CN112923894B - 一种应用于云台的机械角度自动化标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于云台的机械角度自动化标定方法，将现有云台标定的复杂过程简单化、自动化、一键化，通过上位机软件监控界面和配套的单片机程序，可有效提高云台生产的标定参数准确性、指标一致性，排除个人经验因素，提高生产效率和良品率；在对云台启动自动标定流程后对供电电压和惯性测量单元数据进行检测，有效的防止了因供电不足导致标定异常和电机失控造成结构件损坏；通过设定上限机械角、下限机械角、实测行程以及零度机械角对应的计算零位；通过幅值收敛算法，完成计算零位的修正，该自动化标定方法能够避免人工操作时因为经验转矩和经验时间的差异性造成边界检测的不准确性，保证了各轴机械角度的标定精度和标定效率。

Description

一种应用于云台的机械角度自动化标定方法

技术领域

本发明涉及无人机云台技术领域，具体为一种应用于云台的机械角度自动化标定方法。

背景技术

云台的伺服控制需要使用各轴机械角度作为旋转矩阵的输入，因为电机磁钢和角度传感器装配时的随机性，未经标定的云台机械角度无法作为旋转矩阵的直接输入，需要对云台机械角进行一系列的标定，标定的准确性直接影响云台的控制精度，因此云台的机械角度标定是生产和调试过程中要解决的问题。

传统的标定方法多采用治具配合+人工操作的方式，然而这种标定方法的精度对治具设计水平要求较高，同时较依赖于操作人员的个人经验，标定精度离散性较大，无法提高产品的一致性，导致良品率低下，不利于大规模生产。

发明内容

针对现有技术中标定方法多采用治具配合+人工操作的方式存在标定精度离散性较大，无法提高产品的一致性的问题，本发明提供一种应用于云台的机械角度自动化标定方法，基于云台上既有的传感器***，完成自动化并且高效的标定过程，将云台的标定过程摆脱对操作人员个人经验的依赖，可有效地提高产品一致性，同时简化生产流程，提高良品率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种应用于云台的机械角度自动化标定方法，包括如下步骤：

步骤1，上位机软件接收标定指令对云台启动自动标定流程；

步骤2，在自动标定流程中，对云台按照当前轴系设定的上限机械角和下限机械角，计算云台中当前轴系的机械行程；

步骤3，得到云台当前轴系的机械行程后，对当前检测轴系电机施加零电角度矢量电压，读取角度传感器的输出，并记录作为电角度偏移量，驱动电机时，对电角度减去电角度偏移量，完成电角度对齐；

步骤4，匀速往返摆扫当前轴系，记录上限实测角和下限实测角，计算出实测行程，通过线性对齐的方法，计算零度机械角对应的计算零位；

步骤5，控制云台的内框电机保持在计算零位上，控制云台的外框电机做持续往复摆扫动作，并对云台的内框电机的计算零位进行修正，设定完成时间，当在设定完成时间内未完成计算零位修正，则停止标定，并发送错误类型代码至上位机软件中；当在设定完成时间内完成计算零位修正，对所有轴系分别按照步骤2到步骤5执行并完成标定后，则执行步骤6；

步骤6，控制各轴保持在修正计算零位上，并自动检查位置精度，精度检查合格，则标定成功，可执行步骤7操作；

步骤7，将云台标定参数写入微控制器内部进行存储，云台机械角度自动化标定动作完成，设备重启。

优选的，步骤1中，在对云台启动自动标定流程后对供电电压和惯性测量单元数据进行检测。

优选的，步骤2中，上限机械角设定正值，下限机械角设定负值；各轴的理论机械行程计算如下：

A_T＝|A_m-A_-n|；

其中，A_T为理论机械行程；A_m为上限机械角；A_-n为下限机械角。

优选的，步骤4中，实测行程计算如下：

A_T′|A_m′A_-n′|；

其中，A_T′为实测行程；A_m′为上限实测角；A_-n′为下限实测角。

优选的，步骤4中，零度机械角对应的计算零位计算如下：

其中，A₀为计算零位；A_T为理论机械行程；A_-n为下限机械角；A_T′为实测行程；A_-n′为下限实测角。

优选的，步骤5中，在云台的内框方向上形成往复形式的投影分量，通过统计该投影分量的幅值变化控制云台的内框电机进行计算零位修正。

优选的，步骤5中，在修正计算零位时，先控制云台的内框电机保持在计算零位，然后控制云台的外框电机连续摆扫，使用惯性测量单元对云台的外框转轴方向的交轴分量进行测量，交轴分量计算公式如下：

