云台控制器控制参数调整方法、装置、介质和云台控制器与流程

本发明涉及无人机技术领域，特别是涉及一种云台控制器控制参数调整方法、装置、介质和云台控制器。

背景技术：

在无人机航拍过程中，外部扰动和内部扰动会引起相机的抖动，导致拍摄视频产生抖动、离焦、模糊等现象。其中，外部扰动包括飞行姿态变化引起的角振动以及旋翼高速旋转产生的线振动、空气湍流等；内部扰动包括模型摄动、结构摩擦、结构偏心等引起的力矩扰动。为稳定相机，通常在无人机上设置云台和云台控制器，云台控制器根据控制参数控制云台调整相机的角速度，以降低相机的抖动，保证拍摄视频的稳定性。

传统的云台控制器采用最小方差的控制算法获取控制参数，控制的目标是使得相机的实际角速度与参考角速度的误差的平方和最小。然而，实际航拍飞行状态多变，扰动多变，这种简单地将扰动的时域值作为优化的目标的方式存在固有局限性，使得传统的控制器在一些复杂扰动环境如高速机动和强风环境下可能出现控制效果恶化的现象，比如需要控制的角速度反而陷入自激震荡而急剧增大，抗干扰能力和鲁棒性差，导致视频出现显著的抖动。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的云台控制器抗干扰能力和鲁棒性差的问题，提供一种可以提高抗干扰能力和鲁棒性的云台控制器控制参数调整方法、装置、介质和云台控制器。

一种云台控制器控制参数调整方法，包括：

按照预设采样频率，采集相机的多个实际角速度；

计算各实际角速度与预设的参考角速度的误差，并根据计算得到的误差获取控制目标值；

若所述控制目标值大于或等于预设值，则根据所述误差进行频谱变换得到多个频率对应的变换值；

根据所述误差和各频率对应的变换值对云台控制器的控制参数进行调整。

一种云台控制器控制参数调整装置，包括：

采样模块，用于按照预设采样频率，采集相机的多个实际角速度；

数值计算模块，用于计算各实际角速度与预设的参考角速度的误差，并根据计算得到的误差获取控制目标值；

频谱变换模块，用于在所述控制目标值大于或等于预设值时，根据所述误差进行频谱变换得到多个频率对应的变换值；

参数调整模块，用于根据所述误差和各频率对应的变换值对云台控制器的控制参数进行调整。

上述云台控制器控制参数调整方法和装置，根据参考角速度与采集的相机的实际角速度的误差得到控制目标值，若控制目标值大于或等于预设值，表示没有达到控制目标，则根据误差进行频谱变换，并根据误差和频谱变换得到各频率对应的变换值调整云台控制器的控制参数。云台所受扰动本身不可直接测量，但其特性可从最终的控制效果中得到体现，本申请以实际角速度为控制对象，以控制目标值小于预设值为控制目标，通过频域分析并基于频谱变换的变换值自动调整控制参数，从频域能更准确地反映扰动情况，使得调整的控制参数更适用于对应的扰动，抑制扰动更有效，从而云台控制器在各种复杂扰动环境下均能有效抵抗扰动，抗干扰能力和鲁棒性高。在云台控制器上使用本申请的云台控制器控制参数调整方法，可使云台对相机的稳定作用更好，进而航拍视频更稳定清晰。

