專利名稱：一種框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及監(jiān)測設(shè)備研究領(lǐng)域，特別涉及一種框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用場合越來越多，尤其是在航空航拍、環(huán)境監(jiān)測、公安、消防、救援以及民用方面等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為了使攝像頭能夠?qū)崟r的根據(jù)需要進行多角度的調(diào)整，多自由度云臺應(yīng)運而生。多自由度云臺是將帶有CXD攝像機或紅外探測儀等設(shè)備安裝于云臺上，將云臺安裝于載機上，其中云臺上還設(shè)置有傳感 器，云臺控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器信號對攝像機或紅外探測儀的方位和俯仰位置進行控制。但是目前的多自由度云臺精度不高，對于一些精度要求較高的領(lǐng)域，例如軍事監(jiān)測等領(lǐng)域尚無法實現(xiàn)精確測量。目前，國內(nèi)外也進行了大量研究，有的精度不高，有的實現(xiàn)采用的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，體積大且笨重，不利于推廣應(yīng)用。因此，需要提供一種結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)方便、且成本低、精度高的多自由度云臺控制系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高的優(yōu)點。本發(fā)明還提供了一種基于上述框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)的控制方法，該方法具有控制精度高、實現(xiàn)方便的優(yōu)點。本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)一種框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)，包括第一支座安裝板、第二支座安裝板、外框架驅(qū)動電機、齒輪減速機構(gòu)、內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機、中框架稀土永磁直流力矩電機、傳感器模塊、內(nèi)框架、中框架、外框架和電機控制模塊，所述第一支座安裝板與外部固定連接，齒輪減速機構(gòu)設(shè)置在第一支座安裝板和第二支座安裝板上，外框架設(shè)置在第二支座安裝板上，外框架驅(qū)動電機通過驅(qū)動齒輪減速機構(gòu)進而驅(qū)動外框架進行方位角調(diào)節(jié)；中框架與外框架連接，中框架稀土永磁直流力矩電機用于驅(qū)動中框架進行俯仰角調(diào)節(jié)；內(nèi)框架與中框架連接，內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機用于驅(qū)動內(nèi)框架進行方位角調(diào)節(jié)；傳感器模塊包括3組傳感器，分別用于檢測內(nèi)框架、中框架、夕卜框架的位置和轉(zhuǎn)動速率，傳感器模塊與電機控制模塊相連，外框架驅(qū)動電機、內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機、中框架稀土永磁直流力矩電機均分別與電機控制模塊相連，電機控制模塊用于接收各個傳感器信號并根據(jù)信號向電機發(fā)出控制信號；內(nèi)框架內(nèi)固定設(shè)置一個安裝板，檢測裝置固定安裝在安裝板上。優(yōu)選的，所述外框架驅(qū)動電機為直流電機。優(yōu)選的，所述齒輪減速機構(gòu)包括第一減速齒輪和第二減速齒輪，第一減速齒輪和第二減速齒輪的傳動比為65 1-75 I。優(yōu)選的，所述第二支座安裝板和外框架通過螺栓連接；外框架驅(qū)動電機設(shè)置在第二支座安裝板上。安裝方便，且結(jié)構(gòu)較小。
優(yōu)選的，所述用于檢測外框架位置和轉(zhuǎn)動速率的位置傳感器和速率傳感器均固定設(shè)置在外框架中軸線與第一支座安裝板的交點處。優(yōu)選的，所述用于檢測中框架位置的位置傳感器固定在外框架與中框架連接處的外框架外側(cè)，用于檢測中框架轉(zhuǎn)動速率的速率傳感芯片固定設(shè)置在位置傳感器的表面，中框架稀土永磁直流力矩電機設(shè)置在外框架的另一側(cè)，其中位置傳感器與中框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。優(yōu)選的，所述用于檢測內(nèi)框架位置的位置傳感器固定在中框架與內(nèi)框架連接處中框架外側(cè)，用于檢測內(nèi)框架轉(zhuǎn)動速率的速率傳感芯片固定設(shè)置在位置傳感器的表面，內(nèi)框 架稀土永磁直流力矩電機設(shè)置在中框架的另一側(cè)，其中位置傳感器與內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。