CN104991571A - 一种云台增稳装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种云台增稳装置及方法，云台增稳装置包括：电池组、检测电路、电池组基座、电机、控制电路。增稳方法，包括：检测电路检测当前时刻的状态信息，并输出检测信号至控制电路，所述检测信号携带当前时刻的状态信息；控制电路根据所述当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信息确定当前时刻的驱动信号，发送所述当前时刻的驱动信号至电机；电机根据所述当前时刻的驱动信号带动电池组旋转；电池组旋转产生的力矩通过电机作用于云台基座，抵消云台基座受到的扰动。采用本发明的技术方案，能够有效地保证了云台的稳定性，且易于实现。

Description

一种云台增稳装置及方法

技术领域

本发明涉及云台控制技术领域，特别涉及一种云台增稳装置及方法。

背景技术

摄像云台***是一种特殊影视拍摄设备，可以实现远距离两点之间水平、垂直或倾斜方向的运动拍摄。摄像云台***主要包括绳索***和摄像云台两大部分。绳索***主要驱动摄像云台，实现摄像云台在空间内的移动。

一方面，由于大多数的绳索***都采用几根具有弹性的绳索牵引云台运动，绳索间的弹性差异、绳索回收或放出的速度不匀，会造成绳索摆荡，加上大风等外界环境因素会加剧摆荡幅度。这一摆荡运动首先施加于与绳索直接相连的云台基座上，继而耦合传递到摄像机上，造成摄像机视轴晃动，拍摄图像不稳定。

另一方面，当操纵人员控制云台实现摄像机视轴快速转动时，控制电机将反作用力快速施加于云台基座，且绳索刚性较小，无法及时提供对云台基座运动的约束力，导致云台基座发生移动或晃动，继而影响摄像机拍摄画面的稳定度。

云台基座的扰动直接引起摄像机视轴晃动，因此，必须先稳定云台基座。现有的云台增稳解决方案主要包括两种：(1)采用增加云台基座惯量或者提高绳索刚性的方法。比如，将云台基座固连在一个惯量较大的小车上，以减小基座扰动运动的幅值；或者采用刚性较高的钢丝绳拉拽云台移动；(2)采用人工操纵扰动补偿的方法。比如，要求操纵人员在操控索道摄像机实现空间移动和视轴转动时尽量操作柔和一些，或者在发生视轴晃动时通过反向操纵加以补偿。

综上所述，现有的云台增稳方案存在不足，具体如下：(1)采用增加云台基座惯量或提高绳索刚性的方法，使用场合限制较大；(2)采用人工操作扰动补偿的方法，加大了操作人员的工作难度，较难实现。

发明内容

本发明实施例提出了一种云台增稳装置及方法，用以解决现有技术中云台增稳控制中存在的应用场合受限或操作难度较大的问题。

本发明实施例提供了一种云台增稳装置，主要包括：电池组、检测电路、电池组基座、电机、控制电路，其中，

电池组位于电池组基座上；

检测电路，用于检测当前时刻的状态信息，并输出检测信号至控制电路，所述检测信号携带当前时刻的状态信息；

控制电路，用于接收所述检测信号，并根据所述当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的驱动信号；

电机，用于根据控制电路输出的当前时刻的驱动信号驱动电池组旋转；所述电机的转子与电池组基座连接，电机的定子与云台基座连接。

本发明实施例还提供了一种云台增稳方法，包括如下步骤：

检测电路检测当前时刻的状态信息，并输出检测信号至控制电路，所述检测信号携带当前时刻的状态信息；

控制电路根据所述当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信息确定当前时刻的驱动信号，发送所述当前时刻的驱动信号至电机；

电机根据所述当前时刻的驱动信号带动电池组旋转；

电池组旋转产生的力矩通过电机作用于云台基座，抵消云台基座受到的扰动。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的云台增稳装置，由于利用检测电路检测当前时刻的状态信息作为控制电路的控制输入，控制电路根据当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的驱动信号，电机接收并根据该当前时刻的驱动信号工作，带动电池组转速，通过电池组旋转产生的力矩抵消云台受到的扰动，实现云台增稳。该云台增稳装置将云台***中的电池组作为增稳装置的一部分，仅增加了电池组基座、检测电路、控制电路和电机，和现有的将云台基座固连在一个惯量较大的小车上、采用刚性较高的钢丝绳拉拽云台移动、或者采用人工操作补偿的方案相比，该云台增稳装置结构简单，易于实现，且能有效地保证了云台的稳定性。

本发明实施例提供的云台增稳方法，由于利用检测电路检测当前时刻的状态信息，控制电路根据当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的驱动信号，电机接收并根据该当前时刻的驱动信号工作，带动电池组转速，通过电池组旋转产生的力矩抵消云台受到的扰动，实现云台增稳。由于电池组通过电机与云台基座连接，电池组旋转产生的力矩通过连接结构作用于云台基座，抵消云台基座受到的干扰力矩。该方案基于云台已有的电池组进行云台增稳，易于实现，极大地简化了云台增稳的控制工作，且效果较为显著、可靠。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的具体实施例。

图1为本发明实施例中提供的云台增稳装置的正式剖面结构图示意图；

图2为含有本发明实施例中提供的云台增稳装置的云台***结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的云台增稳装置去除外罩后的三维结构示意图；

图4为本发明实施例中的云台增稳装置中的控制电路的结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的云台增稳装置的运行示意图；

图6为本发明实施例中提供的云台增稳装置中的控制电路构成示意图；

图7为本发明实施例中提供的云台增稳方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本说明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

图1为本发明实施例中提供的云台增稳装置的正式剖面结构图示意图，如图所示，本发明实施例提供的云台增稳装置，可以主要包括：电池组、检测电路、电池组基座、电机、控制电路，其中，

