CN106292741A - 一种基于无刷电机的移动机器人云台*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无刷电机的移动机器人云台***,包括微控制器模块、惯性姿态传感器模块、驱动器模块以及无刷电机模块,惯性姿态传感器模块、微控制器模块、驱动器模块、无刷电机模块顺次通信连接。本发明为三轴自由度的云台***,通过三轴无刷电机进行姿态调节,保证机器人视觉传感器相对惯性空间始终稳定。本发明具有较高的实时性以及定位精度,同时采用拟人化的方式,将三轴云台***模拟为人的头部,再确定角度范围,更加符合移动机器人的应用需求。
Description
技术领域
本发明属于移动机器人技术领域,具体涉及一种基于无刷电机的移动机器人云台***的设计。
背景技术
随着社会发展和科技进步,移动机器人在当前生产生活中得到了越来越广泛的应用。通常一个移动机器人由移动平台和平台上搭载的设备构成。导航和定位是移动机器人研究的两个重要问题,移动机器人的自主运动要依赖于其搭载的各种传感器。而云台一般指安装、固定视觉传感器的支撑设备,它主要有两方面的作用,一是可以(主动)隔离外界的扰动,保证视觉传感器相对惯性空间始终稳定;二是能够(被动)快速响应控制器的转动指令。移动平台在运动中难免受到干扰,无法保持平稳,况且载体本身也造成扰动,如果云台***能够克服这些干扰,精确地调整保持其姿态平稳,那么云台上的视觉传感器就可以实现对目标的监控和跟踪。所以云台对移动机器人的目标识别、图像采集、运动控制和追踪有着至关重要的影响,因而在军事和民用领域广泛应用。
目前市场上常见的两轴云台,水平轴和垂直轴是由不同的电机驱动的,所以转动速度分为水平速度和垂直速度。其水平最高转速可达40~50°/秒,垂直转速可达10~24°/秒,由于其垂直转速较慢,因此对机器人视觉传感器的调节实时性较差。另一方面,现有的两轴云台为消除摄像死角,其水平转动角度和垂直转动角度均能达到360°,从而保证摄像头有更宽阔的视野,但是考虑将云台应用于移动机器人,而移动机器人后面的区域位置不在摄像范围内,因此将现有的两轴云台应用于移动机器人时不仅拟人化程度较低,还极有可能由于转到移动机器人摄像范围外而影响对机器人视觉传感器的调节实时性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中将市场上常见的两轴云台应用于移动机器人时对机器人视觉传感器的调节实时性较差,且不够拟人化的问题,提出了一种基于无刷电机的移动机器人三轴云台***。
本发明的技术方案为:一种基于无刷电机的移动机器人云台***,包括微控制器模块、惯性姿态传感器模块、驱动器模块以及无刷电机模块,惯性姿态传感器模块、微控制器模块、驱动器模块、无刷电机模块顺次通信连接;惯性姿态传感器模块用于实时对云台***进行姿态解算并将解算结果传送至微控制器模块,微控制器模块用于根据惯性姿态传感器模块的解算结果向驱动器模块输出对应的控制信号,驱动器模块用于根据控制器模块输出的驱动信号对无刷电机模块的位置和速度进行双闭环控制,无刷电机模块用于对云台***进行姿态调节,保证机器人视觉传感器相对惯性空间始终稳定。
优选地,惯性姿态传感器模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计,三轴分别为:
Yaw轴,即偏航轴;
Pitch轴,即俯仰轴;
Roll轴,即横滚轴;
三轴陀螺仪与三轴加速度计配合使用,实时检测云台***在各轴上的转速和角度。
优选地,惯性姿态传感器模块还包括Yaw轴角度传感器,用于修正云台***在Yaw轴上的角度误差。
优选地,无刷电机模块包括Yaw无刷电机、Pitch无刷电机以及Roll无刷电机;Yaw无刷电机控制云台***作水平摇头运动,运动范围大于-90°~90°,最大速度大于60°/s;Pitch无刷电机控制云台***作上下点头运动,运动范围大于-60°~60°,最大速度大于40°/s;Roll无刷电机控制云台***作左右摆头运动,运动范围大于-20°~20°,最大速度大于30°/s。
