一种面向教学的光电稳定云台及其测试方法与流程

本发明涉及云台稳定测试领域，特别涉及一种面向教学的光电稳定云台及其测试方法。

背景技术：

光电稳定云台是搭载在飞机、舰船、车辆等移动载体上的光电设备，能够补偿载体运动过程中姿态变化引起的视轴晃动，保证运动成像的质量和观测效果。现有的光电稳定云台通常都是嵌入式集成电路板设计，功能固化，对外只具有图像输出、工作模式控制接口等输入输出接口，仅能够满足用户的使用需求。另一方面，光电稳定云台是伺服控制专业领域很典型的研究对象，但是很多本科或是研究生在课程中只有相关的书籍可以参考，实践中缺少一种可实验的教学仪器。

为促进光电行业的发展，满足高等教育实践教学的实际需求，迫切需要一种能够实现教学实验的新产品。作为教学装置，需要具备：可演示工作原理，可进行多种实验和测试、体积小、重量轻、开放程度高、实验简便、成本低等特点，还可以作为新产品开发的平台，用于产品研发。同时满足这些需求是较为困难的。中国专利(申请号201710245898.2)公开了一种面向实验教学的稳定平台测试装置及测试方法，需要采用程序控制的倾斜基座产生姿态干扰，系统复杂度高、成本高。中国专利(申请号201610545741.7)公开了一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，但系统考虑到传感器标定、生成扰动源等，而设计了可伸缩展翼、二维扰动基座装置等，且采用三轴速率转台装置作为稳定平台，体积重量难以控制，并且未述及控制系统的电气组成、没有光电成像装置，所能进行的教学实验有限。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种面向教学的光电稳定云台及其测试方法，可以为云台的稳定性教学提供所需的硬件基础，并通过嵌入式芯片演示多种伺服控制算法，方便教学演示。

第一方面，本发明提供一种面向教学的光电稳定云台，包括：照准架、集成控制电箱以及嵌入式工控机，所述照准架包括至少一组框架、设置在所述框架上的伺服电机、电机驱动模块、与所述伺服电机数量对应的轴角编码器、安装在所述框架上的图像采集模块以及用于测量所述图像采集模块运动数据的惯性测量模块，所述嵌入式工控机具有通信板卡和图像采集卡，所述嵌入式工控机通过所述通信板卡与所述集成控制电箱、所述电机驱动模块、所述图像采集模块以及所述惯性测量模块通信连接，所述嵌入式工控机利用所述图像采集卡将所述图像采集模块拍摄的图像信号进行采集处理。

可选地，所述框架包括握持支架，所述握持支架设置在框架的外表面。

可选地，所述框架上设有第一电气接口，所述电机驱动模块、所述惯性测量模块以及所述图像采集模块分别与所述第一电气接口电连接，所述第一电气接口与所述集成控制电箱电连接。

可选地，所述集成控制电箱包块市电接口、保险丝、防漏电保护模块、ac-dc模数转换模块、操纵杆、带灯按钮、嵌入式控制器以及第二电气接口，所述第二电气接口与所述第一电气接口电连接。

可选地，所述伺服电机采用无刷电机，所述轴角编码器与所述无刷电机共轴安装。

可选地，所述照准架采用三轴三框架、两轴两框架或两轴四框架的结构。

可选地，所述电机驱动模块包括电源电路、嵌入式芯片最小系统、逻辑电路、pwm电机驱动电路、电流采样电路以及运算放大电路，所述电机驱动模块的输出端与所述伺服电机电连接，所述电机驱动模块的输出端与所述轴角编码器电连接。

可选地，所述嵌入式工控机内置磁场定向控制算法，所述嵌入式工控机接收所述轴角编码器的角度反馈和所述电机驱动模块的电流反馈，并利用park逆变换对所述角度反馈和所述电流反馈进行处理输出α、β电压量，所述电机驱动模块根据所述α、β电压量生成pwm指令驱动所述伺服电机转动。

可选地，所述电机驱动模块程序包括adc采样主中断和外部通信接收中断，外部通信接收来自嵌入式工控机的电流指令和park逆变换的电压值，adc采样主中断通过读取电流反馈测量值和轴角编码器数据，同时向嵌入式工控机发送数据，当所述嵌入式工控机正在编写磁场定向控制算法，则接收park逆变换输出的电压值，生成pwm指令控制所述伺服电机转动，当所述电机驱动模块正在运行磁场定向控制算法，则接收电流指令闭环控制驱动所述伺服电机转动。

