云臺控制方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及云臺技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種云臺控制方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 云臺是安裝、固定像機的支撐設(shè)備，三軸云臺可以控制相機進行俯仰、橫滾、航向 三個軸線的動作，具有很高的靈活性。
[0003] 三軸云臺固定在無人機上，作為機載相機的載體，可以用來隔離擾動，保證無人機 機載相機的視軸穩(wěn)定。理想狀態(tài)下，在相機拍攝的過程中，無人機始終保持水平、勻速地飛 行，并且還要保持無人機姿態(tài)的穩(wěn)定，三軸云臺控制相機達到目標(biāo)姿態(tài)，使機載相機視軸能 夠均勻地掃描地面，從而能夠獲得高質(zhì)量、無失真的圖像。
[0004] 但是，實際中存在著許多非線性干擾因素，空中的風(fēng)速、氣流以及風(fēng)向的變化都會 引起無人機的姿態(tài)發(fā)生變化，且當(dāng)無人機體積越小、重量越輕時，這種影響就越為嚴(yán)重。無 人機姿態(tài)變化的直接影響是三軸云臺受到干擾不穩(wěn)定，若三軸云臺控制精度差，則不能有 效隔離無人機的擾動，從而導(dǎo)致負載的相機光軸會產(chǎn)生抖動，獲得的圖像發(fā)生畸變。
[0005] 因此，三軸云臺控制精度越高，機載相機獲取的圖像的質(zhì)量就越清晰。但是，當(dāng)前 的三軸云臺控制精度較差，就會導(dǎo)致不能夠精確調(diào)整相機姿態(tài)達到目標(biāo)姿態(tài)，不能有效隔 離機體的擾動，自穩(wěn)效果差，無法保障云臺負載相機的成像質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的主要目的在于提供一種云臺控制方法和裝置，旨在解決云臺控制不精 確、自穩(wěn)效果差的技術(shù)問題。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種云臺控制方法，所述云臺控制方法包括以下步 驟：
[0008] 獲取云臺上被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)、固定端當(dāng)前狀態(tài)，以及固定端與被控端 的轉(zhuǎn)動慣量比；
[0009] 根據(jù)所述被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)、固定端當(dāng)前狀態(tài)，以及固定端與被控端的 轉(zhuǎn)動慣量比，計算獲取控制被控端的有效機械能；
[0010] 根據(jù)所述有效機械能，控制所述被控端保持在穩(wěn)定狀態(tài)。
[0011] 優(yōu)選的，所述獲取云臺上被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)、固定端當(dāng)前狀態(tài)，以及固定 端與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比的步驟包括：
[0012] 獲取被控端的角速度和姿態(tài)四元數(shù)；
[0013] 根據(jù)所述被控端的姿態(tài)四元數(shù)，獲取被控端的旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0014] 根據(jù)所述被控端的旋轉(zhuǎn)矩陣，獲取被控端的歐拉角，得到被控端當(dāng)前姿態(tài)；
[0015] 獲取被控端的目標(biāo)姿態(tài)角和目標(biāo)角速度，作為被控端目標(biāo)狀態(tài)；
[0016] 獲取固定端的角速度和姿態(tài)角，作為固定端當(dāng)前狀態(tài)；
[0017] 獲取固定端與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比。
[0018] 優(yōu)選的，所述根據(jù)所述被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)、固定端當(dāng)前狀態(tài)，以及固定端 與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比，計算獲取控制被控端的有效機械能的步驟包括：
[0019] 根據(jù)所述被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，以及固定端當(dāng)前狀態(tài)，獲取控制被控端的 補償角速度；
[0020] 根據(jù)所述控制被控端的補償角速度、固定端與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比以及固定端當(dāng) 前狀態(tài)，計算獲取控制被控端的有效機械能。
[0021] 優(yōu)選的，所述根據(jù)所述被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，以及固定端當(dāng)前狀態(tài)，獲取控 制被控端的補償角速度的步驟包括：
[0022] 根據(jù)所述固定端當(dāng)前狀態(tài)獲取固定端在云臺電機軸上的角速度；
[0023] 根據(jù)所述被控端當(dāng)前姿態(tài)和目標(biāo)姿態(tài)，獲取姿態(tài)角差值；
