用于稳定负载的方法和系统技术方案

本公开提供了用于支撑可移动物体的负载的载体的控制和操作相关的系统、方法和设备。在一个方面，提供了一种用于控制负载的姿态的方法，所述方法包括：基于输入角度和负载的一个或多个运动特性来确定输入力矩，其中所述输入角度与负载的期望姿态相关联；基于与所述负载连接的载体的一个或多个运动特性来确定估计干扰力矩，其中，所述估计干扰力矩与对所述载体的干扰相关联；以及基于所述输入力矩和所述估计干扰力矩来计算输出力矩，其中，所述输出力矩用于引起所述载体的移动，以实现所述负载的期望姿态。

Methods and systems for stabilizing load

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于稳定负载的方法和系统
技术介绍
无人飞行器(UAV)等无人载运工具可用于针对各种民用、商业和军事应用执行监视、侦察和勘探任务。UAV可以由远程用户手动控制，或者可以以半自主或完全自主的方式操作。这种UAV可以包括用于支持负载(例如用于获得目标物体的图像数据的相机)的载体。用于控制由UAV承载的负载的现有方法在某些情况下可能不是最佳的。例如，用于稳定负载的现有方法可能不适于补偿对载体和负载的外部干扰，并且可能不考虑载体的特定机械特性，这会降低负载控制的准确性。
技术实现思路
本公开提供了用于支撑诸如无人飞行器(UAV)的可移动物体的负载的载体的控制和操作相关的系统、方法和设备。在一些实施例中，使用载体来将负载与可移动物体机械地连接，并控制负载相对于可移动物体的位置和/或朝向。然而，在操作期间，载体可能受到外部干扰(例如，风、温度变化、外部撞击等)的影响，这可能影响载体配置。此外，不同类型的载体和负载的运动特性可能影响其对驱动的响应。本文公开的实施例可以估计和补偿这些因素，从而提高使用载体控制负载位置和/或朝向的精度。一方面，提供了一种用于控制负载的姿态的方法，所述方法包括：基于输入角度和负载的一个或多个运动特性来确定输入力矩，其中所述输入角度与负载的期望姿态相关联；基于与所述负载连接的载体的一个或多个运动特性来确定估计干扰力矩，其中，所述估计干扰力矩与对所述载体的干扰相关联；以及基于所述输入力矩和所述估计干扰力矩来计算输出力矩，其中，所述输出力矩用于引起所述载体的移动，以实现所述负载的期望姿态。在一些实施例中，载体与用于支撑载体的可移动物体可旋转地连接。在一些实施例中，载体是多轴云台。在一些实施例中，可移动物体是UAV。在一些实施例中，载体被配置为相对于可移动物体围绕一个或多个转轴旋转。输出力矩可以围绕一个或多个转轴施加。在一些实施例中，载体包括多个框架，所述多个框架至少包括第一框架和第二框架。负载可以固定到第一框架。第二框架可以与可移动物体可旋转地连接。第二框架可以被配置为围绕航向轴旋转。在一些实施例中，第二框架经由减震元件与可移动物体连接。在一些实施例中，负载通过第一框架和第二框架与可移动物体串接。第二框架可以连接在可移动物体和第一框架之间。在一些实施例中，载体的一个或多个运动特性至少包括第二框架的线加速度或角加速度。第二框架的一个或多个运动特性可以使用位于第二框架附近的一个或多个传感器来测量。该一个或多个传感器可以包括加速度计或陀螺仪中的至少一个。在一些实施例中，所述一个或多个传感器还被配置为：当经由减震元件与所述可移动物体连接时，测量所述第二框架的一个或多个运动特性。减震元件可以被配置为减小干扰对第二框架的影响。减震元件可以被配置为吸收第二框架的振动。所述一个或多个传感器可以被直接设置在将减震元件与第二框架连接的连接结构上。所述一个或多个传感器可以被设置在附接在所述连接结构上的柔性印刷电路(FPC)上。所述一个或多个传感器可以沿着第二框架的转轴放置。在一些实施例中，输出力矩经由与第二框架连接的驱动器来施加。驱动器可以是包括转子和定子的电机。转子可以与第二框架连接，而定子可以与可移动物体连接。在一些实施例中，使用设置在载体的框架上的惯性传感器来测量载体的一个或多个运动特性。所述估计干扰力矩可以通过包括载体的一个或多个运动特性的测量结果的旋转矩阵变换来确定。在一些实施例中，输入角度由用户使用与负载通信的外部设备来提供。在一些实施例中，输入角度被提供给负载上的运动控制器中的一个或多个处理器。运动控制器可以被配置为基于输入力矩和估计干扰力矩来计算输出力矩。运动控制器可以被配置为控制与载体连接的驱动器以输出力矩旋转，从而引起载体的移动以实现负载的期望姿态。在一些实施例中，负载的一个或多个运动特性包括负载的瞬时姿态、瞬时位置、角速度、线速度、角加速度或线加速度中的至少一个。负载的一个或多个运动特性可以使用位于负载上的一个或多个传感器来测量。一个或多个传感器可以共同构成惯性测量单元(IMU)。