A_q＝A×sinθ；

其中，A_q为交轴分量幅值；A为摆扫幅值；θ为零位误差的角度。

进一步的，零位误差的角度θ＜5°时，对正弦函数做线性处理，摆扫幅值为定值，零位误差的角度θ与交轴分量幅值A_q存在近似线性关系，计算公式如下：

θK×A_q；

其中，θ为零位误差；K为理论转换系数；A_q为交轴分量幅值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种应用于云台的机械角度自动化标定方法，将现有云台标定的复杂过程简单化、自动化、一键化，通过上位机软件监控界面和配套的单片机程序，正常情况下，操作人员只需启动标定流程，观察上位机监控界面，等待标定过程结束后自动重启即可，自动标定过程耗时约25～40秒，标定精度得到产线认可；可有效提高云台生产的标定参数准确性、指标一致性，排除个人经验因素，提高生产效率和良品率；在对云台启动自动标定流程后对供电电压和惯性测量单元数据进行检测，有效的防止了因供电不足导致标定异常和电机失控造成结构件损坏；通过设定上限机械角、下限机械角、实测行程以及零度机械角对应的计算零位，保证了各轴理论机械行程的标定效率，避免人工操作时因为经验转矩和经验时间的差异性造成边界检测的不准确性。

附图说明

图1为本发明中上位机连接云台的示意图；

图2为本发明中应用于云台的机械角度自动化标定方法的流程图；

图3为本发明中摆扫边界检测示意图；

图4为本发明中收敛算法修正计算零位示意图。

图中：1-上位机软件；2-云台。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明中提供了应用于云台的机械角度自动化标定方法，根据图1所示，上位机软件1通过USB虚拟串口与云台2连接后，进行机械角度自动化标定方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤1，上位机软件1接收标定指令对云台2启动自动标定流程；

步骤2，在自动标定流程中，对云台2按照当前轴系设定的上限机械角和下限机械角，计算云台2中当前轴系的机械行程；

步骤3，得到云台当前轴系的机械行程后，对当前检测轴系电机施加零电角度矢量电压，读取角度传感器的输出，并记录作为电角度偏移量，驱动电机时，对电角度减去电角度偏移量，完成电角度对齐；

步骤4，匀速往返摆扫当前轴系，记录上限实测角和下限实测角，计算出实测行程，通过线性对齐的方法，计算零度机械角对应的计算零位；

步骤5，控制云台2的内框电机保持在计算零位上，控制云台2的外框电机做持续往复摆扫动作，并对云台2的内框电机的计算零位进行修正，设定完成时间，当在设定完成时间内未完成计算零位修正，则停止标定，并发送错误类型代码至上位机软件1中；当在设定完成时间内完成计算零位修正，对所有轴系分别按照步骤2到步骤5执行并完成标定后，则执行步骤6；

步骤6，控制各轴保持在修正计算零位上，并自动检查位置精度，精度检查合格，则标定成功，可进行步骤7操作；

步骤7，将云台2标定参数写入微控制器内部进行存储，云台机械角度自动化标定动作完成，设备重启。

其中步骤1中在对云台2启动自动标定流程后对供电电压和惯性测量单元数据进行检测。

步骤2中，上限机械角设定正值，下限机械角设定负值；各轴的理论机械行程计算如下：

A_T＝|A_m-A_-n|；

其中，A_T为理论机械行程；A_m为上限机械角；A_-n为下限机械角。

步骤4中，实测行程计算如下：

A_T′|A_m′A_-n′|；

其中，A_T为理论机械行程；A_m为上限机械角；A_-n为下限机械角。

零度机械角对应的计算零位计算如下：

其中，A₀为计算零位；A_T为理论机械行程；A_-n为下限机械角；A_T′为实测行程；A_-n′为下限实测角。

步骤5中，在云台2的内框方向上形成往复形式的投影分量，通过统计该投影分量的幅值变化控制云台2的内框电机进行计算零位修正。

在步骤5中，控制云台2内框电机保持在其计算零位上，控制云台2外框电机做持续往复摆扫动作，使用惯性测量单元检测摆扫动作，理想情况下，该摆扫动作在内框方向上不产生投影分量，但由于计算零位误差的存在，实际在内框方向上产生了往复形式的投影分量，通过统计该投影分量的幅值变化，控制内框电机向能使该幅值收敛的方向修正一个角度，角度的大小正比于投影分量的幅值大小，通过反复地分析与修正，对内框电机的理论零位进行修正。若超过20秒时间，未能完成计算零位修正，则停止此次标定，并上传错误类型代码给上位机软件。

