一种车载摄像头云台伺服系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种车载摄像头云台伺服系统及控制方法，包括摄像头三轴云台和伺服控制装置；所述摄像头三轴云台包括俯仰电机、侧倾电机和横摆电机、侧倾臂(1)、俯仰臂(4)、横摆臂(5)、云台顶座(7)、摄像头(11)、俯仰轴轴承(12)和配重块(13)；所述俯仰电机包括俯仰电机定子(2)和俯仰电机转子(3)；所述横摆电机包括横摆电机定子(6)和横摆电机转子(8)；所述侧倾电机包括侧倾电机定子(9)和侧倾电机转子(10)；所述伺服控制装置包括惯性测量单元、三维建模控制单元、角速度环控制单元和角位移环控制单元。本发明专利技术提升了摄像头三轴云台伺服系统实时控制的动态性能和抗扰性能，为无人驾驶车辆的安全性提供保障。

A kind of servo system and control method of car camera platform

【技术实现步骤摘要】
一种车载摄像头云台伺服系统及控制方法
本专利技术涉及车载摄像头，特别是涉及一种车载摄像头云台伺服系统及控制方法。
技术介绍
无人驾驶车辆的安全性一直是该领域的热点问题，摄像头作为视觉传感器为无人驾驶车辆提供了大量数据信息。然而由于路面不平、转向、制动、加速等因素，实际行驶中车辆存在各种不确定的姿态变化，构成了摄像头运行的扰动因素。为保证视频数据的稳定性和连续性，车载摄像头三轴云台应运而生，它是一种三轴的可旋转机械结构。与无人机航拍、手持拍摄等领域的摄像头不同，无人驾驶摄像头是实现无人驾驶功能的关键设备，因此提升摄像头三轴云台的稳定性，对无人驾驶车辆的安全具有重要意义。。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种车载摄像头云台伺服系统及控制方法，提升了摄像头三轴云台伺服系统实时控制的动态性能和抗扰性能，为无人驾驶车辆的安全性提供保障。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种车载摄像头云台伺服系统，包括摄像头三轴云台和伺服控制装置；所述摄像头三轴云台包括俯仰电机、侧倾电机和横摆电机、侧倾臂、俯仰臂、横摆臂、云台顶座、摄像头、俯仰轴轴承和配重块；所述俯仰电机包括俯仰电机定子和俯仰电机转子；所述横摆电机包括横摆电机定子和横摆电机转子；所述侧倾电机包括侧倾电机定子和侧倾电机转子；所述摄像头经俯仰臂与俯仰电机转子固连，所述俯仰电机转子用于实现俯仰方向的运动；所述配重块螺纹连接在俯仰臂上，用于补偿侧倾方向上由于俯仰电机自重所造成的重力不平衡力矩；所述俯仰臂由俯仰轴轴承进行约束；所述俯仰电机定子经侧倾臂与侧倾电机转子固连，所述侧倾电机转子用于实现侧倾方向的运动；侧倾电机定子经横摆臂与横摆电机转子固连；所述横摆电机转子用于实现横摆方向的运动；所述横摆电机定子与云台顶座固连，所述云台顶座靠近车内顶部的内后视镜进行固定，从而将整个摄像头三轴云台固连到车内顶部的内后视镜附近；所述俯仰电机、侧倾电机和横摆电机内部均设置有位置传感器；所述伺服控制装置包括：惯性测量单元，安装于摄像头上，用于测量摄像头的角速度和角位移信息，并利用四元数互补滤波算法生成精确角位移信息；执行机构控制单元，用于依据俯仰电机、横摆电机、侧倾电机内部的位置传感器，生成三个方向上驱动电桥IGBT开关顺序信息；基于三个方向上的目标电压信息，生成驱动电桥IGBT占空比，通过驱动电桥实现俯仰、侧倾、横摆三个方向电机转速的开环控制；角速度环控制单元，基于执行机构控制单元，构建角速度环控制器模型，所述角速度环控制模型经粒子群算法参数优化后，根据惯性测量单元得到的实际角速度信息，与目标角速度信息结合，生成电机驱动电压PWM信号的占空比信息；角位移环控制单元，用于在优化后的角速度环控制器模型基础上，构建角位移环控制器模型；所述角位移环控制器模型经粒子群算法参数优化后，根据用户设定的目标转角信息与惯性测量单元得到的实际角位移信息，生成目标角速度发送给角速度环控制器模型，实现双闭环控制。优选地，所述俯仰臂上设置有螺纹，配重块上设置有螺纹孔，所述螺纹与螺纹孔配合，实现俯仰臂与配重块的连接，并使得配重块在俯仰臂上位置可调。所述惯性测量单元包括：加速度计，用于测量摄像头的角位移值；陀螺仪，用于测量摄像头的瞬时角速度值；互补计算单元，用于将陀螺仪测量的角速度值与加速度计测量的角度值进行四元数互补计算，得到精确的瞬时角度值。所述俯仰电机、侧倾电机和横摆电机均为无刷直流电机。一种车载摄像头云台伺服系统的控制方法，包括以下步骤：S1.利用安装于摄像头上的惯性测量单元，测量摄像头的角速度和角位移信息，并利用四元数互补滤波算法生成精确角位移信息；S2.根据摄像头三轴云台的机械结构，结合俯仰电机、侧倾电机和横摆电机参数；分别在俯仰、侧倾、横摆三个方向进行Simulink建模，依据电机内部的位置传感器，生成驱动电桥IGBT开关顺序信息；基于目标电压信息，生成驱动电桥IGBT占空比，通过驱动电桥实现俯仰、侧倾、横摆三个方向电机转速的开环控制，得到执行机构控制模型，即俯仰电机、侧倾电机和横摆电机的Simulink控制模型；S3.