在一些实施例中，干扰包括风力影响、温度变化或对负载或载体的外部撞击中的一个或多个。在一些实施例中，通过将减震元件的一个或多个运动特性输入到载体的预定义的基于动力学模型中来确定所述估计干扰力矩。减震元件可以被设置在可移动物体与载体的框架之间。减震元件的一个或多个运动特性可以使用设置在减震元件上的一个或多个传感器来测量。该一个或多个传感器可以被设置在附接在减震元件上的柔性印刷电路(FPC)上。减震元件的一个或多个运动特性可以至少包括减震元件的线加速度或角加速度。减震元件的一个或多个运动特性可以与框架的一个或多个运动特性相关联。在一些实施例中，所述估计干扰力矩的计算与所述载体的框架上的可旋转接头相关联，并且可旋转接头被配置为将框架与可移动物体连接。在一些实施例中，所述方法还包括：使用比例微分(PD)控制器进一步精细化所述估计干扰力矩。可以通过对估计干扰力矩应用一个或多个滤波器来精细化估计干扰力矩。该方法可以进一步包括：基于所述输入力矩和精细化后的干扰力矩来计算所述输出力矩。在一些实施例中，使用反馈控制回路确定输入力矩。可以使用至少一个比例微分(PD)控制器来实现反馈控制回路。第一PD控制器可以被配置为：基于由负载上的一个或多个传感器测量的瞬时角度与输入角度之间的差来计算输入角速度。第二PD控制器可以被配置为：基于由负载上的一个或多个传感器测量的瞬时角速度与输入角速度之间的差来计算输入力矩。在一些实施例中，通过利用估计干扰力矩补偿输入力矩来计算输出力矩。可以通过从输入力矩中减去估计干扰力矩来计算输出力矩。输出力矩可以与来自干扰的实际干扰力矩连同作用，以引起载体的移动，从而实现负载的期望姿态。实际干扰力矩可以施加于与可移动物体连接的载体的框架上。另一方面，提供了一种用于控制负载的姿态的装置，所述装置包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器单独地或共同地被配置为：基于输入角度和所述负载的一个或多个运动特性来确定输入力矩，其中，所述输入角度与所述负载的期望姿态相关联；基于与所述负载连接的载体的一个或多个运动特性来确定估计干扰力矩，其中所述估计干扰力矩与对所述载体的干扰相关联；以及基于所述输入力矩和所述估计干扰力矩来计算输出力矩，其中，所述输出力矩用于引起所述载体的移动，以实现所述负载的期望姿态。在一些实施例中，载体与用于支撑载体的可移动物体可旋转地连接。在一些实施例中，载体是多轴云台。在一些实施例中，可移动物体是UAV。在一些实施例中，载体被配置为相对于可移动物体围绕一个或多个转轴旋转。输出力矩可以围绕一个或多个转轴施加。在一些实施例中，载体包括多个框架，所述多个框架至少包括第一框架和第二框架。负载可以固定到第一框架。第二框架可以与可移动物体可旋转地连接。第二框架可以被配置为围绕航向轴旋转。在一些实施例中，第二框架经由减震元件与可移动物体连接。在一些实施例中，负载通过第一框架和第二框架与可移动物体串接。第二框架可以连接在可移动物体和第一框架之间。在一些实施例中，载体的一个或多个运动特性至少包括第二框架的线加速度或角加速度。第二框架的一个或多个运动特性可以使用位于第二框架附近的一个或多个传感器来测量。该一个或多个传感器可以包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制负载姿态的方法，所述方法包括：基于输入角度和负载的一个或多个运动特性来确定输入力矩，其中，所述输入角度与负载的期望姿态相关联；基于与所述负载连接的载体的一个或多个运动特性来确定估计干扰力矩，其中，所述估计干扰力矩与对所述载体的干扰相关联；以及基于所述输入力矩和所述估计干扰力矩来计算输出力矩，其中，所述输出力矩用于引起所述载体的移动，以实现所述负载的期望姿态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于控制负载姿态的方法，所述方法包括：基于输入角度和负载的一个或多个运动特性来确定输入力矩，其中，所述输入角度与负载的期望姿态相关联；基于与所述负载连接的载体的一个或多个运动特性来确定估计干扰力矩，其中，所述估计干扰力矩与对所述载体的干扰相关联；以及基于所述输入力矩和所述估计干扰力矩来计算输出力矩，其中，所述输出力矩用于引起所述载体的移动，以实现所述负载的期望姿态。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述载体是多轴云台。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述载体与用于支撑所述载体的可移动物体可旋转地连接。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述可移动物体是UAV。