电池组位于电池组基座上；

检测电路，用于检测当前时刻的状态信息，并输出检测信号至控制电路，所述检测信号携带当前时刻的状态信息；

控制电路，用于接收所述检测信号，并根据所述当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的驱动信号；

电机，用于根据控制电路输出的当前时刻的驱动信号驱动电池组旋转；所述电机的转子与电池组基座连接，电机的定子与云台基座连接。

图2为含有本发明实施例中提供的云台增稳装置的云台***结构示意图，其中，11为云台基座，20为云台增稳装置，21为云台，22为绳索。云台***21通过基座被绳索22悬吊在空中，可以执行X、Y、Z三个方向上的移动。由于各种干扰存在，使云台基座绕着水平X、Y轴和垂直Z轴大幅转动，具体实施中，可以按图1所示的方式，将云台增稳装置固定连接在云台基座上，将为云台***供电的电池组放置到云台增稳装置中，利用电池组具有一定质量，控制电池组旋转时会产生一定力矩的特性来维持云台***的稳定，减小云台基座绕着水平X、Y轴和垂直Z轴的摆荡幅度，并最终降低摄像机视轴晃动。

图3为本发明实施例中提供的云台增稳装置去除外罩后的三维结构示意图，如图3所示，该云台增稳装置的具体结构为：电池组位于电池组基座上。

从理论上来说，只要是能够进行状态检测的技术或装置、模块都可以作为检测电路来实施本方案的，例如，光电编码器、陀螺、压电传感器等都可以实现，本领域的技术人员在实施过程中可以结合实践需要来确定相应的方式。

实施中，所述检测电路可以是光电编码器，所述状态信息是电池组的转速信息，所述检测信号是脉冲信号；

图4为本发明实施例中的云台增稳装置中的控制电路的结构示意图，如图所示。所述控制电路可以具体包括：

转速处理模块，用于接收光电编码器发出的脉冲信号，将所述脉冲信号转化为电池组的转速信息，输出至转速控制器；

转速控制器，用于接收转速处理模块输出的转速信息，根据所述当前时刻云电池组的转速信息、上一时刻电池组的转速信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的驱动信号，并将所述当前时刻的驱动信号输出至电机。

具体实施中，检测电路可以只包括检测电池组旋转角速度的光电编码器，也可以包括光电编码器和用于检测云台基座的垂直轴扰动角速度的陀螺。其中，光电编码器可以采用增量式编码器、绝对式编码器或者混合式绝对值编码器。考虑实现效果，优选的，在本实施例中可以采用增量式编码器，平衡实现效果和成本，本实施例中可以采用14位分辨率增量式编码器，本领域技术人员也可以根据实际需要选用如16位分辨率等其他分辨率的增量式编码器。

图5为本发明实施例中提供的云台增稳装置的运行示意图，如图所示，具体实施中，光电编码器的转轴与电机的转子连接，光电编码器的外壳与电机的定子连接，电机的转子与电池组基座固连，电机的定子于装置基座连接，当电机运行时，转子旋转并同时驱动与其连接的电池组基座和光电编码器的旋转，因为电池组基座和光电编码器均是受同一个电机转子驱动旋转，二者的旋转角速度相同，所以光电编码器可以检测电池组的转速，并输出脉冲信号至控制电路，该脉冲信号携带光电编码器检测到的电池组的转速信息。

实施中，所述光电编码器的转轴可以与电机的转子连接，光电编码器的外壳与电机的定子连接。

具体实施中，为了使光电编码器准确地检测电池组的转速，在结构设计上，可以将光电编码器的转轴与电机的转子链接，光电编码器的外壳与电机的定子连接。

实施中，所述检测电路可以包括光电编码器和陀螺，所述状态信息包括电池组的转速信息和云台基座的垂直轴扰动角速度信息，所述检测信号包括脉冲信号和陀螺信号；

如图5所示，所述控制电路可以具体包括：

转速处理模块，用于接收光电编码器发出的脉冲信号，将所述脉冲信号转化为电池组的转速信息，输出至转速控制器；

陀螺处理模块，用于接收陀螺输出的陀螺信号，根据所述陀螺信号确定云台基座的垂直轴扰动角速度信息，将所述云台基座的垂直轴扰动角速度信息输出至垂直稳定控制器；

垂直稳定控制器，用于根据接收到的所述云台基座的垂直轴扰动角速度信息生成转速控制信号，将所述转速控制信号输出至转速控制器；

转速控制器，用于接收转速处理模块输出的转速信息和垂直稳定控制器输出的转速控制信号，根据当前时刻电池组的转速信息、上一时刻电池组的转速信息、当前时刻转速控制信号、上一时刻转速控制信号及上一时刻驱动信号确定当前时刻的驱动信号，并将所述当前时刻的驱动信号输出至电机。

具体实施中，本实施例中的陀螺可以采用速率陀螺，是用以直接测量角速率的二自由度陀螺装置。把均衡陀螺仪的外环固定在运载器上并令内环轴垂直于要测量角速率的轴。当运载器连同外环以角速度绕测量轴旋进时，陀螺力矩将迫使内环连同转子一起相对运载器旋进。陀螺仪中有弹簧限制这个相对旋进，而内环的旋进角正比于弹簧的变形量。由平衡时的内环旋进角即可求得陀螺力矩和运载器的角速率。

当云台基座受到垂直轴方向上的扰动时，该垂直轴方向的扰动可以传递到陀螺，陀螺会检测到云台基座的垂直轴扰动角速度信息，并输出陀螺信号至控制电路，陀螺信号可以是电压信号，也可以是电流信号或其他的信号。

