一种小型三轴光电吊舱控制系统技术方案

本发明专利技术公开一种小型三轴光电吊舱控制系统，它包括电机、磁编、电机驱动、IMU模块、摄像装置、图像处理模块、主控单元以及电源模块；磁编用于检测对应电机的转子位置信息，转子位置信息通过对应电机驱动发送到主控单元；IMU模块用于检测惯性空间角速度和加速度，并将数据发送给主控单元进行姿态解算和姿态解耦处理，从而实现吊舱的三轴稳像控制；图像处理模块用于处理摄像装置获取的图像信息，主控单元根据不同工作模式再发送指令控制摄像装置；电源模块向系统各部分供电。本发明专利技术的主控单元将吊舱的工作模式控制、IMU模块和图像处理模块的数据采集、姿态解耦、稳像控制、跟踪控制、载荷控制等功能高度集成，方便维护，从而实现吊舱小型化和轻量化。

A small three-axis photoelectric pod control system

【技术实现步骤摘要】
一种小型三轴光电吊舱控制系统
本专利技术属于飞行器
，具体来说，涉及一种挂载于无人机上的三轴光电吊舱控制系统。
技术介绍
小型三轴光电吊舱挂载于固定翼或多旋翼无人机上，可以搭载高清可见光相机、红外测温相机、图像处理模块等光电载荷，具有航向、横滚和俯仰三个机械轴的三轴稳像功能，可实现在飞机飞行过程中相机清晰成像、目标稳定跟踪、目标测温等功能。由于在拍摄时无人机平台的振动、偏航、俯仰及横滚等因素，所拍摄的照片会产生模糊、扭曲及旋转等现象，严重影响拍摄效果。现有的三轴吊舱稳定控制方法有的采用有刷电机，电刷与转子接触，增加了摩擦力，不利于稳定控制，同时可靠性降低；有的没有编码器，解算复杂，且控制精度难以提高；有的驱动器与电机分离设计，电机信号经线缆传输，其信号干扰增大，影响控制效果。然而小型三轴吊舱挂载上对飞机摇晃过程中稳定性能、目标跟踪、尺寸和重量有着严格要求，其控制系统要求实现高性能、小型化、高集成度设计，一般的方法很难满足。
技术实现思路
针对现有技术存在的小型三轴吊舱挂载稳定性能不足、目标跟踪效果差、集成度低的问题，本专利技术提供了一种挂载于无人机上的三轴光电吊舱控制系统，该控制系统能够提高挂载性能、吊舱稳像控制精度和跟踪控制精度。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种小型三轴光电吊舱控制系统，包括航向电机、横滚电机、俯仰电机、航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动、俯仰电机驱动、IMU模块、摄像装置、图像处理模块、主控单元以及电源模块；所述航向磁编、横滚磁编和俯仰磁编分别用于检测对应航向电机、横滚电机和俯仰电机的转子位置信息，转子位置信息通过对应航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动发送到主控单元，所述主控单元根据不同工作模式得到航向电机、横滚电机、俯仰电机的电流控制量后发送到对应航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动，从而控制航向电机、横滚电机和俯仰电机工作；所述IMU模块用于检测惯性空间角速度和加速度信息，并将惯性空间角速度和加速度信息发送给主控单元进行姿态解算和姿态解耦处理，从而实现吊舱的三轴稳像控制；所述图像处理模块用于处理摄像装置获取的图像信息，并将处理数据发送给主控单元，主控单元根据不同工作模式发送指令控制图像处理模块和摄像装置；所述电源模块用于对航向电机、横滚电机、俯仰电机、航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动、俯仰电机驱动、IMU模块、摄像装置、图像处理模块和主控单元统一供电。采用上述技术方案的小型三轴光电吊舱控制系统，主控单元作为信息处理中心实现与摄像装置、图像处理模块、IMU模块以及吊舱外部接口的数据通信，能够实现吊舱工作模式切换控制、三个轴的电机控制、吊舱三轴稳像控制以及目标跟踪控制等。进一步限定，所述航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动集成在一块驱动板上，且所述航向电机、横滚电机、俯仰电机和所述驱动板集成在一起形成驱动模块。上述限定提高了控制系统的集成度和抗干扰能力，航向电机、横滚电机、俯仰电机三个轴共用一个集成的驱动模块，有利于减小吊舱整体的尺寸和重量。进一步限定，所述航向电机、横滚电机和俯仰电机采用永磁同步电机直接驱动。航向电机、横滚电机和俯仰电机采用永磁同步电机驱动，相比直流有刷电机，具有能量密度高、可靠性强、波动小以及摩擦阻力小的优点。进一步限定，所述航向电机、横滚电机和俯仰电机三个轴通过地址区分，所述航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动分别对航向电机、横滚电机和俯仰电机进行FOC电流环控制，对外通过CAN/UART与主控单元通信。通过FOC电流环控制能够精准控制磁场大小和方向，使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。进一步限定，所述吊舱的三轴稳像控制为控制航向电机和俯仰电机的速度实现闭环且保持吊舱横滚姿态角为0度。进一步限定，所述图像处理模块还将获取的摄像信息进行压缩和编码，并对压缩和编码后的拍摄信息进行存储。进一步限定，当工作模式为目标跟踪模式时，所述图像处理模块根据主控单元发出的指令锁定目标，再将目标脱靶量信息发送给主控单元，所述主控单元根据目标脱靶量信息控制吊舱运动，从而跟踪目标。进一步限定，所述摄像装置包含可见光相机和红外相机中的一种或其组合。进一步限定，所述主控单元设有RS232/RS422串口和S-BUS接口。该限定使得主控单元可以自由定制通讯协议进行控制或通过具有S-BUS接口的遥控器直接控制，控制方式方便灵活。本专利技术相比现有技术，具有如下有益效果：1、本专利技术将电机、磁编和电机驱动进行一体化设计，将驱动模块化设计，便于系统扩展和在同类产品中应用，提高系统集成度和稳定性。2、主控单元将吊舱的工作模式控制、IMU模块和图像处理模块的数据采集、姿态解耦、稳像控制、跟踪控制、对外通讯、载荷控制等功能高度集成，降低了成本、方便维护，从而实现吊舱小型化和轻量化。3、本专利技术的电机采用永磁同步电机直接驱动以及采用FOC电流环控制的方式，提高吊舱响应速度、刚性和力矩平稳性，从而提高吊舱稳像控制精度和跟踪控制精度。附图说明图1为本专利技术三轴光电吊舱控制系统的结构示意图；图2为本专利技术的FOC电流环控制流程图；图3为本专利技术的吊舱控制流程图；图4为本专利技术三轴光电吊舱控制系统控制流程图。图中标记说明：11-航向电机，12-横滚电机，13-俯仰电机，21-航向磁编，22-横滚磁编，23-俯仰磁编，31-航向电机驱动，32-横滚电机驱动，33-俯仰电机驱动，4-IMU模块，51-可见光相机，52-红外相机，6-图像处理模块，7-主控单元，8-电源模块。具体实施方式为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本专利技术作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本专利技术的限定。如图1所示，一种小型三轴光电吊舱控制系统，包括电机、磁编、电机驱动、IMU模块4、摄像装置、图像处理模块6、主控单元7和电源模块8。电机包括提供航向、横滚、俯仰方向的航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13，磁编包括检测对应航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13的转子位置信息的的航向磁编21、横滚磁编22和俯仰磁编23，电机驱动包括对应航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13工作的航向电机驱动31、横滚电机驱动32和俯仰电机驱动33。航向磁编21、横滚磁编22和俯仰磁编23将检测到的对应航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13的转子位置信息，转子位置信息通过对应航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13发送到主控单元7，接着主控单元7根据不同工作模式得到航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13的电流控制量后再发送回对应航向电机驱动31、横滚电机驱动32和俯仰电机驱动33，从而控制航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13转子的工作状态。航向磁编21、横滚磁编22和俯仰磁编2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小型三轴光电吊舱控制系统，其特征在于，包括航向电机、横滚电机、俯仰电机、航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动、俯仰电机驱动、IMU模块、摄像装置、图像处理模块、主控单元以及电源模块；/n所述航向磁编、横滚磁编和俯仰磁编分别用于检测对应航向电机、横滚电机和俯仰电机的转子位置信息，转子位置信息通过对应航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动发送到主控单元，所述主控单元根据不同工作模式得到航向电机、横滚电机、俯仰电机的电流控制量后发送到对应航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动，从而控制航向电机、横滚电机和俯仰电机工作；/n所述IMU模块用于检测惯性空间角速度和加速度信息，并将惯性空间角速度和加速度信息发送给主控单元进行姿态解算和姿态解耦处理，从而实现吊舱的三轴稳像控制；/n所述图像处理模块用于处理摄像装置获取的图像信息，并将处理数据发送给主控单元，主控单元根据不同工作模式发送指令控制图像处理模块和摄像装置；/n所述电源模块用于对航向电机、横滚电机、俯仰电机、航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动、俯仰电机驱动、IMU模块、摄像装置、图像处理模块和主控单元统一供电。/n...

