三轴微型云台及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种三轴微型云台及其控制方法，该微型云台包括横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件，其特征在于，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件上分别安装有微型直流电机和用于采集各轴角速度、加速度的IMU传感器，三个所述微型直流电机、三个IMU传感器分别与处理电路装置电连接；控制方法为通过处理电路板的微处理器实时接收三个IMU传感器实时采集的三轴角速度与加速度数据，从而实时控制横滚轴组件、俯仰轴组件上的微型直流电机转动。本发明专利技术三轴微型云台体积小巧，实现了微型化，可挂载于微型无人机或口袋式无人机，为用户提供清晰稳定的视频图像，同时其控制方式简单。

Three axis micro tilt table and control method thereof

The invention discloses a miniature three axis tilt and its control method, including the micro tilt roll, pitch and yaw axis component assembly shaft assembly, which is characterized in that the roll, pitch and yaw axis component assembly shaft assembly are respectively arranged on the miniature DC motor and is used for collecting the axis angular velocity and acceleration the IMU sensor, three of the micro DC motor, three IMU sensor are respectively connected with the processing device of the electric circuit; control method for real-time receiving and processing by the microprocessor circuit board three IMU sensor to collect the three axis angular velocity and acceleration data, and real-time control of DC micro motor assembly, pitch roll shaft assembly the rotation. The three axis miniature pan head of the invention has small size and realizes miniaturization, and can be mounted on a micro unmanned aerial vehicle or a pocket type unmanned aerial vehicle, providing users with clear and stable video images, and meanwhile, the control mode is simple.

【技术实现步骤摘要】
三轴微型云台及其控制方法
本专利技术涉及云台
，具体涉及一种三轴微型云台及其控制方法。
技术介绍
现有无人机上连接的云台所用电机为无刷电机，无刷电机接口为A、B、C三相。如图1所示现有云台控制方法流程图，其采用了三闭环控制，云台主控处理器通过IMU传感器解算出云台当前的横滚、俯仰姿态角及偏航角，得到云台各轴位置控制量；云台各轴的位置控制量经过位置控制器形成闭环，得到各轴的速度控制量；各轴的速度控制量，经过速度控制器形成闭环，得到各轴的电流控制量；各轴的电流控制量经过电流控制器形成闭环，经过转子磁场定向控制FOC算法和SVPWM及逆变技术对无刷电机进行控制。如图，在FOC算法中，需要采集电机的三相电流，并将三相电流由三相平面坐标系向两相静止平面直角坐标系的转换，转换为，称之为Clarke变换(也叫3s/2s变换)；由两相静止平面直角坐标系向两相旋转直角坐标系的转换，称之为Park变换（也叫2s/2r变换)；以及它们的逆变换。在进行Park变换及其逆变换过程中，需要用到电机电角度信息，需要有测角传感器对电机电角度进行测量。因此采用FOC控制算法对无刷电机进行控制，FOC控制算法的前提条件是要获取电机的电角度和电机三相电流。获取三相电流的方式都是采用采样电阻测量。测量电机的电角度常用的有两种测量方法：第一种是采用角度传感器测量，其将角度传感器套在电机轴上，获取电机的物理角度，然后换算出电机的电角度。