CN109618079A - 一种基于直驱电机驱动的球机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于直驱电机驱动的球机，其云台包括Z轴、Y轴及X轴，控制各轴均使用直驱电机，所述Z轴、Y轴及X轴方向联动；还包括姿态传感器感应所述摄像头的动态，姿态传感器获取所述摄像头的姿态角度和角速度，根据姿态角度和角速度并基于PID控制算法计算出所述直驱电机输出控制量。直接使用直驱电机替换步进电机，作为动力的输出，直接连接负载，驱动负载。球机云台上加入姿态传感器，用于检测设备振动的频率、振幅和方向等，再通过算法反馈给直驱电机进行补偿，从而可以到达消除外部环境的带来的振动影响，使摄像头可以拍到很稳定的画面。
Description
技术领域
本发明属于视频安防监控领域，具体涉及一种基于直驱电机驱动的球机。
背景技术
随着技术的发展，现在市场上生产的摄像头很多都有变倍的功能，而且放大的倍率越来越大，即能看到越来越远的地方，这也就意味着摄像头在工作的过程中需要保持更加稳定的状态，否则稍微的抖动，都会导致视频画面的不清晰和不适感。目前市场上承载摄像头的设备主要有枪机、球机和云台，球机即为球型摄像机。因为枪机是固定式的，所以对摄像头的抖动影响很小。现有的应用主要针对是球机和云台，这两种设备的工作原理都是一样的，即通过两个步进电机分别控制水平和垂直的转动，使摄像头能够大范围的转动，看到多角度的画面。
现在市场上的球机集成一体化摄像机、云台、防护罩等多功能于一体，其中球机云台大都是使用步进电机，再利用同步带或者齿轮蜗杆等传动方式控制摄像头的转动。所以现有方案的技术缺点就是步进电机和传动方式，步进电机由于技术的瓶颈，它的反应速度、精度、回程差以及寿命都已经达到极限，没法再有所提升，再加上传动部分的装配误差和摩擦损耗，整机的性能又会有所下降，达不到高精准的要求，再加上现在的球机云台在设计上都没有做减振处理，无法准确的控制摄像头转动到我们所需要的点，同时画面也会出现抖动的现象，一旦外部环境带来振动的干扰，振动现象就会更加明显，导致拍摄的画面无法正常观看，视觉感受较差。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种基于直驱电机驱动的球机，主要就是为了从根本上解决问题，直接使用直驱电机替换步进电机，作为动力的输出。直驱电机反应速度快、高精度、没有回程差，更重要的它不需要复杂的传动***，可以直接连接负载，驱动负载，所以整体的性能都能有效的提高。同时，基于直驱电机的这些优点，本发明在球机云台上加入姿态传感器，用于检测设备振动的频率、振幅和方向等，再通过算法反馈给直驱电机进行补偿，从而可以到达消除外部环境的带来的振动影响，使摄像头可以拍到很稳定的画面，而这种调节的方式只能应用于直驱电机。为解决上述技术问题：
本发明提供了一种基于直驱电机驱动的球机，包括云台，所述云台包括Z轴、Y轴及X轴，其特征在于，包括：控制所述Z轴的第一直驱电机，控制所述Y轴的第二直驱电机，控制所述X轴的第三直驱电机；所述第一、第二和第三直驱电机包括定子和转子；所述定子固定不动，所述转子带动负载转动；所述Z轴、Y轴及X轴方向联动；所述云台的摄像头安装于所述X轴的负载内；姿态传感器感应所述摄像头的动态，所述姿态传感器和所述摄像头刚性连接；所述姿态传感器获取所述摄像头的姿态角度和角速度；根据所述姿态角度和所述角速度并基于PID控制算法计算出所述直驱电机输出控制量。
进一步地，所述云台还包括用于固定的底座，所述第一直驱电机的定子固定于所述底座上，所述第一直驱电机的转子与上层负载连接。
进一步地，所述云台还包括支架，所述第二直驱电机的定子固定于所述支架上，所述第二直驱电机的转子与所述Y轴负载相连。
进一步地，所述第三直驱电机的定子固定于所述支架上，所述第三直驱电机的转子与所述X轴负载相连。
进一步地，上述第一、第二和第三直驱电机定子的固定方式，均为通过螺丝间接或直接的方式进行固定；所述第一、第二和第三直驱电机转子与负载的连接方式，均为通过螺丝间接或直接的方式进行连接。
进一步地，所述姿态传感器为六轴传感器。
进一步地，采集所述姿态传感器中加速度计、陀螺仪的数据，通过四元素互补滤波姿态解算得到所述姿态角度和所述角速度；当前所述姿态角度与目标角度的角度差值与角速度作为输入量，通过串级PID控制算法计算出所述直驱电机输出控制量。
