一种双级驱动陀螺稳定云台的制作方法

本实用新型涉及云台控制技术领域，具体涉及一种双级驱动陀螺稳定云台。

背景技术：

由于车船等载体的摇摆，使用常规监控云台拍摄出的画面非常的晃动难以满足要求。

传统的监控云台使用开环的步进电机驱动，精度低、速度慢、震动大，为了提高驱动效果将其升级为伺服式的闭环步进电机，能够显著提高云台的运动控制性能；但由于减速器和密封件的存在，闭环步进电机驱动的云台底座的稳定精度难以达到很高性能。

技术实现要素：

基于此，针对上述问题，有必要提出一种对光电负载的承载重量大、负载配置灵活，同时具有稳定精度高、系统成本低、密封性能好等优点的双级驱动陀螺稳定云台，尤其适用于海事船载应用。

本实用新型提供一种双级驱动陀螺稳定云台，其技术方案如下：

一种双级驱动陀螺稳定云台，包括从下到上依次设置的云台底座、粗稳伺服舱和精稳负载舱，所述云台底座通过粗稳方位减速机和粗稳方位电机连接粗稳伺服舱；所述粗稳伺服舱内设有粗稳俯仰电机和粗稳俯仰减速机，且所述粗稳俯仰电机通过粗稳俯仰减速机传动连接所述精稳负载舱；所述精稳负载舱内的底部设有精稳方位电机，所述精稳方位电机通过“L”字型的连接支架连接精稳俯仰电机，所述精稳俯仰电机通过连接件连接有光电负载，所述光电负载上固定安装有传感控制板。

由于常规的监控云台通常使用开环的步进电机驱动，精度低、速度慢、震动大，为了提高驱动效果将其升级为伺服式的闭环步进电机，能够显著提高云台的运动控制性能；但由于有减速机构和密封件的存在，闭环步进电机驱动的云台底座的稳定精度难以达到很高性能，为了进一步提高稳定性能，本技术方案将精稳负载舱中的光电负载增加第二级稳定云台，精稳负载舱的位置在整个云台底座和粗稳伺服舱的上部，也可以将精稳负载舱的重心与粗稳伺服舱的俯仰轴线重合；以密封壳体的视窗光轴为回中方向，对光电负载的光轴实施较小角度范围的二级稳定，从而提高稳定精度；两级陀螺稳定结构相结合，兼顾了转动范围大、稳定精度高的优势，且使得产品还具有密封性能好、适应能力强、综合成本低等突出等优点，能够满足车载船载等远距离侦查的图像稳定要求；在本技术方案中，先根据采集的惯性运动数据进行数据解算，得到当前姿态角度和晃动速度，通过多组反馈控制算法，获得输出量分别驱动精稳负载舱和粗稳伺服舱内的电机实施稳定控制，抵消掉外部的运动保持图像稳定。

优选的，所述传感控制板上设有惯性传感器、第一单片机、第一驱动芯片和第一磁编码器芯片，所述惯性传感器紧贴光电负载，所述惯性传感器的信号输出端连接第一单片机的第一信号输入端，所述第一单片机的第一信号输出端连接第一驱动芯片的信号输入端，所述第一驱动芯片的信号输出端连接精稳俯仰电机的信号输入端，所述精稳俯仰电机轴上的磁钢靠近第一磁编码器芯片，所述第一磁编码器芯片的信号输出端连接第一单片机的第二信号输入端，所述第一单片机的第二信号输出端连接光电负载的信号输入端。

在本技术方案中，惯性传感器与光电负载固定连接，用于输出光电负载包括三轴角速度和三轴加速度的惯性运动数据，然后传输到第一单片机进行数据计算处理，该惯性传感器型号为BMI055，第一单片机是微处理器STM32系列的单片机，第一单片机处理完成后，控制第一驱动芯片驱动精稳俯仰电机实施运动，此时，第一磁编码器芯片靠近精稳俯仰电机轴上的磁钢，并将磁钢旋转角度数据发送回第一单片机作为反馈数据。

优选的，所述精稳方位电机的尾部设有精稳方位驱动板，所述精稳方位驱动板上设有第二单片机、第二驱动芯片和第二磁编码器芯片，所述第一单片机的第三信号输出端通过通信总线连接第二单片机的第一信号输入端，所述第二单片机的第一信号输出端连接第二驱动芯片的信号输入端，所述第二驱动芯片的信号输出端连接精稳方位电机的信号输入端，所述精稳方位电机轴上的磁钢靠近第二磁编码器芯片，所述第二磁编码器芯片的信号输出端连接第二单片机的第二信号输入端。

