云台控制方法及云台与流程

本发明涉及云台领域，具体涉及一种云台控制方法及云台。

背景技术：

云台是一种设计灵巧的设备载体，通常用来搭载其他设备，它具有提供负载能力、补偿扰动并稳定设备、增加设备的自由度、扩展和延伸设备工作空间等作用。

如今云台应用领域逐步扩大，但是，云台本身的性能一直是亟待突破的瓶颈问题，其中包括但不仅限于响应速度、负载能力、定位精度、动态稳定性。如何在保证云台动态稳定性和负载能力的前提下，提高其控制精度和响应能力，一直是云台应用的制约因素，故而电机的控制就显得格外重要。通常，为了将云台应用在各种不同的场合需根据实际情况搭载不同的设备，而用于控制云台运行软件大都是写在无操作系统情况下的控制方法，这种方法往往只是执行特定功能的代码序列，少数方法能响应中断去应对较为复杂的情形，这些方法能够满足一般云台的应用需求；但仍有一些特殊的应用场合，其控制情形复杂多变，这就对控制云台运行的方法提出了较高的要求：要支持多任务、具有通信交互能力、能及时响应处理任务，也就是说要求云台趋于智能化。

技术实现要素：

本发明提供一种云台控制方法及云台，解决现有技术中的问题。

本发明提出的方案如下：

一种云台控制方法，获取云台目标姿态以明确运动目标，获取云台当前姿态以了解当前运动状态，判断云台姿态以便于产生不同的参数、实施不同的控制策略，使用包括算法、查表、设默认值方法中的至少一种方法确定电机依照电机控制过程运行的控制参数，然后根据电机控制参数控制电机运行或停止。

进一步的，具体包括以下步骤：

步骤s101，获取云台目标姿态；

步骤s102，获取云台当前姿态的原始数据；

步骤s103，云台姿态解算；

步骤s104，判断云台当前姿态是否满足：目标姿态-ε≤当前姿态≤目标姿态+ε，目标姿态的ε邻域用于描述目标姿态的误差范围或目标可接受域或目标稳定域；如果此步骤条件满足，则进入步骤s109令电机停止；如果此步骤条件不满足，则进入步骤s105；

步骤s105，判断云台当前姿态是否满足：目标姿态-α≤当前姿态≤目标姿态+α，目标姿态的α邻域为目标域，α的取值根据电机控制策略不同而不同；

步骤s106～s107，根据步骤s105的条件满足与否获取不同的用于控制电机的参数；

步骤s108，根据参数进行电机控制，控制后继续进行步骤s102。

进一步的，使用包括算法、查表、设默认值方法中的至少一种方法确定电机依照电机控制过程运行的控制参数，所述算法包括变论域模糊控制算法、模糊控制算法、模糊自适应pid控制算法或pid控制算法。

一种云台，包括机械支架和安装在机械支架上的载物装置、姿态传感器、电机、电机驱动器、控制器和存储器；所述的姿态传感器可选光电编码器、点位计或霍尔传感器；所述电机可选步进电机或伺服电机。

进一步的，载物装置的外形包括盒体、支架、底座、机械臂、平台、垂直壁或吊顶。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的云台控制方法可以使得云台响应速度较高、动态稳定性较好，同时能保证定位精度和负载能力的要求，能用来提升云台的整体性能；本发明的云台支持多任务、具有通信交互能力，为搭载其他设备或传感器提供了必要的软硬件接口，便于拓展应用领域。

附图说明

图1为本发明的一个实施例提供的云台控制方法的流程图。

图2为本发明一种算法实施例的示意图。

图3为本发明一种划分姿态域的实施例的示意图。

图4为本发明三种电机控制曲线的一个实施例的示意图。

图5为本发明一种云台关键硬件实施例结构图。

图6为本发明一种嵌入式云台操作系统实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。

本发明的技术方案可以应用于各种电动云台，该电动云台可以安置在固定或移动的装置或设备上，在本发明的实施例中不做限定。本发明实施例中的云台控制方法是一种通用技术，和特定云台无关，因此不考虑机械装置对姿态的限制。

如无特别说明，本发明实施例中所提及的“云台”或“云台系统”都特指电动云台；本发明所用的所有科学技术领域的术语都和本发明所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。应该理解，本发明的实施例中出现的“或”、“或者”、“/”具有相同的含义；所提及的“或”、“和”、“与”等类似连词连接的内容任意组合，都在本发明可能的实施例的考虑范围内。

