一种仿颈椎式云台机构及其电机控制方法

一种仿颈椎式云台机构及其电机控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种仿颈椎式云台机构及其电机控制方法。该设备的机械结构是仿照人类在跟踪观测目标时的一系列特定动作来设计的，包含有垂直升降组件、水平旋转组件和角度调节组件。云台机构采用滚珠丝杠导轨实现垂直升降动作，水平旋转动作由直流伺服电机驱动一对减速齿轮机构来完成，俯仰和左右微调动作均采用直流伺服电机直接驱动。本发明针对电机采用了PID算法的控制方法，该方法的特殊之处是采用复合控制来提高跟踪精度，解决了动态滞后问题并减小了跟踪误差。本发明的结构合理、重量较轻、视野范围很大、成像稳定，适用于机器视觉跟踪及航空拍摄场合。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种云台机构，更特别地说，是指一种基于视觉的仿颈椎式云台机构 及其电机控制方法。 一种仿颈椎式云台机构及其电机控制方法

【背景技术】
[0002] 云台是安装、固定摄像机的支撑设备，它分为固定云台和电动云台两种。固定云台 适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的 角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。电动云台适用于对大范围进行 扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。
[0003] 在周边环境比较复杂的场合，为了使摄像头能实时、灵活地跟踪目标物，需要云台 机构具有多自由度协同运动的能力。CCD摄像机或红外探测仪等安装于多自由度云台机构 上，云台上配有传感器来向控制系统实时反馈云台机构当前的角度以及位置。
[0004] 目前，国内外针对云台的机构以及控制方法也进行了大量研究。运动方式以二自 由度居多，运动较为单一，显然已经不能满足日益复杂的监测环境对于多自由度的要求；有 的方案为实现多自由度运动而采用较为繁杂的机械结构和控制系统，体积大且笨重，控制 精度不高；除此之外，由于视觉的采样速度一般较慢，因此视觉处理造成的延迟会带来跟踪 时的动态滞后问题，增大了跟踪误差。


【发明内容】

[0005] 为了解决云台机构存在的因运动抖动导致的成像不稳定、因自由度有限造成的视 野范围较小、或因单纯追求多自由度而使得云台自身笨重等缺陷，本发明设计了一种仿颈 椎式云台机构。本发明的仿颈椎式云台机构绕Y轴进行旋转，沿Y轴进行升降，绕X轴进行 俯仰，绕角度调节轴微旋，从而实现仿人体颈椎部的运动方式。本发明的仿颈椎式云台机 构采用三段分体的结构设计，垂直升降组件与水平旋转组件之间通过螺钉固定，水平旋转 组件与角度调节组件通过联轴器固定。垂直升降组件用于支撑水平旋转组件与角度调节组 件，垂直升降组件在丝杠的带动下，降低了抖动导致的成像不稳定因素。
[0006] 本发明设计的一种仿颈椎式云台机构的电机控制方法，通过PID算法控制四个直 流电机运动，实现云台仿人体颈椎部的运动。采用本发明的电机控制方法机构运动稳定、控 制精度高，解决了动态跟踪时的动作滞后问题。
[0007] 本发明设计的一种仿颈椎式云台机构，该云台结构是仿照人在跟踪观测目标时产 生的四个典型动作而设计的：通过下蹲或者垫脚来观察高低不同的目标（垂直升降运动）、 扭转脖子来左右寻找目标（水平旋转运动）、低头和抬头（俯仰旋转运动）、眼球小范围摆 动（左右微调运动）。该云台结构包括垂直升降组件、水平旋转组件和角度调节组件；所述 的垂直升降外罩与外部固定连接作为运动基准，垂直升降外罩与丝杠滑块为的活动固连， 垂直升降外罩上端与B底座固连，垂直升降组件中的滚珠丝杠机构由直流步进电机驱动， 以实现整个机构垂直升降方向的自由度。