在本技术方案中，精稳方位驱动板通过通信总线接收第一单片机计算出的有关方位轴的数据，进而实现对精稳方位电机的驱动控制，同时通过第二磁编码器芯片靠近精稳方位电机轴上的磁钢，获取磁钢旋转角度的反馈数据，通过第一磁编码器芯片和第二磁编码器芯片反馈的数据获取对应的回中偏差角度，进而可进行数据计算，方便进行精稳和粗稳的驱动调整。

优选的，所述粗稳伺服舱内还设有粗稳驱动电路板、粗稳方位闭环驱动器和粗稳俯仰闭环驱动器，所述粗稳驱动电路板上设有第三单片机，所述第一单片机的第四信号输出端通过通信总线连接第三单片机的第一信号输入端，所述第三单片机的第一信号输出端连接粗稳方位闭环驱动器的信号输入端，所述粗稳方位闭环驱动器的信号输出端连接粗稳方位电机的信号输入端，所述粗稳方位电机的旋转轴连接粗稳方位减速机的输入轴；第三单片机的第二信号输出端连接粗稳俯仰闭环驱动器的信号输入端，所述粗稳俯仰闭环驱动器的信号输出端连接粗稳俯仰电机的信号输入端，所述粗稳俯仰电机的旋转轴连接粗稳俯仰减速机的输入轴。

在本技术方案中，分别以获取的相应回中偏差角度为反馈量，以回中(偏差为零)为目标量，计算出粗稳角度环输出量；使得光电负载的光轴与精稳负载舱的视窗光轴基本重合，即精稳负载舱内的电机角度位于回中角度位置，两级陀螺稳定结构相结合，兼顾了转动范围大、稳定精度高的优势；其中的第一单片机、第二单片机和第三单片机型号一样，均为微处理器STM32系列的单片机，各个电机的旋转位置传感方式采用磁编码器方式，也可以采用旋转变压器、电容编码器或者光电编码器。

优选的，所述云台底座上设有接口电路板，所述光电负载的信号输出端通过光电负载通信线连接接口电路板的第一信号输入端，所述第三单片机的第三信号输出端连接接口电路板的第二信号输入端。通过接口电路对数据进行缓冲，对数据格式和信号进行转换，实现信息交换。

优选的，所述精稳方位电机和精稳俯仰电机均为无刷伺服电机。无刷伺服电机是直流无刷伺服电机的简称，是直流无刷电机的一种，其体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，电子换相方式灵活，可以正弦波换相，电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境；本方案采用无刷伺服电机作为精稳方位电机和精稳俯仰电机，可直接进行驱动控制，且控制稳定，提高了驱动效率，能快速获取反馈数据进行调节控制。

优选的，所述粗稳方位电机和粗稳俯仰电机均为闭环伺服式步进电机。本技术方案中的粗稳方位电机和粗稳俯仰电机为设于粗稳伺服舱内的驱动电机，其主要功能是根据回中偏差角度计算出的粗稳角度环输出量来控制减速机构运动，进而有效的避免系统震荡，所以机型选择包含但不仅限于闭环式步进电机、无刷伺服电机和有刷伺服电机等，只要是闭环电机且能实现驱动控制即可，其能够显著提高云台的运动控制性能。

优选的，所述粗稳方位减速机和粗稳俯仰减速机分别为蜗轮蜗杆减速器、齿轮减速器、同步带轮减速器、谐波减速器和球减速器中的一个。粗稳伺服舱内的减速机构，采用蜗轮蜗杆减速器，也可以采用齿轮减速器、同步带轮减速器、谐波减速器和球减速器，均能实现其动力传达的目的；其主要作用是根据粗稳方位电机和粗稳俯仰电机的驱动实现对粗稳伺服舱和精稳负载舱，以及粗稳伺服舱和云台底座之间的减速传动，起匹配转速和传递转矩的作用，以蜗轮蜗杆减速器作为减速机构进一步提高了稳定性能。