光电编码器和陀螺采集到信号后，输入至控制电路。控制电路根据实际需要进行脉冲信号和陀螺信号的处理，并基于脉冲信号和陀螺信号的处理结果确定当前时刻的驱动信号。当云台仅受到垂直轴方向上的扰动时，水平方向扰动为0，控制电路上仅需根据当前时刻脉冲信号、上一时刻的驱动信号、当前时刻陀螺信号、上一时刻陀螺信号确定当前时刻的驱动信号，对电池组进行稳定和加减速控制，产生的力矩来抵消云台仅受到垂直轴方向上的扰动。

实施中，所述控制电路还可以包括：功率模块，用于接收当前时刻的驱动信号并将所述当前时刻的驱动信号进行PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)脉冲宽度调制生产的PWM信号，并根据PWM信号产生驱动电流，将驱动电流输出至电机，从而驱动电机转动，带动电池组旋转。脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的技术，从处理器到被控***信号都是数字形式的，无需进行数模转换，可将噪声影响降到最小。PWM控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

从理论上来说，只要是能够进行驱动控制的其它的技术也是可以实施本方案的，PWM仅用于教导本领域技术人员具体如何实施本发明，但不意味仅能使用PWM一种方式，实施过程中可以结合实践需要来确定相应的方式。

图6为本发明实施例中提供的云台增稳装置中的控制电路构成示意图，如图6所示，主要包括陀螺、电机、控制电路和直流电机。控制电路采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片+信号采集电路+功率电路实现，DSP选用TI公司的TMS320F2812，执行核心的控制计算；功率电路采用TOSHIBA公司的6N137芯片实现PWM信号光耦隔离，驱动模块采用NationalSemiconductor公司的LMD18200芯片实现PWM信号驱动；信号采集电路采用滤波电路和AD7655芯片实现陀螺信号的模数转换，电平转换电路和DSP内含计频计数器实现光电编码器测速信号处理。

其中，DSP芯片的主要功能为：执行数字控制***的初始化、循环执行流程；执行陀螺和光电编码器数据采集和处理；执行稳定控制和转速控制运算；输出电机驱动PWM信号；DSP首先进行I/O、PWM等模块的初始化、设定定时中断。定时中断周期为2ms，在定时中断内循环执行各控制律算法的流程。通过片选信号、地址线的逻辑组合，从外设总线上读取陀螺采样数据。

上述是举例说明控制电路的搭建，由于每个部分的功能具体如何实现在芯片说明书中都有介绍，属于本领域技术人员的公知常识，这里不进行详细说明。

实施中，所述云台增稳装置还可以包括：导电滑环，用于将电池组输出的电源信号从电机的转子传导至电机的定子，向增稳装置及云台***进行供电。

实施中，所述导电滑环可以包括定刷和动刷，定刷与电机的定子连接，动刷与电机的转子连接。

具体实施中，导电滑环可以实现两个相对转动机构的图像、数据信号及动力传递的精密输电装置。特别适合在无限制的连续旋转，同时又需要从固定位置到旋转位置传送功率或数据的应用。电池组输出电压通过导电滑环从电机转子端传导到电机定子端，最终输出至云台***，对云台***进行供电。

实施中，所述电池组中的电池数量可以为偶数，对称布置在电池组基座的边缘，使电池组的质量中心与电机的转轴重合。

具体实施中，电池组中的电池可以为偶数个，这偶数个电池对称布置在电池组基座的边缘，这样电池组的质量中心与电机的旋转轴重合，可以减小电池组旋转时的动不平衡。电池可以串联使用以提供云台***和本发明增稳装置工作所需的直流电压。例如，图3中电池组中电池的数量为4个，这4个电池用于串联或并联向增稳装置和云台***进行供电，具体电池的数量及串联或并联的连接方式可以根据实际需求确定，这里不做具体限定。电池组可以选用四块影视广播级锂电池组成，按对角线正交对称布置的方式固定在电池组基座边缘上，那么，这四块按对角线正交对称位于电池组基座边缘的电池组的质量中心与电机的旋转轴重合。

实施中，所述云台增稳装置还包括：装置基座，用于与云台基座固连，所述装置基座进一步用于与电机的定子连接。

具体实施中，为了更好地保护增稳装置中的检测电路、控制电路、电机等功能模块，还可以设置装置基座与云台基座固连。

实施中，所述云台增稳装置还可以包括法兰盘，用于将装置基座与云台基座固定连接。

具体实施中，法兰连接就是把两个管道、管件或器材，先各自固定在一个法兰盘上，两个法兰盘之间，加上法兰垫，用螺栓紧固在一起，完成连接。法兰连接使用方便，能够承受较大的压力，为了保证增稳装置与云台基座连接的稳定性，采用法兰连接。

从理论上来说，只要是能够将增稳装置基座和云台基座连接的设备或装置也是可以实施本方案的，法兰仅用于教导本领域技术人员具体如何实施本发明，但不意味仅能使用法兰一种方式，实施过程中可以结合实践需要来确定相应的方式。

实施中，所述云台增稳装置还可以包括：外罩，用于与装置基座连接形成封闭空间，所述电池组、检测电路、电池组基座、电机、控制电路位于所述外罩和装置基座连接形成的封闭空间内。

具体实施中，数字控制电路安装在装置基座上，外罩与装置基座连接形成封闭空间，将陀螺、电机、电池组基座、光电编码器、电池组、数字控制电路和导电滑环装入其中。外罩由薄铁皮焊接而成，所有组成模块都封闭在由装置基座与外罩围成的空间中，外罩起到关键保护作用，防止操作人员误将手伸进正在高速旋转的部件中造成伤害，也防止有雨水或者其他异物进入高速旋转的部件，造成电气短路或者其他损伤。

本发明实施例提供的云台增稳装置，由于利用检测电路检测当前时刻的状态信息作为控制电路的控制输入，控制电路根据当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的驱动信号，电机接收并根据该当前时刻的驱动信号工作，带动电池组转速，通过电池组旋转产生的力矩抵消云台受到的扰动，实现云台增稳。该云台增稳装置将云台***中的电池组作为增稳装置的一部分，仅增加了电池组基座、检测电路、控制电路和电机，和现有的将云台基座固连在一个惯量较大的小车上、采用刚性较高的钢丝绳拉拽云台移动、或者采用人工操作补偿的方案相比，该装置结构简单，易于实现，且能有效地保证了云台的稳定性。