[0024] 根據(jù)所述被控端的當(dāng)前狀態(tài)、固定端在云臺電機軸上的角速度和所述姿態(tài)角差 值，獲取控制被控端的補償角速度。
[0025] 優(yōu)選的，所述根據(jù)所述有效機械能，控制所述被控端保持在穩(wěn)定狀態(tài)的步驟包 括：
[0026] 根據(jù)所述有效機械能，獲取控制所述被控端的目標(biāo)電流；
[0027] 根據(jù)所述目標(biāo)電流，通過云臺電機軸控制所述被控端保持在穩(wěn)定狀態(tài)。
[0028] 此外，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種云臺控制裝置，所述云臺控制裝置包 括：
[0029] 獲取模塊，用于獲取云臺上被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)、固定端當(dāng)前狀態(tài)，以及固 定端與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比；
[0030] 計算模塊，用于根據(jù)所述被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)、固定端當(dāng)前狀態(tài)，以及固定 端與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比，計算獲取控制被控端的有效機械能；
[0031] 控制模塊，用于根據(jù)所述有效機械能，控制所述被控端保持在穩(wěn)定狀態(tài)。
[0032] 優(yōu)選的，所述獲取模塊包括：
[0033] 傳感單元，用于獲取被控端的角速度和姿態(tài)四元數(shù)；
[0034] 矩陣單元，用于根據(jù)所述被控端的姿態(tài)四元數(shù)，獲取被控端的旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0035] 姿態(tài)單元，用于根據(jù)所述被控端的旋轉(zhuǎn)矩陣，獲取被控端的歐拉角，得到被控端當(dāng) 前姿態(tài)；
[0036] 獲取單元，用于獲取被控端的目標(biāo)姿態(tài)角和目標(biāo)角速度，作為被控端目標(biāo)狀態(tài)；獲 取固定端與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比；
[0037] 所述傳感單元還用于，獲取固定端的角速度和姿態(tài)角，作為固定端當(dāng)前狀態(tài)。
[0038] 優(yōu)選的，所述計算模塊包括：
[0039] 速度計算單元，用于根據(jù)所述被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，以及固定端當(dāng)前狀態(tài)， 獲取控制被控端的補償角速度；
[0040] 能量計算單元，用于根據(jù)所述控制被控端的補償角速度、固定端與被控端的轉(zhuǎn)動 慣量比以及固定端當(dāng)前狀態(tài)，計算獲取控制被控端的有效機械能。
[0041] 優(yōu)選的，所述速度計算單元包括：
[0042] 干擾子單元，用于根據(jù)所述固定端當(dāng)前狀態(tài)獲取固定端在云臺電機軸上的角速 度；
[0043] 差值子單元，用于根據(jù)所述被控端當(dāng)前姿態(tài)和目標(biāo)姿態(tài)，獲取姿態(tài)角差值；
[0044] 補償子單元，用于根據(jù)所述被控端的當(dāng)前狀態(tài)、固定端在云臺電機軸上的角速度 和所述姿態(tài)角差值，獲取控制被控端的補償角速度。
[0045] 優(yōu)選的，所述控制模塊包括：
[0046] 電流單元，用于根據(jù)所述有效機械能，獲取控制所述被控端的目標(biāo)電流；
[0047] 控制單元，用于根據(jù)所述目標(biāo)電流，通過云臺電機軸控制所述被控端保持在穩(wěn)定 狀態(tài)。
[0048] 本發(fā)明實施例提出的一種云臺控制方法和裝置，通過獲取的云臺上被控端當(dāng)前狀 態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，固定端當(dāng)前狀態(tài)，以及固定端與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比，計算得到控制被控端 的有效機械能，根據(jù)該有效機械能控制所述被控端，使被控端達到目標(biāo)姿態(tài)并保持在穩(wěn)定 狀態(tài)，實現(xiàn)了對云臺的精確控制，有效隔離機體擾動，達到了云臺自穩(wěn)控制效果，保障了云 臺負載相機的成像質(zhì)量。
【附圖說明】
[0049] 圖1為本發(fā)明云臺控制方法第一實施例的流程示意圖；
[0050] 圖2為本發(fā)明云臺控制方法第二實施例的流程示意圖；
[0051] 圖3為本發(fā)明云臺控制方法第三實施例的流程示意圖；
[0052] 圖4為本發(fā)明云臺控制方法第四實施例的流程示意圖；
[0053] 圖5為本發(fā)明云臺控制方法第五實施例的流程示意圖；
[0054] 圖6為本發(fā)明云臺控制裝置第一實施例的功能模塊示意圖；
[0055] 圖7為本發(fā)明云臺控制裝置第二實施例的功能模塊示意圖；
[0056] 圖8為本發(fā)明云臺控制裝置第三實施例的功能模塊示意圖；
[0057] 圖9為本發(fā)明云臺控制裝置第四實施例的功能模塊示意圖；
[0058] 圖10為本發(fā)明云臺控制裝置第五實施例的功能模塊示意圖。
[0059] 本發(fā)明目的的實現(xiàn)、功能特點及優(yōu)點將結(jié)合實施例，參照附圖做進一步說明。