进一步地，所述PID控制算法采用变参数PID方式，根据误差e的大小，调节比例、积分、微分的参数；比例参数P根据函数P(e(t))＝ap+bp(1-sech(cpe(t)))进行调节，其中aP、bP、cP为正实常数，参数P取值范围为[aP，aP+bP]，cp为调整参数P变化速率，sech为双曲正割函数；积分参数I根据函数I(e(t))＝aIsech(cIe(t)))进行调节，其中aI、cI为正实常数，参数I取值范围为(0，aI]，cI为调整参数I变化速率；微分参数D根据函数D(e(t))＝aD+bD/(1+dDexp(cDe(t)))或D(e(t))＝aD+bD/(1+dDexp(-cDe(t)))进行调节，其中aD、bD、cD、dD为正实常数，参数D取值范围为(aD，aD+bD)，cD为调整参数D变化速率。
进一步地，当误差e比较大时，不考虑***的精度和超调量，采用加大比例参数P进行调节；当误差e比较小时，加强积分参数I和微分参数D的调节；当***超调时，加大微分参数D调节。
进一步地，当误差变化率ev小于等于0时，微分参数D根据函数D(e(t))＝aD+bD/(1+dDexp(cDe(t)))进行调节；当误差变化率ev大于0时，微分参数D根据函数D(e(t))＝aD+bD/(1+dDexp(-cde(t)))进行调节。
与现有技术相比，本发明至少具有下述的有益效果或优点：
本发明提供的这种基于直驱电机驱动的球机，该直驱电机反应速度快、高精度、没有回程差，更重要的它不需要复杂的传动***，可以直接连接负载，驱动负载，所以整体的性能都能有效的提高，无需减速器、齿轮箱等连接结构，提高了云台球机的反应速度、精度和寿命，整体结构简单化，装配比较简单而量产产品方便，维护方便。姿态传感器用于检测设备振动的频率、振幅和方向等，再通过算法反馈给直驱电机进行补偿，这种调节的方式应用于直驱电机能够得到充分的体现，从而可以到达消除外部环境的带来的振动影响，使摄像头可以拍到很稳定的画面。
附图说明
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明；
图1为球机***结构图。
图2为球机各部分结构图。
图3为参数P随误差e变化的函数曲线图。
图4为参数I随误差e变化的函数曲线图。
图5为参数D随误差e变化的函数曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明设计了提高装载摄像头的云台球机整体精度和稳定性，本发明设计了一种使用直驱电机作为动力输出的云台球机结构，代替传统步进电机和复杂传动结构的方式，使整体达到高精准的性能，具体如图1所示。
本发明的结构设计原理，主要有三大部分，如图2所示：
第一部分，控制Z轴转动的结构设计。直驱电机同样分为转子和定子，定子固定不动，转子带动负载转动。底座，作为整机和外部环境搭建的桥梁，起固定作用。直驱电机1的定子通过螺丝固定在底座上，转子通过螺丝直接与上层负载连接。
第二部分，控制Y轴转动的结构设计，同理，直驱电机2的定子通过螺丝固定在支架上，转子通过螺丝直接与Y轴负载相连接，方式第一部分的结构相同。
第三部分，控制X轴转动的结构设计，同理，直驱电机3的定子通过螺丝固定在支架上，转子通过螺丝直接与X轴负载相连接，方式与第一部分的结构相同。X、Y、Z轴方向的联动，最后会直接作用在X轴负载上，所以摄像头是安装在X轴负载内。由于本发明是通过姿态传感器感应摄像头的动态，所以必须和摄像头刚性连接，直接固定在摄像头上，保持与摄像头同步。
其中姿态传感器感应摄像头的动态，从而进行补偿，达到消除振动干扰，方法具体如下所示：
第一步，采集六轴惯性传感器的加速度计、陀螺仪数据；
第二步，通过四元数互补滤波姿态解算得到姿态角度和角速度；
第三步，当前姿态角度与目标角度的角度差值与角速度作为输入量，通过串级PID控制算法计算出DD直驱电机输出控制量。
本发明的PID控制算法采用变参数PID方式，根据误差的大小，改变比例、积分、微分的参数，从而在原来的基础上提高***的响应速度和精度。
在误差比较大的时候，可以不考虑***的精度和超调量，为了***加快响应速度，采用加大比例参数P作用，减小积分参数I和微分参数D作用。在误差比较小时，为了防止***超调量过大，应减小比例参数P作用，加强积分参数I和微分参数D作用。当***超调时，应加大微分参数D作用。根据以上变量规律，可以得出如下结论：
(1)如图3所示，参数P随误差e变化的函数曲线图，构造如下非线性函数为：
P(e(t))＝ap+bp(1-sech(cpe(t)))
式子中，aP、bP、cP为正实常数，参数P取值范围为[aP，aP+bP]，cp为调整参数P变化速率。
(2)如图4所示，参数I随误差e变化的函数曲线图，构造如下非线性函数为：
I(e(t))＝aIsech(cIe(t)))
式子中，aI、cI为正实常数，参数I取值范围为(0，aI]，cI为调整参数I变化速率。
(3)如图5所示，当误差变化率ev小于等于0时，参数D随误差e变化构造如下非线性函数为：