第二方面，本发明提供一种面向教学的光电稳定云台的测试方法，应用于如上述的面向教学的光电稳定云台，所述方法包括：

将稳定云台工作在惯性稳定工作状态中，通过握持支架以预定幅值、不同频率的晃动模拟外界干扰；

采集框架中惯性测量模块的惯性角速度数据ωgyro＝[ωx,ωy,ωz]和各个框架上轴角编码器的编码数据并存储；

通过框架结构之间的耦合关系，利用保存编码数据计算出等效的握持支架惯性运动角速度信号ωdisturb＝[ωxd,ωyd,ωzd]；

以握持支架的惯性角速度信号ωdisturb＝[ωxd,ωyd,ωzd]作为干扰输入数据，框架的惯性测量元件角速度信号ωgyro＝[ωx,ωy,ωz]作为输出数据，分别采用傅里叶变换对输入和输出信号做频谱分析得到两条频谱曲线；

在两条频谱曲线中等间距抽取数个点，计算输出信号和输入信号幅值之比，将数个百分比数据连线得到惯性角速度隔离度在预设频段内的频率特性曲线。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的面向教学的光电稳定云台及其测试方法，可以为云台的稳定性教学提供所需的硬件基础，并且三相插头独立供电设计，可进行磁场定向控制、惯性稳定控制、速度和位置控制等伺服控制算法的教学演示，在嵌入式工控机上算法开发固定后，可移植到嵌入式芯片中进一步设计产品，方便教学演示，提高演示效率。

附图说明

图1是本发明提供的面向教学的光电稳定云台的组成示意图；

图2是本发明提供的面向教学的光电稳定云台中三轴三框架照准架实施例结构示意图；

图3是本发明提供的面向教学的光电稳定云台中两轴两框架照准架实施例结构示意图；

图4是本发明提供的面向教学的光电稳定云台中两轴四框架照准架实施例结构示意图；

图5是本发明提供的面向教学的光电稳定云台中数据内容组成示意图；

图6是本发明提供的面向教学的光电稳定云台中电机驱动模块组成框图；

图7是本发明提供的面向教学的光电稳定云台中电机驱动模块程序流程图；

图8是本发明提供的面向教学的光电稳定云台中集成控制电箱组成示意图；

图9是本发明提供的面向教学的光电稳定云台中集成控制电箱中的嵌入式控制器的程序流程图；

图10是本发明提供的面向教学的光电稳定云台中嵌入式工控机实时程序流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明提供一种面向教学的光电稳定云台100，包括：照准架101、集成控制电箱以及嵌入式工控机，所述照准架包括至少一组框架、设置在所述框架上的伺服电机、电机驱动模块、与所述伺服电机数量对应的轴角编码器、安装在所述框架上的图像采集模块以及用于测量所述图像采集模块运动数据的惯性测量模块，所述嵌入式工控机具有通信板卡和图像采集卡，所述嵌入式工控机通过所述通信板卡与所述集成控制电箱、所述电机驱动模块、所述图像采集模块以及所述惯性测量模块通信连接，所述嵌入式工控机利用所述图像采集卡将所述图像采集模块拍摄的图像信号进行采集处理。

框架包括握持支架，所述握持支架设置在框架的外表面，握持支架可供实验人员手持进行晃动，使得框架产生姿态干扰，云台内部的图像和数据与嵌入式工控机相连。集成控制电箱上有操纵杆、按钮等操作装置可供实验人员操作，控制稳定云台工作。实验人员在嵌入式工控机上编写程序进行教学演示或控制理论实践等教学科目。

可选地，所述框架上设有第一电气接口，所述电机驱动模块、所述惯性测量模块以及所述图像采集模块分别与所述第一电气接口电连接，所述第一电气接口与所述集成控制电箱电连接。

可选地，所述伺服电机采用无刷电机，所述轴角编码器与所述无刷电机共轴安装。

结合图2、3或4所示，所述照准架101采用三轴三框架、两轴两框架或两轴四框架的结构，图2中三轴三框架包括方位轴、方位驱动无刷电机、方位框架、惯性测量模块、图像采集模块、俯仰驱动无刷电机、俯仰轴、俯仰框架。横滚框架、横滚驱动无刷电机以及横滚轴，图3中两轴两框架包括惯性测量模块、图像采集模块、方位轴、照准架以及俯仰轴，图4中两轴四框架包括外方位驱动无刷电机、内方位轴、外方位轴、照准架、内方位驱动无刷电机、惯性测量模块、图像采集模块、外俯仰轴、外俯仰驱动无刷电机、内俯仰轴以及内俯仰驱动无刷电机，对于选择何种框架可根据实验需求灵活进行，无论采用哪种结构，在每一个框架转动轴上都有一个无刷电机，一个电机驱动模块和一个轴角编码器。惯性测量单元和摄像机模块都安装在内框架中，分别采集惯性姿态信息和图像信息。