[0008] 水平旋转组件中的齿轮减速机构安装于A底座与B底座之间，该齿轮减速机构中 的主动齿轮由A直流伺服电机直接驱动，从动齿轮与垂直传动轴通过键相连，垂直传动轴 上端与水平旋转架固定连接，A直流伺服电机以此来驱动水平旋转自由度的运动。
[0009] 角度调节组件中的俯仰旋转框通过滚珠轴承安装在水平旋转架上，一端安装B直 流伺服电机来驱动整个俯仰动作；所述的左右微调架通过滚珠轴承安装在俯仰旋转框中， 一端安装C直流伺服电机来驱动整个左右微调动作；所述传感器模块包含3个光电编码器， 与对应的直流电机分别同轴安装，用于检测水平旋转架、俯仰旋转架和角度调节架的驱动 电机的位置以及转动角速度。传感器模块与电机驱动控制器通过数据线连接，4个直流电机 通过电线与电机驱动控制器相连，电机驱动控制器接收传感器模块的反馈信号并向对应的 电机发送驱动控制信号。
[0010] 本发明云台机构的优点在于：
[0011] ①云台机构为三段结构设计，装配简单，结构紧凑，运动灵活、三段结构设计合理、 重量较轻。
[0012] ②云台机构的绕Y轴旋转运动和在Y轴的微角度调节、以及绕X轴的转动，使得两 个摄像头视野范围较大，运动灵活平稳，成像效果稳定，能够解决抖动带来的摄像头成像不 稳定的问题。
[0013] ③云台机构采用PID处理器控制电机运动，解决了跟踪时的动态滞后问题且跟踪 误差较小，大大提高了跟踪精度。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 图1是本发明的仿颈椎式云台机构的结构图。
[0015] 图1A是本发明的仿颈椎式云台机构另一视角的结构图。
[0016] 图1B是本发明的仿颈椎式云台机构再一视角的结构图。
[0017] 图1C是本发明的仿颈椎式云台机构的分解图。
[0018] 图2是本发明的仿颈椎式云台机构的垂直升降组件的结构图。
[0019] 图3是本发明的仿颈椎式云台机构的水平旋转组件的结构图。
[0020] 图3A是本发明的仿颈椎式云台机构的水平旋转组件的剖视图。
[0021] 图3B是本发明水平旋转组件中的套筒剖视图。
[0022] 图3C是本发明水平旋转组件中的齿轮轴结构图。
[0023] 图4是本发明的仿颈椎式云台机构的角度调节组件的结构图。
[0024] 图4A是本发明角度调节组件中的角度调节架结构图。
[0025] 图4B是本发明角度调节组件中的角度调节架进行视角调节的角度示意图。
[0026] 图4C是本发明角度调节组件中的俯仰旋转架的结构图。
[0027] 图4D是本发明角度调节组件中的俯仰旋转架的另一视角结构图。
[0028] 图5是本发明采用的PID控制器的电路原理图。
[0029] 图5A是其中2个电机的驱动电路原理图。
[0030] 图5B是另2个电机的驱动电路原理图。
[0031] 图6是本发明采用的PID控制器的控制流程图。
[0032]

【权利要求】
1. 一种仿颈椎式云台机构，其特征在于：所述仿颈椎式云台机构包括有垂直升降组件 (1)、水平旋转组件（2)和角度调节组件（3); 垂直升降组件（1)包括有直流步进电机（10A)、丝杠外罩（1A)、丝杠导轨（1B)、丝杠滑 块（1C)、滚珠丝杠（1D)、上挡板（1E)、下挡板（1F)、A底座（1G)、B底座（1H)、支撑柱（1J); 丝杠外罩（1A)为一端有挡板的空心结构体；丝杠外罩（1A)的上端设有上壳板（1A1)， 上壳板（1A1)上设有CA螺纹孔（1A2)和CA通孔（1A3); 