【技术特征摘要】
1.一种小型三轴光电吊舱控制系统，其特征在于，包括航向电机、横滚电机、俯仰电机、航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动、俯仰电机驱动、IMU模块、摄像装置、图像处理模块、主控单元以及电源模块；
所述航向磁编、横滚磁编和俯仰磁编分别用于检测对应航向电机、横滚电机和俯仰电机的转子位置信息，转子位置信息通过对应航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动发送到主控单元，所述主控单元根据不同工作模式得到航向电机、横滚电机、俯仰电机的电流控制量后发送到对应航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动，从而控制航向电机、横滚电机和俯仰电机工作；
所述IMU模块用于检测惯性空间角速度和加速度信息，并将惯性空间角速度和加速度信息发送给主控单元进行姿态解算和姿态解耦处理，从而实现吊舱的三轴稳像控制；
所述图像处理模块用于处理摄像装置获取的图像信息，并将处理数据发送给主控单元，主控单元根据不同工作模式发送指令控制图像处理模块和摄像装置；
所述电源模块用于对航向电机、横滚电机、俯仰电机、航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动、俯仰电机驱动、IMU模块、摄像装置、图像处理模块和主控单元统一供电。


2.根据权利要求1所述的一种小型三轴光电吊舱控制系统，其特征在于：所述航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动集成在一块驱动板上，且所述航向电机、横滚电机、俯仰电机和所述驱动板集成在一起形成驱动模块。


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【专利技术属性】
技术研发人员：代剑峰，张海波，李新磊，
申请(专利权)人：北京中星时代科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11