優(yōu)選的，所述內(nèi)框架、中框架和外框架均采用航空用碳纖維。航空用碳纖維的比重不到鋼的1/4，材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7 9倍，抗拉彈性模量為230 430Gpa亦高于鋼。一種基于上述框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟(I)對方位和俯仰角度的調(diào)節(jié)首先將待跟蹤拍攝的目標相對慣性空間坐標系的三維坐標與檢測裝置當(dāng)前相對于慣性坐標系的三維坐標進行比對，根據(jù)坐標差值再結(jié)合機構(gòu)運動學(xué)分析，利用矩陣坐標變換得出檢測裝置轉(zhuǎn)向目標位置所需的方位角和俯仰角度；然后將上述方位角與俯仰角度信息經(jīng)功率放大器放大后發(fā)送到外框架驅(qū)動電機和中框架稀土永磁直流力矩電機進行調(diào)節(jié)，外框架驅(qū)動電機根據(jù)方位角信息對方位進行調(diào)節(jié)，中框架稀土永磁直流力矩電機對俯仰角度進行調(diào)節(jié)；上述調(diào)節(jié)完成后，再次將待跟蹤拍攝目標的方位角度信息與當(dāng)前的角度信息進行比較得出新的方位角差值，如果此方位角差值不為0，則將此方位角差值經(jīng)功率放大器放大后發(fā)送到內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機，內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機對方位進行進一步調(diào)節(jié)；在上述調(diào)節(jié)過程中，各電機一旦完成目標的位置信息差值調(diào)節(jié)，則此電機停止運動，待所有電機均停止動作，則調(diào)節(jié)完成；(2)對速度的調(diào)節(jié)根據(jù)目標運動情況、拍攝圖像的質(zhì)量要求、目標與當(dāng)前檢測裝置三維位置信息，得出拍攝的最優(yōu)時間和所需轉(zhuǎn)過的方位角度和俯仰角度，進而得到最優(yōu)運行速度，速度大小的調(diào)節(jié)采用PWM的占空比可調(diào)的調(diào)節(jié)方式。優(yōu)選的，用于檢測外框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當(dāng)前外框架的位置信息，一旦當(dāng)前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則外框架驅(qū)動電機停止運動，實現(xiàn)方位角度的閉環(huán)調(diào)節(jié)；用于檢測中框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當(dāng)前中框架的位置信息，一旦當(dāng)前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則中框架稀土永磁直流力矩電機停止運動，實現(xiàn)俯仰角度的閉環(huán)調(diào)節(jié)；用于檢測內(nèi)框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當(dāng)前內(nèi)框架的位置信息，一旦當(dāng)前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機停止運動，實現(xiàn)方位角度的閉環(huán)調(diào)節(jié)。采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，使控制精度更高。優(yōu)選的，所述速度調(diào)節(jié)采用閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，即將計算出的最優(yōu)運行速度作為速度閉環(huán)系統(tǒng)的輸入速度，在運動過程中對各個框架運行速度進行實時檢測作為系統(tǒng)反饋，將二者之間的速度差值經(jīng)過PWM功率放大后去調(diào)節(jié)對應(yīng)電機的運行速度。更進一步的，所述方位和俯仰角度的調(diào)節(jié)、速度的調(diào)節(jié)采用位置、速度雙閉環(huán)串級調(diào)節(jié)，其中位置調(diào)節(jié)器的輸出作為速度調(diào)節(jié)的輸入。本發(fā)明與 現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果I、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)量少，加工制造容易，重量輕，機械強度高，不存在動力學(xué)耦合，能夠抗擊風(fēng)阻和載體姿態(tài)變化所產(chǎn)生的擾動，通過控制方位角和俯仰角度，保持視軸穩(wěn)定。框架起到載機和攝像儀或光學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)上的連接作用和隔離擾動的作用。適用于航空航天，航拍或監(jiān)測等領(lǐng)域，可用于高空探測和災(zāi)情監(jiān)測等。2、本發(fā)明中各框架均采用直流電機直接驅(qū)動，減少了中間傳動環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的效率，同時提高了機械結(jié)構(gòu)的剛度，有利于抗擊擾動和振動。3、本發(fā)明中采用稀土永磁直流力矩電機直接驅(qū)動，傳動效率高，轉(zhuǎn)動慣量小，機電時間常數(shù)小，快速啟動性能好。能夠長時間工作在堵轉(zhuǎn)，實現(xiàn)無級調(diào)速且調(diào)速范圍寬，能夠?qū)崿F(xiàn)方位和俯仰的精確快速控制。