无论采用几框架结构，每个转动框架上均装有一个无刷电机驱动该框架旋转。所述轴角编码器与所述无刷电机采用共轴安装方式，直接测量无刷电机的转角，采用绝对式轴角编码器来检测转动行程。所述电机驱动模块以dsp或者arm为核心，可通过上位机程序设定工作在电流开环或电流闭环模式，驱动无刷电机转动。所述惯性测量单元实时测量摄像机模块的惯性角速度和角姿态。所述摄像机模块安装在所述照准架内部，具有sdi高清图像输出接口，能够拍摄图像并接受外界指令进行变倍。

结合图8所示，所述集成控制电箱包块市电接口801、保险丝802、防漏电保护模块803、ac-dc模块804、操纵杆805、带灯按钮806、嵌入式控制器807以及第二电气接口808，所述第二电气接口808与所述第一电气接口电连接，集成控制电箱采用过流和漏电保护的独立化供电设计，只需要外接一个三相交流插头即可，方便教学演示。集成控制电箱一方面负责整个光电稳定云台100和自身的供电任务，另一方面可采集操纵杆指令，通过电气接口反馈到嵌入式工控机809中。所述的每一个带灯按钮可以单独负责一个框架轴的供电任务。

所述嵌入式工控机809内部装有通信板卡，能够接收所述轴电机驱动模块、所述惯性测量单元、所述摄像机模块和所述集成控制电箱发出的数据，并将运动控制量和控制指令发送给所述电机驱动模块。所述图像采集卡也安装在所述嵌入式工控机内部，用于将所述摄像机模块拍摄到的图像信号采集并显示出来。

可选地，所述电机驱动模块包括电源电路、嵌入式芯片最小系统、逻辑电路、pwm电机驱动电路、电流采样电路以及运算放大电路，所述电机驱动模块的输出端与所述伺服电机电连接，所述电机驱动模块的输出端与所述轴角编码器电连接。

可选地，所述嵌入式工控机内置磁场定向控制算法，实现磁场定向控制、惯性稳定控制和稳定云台速度及位置控制等实验。对于惯性稳定实验，所述实时控制算法能够根据实验数据计算视轴晃动的隔离度，对控制算法的有效性进行定量分析，所述嵌入式工控机接收所述轴角编码器的角度反馈和所述电机驱动模块的电流反馈，并利用park逆变换对所述角度反馈和所述电流反馈进行处理输出α、β电压量，所述电机驱动模块根据所述α、β电压量生成pwm指令驱动所述伺服电机转动。

如图5所示，稳定云台到嵌入式工控机的数据主要包括惯性测量模块和电机驱动模块，其中惯性测量单元的数据内容根据其协议解析即可，电机驱动模块到嵌入式工控机的数据主要包括轴角编码器的编码数据和电流反馈量，可分别作为速度、位置控制和磁场定向控制的反馈量。嵌入式工控机到无刷电机驱动模块的数据内容主要包括电流指令，电流开闭环标志，电机使能标志和park逆变换输出的α、β电压量，这样磁场定向控制算法可以在嵌入式工控机上编写，当程序固化后，可以将这部分内容固化到无刷电机驱动模块的嵌入式芯片中。集成控制电箱到嵌入式工控机的数据内容主要是操纵杆的控制指令，用于对稳定云台进行速度和位置控制。

可选地，所述电机驱动模块程序包括adc采样主中断和外部通信接收中断，外部通信接收来自嵌入式工控机的电流指令和park逆变换的电压值，adc采样主中断通过读取电流反馈测量值和轴角编码器数据，同时向嵌入式工控机发送数据，当所述嵌入式工控机正在编写磁场定向控制算法，则接收park逆变换输出的电压值，生成pwm指令控制所述伺服电机转动，当所述电机驱动模块正在运行磁场定向控制算法，则接收电流指令闭环控制驱动所述伺服电机转动。

