CN101417711A - 两轴平衡环架的扰动补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两轴平衡环架的扰动补偿装置，该扰动补偿装置(5)安装在平衡环架的外框架轴(9)上；A电机(2)与A电位器(2A)同轴安装在内框架轴(7)上，A电机(2)用于驱动内框架轴(7)转动，从而实现摄像机(1)的俯仰运动，A电位器(2A)用于敏感内框架轴(7)在转动状态下产生的内框转角θ₇；B电机(3)与B电位器(3A)同轴安装在外框架轴(9)上，B电机(3)用于驱动外框架轴(9)转动，从而实现摄像机(1)的方位运动，B电位器(3A)用于敏感外框架轴(9)在转动状态下产生的外框转角θ₉；然后采用坐标变换方法，将飞行器的三轴角速度变换到摄像机光轴所在的坐标系下，然后利用融合→分配F₃将飞行器的三个角速度分量融合、分配来隔离飞行器运动对摄像机光轴的耦合扰动，从而使摄像机的光轴保持稳定。

Description

两轴平衡环架的扰动补偿装置

技术领域

本发明涉及一种适用于飞行器的视觉导航***中对摄像机光轴的控制，更特别地说，是指一种两轴平衡环架的扰动补偿装置。该扰动补偿装置解决了对飞行器耦合扰动的隔离。

背景技术

目前，基于视觉的飞行器导航、制导与控制是国内外应用很广泛的新兴领域，尤其是基于视觉的无人机***更是研究的重点之一。它主要是将摄像机及其伺服***安装在飞行器上，具有两方面的主要应用：一方面，它利用摄像机及其伺服***对事先已知的地标等图像的处理，解算出无人机载机的姿态参数，作为载机导航控制的信息源，这时摄像机***作为导航控制的传感器使用；另一方面，摄像机及其伺服***可以拍摄地面或空中目标的图像，得到地面航拍图或空中目标的航拍图，这些图像可以作为科学研究之用。这两方面的应用都是将摄像机及其伺服***安装在载机上并自动拍摄图像，不需要载机与外界进行数据链通讯，因此具有很好的自主性和隐蔽性。而且无人机可以在高空和不适合有人参与的环境下工作，不用考虑有人飞机的驾驶员安全等问题，并且无人机成本较低，便于实现小型化。

参见图1所示，摄像机1安装在平衡环架的内框架轴7上，并在内框架轴7的两端分别安装A电机2、A电位器2A；在平衡环架的外框架轴9上安装有B电机3、B电位器3A。环架4、内框架轴7和外框架轴9构成直角坐标结构的平衡环架。但是，由于平衡环架安装在飞行器外壳8上，载机的运动会耦合到摄像机光轴，对摄像机图像拍摄造成很大的干扰，从而大大降低图像质量，影响视觉导航***的工作。另外，对于飞行器来说，体积和重量是着重考虑的要素，设备安装空间和位置也需要考虑，因此需要稳定平台尽量具有轻巧的特点。因此，本发明为了克服两轴平衡环架隔离载机飞行器耦合扰动造成的影响，设计了两轴平衡环架的扰动补偿装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种两轴平衡环架的扰动补偿装置，该扰动补偿装置采用坐标变换方法，将飞行器的三轴角速度变换到摄像机光轴所在的坐标系下，然后利用融合→分配F₃将飞行器的三个角速度分量融合、分配，从而隔离飞行器运动对摄像机光轴的耦合扰动。

本发明是一种两轴平衡环架的扰动补偿装置，该扰动补偿装置5安装在环架4的外框架轴9上。A电机2与A电位器2A同轴安装在内框架轴7上，A电机2用于驱动内框架轴7转动，从而实现摄像机1的俯仰运动，A电位器2A用于敏感内框架轴7在转动状态下产生的转动角度(即内框转角θ₇)；B电机3与B电位器3A同轴安装在外框架轴9上，B电机3用于驱动外框架轴9转动，从而实现摄像机1的方位运动，B电位器3A用于敏感外框架轴9在转动状态下产生的转动角度(即外框转角θ₉)。扰动补偿装置5由一次变换器51、二次变换器52、通道选择器53和电机控制器54构成。

