[發(fā)明專利]一種基于三軸云臺的視頻穩(wěn)像方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111123803.2
• 申請日: 2021-09-24
• 公開（公告）號: CN113805611A
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 柳曉鳴;林偉榮;杜莎莎;索繼東;姚婷婷;李博文;趙可欣
• 申請（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號: G05D3/20
• 分類號: G05D3/20
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 何圣斐;李洪福

1.一種基于三軸云臺的視頻穩(wěn)像方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

S1：使用具有俯仰軸、偏航軸和翻滾軸的基于步進(jìn)電機(jī)的三軸云臺作為穩(wěn)像平臺，將攝像設(shè)備置于三軸云臺三條軸線交點(diǎn)處，慣性傳感器置于三軸云臺的平面坐標(biāo)軸的交點(diǎn)處采集攝像設(shè)備的姿態(tài)信息；姿態(tài)信息采集基于三維穩(wěn)像平臺上安裝的慣性傳感器，慣性傳感器中的加速度計(jì)和陀螺儀分別獲取攝像設(shè)備的三軸加速度a_x，a_y，a_z和三軸角速度ω_x'，ω_y'，ω_z'；

S2：用采集到的加速度修正角速度漂移，將采集到的加速度和角速度運(yùn)用向量外積補(bǔ)償算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并運(yùn)用四元數(shù)解算出攝像設(shè)備姿態(tài)角：翻滾角φ，垂直俯仰角θ，水平方位角ψ；

S3：通過步進(jìn)電機(jī)對三軸云臺進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整；慣性傳感器和微控制器相連，微控制器和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器相連，由微控制器輸出脈沖信號控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動；采用分級調(diào)節(jié)的方式控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，根據(jù)當(dāng)前角度和期望角度差值的大小來選擇控制方法，當(dāng)角度差值小于T₁時(shí)，直接計(jì)算應(yīng)輸出的脈沖數(shù)和脈沖頻率輸出脈沖；當(dāng)角度差值大于T₁時(shí)，使用雙層控制算法輸出脈沖，第一層控制為角度層，第二層控制為速度層，角度層控制器被稱為角度控制器，速度層控制器被稱為速度控制器；

S4：將期望角度和實(shí)際角度的差值輸入角度控制器，輸出為速度的期望；所述角度控制器中，角度控制器的輸出和速度期望之間存在正相關(guān)關(guān)系，為了增強(qiáng)速度變化的平滑性，角度控制器采用開方控制算法輸出速度期望進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；

S5：速度層使用TS-PID控制算法，將角度層輸出的速度期望與實(shí)際速度之間的差值輸入速度控制器，速度控制器輸出期望速度；

S6：根據(jù)期望速度計(jì)算步進(jìn)電機(jī)期望的脈沖頻率，通過微控制器輸出脈沖到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，當(dāng)采集到的角度與期望角度的差值小于T₁時(shí)，再采用步驟S3中的方法，直接輸出脈沖，循環(huán)此控制過程，直到采集到的角度和期望角度的差值達(dá)到誤差允許范圍內(nèi)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三軸云臺的視頻穩(wěn)像控制方法，其特征在于：所述步驟S2中，將慣性傳感器中的加速度計(jì)和陀螺儀采集的加速度a_x，a_y，a_z和角速度ω_x'，ω_y'，ω_z'采用向量外積補(bǔ)償算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，運(yùn)用四元數(shù)解算姿態(tài)角；具體步驟如下：

當(dāng)時(shí)刻為n時(shí)，首先記性四元數(shù)初始化，q₀⁽⁰⁾＝1，q₁⁽⁰⁾＝0，q₂⁽⁰⁾＝0，q₃⁽⁰⁾＝0；加速度計(jì)信號首先經(jīng)過低通濾波器，消除高頻噪聲，然后將加速度計(jì)測得的重力加速度歸一化，得到n時(shí)刻歸一化后的加速計(jì)值獲取四元數(shù)在等效余弦矩陣中的重力分量，將歸一化后的加速度和重力分量進(jìn)行向量外積運(yùn)算，得出姿態(tài)誤差E_n；

對誤差進(jìn)行累計(jì)得到I_n，通過比例-積分控制算法補(bǔ)償，將姿態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)浇撬俣壬希M(jìn)行角速度預(yù)測，修正角速度積分漂移；

W_n＝W'⁽ⁿ⁾+C_pE_n+I_n

將I_n＝I_n-1+C_iE_n代入上式可得：

W_n＝W'_n+C_pE_n+C_iE_n+I_n-1

其中，為修正后的三軸角速度，為n時(shí)刻陀螺儀采集到三軸角速度值，C_p為比例系數(shù)，C_i為積分系數(shù)；

C_p控制加速度計(jì)數(shù)據(jù)的可信度，C_p越大，對加速度計(jì)測得數(shù)據(jù)的信任度越高，反之，則越小；從長期看，加速度的值時(shí)非常準(zhǔn)確的，短時(shí)間內(nèi)陀螺儀測得的數(shù)據(jù)時(shí)比較準(zhǔn)確的，所以短時(shí)間內(nèi)加速度計(jì)的值在補(bǔ)償過程中應(yīng)保持較小的權(quán)重，C_p保持較小的數(shù)值，隨著時(shí)間的增大，C_p的取值適當(dāng)增大；

根據(jù)修正后的角速度值，利用四元數(shù)微分方程和龍格庫塔法可以遞推出四元數(shù)的值，進(jìn)而可以解算實(shí)時(shí)的姿態(tài)角：

φ＝tan^-1[2(q₀q₁+q₂q₃)/q₀²-q₁²-q₂²+q₃²]

θ＝-sin^-1(2(q₁q₃-q₀q₂))

ψ＝tan^-1[2(q₀q₃+q₁q₂)/q₀²+q₁²-q₂²-q₃²]。