一种介质，存储有计算机程序，存储的计算机程序被处理器执行时实现上述云台控制器控制参数调整方法的步骤。

种云台控制器，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述云台控制器控制参数调整方法的步骤。

上述介质和云台控制器，由于实现了上述云台控制器控制参数调整方法，同理，可使云台控制器在各种复杂扰动环境下均能有效抵抗扰动，抗干扰能力和鲁棒性高。

附图说明

图1为一实施例中云台控制器控制参数调整方法的流程图；

图2为另一实施例中云台控制器控制参数调整方法的流程图；

图3为一实施例中云台控制器控制参数调整装置的结构图；

图4为一应用例中算法的流程示意图；

图5为应用例中云台控制的工作原理示意图。

具体实施方式

参考图1，在一个实施例中，提供了一种云台控制器控制参数调整方法，包括如下步骤：

S110：按照预设采样频率，采集相机的多个实际角速度。

预设采样频率的数值可以根据实际需要具体设置。实际角速度可以是根据预设采样频率以及设定需要采集的实际角速度的总数确定出采集时长，以进行采集得到，此时采集得到的实际角速度的数量即为设定的总数；实际角速度也可以是按照预设采样频率和设定的采集时长进行采集得到，此时采集得到的总数由预设采样频率和采集时长确定。

S130：计算各实际角速度与预设的参考角速度的误差，并根据计算得到的误差获取控制目标值。

其中，误差是实际角速度和参考角速度的差值，可以是参考角速度减去实际角速度的差值，也可以是实际角速度减去参考角速度的差值；具体地，本实施例中误差为参考角速度减去实际角速度的值。控制目标值是根据误差计算得到的数值。

S150：若控制目标值大于或等于预设值，则根据误差进行频谱变换得到多个频率对应的变换值。

预设值用于作为比较参考与控制目标值进行比较，预设值可以根据实际需要具体设置。以控制目标值小于预设值为所要达到的控制目标，若控制目标值大于或等于预设值，则表示在采集控制目标值对应误差所对应的实际角速度的时段间内没有达到控制目标，需要对控制参数进行调整；否则，若控制目标值小于预设值，则表示在采集的时间段内达到控制目标，可以不操作，无需调整控制参数。

多个实际角速度对应有多个误差，根据误差进行频谱变换具体是对采集实际角速度的时间段内的误差进行频谱变换。

S170：根据误差和各频率对应的变换值对云台控制器的控制参数进行调整。

控制参数是影响云台控制器控制云台调整相机角速度的参数。通过对误差进行频谱变换，采用频域上的变换值对控制参数进行调整。

上述云台控制器控制参数调整方法，根据参考角速度与采集的相机的实际角速度的误差得到控制目标值，若控制目标值大于或等于预设值，表示没有达到控制目标，则根据误差进行频谱变换，并根据误差和频谱变换得到各频率对应的变换值调整云台控制器的控制参数。云台所受扰动本身不可直接测量，但其特性可从最终的控制效果中得到体现，本申请以实际角速度为控制对象，以控制目标值小于预设值为控制目标，通过频域分析并基于频谱变换的变换值自动调整控制参数，从频域能更准确地反映扰动情况，使得调整的控制参数更适用于对应的扰动，抑制扰动更有效，从而云台控制器在各种复杂扰动环境下均能有效抵抗扰动，抗干扰能力和鲁棒性高。在云台控制器上使用本申请的云台控制器控制参数调整方法，可使云台对相机的稳定作用更好，进而航拍视频更稳定清晰。

在一个实施例中，预设采样频率为2Khz(千赫兹)，采集的实际角速度的数量为200个。如此，采集实际角速度的时间段的长度为0.1秒，即0.1秒执行一次控制参数的调整，这样的更新速率可以满足云台的控制要求，云台稳定效果好。

在一个实施例中，步骤S130中根据计算得到的误差获取控制目标值，包括：获取计算得到的多个误差的平方和得到控制目标值。即本实施例中，控制目标是误差的平方和小于预设值。

例如，采集200个实际角速度，以e(ω)i表示第i个实际角速度与参考角速度的误差，控制目标值为步骤S150判断如下公式是否满足：

其中，σ为预设值。可以理解，在其他实施例中，控制目标值也可以是根据误差计算的其他数值。

在一个实施例中，步骤S150中根据误差进行频谱变换得到多个频率对应的变换值，具体是根据误差进行FFT(Fast Fourier Transformation快速傅利叶变换)得到多个频率对应的变换值。即，计算y＝fft(e(ω))，将频域展开，得到每一个频率对应的变换值y。

