本發(fā)明涉及一種相機云臺系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，自動穩(wěn)定相機云臺在航空拍攝等領(lǐng)域得到比較廣泛應(yīng)用，其目標(biāo)是保證拍攝時相機的實時穩(wěn)定性，從而保證相機的拍攝圖像的穩(wěn)定。但此類拍攝云臺的承載能力不大，一般做旋轉(zhuǎn)的角度也有限，且要求相機的質(zhì)心與調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸軸心一致，因此一般只能支持特定型號的相機，且不能負(fù)載其他設(shè)備，使用范圍較為窄，如大疆公司禪思系列云臺^[1]。

參考文獻

[1]禪思H3-3D云臺|DJI大疆http://www.dji.com/cn/product/zenmuse-h3-3d

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是改進現(xiàn)有的相機云臺，并基于改進的相機云臺，提供一種俯仰角的控制方法。所采用的技術(shù)方案如下：

一種大俯仰角相機平臺的自平衡控制方法，所采用的相機云臺包括翻滾方向的旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置、俯仰方向的旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置、用于測量俯仰方向旋轉(zhuǎn)角度的俯仰角度傳感器、用于測量翻滾方向旋轉(zhuǎn)角度的翻滾角度傳感器和控制器，俯仰方向的旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置固定在翻滾方向的旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置上，俯仰方向的旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置采用粗細兩級旋轉(zhuǎn)調(diào)整結(jié)構(gòu)，包括俯仰方向的活動支架、固定在活動支架端部的平臺，粗調(diào)舵機和所對應(yīng)的粗調(diào)搖臂、微調(diào)舵機和所對應(yīng)的微調(diào)搖臂，粗調(diào)搖臂和微調(diào)搖臂之間通過拉桿剛性連接；微調(diào)舵機固定在平臺上，粗調(diào)舵機比微調(diào)舵機的馬力大；翻滾方向的旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置采用單個翻滾方向舵機進行調(diào)節(jié)。

相機云臺俯仰角的控制方法為：預(yù)設(shè)俯仰角度允許誤差值和粗細調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換臨界角度值以及俯仰角慢調(diào)節(jié)臨界值，控制器根據(jù)俯仰角度傳感器的測量信號控制兩個舵機的運行：當(dāng)根據(jù)俯仰角度傳感器測得的角度值與目標(biāo)角度值之間的角度偏差大于俯仰角度允許誤差值時，若角度偏差大于等于粗細調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換臨界角度值，則采用粗調(diào)舵機，按照比例調(diào)節(jié)策略進行大范圍快速調(diào)節(jié)，若角度偏差小于粗細調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換臨界角度值，則采用微調(diào)舵機進行調(diào)節(jié)，且當(dāng)角度偏差大于慢調(diào)節(jié)臨界值時，微調(diào)舵機按照比例調(diào)節(jié)方式進行調(diào)節(jié)，當(dāng)小于慢調(diào)節(jié)臨界值時，微調(diào)舵機按照慢調(diào)節(jié)方式進行調(diào)節(jié)；

相機云臺翻滾方向的控制方法為：預(yù)設(shè)翻滾角允許誤差值和翻滾角慢調(diào)節(jié)臨界值，采用單個舵機調(diào)節(jié)，控制器根據(jù)翻滾角度傳感器的測量信號控制翻滾方向舵機的運行：當(dāng)翻滾角度傳感器角度值與預(yù)設(shè)翻滾角度之間的差值，即角度偏差大于翻滾角度允許誤差值時，若角度偏差大于等于所設(shè)定的翻滾角慢調(diào)節(jié)臨界值，則采用比例調(diào)節(jié)策略進行調(diào)節(jié)，若角度偏差小于所設(shè)定的翻滾角慢調(diào)節(jié)臨界值，則采用慢調(diào)節(jié)策略。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：

(1)高負(fù)載。本發(fā)明的云臺借助舵機的動力可承載含相機在內(nèi)的多種相關(guān)設(shè)備，根據(jù)舵機的動力大小一般可承載3～5kg的重量，且承載設(shè)備無嚴(yán)格安裝布局要求，不需要嚴(yán)格將設(shè)備重心調(diào)整到與X、Y軸軸心均保持一致，從而保證承載能力的情況下提高了承載設(shè)備布局的靈活度。

(2)對俯仰角使用精細兩級調(diào)整結(jié)構(gòu)，加之軟件策略配合，可以保證平臺運動的精度，實現(xiàn)高精度平臺移動和旋轉(zhuǎn)。

附圖說明

圖1：云臺粗細兩級旋轉(zhuǎn)調(diào)整結(jié)構(gòu)圖

圖2：軟件反饋控制策略流程圖

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。此處所描述的具體實施例方式僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明提供的大傾角、高負(fù)載、自平衡的高精度相機云臺技術(shù)，包含兩個方面的內(nèi)容，一是硬件的設(shè)計和布局，二是基于上述硬件設(shè)備的自動平衡反饋控制軟件。

(1)硬件的設(shè)計和布局：一種大傾角、高負(fù)載、自平衡的高精度相機云臺，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計在于：在俯仰方向使用粗細兩級旋轉(zhuǎn)調(diào)整結(jié)構(gòu)。