5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述载体被配置为相对于所述可移动物体围绕一个或多个转轴旋转。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述输出力矩围绕所述一个或多个转轴施加。7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述载体包括多个框架，所述多个框架至少包括第一框架和第二框架。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述负载被固定至所述第一框架。9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二框架与所述可移动物体可旋转地连接。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二框架被配置为围绕航向轴旋转。11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二框架经由减震元件与所述可移动物体连接。12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述负载通过所述第一框架和所述第二框架与所述可移动物体串接。13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二框架连接在所述可移动物体和所述第一框架之间。14.根据权利要求7所述的方法，其中，所述载体的所述一个或多个运动特性至少包括所述第二框架的线加速度或角加速度。15.根据权利要求14所述的方法，其中，使用位于所述第二框架附近的一个或多个传感器来测量所述第二框架的一个或多个运动特性。16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述一个或多个传感器包括加速度计或陀螺仪中的至少一个。17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述一个或多个传感器还被配置为：当所述第二框架经由减震元件与所述可移动物体连接时，测量所述第二框架的一个或多个运动特性。18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述减震元件被配置为：减小所述干扰对所述第二框架的影响。19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述减震元件被配置为：吸收所述第二框架的振动。20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述一个或多个传感器被直接设置在将所述减震元件与所述第二框架连接的连接结构上。21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述一个或多个传感器被设置在附接在所述连接结构上的柔性印刷电路FPC上。22.根据权利要求7所述的方法，其中，所述输出力矩经由与所述第二框架连接的驱动器来施加。23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述驱动器是包括定子和与所述第二框架连接的转子的电机。24.根据权利要求20所述的方法，其中，所述一个或多个传感器沿着所述第二框架的转轴放置。25.根据权利要求1所述的方法，其中，使用设置在所述载体的框架上的惯性传感器来测量所述载体的所述一个或多个运动特性。26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述估计干扰力矩由包括所述载体的所述一个或多个运动特性的测量结果的旋转矩阵变换确定。27.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入角度由用户使用与所述负载通信的外部设备来提供。28.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入角度被提供给所述负载上的运动控制器中的一个或多个处理器。29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述运动控制器被配置为：基于所述输入力矩和所述估计干扰力矩来计算所述输出力矩。30.根据权利要求28所述的方法，其中，所述运动控制器被配置为：控制与所述载体连接的驱动器以所述输出力矩旋转，从而引起所述载体的移动以实现所述负载的期望姿态。31.根据权利要求1所述的方法，其中，所述负载的所述一个或多个运动特性包括所述负载的瞬时姿态、瞬时位置、角速度、线速度、角加速度或线加速度中的至少一个。