基于执行机构控制模型，在Simulink中构建角速度环控制器模型，采用粒子群优化算法迭代优化角速度环控制器模型的参数；参数优化后的角速度环控制器根据惯性测量单元得到的实际角速度信息，结合目标角速度信息，生成电机驱动电压PWM信号的占空比信息；S4.基于角速度环控制器模型，在Simulink中构建角位移环控制器模型，利用粒子群优化方法对角位移环控制器模型进行参数优化；参数优化后的角位移环控制器模型根据用户设定的目标转角信息与惯性测量单元得到的实际角位移信息，生成目标角速度发送给角速度环控制器模型，实现双闭环控制。进一步地，所述步骤S1中，四元数更新表达式：被测物体坐标系b向地面坐标系R转化的四元数矩阵为：将式(2)记为如下形式：姿态角的表达式为：其中，θ为俯仰角，γ为侧倾角，ψ为横摆角；利用低通滤波器处理加速度计得到的角度值，利用高通滤波器处理陀螺仪解算出的角度，然后加权求和得到最终输出角度；其中，β1为加速度计得到的角度值，β2为陀螺仪解算得到的角度值，τ为时间常数。进一步地，所述步骤S2包括以下子步骤：S201.在SolidWorks中建立摄像头三轴云台的三维模型，配置三维模型材料，求出三根旋转轴上负载的转动惯量；S202.在Simulink中搭建执行机构控制模型，配置包含相间电感、线电阻、极对数、转轴粘性系数的电机参数和负载转动惯量；S203.在Simulink中搭建编码器模块，基于位置传感器信息计算IGBT电桥开关顺序；S204.在Simulink中搭建PWM模块和恒压电源模块；S205.整个模型的输入为驱动电压信号，即角速度环控制单元输出的控制量u，其满足:即得到构建的执行机构控制模型。进一步地，所述步骤S3包括：S301.将Simulink保存为.mdl的模型格式，在模型中设定阶跃目标角速度，将角速度环控制器参数Kp、Ki作为模型输入量，速度环阶跃响应的实际转角作为模型输出量；S302.在Matlab中建立PSO主函数，选取粒子维数为2，粒子数目为50，最大迭代次数为100，在粒子速度更新公式(7)中，i表示第i个粒子，k表示迭代次数，d表示维度，x表示粒子位置，pbest和gbest分别表示个体历史最优位置和全局最优位置，c1、c2分别为个体学习率和群体学习率，r1、r2为[0,1]，w为惯性权重，w从0.9至0.4线性递减，提高搜索效率并降低陷入局部最优的几率；vidk＝w×vidk-1+c1×r1×(pbestid-xidk-1)+c2×r2×(gbestd-xidk-1)(7)xidk＝xidk-1+vidk-1(8)S303.适应度函数为超调量与误差绝对值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车载摄像头云台伺服系统，其特征在于：包括摄像头三轴云台和伺服控制装置；/n所述摄像头三轴云台包括俯仰电机、侧倾电机和横摆电机、侧倾臂(1)、俯仰臂(4)、横摆臂(5)、云台顶座(7)、摄像头(11)、俯仰轴轴承(12)和配重块(13)；所述俯仰电机包括俯仰电机定子(2)和俯仰电机转子(3)；所述横摆电机包括横摆电机定子(6)和横摆电机转子(8)；所述侧倾电机包括侧倾电机定子(9)和侧倾电机转子(10)；/n所述摄像头(11)经俯仰臂(4)与俯仰电机转子(3)固连，所述俯仰电机转子(3)用于实现俯仰方向的运动；所述配重块(13)螺纹连接在俯仰臂(4)上，用于补偿侧倾方向上由于俯仰电机自重所造成的重力不平衡力矩；所述俯仰臂(4)由俯仰轴轴承(12)进行约束；所述俯仰电机定子(2)经侧倾臂(1)与侧倾电机转子(10)固连，所述侧倾电机转子(10)用于实现侧倾方向的运动；侧倾电机定子(9)经横摆臂(5)与横摆电机转子(8)固连；所述横摆电机转子(8)用于实现横摆方向的运动；所述横摆电机定子(6)与云台顶座(7)固连，所述云台顶座(7)靠近车内顶部的内后视镜进行固定，从而将整个摄像头三轴云台固连到车内顶部的内后视镜附近；所述俯仰电机、侧倾电机和横摆电机内部均设置有位置传感器；/n所述伺服控制装置包括：/n惯性测量单元，安装于摄像头(11)上，用于测量摄像头(11)的角速度和角位移信息，并利用四元数互补滤波算法生成精确角位移信息；/n执行机构控制单元，用于依据俯仰电机、横摆电机、侧倾电机内部的位置传感器，生成三个方向上驱动电桥IGBT开关顺序信息；基于三个方向上的目标电压信息，生成驱动电桥IGBT占空比，通过驱动电桥实现俯仰、侧倾、横摆三个方向电机转速的开环控制；/n角速度环控制单元，基于执行机构控制单元，构建角速度环控制器模型，所述角速度环控制模型经粒子群算法参数优化后，根据惯性测量单元得到的实际角速度信息，与目标角速度信息结合，生成电机驱动电压PWM信号的占空比信息；/n角位移环控制单元，用于在优化后的角速度环控制器模型基础上，构建角位移环控制器模型；所述角位移环控制器模型经粒子群算法参数优化后，根据用户设定的目标转角信息与惯性测量单元得到的实际角位移信息，生成目标角速度发送给角速度环控制器模型，实现双闭环控制。/n...