当磁场定向控制算法开发成熟后，可将这一步固化到无刷电机驱动模块的嵌入式芯片中，只接收电流指令、开闭环标志和电机使能标志即可。

与无刷电机同轴安装的轴角编码器测量其相对转动角度，通过电气接口反馈到嵌入式工控机中，用于速度环和位置环的控制。

如图7所示，所述的电机驱动模块程序包括adc采样主中断和外部通信接收中断，外部通信接收来自嵌入式工控机的电流指令和park逆变换的电压值，主中断通过ad读取电流反馈测量值，通过通信接口读取轴角编码器数据，同时向嵌入式工控机发送数据。如果在嵌入式工控机上编写磁场定向控制算法，则接收park逆变换输出的电压值，生成pwm控制电机转动；如果在驱动模块的嵌入式芯片中运行磁场定向控制算法，则接收电流指令闭环控制驱动无刷电机转动，可通过程序设置开环或者闭环的工作方式，也可设置电机是否使能。

如图9所示所述的集成控制电箱程序经过初始化后，在主定时器中断里读取模拟操纵杆的电压值，向嵌入式工控机发送数据。

所述的嵌入式工控机通过图像采集板卡接收稳定云台的图像信息，通过数据通信板卡与稳定云台和集成控制电箱进行数据交换。在嵌入式工控机上可以编写实时控制程序，实现稳定云台的运动控制，运行数据的监控和图像显示的任务。如果将进一步开发产品，则可以将嵌入式工控机中的算法移植到嵌入式芯片中即可。

如图10所示，嵌入式工控机实时程序流程主要包括定时器主中断，与集成控制电箱通信中断，惯性测量单元的通信中断和多个电机驱动模块的通信中断。在主中断里接收上位机和集成控制电箱发送的控制指令，规划稳定云台的工作模式，针对各个框架的电机驱动模块规划速度和位置指令，再结合稳定云台中各个传感器数据，运行闭环控制算法和磁场定向控制算法，将数据发送到各个电机驱动模块，按上述流程循环执行，可以实现稳定云台惯性稳定、速度控制、位置控制等不同的工作模式。

本发明提供的面向教学的光电稳定云台，可以为云台的稳定性教学提供所需的硬件基础，并且三相插头独立供电设计，可进行磁场定向控制、惯性稳定控制、速度和位置控制等伺服控制算法的教学演示，在嵌入式工控机上算法开发固定后，可移植到嵌入式芯片中进一步设计产品，方便教学演示，提高演示效率。

本发明按照上述具体实施方式可以进行无刷电机磁场定向控制实验、摄像机惯性稳定控制实验、稳定云台速度和位置控制实验等。对于惯性稳定实验，所述实时控制算法能够根据实验数据计算视轴晃动的隔离度，对控制算法的有效性进行定量分析。相应地，本发明提供一种面向教学的光电稳定云台的测试方法，应用于如上述的面向教学的光电稳定云台，所述方法包括：

将稳定云台工作在惯性稳定工作状态中，通过握持支架以预定幅值、不同频率的晃动模拟外界干扰；

采集框架中惯性测量模块的惯性角速度数据ωgyro＝[ωx,ωy,ωz]和各个框架上轴角编码器的编码数据并存储，采集数据点数最好超过采样周期10倍，如果采样周期是1khz，优选保存10k以上的数据点；

通过框架结构之间的耦合关系，利用保存编码数据计算出等效的握持支架惯性运动角速度信号ωdisturb＝[ωxd,ωyd,ωzd]；

以握持支架的惯性角速度信号ωdisturb＝[ωxd,ωyd,ωzd]作为干扰输入数据，框架的惯性测量元件角速度信号ωgyro＝[ωx,ωy,ωz]作为输出数据，分别采用傅里叶变换对输入和输出信号做频谱分析得到两条频谱曲线；

在两条频谱曲线中等间距抽取数个点，计算输出信号和输入信号幅值之比，将数个百分比数据连线得到惯性角速度隔离度在预设频段内的频率特性曲线。

由于人手晃动的频段都在10hz以下，因此在得到的两条频谱曲线中等间距抽取数个点，计算输出信号和输入信号幅值之比，将数个百分比数据连线即可得到惯性角速度隔离度在0-10hz频段内的频率特性曲线。

采用上述方法分析速度隔离度的频率特性来对惯性稳定效果做定量分析。

本发明提供的面向教学的光电稳定云台的测试方法，可以为云台的稳定性教学提供所需的硬件基础，并且三相插头独立供电设计，可进行磁场定向控制、惯性稳定控制、速度和位置控制等伺服控制算法的教学演示，在嵌入式工控机上算法开发固定后，可移植到嵌入式芯片中进一步设计产品，方便教学演示，提高演示效率。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种面向教学的光电稳定云台及其测试方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。