32.根据权利要求31所述的方法，其中，使用位于所述负载上的一个或多个传感器来测量所述负载的所述一个或多个运动特性。33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述一个或多个传感器共同构成惯性测量单元IMU。34.根据权利要求1所述的方法，其中，所述干扰包括风力影响、温度变化或对所述负载或所述载体的外部撞击中的一个或多个。35.根据权利要求1所述的方法，其中，通过将减震元件的一个或多个运动特性输入到所述载体的预定义的基于动力学的模型中来确定所述估计干扰力矩。36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述减震元件被设置在所述可移动物体与所述载体的框架之间。37.根据权利要求36所述的方法，其中，使用设置在所述减震元件上的一个或多个传感器来测量所述减震元件的所述一个或多个运动特性。38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述一个或多个传感器被设置在附接在所述减震元件上的柔性印刷电路FPC上。39.根据权利要求36所述的方法，其中，所述减震元件的所述一个或多个运动特性至少包括所述减震元件的线加速度或角加速度。40.根据权利要求36所述的方法，其中，所述减震元件的所述一个或多个运动特性与所述框架的所述一个或多个运动特性相关联。41.根据权利要求1所述的方法，其中，所述估计干扰力矩的计算与所述载体的框架上的可旋转接头相关联，并且所述可旋转接头被配置为将所述框架与所述可移动物体连接。42.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用比例微分PD控制器进一步精细化所述估计干扰力矩。43.根据权利要求42所述的方法，其中，通过将一个或多个滤波器应用于所述估计干扰力矩来精细化所述估计干扰力矩。44.根据权利要求42所述的方法，还包括：基于所述输入力矩和精细化后的干扰力矩来计算所述输出力矩。45.根据权利要求1所述的方法，其中，使用反馈控制回路来确定所述输入力矩。46.根据权利要求45所述的方法，其中，使用至少一个比例微分PD控制器来实现所述反馈控制回路。47.根据权利要求46所述的方法，其中，第一PD控制器被配置为：基于由所述负载上的一个或多个传感器测量的瞬时角度与所述输入角度之间的差来计算输入角速度。48.根据权利要求47所述的方法，其中，第二PD控制器被配置为：基于由所述负载上的所述一个或多个传感器测量的瞬时角速度与所述输入角速度之间的差来计算所述输入力矩。49.根据权利要求1所述的方法，其中，通过利用所述估计干扰力矩补偿所述输入力矩来计算所述输出力矩。50.根据权利要求49所述的方法，其中，通过从所述输入力矩中减去所述估计干扰力矩来计算所述输出力矩。51.根据权利要求49所述的方法，其中，所述输出力矩与来自所述干扰的实际干扰力矩连同作用，以引起所述载体的移动，从而实现所述负载的期望姿态。52.根据权利要求51所述的方法，其中，所述实际干扰力矩被施加于与所述可移动物体连接的所述载体的框架上。53.一种用于控制负载的姿态的装置，所述装置包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器单独地或共同地被配置为：基于输入角度和所述负载的一个或多个运动特性来确定输入力矩，其中，所述输入角度与所述负载的期望姿态相关联；基于与所述负载连接的载体的一个或多个运动特性来确定估计干扰力矩，其中，所述估计干扰力矩与对所述载体的干扰相关联；以及基于所述输入力矩和所述估计干扰力矩来计算输出力矩，其中，所述输出力矩用于引起所述载体的移动，以实现所述负载的期望姿态。54.根据权利要求53所述的装置，其中，所述载体是多轴云台。55.根据权利要求53所述的装置，其中，所述载体与用于支撑所述载体的可移动物体可旋转地连接。56.根据权利要求55所述的装置，其中，所述可移动物体是UAV。57.根据权利要求55所述的装置，其中，所述载体被配置为相对于所述可移动物体围绕一个或多个转轴旋转。58.根据权利要求57所述的装置，其中，所述输出力矩围绕所述一个或多个转轴施加。59.根据权利要求55所述的装置，其中，所述载体包括多个框架，所述多个框架至少包括第一框架和第二框架。60.根据权利要求59所述的装置，其中，所述负载被固定至所述第一框架。61.根据权利要求59所述的装置，其中，所述第二框架与所述可移动物体可旋转地连接。62.根据权利要求61所述的装置，其中，所述第二框架被配置为围绕航向轴旋转。63.根据权利要求59所述的装置，其中，所述第二框架经由减震元件与所述可移动物体连接。64.