一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，包括摄像机方位角和俯仰角的解算；舵机模型的构建和分析；高增益观测器设计；动态面控制输入电压设计；控制参数的设计与调节；根据仿真实验检验跟踪性能。该控制方法不需要增加额外的角速度硬件测量电路，控制输入设计简单，控制参数易调整，舵机控制精度高。
【专利说明】一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动控制【技术领域】，具体涉及一种舵机云台的无速度反馈动态面控制 方法。
【背景技术】
[0002] 通过将摄像机搭载在无人机或者地面机器人上面，可以实现对特定目标的监视， 检测环境中的危险信号。由于无人机飞行或者地面机器人的移动和晃动，必须将摄像机安 装在云台上。云台控制器可以调整摄像头的位置，使其始终对准监控目标。常见的两自由 度全方位云台，它既能够左右旋转又能够上下俯仰偏转。按照驱动机构的不同，云台可以分 为交流型和直流型。舵机云台本质上是一种直流型云台，它采用舵机作为驱动机构，具有 结构简单、质量轻巧、控制灵活等优点。只要知道监控目标点的位置信息，结合移动机器人 本体的位置信息，就能够计算出摄像机光轴矢量始终指向目标点的期望方位角和俯仰角指 令。通过舵机驱动，改变摄像头的方向，快速跟踪期望角度，使得监控目标点始终位于图像 平面的中心区域。
[0003] 近年来，许多先进控制方法被用在舵机云台的控制上面，其中包括PD控制、前馈 补偿、最优控制方法等。动态面控制是一种新颖的控制技术，它设计过程简单，易于物理实 现。在设计步骤中，每一步引入一个低通滤波器，克服反推控制方法存在的"微分爆炸"现 象。并且，它不会有滑模控制方法的"抖颤"现象。
[0004] 现有的舵机云台的控制方法，大多需要用到舵机云台的转动角速度。获取转动角 速度的方法有两种，一种是通过对转动的角度直接进行差分，存在较大的误差，导致跟踪调 节时间变大；另外一种是通过角速度计，这会引入外围电路，增大云台的体积和重量，降低 了系统的可靠性。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种舵机云台的无速度反馈动态面控 制方法，针对视频监控系统中的舵机云台，提出的不需要转动角速度测量的动态面控制方 法，用于控制舵机云台快速精确地跟踪期望角度，在不需要转动角速度测量情况下，结合动 态面控制技术和高增益观测器，实现舵机对期望角度的快速且精确跟踪。高增益观测器可 以通过转动的角度信息，精确重构角速度信息，实现对转动角速度的软件测量。
[0006] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0007] -种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，包括：
[0008] 获取摄像装置的监控目标点和搭载舵机云台的无人机或者地面机器人在惯性系 中的坐标信息，根据在惯性系中的坐标信息，得到摄像机指令值；
[0009] 构建舵机模型，选取二阶传递函数表示舵机输入电压和输出转角的关系；
[0010] 通过舵机输出的转动角度信息，利用高增益观测器重构角速度，实现对舵机转动 角速度的软件测量； toon] 根据摄像机指令值及利用高增益观测器测量的角速度信号，利用动态面控制方法 计算得到控制器控制舵机的输入电压，继而控制舵机的转动速度，使摄像机跟踪指令值。
[0012] 所述在惯性系中的坐标信息是通过室内的红外传感器或者室外GPS获取的。
[0013] 所述得到摄像机指令值的过程为：
[0014] 根据坐标信息，计算出摄像机指向目标点的光轴矢量坐标Pe;然后通过坐标变换 计算出光轴矢量匕在移动机器人本体坐标系的坐标为Pb;最后根据Pb的坐标，解算出摄像 机方位角指令值Ψ。和俯仰角指令值Θ。。
[0015] 舵机的期望跟踪角度xld;针对水平方向偏转的舵机Xld=Ψ。，若是俯仰方向的则 有Xld= θ C。
[0016] 所述构建舵机模型是针对工作在线性区的舵机云台的执行机构舵机，选取二阶传 递函数表示其输入电压和输出转角的关系，将二阶传递函数转化为状态空间表达式。