圖I是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明裝置中齒輪傳動機構(gòu)處的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明方法的控制流程圖；圖4是本發(fā)明方法中位置閉環(huán)調(diào)節(jié)原理圖；圖5是本發(fā)明方法中速度最優(yōu)解算原理示意圖；圖6是本發(fā)明方法中速度閉環(huán)調(diào)節(jié)原理圖；圖7是本發(fā)明方法中位置、速度雙閉環(huán)調(diào)節(jié)原理圖；圖8是本發(fā)明裝置中稀土永磁直流力矩電機H橋驅(qū)動原理圖。圖1-2中101-第一支座安裝板、102-第二支座安裝板、201-第一組傳感器模塊、202-第二組傳感器模塊、203-第三組傳感器模塊、301-外框架驅(qū)動電機、302-中框架稀土永磁直流力矩電機、303-內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機、401-齒輪減速機構(gòu)、4011-第一減速齒輪、4012-第二減速齒輪、501-外框架、502-中框架、503-內(nèi)框架。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例I如圖I所示，一種框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)，包括第一支座安裝板101、第二支座安裝板102、外框架驅(qū)動電機301、齒輪減速機構(gòu)401、內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機303、中框架稀土永磁直流力矩電機302、傳感器模塊、內(nèi)框架503、中框架502、外框架501和電機控制模塊，所述第一支座安裝板101與外部固定連接，齒輪減速機構(gòu)401設(shè)置在第一支座安裝板101和第二支座安裝板102上，外框架501設(shè)置在第二支座安裝板102上，外框架驅(qū)動電機301通過驅(qū)動齒輪減速機構(gòu)401進而驅(qū)動外框架501進行方位角調(diào)節(jié)；中框架502與外框架501連接，中框架稀土永磁直流力矩電機302用于驅(qū)動中框架502進行俯仰角調(diào)節(jié)；內(nèi)框架503與中框架502連接，內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機303用于驅(qū)動內(nèi)框架503進行方位角調(diào)節(jié)。傳感器模塊包括3組傳感器，第一組傳感器模塊201用于檢測外框架的位置和轉(zhuǎn)動速率，第二組傳感器模塊202用于檢測中框架的位置和轉(zhuǎn)動速率，第三組傳感器模塊203用于檢測內(nèi)框架的位置和轉(zhuǎn)動速率，傳感器模塊與電機控制模塊相連，外框架驅(qū)動電機301、內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機303、中框架稀土永磁直流力矩電機302均分別與電機控制模塊相連，電機控制模塊用于接收各個傳感器信號并根據(jù)信號向電機發(fā)出控制信號；內(nèi)框架503內(nèi)固定設(shè)置一個安裝板，檢測裝置固定安裝在安裝板上。檢測裝置可以為攝像機或光學(xué)傳感器等。
本實施例中，所述外框架驅(qū)動電機301為直流電機。所述電機控制模塊采用AVRmegal6L芯片，用于檢測位置的位置傳感器采用SAKAE電位器，用于檢測轉(zhuǎn)動速率的速率傳感器采用ENC-03M型角速度傳感器，采用功率驅(qū)動芯片L298N驅(qū)動電機。如圖2所示，所述齒輪減速機構(gòu)401包括第一減速齒輪4011和第二減速齒輪4012，第一減速齒輪4011和第二減速齒輪4012的傳動比為65 I。根據(jù)實際要求，此傳動比可在65 1-75 I之間進行選擇。如圖I所示，本實施例中，所述第二支座安裝板102和外框架501通過螺栓連接；外框架驅(qū)動電機301設(shè)置在第二支座安裝板102上。安裝方便，且結(jié)構(gòu)較小。如圖I所示，所述用于檢測外框架位置和轉(zhuǎn)動速率的第一組傳感器模塊201均固定設(shè)置在外框架501中軸線與第一支座安裝板101的交點處。