丝杠外罩（1A)体上设有多个减重孔（1A6); 丝杠外罩（1A)的A坚板（1A4)上设有用于与丝杠滑块（1C)固定用的CB通孔（1A5)， CB通孔（1A5)用于螺钉穿过后连接在丝杠滑块（1C) 一侧面板的CB螺纹孔（1C1)中； 丝杠外罩（1A)的B坚板（1A7)上设有用于与丝杠滑块（1C)固定用的CC通孔（1A8)， CC通孔（1A8)用于螺钉穿过后连接在丝杠滑块（1C)另一侧面板的螺纹孔中； A底座（1G)上设有AA通孔（1G1)、AB通孔（1G2)、AC通孔（1G3)和AA螺纹孔（1G4)， 所述AA通孔（1G1)为带有阶梯台的通孔；AA通孔（1G1)用于放置支撑柱（1J)的上端；AB 通孔（1G2)用于A直流伺服电机（10B)的输出轴穿过;AC通孔（1G3)用于安装AB滚珠轴 承（2L) ;AA螺纹孔（1G4)用于与套筒（2F)的外凸台（2F1)上的沉头通孔（2F2)对齐，且通 过螺钉固定； B底座（1H)上设有BA通孔（1H1)、CC通孔（1H3)、BA螺纹孔（1H4)和减重孔（1H5)， 所述BA通孔（1H1)为带有阶梯台的通孔；BA通孔（1H1)用于放置支撑柱（1J)的下端；BC 通孔（1H3)用于安装AC滚珠轴承（2M) ;BA螺纹孔（1H4)用于与丝杠外罩（1A)的上壳板 (1A1)上的CA螺纹孔（1A2)对齐，且通过螺钉固定； 支撑柱（1J)设计为两端带有收缩段的圆柱结构；支撑柱（1J)的上端设有BB螺纹孔 (1J1)，支撑柱（1J)的下端设有BC螺纹孔； 水平旋转组件（2)包括有A直流伺服电机（10B)、A光电编码器（10C)、齿轮轴（2A)、传 动轴（2B)、从动齿轮（2C)、主动齿轮（2D)、套筒盖（2E)、套筒（2F)、AA联轴器（2G)、AB联 轴器（2H)、AC联轴器（2J)、AA滚珠轴承（2K)、AB滚珠轴承（2L)、AC滚珠轴承（2M)、齿轮轴 套（2N); A光电编码器（10C)安装在A直流伺服电机（10B)上，A直流伺服电机（10B)的壳体 固定在A底座（1G)上，A直流伺服电机（10B)的输出轴上连接有主动齿轮（2D)，主动齿轮 (2D)与从动齿轮（2C)啮合； 齿轮轴（2A)为多段阶梯式轴承；齿轮轴（2A)从上至下分别为A圆柱段（2A1)、B圆柱段 (2A2)、C圆柱段（2A3)、D圆柱段（2A4)、E圆柱段（2A5)、F圆柱段（2A6)、G圆柱段（2A7) ;A 圆柱段（2A1)上套接有AC联轴器（2J) ;B圆柱段（2A2)上套接有AB轴承端盖（2L1)，AB轴 承端盖（2L1)固定在A底座（1G)的上面板；C圆柱段（2A3)上套接有AB滚珠轴承（2L)，即 AB滚珠轴承（2L)放置在A底座（1G)的AC通孔（1G3)内，AB滚珠轴承（2L)的内圈固定安 装在C圆柱段（2A3)上，AB滚珠轴承（2L)的外圈与AC通孔（1G3)卡紧；D圆柱段（2A4)上 套接有轴套（2N) ;E圆柱段（2A5)上套接有从动齿轮（2C) ;F圆柱段（2A6)上套接有AC滚 珠轴承（2M)，即AC滚珠轴承（2M)放置在B底座1H的BC通孔（1H3)内，AC滚珠轴承（2M) 的内圈固定安装在F圆柱段（2A6)上，AC滚珠轴承（2M)的外圈与BC通孔（1H3)卡紧；G圆 柱段（2A7)上套接有AC轴承端盖（2M1)，AC轴承端盖（2M1)固定在B底座（1H)的下面板； 所述D圆柱段（2A4)上设有键槽，该键槽用于安装平键，轴套（2N)通过平键卡紧在齿轮轴 (2A)上； 传动轴（2B)为两端有收缩段的轴承；传动轴（2B)的上端部设有用于安装AA联轴器 (2G)的上缩段（2B1)，所述上缩段（2B1)上设有键槽，AA联轴器（2G)通过平键与传动轴 (2B)的上端卡紧，传动轴（2B)的下端部设有用于安装AB联轴器（2H)的下缩段（2B2); 套筒（2F)为空心结构；套筒（2F)的中心为通孔（2F4);套筒（2F)的上端设有内凸台 (2F5)，内凸台（2F5)上设有螺纹盲孔（2F3);套筒（2F)的下端设有外凸台（2F1)，外凸台 (2F1)上设有沉头通孔（2F2);套筒（2F)的外凸台（2F1)固定在A底座（1G)的上面板； 角度调节组件（3)包括有B直流伺服电机（10D)、B光电编码器（10E)、C直流伺服电 机（10F)、C光电编码器（10G)、A摄像头（9A)、B摄像头（9B)、俯仰旋转架（3A)、水平旋转 架（3B)、角度调节架（3C)、C电机安装座（3D)、B电机安装座（3E)、A限位座（3F)、B限位 座（3G)、BA滚珠轴承（3H)、BB滚珠轴承（3J)、BC滚珠轴承（3K)、BD滚珠轴承（3L)、BA联 轴器（3H1)、BB联轴器（3J1)、BC联轴器（3K1)、BD联轴器（3L1); B光电编码器（10E)安装在B直流伺服电机（10D)上，B直流伺服电机（10D)的壳体 固定在B电机安装座（3E)上，B电机安装座（3E)固定在水平旋转架（3B)的一侧的A立板 上； C光电编码器（10G)安装在C直流伺服电机（10F)上，C直流伺服电机（10F)的壳体固 定在C电机安装座（3D)上，C电机安装座（3D)固定在俯仰旋转架（3A)的上边框上； 俯仰旋转架（3A)为框架结构；俯仰旋转架（3A)上设有上边框（3A1)、下边框（3A2)、左 边框（3A3)和右边框（3A4); 上边框（3A1)的外部设有A凸台（3A11)，A凸台（3A11)上设有用于放置BA滚珠轴承 (3H)的上通孔（3A12)，A凸台（3A11)上安装有C电机安装座（3D) ;BA联轴器（3H1)固定 在上边框（3A1)的下板面上；BA滚珠轴承（3H)的外圈与上通孔（3A12)卡紧，BA滚珠轴承 (3H)的内圈套接在BA联轴器（3H1)上；BA联轴器（3H1)与C直流伺服电机（10F)的输出 轴连接； 下边框（3A2)的外部设有B凸台（3A21)，B凸台（3A21)上设有用于放置BB滚珠轴承 (3J)的下通孔（3A22)，B凸台（3A21)上安装有BB滚珠轴承（3J)的端盖（3J2) ;BB滚珠轴 承（3J)的外圈与下通孔（3A22)卡紧，BB滚珠轴承（3J)的内圈套接在BB联轴器（3J1)上； 左边框（3A3)的外部设有C凸台（3A32)，C凸台（3A32)的中心部位设有A沉头腔 (3A31)，A沉头腔（3A31)内安装有BD联轴器（3L1) ;BD联轴器（3L1)上套接有BD滚珠轴 承（3L)，BD滚珠轴承（3L)的外圈与水平旋转架（3B)的A立板（3B2)上的A轴承孔（3B4) 卡紧； 右边框（3A4)的外部设有D凸台（3A42)，D凸台（3A42)的中心部位设有B沉头腔 (3A41)，B沉头腔（3A41)内安装有BC联轴器（3K1) ;BC联轴器（3K1)上套接有BC滚珠轴 承（3K)，BC滚珠轴承（3K)的外圈与水平旋转架（3B)的B立板（3B3)上的B轴承孔（3B5) 卡紧； 水平旋转架（3B)上设有连接板（3B1)、A立板（3B2)和B立板（3B3);所述连接板（3B1) 上设有C沉头腔（3B6)，在该C沉头腔（3B6)内放置螺钉，螺钉穿过C沉头腔（3B6)后连接要 AA联轴器（2G)上，即实现了水平旋转架（3B)与AA联轴器（2G)的固定；所述A立板（3B2) 上设有A轴承孔（3B4)，该A轴承孔（3B4)用于放置BD滚珠轴承（3L)，即BD滚珠轴承（3L) 