一次变换器51对接收的A角速度测量值B角速度测量值

C角速度测量值

外框转角θ₉采用一次坐标矩阵 $F_1\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{1x}={\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{Ax}}\cos {\mathrm{\θ}}_9+{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{By}}\sin {\mathrm{\θ}}_9\\ {\mathrm{\ω}}_{1y}=-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{Ax}}\sin {\mathrm{\θ}}_9+{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{By}}\cos {\mathrm{\θ}}_9\\ {\mathrm{\ω}}_{1z}={\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{Cz}}+{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_9\end{array}\right]$ 转换处理得到外框坐标系下x轴的角速度分量ω_1x、y轴的角速度分量ω_1y、z轴的角速度分量ω_1z输出给二次变换器52。

二次变换器52对接收的外框坐标系下x轴的角速度分量ω_1x、y轴的角速度分量ω_1y、z轴的角速度分量ω_1z、内框转角θ₇采用二次坐标矩阵 $F_2\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{2x}={\mathrm{\ω}}_{1x}\cos {\mathrm{\θ}}_7-{\mathrm{\ω}}_{1z}\sin {\mathrm{\θ}}_7\\ {\mathrm{\ω}}_{2y}={\mathrm{\ω}}_{1y}{+\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_7\\ {\mathrm{\ω}}_{2z}={\mathrm{\ω}}_{1x}\sin {\mathrm{\θ}}_7+{\mathrm{\ω}}_{1z}\cos {\mathrm{\θ}}_7\end{array}\right]$ 转换处理得到内框坐标系下x轴的角速度分量ω_2x、y轴的角速度分量ω_2y、z轴的角速度分量ω_2z输出给通道选择器53。

通道选择器53根据接收的内框坐标系下x轴的角速度分量ω_2x、y轴的角速度分量ω_2y、z轴的角速度分量ω_2z采用融合→分配 $F_3\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pc}1}={\mathrm{\ω}}_{2y}\cos \mathrm{\β}-{\mathrm{\ω}}_{2z}\sin \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pc}2}={\mathrm{\ω}}_{2y}\sin \mathrm{\β}+{\mathrm{\ω}}_{2z}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]$ 的变换处理得到待补偿俯仰角速度ω_pc1、待补偿方位角速度ω_pc2输出给电机控制器54。融合→分配F₃中，β表示内框坐标系下x轴的角速度分量ω_2x的积分的增量。

电机控制器54根据接收到的俯仰角速度ω_pc1、方位角速度ω_pc2采用PID算法进行A电机2、B电机3驱动信号的解算，从而输出电机驱动信号u_A、u_B，分别对A电机2、B电机3进行控制，最终达到对内框架轴7、外框架轴9的运动控制。

本发明两轴平衡环架的扰动补偿装置的优点：

1.适用于不同结构的两轴平衡环架的扰动补偿控制，如直角坐标结构的环架。

2.在环架结构部分不需要安装陀螺等测速机构，采用与环架驱动电机同轴安装的两只电位器测量环架自身两个框之间的偏转角度即可，***结构紧凑，重量轻，体积小。

3.可以采用DSP处理器芯片、C语言编程，实现数字信号处理，控制精度高、速度快，而且便于内部控制算法的更新和修改。

4.将环架运动参数和飞行器运动参数合成到同一坐标系内进行控制，以摄像机光轴最终的指向作为控制的最终目的，简化了设计。

附图说明

图1是直角坐标结构的两轴平衡环架示意图。

图1A是坐标转换示意图。

图2是本发明两轴平衡环架的扰动补偿装置的结构框图。

图3A是未采用本发明扰动补偿装置的摄像机俯仰角速度响应曲线图。

图3B是未采用本发明扰动补偿装置的摄像机方位角速度响应曲线图。

图4A是采用本发明扰动补偿装置的摄像机俯仰角速度响应曲线图。

图4B是采用本发明扰动补偿装置的摄像机方位角速度响应曲线图。

图中：         1.摄像机          2.A电机          2A.A电位器        3.B电机3A.B电位器       4.环架            5.扰动补偿装置   51.一次变换器      52.二次变换器53.通道选择器    54.电机控制器     6.速率陀螺组件7.内框架轴       8.飞行器外壳      9.外框架轴