在一个实施例中，参考图2，步骤S170包括步骤S171至步骤S175。

S171：计算小于或等于预设频率的各低频所对应的变换值的均方根误差，得到第一偏差。

其中，预设频率为用于划分低频和高频的分段频率点，可以根据实际需要设置。本实施例中，预设频率为45hz。将低于或等于预设频率的频率作为低频。计算各低频对应的变换值之间的均方根误差，如下公式所示：

其中，R(yl)为各低频所对应的变换值的均方根误差，即第一偏差，yli为第i个低频所对应的变换值，Nl为低频的数量，为所有低频所对应的变换值的均值。

S173：计算大于预设频率的各高频所对应的变换值的均方根误差，得到第二偏差。

将高于预设频率的频率作为高频。计算各高频对应的变换值之间的均方根误差，如下公式所示：

其中，R(yh)为各高频所对应的变换值的均方根误差，即第二偏差，yhi为第i个高频所对应的变换值，Nh为高频的数量，为所有高频所对应的变换值的均值。

S175：根据第一偏差、第二偏差和误差获取调整值，将云台控制器的控制参数设置为调整值。

传统的云台控制器采用的最小方差控制算法的控制目标是使得相机的实际角速度与参考角速度的误差的平方和最小，在这种控制方法下，误差近似反比于控制参数，即有关系式：

其中e(ω)表示误差，ωref表示参考角速度，ω表示相机的实际角速度，k0表示控制参数。可以看到，传统最小方差控制算法往往选择适当增大控制参数k0来达到云台相机增稳的目的。当云台所受扰动的类型发生大幅变化时，此时的控制参数k0可能失效，可能无法很好的抵消大幅而低频的扰动，也可能会对小幅而高频的扰动进行过度的调节，从而激发系统的高频振动，此时云台的控制效果和云台控制器的鲁棒性将大打折扣。

本实施例中，通过对频域进行低频和高频的划分，分别根据低频的变换值和高频的变换值计算得到第一偏差和第二偏差，基于第一偏差、第二偏差和误差获取调整值以设置为新的控制参数，便于从频率分析扰动的类型并针对性地获取调整值，以提高控制参数的适应性和有效性，从而进一步提高云台控制器适应并抵抗不同类型扰动的抗干扰能力和鲁棒性。

在一个实施例中，S175包括步骤(a1)至步骤(a4)。

步骤(a1)：若第一偏差大于预设的第一设定阈值且第二偏差大于预设的第二设定阈值，则根据误差、预设的第一系数、预设的第一基数和预设的控制量计算得到调整值。

若第一偏差大于第一设定阈值，则认为此时云台控制器的控制带宽可能需要加大，但能否继续加大则要视此时高频段的频域特性而定，即根据第二偏差确定。若第二偏差大于第二设定阈值，则说明此时的带宽实际上相对过大，已使得高频段的未建模动态特性被激发，因此控制参数需要负向调节。对应地，云台所受扰动类型为第一种，根据误差、预设的第一系数、预设的第一基数和预设的控制量计算得到调整值，用于负向调节。

步骤(a2)：若第一偏差大于第一设定阈值且第二偏差小于或等于第二设定阈值，则根据误差、预设的第二系数、预设的第二基数和预设的控制量计算得到调整值。

若在第一偏差大于第一设定阈值的情况下，第二偏差小于或等于第二设定阈值，则高频段的未建模动态特性未被激发，控制参数应正向调节。对应地，云台所受扰动类型为第二种，根据误差、预设的第二系数、预设的第二基数和预设的控制量计算得到调整值，用于正向调节。

步骤(a3)：若第一偏差小于或等于第一设定阈值且第二偏差小于或等于第二设定偏差，则根据误差、预设的第三系数、预设的第三基数和预设的控制量计算得到调整值。

若第一偏差小于或等于第一设定阈值且第二偏差小于或等于第二设定偏差，表示云台所受扰动类型为第三种，根据误差、预设的第三系数、预设的第三基数和预设的控制量计算得到调整值，用于负向调节。