a、采集光电负载的惯性运动数据，该惯性运动数据包括三轴角速度和三轴加速度；

b、计算出精稳角速度环输出量，控制精稳方位电机和精稳俯仰电机运动；

b101、接收到惯性运动数据后，运行姿态解算算法获得光电负载的姿态角度，并分别解算出精稳方位电机和精稳俯仰电机对应的本轴角速度；

b102、以计算出的姿态角度为反馈量，以对光电负载的运动指令为目标量，计算出精稳角度环输出量；

b103、以步骤b101计算出的本轴角速度为反馈量，以步骤b102计算出的精稳角度环输出量为目标量，计算出精稳角速度环输出量；

c、通过第一磁编码器芯片和第二磁编码器芯片反馈的数据，获得回中偏差角度；

d、以回中偏差角度为零作为目标量，计算出粗稳角度环输出量，控制粗稳方位电机和粗稳俯仰电机运动。

以上的双级驱动陀螺稳定云台的控制方法的技术方案中，兼顾了稳定精度和可靠性，精稳云台的控制以惯性传感器数据为反馈量，采用角速度环和角度环的双闭环方式，实现高精度的陀螺稳定功能；粗稳伺服舱的控制以精稳负载舱的回中偏差角度为反馈量，采用单角度环控制方式，实现了高可靠性的随动控制，能够有效的避免系统震荡；控制方法中的闭环反馈算法可以采用的控制算法，包括PID控制、模糊控制、神经网络控制、滑模控制、自抗扰控制、仿人智能控制等；姿态解算算法包括余弦矩阵或者四元数算法等。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型设计双级驱动稳定云台，提高了稳定精度；双级陀螺稳定结构相结合，兼顾了转动范围大、稳定精度高的优势。

2、本实用新型的密封性能好、适应能力强、成本低，能够满足车载船载等远距离侦查的图像稳定要求。

3、通过惯性传感器与光电负载固定连接输出惯性运动数据，并对数据进行解算，得到当前姿态角度和晃动速度，通过多组反馈控制算法，获得输出量分别驱动各轴的电机实施稳定控制，抵消掉外部的运动，保持图像稳定。

4、俯仰电机和减速机构均有多种供旋转的方案，使得可在各种情况下实现云台稳定控制。

附图说明

图1是本实用新型实施例所述双级驱动陀螺稳定云台的结构示意图；

图2是本实用新型实施例所述双级驱动陀螺稳定云台的原理框图。

附图标记说明：

10-云台底座；101-粗稳方位减速机；102-粗稳方位电机；103-接口电路板；20-粗稳伺服舱；201-粗稳俯仰电机；202-粗稳俯仰减速机；203-粗稳驱动电路板；2031-第三单片机；204-粗稳方位闭环驱动器；205-粗稳俯仰闭环驱动器；30-精稳负载舱；301-精稳方位电机；3011-精稳方位驱动板；3011a-第二单片机；3011b-第二驱动芯片；3011c-第二磁编码器芯片；302-连接支架；303-精稳俯仰电机；304-光电负载；305-磁钢；306-连接件；40-传感控制板；401-惯性传感器；402-第一单片机；403-第一驱动芯片；404-第一磁编码器芯片。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

实施例1

如图1和图2所示，一种双级驱动陀螺稳定云台，包括从下到上依次设置的云台底座10、粗稳伺服舱20和精稳负载舱30，所述云台底座10通过粗稳方位减速机101和粗稳方位电机102连接粗稳伺服舱20；所述粗稳伺服舱20内设有粗稳俯仰电机201和粗稳俯仰减速机202，且所述粗稳俯仰电机201通过粗稳俯仰减速机202传动连接所述精稳负载舱30；所述精稳负载舱30内的底部设有精稳方位电机301，所述精稳方位电机301通过“L”字型的连接支架302连接精稳俯仰电机303，所述精稳俯仰电机303通过连接件306连接有光电负载304，所述光电负载304上固定安装有传感控制板40。