的外圈与A轴承孔（3B4)固定，BD滚珠轴承（3L)的内圈套接在BD联轴器（3L1)上；所述 B立板（3B3)上设有B轴承孔（3B5)，该B轴承孔（3B5)用于放置BC滚珠轴承（3K)，即BC 滚珠轴承（3K)的外圈与B轴承孔（3B5)固定，BC滚珠轴承（3K)的内圈套接在BC联轴器 (3K1)上； 角度调节架（3C)上设有摄像头安装板（3C1)、上支撑臂（3C2)和下支撑臂（3C3); 所述摄像头安装板（3C1)上设有镜头A通孔（3C11)、镜头B通孔（3C13)、A限位调节 孔（3C12)和B限位调节孔（3C14);镜头A通孔（3C11)用于放置A摄像头（9A);镜头B通 孔（3C13)用于放置B摄像头（9B) ;A限位调节孔（3C12)上安装有A限位座（3F)，B限位调 节孔（3C14)上安装有B限位座（3G); 所述上支撑臂（3C2)上设有用于安装BA联轴器（3H1)的D沉头腔（3C21); 所述下支撑臂（3C3)上设有用于安装BB联轴器（3J1)的D限位孔。
2. 根据权利要求1所述的仿颈椎式云台机构，其特征在于：主动齿轮（2D)与从动齿轮 (2C)的传动比为10:1。
3. 根据权利要求1所述的仿颈椎式云台机构，其特征在于：主动齿轮（2D)与从动齿轮 (2C)的采用聚缩醛材料加工。
4. 根据权利要求1所述的仿颈椎式云台机构，其特征在于：直流步进电机（10A)用于 实现所述仿颈椎式云台机构的沿Y轴的升降运动； A直流伺服电机（10B)用于实现所述仿颈椎式云台机构的沿Y轴的圆周旋转运动； B直流伺服电机（10D)用于实现所述仿颈椎式云台机构的沿X轴的俯仰运动； C直流伺服电机（10F)用于实现所述仿颈椎式云台机构的沿Y轴的微角度转动运动。
5. 根据权利要求4所述的仿颈椎式云台机构，其特征在于：采用PID处理器对电机运 动进行控制。
6. 根据权利要求1所述的仿颈椎式云台机构，其特征在于所述云台机构进行转动调节 包括有下列调节步骤： 第一步，将目标点在两台摄像机中的成像进行数字图像处理后，得到目标点对于云台 双目摄像机中心的方位角α和俯仰角β以及斜距离p ; 第二步，将方位角α和俯仰角β反馈给PID控制器进行处理，利用矩阵坐标变换将方 位角α分解成水平旋转分量a 和左右微调分量α ，水平旋转分量a 反馈给云台 机构的水平旋转方位控制通道以控制A直流伺服电机运行，左右微调分量α 反馈给云台 机构的左右微调方位控制通道以控制Β直流伺服电机运行；同时将俯仰角β分解成垂直升 降分量β ##和俯仰旋转分量β ，垂直升降分量β 反馈给云台机构的垂直升降方位控 制通道以控制直流步进电机运行，俯仰旋转分量β 反馈给云台机构的俯仰旋转方位控 制通道以控制C直流伺服电机运行； 待第二步调节完成后，再重复执行第一步的工作再次得到当前目标点相对于云台摄像 机中心的方位角a 和俯仰角β ，然后按照第二步所述的方法继续控制四个电机联动， 通过这样不断地更新迭代α水平、α左右、β #降、β俯仰的数值，目标点逐渐与云台双目摄像机 中心接近，当实时测得的方位角a 和俯仰角β 均等于〇时，即目标位于视野正中心 时，电机停止运行完成方位调节工作； 第三步，转速的调节跟方位角的调整是并行同时进行的，在经第一步以及第二步不断 地更新迭代得到的 α水平、α左右、β升降、β俯仰α水平、α左右、β升降、β俯仰 的数值大 小，PID控制器制定出每个电机对应的最优期望转速曲线。
【文档编号】F16M11/12GK104048141SQ201410274134
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】刘文勇, 马鹏式, 宋晗, 吴煜华, 刘金钰, 陈聪哲, 李德玉 申请人:北京航空航天大学