根据权利要求59所述的装置，其中，所述负载通过所述第一框架和所述第二框架串接至所述可移动物体。65.根据权利要求64所述的装置，其中，所述第二框架连接在所述可移动物体和所述第一框架之间。66.根据权利要求59所述的装置，其中，所述载体的所述一个或多个运动特性至少包括所述第二框架的线加速度或角加速度。67.根据权利要求66所述的装置，其中，使用位于所述第二框架附近的一个或多个传感器来测量所述第二框架的一个或多个运动特性。68.根据权利要求67的装置，其中，所述一个或多个传感器包括加速度计或陀螺仪中的至少一个。69.根据权利要求67所述的装置，其中，所述一个或多个传感器还被配置为：当所述第二框架经由减震元件与所述可移动物体连接时，测量所述第二框架的一个或多个运动特性。70.根据权利要求69所述的装置，其中，所述减震元件被配置为：减小所述干扰对所述第二框架的影响。71.根据权利要求69所述的装置，其中，所述减震元件被配置为：吸收所述第二框架的振动。72.根据权利要求69所述的装置，其中，所述一个或多个传感器被直接设置在将所述减震元件与所述第二框架连接的连接结构上。73.根据权利要求72所述的装置，其中，所述一个或多个传感器被设置在附接在所述连接结构上的柔性印刷电路FPC上。74.根据权利要求59所述的装置，其中，所述输出力矩经由与所述第二框架连接的驱动器来施加。75.根据权利要求74所述的装置，其中，所述驱动器是包括定子和与所述第二框架连接的转子的电机。76.根据权利要求72所述的装置，其中，所述一个或多个传感器沿着所述第二框架的转轴放置。77.根据权利要求53所述的装置，其中，使用设置在所述载体的框架上的惯性传感器来测量所述载体的所述一个或多个运动特性。78.根据权利要求77所述的装置，其中，所述估计干扰力矩由包括所述载体的所述一个或多个运动特性的测量结果的旋转矩阵变换确定。79.根据权利要求53所述的装置，其中，所述输入角度由用户使用与所述负载通信的外部设备来提供。80.根据权利要求53所述的装置，其中，所述输入角度被提供给所述负载上的运动控制器中的一个或多个处理器。81.根据权利要求80所述的装置，其中，所述运动控制器被配置为基于所述输入力矩和所述估计干扰力矩来计算所述输出力矩。82.根据权利要求80所述的装置，其中，所述运动控制器被配置为控制与所述载体连接的驱动器以所述输出力矩旋转，从而引起所述载体的移动以实现所述负载的期望姿态。83.根据权利要求53所述的装置，其中，所述负载的所述一个或多个运动特性包括所述负载的瞬时姿态、瞬时位置、角速度、线速度、角加速度或线加速度中的至少一个。84.根据权利要求83所述的装置，其中，使用位于所述负载上的一个或多个传感器来测量所述负载的所述一个或多个运动特性。85.根据权利要求84所述的装置，其中，所述一个或多个传感器共同构成惯性测量单元IMU。86.根据权利要求53所述的装置，其中，所述干扰包括风力影响、温度变化或对所述负载或所述载体的外部撞击中的一个或多个。87.根据权利要求53所述的装置，其中，通过将减震元件的一个或多个运动特性输入到所述载体的预定义的基于动力学的模型中来确定所述估计干扰力矩。88.根据权利要求87所述的装置，其中，所述减震元件被设置在所述可移动物体与所述载体的框架之间。89.根据权利要求88所述的装置，其中，使用设置在所述减震元件上的一个或多个传感器来测量所述减震元件的所述一个或多个运动特性。90.根据权利要求89所述的装置，其中，所述一个或多个传感器被设置在附接在所述减震元件上的柔性印刷电路FPC上。91.根据权利要求88所述的装置，其中，所述减震元件的所述一个或多个运动特性至少包括所述减震元件的线加速度或角加速度。92.根据权利要求88所述的装置，其中，所述减震元件的所述一个或多个运动特性与所述框架的所述一个或多个运动特性相关联。93.根据权利要求53所述的装置，其中，所述估计干扰力矩的计算与所述载体的框架上的可旋转接头相关联，并且所述可旋转接头被配置为将所述框架与所述可移动物体连接。94.根据权利要求53所述的装置，其中，所述一个或多个处理器被配置为：使用比例微分PD控制器进一步精细化所述估计干扰力矩。95.根据权利要求94所述的装置，其中，通过将一个或多个滤波器应用于所述估计干扰力矩来精细化所述估计干扰力矩。96.根据权利要求94所述的装置，其中，所述一个或多个处理器被配置为基于所述输入力矩和精细化后的干扰力矩来计算所述输出力矩。97.根据权利要求53所述的装置，其中，使用反馈控制回路来确定所述输入力...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈子寒，潘大虎，王竞元，
申请(专利权)人：深圳市大疆灵眸科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44