TWI709011B

TWI709011B - 用於無人機雲臺航向解算與控制的方法

Info

Publication number: TWI709011B
Application number: TW107145060A
Authority: TW
Inventors: 明亮陳; 廖益木; 江澤宇
Original assignee: 大陸商廣州昂寶電子有限公司
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-11-01
Also published as: CN109725652B; TW202020593A; CN109725652A

Abstract

本發明涉及用於無人機雲臺航向解算與控制的方法。提供了一種基於電位器與慣性測量單元(IMU)資訊融合的三軸無人機雲臺航向解算與控制方法，該方法包括：使用電位器測量無人機與相機之間的偏航角度差；使用IMU測量相機的姿態；將無人機運動情況劃分不同狀態；通過電位器與IMU資訊融合判斷無人機的狀態；在不同狀態切換過程中設置雲臺控制量的平滑過渡。由於本方法採用電位器與IMU資訊融合獲取相機姿態，並且針對不同狀態提出不同的控制方法，降低了成本，提高了雲臺的姿態的穩定性，增強了雲臺控制的魯棒性。

Description

用於無人機雲臺航向解算與控制的方法

本發明涉及無人機雲臺技術領域，具體涉及一種基於電位器與慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)資訊融合的三軸無人機雲臺航向解算與控制方法。

隨著科技的發展，無人機使用領域日漸廣泛。航拍無人機具有操控簡單，拍攝視角獨特等優勢，使其成為風景拍攝的首選。但是無人機在飛行時，由於電機、槳葉與控制等因素，自身會產生震動，如果將相機直接安裝在無人機上，必然會導致畫面的震動，產生“果凍”現象，大大影響了用戶的使用感受。為了視頻畫質的穩定，在飛機上加入雲臺，以減弱甚至消除相機的震動。

目前市面上的雲臺大部分採用電位器、霍爾感測器、IMU這三種感測器融合獲取相機的姿態，其中融合了霍爾感測器的姿態資料提高了姿態解算與控制的精度，但是價格高、重量大，使雲臺的成本與功耗加大。減少霍爾感測器，能夠降低雲臺成本，雖然精度降低，但是相機拍攝的視頻效果不會有很明顯的影響。

至少從上述原因考慮，一種基於電位器與IMU資訊融合的三軸無人機雲臺航向解算與控制方法，採用電位器與IMU資訊融合獲取相機姿態，並且針對不同狀態提出不同的控制方法，降低了成本，提高了雲臺的姿態的穩定性，增強了雲臺控制的魯棒性。

本發明的目的在於克服現有技術的不足，本發明提供一種基於電位器與慣性測量單元(IMU)資訊融合的三軸無人機雲臺航向解算與控制方法，提高姿態解算準確性，已達到精準控制的目的，增強雲臺圖像輸出的穩定性。

為了解決上述問題，一種基於電位器與慣性測量單元(IMU)資訊融合的三軸無人機雲臺航向解算與控制方法，所述方法包括：使用電位器測量無人機與相機之間的偏航角度差；使用IMU測量相機的姿態；將無人機運動情況劃分不同狀態；通過電位器與IMU資訊融合判斷無人機的狀態；在不同狀態切換過程中設置雲臺控制量的平滑過渡。

優選地，所述使用電位器測量無人機與相機之間的偏航角度差包括：電位器安裝在雲臺偏航轉軸方向；使用單片機的A/D測量電位器電壓；通過對應關係，將A/D值轉換為角度值。