D(e(t))＝aD+bD/(1+dDexp(CDe(t)))
当误差变化率ev大于0时，构造非线性函数为：
D(e(t))＝aD+bD/(1+dDexp(-CDe(t)))
式子中，aD、bD、cD、dD为正实常数，参数D取值范围为(aD，aD+bD)，cD为调整参数D变化速率。
与现有技术相比，本发明至少具有下述的有益效果或优点：
本发明提供的这种直驱电机驱动的球机，该直驱电机反应速度快、高精度、没有回程差，可以直接连接负载，驱动负载，所以整体的性能都能有效的提高，无需减速器、齿轮箱等连接结构，提高了云台球机的反应速度、精度和寿命，整体结构简单化，装配比较简单而量产产品方便，维护方便。姿态传感器用于检测设备振动的频率、振幅和方向等，再通过算法反馈给直驱电机进行补偿，这种调节的方式应用于直驱电机能够得到充分的体现，从而可以到达消除外部环境的带来的振动影响，使摄像头可以拍到很稳定的画面。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于直驱电机驱动的球机，包括云台，所述云台包括Z轴、Y轴及X轴，其特征在于，包括：控制所述Z轴的第一直驱电机，控制所述Y轴的第二直驱电机，控制所述X轴的第三直驱电机；所述第一、第二和第三直驱电机包括定子和转子；所述定子固定不动，所述转子带动负载转动；所述Z轴、Y轴及X轴方向联动；所述云台的摄像头安装于所述X轴的负载内；姿态传感器感应所述摄像头的动态，所述姿态传感器和所述摄像头刚性连接；所述姿态传感器获取所述摄像头的姿态角度和角速度；根据所述姿态角度和所述角速度并基于PTD控制算法计算出所述直驱电机输出控制量。
2.根据权利要求1所述的基于直驱电机驱动的球机，其特征在于：所述云台还包括用于固定的底座，所述第一直驱电机的定子固定于所述底座上，所述第一直驱电机的转子与上层负载连接。
3.根据权利要求2所述的基于直驱电机驱动的球机，其特征在于：所述云台还包括支架，所述第二直驱电机的定子固定于所述支架上，所述第二直驱电机的转子与所述Y轴负载相连。
4.根据权利要求3所述的基于直驱电机驱动的球机，其特征在于：所述第三直驱电机的定子固定于所述支架上，所述第三直驱电机的转子与所述X轴负载相连。
5.根据权利要求4所述的基于直驱电机驱动的球机，其特征在于：上述第一、第二和第三直驱电机定子的固定方式，均为通过螺丝间接或直接的方式进行固定；所述第一、第二和第三直驱电机转子与负载的连接方式，均为通过螺丝间接或直接的方式进行连接。
6.根据权利要求1所述的基于直驱电机驱动的球机，其特征在于：所述姿态传感器为六轴传感器。
7.根据权利要求1所述的基于直驱电机驱动的球机，其特征在于：采集所述姿态传感器中加速度计、陀螺仪的数据，通过四元素互补滤波姿态解算得到所述姿态角度和所述角速度；当前所述姿态角度与目标角度的角度差值与角速度作为输入量，通过串级PID控制算法计算出所述直驱电机输出控制量。
8.根据权利要求7所述的基于直驱电机驱动的球机，其特征在于：所述PID控制算法采用变参数PID方式，根据误差e的大小，调节比例、积分、微分的参数；
比例参数P根据函数P(e(t))＝ap+bp(1-sech(cpe(t)))进行调节，其中aP、bP、cP为正实常数，参数P取值范围为[aP，aP+bP]，cp为调整参数P变化速率，sech为双曲正割函数；
积分参数I根据函数I(e(t))＝aIsech(cIe(t)))进行调节，其中aI、cI为正实常数，参数I取值范围为(0，aI]，cI为调整参数I变化速率；
微分参数D根据函数D(e(t))＝aD+bD/(1+dDexp(cDe(t)))或D(e(t))＝aD+bD/(1+dDexp(-cDe(t)))进行调节，其中aD、bD、cD、dD为正实常数，参数D取值范围为(aD，aD+bD)，cD为调整参数D变化速率。
9.根据权利要求8所述的基于直驱电机驱动的球机，其特征在于：当误差e比较大时，不考虑***的精度和超调量，采用加大比例参数P进行调节；当误差e比较小时，加强积分参数I和微分参数D的调节；当***超调时，加大微分参数D调节。
10.根据权利要求8所述的基于直驱电机驱动的球机，其特征在于：当误差变化率ev小于等于0时，微分参数D根据函数D(e(t))＝aD+bD/(1+dDexp(cDe(t)))进行调节；当误差变化率ev大于0时，微分参数D根据函数D(e(t))＝aD+bD/(1+dDexp(-cde(t)))进行调节。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190412 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |