[發明專利]一種框架式三自由度云臺控制系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201210101897.8
• 申請日: 2012-04-09
• 公開（公告）號: CN102621995A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 張鐵民;尹選春;張征
• 申請（專利權）人: 華南農業大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12;H04N7/18;H04N5/232
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 楊曉松

技術領域

本發明涉及監測設備研究領域，特別涉及一種框架式三自由度云臺控制系統及其控制方法。

背景技術

目前，視頻監控系統應用場合越來越多，尤其是在航空航拍、環境監測、公安、消防、救援以及民用方面等領域得到了廣泛應用。為了使攝像頭能夠實時的根據需要進行多角度的調整，多自由度云臺應運而生。多自由度云臺是將帶有CCD攝像機或紅外探測儀等設備安裝于云臺上，將云臺安裝于載機上，其中云臺上還設置有傳感器，云臺控制系統根據傳感器信號對攝像機或紅外探測儀的方位和俯仰位置進行控制。但是目前的多自由度云臺精度不高，對于一些精度要求較高的領域，例如軍事監測等領域尚無法實現精確測量。

目前，國內外也進行了大量研究，有的精度不高，有的實現采用的機械結構和控制系統較為復雜，體積大且笨重，不利于推廣應用。因此，需要提供一種結構簡單、實現方便、且成本低、精度高的多自由度云臺控制系統和方法。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種框架式三自由度云臺控制系統，該系統具有結構簡單、精度高的優點。本發明還提供了一種基于上述框架式三自由度云臺控制系統的控制方法，該方法具有控制精度高、實現方便的優點。

本發明的目的通過以下的技術方案實現：一種框架式三自由度云臺控制系統，包括第一支座安裝板、第二支座安裝板、外框架驅動電機、齒輪減速機構、內框架稀土永磁直流力矩電機、中框架稀土永磁直流力矩電機、傳感器模塊、內框架、中框架、外框架和電機控制模塊，所述第一支座安裝板與外部固定連接，齒輪減速機構設置在第一支座安裝板和第二支座安裝板上，外框架設置在第二支座安裝板上，外框架驅動電機通過驅動齒輪減速機構進而驅動外框架進行方位角調節；中框架與外框架連接，中框架稀土永磁直流力矩電機用于驅動中框架進行俯仰角調節；內框架與中框架連接，內框架稀土永磁直流力矩電機用于驅動內框架進行方位角調節；傳感器模塊包括3組傳感器，分別用于檢測內框架、中框架、外框架的位置和轉動速率，傳感器模塊與電機控制模塊相連，外框架驅動電機、內框架稀土永磁直流力矩電機、中框架稀土永磁直流力矩電機均分別與電機控制模塊相連，電機控制模塊用于接收各個傳感器信號并根據信號向電機發出控制信號；內框架內固定設置一個安裝板，檢測裝置固定安裝在安裝板上。

優選的，所述外框架驅動電機為直流電機。

優選的，所述齒輪減速機構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比為65∶1-75∶1。

優選的，所述第二支座安裝板和外框架通過螺栓連接；外框架驅動電機設置在第二支座安裝板上。安裝方便，且結構較小。

優選的，所述用于檢測外框架位置和轉動速率的位置傳感器和速率傳感器均固定設置在外框架中軸線與第一支座安裝板的交點處。

優選的，所述用于檢測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，用于檢測中框架轉動速率的速率傳感芯片固定設置在位置傳感器的表面，中框架稀土永磁直流力矩電機設置在外框架的另一側，其中位置傳感器與中框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。

優選的，所述用于檢測內框架位置的位置傳感器固定在中框架與內框架連接處中框架外側，用于檢測內框架轉動速率的速率傳感芯片固定設置在位置傳感器的表面，內框架稀土永磁直流力矩電機設置在中框架的另一側，其中位置傳感器與內框架稀土永磁直流力矩電機同軸安裝。

優選的，所述內框架、中框架和外框架均采用航空用碳纖維。航空用碳纖維的比重不到鋼的1/4，材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為230～430Gpa亦高于鋼。

一種基于上述框架式三自由度云臺控制系統的控制方法，包括以下步驟：

(1)對方位和俯仰角度的調節：首先將待跟蹤拍攝的目標相對慣性空間坐標系的三維坐標與檢測裝置當前相對于慣性坐標系的三維坐標進行比對，根據坐標差值再結合機構運動學分析，利用矩陣坐標變換得出檢測裝置轉向目標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功率放大器放大后發送到外框架驅動電機和中框架稀土永磁直流力矩電機進行調節，外框架驅動電機根據方位角信息對方位進行調節，中框架稀土永磁直流力矩電機對俯仰角度進行調節；

上述調節完成后，再次將待跟蹤拍攝目標的方位角度信息與當前的角度信息進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功率放大器放大后發送到內框架稀土永磁直流力矩電機，內框架稀土永磁直流力矩電機對方位進行進一步調節；