图1展示了本发明的一个实施例提供的云台控制方法100的流程图。

步骤s101，获取云台目标姿态。

本发明的实施例中获取云台的目标姿态，通常情况下设置默认值(载物装置处于水平位置)，云台载物装置稳定在某一相对于地面的指定姿态，当搭载云台的装置或设备由于运动等因素而发生姿态改变时，导致云台载物装置相对于地面的姿态发生改变，此时云台电机转动，继续使云台载物装置保持默认设置的相对于地面的指定姿态。可选的，获取所述目标姿态的方式还包括但不局限于：网络通信(有线、无线)、串口通信、usb通信等几种方式；且获取的目标姿态值或默认值不局限于使云台的载物装置处于水平状态。

步骤s102，获取云台当前姿态的原始数据。

本发明的实施例中获取云台当前姿态的原始数据，通常情况下可以使用但不局限于i2c通信、isp通信的方式，通过控制器将姿态原始采样/测量数据从姿态传感器中读取并保存于控制器的寄存器中或保存于控制器可以访问的内存中。应该理解，使用某些姿态传感器可以直接获取所需要的姿态，为获取该姿态，步骤s101中用于获取目标姿态的方式也在考虑中，此时可以没有步骤s103。可选的，可以将该数据存储在外存/辅存中。可选的，可以获取一组云台静止时的姿态传感器原始数据，取平均值用来校准各个传感器的零点漂移。

步骤s103，云台姿态解算。

本发明的实施例中，把姿态传感器的原始测量数据解算成姿态信息的方法包括但不局限于欧拉角法、方向余弦法、四元数法几种方式；为了取得精确性更好的姿态信息对多种传感器的解算姿态进行数据融合，数据融合的方法包括但不局限于卡尔曼滤波、平滑滤波、互补滤波几种。应该理解，某些传感器例如陀螺仪需要数据的更新。

步骤s104，判断云台当前姿态是否满足：目标姿态-ε≤当前姿态≤目标姿态+ε？

本发明的实施例中，目标姿态的ε邻域用于描述目标姿态的误差范围或目标可接受域或目标稳定域，见图3，处于目标姿态的ε邻域时则可以认为云台已经到达目标姿态。因此，ε值可以用于控制云台的定位精度，同时ε的确定要保证：电机带动云台载物装置低速转动时，所获取的两次目标姿态之间的差值≤ε，否则电机带动云台载物装置经过目标姿态时，控制程序会切换脉冲的方向，出现近目标稳定域震颤现象。如果此步骤条件满足，则令电机停止s109，结束此次电机控制过程；如果不满足，则继续执行云台控制方法100的后续步骤s105～s108。

步骤s105，判断云台当前姿态是否满足：目标姿态-α≤当前姿态≤目标姿态+α？

本发明的实施例中，目标姿态的α邻域可以称为目标域，见图3，其功用根据步骤s108中的对电机具体控制策略不同有所不同，α的取值应根据实际情况决定，通常要求α≥ε>0。

步骤s106～s107，获取用于控制电机的参数。在该步骤中所提及的“pid控制器”、“模糊控制器”、“变论域控制器”中的“控制器”与“控制算法”不做区分。

本发明的实施例中，获取用于控制电机的参数方法可以是变论域模糊自适应pid控制算法，图2是该算法的一种实施例，此算法是在传统pid控制算法的基础上增加了由模糊控制器和变论域控制器构成的变论域模糊控制器而构成的。模糊控制器实施模糊控制，能够有效遏制各种扰动对系统产生的不利影响；变论域控制器以放大(或缩小)进出模糊控制器的值的方式来实现等效于缩小(或放大)论域的变化，以精细化(粗糙化)控制效果，进而强化系统对扰动的适应能力。此时的参数确定方程式变为kj＝kj+δkj(j＝p,i,d)，kj是预先整定好的p、i、d项的系数，δkj即为此体现自适应能力的优化量。变论域模糊控制器主要是为了优化pid控制算法的参数，其输入通常为e(当前姿态与目标姿态的差值)和ec(e的变化率)，输出为δkj，可以用于改善pid控制算法的控制效果。可选的，只用模糊控制器时输入也是e和ec，输出也是δkj，但此优化量效果往往不及前者。可选的，可以直接利用模糊控制器或者变论域模糊控制器控制电机运行。应该理解，模糊控制器、变论域控制器的或者变论域模糊控制器的输入与输出的参数的个数不局限于2或者3，也可以是其他正整数个。

进一步，若当前姿态距离目标姿态较远(处于目标的α或α+ε邻域之外)时(步骤s106)，宜采用电机控制曲线所描述的控制过程，图3是几种常见的电机控制曲线的实施例，此控制过程涉及到电机发生变速运行。其中，(a)为梯形(直线型)控制曲线；(b)为j型控制曲线；(c)为s型控制曲线。若此时电机驱动器中采用上位机控制模式，由控制器(mcu)发生脉冲或方向信号，则涉及到频繁改变脉冲的频率或者占空比，引起脉冲形状的变化，这种脉冲形状的改变在电机控制过程中的加/减速阶段出现的次数成为变速次数，是用于控制电机按照控制过程运行的重要参数。此外，电机启动速度、电机控制曲线中的各个阶段的保持时间、电机控制曲线中各个阶段曲线对应函数的系数等参数也同样重要。电机启动速度的选择应该能保证：电机输出转矩足够大，带动负载运行的同时不出现失步等使电机运行失稳的现象。其余参数的确定可以根据经过优化的pid控制算法(不局限于变论域模糊自适应pid控制算法)的输出量u(t)，见图2，来估计，并且可将实践经验或者当前所采用的控制曲线的函数模型作为估计的依据。此实施例中，α的取值设定为当前电机控制过程中的减速过程电机将要转动的长度或距离或角度。可选的，选取一个参数依靠算法输出量和该参数特点进行估计，其余参数保持不变或较小的变化幅度，以实行电机的控制过程。

在本发明的另一实施例中，可以直接凭借反复的践行“控制、调整”的方式，获取用于控制电机以控制曲线所描述的控制过程运行的参数，存储在表中，实际运行时以查表的方式取得控制参数而实现控制过程，这种情况下一般保持α不变。具体地，可以将目标姿态的α邻域以外的区域划分为多个姿态域，图3是一种姿态域划分是实施例；以每个姿态域作为一个采样点，反复多次可以取得使电机带动云台载物装置经过电机控制过程平稳运行到目标域的参数，记录在控制查询表中。各个姿态域的长度或范围要≤2α，且越小控制精度越好，但会导致姿态域太多，人工工作量过大，选择α既可以保证姿态域的数目不是过多，且控制精度也能得到保障。可选的，姿态域的划分可以不等分，各个姿态域之间可以关于目标姿态对称或不对称。

以上两种实施例中获得的电机控制参数都能使得电机带动云台的载物装置快速(或慢速)、稳定的转动到目标姿态域，且很可能落入目标姿态稳定域。但若没有落入目标姿态稳定域(步骤s107)，可以用较低的速度控制电机直接转动(匀速)或采用控制曲线描述的控制过程(变速)将云台载物装置转动到目标稳定域。可选的，可用之前的两种实施例中的方法确认电机控制参数，或者可以直接指定用于直接控制电机(不用电机控制过程)的较为可靠的参数，如最大启动速度。

在本发明的另一实施例中，可以只使用电机控制过程中的加速控制过程，使电机带动云台载物装置快速、平稳的达到需要的最大运行速度，其参数的获取方式见步骤s106介绍的两种实施例。接着后半部分的运行对电机采用直接控制的方式，其脉冲的频率或占空比主要由变论域模糊自适应pid控制算法的输出量决定，随着距离目标稳定域的距离减小，使得电机转动速度越慢，最终停止在目标稳定域。

步骤s108，云台电机控制。

在本发明的实施例中，电机控制的方法有直接控制和依照控制过程控制。直接控制，即使用控制器生产某一频率和占空比的脉冲直接控制电机，因此这种方法只能使电机匀速转动。依照控制过程控制电机，使用控制器产生一组控制频率或者占空比不同的脉冲，从而可以使得电机变速运动。本发明的某些实施例中提出使用频变频pwm调制技术发生脉冲到电机驱动器进而控制电机的运转。频变频pwm调制技术是pfm调制与pwm的结合，它不受频率或占空比(脉宽)的限制，只改变占空比则退化为常规pwm调制，只改变频率则退化为pfm调制。可选的，某些时候单纯改变占空比不能得到足够的脉宽，可以实施变频增宽操作。

步骤s109，云台电机停止转动。此时该当前控制的电机已经带动云台载物装置将当前轴的姿态调整为目标姿态，故而完成了此次控制过程。

应该理解，本发明的一种实施例提供的云台控制方法100是一种通用的云台控制控制方法，不局限于某些固定的硬件选择，也不受云台自由度的限制。

图5展示了本发明的一个实施例提供的云台关键硬件结构图，包括姿态传感器1、i2c/isp接口2、i2c/isp数据传输线3、控制器及相关外围设备4、脉冲信号线5、gpio引脚6、脉冲/方向信号线7、脉冲信号接收8、脉冲/方向信号接收9、电机驱动器10、控制信号线11、电机12等。