该自动化标定方法自动计算标定动作的运动参数，在检查惯性测量单元和执行机构的有效性后，开始按照计算好的运动参数执行标定动作，在匀速摆扫至运动边界时，自动控制电机输出统一转矩，并在边界停留统一时间，以检查边界角度的有效性，避免人工操作时因为经验转矩和经验时间的差异性造成边界检测的不准确性；使用收敛算法修正内框计算零位时，程序控制外框做连续摆扫动作，并控制内框在计算零位附近做收敛方向测试，确定收敛方向后，通过步进微调的方式修正计算零位，避免因寻零治具精度和个人经验造成零位误差的离散性。

根据图3所示，在摆扫边界检测时，需要对电机做运动检测和停止检测，运动检测用于判断电机开始转动，停止检测用于判断电机停止转动，具体的做法是：控制电机做正向做匀速转动，并在转动过程中，连续检测实测角度在前后两个时刻的变化量，该变化量持续大于阈值超过指定次数，判定电机处于运动状态；继续检测实测角度在前后两个时刻的变化量，该变化量持续小于阈值超过指定次数，判定电机处于停止状态；然后控制电机做反向转动，按照如上方式进行另一侧的边界检测。该方法可保障输出转矩的一致性、停留时间的一致性，进而保障设备标定的一致性。

根据图4所示，在修正计算零位时，先控制云台2的内框电机保持在计算零位，然后控制云台2的外框电机连续摆扫，使用惯性测量单元对云台2的外框转轴方向的交轴分量进行测量，交轴分量计算公式如下：

A_q＝A×sinθ；

其中，A_q为交轴分量幅值；A为摆扫幅值；θ为零位误差的角度；

零位误差的角度θ＜5°时，对正弦函数做线性处理，摆扫幅值为定值，零位误差的角度θ与交轴分量幅值A_q存在近似线性关系，计算公式如下：

θK×A_q；

其中，θ为零位误差；K为理论转换系数；A_q为交轴分量幅值。

进行零位误差修正时，选取修正转换系数K′<理论转换系数K，计算出修正误差θ′，控制内框在计算零位的基础上偏移修正误差θ′，再统计交轴分量幅值A_q的变化情况，如此对零位误差进行多次修正。在进行初次零位误差修正时，因为不知道零位误差方向，所以先默认正向进行修正，进行收敛方向测试，如图4所示，若发现交轴分量幅值未收敛，则进行负向修正，在确认收敛方向后，连续修正零位误差，直至交轴分量幅值收敛至最小，认为零位误差修正完毕。该方法可保障零位误差修正操作的准确性和便捷性。

本发明通过上位机软件1监控界面，控制云台2启动一套内部固化的自动化标定方法，该自动化标定方法可将云台2标定这样的复杂过程进行阶段，每个阶段执行完都会上传当前的标定结果，并有辅助数据和曲线帮助操作人员定位标定进度和结果，云台2按照自动化标定程序规定的流程完成一整套参数计算、机械运动、参数更新、存储与重启的动作。

实施例

对甲、乙两待测云台通过云台的机械角度自动化标定方法进行标定，以俯仰轴标定为例，上位机软件1接收标定指令对云台2启动自动标定流程；在自动标定流程中对甲云台上设定的上限机械角为100°和下线机械角为-105°；乙云台的上限机械角为100°和下线机械角为-105°，计算得到甲云台的理论行程为205°；乙云台的理论行程为205°；分别得到甲云台和乙云台中各轴的机械行程后，对甲云台和乙云台当前检测轴系电机施加零电角度矢量电压，读取角度传感器的输出，并记录作为电角度偏移量，甲云台和乙云台的零电角度偏移量分别是-16538和-18285，驱动电机时，对电角度减去电角度偏移量，完成电角度对齐；

匀速往返摆扫当前轴系，记录甲云台的上限实测角和下限实测角分别为15495和202163；记录乙云台的上限实测角和下限实测角分别为25638和211376，计算得出甲云台和乙云台的实测行程分别为186668和185738，通过线性对齐的方法，计算甲云台和乙云台零度机械角对应的计算零位分别为106552和116242；

控制甲云台和乙云台的内框电机保持在计算零位上，控制甲云台和乙云台的外框电机做持续往复摆扫动作，并通过收敛算法对甲云台和乙云台的内框电机的理论零位进行修正，分别得到甲云台和乙云台的修正零位为107042和115176；上限设定完成时间为20秒，当在设定完成时间内未完成计算零位修正，则停止标定，并发送错误类型代码至上位机软件1中；当在设定完成时间内完成计算零位修正；