优选地,微控制器模块通过SPWM技术向驱动器模块输出控制信号。
本发明的有益效果是:
(1)本发明中三轴无刷电机的最大转速均大于30°/s,Yaw无刷电机的最大转速更是大于60°/s,能够及时对云台***以及机器人视觉传感器的姿态进行有效调节,具有较高的实时性。
(2)本发明采用拟人化的方式,将三轴云台***模拟为人的头部,再确定角度范围,更加符合移动机器人的应用需求。
(3)本发明在各轴上的定位精度均小于±1.0°,定位精度高,能够更精确地调整机器人视觉传感器的姿态,使其保持平稳。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于无刷电机的移动机器人云台***结构框图。
图2为本发明实施例的Yaw、Pitch、Roll三轴方向示意图。
图3为本发明实施例的SPWM等效原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种基于无刷电机的移动机器人云台***,如图1所示,包括微控制器模块、惯性姿态传感器模块、驱动器模块以及无刷电机模块,惯性姿态传感器模块、微控制器模块、驱动器模块、无刷电机模块顺次通信连接。
其中,惯性姿态传感器模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计。本发明中的三轴分别为:Yaw(偏航)轴、Pitch(俯仰)轴和Roll(横滚)轴,各轴方向如图2所示。
三轴加速度计严格意义上讲测的不是加速度,而是它受到的惯性力。加速度计实际上是用MEMS技术检测惯性力造成的微小形变,所以当把加速度计水平静止放在桌子上时,虽然此时它并没有运动产生加速度,但是它的Z轴输出的是1g的加速度,因为它Z轴方向被重力向下拉出了一个形变。在静止或匀速运动(匀速直线运动)的时候,加速度计仅仅测量的是重力加速度,而重力加速度与绝对坐标系是固连的,通过这种固连关系,可以得到加速度计所在平面与地平面之间的角度关系,也就是横滚角度和俯仰角度。
三轴陀螺仪用于测量云台***在各轴上的角速度,但是如果想要得到角度,需要将角速度对时间积分,所以决定陀螺仪测得角度准确程度的最大的因素是积分误差。积分误差主要有两个来源:一个是积分时间,积分时间Dt越小,输出角度越准;另一个是器件本身的误差,误差积累也限制了陀螺仪只在短时间内有很大的参考价值。陀螺仪测量基准是芯片自身,并没有***外的绝对参照物,重力轴是个绝好的参照物,因此需要陀螺仪和加速度计的配合使用。
综合考虑,加速度计是极易受外部干扰的传感器,但是测量值随时间的变化相对较小;陀螺仪可以积分得到角度关系,动态性能好,受外部干扰小,但测量值随时间变化比较大。所以本发明采用三轴加速度计和三轴陀螺仪两者优势互补,结合起来达到更好的角度测量效果。
此外,由于YAW轴比较特殊,因为偏航角法线方向刚好和地球重力平行,这个方向的角度无法由加速度计直接测得,可以单纯的通过角速度积分来测得偏航角,但是缺点是由于积分环节中存在积分漂移,偏航角随着时间的推移会偏差越来越大。因此,惯性姿态传感器模块还包括Yaw轴角度传感器,用于修正云台***在Yaw轴上的角度误差。本发明实施例中,Yaw轴角度传感器采用D型孔贴片SV01A旋转电位器或者非接触式霍尔磁编码器MLX90316。
无刷电机模块包括Yaw无刷电机、Pitch无刷电机以及Roll无刷电机。Yaw无刷电机控制云台***作水平摇头运动,运动范围大于-90°~90°,最大速度大于60°/s;Pitch无刷电机控制云台***作上下点头运动,运动范围大于-60°~60°,最大速度大于40°/s;Roll无刷电机控制云台***作左右摆头运动,运动范围大于-20°~20°,最大速度大于30°/s。由于载重的原因,Pitch无刷电机和Roll无刷电机在启动和运行保持时的扭矩大于Yaw无刷电机的扭矩,再加上实际摄像时对Yaw轴转速的要求要高于其它两个轴,因此一般来说云台的Yaw轴转速最高。本发明实施例中的Yaw无刷电机、Pitch无刷电机以及Roll无刷电机均采用盘式直流无刷电机GM6008H。
