[發明專利]基于慣性姿態傳感器的自穩定云臺

無效

• 申請號: 201210201385.9
• 申請日: 2012-06-19
• 公開（公告）號: CN102707734A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 高同躍;唐瑞;龔振邦;羅均
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

技術領域

本發明涉及一種自穩定云臺，特別是一種基于加速度計和陀螺儀傳感器的自穩定云臺。

背景技術

目前，無人機航拍攝影技術在很多領域已得到廣泛應用。但航拍過程中飛行器載體的震動與晃動，會使得與之相連的攝像機拍攝平臺進行受迫的振動和晃動，導致拍攝的圖像不夠清晰，不能滿足實際需要。目前，已有通過基于圖像處理的方法研制穩定云臺，來獲取優質的航拍效果的方法，但這種方法對環境比較敏感，而且算法較復雜占用計算機資源多。通過基于MEMS的檢測方法研制的自穩定云臺，來獲取清晰航拍圖像的方法受環境影響小，不占用計算機資源。目前，尚未見到通過基于加速度計和陀螺儀傳感器設計的自穩定云臺技術。

發明內容

針對現有技術存在的缺陷，本發明的目的是提供一種基于加速度計和陀螺儀傳感器的云臺自穩定方法，通過加權算法對加速度計和陀螺儀的數據進行融合提高姿態傳感器的測量精度，得到最優姿態角。加速度具有比陀螺儀更高的靜態精度；而陀螺儀具有比加速度計更高的動態精度。所以，通過加權系數來融合加速度計和陀螺儀的數據，可以更好地檢測出云臺的動態、靜態姿態角，提高云臺的自穩定效果。

為達到上述目的，本發明運用如下技術方案：

一種基于加速度計和陀螺儀傳感器的自穩定云臺，包括傳感模塊、主控單元、云臺、云臺驅動單元；所述傳感模塊由加速度計、陀螺儀組成；所述云臺驅動單元由俯仰軸舵機、橫滾軸舵機組成；所述主控單元通過數字I2C接口與所述加速度計、所述陀螺儀連接；所述主控單元的PWM波形輸出端口連接所述云臺驅動單元；所述傳感模塊固定在所述云臺上；所述云臺螺釘固定在所述俯仰軸舵機和所述橫滾軸舵機的驅動軸上，使所述俯仰軸舵機和所述橫滾軸舵機分別驅動所述云臺的俯仰運動和橫滾運動。

所述主控模塊使用加權法將所述加速度計的信號和所述陀螺儀的信號進行融合處理，獲得最優的姿態角。所述加權算法如下：

1)設所計算的姿態角為????????????????????????????????????????????????，其中??為俯仰角，??為橫滾角，姿態角的計算公式為：

其中為使用所述加速度計數據計算得到的姿態角；為使用所述陀螺儀數據計算得到的姿態角；式中為加權系數；

2)?中所述加速度計計算俯仰角??的公式為；橫滾角??的計算公式為，其中、、分別為加速度計X、Y、Z軸測得的加速度值，g為重力加速度；

3)?中所述陀螺儀計算俯仰角??的公式為；橫滾角??的計算公式為（k=1，2，……，n，n為正整數），其中和為k時刻的俯仰角和橫滾角；、分別是繞X、Y軸的轉動角速度；為采樣周期；

4)加權系數的計算公式為：?，其中為衰減系數，?，?g為重力加速度。

所述加速度計為三軸加速度計，所述陀螺儀為三軸陀螺儀

本發明與現有技術相比較，具有以下突出的優點：

1）在云臺處于靜態時，由于本發明中使用了加速度計，因此相比單獨使用陀螺儀更加穩定，精度更高。

2）在云臺處于動態時，由于本發明中使用了陀螺儀，因此相比單獨使用加速度計更加穩定，精度更高。

附圖說明

圖1為本發明自穩定云臺系統的整體結構框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明方法進一步說明。

如圖1所示，一種基于加速度計和陀螺儀傳感器的自穩定云臺，包括傳感模塊、主控單元、云臺、云臺驅動單元；所述傳感模塊1由加速度計11、陀螺儀12組成，所述加速度計11、所述陀螺儀12輸出的數據包括所述云臺4的實時姿態角（俯仰、橫滾角）；所述云臺驅動單元4由俯仰軸舵機41、橫滾軸舵機42組成；所述云臺3螺釘固定在所述俯仰軸舵機41和所述橫滾軸舵機42的驅動軸上，使所述俯仰軸舵機41和所述橫滾軸舵機42分別驅動所述云臺3的俯仰運動和橫滾運動；所述主控單元2通過數字I2C接口與所述加速度計11、所述陀螺儀12連接；所述主控單元2的PWM波形輸出端口連接所述云臺驅動單元4；所述傳感模塊1固定在所述云臺3上。

所述加權算法如下：

1)設所計算的姿態角為，其中??為俯仰角，??為橫滾角，姿態角的計算公式為：

其中為使用所述加速度計11數據計算得到的姿態角；為使用所述陀螺儀12數據計算得到的姿態角；式中為加權系數；