上述是对本发明实施例中提供的云台增稳装置的说明，下面将对基于上述云台增稳装置提出的云台增稳方法进行说明。图7为本发明实施例中提供的云台增稳方法的流程示意图，如图所示，方法可以包括如下步骤：

步骤701：检测电路检测当前时刻的状态信息，并输出检测信号至控制电路，所述检测信号携带当前时刻的状态信息；

步骤702：控制电路根据根据所述当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信息确定当前时刻的驱动信号，发送所述当前时刻的驱动信号至电机；

步骤703：电机根据所述当前时刻的驱动信号带动电池组旋转；

步骤704：电池组旋转产生的力矩通过电机作用于云台基座，抵消云台基座受到的扰动。

具体实施中，将云台增稳装置固定连接在云台基座上，将为云台***供电的电池组放置到云台增稳装置中，利用检测电路检测当前时刻的状态信息，根据当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信息确定当前时刻的驱动信号，来驱动电机带动电池组旋转，利用了电池组具有一定质量的特性，控制电池组旋转，以产生一定力矩来维持云台***的稳定，减小云台基座绕着水平X、Y轴和垂直Z轴的摆荡幅度，并最终降低摄像机视轴晃动。

控制电路确定当前时刻的驱动信号的具体方式可以是：(1)当云台仅受到水平方向上的扰动时，控制电路可以根据上一时刻的驱动信号、当前时刻脉冲信号、上一时刻脉冲信号来确定当前时刻的驱动信号，此时，陀螺检测到的云台垂直轴方向上的扰动为0，即，没有垂直轴方向上的扰动，仅需电池组以某一恒定转速进行旋转就可以产生抵消该水平方向上扰动的力矩。(2)同理，当云台仅受到垂直轴方向上的扰动时，水平方向扰动为0，控制电路上仅需根据当前时刻脉冲信号、上一时刻的驱动信号、当前时刻陀螺信号、上一时刻陀螺信号确定当前时刻的驱动信号，对电池组进行稳定和加减速控制，产生的力矩来抵消云台仅受到垂直轴方向上的扰动。(3)上述(1)和(2)中的情况出现的云台仅受到水平方向上的或垂直轴方向上的绕抖的概率较小，大多数情况下，云台会同时受到水平方向和垂直轴方向上的扰动，这时，需要电池组进行恒定转速进行旋转以产生水平方向上的力矩来抵消水平方向上的扰动，并同时对电池组进行加速或减速产生的力矩来抵消云台仅受到垂直轴方向上的扰动，即，控制电路需要根据上一时刻的驱动信号、当前时刻脉冲信号、上一时刻脉冲信号、当前时刻陀螺信号、上一时刻陀螺信号来确定当前时刻的驱动信号。

实施中，检测电路可以是光电编码器；

所述检测电路检测当前时刻的状态信息，并输出检测信号至控制电路，所述检测信号携带当前时刻的状态信息，可以具体包括：所述光电编码器检测当前时刻电池组的转速，并输出脉冲信号至控制电路，所述脉冲信号携带当前时刻电池组的转速信息；

所述控制电路根据所述当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信息确定当前时刻的驱动信号，可以具体包括：控制电路根据当前时刻电池组的转速信息、上一时刻电池组的转速信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的水平驱动信号。

具体实施中，电池组基座和光电编码器均是受同一个电机转子驱动旋转，二者的旋转角速度相同，所以光电编码器可以检测电池组的转速，并输出脉冲信号至控制电路，该脉冲信号携带光电编码器检测到的电池组的转速信息。当云台仅受到垂直轴方向上的扰动时，水平方向扰动为0，控制电路上仅需根据当前时刻脉冲信号、上一时刻的驱动信号、当前时刻陀螺信号、上一时刻陀螺信号确定当前时刻的驱动信号，对电池组进行稳定和加减速控制，产生的力矩来抵消云台仅受到垂直轴方向上的扰动。

控制电路根据接收到的当前时刻的脉冲信号及上一时刻的脉冲信号和上一时刻的驱动信号处理得到当前时刻的水平驱动信号。转速控制器对输入的光电编码器测速信号进行控制运算处理后生成驱动信号。要实现上述的功能，只需设计转速控制器的校正网络G₁(s)即可。由于电池组转动惯量为J₁，光电编码器测速因子为Kr，电机等价力矩系数为K_m，s为拉普拉斯算子，X_s为预设转速，本实施例中转速控制回路的输出转速Y_s为：

$Y_s\left(s\right)=\frac{{100G}_1\left(s\right)}{s+{100G}_1\left(s\right)}{X}_s\left(s\right)$

理论上当转速控制开环传递函数100G₁(s)/s的带宽达到20～30Hz时，实际转速将能有效跟踪并保持预设转速，且跟踪误差与开环传递函数的幅值成倒数关系。根据需要取G₁(s)为比例-积分控制形式：

$G_1\left(s\right)=\frac{1.2(s+40)}{s}$

电池组在绕垂直轴高速转动时，根据刚体动力学原理，其产生的角动量H＝J₁×Ω，相当于一个飞轮。当云台基座受干扰力矩作用绕着水平X轴转动时，飞轮会产生一个-Y方向的陀螺力矩，使基座绕着-Y方向产生进动，进动角速度又会通过角动量H产生一个-X方向的陀螺力矩，从而抵消作用于X轴的干扰力矩。

实施中，所述控制电路可以具体包括转速处理模块和转速控制器，

所述控制电路根据当前时刻电池组的转速信息、上一时刻电池组的转速信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的水平驱动信号，具体包括：