步骤(a4)：将云台控制器的控制参数设置为调整值。

通过根据第一偏差和第二偏差从频域分析扰动的类型，并针对不同类型的扰动获取对应的调整值以设置控制参数，对控制参数进行更新，准确性高。

在一个实施例中，步骤(a1)中根据误差、预设的第一系数、预设的第一基数和预设的控制量计算得到调整值，包括：

其中，e(ω)i为第i个实际角速度与参考角速度的误差，M为实际角速度的总数，为调整值k的一阶倒数，-η1为第一系数，为中间参数y1的一阶倒数，第一基数包括α11和α12，u为控制量。y1的初始值为0。

同理，步骤(a2)中根据误差、预设的第二系数、预设的第二基数和预设的控制量计算得到调整值，包括：

其中，η2为第二系数，为中间参数y2的一阶倒数，第二基数包括α21和α22。y2的初始值为0。

同理，步骤(a3)中根据误差、预设的第三系数、预设的第三基数和预设的控制量计算得到调整值，包括：

其中，-η3为第三系数，为中间参数y3的一阶倒数，第三基数包括α31和α32。y3的初始值为0。

具体地，η1、η2、θ1、θ2＞0，α11、α12、α21、α22＞0。其中，θ1为第一设定阈值，θ2为第二设定阈值。具体地，θ1、θ2、-η1、η2、-η3、u、α11、α12、α21、α22、α31和α32可以根据实际情况进行实验获取并预先存储。基于误差反馈的调节方式决定了参数值(包括θ1、θ2、-η1、η2、-η3、u、α11、α12、α21、α22、α31和α32)的可选范围较广，只需满足误差收敛条件即可。

例如，以A9云台Pitch轴为例介绍参数值的计算方式，该轴动力学模型可用传递函数描述，c＝-12.5，b＝10.25。取M＝200，即采集200个实际角速度，按实验经验，视频使人感觉到明显抖动时，实际角速度与参考角速度的误差的平方和满足：

因此，可取σ＝15dps；θ1、θ2满足取一组可使误差满足如下公式：

α12＝c/3，α22＝c/5，α32＝c/7。-η1、η2、-η3的值决定k的收敛速度，值越大，k的调整速度越快，但过快的调整速度可能导致系统震荡，根据对实验效果的分析取折中值，可取η1＝20，η2＝30，η3＝10。

参考图3，在一个实施例中，提供了一种云台控制器控制参数调整装置，包括采样模块110、数值计算模块130、频谱变换模块150和参数调整模块170。

采样模块110用于按照预设采样频率，采集相机的多个实际角速度。

数值计算模块130用于计算各实际角速度与预设的参考角速度的误差，并根据计算得到的误差获取控制目标值。

频谱变换模块150用于在控制目标值大于或等于预设值时，根据误差进行频谱变换得到多个频率对应的变换值。

参数调整模块170用于根据误差和各频率对应的变换值对云台控制器的控制参数进行调整。

上述云台控制器控制参数调整装置，根据参考角速度与采集的相机的实际角速度的误差得到控制目标值，若控制目标值大于或等于预设值，表示没有达到控制目标，则根据误差进行频谱变换，并根据误差和频谱变换得到各频率对应的变换值调整云台控制器的控制参数。云台所受扰动本身不可直接测量，但其特性可从最终的控制效果中得到体现，本申请以实际角速度为控制对象，以控制目标值小于预设值为控制目标，通过频域分析并基于频谱变换的变换值自动调整控制参数，从频域能更准确地反映扰动情况，使得调整的控制参数更适用于对应的扰动，抑制扰动更有效，从而云台控制器在各种复杂扰动环境下均能有效抵抗扰动，抗干扰能力和鲁棒性高。

在一个实施例中，预设采样频率为2Khz(千赫兹)，采集的实际角速度的数量为200个。如此，采集实际角速度的时间段的长度为0.1秒，即0.1秒执行一次控制参数的调整，这样的更新速率可以满足云台的控制要求，云台稳定效果好。