【技术特征摘要】
1.一种车载摄像头云台伺服系统，其特征在于：包括摄像头三轴云台和伺服控制装置；
所述摄像头三轴云台包括俯仰电机、侧倾电机和横摆电机、侧倾臂(1)、俯仰臂(4)、横摆臂(5)、云台顶座(7)、摄像头(11)、俯仰轴轴承(12)和配重块(13)；所述俯仰电机包括俯仰电机定子(2)和俯仰电机转子(3)；所述横摆电机包括横摆电机定子(6)和横摆电机转子(8)；所述侧倾电机包括侧倾电机定子(9)和侧倾电机转子(10)；
所述摄像头(11)经俯仰臂(4)与俯仰电机转子(3)固连，所述俯仰电机转子(3)用于实现俯仰方向的运动；所述配重块(13)螺纹连接在俯仰臂(4)上，用于补偿侧倾方向上由于俯仰电机自重所造成的重力不平衡力矩；所述俯仰臂(4)由俯仰轴轴承(12)进行约束；所述俯仰电机定子(2)经侧倾臂(1)与侧倾电机转子(10)固连，所述侧倾电机转子(10)用于实现侧倾方向的运动；侧倾电机定子(9)经横摆臂(5)与横摆电机转子(8)固连；所述横摆电机转子(8)用于实现横摆方向的运动；所述横摆电机定子(6)与云台顶座(7)固连，所述云台顶座(7)靠近车内顶部的内后视镜进行固定，从而将整个摄像头三轴云台固连到车内顶部的内后视镜附近；所述俯仰电机、侧倾电机和横摆电机内部均设置有位置传感器；
所述伺服控制装置包括：
惯性测量单元，安装于摄像头(11)上，用于测量摄像头(11)的角速度和角位移信息，并利用四元数互补滤波算法生成精确角位移信息；
执行机构控制单元，用于依据俯仰电机、横摆电机、侧倾电机内部的位置传感器，生成三个方向上驱动电桥IGBT开关顺序信息；基于三个方向上的目标电压信息，生成驱动电桥IGBT占空比，通过驱动电桥实现俯仰、侧倾、横摆三个方向电机转速的开环控制；
角速度环控制单元，基于执行机构控制单元，构建角速度环控制器模型，所述角速度环控制模型经粒子群算法参数优化后，根据惯性测量单元得到的实际角速度信息，与目标角速度信息结合，生成电机驱动电压PWM信号的占空比信息；
角位移环控制单元，用于在优化后的角速度环控制器模型基础上，构建角位移环控制器模型；所述角位移环控制器模型经粒子群算法参数优化后，根据用户设定的目标转角信息与惯性测量单元得到的实际角位移信息，生成目标角速度发送给角速度环控制器模型，实现双闭环控制。