本发明的工作原理及过程如下:
惯性姿态传感器模块实时对云台***进行姿态解算并将解算结果传送至微控制器模块,微控制器模块根据惯性姿态传感器模块的解算结果向驱动器模块输出对应的控制信号。本发明实施例中,微控制器模块通过SPWM技术向驱动器模块输出控制信号。
SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation,正弦脉宽调制)技术采用等腰三角波作为载波,与期望相电压频率相同的正弦波作为调制波。通过调制波与载波的交点,可以确定逆变器功率开关管的导通和关断时刻,从而能够得到幅值相等、宽度按照正弦波规律变化的脉冲序列。最根本的目的就是将DC等效转换成AC,等效的原则是每一等分区间内正弦波的面积与矩形波的面积相等,如图3所示。
驱动器模块根据控制器模块输出的驱动信号对无刷电机模块的位置和速度进行双闭环PID控制,其控制过程属于本领域公知常识,在此不再赘述。无刷电机模块对云台***进行姿态调节,保证机器人视觉传感器相对惯性空间始终稳定。
本发明涵盖了Yaw、Roll、Pitch三个转动自由度,具有非常大的典型性。移动机器人的摄像头安装在Pitch轴臂上,在机器人运动过程中,由于本发明包括三个方位转动的自由度,从而能保证视觉传感器与机器人运动的隔离。同时,本发明在各轴上的定位精度均小于±1.0°,定位精度高,能够更精确地调整机器人视觉传感器的姿态,使其保持平稳。
本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于无刷电机的移动机器人云台***,其特征在于,包括微控制器模块、惯性姿态传感器模块、驱动器模块以及无刷电机模块;所述惯性姿态传感器模块、微控制器模块、驱动器模块、无刷电机模块顺次通信连接;所述惯性姿态传感器模块用于实时对云台***进行姿态解算并将解算结果传送至微控制器模块;所述微控制器模块用于根据惯性姿态传感器模块的解算结果向驱动器模块输出对应的控制信号;所述驱动器模块用于根据控制器模块输出的驱动信号对无刷电机模块的位置和速度进行双闭环控制;所述无刷电机模块用于对云台***进行姿态调节,保证机器人视觉传感器相对惯性空间始终稳定。
2.根据权利要求1所述的基于无刷电机的移动机器人云台***,其特征在于,所述惯性姿态传感器模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计;所述三轴分别为:
Yaw轴,即偏航轴;
Pitch轴,即俯仰轴;
Roll轴,即横滚轴;
所述三轴陀螺仪与三轴加速度计配合使用,实时检测云台***在各轴上的转速和角度。
3.根据权利要求2所述的基于无刷电机的移动机器人云台***,其特征在于,所述惯性姿态传感器模块还包括Yaw轴角度传感器,用于修正云台***在Yaw轴上的角度误差。
4.根据权利要求2所述的基于无刷电机的移动机器人云台***,其特征在于,所述无刷电机模块包括Yaw无刷电机、Pitch无刷电机以及Roll无刷电机;所述Yaw无刷电机控制云台***作水平摇头运动,运动范围大于-90°~90°,最大速度大于60°/s;所述Pitch无刷电机控制云台***作上下点头运动,运动范围大于-60°~60°,最大速度大于40°/s;所述Roll无刷电机控制云台***作左右摆头运动,运动范围大于-20°~20°,最大速度大于30°/s。
5.根据权利要求1所述的基于无刷电机的移动机器人云台***,其特征在于,所述微控制器模块通过SPWM技术向驱动器模块输出控制信号。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170104 |