粗細兩級旋轉(zhuǎn)調(diào)整結(jié)構(gòu)包括俯仰方向的支架1、一個粗調(diào)的舵機7(大舵機)和所對應(yīng)的搖臂6、一個微調(diào)的舵機3(小舵機)和所對應(yīng)的搖臂4、還有一個兩個搖臂之間的連接部分—拉桿5

其中，粗調(diào)的舵機使用的是大型舵機，其舵機的特點在于馬力大，可以驅(qū)動平臺上高負(fù)載設(shè)備的旋轉(zhuǎn)，可調(diào)節(jié)的范圍也較大，由于大型舵機的缺點在于精度略低，而且此時已經(jīng)不需要較大范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，所以微調(diào)的舵機我們使用小型舵機，針對大型舵機所遺留下的誤差進行小范圍高精度的調(diào)整。

粗調(diào)舵機7和與之相對應(yīng)的搖桿6進行連接，當(dāng)粗調(diào)舵機控制器接獲得發(fā)送過來的控制指令向舵機發(fā)送信號，并驅(qū)使粗調(diào)舵機進行運動，使得設(shè)備在俯仰方向進行旋轉(zhuǎn)，在達到預(yù)定閾值后，通過兩個搖臂之間的連接部分—拉桿5，將兩個舵機進行連接，當(dāng)細調(diào)舵機控制器接獲得發(fā)送過來的控制指令向舵機發(fā)送信號，驅(qū)使微調(diào)舵機進行運動，從而達到細微調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)的功能。

(2)自動平衡反饋控制軟件

本發(fā)明為實現(xiàn)了相機云臺的實時自動平衡，需要根據(jù)當(dāng)前角度傳感器的狀態(tài)實時反饋調(diào)節(jié)X軸和Y軸的平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)策略如下：

a)對傳感器數(shù)據(jù)進行濾波。由于傳感器工作環(huán)境、自身狀態(tài)、傳輸過程等因素會導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致錯誤數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，從而會對系統(tǒng)平穩(wěn)性造成干擾，因此軟件系統(tǒng)首先會對傳感器數(shù)據(jù)進行實時濾波處理，以消除偶然因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯誤。優(yōu)選地，本發(fā)明采用限幅濾波和卡爾曼濾波相互結(jié)合的方式對數(shù)據(jù)進行濾波，消除錯誤數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的正確性。

b)調(diào)節(jié)X軸平衡狀態(tài)。在設(shè)計上，X軸(翻滾方向)平衡采用單個舵機調(diào)節(jié)，當(dāng)X軸方向上傳感器角度值與預(yù)設(shè)角度之間的差值，即角度偏差小于X軸允許誤差值E(即精度)時，舵機停止X方向的調(diào)節(jié)。當(dāng)X軸方向上傳感器測得的角度偏差值大于允許誤差值時，若偏差較大，則采用比例調(diào)節(jié)策略(詳見下部說明)進行調(diào)節(jié)，若偏差較小(小于慢調(diào)節(jié)臨界值T)，則采用慢調(diào)節(jié)策略，以慢速進行調(diào)節(jié)，保證調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。

c)調(diào)節(jié)Y軸平衡狀態(tài)。Y軸(俯仰方向)平衡采用大小兩個舵機結(jié)合進行調(diào)節(jié)，當(dāng)Y軸方向傳感器角度值與預(yù)設(shè)角度之間的差值即角度偏差小于Y軸允許誤差值(即精度)時，舵機停止調(diào)節(jié)。當(dāng)Y軸方向上傳感器測得的角度偏差大于允許誤差值時，若傳感器角度偏差較大(大于粗細調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換臨界角度值S)時，則采用大舵機，按照比例調(diào)節(jié)策略進行大范圍快速調(diào)節(jié)，若傳感器角度偏差較小(小于大于粗細調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換臨界角度值S)，則采用小舵機進行調(diào)節(jié)，且當(dāng)傳感器角度大于慢調(diào)節(jié)臨界值時，小舵機按照比例調(diào)節(jié)方式進行調(diào)節(jié)，當(dāng)小于慢調(diào)節(jié)臨界值時，小舵機按照慢調(diào)節(jié)方式進行調(diào)節(jié)。

d)重復(fù)以上三個過程，直至達到平衡狀態(tài)(即角度傳感器在X、Y軸兩個方向的角度誤差均在精度范圍內(nèi))。

比例調(diào)節(jié)策略是將傳感器感知的角度值與預(yù)設(shè)角度之間的差值，即角度偏差(平衡時角度偏差應(yīng)當(dāng)為0)與比例K相乘而得到將要變化的舵機脈沖寬度調(diào)制值(△PWM值)，作為舵機脈沖寬度值(PWM)的變化量，附加到舵機原有的脈沖寬度值上而構(gòu)成新的脈沖寬度值，從而對舵機進行調(diào)節(jié)的一種方式。

慢調(diào)節(jié)策略，則是將每次變化脈沖寬度值△PWM設(shè)置為一個較小的固定值，該值僅與角度偏差正負(fù)有關(guān)，與角度偏差大小無關(guān)，從而使舵機以比較穩(wěn)定的慢速度運轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)方式。

自動平衡反饋控制軟件可在通用個人計算機平臺上實現(xiàn)，也可在嵌入式單片機系統(tǒng)下實現(xiàn)。