進一步，所述使用IMU測量相機的姿態包括：IMU與相機固定在一起；將IMU測量的姿態轉換為相機的姿態。

更進一步，所述將無人機運動情況劃分不同狀態包括：無人機處在的三種狀態，懸停狀態、旋轉狀態與平移狀態；對上述三種狀態劃定優先順序。

再進一步，所述通過電位器與IMU資訊融合判斷無人機的狀態包括：通過電位器測量的角度判斷無人機是否在旋轉狀態；通過IMU判斷無人機在懸停狀態還是平移狀態。

再進一步，所述在不同狀態切換過程中設置雲臺控制量的平滑過渡包括：將三種運動狀態劃分為兩大類：雲臺保持自身航向與雲臺跟隨機頭的航向；兩大類切換之間的平滑過渡。

上述技術方案可以看出，由於本發明實施例一種基於電位器與慣性測量單元(IMU)資訊融合的三軸無人機雲臺航向解算與控制方法，採用電位器與IMU資訊融合獲取相機姿態，並且針對不同狀態提出不同的控制方法，降低了成本，提高了雲臺的姿態的穩定性，增強了雲臺控制的魯棒性。

t‧‧‧時刻

△t‧‧‧自定的衰減時間

e‧‧‧偏差

φ、φ _imu‧‧‧偏航角

φ _adc‧‧‧偏航角度差

△φ _adc‧‧‧一段時間內φ _adc的變化

φ _c‧‧‧順時針旋轉最大角度

φ _cc‧‧‧逆時針旋轉最大角度

φ _d、-φ _adc‧‧‧目標偏航角

a‧‧‧IMU的水平加速度的值

S101~S105、S201~S205、S301、S302‧‧‧步驟

‧‧‧切換時刻，IMU測量的偏航角

φ _TH、a _TH‧‧‧閾值

‧‧‧翻滾角

θ _imu‧‧‧俯仰角

u _adc‧‧‧從電位器上獲得的電壓

u _c‧‧‧測量順時針最大限位元對應的電壓

u _cc‧‧‧測量逆時針最大限位元對應的電壓

u _mid‧‧‧雲臺零度時電壓器值

k_adc‧‧‧電壓與角度之間的轉換係數

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的圖式作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的圖式僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些圖式獲得其他的圖式。

第1圖為本發明實施例中的一種基於電位器與慣性測量單元(IMU)資訊融合的三軸無人機雲臺航向解算與控制方法的流程示意圖；第2圖為本發明實施例中的通過電位器與IMU資訊融合判斷無人機的狀態的流程圖；第3圖為本發明實施例中的在不同狀態切換過程中設置雲臺控制量的平滑過渡的示意圖。

下面將結合本發明實施例中的圖式，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。

第1圖為本發明實施例中的一種基於電位器與慣性測量單元(IMU)資訊融合的三軸無人機雲臺航向解算與控制方法的流程示意圖。在本發明的實施例中，IMU可以是包括三軸加速度計、三軸角速度計、氣壓高度計的任何現在已知或未來研發的、能夠測量物體三軸姿態角(或角速率)以及加速度的裝置。

如第1圖所示，該方法包括：步驟S101，使用電位器測量無人機與相機之間的偏航角度差；步驟S102，使用IMU測量相機的姿態；步驟S104，至少部分地基於所述偏航角度差和所測量的姿態來判斷預先劃分無人機的狀態；步驟S105，在不同狀態切換過程中設置雲臺控制量的平滑過渡。

根據一個實施例，無人機運動情況可以由本領域技術人員根據需要預先劃分。進一步，根據另一實施例，方法可以在步驟S102和步驟S104之間包括步驟S103，其中將無人機運動情況劃分不同狀態。進一步地，使用電位器測量無人機與相機之間的偏航角度差的具體實現為：雲臺中相機底板在z軸方向上通過轉軸與上部連接，相機底板能夠繞z軸轉動。雲臺上部與無人機耦合，相機底板與相機結合。假設無人機不動，即雲臺上部不動，那麼相機繞z軸旋轉即會產生偏航角度差(定義為φ _adc)。為了測量偏航角度差，將電位器安裝在z軸的轉軸上，電位器外部安裝在與無人機相連接的結構上，電位器可調節部分與轉軸緊緊咬合。轉軸轉動時，必然能夠引起電位器的電壓值的變化。單片機通過類比數位轉換(A/D，Analog-to-digital converter)模組獲取電位器的電壓值，並且通過公式轉換為角度值，具體的公式如下：φ _adc=(u _adc-u _mid)*k_adc (公式1)