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种两轴平衡环架的扰动补偿装置，该扰动补偿装置5安装在平衡环架的外框架轴9上(参见图1所示)。A电机2与A电位器2A同轴安装在内框架轴7上，A电机2用于驱动内框架轴7转动，从而实现摄像机1的俯仰运动，A电位器2A用于敏感内框架轴7在转动状态下产生的转动角度(即内框转角θ₇)；B电机3与B电位器3A同轴安装在外框架轴9上，B电机3用于驱动外框架轴9转动，从而实现摄像机1的方位运动，B电位器3A用于敏感外框架轴9在转动状态下产生的转动角度(即外框转角θ₉)。本发明利用了飞行器的导航***中三只速率陀螺6输出的飞行器的角速度分量。

参见图2所示，在本发明中，扰动补偿装置5由一次变换器51、二次变换器52、通道选择器53和电机控制器54构成；三只速率陀螺(速率陀螺组件6属于飞行器导航***中器件)用于分别将敏感到的飞行器的x轴角速度分量

y轴角速度分量

z轴角速度分量

输出给一次变换器51；

一次变换器51对接收的A角速度测量值

B角速度测量值

C角速度测量值外框转角θ₉采用一次坐标矩阵 $F_1\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{1x}={\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{Ax}}\cos {\mathrm{\θ}}_9+{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{By}}\sin {\mathrm{\θ}}_9\\ {\mathrm{\ω}}_{1y}=-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{Ax}}\sin {\mathrm{\θ}}_9+{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{By}}\cos {\mathrm{\θ}}_9\\ {\mathrm{\ω}}_{1z}={\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{Cz}}+{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_9\end{array}\right]$ 转换处理得到外框坐标系下x轴的角速度分量ω_1x、y轴的角速度分量ω_1y、z轴的角速度分量ω_1z输出给二次变换器52。

在本发明中，陀螺组件6的坐标系oxyz即为飞行器的坐标，环架4的外框架轴9绕坐标系oxyz的z轴转动一定角度形成外框坐标系ox₁y₁z₁，环架4的内框架轴7绕外框坐标系ox₁y₁z₁的y₁轴转动一定角度形成内框坐标系ox₂y₂z₂，坐标的转换参见图1A所示。一次坐标矩阵F₁中，表示外框转角θ₉的微分。采用一次坐标矩阵F₁进行的坐标转换能够使得飞行器的三个角速度(ω_bx、ω_by、ω_bz)对摄像机方位方向(左右运动)造成的影响映射到外框坐标系ox₁y₁z₁下用于补偿。

二次变换器52对接收的外框坐标系下x轴的角速度分量ω_1x、y轴的角速度分量ω_1y、z轴的角速度分量ω_1z、内框转角θ₇采用二次坐标矩阵 $F_2\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{2x}={\mathrm{\ω}}_{1x}\cos {\mathrm{\θ}}_7-{\mathrm{\ω}}_{1z}\sin {\mathrm{\θ}}_7\\ {\mathrm{\ω}}_{2y}={\mathrm{\ω}}_{1y}{+\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_7\\ {\mathrm{\ω}}_{2z}={\mathrm{\ω}}_{1x}\sin {\mathrm{\θ}}_7+{\mathrm{\ω}}_{1z}\cos {\mathrm{\θ}}_7\end{array}\right]$ 转换处理得到内框坐标系下x轴的角速度分量ω_2x、y轴的角速度分量ω_2y、z轴的角速度分量ω_2z输出给通道选择器53。

在本发明中，二次坐标矩阵F₂中，

表示内框转角θ₇的微分。采用二次坐标矩阵F₂进行的坐标转换能够使得外框坐标系下ox₁y₁z₁的三个角速度(ω_1x、ω_1y、ω_1z)对摄像机俯仰方向造成的影响映射到内框坐标系ox₂y₂z₂下用于补偿。

