，内框架稀土永磁直流力矩电机设置在中框架的另一侧，其中位置传感器与内框架稀土永磁直流力矩电机同轴安装。
6.根据权利要求I所述的框架式三自由度云台控制系统，其特征在于，所述内框架、中框架和外框架均采用航空用碳纤维。
7.一种基于权利要求I所述框架式三自由度云台控制系统的控制方法，，其特征在于，包括以下步骤 (I)对方位和俯仰角度的调节首先将待跟踪拍摄的目标相对惯性空间坐标系的三维坐标与检测装置当前相对于惯性坐标系的三维坐标进行比对，根据坐标差值再结合机构运动学分析，利用矩阵坐标变换得出检测装置转向目标位置所需的方位角和俯仰角度； 然后将上述方位角与俯仰角度信息经功率放大器放大后发送到外框架驱动电机和中框架稀土永磁直流力矩电机进行调节，外框架驱动电机根据方位角信息对方位进行调节，中框架稀土永磁直流力矩电机对俯仰角度进行调节； 上述调节完成后，再次将待跟踪拍摄目标的方位角度信息与当前的角度信息进行比较得出新的方位角差值，如果此方位角差值不为O，则将此方位角差值经功率放大器放大后发送到内框架稀土永磁直流力矩电机，内框架稀土永磁直流力矩电机对方位进行进一步调节; 在上述调节过程中，各电机一旦完成目标的位置信息差值调节，则此电机停止运动，待所有电机均停止动作，则调节完成； (2)对速度的调节根据目标运动情况、拍摄图像的质量要求、目标与当前检测装置三维位置信息，得出拍摄的最优时间和所需转过的方位角度和俯仰角度，进而得到最优运行速度，速度大小的调节采用PWM的占空比可调的调节方式。
8.根据权利要求7所述的框架式三自由度云台控制方法，其特征在于，用于检测外框架位置的传感器模块实时地传递当前外框架的位置信息，一旦当前的位置信息与待跟踪拍摄的三维位置信息差值为零，则外框架驱动电机停止运动，实现方位角度的闭环调节； 用于检测中框架位置的传感器模块实时地传递当前中框架的位置信息，一旦当前的位置信息与待跟踪拍摄的三维位置信息差值为零，则中框架稀土永磁直流力矩电机停止运动，实现俯仰角度的闭环调节； 用于检测内框架位置的传感器模块实时地传递当前内框架的位置信息，一旦当前的位置信息与待跟踪拍摄的三维位置信息差值为零，则内框架稀土永磁直流力矩电机停止运动，实现方位角度的闭环调节。
9.根据权利要求7所述的框架式三自由度云台控制方法，其特征在于，所述速度调节采用闭环调节方式，即将计算出的最优运行速度作为速度闭环系统的输入速度，在运动过程中对各个框架运行速度进行实时检测作为系统反馈，将二者之间的速度差值经过PWM功率放大后去调节对应电机的运行速度。
10.根据权利要求8或9所述的框架式三自由度云台控制方法，其特征在于，所述方位和俯仰角度的调节、速度的调节采用位置、速度双闭环串级调节，其中位置调节器的输出作为速度调节的输入。
全文摘要
本发明公开了一种框架式三自由度云台控制系统及其控制方法，该系统包括外、中、内三个框架、控制各个框架动作的电机、齿轮减速机构、用于位置和速度检测的传感器模块。其特殊之处是云台的方位微调和俯仰控制都是采用的稀土永磁直流力矩电机直接驱动。外框架采用普通直流电机和一对减速齿轮机构实现方位粗调，由稀土永磁直流力矩电机直接驱动的中框架结构实现拍摄装置的俯仰运动控制，由稀土永磁直流力矩电机直接驱动的内框架结构实现拍摄装置的方位微调。本发明还提供了一种基于上述系统的控制方法。本发明机械强度大，抗振动特性好，稳像性能好，结构简单、重量轻，适用于航空拍摄以及多种航天应用。
文档编号H04N5/232GK102621995SQ20121010189
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月9日 优先权日2012年4月9日
发明者尹选春, 张征, 张铁民 申请人:华南农业大学