2.根据权利要求1所述的一种车载摄像头云台伺服系统，其特征在于：所述俯仰臂(4)上设置有螺纹，配重块(13)上设置有螺纹孔，所述螺纹与螺纹孔配合，实现俯仰臂(4)与配重块(13)的连接，并使得配重块(13)在俯仰臂(4)上位置可调。


3.根据权利要求1所述的一种车载摄像头云台伺服系统，其特征在于：所述惯性测量单元包括：加速度计，用于测量摄像头的角位移值；
陀螺仪，用于测量摄像头的瞬时角速度值；
互补计算单元，用于将陀螺仪测量的角速度值与加速度计测量的角度值进行四元数互补计算，得到精确的瞬时角度值。


4.根据权利要求1所述的一种车载摄像头云台伺服系统，其特征在于：所述俯仰电机、侧倾电机和横摆电机均为无刷直流电机。


5.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种车载摄像头云台伺服系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.利用安装于摄像头(11)上的惯性测量单元，测量摄像头(11)的角速度和角位移信息，并利用四元数互补滤波算法生成精确角位移信息；
S2.根据摄像头三轴云台的机械结构，结合俯仰电机、侧倾电机和横摆电机参数；分别在俯仰、侧倾、横摆三个方向进行Simulink建模，依据电机内部的位置传感器，生成驱动电桥IGBT开关顺序信息；基于目标电压信息，生成驱动电桥IGBT占空比，通过驱动电桥实现俯仰、侧倾、横摆三个方向电机转速的开环控制，得到执行机构控制模型，即俯仰电机、侧倾电机和横摆电机的Simulink控制模型；
S3.基于执行机构控制模型，在Simulink中构建角速度环控制器模型，采用粒子群优化算法迭代优化角速度环控制器模型的参数；参数优化后的角速度环控制器根据惯性测量单元得到的实际角速度信息，结合目标角速度信息，生成电机驱动电压PWM信号的占空比信息；
S4.基于角速度环控制器模型，在Simulink中构建角位移环控制器模型，利用粒子群优化方法对角位移环控制器模型进行参数优化；参数优化后的角位移环控制器模型根据用户设定的目标转角信息与惯性测量单元得到的实际角位移信息，生成目标角速度发送给角速度环控制器模型，实现双闭环控制。


6.根据权利要求5所述的一种车载摄像头云台伺服系统的控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，四元数更新表达式：



被测物体坐标系b向地面坐标系R转化的四元数矩阵为：



将式(2)记为如下形式：



姿态角的表达式为：



其中，θ为俯仰角，γ为侧倾角，ψ为横摆角；
利用低通滤波器处理加速度计得到的角度值，利用高通滤波器处理陀螺仪解算出的角度，然后加权求和得到最终输出角度；



其中，β1为加速度计得到的角度值，β2为陀螺仪解算得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙超，冷江昊，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11