本发明中，采用两次坐标的转换模式进行扰动补偿，可以将不同坐标系下的物理量统一到同一坐标系内。使得摄像机的光轴运动与飞行器的运动之间建立联系。

通道选择器53根据接收的内框坐标系下x轴的角速度分量ω_2x、y轴的角速度分量ω_2y、z轴的角速度分量ω_2z采用融合→分配 $F_3\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pc}1}={\mathrm{\ω}}_{2y}\cos \mathrm{\β}-{\mathrm{\ω}}_{2z}\sin \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pc}2}={\mathrm{\ω}}_{2y}\sin \mathrm{\β}+{\mathrm{\ω}}_{2z}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]$ 的变换处理得到待补偿俯仰角速度ω_pc1、待补偿方位角速度ω_pc2输出给电机控制器54。融合→分配F₃中，β表示内框坐标系下x轴的角速度分量ω_2x的积分的增量。

在本发明将飞行器运动在内框坐标系中融合并分配到对应的控制通道(内框架轴7、外框架轴9)，不但考虑了飞行器运动对摄像机俯仰、方位角速度的直接影响，也包含了飞行器运动过程中对摄像机滚转的影响。

电机控制器54根据接收到的俯仰角速度ω_pc1、方位角速度ω_pc2采用PID算法进行A电机2、B电机3驱动信号的解算，从而输出电机驱动信号u_A、u_B，分别对A电机2、B电机3进行控制，最终达到对内框架轴7、外框架轴9的运动控制。

本发明的两轴平衡环架的扰动补偿装置从电机驱动内框架轴7、外框架轴9的运动开始，至下电机控制器输出下一电机驱动信号止，形成一个负反馈闭环补偿。经两轴平衡环架的扰动补偿装置补偿后，二次变换器52将摄像机俯仰角速度ω₇、摄像机方位角速度ω₉输出给飞行器导航***。即，通过电机控制器54输出电机驱动信号使内框架轴7、外框架轴9的转动来隔离飞行器运动对摄像机的光轴在俯仰、方位方向下的影响，从而使摄像机的光轴保持稳定。

本发明的两轴平衡环架的扰动补偿装置在器件的选取上，电机控制器可以选取PID控制器。而扰动补偿装置5可以为DSP处理器芯片，采用c语言编制控制程序。

本发明设计了两轴平衡环架的扰动补偿器，两轴平衡环架的内框中安装有摄像机，摄像机光轴的空间指向是扰动补偿器的控制目的，即保持光轴空间指向相对于惯性空间某一方向不变。

实施例

在某型无人驾驶飞行器上，前端安装直角坐标结构的两轴平衡环架(图1所示的结构)，摄像机拍摄飞行器前端景物图像，飞行器角速度的三个分量分别为：x轴角速度分量

为幅值1弧度/秒、频率1.57弧度/秒的正弦形式，y轴角速度分量

为幅值1弧度/秒、频率6.28弧度/秒的正弦形式，z轴角速度分量

为幅值1弧度/秒、频率3.14弧度/秒的正弦形式，采集摄像机俯仰角速度ω₇、摄像机方位角速度ω₉数据，则时间响应曲线如图4A、图4B所示。当不采用本发明的扰动补偿装置，仅仅利用两轴平衡环架自身角速度反馈时，采集的数据响应曲线如图3A、图3B所示

对比图3A与图4A、图3B与图4B，不采用本发明的扰动补偿装置，飞行器运动对摄像机俯仰、方位角速度造成的耦合扰动幅值均为1弧度/秒，与飞行器运动角速度幅值在一个数量级，此时无法稳定拍摄图像；当采用本发明的扰动补偿装置，飞行器运动被扰动补偿装置隔离，实际输出的摄像机俯仰角速度幅值衰减到0.006弧度/秒以下、方位角速度幅值衰减到0.01弧度/秒以下，摄像机俯仰、方位角速度衰减率均达到10％以下，说明本发明的扰动补偿装置有效。

Claims (4)

1、一种两轴平衡环架的扰动补偿装置，摄像机(1)安装在平衡环架的内框架轴(7)上，平衡环架安装在飞行器外壳(8)上，飞行器的导航***中包括有三只速率陀螺(6)，三只速率陀螺(6)用于分别将敏感到的飞行器的x轴角速度分量

y轴角速度分量

z轴角速度分量

输出给一次变换器(51)，其特征在于：该扰动补偿装置(5)安装在平衡环架的外框架轴(9)上；A电机(2)与A电位器(2A)同轴安装在内框架轴(7)上，A电机(2)用于驱动内框架轴(7)转动，从而实现摄像机(1)的俯仰运动，A电位器(2A)用于敏感内框架轴(7)在转动状态下产生的内框转角θ₇；B电机(3)与B电位器(3A)同轴安装在外框架轴(9)上，B电机(3)用于驱动外框架轴(9)转动，从而实现摄像机(1)的方位运动，B电位器(3A)用于敏感外框架轴(9)在转动状态下产生的外框转角θ₉；