转速处理模块将所述脉冲信号处理为当前时刻电池组的转速信息后输出至转速控制器；

转速控制器根据当前时刻电池组的转速信息与预设当前时刻电池组的转速信息确定当前时刻电池组的转速偏差值；

转速控制器根据当前时刻电池组的转速偏差值、上一时刻点电池组的转速偏差值及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的水平驱动信号。

具体实施中，当云台仅受到垂直轴方向上的扰动时，水平方向扰动为0，控制电路上仅需根据当前时刻脉冲信号、上一时刻的驱动信号、当前时刻陀螺信号、上一时刻陀螺信号确定当前时刻的驱动信号，对电池组进行稳定和加减速控制，产生的力矩来抵消云台仅受到垂直轴方向上的扰动。大多数情况下，云台会同时受到水平方向和垂直轴方向上的扰动，这时，需要电池组进行恒定转速进行旋转以产生水平方向上的力矩来抵消水平方向上的扰动，并同时对电池组进行加速或减速产生的力矩来抵消云台仅受到垂直轴方向上的扰动，即，控制电路需要根据上一时刻的驱动信号、当前时刻脉冲信号、上一时刻脉冲信号、当前时刻陀螺信号、上一时刻陀螺信号来确定当前时刻的驱动信号。

实施中，所述当前时刻电池组的转速偏差值具体确定公式可以如下：

E(K)＝A*Z(K)，

其中，E(K)为当前时刻电池组的转速偏差值，K为当前时刻，A为第一转速控制器系数，Z(K)为当前时刻电池组的转速差值，Z(K)＝V(K)-R(K)，V(K)为预设当前时刻电池组的转速信息，R(K)为当前时刻电池组的转速信息；

所述当前时刻的水平驱动信号具体确定公式如下：

N(K)＝a*E(K)+b*E(K-1)-c*N(K-1)，

其中，N(K)为当前时刻的水平驱动信号，K为当前时刻，a、b、c分别为第二转速控制器系数、第三转速控制器系数、第四转速控制器系数，E(K-1)为上一时刻电池组的转速偏差值，(K-1)为上一时刻，N(K-1)为上一时刻的水平驱动信号。

具体实施中，第一转速控制器系数A，第二转速控制器系数a、第三转速控制器系数b、第四转速控制器系数c可以根据实际情况来确定。当云台仅受到水平方向上的扰动时，控制电路可以根据上述方法来确定当前时刻的水平驱动信号，驱动电机带动电池组选择，以使电池组旋转产生的水平力矩抵消云台仅受到水平方向上的扰动。具体实施中，还可以保存当前E(k)和N(k)，为下一时刻的控制执行准备数据。

本领域的技术人员也可以基于上述公式，结合实际情况进行改进实现当前时刻的水平驱动信号的确定。

实施中，所述检测电路可以包括光电编码器和陀螺；

所述光电编码器检测当前时刻电池组的转速，并输出脉冲信号至控制电路，所述脉冲信号携带当前时刻电池组的转速信息；

所述陀螺检测当前时刻云台基座的垂直轴扰动角速度，并输出陀螺信号至控制电路，所述陀螺信号携带当前时刻云台基座的垂直轴扰动角速度信息；

所述控制电路根据当前时刻电池组的转速信息、上一时刻电池组的转速信息、当前时刻云台基座的垂直轴扰动角速度信息、上一时刻云台基座的垂直轴扰动角速度信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的驱动信号。

具体实施中，陀螺与云台基座固连，因此，当云台基座受到垂直轴方向上的扰动时，该垂直轴方向的扰动可以传递到陀螺，陀螺会检测到云台基座的垂直轴扰动角速度信息，并输出陀螺信号至控制电路。

控制电路根据实际需要进行脉冲信号和陀螺信号的处理，并基于脉冲信号和陀螺信号的处理结果确定当前时刻的驱动信号。控制电路确定当前时刻的驱动信号，包括：当云台仅受到垂直轴方向上的扰动时，水平方向扰动为0，控制电路上仅需根据当前时刻脉冲信号、上一时刻的驱动信号、当前时刻陀螺信号、上一时刻陀螺信号确定当前时刻的驱动信号，对电池组进行稳定和加减速控制，产生的力矩来抵消云台仅受到垂直轴方向上的扰动。

具体实施中，大多数情况下，云台会同时受到水平方向和垂直轴方向上的扰动，这时，需要结合上述云台受到水平方向上的扰动的增稳方案和上述云台受到垂直方向上的扰动的增稳方案，通过电池组进行恒定转速进行旋转以产生水平方向上的力矩来抵消水平方向上的扰动，并同时对电池组进行加速或减速产生的力矩来抵消云台仅受到垂直轴方向上的扰动，即，控制电路需要根据上一时刻的驱动信号、当前时刻脉冲信号、上一时刻脉冲信号、当前时刻陀螺信号、上一时刻陀螺信号来确定当前时刻的驱动信号。

转速控制器对输入的光电编码器测速信号进行控制运算处理后生成驱动信号。要实现上述的功能，只需设计转速控制器的校正网络G₁(s)即可。由于电池组转动惯量为J₁，光电编码器测速因子为Kr，电机等价力矩系数为K_m，s为拉普拉斯算子，X_s为预设转速，本实施例中转速控制回路的输出转速Y_s为：

$Y_s\left(s\right)=\frac{{100G}_1\left(s\right)}{s+{100G}_1\left(s\right)}{X}_s\left(s\right)$

理论上当转速控制开环传递函数100G₁(s)/s的带宽达到20～30Hz时，实际转速将能有效跟踪并保持预设转速，且跟踪误差与开环传递函数的幅值成倒数关系。根据需要取G₁(s)为比例-积分控制形式：