【具體實施方式】
[0060] 應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0061] 本發(fā)明實施例的主要解決方案是：獲取云臺上被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)、固定 端當(dāng)前狀態(tài)，以及固定端與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比；根據(jù)所述被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)、固 定端當(dāng)前狀態(tài)，以及固定端與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比，計算獲取控制被控端的有效機械能；根 據(jù)所述有效機械能，控制所述被控端保持在穩(wěn)定狀態(tài)。
[0062] 由于現(xiàn)有技術(shù)對云臺的控制精確度差，不能夠精確調(diào)整相機姿態(tài)達到的目標(biāo)姿 態(tài)，不能有效隔離機體產(chǎn)生的擾動，自穩(wěn)效果差。因此，在機體的擾動下云臺不能夠保持相 機狀態(tài)的穩(wěn)定，也無法保障機載相機的成像質(zhì)量。
[0063] 本發(fā)明提供一種解決方案，采集飛行器（也即與飛行器固定的那部分云臺）和負 載相機的狀態(tài)（包括姿態(tài)和速度）信息，通過速度補償，獲取給與云臺電機軸的有效機械 能，通過云臺電機軸的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)動，控制相機達到目標(biāo)姿態(tài)，并保持相機在穩(wěn)定狀態(tài)。
[0064] 參照圖1，本發(fā)明云臺控制方法第一實施例提供一種云臺控制方法，所述云臺控制 方法包括：
[0065] 步驟S10、獲取云臺上被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)、固定端當(dāng)前狀態(tài)，以及固定端 與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比。
[0066] 本實施例方案主要應(yīng)用于三軸云臺中，當(dāng)然也不限于其他具有精確控制處理需求 的單軸或二軸云臺。云臺可應(yīng)用于飛行器、汽車、輪船、機器人、人體等，例如：當(dāng)云臺應(yīng)用于 飛行器時，為機載云臺，可負載拍攝設(shè)備或攝影設(shè)備，進行動態(tài)拍攝或動態(tài)攝影。
[0067] 本實施例以無人機三軸云臺進行舉例，三軸云臺固定在無人機體上，且三軸云臺 搭載有相機。其中，三軸云臺通過三個電機軸分別控制相機進行俯仰、橫滾和航向方向的轉(zhuǎn) 動，具體的：俯仰電機軸控制相機進行俯仰轉(zhuǎn)動，橫滾電機軸控制相機進行橫滾轉(zhuǎn)動，航向 電機軸控制相機進行航向轉(zhuǎn)動。
[0068] 本實施例在75Γ臺啟動后，首先進行彳目息米集：獲取被控端當(dāng)前狀態(tài)、固定端當(dāng)前狀 態(tài)；獲取被控端目標(biāo)狀態(tài)，獲取固定端與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比。
[0069] 其中，被控端為云臺負載相機部分，與被控端相對，固定端可以為與無人機相連的 云臺部分，也可能包括與其剛性連接的無人機；以固定端為云臺進行舉例，云臺通過云臺上 的三個電機軸與被控端連接，分別控制被控端繞俯仰電機軸、橫滾電機軸和航向電機軸轉(zhuǎn) 動。
[0070] 具體的，作為一種實施方式，在云臺啟動后，被控端當(dāng)前姿態(tài)可以通過傳感器獲 得。被控端的當(dāng)前狀態(tài)包括：被控端的角速度和被控端的姿態(tài)（即被控端的歐拉角）。
[0071] 被控端目標(biāo)姿態(tài)為預(yù)先設(shè)置的，可以直接獲取。被控端目標(biāo)狀態(tài)包括：被控端的目 標(biāo)姿態(tài)角和目標(biāo)角速度。
[0072] 固定端當(dāng)前狀態(tài)可以通過傳感器獲得。固定端當(dāng)前狀態(tài)包括：固定端的角速度和 當(dāng)前姿態(tài)角。
[0073] 固定端與被控端的轉(zhuǎn)動慣量比為預(yù)設(shè)系數(shù)，可以通過測量得到。
[0074] 需要說明的是，傳感器可以為三軸陀螺儀和三軸加速度計，也可以為其他傳感器， 可根據(jù)實際需要靈活設(shè)置。
[0075] 步驟S20、根據(jù)所述被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)、固定端當(dāng)前狀態(tài)，以及固定端與 被控端的轉(zhuǎn)動慣量比，計算獲取控制被控端的有效機械能。
[0076] 在獲取被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，固定端當(dāng)前狀態(tài)，以及固定端與被控端的轉(zhuǎn) 動慣量比之后，通過計算獲取控制被控端的有效機械能。
[0077] 具體的，作為一種實施方式，首先，根據(jù)被控端當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，以及固定端 當(dāng)前狀態(tài)，獲取控制被控端的補償角速度，該補償角速度為：云臺電機軸轉(zhuǎn)動時所給予被控 端的補償角速度，能夠使被