但是这种传感器存在物理摩擦，寿命短的缺点；并且传感器的体积大，无法小型化，从而导致云台的体积大；另一种是采用磁编码器测量，磁编码为非接触式传感器，不存在物理摩擦，故寿命比角度传感器长。但是需要外部磁铁配合，无法进行微型化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种三轴微型云台及其控制方法，其体积小巧，实现了微型化，可挂载于微型无人机或口袋式无人机，为用户提供清晰稳定的视频图像，同时其控制方式简单。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种三轴微型云台，包括横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件，其中所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件上分别安装有微型直流电机和用于采集各轴角速度、加速度的IMU传感器，三个所述微型直流电机、三个IMU传感器分别与处理电路装置电连接，所述处理电路装置通过接收三个IMU传感器实时采集的各轴角速度与加速度数据实时控制横滚轴组件、俯仰轴组件上的微型直流电机转动。优选地，三个所述微型直流电机均采用空心杯电机。优选地，所述偏航轴组件上安装有用于采集偏航轴组件角度的微型磁编码器，所述微型磁编码器与所述处理电路装置电连接，所述处理电路装置通过读取微型磁编码器的角度数据和偏航轴组件上的IMU传感器的偏航角速度数据，实时控制偏航轴组件上的微型直流电机转动。优选地，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件分别沿各自轴心线方向固定有所述微型直流电机。优选地，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件分别包括一安装座，所述横滚轴组件、俯仰轴组件、偏航轴组件中任意两个相邻设置的组件之间通过其中一个微型直流电机的输出轴与另一个安装座连接固定。优选地，远离无人机连接端的最外侧所述横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件上安装有相机组件，所述相机组件与所述处理电路装置电连接，所述相机组件包括微型镜头模组及极细同轴线，所述极细同轴线的一端固定于微型镜头模组，另一端经过所连接的横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件上的微型直流电机后固定于相邻的俯仰轴组件或偏航轴组件或横滚轴组件的微型直流电机上，并与所述处理电路装置电连接，所述处理电路装置实时获取微型镜头模组采集的视频数据。优选地，所述微型镜头模组包括镜头及与镜头连接的PCB板，所述PCB板上集成有可实时检测微型镜头模组角速度和加速度的惯性测量单元。优选地，所述PCB板上还集成有极细同轴线插座，所述极细同轴线与极细同轴线插座对接。优选地，所述相机组件所连接的横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件及与该组件相连接的组件上的两个所述微型直流电机上分别设置有卡槽，所述极细同轴线卡固于两个卡槽上。优选地，所述相机组件安装于一固定座内，所述固定座与远离无人机连接端的最外侧所述横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件上的微型直流电机输出轴连接，所述极细同轴线穿出所述固定座后卡固于两个所述卡槽上，所述极细同轴线上靠近其中一个卡槽且对应其所在的微型直流电机轴心位置的部位包扎有软胶，所述极细同轴线上靠近另一个卡槽且对应其所在的微型直流电机轴心位置的部位也包扎有软胶。一种三轴微型云台控制方法，其包括以下步骤：处理电路装置实时接收IMU传感器的三轴角速度和加速度数据；处理电路装置实时解算出云台横滚和俯仰方向的姿态角，与处理电路装置预设的姿态角做比较，得到姿态角误差；在姿态增稳的情况下预设姿态角度为零度，姿态角误差经过控制器运算输出；输出量作为预设值与采集到的横滚、俯仰角速度做比较，得到速度误差值；速度误差值经过控制器运算输出，产生电机驱动控制信号，输出给横滚轴组件、俯仰轴组件的微型直流电机驱动器。优选地，还包括对偏航轴组件的微型直流电机的驱动控制步骤：处理电路装置实时读取偏航磁编码器的角度数据；与处理电路装置预设的偏航角度做比较，得到偏航角误差，偏航方向预设偏航角度与飞机机头保持一致；偏航角误差经过控制器计算后输出；输出量作为偏航预设角速度与采集到的偏航轴角速度数据做对比，得到偏航角速度误差；偏航角速度误差经过控制器计算后输出形成电机驱动控制信号，电机驱动控制信号经过偏航轴组件的微型直流电机驱动器，驱动该微型直流电机转动。