$G_1\left(s\right)=\frac{1.2(s+40)}{s}$

电池组在绕垂直轴高速转动时，根据刚体动力学原理，其产生的角动量H＝J₁×Ω，相当于一个飞轮。当云台基座受干扰力矩作用绕着水平X轴转动时，飞轮会产生一个-Y方向的陀螺力矩，使基座绕着-Y方向产生进动，进动角速度又会通过角动量H产生一个-X方向的陀螺力矩，从而抵消作用于X轴的干扰力矩。同理，作用于Y轴的干扰力矩也会被由H产生的一个-Y方向陀螺力矩抵消。

理论上当云台基座的转动惯量越大，或是受扰产生的基座角速度越大，则稳定基座所需要的飞轮角动量也越大，实现难度也越高。本实施例中由于云台基座转动惯量和受扰角运动均不大，取H＝5Kgm²/s，电池组预设转速为1200转/分。

本发明实施例中云台基座垂直轴增稳的具体实现原理如下：

垂直稳定控制模块对输入的陀螺惯性空间Z轴角速度信号进行控制运算处理后生成输入到转速控制器的指令转速信息，再通过转速控制器驱动电机进行电池组加减速旋转，加减速所产生Z轴反作用力矩作用在云台基座上，抵消作用在云台基座上的Z轴干扰力矩。要实现上述的功能，只需设计垂直稳定控制器的校正网络G₂(s)即可。由于云台基座转动惯量为J₂，陀螺敏感因子为K_g，基座垂直轴干扰力矩为T，转速控制器从输入角速度指令到产生反作用力矩的传递函数为K_ms，相当于求输入角速度指令的微分即加速度指令。本实施例中垂直轴稳定回路的基座角速度ω与干扰力矩T的关系为

$\mathrm{\ω}\left(s\right)=\frac{T\left(s\right)}{s(1+{5G}_2\left(s\right))}$

理论上G₂(s)应取比例-积分形式，才能抵抗基座上的常值干扰力矩，且G₂(s)的幅值越大，基座抗干扰力矩的能力越强，但也会造成非常大的角速度增量。本实施例中由于基座Z轴干扰角运动均不大，而且是顺时干扰而非常值干扰，因此取G₂(s)＝15的比例控制形式。

实施中，所述控制电路还包括转速处理模块、转速控制器、陀螺处理模块和垂直稳定控制器；

所述方法还包括：

转速处理模块将所述脉冲信号处理为当前时刻电池组的转速信息后输出至转速控制器；转速控制器根据当前时刻电池组的转速信息与预设当前时刻电池组的转速信息确定当前时刻电池组的转速偏差值；

陀螺处理模块将所述陀螺信号处理为当前时刻云台基座的垂直轴扰动角速度信息输出至垂直稳定控制器；

垂直稳定控制器根据当前时刻云台基座的垂直轴扰动角速度信息确定当前时刻惯性偏差值；

垂直稳定控制器根据当前时刻惯性偏差值、上一时刻惯性偏差值及上一时刻电池组旋转速度的瞬时增量确定当前时刻电池组旋转速度的瞬时增量并将所述当前时刻电池组旋转速度的瞬时增量输出至转速控制器；

转速控制器根据所述当前时刻电池组的转速差值及当前时刻电池组旋转速度的瞬时增量确定当前时刻的驱动信号。

具体实施中，当云台会同时受到水平方向和垂直轴方向上的扰动，这时，需要电池组进行恒定转速进行旋转以产生水平方向上的力矩来抵消水平方向上的扰动，并同时对电池组进行加速或减速产生的力矩来抵消云台仅受到垂直轴方向上的扰动，即，控制电路需要根据上一时刻的驱动信号、当前时刻脉冲信号、上一时刻脉冲信号、当前时刻陀螺信号、上一时刻陀螺信号来确定当前时刻的驱动信号。

实施中，所述当前时刻电池组的转速差值具体确定公式可以如下：

Z(K)＝V(K)-R(K)，

Z(K)为当前时刻电池组的转速差值，K为当前时刻，V(K)为预设当前时刻电池组的转速信息，R(K)为当前时刻电池组的转速信息；

所述当前时刻惯性偏差值具体确定公式可以如下：

F(K)＝B*G(K)，

其中，F(K)为当前时刻惯性偏差值，B为第五转速控制器***，G(K)为当前时刻云台基座的垂直轴扰动角速度信息；

所述当前时刻电池组旋转速度的瞬时增量具体确定的公式可以如下：

S(K)＝m*G(K)+n*G(K)-P*S(K-1)，

其中，S(K)为当前时刻电池组旋转速度的瞬时增量，m、n、p分别为第六速控制器系数、第七速控制器系数、第八转速控制器系数，S(K-1)为上一时刻电池组旋转速度的瞬时增量；

所述当前时刻的驱动信号具体确定公式为：N’(K)＝Z(K)+S(K)，

其中，N’(K)为当前时刻的驱动信号，N(K)为当前时刻的水平驱动信号，S(K)为当前时刻电池组旋转速度的瞬时增量。

具体实施中，对于第五转速控制器***B、第六速控制器系数m、第七速控制器系数n和第八转速控制器系数p，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择或确定。实施中，还可以保存当前F(K)和S(K)，为下一时刻的控制执行准备数据。

实施中，控制电路还可以包括功率模块，

在转速控制器发送所述当前时刻的驱动信号至电机前，进一步包括：将所述当前时刻的驱动信号进行PWM调制成PWM信号后发送至功率模块；

功率模块将所述PWM信号转换为驱动电流后，发送所述驱动电流至电机。

具体实施中，为了使控制电路确定的当前时刻的驱动信号更准确、稳定地传输和控制，可以将转速控制器输出的当前时刻的驱动信号进行PWM调整后发送至功率模块，由功率模块将驱动信号输出至电机。

