云台控制方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及云台技术领域，尤其涉及一种云台控制方法和装置。
【背景技术】
[0002] 云台是安装、固定像机的支撑设备，三轴云台可以控制相机进行俯仰、横滚、航向 三个轴线的动作，具有很高的灵活性。
[0003] 三轴云台固定在无人机上，作为机载相机的载体，可以用来隔离扰动，保证无人机 机载相机的视轴稳定。理想状态下，在相机拍摄的过程中，无人机始终保持水平、匀速地飞 行，并且还要保持无人机姿态的稳定，三轴云台控制相机达到目标姿态，使机载相机视轴能 够均匀地扫描地面，从而能够获得高质量、无失真的图像。
[0004] 但是，实际中存在着许多非线性干扰因素，空中的风速、气流以及风向的变化都会 引起无人机的姿态发生变化，且当无人机体积越小、重量越轻时，这种影响就越为严重。无 人机姿态变化的直接影响是三轴云台受到干扰不稳定，若三轴云台控制精度差，则不能有 效隔离无人机的扰动，从而导致负载的相机光轴会产生抖动，获得的图像发生畸变。
[0005] 因此，三轴云台控制精度越高，机载相机获取的图像的质量就越清晰。但是，当前 的三轴云台控制精度较差，就会导致不能够精确调整相机姿态达到目标姿态，不能有效隔 离机体的扰动，自稳效果差，无法保障云台负载相机的成像质量。
【发明内容】
[0006] 本发明的主要目的在于提供一种云台控制方法和装置，旨在解决云台控制不精 确、自稳效果差的技术问题。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供一种云台控制方法，所述云台控制方法包括以下步 骤：
[0008] 获取云台上被控端当前状态和目标状态、固定端当前状态，以及固定端与被控端 的转动惯量比；
[0009] 根据所述被控端当前状态和目标状态、固定端当前状态，以及固定端与被控端的 转动惯量比，计算获取控制被控端的有效机械能；
[0010] 根据所述有效机械能，控制所述被控端保持在稳定状态。
[0011] 优选的，所述获取云台上被控端当前状态和目标状态、固定端当前状态，以及固定 端与被控端的转动惯量比的步骤包括：
[0012] 获取被控端的角速度和姿态四元数；
[0013] 根据所述被控端的姿态四元数，获取被控端的旋转矩阵；
[0014] 根据所述被控端的旋转矩阵，获取被控端的欧拉角，得到被控端当前姿态；
[0015] 获取被控端的目标姿态角和目标角速度，作为被控端目标状态；
[0016] 获取固定端的角速度和姿态角，作为固定端当前状态；
[0017] 获取固定端与被控端的转动惯量比。
[0018] 优选的，所述根据所述被控端当前状态和目标状态、固定端当前状态，以及固定端 与被控端的转动惯量比，计算获取控制被控端的有效机械能的步骤包括：
[0019] 根据所述被控端当前状态和目标状态，以及固定端当前状态，获取控制被控端的 补偿角速度；
[0020] 根据所述控制被控端的补偿角速度、固定端与被控端的转动惯量比以及固定端当 前状态，计算获取控制被控端的有效机械能。
[0021] 优选的，所述根据所述被控端当前状态和目标状态，以及固定端当前状态，获取控 制被控端的补偿角速度的步骤包括：
[0022] 根据所述固定端当前状态获取固定端在云台电机轴上的角速度；
[0023] 根据所述被控端当前姿态和目标姿态，获取姿态角差值；
[0024] 根据所述被控端的当前状态、固定端在云台电机轴上的角速度和所述姿态角差 值，获取控制被控端的补偿角速度。
[0025] 优选的，所述根据所述有效机械能，控制所述被控端保持在稳定状态的步骤包 括：
[0026] 根据所述有效机械能，获取控制所述被控端的目标电流；
[0027] 根据所述目标电流，通过云台电机轴控制所述被控端保持在稳定状态。
[0028] 此外，为实现上述目的，本发明还提供一种云台控制装置，所述云台控制装置包 括：
[0029] 获取模块，用于获取云台上被控端当前状态和目标状态、固定端当前状态，以及固 定端与被控端的转动惯量比；
[0030] 计算模块，用于根据所述被控端当前状态和目标状态、固定端当前状态，以及固定 端与被控端的转动惯量比，计算获取控制被控端的有效机械能；
[0031] 控制模块，用于根据所述有效机械能，控制所述被控端保持在稳定状态。
[0032] 优选的，所述获取模块包括：
[0033] 传感单元，用于获取被控端的角速度和姿态四元数；
[0034] 矩阵单元，用于根据所述被控端的姿态四元数，获取被控端的旋转矩阵；
[0035] 姿态单元，用于根据所述被控端的旋转矩阵，获取被控端的欧拉角，得到被控端当 前姿态；
[0036] 获取单元，用于获取被控端的目标姿态角和目标角速度，作为被控端目标状态；获 取固定端与被控端的转动惯量比；
[0037] 所述传感单元还用于，获取固定端的角速度和姿态角，作为固定端当前状态。
[0038] 优选的，所述计算模块包括：
[0039] 速度计算单元，用于根据所述被控端当前状态和目标状态，以及固定端当前状态， 获取控制被控端的补偿角速度；
[0040] 能量计算单元，用于根据所述控制被控端的补偿角速度、固定端与被控端的转动 惯量比以及固定端当前状态，计算获取控制被控端的有效机械能。
[0041] 优选的，所述速度计算单元包括：
[0042] 干扰子单元，用于根据所述固定端当前状态获取固定端在云台电机轴上的角速 度；
