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本发明属于自动控制领域，具体设计一种云台姿态估计方法、装置以及相应的云台。
背景技术：
目前云台的控制是通过云台上的惯性测量元件测量云台的姿态，并将测量得到的云台的姿态与一个给定的目标姿态进行比较，根据二者的偏差控制三轴电机的动作，以控制实现云台的实时姿态达到目标姿态。
现有技术中测量云台姿态的装置如图1所示。其中，惯性测量元件110主要包含陀螺仪和加速度计。陀螺仪能够进行积分获取得到云台的姿态，但是陀螺仪的各个轴的速度输出都有零偏，该零偏不能完全消除，因此用陀螺仪速度输出积分获得云台的姿态是不准确的。基于此，惯性测量元件110还使用加速度计给定云台的姿态参考。然后，处理器120根据加速度计输出的姿态参考对陀螺积分获取的云台的姿态进行修正，最后获得较为稳定的云台的姿态，并在此基础上做位置输出位置控制和速度控制信号，以控制三轴电机的动作。
图1所示的装置测量云台的姿态时，当在将云台安装于载体上并且载体的运动处于非匀速直线运动时，惯性测量元件110中的加速度计会无法准确测量出载体的运动状态对云台的姿态的影响，从而引起云台的姿态估计错误，导致云台上的镜头拍摄的画面发生倾斜而拍摄不到想要的画面。例如，当云台镜头朝前，载体加速向前行驶时，云台自身的姿态会受载体线加速度的影响而估计错误，导致安装在云台上的镜头会不自主的往下倾斜。或者，当云台镜头朝前，载体急刹车时，云台自身的姿态会受线加速度的影响而估计错误，导致安装在云台上的镜头会不自主的往上倾斜。或者，当云台镜头方向与载体行驶的方向偏离90°，载体加速向前行驶时，云台自身的姿态会受线加速度的影响而估计错误，导致安装在云台上的镜头会不自主的往左倾斜；又或者，当云台镜头方向与载体行驶的方向偏离90°，载体急刹车时，云台自身的姿态会受线加速度的影响而估计错误，导致安装在云台上的镜头会不自主的往右倾斜。
技术实现要素：
本发明的一个方面提供了一种云台姿态估计方法。该方法包括：s1、测量云台的角速度值，并基于该角速度值得到测量姿态数据；s2、测量所述云台的载体的运动状态数据，根据该运动状态数据计算载体的参考姿态数据，所述载体支承所述云台；s3、利用所述参考姿态数据对所述测量姿态数据进行修正，得到云台姿态数据。
本发明的另一个方面提供了一种云台姿态估计装置。该装置包括第一惯性测量元件，用于测量所述云台的角速度值，并基于该角速度值得到测量姿态数据；通信接口，用于获得载体的运动状态数据，所述载体支承所述云台；处理器，用于根据所述载体的运动状态数据计算该载体的参考姿态数据，以及利用所述参考姿态数据对所述测量姿态数据进行修正，得到云台姿态数据。
本发明的另一个方面提供了一种云台，包括上述的云台姿态估计装置。
本发明的云台姿态估计方法、云台姿态估计装置以及云台，估计云台的姿态时能够有效地处理载体的运动状态对云台的姿态产生的影响，从而能够更为准确地估计云台的姿态，以使得对云台的姿态的控制更为准确。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了现有技术中测量云台姿态的装置的框图；
图2示意性示出了根据本发明一实施例的云台姿态估计方法的流程图；
图3示意性示出了根据本发明一实施例的云台姿态估计方法中利用参考姿态数据对测量姿态数据进行修正的方法流程图；
图4示意性示出了根据本发明另一实施例的云台姿态估计方法的流程图；
图5示意性示出了根据本发明一实施例的云台姿态估计装置的框图；
图6示意性示出了根据本发明一实施例的云台姿态估计装置的框图；
图7示意性示出了根据本发明一实施例的云台姿态估计装置与云台的载体交互进行云台姿态估计的框图；
图8示意性示出了根据本发明另一实施例的云台姿态估计装置与云台的载体交互进行云台姿态估计的框图；
图9示意性示出了根据本发明一实施例的云台的框图。
具体实施方式