扰动补偿装置(5)由一次变换器(51)、二次变换器(52)、通道选择器(53)和电机控制器(54)构成；

一次变换器(51)对接收的A角速度测量值

B角速度测量值C角速度测量值

外框转角θ₉采用一次坐标矩阵 $F_1\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{1x}={\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{Ax}}\cos {\mathrm{\θ}}_9+{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{By}}\sin {\mathrm{\θ}}_9\\ {\mathrm{\ω}}_{1y}={\widehat{-\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{Ax}}\sin {\mathrm{\θ}}_9+{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{By}}\cos {\mathrm{\θ}}_9\\ {\mathrm{\ω}}_{1z}={\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{Cz}}+{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_9\end{array}\right]$ 转换处理得到外框坐标系下x轴的角速度分量ω_1x、y轴的角速度分量ω_1y、z轴的角速度分量ω_1z输出给二次变换器(52)；一次坐标矩阵F1中，表示外框转角θ₉的微分；

二次变换器(52)对接收的外框坐标系下x轴的角速度分量ω_1x、y轴的角速度分量ω_1y、z轴的角速度分量ω_1z、内框转角θ₇采用二次坐标矩阵 $F_2\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{2x}={\mathrm{\ω}}_{1x}\cos {\mathrm{\θ}}_7+{\mathrm{\ω}}_{1z}\sin {\mathrm{\θ}}_7\\ {\mathrm{\ω}}_{2y}={\mathrm{\ω}}_{1y}+{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_7\\ {\mathrm{\ω}}_{2z}={\mathrm{\ω}}_{1x}\sin {\mathrm{\θ}}_7+{\mathrm{\ω}}_{1z}\cos {\mathrm{\θ}}_7\end{array}\right]$ 转换处理得到内框坐标系下x轴的角速度分量ω_2x、y轴的角速度分量ω_2y、z轴的角速度分量ω_2z输出给通道选择器(53)；二次坐标矩阵F₂中，表示内框转角θ₇的微分；

通道选择器(53)根据接收的内框坐标系下x轴的角速度分量ω_2x、y轴的角速度分量ω_2y、z轴的角速度分量ω_2z采用融合→分配 $F_3\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pc}1}={\mathrm{\ω}}_{2y}\cos \mathrm{\β}-{\mathrm{\ω}}_{2z}\sin \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pc}2}={\mathrm{\ω}}_{2y}\sin \mathrm{\β}+{\mathrm{\ω}}_{2z}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]$ 的变换处理得到待补偿俯仰角速度ω_pc1、待补偿方位角速度ω_pc2输出给电机控制器(54)；融合→分配F₃中，β表示内框坐标系下x轴的角速度分量ω_2x的积分的增量；

电机控制器(54)根据接收到的俯仰角速度ω_pc1、方位角速度ω_pc2采用PID算法进行A电机(2)、B电机(3)驱动信号的解算，从而输出电机驱动信号u_A、u_B，分别对A电机(2)、B电机(3)进行控制，最终达到对内框架轴(7)、外框架轴(9)的运动控制；

经两轴平衡环架的扰动补偿装置补偿后，二次变换器(52)将摄像机俯仰角速度ω₇、摄像机方位角速度ω₉输出给飞行器导航***，形成一个负反馈闭环补偿。

2、根据权利要求1所述的两轴平衡环架的扰动补偿装置，其特征在于：采用两次坐标的转换模式进行扰动补偿，将不同坐标系下的物理量统一到同一坐标系内。

3、根据权利要求1所述的两轴平衡环架的扰动补偿装置，其特征在于：电机控制器选取PID控制器。

4、根据权利要求1所述的两轴平衡环架的扰动补偿装置，其特征在于：扰动补偿装置(5)为DSP处理器芯片，采用c语言编制控制程序。

Images