CN108594862A - 一种解决三轴稳定***各轴均接近水平面奇异问题的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种解决三轴稳定***各轴均接近水平面的奇异问题的方法，通过数学的方法，调控三轴的稳定，可确保三轴稳定***各轴均接近水平面时台体不出现抖动或翻倒问题，保证台体上所承载对象不受损伤，奇异工作状态下，台体的俯仰和横滚仍能保持稳定，对于很多应用场合仍能得到可以接受的稳定效果。

Description

一种解决三轴稳定***各轴均接近水平面奇异问题的方法

技术领域

本发明属于拍摄领域，具体涉及一种解决三轴稳定***各轴均接近水平面奇异问题的方法。

背景技术

三轴稳定***一般由台体、内环、外环和基座组成。台体与内环之间通过内环轴铰接；内环和外环之间通过内轴铰接；外环和基座之间通过外轴铰接。台体上安装用于测量台体相对大地倾角和方位的姿态传感器组合。台体轴、内轴和外轴上各安装一个电动机。台体轴、内轴和外轴上各安装一个轴角传感器。

三轴稳定***台体轴和外轴重合时，台体相对大地的方位偏差角无法通过电机驱动进行纠正，且计算绕外轴方向偏差角时存在分母为0的问题。由于上述原因，三轴稳定***在台体轴和外轴重合时不能正常工作。实际***中台体轴和外轴接***行时但不完全重合时台体会出现抖动甚至翻倒现象，即奇异问题。

对于无人机使用的三轴稳定***不出现内轴和外轴近似重合的现象，因此始终能够正常工作。但是，对于手持式云台(三轴稳定***)来说，用户运动的随意性很可能导致其出现内轴和外轴近似重合的现象。如果不能得到有效解决，很有可能导致云台台体上的摄像器材在台体翻倒过程中受到损伤。

发明内容

一种解决三轴稳定***各轴均接近水平面时工作异常问题的方法，采用坐标系和参数符号进行描述，相关定义如下

台体轴角定义为内环绕y_F轴相对台体的转角，定义域为[-π,+π)；

内轴角定义为外环绕x_F轴相对内环的转角，定义域为[-π,+π)；

外轴角定义为手柄绕z_F轴相对外环的转角，定义域为[-π,+π)；

台体系p：固连于台体，y_p轴与y_F平行，云台各轴角均为0时x_F轴与x_p平行，x_p、y_p和z_p构成右手直角坐标系；

导航系n：x_n指向东、y_n指向北、z_n指向天；

方位角φ：导航系的y_n轴到台体系y_p轴在水平面投影的角，北偏东为正，定义域[0,2π)；

俯仰角θ：台体系y_p轴在水平面的投影到y_p的角，定义域[-π/2,+π/2]，y_p轴指向地面上方为正，否则为负；

横滚角γ：台体系绕y_p轴相对导航系n的转角，定义域[-π,+π)，极性符合右手定则；

根据内轴和外轴是否接近重合，将***为正常状态和奇异两种工作状态，算法执行过程中，每个控制周期判断内轴上的轴角传感器测得的是否接近±90°：如果不接近±90°则判定***处于正常状态；如果接近±90°则判定***处于奇异状态，为避免轴角在判断边界附近时微小变化导致判断结果反复切换，在判断方法中加入迟滞环节；

***处于正常工作状态时采用常规的三轴稳定控制方式，***处于奇异状态时采用台体俯仰和横滚稳定、外轴锁定的控制方式，台体俯仰和横滚稳定、外轴锁定的控制方式可以实现奇异工作状态下，台体的俯仰和横滚保持稳定，台体的方位角随基座一起转动。

本发明具有如下有益效果：可确保三轴稳定***各轴均接近水平面时台体不出现抖动或翻倒问题，保证台体上所承载对象不受损伤，奇异工作状态下，台体的俯仰和横滚仍能保持稳定，对于很多应用场合仍能得到可以接受的稳定效果。

附图说明

图1为本发明的三轴稳定***台体轴和外轴重合图；

图2为本发明的轴角示意图；

图3为本发明的工作状态转移图。

具体实施方式

下面结合图1至图3，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，台体轴角定义为内环绕y_F轴相对台体的转角，定义域为[-π,+π)；