所述第二組傳感器模塊202中用于檢測中框架502位置的位置傳感器固定在外框架501與中框架502連接處的外框架外側(cè)，第二組傳感器模塊202中用于檢測中框架轉(zhuǎn)動速率的速率傳感芯片固定設(shè)置在位置傳感器的表面，中框架稀土永磁直流力矩電機302設(shè)置在外框架的另一側(cè)，其中位置傳感器與中框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。所述第三組傳感器模塊203中用于檢測內(nèi)框架位置的位置傳感器固定在中框架502與內(nèi)框架503連接處中框架外側(cè)，第三組傳感器模塊203中用于檢測內(nèi)框架轉(zhuǎn)動速率的速率傳感芯片固定設(shè)置在位置傳感器的表面，內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機303設(shè)置在中框架502的另一側(cè)，其中位置傳感器與內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。本實施例中，所述內(nèi)框架503、中框架502和外框架501均采用航空用碳纖維。航空用碳纖維的比重不到鋼的1/4，材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7 9倍，抗拉彈性模量為230 430Gpa亦高于鋼。如圖3所示，一種基于上述框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟(I)對方位和俯仰角度的調(diào)節(jié)首先將待跟蹤拍攝的目標相對慣性空間坐標系的三維坐標與檢測裝置當(dāng)前相對于慣性坐標系的三維坐標進行比對，根據(jù)坐標差值再結(jié)合機構(gòu)運動學(xué)分析，利用矩陣坐標變換得出檢測裝置轉(zhuǎn)向目標位置所需的方位角和俯仰角度；然后將上述方位角與俯仰角度信息經(jīng)功率放大器放大后發(fā)送到外框架驅(qū)動電機和中框架稀土永磁直流力矩電機進行調(diào)節(jié)，外框架驅(qū)動電機根據(jù)方位角信息對方位進行調(diào)節(jié)，中框架稀土永磁直流力矩電機對俯仰角度進行調(diào)節(jié)；上述調(diào)節(jié)完成后，再次將待跟蹤拍攝目標的方位角度信息與當(dāng)前的角度信息進行比較得出新的方位角差值，如果此方位角差值不為O，則將此方位角差值經(jīng)功率放大器放大后發(fā)送到內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機，內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機對方位進行進一步調(diào)節(jié)；在上述調(diào)節(jié)過程中，各電機一旦完成目標的位置信息差值調(diào)節(jié)，則此電機停止運動，待所有電機均停止動作，則調(diào)節(jié)完成；(2)對速度的調(diào)節(jié)根據(jù)目標運動情況、拍攝圖像的質(zhì)量要求、目標與當(dāng)前檢測裝置三維位置信息，得出拍攝的最優(yōu)時間和所需轉(zhuǎn)過的方位角度和俯仰角度，進而得到最優(yōu)運行速度，速度大小的調(diào)節(jié)采用PWM的占空比可調(diào)的調(diào)節(jié)方式。本實施例中，位置調(diào)節(jié)是采用如圖4所示的閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，具體是，用于檢測外框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當(dāng)前外框 架的位置信息，一旦當(dāng)前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則外框架驅(qū)動電機停止運動，實現(xiàn)方位角度的閉環(huán)調(diào)節(jié)；用于檢測中框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當(dāng)前中框架的位置信息，一旦當(dāng)前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則中框架稀土永磁直流力矩電機停止運動，實現(xiàn)俯仰角度的閉環(huán)調(diào)節(jié)；用于檢測內(nèi)框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當(dāng)前內(nèi)框架的位置信息，一旦當(dāng)前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機停止運動，實現(xiàn)方位角度的閉環(huán)調(diào)節(jié)。采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，使控制精度更高。