[0017] 所述利用动态面控制方法计算得到控制舵机的输入电压，包括的步骤为：
[0018] 设定摄像机方位角指令值与测量的摄像机方位角度相减得到误差S1，将虚拟控制 输入一阶低通滤波器得到输出；
[0019] 高增益观测器测量的角速度信号和一阶低通滤波器的输出相减得到误差S2，得到 舵机控制输入电压。
[0020] 所述利用动态面控制方法计算得到控制舵机的输入电压之后还包括控制参数的 调整，包括：
[0021] 高增益观测器控制参数的调节，使得高增益观测器建立过程中系数矩阵A为 Hurwitz矩阵，ε表征了观测误差的精度，通过减小ε来降低高增益观测器对角速度信 号的观测误差，控制器参数的调节，若跟踪误差过大或者调整时间过长，不满足实时控制要 求，则增大(^、(3 2或则减少τi，一方面，增大cpcjg当于增大控制输入的幅值和带宽；另一 方面，减小T1来提高系统的响应速度。
[0022] 在高增益观测器控制参数的调节及控制器参数的调节后进行仿真实验，使舵机在 设定时间内稳定到期望值，且高增益观测器的观测误差小于设定值，若控制效果不能满足 要求，继续调节控制参数，直到控制效果达到要求。
[0023] -种舵机云台的无速度反馈动态面控制器，所述无速度反馈动态面控制器用于获 取摄像装置的监控目标点和搭载舵机云台的无人机或者地面机器人在惯性系中的坐标信 息，根据在惯性系中的坐标信息，得到摄像机指令值；
[0024] 通过舵机输出的转动角度信息，利用高增益观测器重构角速度，实现对舵机转动 角速度的软件测量；
[0025] 根据摄像机指令值、利用高增益观测器测量的角速度信号及构建的舵机模型，利 用动态面控制方法计算得到控制舵机的输入电压，继而控制舵机的转动速度，使摄像机跟 踪指令值。
[0026] 本发明的有益效果：
[0027] 本发明针对舵机云台，设计了一种无速度反馈动态面控制方法。在不需要转动角 速度测量，实现了其高精度的角度控制。设计的控制方法，不需要增加额外的硬件电路，使 得系统体积小，质量轻。采用动态面控制方法，避免了反复求导运算，参数调节简单。通过 计算得到摄像机方位角指令值和俯仰角指令值之后，可以快速平滑地跟踪指令信号，使得 监控目标位于图像中心区域。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1本发明实施步骤流程框图；
[0029] 图2本发明控制系统结构示意图；
[0030] 图3(a)本发明角度跟踪仿真示意图；
[0031] 图3(b)本发明角速度跟踪仿真示意图；
[0032] 图4本发明控制输入电压仿真示意图；
[0033] 图5(a)本发明角度观测误差仿真示意图；
[0034] 图5(b)本发明角速度观测误差仿真示意图。
【具体实施方式】：
[0035] 下面结合附图对本发明进行详细说明：
[0036] 如图1所示，一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，包括以下步骤：
[0037] 步骤1 :摄像机方位角和俯仰角的解算
[0038] 通过红外传感器（室内）或者GPS(室外）获取监控目标点和搭载舵机云台的无 人机或者地面机器人在惯性系中的坐标分别为P1=[X1,Y1,Z1]Ip P2= [x2, y2, ζ2]τ，则摄像 机指向目标点的光轴矢量坐标为Pe为：
[0039] Pe= P rP2 (1)
[0040] 则光轴矢量在移动机器人本体坐标系中的坐标为
[0041] Pb= RP e= [x c, yc, zc]T (2)
[0042] 这里R代表罗德里格斯旋转矩阵，其定义如下：
[0043]
【权利要求】
1. 一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，其特征是，包括： 获取摄像装置的监控目标点和搭载舵机云台的无人机或者地面机器人在惯性系中的 坐标信息，根据在惯性系中的坐标信息，得到摄像机指令值； 构建舵机模型，选取二阶传递函数表不舵机输入电压和输出转角的关系； 通过舵机输出的转动角度信息，利用高增益观测器重构角速度，实现对舵机转动角速 度的软件测量； 根据摄像机指令值及利用高增益观测器测量的角速度信号，利用动态面控制方法计算 得到控制器控制舵机的输入电压，继而控制舵机的转动速度，使摄像机跟踪指令值。
