[發(fā)明專利]一種框架式三自由度云臺(tái)控制系統(tǒng)及其控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210101897.8
• 申請(qǐng)日: 2012-04-09
• 公開（公告）號(hào): CN102621995A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張鐵民;尹選春;張征
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D3/12
• 分類號(hào): G05D3/12;H04N7/18;H04N5/232
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 楊曉松

1.一種框架式三自由度云臺(tái)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括第一支座安裝板、第二支座安裝板、外框架驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪減速機(jī)構(gòu)、內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機(jī)、中框架稀土永磁直流力矩電機(jī)、傳感器模塊、內(nèi)框架、中框架、外框架和電機(jī)控制模塊，所述第一支座安裝板與外部固定連接，齒輪減速機(jī)構(gòu)設(shè)置在第一支座安裝板和第二支座安裝板上，外框架設(shè)置在第二支座安裝板上，外框架驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)齒輪減速機(jī)構(gòu)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外框架進(jìn)行方位角調(diào)節(jié)；中框架與外框架連接，中框架稀土永磁直流力矩電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)中框架進(jìn)行俯仰角調(diào)節(jié)；內(nèi)框架與中框架連接，內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)框架進(jìn)行方位角調(diào)節(jié)；傳感器模塊包括3組傳感器，分別用于檢測(cè)內(nèi)框架、中框架、外框架的位置和轉(zhuǎn)動(dòng)速率，傳感器模塊與電機(jī)控制模塊相連，外框架驅(qū)動(dòng)電機(jī)、內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機(jī)、中框架稀土永磁直流力矩電機(jī)均分別與電機(jī)控制模塊相連，電機(jī)控制模塊用于接收各個(gè)傳感器信號(hào)并根據(jù)信號(hào)向電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)；內(nèi)框架內(nèi)固定設(shè)置一個(gè)安裝板，檢測(cè)裝置固定安裝在安裝板上。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的框架式三自由度云臺(tái)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述外框架驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流電機(jī)；所述齒輪減速機(jī)構(gòu)包括第一減速齒輪和第二減速齒輪，第一減速齒輪和第二減速齒輪的傳動(dòng)比為65∶1-75∶1。..

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的框架式三自由度云臺(tái)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第二支座安裝板和外框架通過螺栓連接；外框架驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置在第二支座安裝板上；

所述用于檢測(cè)外框架位置和轉(zhuǎn)動(dòng)速率的位置傳感器和速率傳感器均固定設(shè)置在外框架中軸線與第一支座安裝板的交點(diǎn)處。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的框架式三自由度云臺(tái)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述用于檢測(cè)中框架位置的位置傳感器固定在外框架與中框架連接處的外框架外側(cè)，用于檢測(cè)中框架轉(zhuǎn)動(dòng)速率的速率傳感芯片固定設(shè)置在位置傳感器的表面，中框架稀土永磁直流力矩電機(jī)設(shè)置在外框架的另一側(cè)，其中位置傳感器與中框架稀土永磁直流力矩電機(jī)同軸安裝。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的框架式三自由度云臺(tái)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述用于檢測(cè)內(nèi)框架位置的位置傳感器固定在中框架與內(nèi)框架連接處中框架外側(cè)，用于檢測(cè)內(nèi)框架轉(zhuǎn)動(dòng)速率的速率傳感芯片固定設(shè)置在位置傳感器的表面，內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機(jī)設(shè)置在中框架的另一側(cè)，其中位置傳感器與內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機(jī)同軸安裝。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的框架式三自由度云臺(tái)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)框架、中框架和外框架均采用航空用碳纖維。

7.一種基于權(quán)利要求1所述框架式三自由度云臺(tái)控制系統(tǒng)的控制方法，，其特征在于，包括以下步驟：

(1)對(duì)方位和俯仰角度的調(diào)節(jié)：首先將待跟蹤拍攝的目標(biāo)相對(duì)慣性空間坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)與檢測(cè)裝置當(dāng)前相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)坐標(biāo)差值再結(jié)合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，利用矩陣坐標(biāo)變換得出檢測(cè)裝置轉(zhuǎn)向目標(biāo)位置所需的方位角和俯仰角度；

然后將上述方位角與俯仰角度信息經(jīng)功率放大器放大后發(fā)送到外框架驅(qū)動(dòng)電機(jī)和中框架稀土永磁直流力矩電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，外框架驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)方位角信息對(duì)方位進(jìn)行調(diào)節(jié)，中框架稀土永磁直流力矩電機(jī)對(duì)俯仰角度進(jìn)行調(diào)節(jié)；

上述調(diào)節(jié)完成后，再次將待跟蹤拍攝目標(biāo)的方位角度信息與當(dāng)前的角度信息進(jìn)行比較得出新的方位角差值，如果此方位角差值不為0，則將此方位角差值經(jīng)功率放大器放大后發(fā)送到內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機(jī)，內(nèi)框架稀土永磁直流力矩電機(jī)對(duì)方位進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)；

在上述調(diào)節(jié)過程中，各電機(jī)一旦完成目標(biāo)的位置信息差值調(diào)節(jié)，則此電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，待所有電機(jī)均停止動(dòng)作，則調(diào)節(jié)完成；

(2)對(duì)速度的調(diào)節(jié)：根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況、拍攝圖像的質(zhì)量要求、目標(biāo)與當(dāng)前檢測(cè)裝置三維位置信息，得出拍攝的最優(yōu)時(shí)間和所需轉(zhuǎn)過的方位角度和俯仰角度，進(jìn)而得到最優(yōu)運(yùn)行速度，速度大小的調(diào)節(jié)采用PWM的占空比可調(diào)的調(diào)節(jié)方式。