实施中，所述电池组可以位于电池组基座上，电池组基座与电机的转子连接，电机的定子与云台基座固定连接，电池组被电机驱动旋转产生的力矩通过电机作用于云台基座，抵消云台基座受到的扰动。

具体实施中，力的作用与传递离不开具体的结构关系，这里可以将电池组布置在电池组基座上，电池组基座与电机的转子连接，电机的定子与云台基座固定连接，电池组被电机驱动旋转产生的力矩通过电机的连接关系作用于云台基座，抵消云台基座受到的扰动。

本发明实施例提供的云台增稳方法，由于利用检测电路检测当前时刻的状态信息，控制电路根据当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的驱动信号，电机接收并根据该当前时刻的驱动信号工作，带动电池组转速，通过电池组旋转产生的力矩抵消云台受到的扰动，实现云台增稳。由于电池组通过电机与云台基座连接，电池组旋转产生的力矩通过连接结构作用于云台基座，抵消云台基座受到的干扰力矩。该方案基于云台已有的电池组进行云台增稳，易于实现，极大地简化了云台增稳的控制工作，且效果较为显著、可靠。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (20)

1.一种云台增稳装置，其特征在于，主要包括：电池组、检测电路、电池组基座、电机、控制电路，其中，

电池组位于电池组基座上；

检测电路，用于检测当前时刻的状态信息，并输出检测信号至控制电路，所述检测信号携带当前时刻的状态信息；

控制电路，用于接收所述检测信号，并根据所述当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的驱动信号；

电机，用于根据控制电路输出的当前时刻的驱动信号驱动电池组旋转；所

述电机的转子与电池组基座连接，电机的定子与云台基座连接。

2.如权利要求1所述的云台增稳装置，其特征在于，所述检测电路是光电编码器，所述状态信息是电池组的转速信息，所述检测信号是脉冲信号；

所述控制电路具体包括：

转速处理模块，用于接收光电编码器发出的脉冲信号，将所述脉冲信号转化为电池组的转速信息，输出至转速控制器；

转速控制器，用于接收转速处理模块输出的转速信息，根据所述当前时刻云电池组的转速信息、上一时刻电池组的转速信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的驱动信号，并将所述当前时刻的驱动信号输出至电机。

3.如权利要求2所述的云台增稳装置，其特征在于，所述光电编码器的转轴与电机的转子连接，光电编码器的外壳与电机的定子连接。

4.如权利要求1所述的云台增稳装置，其特征在于，所述检测电路包括光电编码器和陀螺，所述状态信息包括电池组的转速信息和云台基座的垂直轴扰动角速度信息，所述检测信号包括脉冲信号和陀螺信号；

所述控制电路具体包括：

转速处理模块，用于接收光电编码器发出的脉冲信号，将所述脉冲信号转化为电池组的转速信息，输出至转速控制器；

陀螺处理模块，用于接收陀螺输出的陀螺信号，根据所述陀螺信号确定云台基座的垂直轴扰动角速度信息，将所述云台基座的垂直轴扰动角速度信息输出至垂直稳定控制器；

垂直稳定控制器，用于根据接收到的所述云台基座的垂直轴扰动角速度信息生成转速控制信号，将所述转速控制信号输出至转速控制器；

转速控制器，用于接收转速处理模块输出的转速信息和垂直稳定控制器输出的转速控制信号，根据当前时刻电池组的转速信息、上一时刻电池组的转速信息、当前时刻转速控制信号、上一时刻转速控制信号及上一时刻驱动信号确定当前时刻的驱动信号，并将所述当前时刻的驱动信号输出至电机。

5.如权利要求2或4所述的云台增稳装置，其特征在于，所述控制电路还包括：功率模块，用于接收当前时刻的驱动信号并将所述当前时刻的驱动信号进行PWM脉冲宽度调制生产的PWM信号，并根据PWM信号产生驱动电流，将驱动电流输出至电机，从而驱动电机转动，带动电池组旋转。

6.如权利要求1所述的云台增稳装置，其特征在于，还包括：

导电滑环，用于将电池组输出的电源信号从电机的转子传导至电机的定子，向增稳装置及云台***进行供电。

7.如权利要求6所述的云台增稳装置，其特征在于，所述导电滑环包括定刷和动刷，定刷与电机的定子连接，动刷与电机的转子连接。

8.如权利要求1所述的云台增稳装置，其特征在于，所述电池组中的电池数量为偶数，对称布置在电池组基座的边缘，使电池组的质量中心与电机的转轴重合。

9.如权利要求1所述的云台增稳装置，其特征在于，还包括：装置基座，用于与云台基座固连，所述装置基座进一步用于与电机的定子连接。

10.如权利要求9所述的云台增稳装置，其特征在于，还包括：

法兰盘，用于将装置基座与云台基座固定连接。

11.如权利要求9所述的云台增稳装置，其特征在于，还包括：外罩，用于与装置基座连接形成封闭空间，所述电池组、检测电路、电池组基座、电机、控制电路位于所述外罩和装置基座连接形成的封闭空间内。

12.一种云台增稳方法，其特征在于，包括如下步骤：

检测电路检测当前时刻的状态信息，并输出检测信号至控制电路，所述检测信号携带当前时刻的状态信息；

控制电路根据所述当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信息确定当前时刻的驱动信号，发送所述当前时刻的驱动信号至电机；

电机根据所述当前时刻的驱动信号带动电池组旋转；

电池组旋转产生的力矩通过电机作用于云台基座，抵消云台基座受到的扰动。

13.如权利要求12所述的云台增稳方法，其特征在于，

检测电路是光电编码器；

所述检测电路检测当前时刻的状态信息，并输出检测信号至控制电路，所述检测信号携带当前时刻的状态信息，具体包括：所述光电编码器检测当前时刻电池组的转速，并输出脉冲信号至控制电路，所述脉冲信号携带当前时刻电池组的转速信息；