在修正后的甲云台的上限机械角和下限机械角分别为-100.58°和104.50°，修正后的乙云台的上限机械角和下限机械角分别为-98.37°和105.69°，所有轴系标定完成后，控制各轴保持在修正计算零位上，并自动检查位置精度，精度检查合格，则标定成功，可进行标定参数的存储操作；将甲云台和乙云台的标定参数写入微控制器内部进行存储，以便下一次开机直接读取并使用，云台机械角度自动化标定动作完成，设备重启，甲云台和乙云台的俯仰轴标定统计如表1所示。

项目	甲云台	乙云台
			上限机械角	100°	100°
下限机械角	-105°	-105°
			理论机械行程	205°	205°
零电角度偏移	-16538	-18285
			上限实测角度	15495	25638
下限实测角度	202163	211376
			解析行程	186668	185738
计算零位	106552	116242
			修正零位	107042	115176
修正上限机械角	-100.58°	-98.37°
			修正下限机械角	104.50°	105.69°

表1甲云台和乙云台的俯仰轴标定统计

Claims (5)

1.一种应用于云台的机械角度自动化标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，上位机软件(1)接收标定指令对云台(2)启动自动标定流程；

步骤2，在自动标定流程中，对云台(2)按照当前轴系设定的上限机械角和下限机械角，计算云台(2)中当前轴系的机械行程；

步骤3，得到云台当前轴系的机械行程后，对当前检测轴系电机施加零电角度矢量电压，读取角度传感器的输出，并记录作为电角度偏移量，驱动电机时，对电角度减去电角度偏移量，完成电角度对齐；

步骤4，匀速往返摆扫当前轴系，记录上限实测角和下限实测角，计算出实测行程，通过线性对齐的方法，计算零度机械角对应的计算零位；

步骤5，控制云台(2)的内框电机保持在计算零位上，控制云台(2)的外框电机做持续往复摆扫动作，并对云台(2)的内框电机的计算零位进行修正，设定完成时间，当在设定完成时间内未完成计算零位修正，则停止标定，并发送错误类型代码至上位机软件(1)中；当在设定完成时间内完成计算零位修正，对所有轴系分别按照步骤2到步骤5执行并完成标定后，则执行步骤6；

在云台(2)的内框方向上形成往复形式的投影分量，通过统计该投影分量的幅值变化控制云台(2)的内框电机进行计算零位修正；

在修正计算零位时，先控制云台(2)的内框电机保持在计算零位，然后控制云台(2)的外框电机连续摆扫，使用惯性测量单元对云台(2)的外框转轴方向的交轴分量进行测量，交轴分量计算公式如下：

A_q＝A×sinθ；

其中，A_q为交轴分量幅值；A为摆扫幅值；θ为零位误差的角度；

所述零位误差的角度θ＜5°时，对正弦函数做线性处理，摆扫幅值为定值，零位误差的角度θ与交轴分量幅值A_q存在近似线性关系，计算公式如下：

θ＝K×A_q；

其中，θ为零位误差；K为理论转换系数；A_q为交轴分量幅值；

使用收敛算法修正内框计算零位时，程序控制外框做连续摆扫动作，并控制内框在计算零位附近做收敛方向测试，确定收敛方向后，通过步进微调的方式修正计算零位；

步骤6，控制各轴保持在修正计算零位上，并自动检查位置精度，精度检查合格，则标定成功，可执行步骤7操作；

步骤7，将云台(2)标定参数写入微控制器内部进行存储，云台机械角度自动化标定动作完成，设备重启。

2.根据权利要求1所述的一种应用于云台的机械角度自动化标定方法，其特征在于，步骤1中，在对云台(2)启动自动标定流程后对供电电压和惯性测量单元数据进行检测。

3.根据权利要求1所述的一种应用于云台的机械角度自动化标定方法，其特征在于，步骤2中，上限机械角设定正值，下限机械角设定负值；各轴的理论机械行程计算如下：

A_T＝|A_m-A_-n|；

其中，A_T为理论机械行程；A_m为上限机械角；A_-n为下限机械角。

4.根据权利要求1所述的一种应用于云台的机械角度自动化标定方法，其特征在于，步骤4中，实测行程计算如下：

A_T′＝|A_m′-A_-n′|；

其中，A_T′为实测行程；A_m′为上限实测角；A_-n′为下限实测角。

5.根据权利要求1所述的一种应用于云台的机械角度自动化标定方法，其特征在于，步骤4中，零度机械角对应的计算零位计算如下：

其中，A₀为计算零位；A_T为理论机械行程；A_-n为下限机械角；A_T′为实测行程；A_-n′为下限实测角。

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