根据结合附图对本发明示例性实施例的以下详细描述，本发明的其它方面、优势和突出特征对于本领域技术人员将变得显而易见。
在本发明中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制；术语“或”是包含性的，意为和/或。
在本说明书中，下述用于描述本发明原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制发明的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本发明的示例性实施例。下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不背离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。此外，为了清楚和简洁起见，省略了公知功能和结构的描述。此外，贯穿附图，相同附图标记用于相同或相似的功能和步骤。
对于云台姿态估计，本发明主要考虑这样一种情形，即云台安装在一定的载体上，而载体处于非匀速直线运动时，载体的运动状态会对云台的姿态的估计造成偏差。由于此偏差的存在，使得将估计的云台的姿态与目标姿态进行比较后，根据比较结果对云台的姿态的控制会不够准确。在此种情况，如何有效处理载体的运动状态带来的云台的姿态的估计偏差，从而更加准确地估计出云台的姿态，以便实现对云台的姿态的准确控制非常关键。
当云台安装在载体上时，如果将云台和载体作为整体看成是一个质点，则该质点在世界坐标系中的坐标位置变化由载体的运动决定，即云台随着载体的运动在世界坐标系中移动。
与此同时，云台也会相对于载体本身发生平移或旋转。云台的姿态则是在以载体为参照物所构成的本地坐标系中，云台所在的位置以及沿各个方向的旋转角度。例如，可以以该载体上的某一点为坐标原点而定义一个空间三维的本地坐标系，此时，云台的姿态即为在该本地坐标系中的位置、以及云台沿本地坐标系中的三个轴的旋转角度。
根据本发明的实施例，提供了一种云台姿态估计方法。首先测量云台的角速度值，并基于该角速度值得到测量姿态数据。其次，测量所述云台的载体的运动状态数据，根据该运动状态数据计算载体的参考姿态数据，所述载体支承所述云台。最后，利用所述参考姿态数据对所述测量姿态数据进行修正，得到云台姿态数据。根据本发明的实施例，在得到云台的测量姿态数据后，利用与载体的运动状态相关的参考姿态数据对该测量姿态数据进行修正，以消除载体的运动状态对云台的姿态的估计造成的偏差，从而得到更为准确的云台姿态数据，能够更加准确地估计出云台的姿态。
根据本发明的实施例，还提供了一种云台姿态估计装置，包括第一惯性测量元件、通信接口和处理器。其中，第一惯性测量元件用于测量所述云台的角速度值，并基于该角速度值得到测量姿态数据。通信接口，用于获得载体的运动状态数据，所述载体支承所述云台。处理器，用于根据所述载体的运动状态数据计算该载体的参考姿态数据，以及利用所述参考姿态数据对所述测量姿态数据进行修正，得到云台姿态数据。
根据本发明的实施例，还提供了一种云台，该云台包括本发明提供的云台姿态估计装置。该云台的姿态能够得到准确地控制，从而使安装在该云台上的镜头的控制更加准确有效，拍摄得到的画面更加准确。
图2示意性示出了根据本发明一实施例的云台姿态估计方法的流程图。
如图2所示，根据本发明一实施例的云台姿态估计方法包括步骤s210～步骤s230。
首先，在步骤s210，测量云台的角速度值，并基于该角速度值得到测量姿态数据。
具体地，可以通过第一惯性测量元件测量云台的角速度值，并基于该角速度计算云台的测量姿态数据。例如当第一惯性测量元件包括陀螺仪时，可以利用陀螺仪测量云台的角速度值，同时陀螺仪可以进行利用积分获取得到云台的pitch、roll、和yaw三轴方向的姿态。
通常，为获得云台的实时状态以及惯性运动状态数据，第一惯性测量元件直接安装在云台上，构成云台的组成的一部分。
然后，在步骤s220，测量所述云台的载体的运动状态数据，根据该运动状态数据计算载体的参考姿态数据，所述载体支承所述云台。
支持云台的载体可以是飞机、汽车等装置。
载体的运动状态可以是匀速直线运动，或者非匀速直线运动。
载体的运动状态数据可以是，例如载体的线加速度。在此种情况下，当载体的运动状态为匀速直线运动时，载体的线加速度即为零。而当载体的运动状态为非匀速执行运动时，此时测量得到载体的线加速度，并根据该线加速度值得到载体的参考姿态数据。
另外，载体的运动状态数据还可以是，例如，载体曲线运动时的角速度、角加速度、载体的旋转角速度等，基于不同的运动状态数据，可以有不同的计算方法以获取对应的载体的参考姿态数据。
根据测量得到的载体的运动状态数据计算得到载体的参考姿态数据，例如可以将载体的运动状态数据转换为四元数等。
在步骤s230，利用参考姿态数据对所述测量姿态数据进行修正，得到云台姿态数据。
具体可以是，例如，将参考姿态数据与测量姿态数据进行比较，得到二者之间的小角度误差。对该小角度误差做扩展卡尔曼滤波器(extendedkalmanfilter，ekf)估计，通过ekf估计修正测量姿态数据，从而得到更为准确的云台姿态数据。
根据本发明的实施例的云台姿态估计方法，通过根据载体的运动状态数据得到的载体的参考姿态数据修正云台的测量姿态数据，以消除载体的运动状态对云台的姿态的估计造成的偏差，从而得到更为准确的云台姿态数据，能够更加准确地估计出云台的姿态。
图3示意性示出了根据本发明一实施例的云台姿态估计方法中利用参考姿态数据对测量姿态数据进行修正的方法流程图。
如图3所示，根据本发明一实施例的云台姿态估计方法中，步骤s210中利用参考姿态数据对测量姿态数据进行修正包括步骤s331-1、步骤s331-2和步骤s332。
在步骤331-1，伪造姿态数据。
在步骤331-2，读取云台的三轴关节角度。
在步骤332，基于该三轴关节角度与该伪造姿态数据得到参考姿态数据。
具体地，例如，当云台直接水平安装在载体上，中间不加减震，或安装的减震形变较小，可以利用载体上与云台连接的部位的姿态和编码器数据伪造姿态数据，并根据由伪造姿态数据得到的参考姿态数据来修正云台的测量姿态数据。通过这种方式，能够保证云台的姿态的稳定，从而使云台的不受到载体运动状态的影响。
在步骤s331-1中，伪造姿态数据具体可以是伪造姿态四元数(1000)。
在步骤s331-2中，读取云台的三轴关节角度，包括读取云台的的pitch轴、roll轴、和yaw轴这三个轴的关节角度。
在步骤s332中，可以将读取到的云台的三轴关节角度换算成四元数，并将该四元数与伪造姿态四元数(1000)相乘，从而得到参考姿态数据的四元数。
图4示意性示出了根据本发明另一实施例的云台姿态估计方法的流程图。
如图4所示，根据本发明另一实施例的云台姿态估计方法包括步骤s410、s420和步骤s230。其中，步骤s230与图2中描述的步骤s230一致。
首先，在步骤s410，测量云台的角速度值，并基于该角速度值得到测量姿态数据；并且测量所述云台的加速度值。本步骤s410在测量云台的角速度值的同时，还要测量云台的加速度值。
然后，在步骤s420，测量该云台的载体的运动状态数据，其中，运动状态数据包括载体的线加速度，将该云台的加速度值减去该载体的线加速度得到参考姿态数据。
例如，当云台直接水平安装在载体上，获得载体的线加速度后根据该线加速度得到载体的参考姿态数据，然后从测量姿态数据中减去该参考姿态数据，从而得到更为准确的云台姿态数据。
具体地，载体的线加速度可以由指南针和卫星定位装置测量得到。指南针和卫星定位装置均安装于载体上。gps用于获得大坐标体系下载体的线加速度，指南针用于测定方向，二者结合可以测量得到载体在云台坐标系下的线加速度。
或者，载体的线加速度也可以由安装在载体上的第二加速度计测量得到。第二加速度计安装在载体上，和载体的运动一致，能够有效地测量载体的线加速度。
根据本发明的实施例，参考姿态数据可以由云台的加速度值减去载体的线加速度得到。其中云台的加速度值可以是通过第一惯性测量元件测量得到，更进一步地，可以是第一测量元件中的第一加速度计测量得到。
由云台的加速度值减去载体的线加速度，剔除了对载体的线加速度对云台的姿态的影响。
最后，在步骤s230，利用步骤430得到的参考姿态数据对测量姿态数据进行修正，得到云台姿态数据。
使用步骤420得到的参考姿态数据对云台的测量姿态数据修正，能够有效地消除载体的线加速度对云台的姿态的估计造成的偏差，从而得到更为准确的云台姿态数据。
根据本发明的实施例的云台姿态估计方法中，云台包括第一惯性测量元件，云台的角速度值由第一惯性测量元件测量得到。进一步地，第一惯性测量元件可以包括陀螺仪。
陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，以及利用其原理制成的角运动检测装置，能够准确有效的测量云台的角速度值。
并且陀螺仪还可以对测量得到的角速度值进行积分，输出云台的pitch、roll、和yaw三轴方向的姿态。
另外，第一惯性测量元件还可以包括第一加速度计，可以用来测量云台的加速度值。
根据本发明的实施例的云台姿态估计方法中，载体可以包括第二惯性测量元件，可以使用第二惯性测量元件测量载体的运动状态数据。例如，当测量载体的线加速度时使用的第二加速度计就属于第二惯性测量元件。
图5示意性示出了根据本发明一实施例的云台姿态估计装置的框图。
如图5所示，根据本发明一实施例的云台姿态估计装置500包括第一惯性测量元件包括第一惯性测量元件510，通信接口520和处理器530。
第一惯性测量元件510用于测量云台的角速度值，并基于该角速度值得到测量姿态数据。
通信接口520用于获得载体的运动状态数据，其中该载体支承该云台。
处理器530用于根据载体的运动状态数据计算该载体的参考姿态数据，以及利用该参考姿态数据对测量姿态数据进行修正，得到云台姿态数据。
第一惯性测量元件510测量云台的角速度值，并基于该角速度计算云台的测量姿态数据。具体地，例如，当第一惯性测量元件包括陀螺仪时，可以利用陀螺仪测量云台的角速度值，同时陀螺仪可以进行利用积分获取得到云台的pitch、roll、和yaw三轴方向的姿态。
通信接口520获得的载体的运动状态数据可以是，例如载体的线加速度、载体曲线运动时的角速度、角加速度、载体的旋转角速度等。
处理器530根据载体的运动状态数据计算该载体的参考姿态数据，包括基于不同的运动状态数据，根据不同的计算方法以获取对应的载体的参考姿态数据，例如，可以将载体的运动状态数据转换为四元数等。
处理器530还利用该参考姿态数据对测量姿态数据进行修正，得到云台姿态数据。具体可以是，例如，将参考姿态数据与测量姿态数据进行比较，得到二者之间的小角度误差。对该小角度误差做扩展卡尔曼滤波器(extendedkalmanfilter，ekf)估计，通过ekf估计修正测量姿态数据，从而得到更为准确的云台姿态数据。
根据本发明的实施例，云台姿态估计装置500利用获取的载体的运动状态数据载体的参考姿态数据，并使用该载体的参考姿态数据修正云台的测量姿态数据，以消除载体的运动状态对云台的姿态的估计造成的偏差，从而得到更为准确的云台姿态数据，能够更加准确地估计出云台的姿态。
根据本发明的实施例，当通信接口520获得的载体的运动状态数据包括云台的三轴关节角度时，处理器530还用于建立伪造姿态数据，并基于云台的三轴关节角度与该伪造姿态数据得到参考姿态数据。
例如，处理器530建立的伪造姿态数据可以是伪造姿态四元数(1000)。
同时，处理器530基于云台的三轴关节角度与该伪造姿态数据得到参考姿态数据，可以是将云台的三轴关节角度换算成四元数，并将该四元数与伪造姿态四元数(1000)相乘，从而得到云台的参考姿态数据的四元数。
最后，处理器530根据得到的该参考姿态数据的四元数对云台的测量姿态数据进行修正，从而得到云台姿态数据。