由于常规的监控云台通常使用开环的步进电机驱动，精度低、速度慢、震动大，为了提高驱动效果将其升级为伺服式的闭环步进电机，能够显著提高云台的运动控制性能；但由于有减速机构和密封件的存在，闭环步进电机驱动的云台底座10的稳定精度难以达到很高性能，为了进一步提高稳定性能，本实施例将精稳负载舱30中的光电负载304增加第二级稳定云台，精稳负载舱30的位置在整个云台底座10和粗稳伺服舱20的上部，也可以将精稳负载舱30的重心与粗稳伺服舱20的俯仰轴线重合；以密封壳体的视窗光轴为回中方向，对光电负载304的光轴实施较小角度范围的二级稳定，从而提高稳定精度；两级陀螺稳定结构相结合，兼顾了转动范围大、稳定精度高的优势，且使得产品还具有密封性能好、适应能力强、综合成本低等突出等优点，能够满足车载船载等远距离侦查的图像稳定要求；在本实施例中，先根据采集的惯性运动数据进行数据解算，得到当前姿态角度和晃动速度，通过多组反馈控制算法，获得输出量分别驱动精稳负载舱30和粗稳伺服舱20内的电机实施稳定控制，抵消掉外部的运动保持图像稳定。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，如图2所示，所述传感控制板40上设有惯性传感器401、第一单片机402、第一驱动芯片403和第一磁编码器芯片404，所述惯性传感器401紧贴光电负载304，所述惯性传感器401的信号输出端连接第一单片机402的第一信号输入端，所述第一单片机402的第一信号输出端连接第一驱动芯片403的信号输入端，所述第一驱动芯片403的信号输出端连接精稳俯仰电机303的信号输入端，所述精稳俯仰电机303轴上的磁钢305靠近第一磁编码器芯片404，所述第一磁编码器芯片404的信号输出端连接第一单片机402的第二信号输入端，所述第一单片机402的第二信号输出端连接光电负载304的信号输入端。

在本实施例中，惯性传感器401与光电负载304固定连接，用于输出光电负载304包括三轴角速度和三轴加速度的惯性运动数据，然后传输到第一单片机402进行数据计算处理，该惯性传感器401型号为BMI055，第一单片机402是微处理器STM32系列的单片机，第一单片机402处理完成后，控制第一驱动芯片403驱动精稳俯仰电机303实施运动，此时，第一磁编码器芯片404靠近精稳俯仰电机303轴上的磁钢305，并将磁钢305旋转角度数据发送回第一单片机402作为反馈数据。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上，如图2所示，所述精稳方位电机301的尾部设有精稳方位驱动板3011，所述精稳方位驱动板3011上设有第二单片机3011a、第二驱动芯片3011b和第二磁编码器芯片3011c，所述第一单片机402的第三信号输出端通过通信总线连接第二单片机3011a的第一信号输入端，所述第二单片机3011a的第一信号输出端连接第二驱动芯片3011b的信号输入端，所述第二驱动芯片3011b的信号输出端连接精稳方位电机301的信号输入端，所述精稳方位电机301轴上的磁钢305靠近第二磁编码器芯片3011c，所述第二磁编码器芯片3011c的信号输出端连接第二单片机3011a的第二信号输入端。

在本实施例中，精稳方位驱动板3011通过通信总线接收第一单片机402计算出的有关方位轴的数据，进而实现对精稳方位电机301的驱动控制，同时通过第二磁编码器芯片3011c靠近精稳方位电机301轴上的磁钢305，获取磁钢305旋转角度的反馈数据，通过第一磁编码器芯片404和第二磁编码器芯片3011c反馈的数据获取对应的回中偏差角度，进而可进行数据计算，方便进行精稳和粗稳的驱动调整。

实施例4

本实施例在实施例3的基础上，如图2所示，所述粗稳伺服舱20内还设有粗稳驱动电路板203、粗稳方位闭环驱动器204和粗稳俯仰闭环驱动器205，所述粗稳驱动电路板203上设有第三单片机2031，所述第一单片机402的第四信号输出端通过通信总线连接第三单片机2031的第一信号输入端，所述第三单片机2031的第一信号输出端连接粗稳方位闭环驱动器204的信号输入端，所述粗稳方位闭环驱动器204的信号输出端连接粗稳方位电机102的信号输入端，所述粗稳方位电机102的旋转轴连接粗稳方位减速机101的输入轴；第三单片机2031的第二信号输出端连接粗稳俯仰闭环驱动器205的信号输入端，所述粗稳俯仰闭环驱动器205的信号输出端连接粗稳俯仰电机201的信号输入端，所述粗稳俯仰电机201的旋转轴连接粗稳俯仰减速机202的输入轴。

在本实施例中，分别以获取的相应回中偏差角度为反馈量，以回中(偏差为零)为目标量，计算出粗稳角度环输出量；使得光电负载304的光轴与精稳负载舱30的视窗光轴基本重合，即精稳负载舱30内的电机角度位于回中角度位置，两级陀螺稳定结构相结合，兼顾了转动范围大、稳定精度高的优势；其中的第一单片机402、第二单片机3011a和第三单片机2031型号一样，均为微处理器STM32系列的单片机，各个电机的旋转位置传感方式采用磁编码器方式，也可以采用旋转变压器、电容编码器或者光电编码器。