在一个实施例中，数值计算模块130获取计算得到的多个误差的平方和得到控制目标值。即本实施例中，控制目标是误差的平方和小于预设值。

在一个实施例中，频谱变换模块150根据误差进行FFT得到多个频率对应的变换值。

在一个实施例中，参数调整模块170包括第一计算单元(图未示)、第二计算单元(图未示)和设置单元(图未示)。第一计算单元用于计算小于或等于预设频率的各低频所对应的变换值的均方根误差，得到第一偏差。第二计算单元用于计算大于预设频率的各高频所对应的变换值的均方根误差，得到第二偏差。设置单元用于根据第一偏差、第二偏差和误差获取调整值，将云台控制器的控制参数设置为调整值。

通过对频域进行低频和高频的划分，分别根据低频的变换值和高频的变换值计算得到第一偏差和第二偏差，基于第一偏差、第二偏差和误差获取调整值以设置为新的控制参数，便于从频率分析扰动的类型并针对性地获取调整值，以提高控制参数的适应性和有效性，从而进一步提高云台控制器适应并抵抗不同类型外界扰动的抗干扰能力和鲁棒性。

在一个实施例中，设置单元在第一偏差大于预设的第一设定阈值且第二偏差大于预设的第二设定阈值时，根据误差、预设的第一系数、预设的第一基数和预设的控制量计算得到调整值；在第一偏差大于第一设定阈值且第二偏差小于或等于第二设定阈值时，根据误差、预设的第二系数、预设的第二基数和预设的控制量计算得到调整值；在第一偏差小于或等于第一设定阈值且第二偏差小于或等于第二设定偏差时，根据误差、预设的第三系数、预设的第三基数和预设的控制量计算得到调整值；将云台控制器的控制参数设置为调整值。

通过根据第一偏差和第二偏差从频域分析扰动的类型，并针对不同类型的扰动获取对应的调整值以设置控制参数，对控制参数进行更新，准确性高。

在一个实施例中，设置单元根据误差、预设的第一系数、预设的第一基数和预设的控制量计算得到调整值，包括：

其中，e(ω)i为第i个实际角速度与参考角速度的误差，M为实际角速度的总数，为调整值k的一阶倒数，-η1为第一系数，为中间参数y1的一阶倒数，第一基数包括α11和α12，u为控制量。y1的初始值为0。

同理，设置单元根据误差、预设的第二系数、预设的第二基数和预设的控制量计算得到调整值，包括：

其中，η2为第二系数，为中间参数y2的一阶倒数，第二基数包括α21和α22。y2的初始值为0。

设置单元根据误差、预设的第三系数、预设的第三基数和预设的控制量计算得到调整值，包括：

其中，-η3为第三系数，为中间参数y3的一阶倒数，第三基数包括α31和α32。y3的初始值为0。

具体地，η1、η2、θ1、θ2＞0，α11、α12、α21、α22＞0。其中，θ1为第一设定阈值，θ2为第二设定阈值。具体地，θ1、θ2、-η1、η2、-η3、u、α11、α12、α21、α22、α31和α32可以根据实际情况进行实验获取并预先存储。

在一个实施例中，提供了一种介质，存储有计算机程序，存储的计算机程序被处理器执行时实现上述云台控制器控制参数调整方法的步骤。具体地，介质为计算机可读存储介质。

在一个实施例中，提供了一种云台控制器，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述云台控制器控制参数调整方法的步骤。

上述介质和云台控制器，由于实现了上述云台控制器控制参数调整方法，同理，可使云台控制器在各种复杂扰动环境下均能有效抵抗扰动，抗干扰能力和鲁棒性高。

在一应用例中，将上述云台控制器控制参数调节方法或云台控制器控制参数调节装置应用于云台控制器，算法流程图如图4，图4中e表示e(ω)，云台控制的工作原理示意图如图5所示。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。