所述控制电路根据所述当前时刻的状态信息、上一时刻的状态信息及上一时刻的驱动信息确定当前时刻的驱动信号，具体包括：控制电路根据当前时刻电池组的转速信息、上一时刻电池组的转速信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的水平驱动信号。

14.如权利要求13所述的云台增稳方法，其特征在于，所述控制电路具体包括转速处理模块和转速控制器，

所述控制电路根据当前时刻电池组的转速信息、上一时刻电池组的转速信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的水平驱动信号，具体包括：

转速处理模块将所述脉冲信号处理为当前时刻电池组的转速信息后输出至转速控制器；

转速控制器根据当前时刻电池组的转速信息与预设当前时刻电池组的转速信息确定当前时刻电池组的转速偏差值；转速控制器根据当前时刻电池组的转速信息与预设当前时刻电池组的转速信息确定当前时刻电池组的转速偏差值；

转速控制器根据当前时刻电池组的转速偏差值、上一时刻点电池组的转速偏差值及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的水平驱动信号转速控制器根据当前时刻电池组的转速偏差值、上一时刻点电池组的转速偏差值及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的水平驱动信号。

15.如权利要求14所述的云台增稳方法，其特征在于，所述当前时刻电池组的转速偏差值具体确定公式如下：

E(K)＝A*Z(K)，

其中，E(K)为当前时刻电池组的转速偏差值，K为当前时刻，A为第一转速控制器系数，Z(K)为当前时刻电池组的转速差值，Z(K)＝V(K)-R(K)，V(K)为预设当前时刻电池组的转速信息，R(K)为当前时刻电池组的转速信息；

所述当前时刻的水平驱动信号具体确定公式如下：

N(K)＝a*E(K)+b*E(K-1)-c*N(K-1)，

其中，N(K)为当前时刻的水平驱动信号，K为当前时刻，a、b、c分别为第二转速控制器系数、第三转速控制器系数、第四转速控制器系数，E(K-1)为上一时刻电池组的转速偏差值，(K-1)为上一时刻，N(K-1)为上一时刻的水平驱动信号。

16.如权利要求12所述的云台增稳方法，其特征在于，所述检测电路包括光电编码器和陀螺；

所述光电编码器检测当前时刻电池组的转速，并输出脉冲信号至控制电路，所述脉冲信号携带当前时刻电池组的转速信息；

所述陀螺检测当前时刻云台基座的垂直轴扰动角速度，并输出陀螺信号至控制电路，所述陀螺信号携带当前时刻云台基座的垂直轴扰动角速度信息；

所述控制电路根据当前时刻电池组的转速信息、上一时刻电池组的转速信息、当前时刻云台基座的垂直轴扰动角速度信息、上一时刻云台基座的垂直轴扰动角速度信息及上一时刻的驱动信号确定当前时刻的驱动信号。

17.如权利要求16所述的云台增稳方法，其特征在于，所述控制电路还包括转速处理模块、转速控制器、陀螺处理模块和垂直稳定控制器；

所述方法还包括：

转速处理模块将所述脉冲信号处理为当前时刻电池组的转速信息后输出至转速控制器；转速控制器根据当前时刻电池组的转速信息与预设当前时刻电池组的转速信息确定当前时刻电池组的转速偏差值；

陀螺处理模块将所述陀螺信号处理为当前时刻云台基座的垂直轴扰动角速度信息输出至垂直稳定控制器；

垂直稳定控制器根据当前时刻云台基座的垂直轴扰动角速度信息确定当前时刻惯性偏差值；

垂直稳定控制器根据当前时刻惯性偏差值、上一时刻惯性偏差值及上一时刻电池组旋转速度的瞬时增量确定当前时刻电池组旋转速度的瞬时增量并将所述当前时刻电池组旋转速度的瞬时增量输出至转速控制器；

转速控制器根据所述当前时刻电池组的转速差值及当前时刻电池组旋转速度的瞬时增量确定当前时刻的驱动信号。

18.如权利要求17所述的云台增稳方法，其特征在于，所述当前时刻电池组的转速差值具体确定公式如下：

Z(K)＝V(K)-R(K)，

Z(K)为当前时刻电池组的转速差值，K为当前时刻，V(K)为预设当前时刻电池组的转速信息，R(K)为当前时刻电池组的转速信息；所述当前时刻惯性偏差值具体确定公式如下：

F(K)＝B*G(K)，

其中，F(K)为当前时刻惯性偏差值，B为第五转速控制器系数，G(K)为当前时刻云台基座的垂直轴扰动角速度信息；

所述当前时刻电池组旋转速度的瞬时增量具体确定的公式如下：

S(K)＝m*G(K)+n*G(K)-P*S(K-1)，

其中，S(K)为当前时刻电池组旋转速度的瞬时增量，m、n、p分别为第六速控制器系数、第七速控制器系数、第八转速控制器系数，S(K-1)为上一时刻电池组旋转速度的瞬时增量；

所述当前时刻的驱动信号具体确定公式为：

N’(K)＝Z(K)+S(K)，

其中，N’(K)为当前时刻的驱动信号，S(K)为当前时刻电池组旋转速度的瞬时增量。

19.如权利要求14或17任一所述的云台增稳方法，其特征在于，控制电路还包括功率模块，

在转速控制器发送所述当前时刻的驱动信号至电机前，进一步包括：将所述当前时刻的驱动信号进行PWM调制成PWM信号后发送至功率模块；

功率模块将所述PWM信号转换为驱动电流后，发送所述驱动电流至电机。

20.如权利要求12所述的云台增稳方法，其特征在于，所述电池组位于电池组基座上，电池组基座与电机的转子连接，电机的定子与云台基座固定连接，电池组被电机驱动旋转产生的力矩通过电机作用于云台基座，抵消云台基座受到的扰动。