在本实施例中，在粗稳驱动电路板203上除了设置第三单片机2031外，还可设置两套驱动芯片和磁编码器芯片，第三单片机2031通过通过通信总线接收第一单片机402的信号后，将控制信号传输到两套驱动芯片上，由两套驱动芯片分别控制粗稳方位电机102粗稳俯仰电机201运动；然后粗稳方位电机102和粗稳俯仰电机201轴上的磁钢305分别靠近各自的磁编码器芯片，将磁钢305旋转角度数据发送回第三单片机2031作为反馈数据，实现粗稳角速度环的控制，使光电负载304的光轴与精稳负载舱30的视窗光轴基本重合。

实施例5

本实施例在实施例4的基础上，所述云台底座10上设有接口电路板103，所述光电负载304的信号输出端通过光电负载通信线连接接口电路板103的第一信号输入端，所述第三单片机2031的第三信号输出端连接接口电路板103的第二信号输入端。通过接口电路对数据进行缓冲，对数据格式和信号进行转换，实现信息交换。

实施例6

本实施例在实施例1的基础上，所述精稳方位电机301和精稳俯仰电机303均为无刷伺服电机。无刷伺服电机是直流无刷伺服电机的简称，是直流无刷电机的一种，其体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，电子换相方式灵活，可以正弦波换相，电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境；本方案采用无刷伺服电机作为精稳方位电机301和精稳俯仰电机303，可直接进行驱动控制，且控制稳定，提高了驱动效率，能快速获取反馈数据进行调节控制。

实施例7

本实施例在实施例4的基础上，所述粗稳方位电机102和粗稳俯仰电机201均为闭环伺服式步进电机。本实施例中的粗稳方位电机102和粗稳俯仰电机201为设于粗稳伺服舱20内的驱动电机，其主要功能是根据回中偏差角度计算出的粗稳角度环输出量来控制减速机构运动，进而有效的避免系统震荡，所以机型选择包含但不仅限于闭环式步进电机、无刷伺服电机和有刷伺服电机等，只要是闭环电机且能实现驱动控制即可，其能够显著提高云台的运动控制性能。

实施例8

本实施例在实施例4的基础上，所述粗稳方位减速机101和粗稳俯仰减速机202分别为蜗轮蜗杆减速器、齿轮减速器、同步带轮减速器、谐波减速器和球减速器中的一个。粗稳伺服舱20内的减速机构，采用蜗轮蜗杆减速器，也可以采用齿轮减速器、同步带轮减速器、谐波减速器和球减速器，均能实现其动力传达的目的；其主要作用是根据粗稳方位电机102和粗稳俯仰电机201的驱动实现对粗稳伺服舱20和精稳负载舱30，以及粗稳伺服舱20和云台底座10之间的减速传动，起匹配转速和传递转矩的作用，以蜗轮蜗杆减速器作为减速机构进一步提高了稳定性能。

在执行驱动的过程中：

a、采集光电负载304的惯性运动数据，该惯性运动数据包括三轴角速度和三轴加速度；

b、计算出精稳角速度环输出量，控制精稳方位电机301和精稳俯仰电机303运动；

b101、接收到惯性运动数据后，运行姿态解算算法获得光电负载304的姿态角度，并分别解算出精稳方位电机301和精稳俯仰电机303对应的本轴角速度；

b102、以计算出的姿态角度为反馈量，以对光电负载304的运动指令为目标量，计算出精稳角度环输出量；

b103、以步骤b101计算出的本轴角速度为反馈量，以步骤b102计算出的精稳角度环输出量为目标量，计算出精稳角速度环输出量；

c、通过第一磁编码器芯片404和第二磁编码器芯片3011c反馈的数据，获得回中偏差角度；

d、以回中偏差角度为零作为目标量，计算出粗稳角度环输出量，控制粗稳方位电机102和粗稳俯仰电机201运动。

以上的双级驱动陀螺稳定云台的控制方法的实施例中，兼顾了稳定精度和可靠性，精稳云台的控制以惯性传感器401数据为反馈量，采用角速度环和角度环的双闭环方式，实现高精度的陀螺稳定功能；粗稳伺服舱20的控制以精稳负载舱30的回中偏差角度为反馈量，采用单角度环控制方式，实现了高可靠性的随动控制，能够有效的避免系统震荡；控制方法中的闭环反馈算法可以采用的控制算法，包括P I D控制、模糊控制、神经网络控制、滑模控制、自抗扰控制、仿人智能控制等；姿态解算算法包括余弦矩阵或者四元数算法等。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。