同時，本實施例中所述速度調(diào)節(jié)也采用閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，具體是首先如圖5所示，根據(jù)跟蹤拍攝目標運動的規(guī)律(可能是無規(guī)律的運動，可以根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，得出其運動規(guī)律)、拍攝圖像質(zhì)量的要求來計算出跟蹤拍攝的最優(yōu)時間；同時根據(jù)跟蹤目標的三維坐標信息、當(dāng)前拍攝裝置的三維坐標信息(也可用最后一次完成跟蹤的拍攝裝置的三維坐標信息來替代)，再運用機構(gòu)運動學(xué)知識及坐標變換原理得到需要調(diào)整的方位角度和俯仰角度；最后根據(jù)上述得到的信息計算出最優(yōu)運行速度；然后采用如圖6所示的速度閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，即將計算出的最優(yōu)運行速度Vi作為速度閉環(huán)系統(tǒng)的輸入速度，在運動過程中對各個框架運行速度Vtl進行實時檢測作為系統(tǒng)反饋，將二者之間的速度差值經(jīng)過PWM功率放大后去調(diào)節(jié)對應(yīng)電機的運行速度。整個速度調(diào)節(jié)過程可以看作系統(tǒng)的調(diào)速優(yōu)化，是一個及時性跟蹤拍攝系統(tǒng)。本實施例中，方位和俯仰角度的調(diào)節(jié)、速度的調(diào)節(jié)采用如圖7所示的位置、速度雙閉環(huán)串級調(diào)節(jié)，其中位置調(diào)節(jié)器的輸出作為速度調(diào)節(jié)的輸入。通過實時檢測各個電機和框架的運行速度和位置，然后將位置反饋給位置調(diào)節(jié)控制器，將速度反饋到速度調(diào)節(jié)控制器，根據(jù)反饋信號共同實現(xiàn)調(diào)節(jié)。如圖8所示，內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機、中框架稀土永磁直流力矩電機中的H橋驅(qū)動原理通過對四個功率開關(guān)(V1、V2、V3、V4)的導(dǎo)通和關(guān)斷來控制電機的速度和方向的，通過一組開關(guān)(V1、V4)與另一組開關(guān)(V2、V3)可以改變流過直流電機兩端的電源極性，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。當(dāng)開關(guān)(V1、V4)導(dǎo)通，另一組開關(guān)(V2、V3)斷開時，電源電流從電機A端流向B端，假設(shè)電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)開關(guān)(V2、V3)導(dǎo)通，另一組開關(guān)(V1、V4)斷開時，電源電流從電機B端流向A端，則電機反轉(zhuǎn)。四個功率開關(guān)(V1、V2、V3、V4)的控制采用PWM信號來控制，將方波信號加在電機電樞的兩端，通過固定周期調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來改變電機電樞上的平均電壓，控制電機的轉(zhuǎn)速或方向。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制， 其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)，其特征在于，包括第一支座安裝板、第二支座安裝板、外框架驅(qū)動電機、齒輪減速機構(gòu)、內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機、中框架稀土永磁直流力矩電機、傳感器模塊、內(nèi)框架、中框架、夕卜框架和電機控制模塊，所述第一支座安裝板與外部固定連接，齒輪減速機構(gòu)設(shè)置在第一支座安裝板和第二支座安裝板上，外框架設(shè)置在第二支座安裝板上，外框架驅(qū)動電機通過驅(qū)動齒輪減速機構(gòu)進而驅(qū)動外框架進行方位角調(diào)節(jié)；中框架與外框架連接，中框架稀土永磁直流力矩電機用于驅(qū)動中框架進行俯仰角調(diào)節(jié)；內(nèi)框架與中框架連接，內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機用于驅(qū)動內(nèi)框架進行方位角調(diào)節(jié)；傳感器模塊包括3組傳感器，分別用于檢測內(nèi)框架、中框架、外框架的位置和轉(zhuǎn)動速率，傳感器模塊與電機控制模塊相連，外框架驅(qū)動電機、內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機、中框架稀土永磁直流力矩電機均分別與電機控制模塊相連，電機控制模塊用于接收各個傳感器信號并根據(jù)信號向電機發(fā)出控制信號；內(nèi)框架內(nèi)固定設(shè)置一個安裝板，檢測裝置固定安裝在安裝板上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)，其特征在于，所述外框架驅(qū)動電機為直流電機；所述齒輪減速機構(gòu)包括第一減速齒輪和第二減速齒輪，第一減速齒輪和第二減速齒輪的傳動比為65 1-75 : I。..