图6示意性示出了根据本发明另一实施例的云台姿态估计装置的框图。
如图6所示，根据本发明另一实施例的云台姿态估计装置500包括第一惯性测量元件包括第一惯性测量元件510，通信接口520和处理器530。
其中第一惯性测量元件510还包括陀螺仪511。
陀螺仪511是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，以及利用其原理制成的角运动检测装置，能够准确有效的测量云台的角速度值。
陀螺仪511还可以对测量得到的角速度值进行积分，输出云台的pitch、roll、和yaw三轴方向的姿态。
第一惯性测量元件510还可以包括第一加速度计512。
第一加速度计512可以测量获得云台的加速度值。
图7示意性示出了根据本发明一实施例的云台姿态估计装置与云台的载体交互进行云台姿态估计的框图。
如图7所示，云台姿态估计装置500包括第一惯性测量元件包括第一惯性测量元件510，通信接口520和处理器530。其中第一惯性测量元件510还包括陀螺仪511和第一加速度计512。
云台姿态估计装置500的通信接口520从载体700中获取载体的运动状态数据。更具体地，载体的运动状态数包括载体的线加速度，由载体上的gps和指南针710测量得到后，传输云台姿态估计装置500的通信接口520。
陀螺仪511测量得到云台的角速度值，并进行积分得到云台的测量姿态数据，传输至处理器530。
第一加速度计512测量得到云台的加速度值，并传输至处理器530。
gps和指南针710测量得到载体的线加速度，并由通信接口520传输至处理器530。
处理器530将云台的加速度值减去载体的线加速度，得到参考姿态数据。并根据该参考姿态数据对云台的测量姿态数据进行修正，得到云台姿态数据。
处理器530得到的参考姿态数据由云台的加速度值减去载体的线加速度得到，从而消除载体的运动状态对云台的姿态的估计造成的偏差。以此参考姿态数据对测量姿态数据进行修正后，能够得到更为准确的云台姿态数据，能够更加准确地估计出云台的姿态。
图8示意性示出了根据本发明另一实施例的云台姿态估计装置与云台的载体交互进行云台姿态估计的框图。
如图8所示，与图7不同的是，云台姿态估计装置500通信接口520从载体800中获取载体的运动状态数据。并且载体的运动状态由载体上的第二惯性测量元件810测量得到。第二惯性测量元件810包括第二陀螺仪811和第二加速度计812。
第二陀螺仪811测量载体的角速度值，并传输给云台姿态估计装置500的通信接口520。
第二加速度计820测量得到载体的线加速度，并由通信接口520传输至处理器530。
处理器530将云台的加速度值减去载体的线加速度，得到参考姿态数据。并根据该参考姿态数据对云台的测量姿态数据进行修正，得到云台姿态数据。
处理器530得到的参考姿态数据由云台的加速度值减去载体的线加速度得到，从而消除载体的运动状态对云台的姿态的估计造成的偏差。以此参考姿态数据对测量姿态数据进行修正后，能够得到更为准确的云台姿态数据，能够更加准确地估计出云台的姿态。
图9示意性示出了根据本发明一实施例的云台的框图。
如图9所示，云台900包括云台姿态估计装置500。云台的其它部分，本发明不作限制。例如，作为一种具体实施方式，云台还包括云台本体，所述云台姿态估计装置500安装于云台本体。
其中云台姿态估计装置500的结构可以参考图5～图7中的描述。云台的其他部件或结构可以根据实际需要设定，例如，对于云台本身的结构和功能，可以采用现有的任何结构并实现任意其他功能，本发明中不作限制。
并且，云台姿态估计装置500在进行云台姿态估计时，可以实现参考图2～图4所描述的方法来得到云台姿态数据，从而使得该云台900的姿态能够得到准确地控制，使安装在该云台上的镜头的控制更加准确有效，拍摄得到的画面更加准确。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。