内轴角定义为外环绕x_F轴相对内环的转角，定义域为[-π,+π)；

外轴角定义为手柄绕z_F轴相对外环的转角，定义域为[-π,+π)；

台体系p：固连于台体，y_p轴与y_F平行，云台各轴角均为0时x_F轴与x_p平行，x_p、y_p和z_p构成右手直角坐标系；

导航系n：x_n指向东、y_n指向北、z_n指向天；

方位角φ：导航系的y_n轴到台体系y_p轴在水平面投影的角，北偏东为正，定义域[0,2π)；

俯仰角θ：台体系y_p轴在水平面的投影到y_p的角，定义域[-π/2,+π/2]，y_p轴指向地面上方为正，否则为负；

横滚角γ：台体系绕y_p轴相对导航系n的转角，定义域[-π,+π)，极性符合右手定则；

根据内轴和外轴是否接近重合，将***为正常状态和奇异两种工作状态：算法开始时设定***工作在正常状态；如果***处于正常状态，且则判断***进入奇异状态；如果***处于正常状态，且则判断***仍处于正常状态；如果***处于奇异状态，且则判断***进入正常状态；如果***处于奇异状态，且则判断***仍处于奇异状态，判据中θ_InRealm＜θ_OutRealm，这种处理方式称为带滞环的奇异状态判断，可以有效避免处于判断边界附近时，由于的微小变化使判断结果在两种状态之间频繁切换的问题；

***处于正常工作状态时采用常规的三轴稳定控制方式，***处于奇异状态时采用台体俯仰和横滚稳定、外轴锁定的控制方式；

为叙述方便后文采用如下矩阵表示方式

其中，α为任意角度，

台体俯仰和横滚稳定、外轴锁定的控制方式中外环的姿态矩阵为

其中：为姿态传感器组合测得的台体姿态矩阵；为内环相对台体的姿态矩阵；为外环相对内环的姿态矩阵；

由台体轴角传感的实时测量值确定

由内轴角传感的实时测量值确定

将式(5)和式(6)代入式(4)即可得到外环的实时姿态矩阵将的计算结果记成元素形式为

由此得到目标俯仰角θ_d、目标横滚角γ_d、目标台体轴角和目标内轴角的计算结果，

如果上一节拍，η_d∈(-0.5π,+0.5π)则本拍仍要求η_d∈(-0.5π,+0.5π)

如果上一节拍，η_d∈(0.5π,π]∪(-π,-0.5π)则本拍仍要求η_d∈(0.5π,π]∪(-π,-0.5π)

目标外轴角取进入奇异状态瞬时的外轴角；

根据和轴角传感器实时测得的轴角只差进行反馈控制即可解决三轴稳定***各轴均接近水平面的奇异问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种解决三轴稳定***各轴均接近水平面时工作异常问题的方法，其特征在于：

根据内轴和外轴是否接近重合，将***为正常状态和奇异两种工作状态，算法执行过程中，每个控制周期判断内轴上的轴角传感器测得的是否接近±90°：如果不接近±90°则判定***处于正常状态；如果接近±90°则判定***处于奇异状态；

为避免轴角在判断边界附近时微小变化导致判断结果反复切换，在判断方法中加入迟滞环节，台体轴角定义为内环绕y_F轴相对台体的转角，定义域为[-π,+π)，内轴角定义为外环绕x_F轴相对内环的转角，定义域为[-π,+π)，外轴角定义为手柄绕z_F轴相对外环的转角，定义域为[-π,+π)，固连于台体，y_p轴与y_F平行，云台各轴角均为0时x_F轴与x_p平行，x_p、y_p和z_p构成右手直角坐标系，x_n指向东、y_n指向北、z_n指向天，：方位角φ：导航系的y_n轴到台体系y_p轴在水平面投影的角，北偏东为正，定义域[0,2π)，俯仰角θ：台体系y_p轴在水平面的投影到y_p的角，定义域[-π/2,+π/2]，y_p轴指向地面上方为正，否则为负，横滚角γ：台体系绕y_p轴相对导航系n的转角，定义域[-π,+π)，极性符合右手定则；

其中为姿态传感器组合测得的台体姿态矩阵；为内环相对台体的姿态矩阵；为外环相对内环的姿态矩阵，由台体轴角传感的实时测量值确定 由内轴角传感的实时测量值确定，将式(5)和式(6)代入式(4)即可得到外环的实时姿态矩阵将的计算结果记成元素形式为

如果上一节拍，η_d∈(-0.5π,+0.5π)，则本拍仍要求η_d∈(-0.5π,+0.5π)，

如果上一节拍，η_d∈(0.5π,π]∪(-π,-0.5π)，则本拍仍要求η_d∈(0.5π,π]∪(-π,-0.5π)，

目标外轴角取进入奇异状态瞬时的外轴角；

根据和轴角传感器实时测得的轴角只差进行反馈控制，从而解决三轴稳定***各轴均接近水平面的奇异问题。