采用上述方案后，本专利技术三轴微型云台及其控制方法具有以下有益效果：1、本专利技术通过在云台的横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件上分别安装直流空心杯电机，直流空心杯电机控制采用位置环和速度环闭环控制，不需要电流采集电路对电流进行采集，横滚轴组件和俯仰轴组件上不需要测角传感器或测角器件来测量轴系转动角度，也不需要在电流环进行坐标变换，最大程度的缩小了云台体积，其相对现有的无刷电机能在小体积下做到更大的力矩，并可以满足云台三轴的高频快速转动及及时响应的要求，且空心杯电机接口为“+”、“-”两根线，控制方式简单；2、通过将相机组件集成化，即通过在微型镜头模组上集成了用于实时检测微型镜头模组角速度和加速度的惯性测量单元（IMU），因此不用额外做电路板来检测微型镜头模组的转动角速度和加速度；3、通过在相机组件与横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件之间使用极细同轴线作为图像信号传输线，该极细同轴线由多股细线组成，易弯曲和包扎，占用空间小且便于走线，易于提高云台的稳像精度；而传统的云台均采用软排线作为图像信号传输线，由于云台对画质要求较高，所以图像信号传输线的pin数较多，如果采用软排线，该软排就会做得宽而且厚，因此一方面占用空间较大不利于云台的小型化，另一方面软排厚了，其柔软度较差，弯曲力较大，以致电机需要克服软排线产生的较大扭力而难以达到较高稳像精度；4、在相机组件与横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件之间，在横滚轴组件、俯仰轴组件、偏航轴组件中的两个相邻轴组件之间分别采用极细同轴线连接的方式、走线方式巧妙，转动阻力小，有利于微型直流电机的控制。附图说明图1为现有云台控制方法流程图；图2为本专利技术微型云台结构框图；图3为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三轴微型云台，包括横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件，其特征在于，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件上分别安装有微型直流电机和用于采集各轴角速度、加速度的IMU传感器，三个所述微型直流电机、三个IMU传感器分别与处理电路装置电连接，所述处理电路装置通过接收三个IMU传感器实时采集的各轴角速度与加速度数据实时控制横滚轴组件、俯仰轴组件上的微型直流电机转动。

【技术特征摘要】
1.一种三轴微型云台，包括横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件，其特征在于，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件上分别安装有微型直流电机和用于采集各轴角速度、加速度的IMU传感器，三个所述微型直流电机、三个IMU传感器分别与处理电路装置电连接，所述处理电路装置通过接收三个IMU传感器实时采集的各轴角速度与加速度数据实时控制横滚轴组件、俯仰轴组件上的微型直流电机转动。2.根据权利要求1所述的三轴微型云台，其特征在于，三个所述微型直流电机均采用空心杯电机。3.根据权利要求2所述的三轴微型云台，其特征在于，所述偏航轴组件上安装有用于采集偏航轴组件角度的微型磁编码器，所述微型磁编码器与所述处理电路装置电连接，所述处理电路装置通过读取微型磁编码器的角度数据和偏航轴组件上的IMU传感器的偏航角速度数据，实时控制偏航轴组件上的微型直流电机转动。4.根据权利要求1-3任一项所述的三轴微型云台，其特征在于，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件分别沿各自轴心线方向固定有所述微型直流电机。5.根据权利要求4所述的三轴微型云台，其特征在于，所述横滚轴组件、俯仰轴组件及偏航轴组件分别包括一安装座，所述横滚轴组件、俯仰轴组件、偏航轴组件中任意两个相邻设置的组件之间通过其中一个微型直流电机的输出轴与另一个安装座连接固定。6.根据权利要求5所述的三轴微型云台，其特征在于，远离无人机连接端的最外侧所述横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件上安装有相机组件，所述相机组件与所述处理电路装置电连接，所述相机组件包括微型镜头模组及极细同轴线，所述极细同轴线的一端固定于微型镜头模组，另一端经过所连接的横滚轴组件或俯仰轴组件或偏航轴组件上的微型直流电机后固定于相邻的俯仰轴组件或偏航轴组件或横滚轴组件的微型直流电机上，并与所述处理电路装置电连接，所述处理电路装置实时获取微型镜头模组采集的视频数据。7.根据权利要求6所述的三轴微型云台，其特征在于，所述微型镜头模组包括镜头及与镜头连接的PCB板，所述PCB板上集成有可实时检测微型...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄立，薛源，吴晗，王效杰，顾兴，刘华斌，
申请(专利权)人：普宙飞行器科技深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44