2. 如权利要求1所述的一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，其特征是，所述 在惯性系中的坐标信息是通过室内的红外传感器或者室外GPS获取的。
3. 如权利要求1所述的一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，其特征是，所述 得到摄像机指令值的过程为： 根据坐标信息，计算出摄像机指向目标点的光轴矢量坐标Pe;然后通过坐标变换计算 出光轴矢量匕在移动机器人本体坐标系的坐标为P b;最后根据P b的坐标，解算出摄像机方 位角指令值V。和俯仰角指令值0。。
4. 如权利要求3所述的一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，其特征是，舵机 的期望跟踪角度xld;针对水平方向偏转的舵机xld= U/。，若是俯仰方向的则有xld= 0。。
5. 如权利要求1所述的一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，其特征是，所述 利用动态面控制方法计算得到控制舵机的输入电压，包括的步骤为： 设定摄像机方位角指令值与测量的摄像机方位角度相减得到误差Si，将虚拟控制输入 一阶低通滤波器得到输出； 高增益观测器测量的角速度信号和一阶低通滤波器的输出相减得到误差S2，得到舵机 控制输入电压。
6. 如权利要求1所述的一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，其特征是，所述 构建舵机模型是针对工作在线性区的舵机云台的执行机构舵机，选取二阶传递函数表示其 输入电压和输出转角的关系，将二阶传递函数转化为状态空间表达式。
7. 如权利要求1所述的一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，其特征是，所述 利用动态面控制方法计算得到控制舵机的输入电压之后还包括控制参数的调整，包括： 高增益观测器控制参数的调节，使得高增益观测器建立过程中系数矩阵A为Hurwitz 矩阵，e表征了观测误差的精度，通过减小e来降低高增益观测器对角速度信号的观测误 差，控制器参数的调节，若跟踪误差过大或者调整时间过长，不满足实时控制要求，则增大Cl、c2或则减少t i，一方面，增大Cpcjg当于增大控制输入的幅值和带宽；另一方面，减小 h来提高系统的响应速度。
8. 如权利要求7所述的一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，其特征是，在高 增益观测器控制参数的调节及控制器参数的调节后进行仿真实验，使舵机在设定时间内稳 定到期望值，且高增益观测器的观测误差小于设定值，若控制效果不能满足要求，继续调节 控制参数，直到控制效果达到要求。
9. 一种舵机云台的无速度反馈动态面控制器，其特征是，所述无速度反馈动态面控制 器用于获取摄像装置的监控目标点和搭载舵机云台的无人机或者地面机器人在惯性系中 的坐标信息，根据在惯性系中的坐标信息，得到摄像机指令值； 通过舵机输出的转动角度信息，利用高增益观测器重构角速度，实现对舵机转动角速 度的软件测量； 根据摄像机指令值、利用高增益观测器测量的角速度信号及构建的舵机模型，利用动 态面控制方法计算得到控制舵机的输入电压，继而控制舵机的转动速度，使摄像机跟踪指 令值。
【文档编号】G05D3/12GK104483977SQ201410535672
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】冯华, 金海 , 陈刚, 钱平, 韩磊, 李冬松, 张斌, 谭树蕾, 王化玲 申请人:国家电网公司, 国网浙江省电力公司嘉兴供电公司, 山东鲁能智能技术有限公司