其中u _adc為從電位器上獲得的電壓，u _mid為雲臺零度時電壓器值，k_adc為電壓與角度之間的轉換係數。

進一步地，通過以下方式可以較為方便獲得k_adc與u _mid。一般而言，雲臺偏航角在結構上存在限位元。假設已知順時針旋轉最大角度為φ _c，逆時針旋轉最大角度為φ _cc，那麼，通過測量順時針最大限位元對應的電壓值為u _c與逆時針最大限位元對應的電壓值為u _cc，可以求得：

使用IMU測量相機的姿態包括：IMU與相機固定在一起與將IMU測量的姿態轉換為相機的姿態。

進一步地，IMU與相機固定在一起的具體步驟為將IMU安裝在雲臺的相機平臺的底板上，而相機則固定在相機平臺的底板上。IMU、相機平臺底板、相機三者之間在雲臺工作的過程中，不存在相對運動的情況。

進一步地，將IMU測量的姿態轉換為相機的姿態具體包括：IMU中具有陀螺儀與加速度計，陀螺儀用於測量旋轉的角速度，加速度計用於測量自身的加速度，通過姿態解算演算法，將角速度與加速度數據融合解算為IMU自身的姿態角。由於相機與IMU剛性連接，因此IMU的姿態近似等於相機的姿態。定義通過IMU獲得的相機姿態為翻滾角

、俯仰角θ _imu與偏航角φ _imu。由於IMU獲取的偏航角轉軸方向平行於重力，因此重力無法修正偏航角，獲得的φ _imu實際上只能從陀螺儀積分計算出來。φ _imu只是相對於上電時刻的偏航角相對值，因此為了初始化時，相機對準無人機機頭方向，必須通過融合φ _adc。

進一步地，融合方法為初始化時，只使用IMU獲得的偏航角φ _imu作為雲臺的偏航角，目標偏航角設定為-φ _adc。

進一步地，將無人機運動情況劃分不同狀態。根據航拍無人機的特點，主要分為懸停狀態，平移狀態與機頭旋轉狀態。而且針對不同的狀態，雲臺需要進行不同的控制策略：懸停狀態：雲臺相機保持自己的朝向，不受到機頭擺動的影響，以保證畫面的穩定，不會左右晃動；平移狀態：雲臺跟隨無人機的機頭旋轉，朝向與無人機朝向一致，一般飛手在控制無人機移動時，會配合無人機旋轉對景物進行拍攝；機頭旋轉狀態：拍攝全景時，一般飛手會控制無人機在原定旋轉。此時雲臺需要跟隨無人機的機頭旋轉，朝向與無人機朝向一致，保證雲臺快速跟隨機頭方向。

進一步地，對上述三種狀態劃定優先順序的具體實現為：判斷機頭旋轉的優先順序最高，先感測是否滿足進入機頭旋轉狀態的條件，如果滿足，則馬上進入機頭跟隨模式，以免拍攝到無人機腳架。接著再判斷是否滿足平移狀態條件，最後其他情況是懸停狀態。

第2圖是通過電位器與IMU資訊融合判斷無人機的狀態的流程圖。

進一步地，通過電位器與IMU資訊融合判斷無人機的狀態的步驟包括：在控制週期內，不斷通過電位器獲取無人機與雲臺的偏航角度差φ _adc，並且統計一段時間內的φ _adc。比較這段時間內φ _adc變化(定義為△φ _adc)是否大於閾值φ _TH。

△φ _adc大於閾值φ _TH，則認為無人機處的機頭在旋轉，那麼此時需要控制雲臺的朝向與機頭相一致，從而不至於拍到無人機的支架。具體的實現方法為將雲臺的偏航角賦值為偏航角度差(φ=φ _adc)，目標偏航角φ _d=0。