在本发明的某些实施例中，云台系统是专门化的嵌入式计算机系统，受机械结构限制，主要发挥云台的功用，并且采用嵌入式操作系统或嵌入式实时操作系统，支持多任务，具有设备间、程序间通信交互能力，能及时响应处理当前请求的任务；在此基础上，为云台搭载其他设备留以余地：硬件上，设备安置在载物装置上，软件上，编写适用于所用操作系统的设备驱动程序加载在内核空间中，用于程序对所搭载设备的控制，可以配合云台控制程序协调完成指定的任务。

在本发明的某些实施例中，姿态传感器1中具体使用的传感器，可以是但不局限于光电编码器、点位计、霍尔传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计；至少具有一组姿态传感器(用于测量姿态的多个传感器)，能够感知云台载物装置的姿态；可选的，可以使用多组姿态传感器，获取机械设计的所允许的最大自由度数目要求的姿态信息，或其他位置的姿态(如会发生位置变化的电机)，去校准载物装置的姿态或进行需要的操作。

在本发明的某些实施例中，控制器核心板应该具有嵌入式计算机所必要的硬件包括但不局限于：控制器、存储器(内存，外存)等芯片。所述的控制器包括但不局限于x86、x86_64、arm、powerpc、mips等架构，对于采用cisc和risc指令集不做约束；所述的存储器为一般嵌入式计算机使用的存储器，包括但不局限于ram、rom、flash、磁盘、光盘。

在本发明的某些实施例中，姿态传感器1与控制器核心板4之间的通信方式包括但不局限于i2c通信、isp通信等方式。

在本发明的某些实施例中，电机驱动器10和电机12是相对应的，如若采用伺服电机则选用伺服电机驱动器，并且所述的电机包括但不局限于步进电机、伺服电机。电机驱动器10与控制器核心板4之间的连接线有两根，其组合方式为：方向+脉冲、脉冲+脉冲。

图6所示的是一种嵌入式操作系统20的实施例，包括：启动加载程序21、操作系统内核22、文件系统23等几部分。

在本发明的某些实施例中，所述的启动加载程序21为启动并初始化一般嵌入式计算机系统硬件的程序，包括但不局限于：grub、u-boot、vivi。

在本发明的某些实施例中，所述的操作系统内核22包括但不局限于linux、wince、vxworks、μc/os。

在本发明的某些实施例中，所述的文件系统23为一般嵌入式文件系统，包括但与局限于cramfs、squashfs、jffs、yaffs、ext。

在本发明的某些实施例中，电机驱动程24序是调用操作系统提供的接口控制硬件从而驱动电机运行的系统层关键程序。电机驱动程序根据实际采用的电机而有所不同，但为了使应用层的云台控制软件25的适用性得以扩展，在驱动层提供统一的接口。可选的，可以在给出的针对不同电机的驱动程序中提供统一的接口，或者将驱动程序划分为接口层、实现层两个层次；可以根据本发明实施例的第一个方面提供的方法控制电机，也可以采用其他方法控制电机。

在本发明的某些实施例中，所述的专门化计算机系统可以提供某些正常情况下难以、不能体验到的服务。存在某些受限于资金、国策、科技、地理、环境等因素而不便于、不允许人或普通人到达的地点、实践的操作、买到的设备、采集的数据或其他体验的服务，云台服务的某些实施例使之成为可能。可选的，云台可以提供观察服务，此时云台搭载设备为声音、图像传感器等。可选的，云台可以提供射击、发射服务，该服务是在观察服务的基础上实施的，故除声音、图像传感器外，还应该具备但不限于弓、弩、跑、枪等装置。可选的，云台可以提供搬运、采样服务，具有智能特性的云台往往具备声音、图像传感器，可以分析识别所处的环境中需要移动的物件，因此需要捏合、拾取、抓取、套拿装置。应该理解，此时的云台可以是固定等、也可以是安置在移动装置或设备上的，云台可以提供的服务不应局限于此处所列的几种。

在本发明的某些实施例中，云台可以提供射击服务。图像传感器可以是天文望远镜，普通人不必要购买或买不起高级天文望远镜，有关部门可以在地面建立天文云台或将天文云台发射到太空中，通过网络的形式提供天文观测服务。

在本发明的某些实施例中，云台可以提供射击服务，为确保某些场所的安全，如银行，安装武装云台，以避免银行受到暴力攻击。

在本发明的某些实施例中，云台可以提供采样服务，为了检测某些水域的生化指标，安装采集云台，可以定时或不定时的采集水样，也可以采集满足某些指标的水样。