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第二支座安裝板和外框架通過螺栓連接；外框架驅(qū)動電機設(shè)置在第二支座安裝板上； 所述用于檢測外框架位置和轉(zhuǎn)動速率的位置傳感器和速率傳感器均固定設(shè)置在外框架中軸線與第一支座安裝板的交點處。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)，其特征在于，所述用于檢測中框架位置的位置傳感器固定在外框架與中框架連接處的外框架外側(cè)，用于檢測中框架轉(zhuǎn)動速率的速率傳感芯片固定設(shè)置在位置傳感器的表面，中框架稀土永磁直流力矩電機設(shè)置在外框架的另一側(cè)，其中位置傳感器與中框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)，其特征在于，所述用于檢測內(nèi)框架位置的位置傳感器固定在中框架與內(nèi)框架連接處中框架外側(cè)，用于檢測內(nèi)框架轉(zhuǎn)動速率的速率傳感芯片固定設(shè)置在位置傳感器的表面，內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機設(shè)置在中框架的另一側(cè)，其中位置傳感器與內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)框架、中框架和外框架均采用航空用碳纖維。
7.一種基于權(quán)利要求I所述框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)的控制方法，，其特征在于，包括以下步驟 (I)對方位和俯仰角度的調(diào)節(jié)首先將待跟蹤拍攝的目標相對慣性空間坐標系的三維坐標與檢測裝置當(dāng)前相對于慣性坐標系的三維坐標進行比對，根據(jù)坐標差值再結(jié)合機構(gòu)運動學(xué)分析，利用矩陣坐標變換得出檢測裝置轉(zhuǎn)向目標位置所需的方位角和俯仰角度； 然后將上述方位角與俯仰角度信息經(jīng)功率放大器放大后發(fā)送到外框架驅(qū)動電機和中框架稀土永磁直流力矩電機進行調(diào)節(jié)，外框架驅(qū)動電機根據(jù)方位角信息對方位進行調(diào)節(jié)，中框架稀土永磁直流力矩電機對俯仰角度進行調(diào)節(jié)； 上述調(diào)節(jié)完成后，再次將待跟蹤拍攝目標的方位角度信息與當(dāng)前的角度信息進行比較得出新的方位角差值，如果此方位角差值不為O，則將此方位角差值經(jīng)功率放大器放大后發(fā)送到內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機，內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機對方位進行進一步調(diào)節(jié); 在上述調(diào)節(jié)過程中，各電機一旦完成目標的位置信息差值調(diào)節(jié)，則此電機停止運動，待所有電機均停止動作，則調(diào)節(jié)完成； (2)對速度的調(diào)節(jié)根據(jù)目標運動情況、拍攝圖像的質(zhì)量要求、目標與當(dāng)前檢測裝置三維位置信息，得出拍攝的最優(yōu)時間和所需轉(zhuǎn)過的方位角度和俯仰角度，進而得到最優(yōu)運行速度，速度大小的調(diào)節(jié)采用PWM的占空比可調(diào)的調(diào)節(jié)方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的框架式三自由度云臺控制方法，其特征在于，用于檢測外框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當(dāng)前外框架的位置信息，一旦當(dāng)前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則外框架驅(qū)動電機停止運動，實現(xiàn)方位角度的閉環(huán)調(diào)節(jié)； 用于檢測中框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當(dāng)前中框架的位置信息，一旦當(dāng)前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則中框架稀土永磁直流力矩電機停止運動，實現(xiàn)俯仰角度的閉環(huán)調(diào)節(jié)； 用于檢測內(nèi)框架位置的傳感器模塊實時地傳遞當(dāng)前內(nèi)框架的位置信息，一旦當(dāng)前的位置信息與待跟蹤拍攝的三維位置信息差值為零，則內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機停止運動，實現(xiàn)方位角度的閉環(huán)調(diào)節(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的框架式三自由度云臺控制方法，其特征在于，所述速度調(diào)節(jié)采用閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，即將計算出的最優(yōu)運行速度作為速度閉環(huán)系統(tǒng)的輸入速度，在運動過程中對各個框架運行速度進行實時檢測作為系統(tǒng)反饋，將二者之間的速度差值經(jīng)過PWM功率放大后去調(diào)節(jié)對應(yīng)電機的運行速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的框架式三自由度云臺控制方法，其特征在于，所述方位和俯仰角度的調(diào)節(jié)、速度的調(diào)節(jié)采用位置、速度雙閉環(huán)串級調(diào)節(jié)，其中位置調(diào)節(jié)器的輸出作為速度調(diào)節(jié)的輸入。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種框架式三自由度云臺控制系統(tǒng)及其控制方法，該系統(tǒng)包括外、中、內(nèi)三個框架、控制各個框架動作的電機、齒輪減速機構(gòu)、用于位置和速度檢測的傳感器模塊。其特殊之處是云臺的方位微調(diào)和俯仰控制都是采用的稀土永磁直流力矩電機直接驅(qū)動。外框架采用普通直流電機和一對減速齒輪機構(gòu)實現(xiàn)方位粗調(diào)，由稀土永磁直流力矩電機直接驅(qū)動的中框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)拍攝裝置的俯仰運動控制，由稀土永磁直流力矩電機直接驅(qū)動的內(nèi)框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)拍攝裝置的方位微調(diào)。本發(fā)明還提供了一種基于上述系統(tǒng)的控制方法。本發(fā)明機械強度大，抗振動特性好，穩(wěn)像性能好，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，適用于航空拍攝以及多種航天應(yīng)用。
文檔編號H04N5/232GK102621995SQ20121010189
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者尹選春, 張征, 張鐵民 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)