△φ _adc小於或等於閾值φ _TH，則判斷IMU的水平加速度的值a是否大於閾值a _TH。

如果a>a _TH，則認為無人機正在加速。因為垂直上下飛行並不影響偏航角，所以此情況不作考慮。視頻拍攝較多情況是往一個方向飛行，然後緩慢旋轉偏航飛行。所以在水平面上的前後左右飛行，需要保持雲臺的偏航角與飛機的機頭一致。具體實現方法與上述類似，雲臺的偏航角φ=φ _adc，目標偏航角φ _d=0。

供電電壓的即時電壓值可以通過多種方式被獲取。例如，可以獲取能夠表徵供電電壓的即時電壓值的某一信號的即時信號值，並且基於所獲取的該信號的即時信號值來計算得到供電電壓的即時電壓值。例如，可以通過獲取關於輸入電壓電阻分壓、晶片電流取樣腳電壓、輔助繞組電壓、驅動開關控制信號的工作因數等的資訊來間接得到供電電壓的即時電壓值。

當a<a _TH時，則保持雲臺的偏航角，不論無人機的偏航角如何變化。此時，設定雲臺的偏航角等於IMU獲得的偏航角，即φ=φ _imu，在切換時刻，設定目標偏航角為IMU測量的偏航角，即

。

第3圖是在不同狀態切換過程中設置雲臺控制量的平滑過渡的示意圖。

進一步地，將無人機的三種運動狀態(懸停狀態、平移狀態、機頭旋轉狀態)分成兩大類，一類是雲臺保持自身航向，不跟隨機頭方向變化，此時雲臺的偏航角φ=φ _imu，目標偏航角

，其中包括懸停狀態；另一類是雲臺跟隨機頭的航向，此時雲臺的偏航角φ=φ _adc，目標偏航角φ _d=0，其中包括平移狀態跟機頭旋轉狀態。

進一步地，從雲臺自身保持航向到雲臺跟隨機頭的航向的切換，從φ=φ _imu、

到φ=φ _adc、φ _d=0。底層控制採用比例-積分-微分控制器(PID，Proportion Integration Differentiation)控制，PID的輸出對應電機的脈寬調變(PWM，Pause Width Modulation)。PWM的突變會引起電機控制的突變，從而引起拍攝畫質的抖動。那麼保證PID輸出的突變至關重要。而PID輸出與偏差有關，因此保證切換前後的偏差(e=φ _d-φ)不突變，那麼最終的輸出也不會突變。而偏差e與目標偏航角φ _d、當前偏航角φ有關，切換前

，切換後e=0-φ _adc=-φ _adc。如果直接使用上述切換，必然會導致偏差的突變。

進一步地，通過調整φ _d使偏差突變減少。令突變時刻前後的偏差相等，那麼：

目標是讓φ _d=0，在整個切換過程中令φ _d隨著時間線性變化。假設切換時刻為0，時刻為t，那麼

，其中△t為自定的衰減時間，越大則φ _d衰減得越慢。當t>△t時，令φ _d=0。

進一步地，從雲臺跟隨機頭的航向到雲臺自身保持航向的切換，從φ=φ _adc、φ _d=0到φ=φ _imu、

。那麼同樣地，e=φ _d-φ _imu=0-φ _adc (公式6)

φ _d=φ _imu-φ _adc (公式7)

目標是讓

，那麼也一樣定義切換時刻為0，那麼，

當t>△t時，令

。

從上述兩種方法保證了兩類狀態之間的平滑切換，減少偏差與控制的突變，從而使控制更加平滑。

本發明實施例中，採用電位器與IMU資訊融合獲取相機姿態，並且針對不同狀態提出不同的控制方法，降低了成本，提高了雲臺的姿態的穩定性，增強了雲臺控制的魯棒性。

本領域普通技術人員可以理解上述實施例的各種方法中的全部或部分步驟是可以通過程式來指令相關的硬體來完成，該程式可以存儲於一電腦可讀存儲介質中，存儲介質可以包括：唯讀記憶體(ROM，Read Only Memory)、隨機存取記憶體(RAM，Random Access Memory)、磁片或光碟等。