[0043] 差值子单元，用于根据所述被控端当前姿态和目标姿态，获取姿态角差值；
[0044] 补偿子单元，用于根据所述被控端的当前状态、固定端在云台电机轴上的角速度 和所述姿态角差值，获取控制被控端的补偿角速度。
[0045] 优选的，所述控制模块包括：
[0046] 电流单元，用于根据所述有效机械能，获取控制所述被控端的目标电流；
[0047] 控制单元，用于根据所述目标电流，通过云台电机轴控制所述被控端保持在稳定 状态。
[0048] 本发明实施例提出的一种云台控制方法和装置，通过获取的云台上被控端当前状 态和目标状态，固定端当前状态，以及固定端与被控端的转动惯量比，计算得到控制被控端 的有效机械能，根据该有效机械能控制所述被控端，使被控端达到目标姿态并保持在稳定 状态，实现了对云台的精确控制，有效隔离机体扰动，达到了云台自稳控制效果，保障了云 台负载相机的成像质量。
【附图说明】
[0049] 图1为本发明云台控制方法第一实施例的流程示意图；
[0050] 图2为本发明云台控制方法第二实施例的流程示意图；
[0051] 图3为本发明云台控制方法第三实施例的流程示意图；
[0052] 图4为本发明云台控制方法第四实施例的流程示意图；
[0053] 图5为本发明云台控制方法第五实施例的流程示意图；
[0054] 图6为本发明云台控制装置第一实施例的功能模块示意图；
[0055] 图7为本发明云台控制装置第二实施例的功能模块示意图；
[0056] 图8为本发明云台控制装置第三实施例的功能模块示意图；
[0057] 图9为本发明云台控制装置第四实施例的功能模块示意图；
[0058] 图10为本发明云台控制装置第五实施例的功能模块示意图。
[0059] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
【具体实施方式】
[0060] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0061] 本发明实施例的主要解决方案是：获取云台上被控端当前状态和目标状态、固定 端当前状态，以及固定端与被控端的转动惯量比；根据所述被控端当前状态和目标状态、固 定端当前状态，以及固定端与被控端的转动惯量比，计算获取控制被控端的有效机械能；根 据所述有效机械能，控制所述被控端保持在稳定状态。
[0062] 由于现有技术对云台的控制精确度差，不能够精确调整相机姿态达到的目标姿 态，不能有效隔离机体产生的扰动，自稳效果差。因此，在机体的扰动下云台不能够保持相 机状态的稳定，也无法保障机载相机的成像质量。
[0063] 本发明提供一种解决方案，采集飞行器（也即与飞行器固定的那部分云台）和负 载相机的状态（包括姿态和速度）信息，通过速度补偿，获取给与云台电机轴的有效机械 能，通过云台电机轴的精准转动，控制相机达到目标姿态，并保持相机在稳定状态。
[0064] 参照图1，本发明云台控制方法第一实施例提供一种云台控制方法，所述云台控制 方法包括：
[0065] 步骤S10、获取云台上被控端当前状态和目标状态、固定端当前状态，以及固定端 与被控端的转动惯量比。
[0066] 本实施例方案主要应用于三轴云台中，当然也不限于其他具有精确控制处理需求 的单轴或二轴云台。云台可应用于飞行器、汽车、轮船、机器人、人体等，例如：当云台应用于 飞行器时，为机载云台，可负载拍摄设备或摄影设备，进行动态拍摄或动态摄影。
[0067] 本实施例以无人机三轴云台进行举例，三轴云台固定在无人机体上，且三轴云台 搭载有相机。其中，三轴云台通过三个电机轴分别控制相机进行俯仰、横滚和航向方向的转 动，具体的：俯仰电机轴控制相机进行俯仰转动，横滚电机轴控制相机进行横滚转动，航向 电机轴控制相机进行航向转动。
[0068] 本实施例在75Γ台启动后，首先进行彳目息米集：获取被控端当前状态、固定端当前状 态；获取被控端目标状态，获取固定端与被控端的转动惯量比。
[0069] 其中，被控端为云台负载相机部分，与被控端相对，固定端可以为与无人机相连的 云台部分，也可能包括与其刚性连接的无人机；以固定端为云台进行举例，云台通过云台上 的三个电机轴与被控端连接，分别控制被控端绕俯仰电机轴、横滚电机轴和航向电机轴转 动。
[0070] 具体的，作为一种实施方式，在云台启动后，被控端当前姿态可以通过传感器获 得。被控端的当前状态包括：被控端的角速度和被控端的姿态（即被控端的欧拉角）。
[0071] 被控端目标姿态为预先设置的，可以直接获取。被控端目标状态包括：被控端的目 标姿态角和目标角速度。
[0072] 固定端当前状态可以通过传感器获得。固定端当前状态包括：固定端的角速度和 当前姿态角。
[0073] 固定端与被控端的转动惯量比为预设系数，可以通过测量得到。
[0074] 需要说明的是，传感器可以为三轴陀螺仪和三轴加速度计，也可以为其他传感器， 可根据实际需要灵活设置。
[0075] 步骤S20、根据所述被控端当前状态和目标状态、固定端当前状态，以及固定端与 被控端的转动惯量比，计算获取控制被控端的有效机械能。
[0076] 在获取被控端当前状态和目标状态，固定端当前状态，以及固定端与被控端的转 动惯量比之后，通过计算获取控制被控端的有效机械能。
[0077] 具体的，作为一种实施方式，首先，根据被控端当前状态和目标状态，以及固定端 当前状态，获取控制被控端的补偿角速度，该补偿角速度为：云台电机轴转动时所给予被控 端的补偿角速度，能够使被