例如，使用一個或多個軟體元件、一個或多個硬體元件、和/或軟體和硬體元件的一個或多個組合，本發明的各種實施例的一些或全部元件各自單獨地和/或以與至少另一元件結合的方式被實施。在另一示例中，本發明的各種實施例的一些或全部元件各自單獨地和/或以與至少另一元件結合的方式被實施在諸如一個或多個類比電路和/或一個或多個數位電路之類的一個或多個電路中。在另一示例中，本發明的各種實施例和/或示例可以被結合。

以上對本發明實施例所提供一種基於電位器與慣性測量單元(IMU)資訊融合的三軸無人機雲臺航向解算與控制方法進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。

S101~105‧‧‧步驟

Claims

一種基於電位器與慣性測量單元(IMU)資訊融合的三軸無人機雲臺航向解算與控制方法，所述方法包括下列步驟：使用所述電位器測量無人機與相機之間的偏航角度差；使用IMU測量所述相機的姿態；基於所述偏航角度差和所測量的姿態來判斷預先劃分無人機運動狀態；基於所述無人機運動狀態進而劃分無人機雲臺狀態，所述無人機雲臺狀態包含兩大類：雲臺保持自身航向與雲臺跟隨機頭的航向；當感測到所述兩大類無人機雲臺狀態之間的切換時設置雲臺控制量的平滑過渡。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中使用電位器測量無人機與相機之間的偏航角度差之步驟包括：將所述電位器安裝在所述雲臺偏航轉軸方向；使用單片機的A/D測量所述電位器的電壓；並且根據通過預先確定的對應關係將A/D值轉換為角度值。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述使用IMU測量相機的姿態之步驟包括：將所述IMU與所述相機固定在一起；並且根據預先確定的規則將所述IMU測量的姿態轉換為相機的姿態。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述無人機運動狀態包括：懸停狀態、旋轉狀態與平移狀態；並且對所述無人機運動狀態劃定優先順序。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中基於所述偏航角度差和所測量的姿態來判斷預先劃分無人機運動狀態之步驟包括：通過電位器測量的角度判斷無人機是否在旋轉狀態；通過IMU判斷無人機在懸停狀態還是平移狀態。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中基於所述偏航角度差和所測量的姿態來判斷預先劃分無人機運動狀態之步驟包括：在控制週期內，不斷通過所述電位器獲取所述無人機與雲臺的偏航角度差，並且統計一段時間內的φ _adc，比較這段時間內φ _adc變化△φ _adc是否大於閾值φ _TH；如果△φ _adc大於φ _TH，則所述無人機處的機頭在旋轉，控制所述雲臺的朝向與機頭相一致。
如申請專利範圍第6項所述的方法，其中如果△φ _adc小於或等於φ _TH，則判斷IMU的水準加速度的模a是否大於閾值a _TH，當a<a _TH時，則保持所述雲臺的偏航角，而不論無人機的偏航角如何變化。
如申請專利範圍第7項所述的方法，其中，設定目標偏航角φ _d為IMU測量的偏航角
。
一種基於電位器與慣性測量單元(IMU)資訊融合的三軸無人機雲臺航向解算與控制的系統，所述系統包括：用於控制所述電位器測量無人機與相機之間的偏航角度差的裝置；用於控制IMU測量所述相機的姿態的裝置；用於基於所述偏航角度差和所測量的姿態來判斷預先劃分無人機運動狀態進而劃分無人機雲臺狀態的裝置；以及用於在當感測到所述無人機雲臺狀態的切換過程中設置雲臺控制量的平滑過渡的裝置，所述無人機雲臺狀態包括兩大類：雲臺保持自身航向與雲臺跟隨機頭的航向。