[发明专利]一种框架式三自由度云台控制系统及其控制方法

权利要求书

1.一种框架式三自由度云台控制系统，其特征在于，包括第一支座安装板、第二支座安装板、外框架驱动电机、齿轮减速机构、内框架稀土永磁直流力矩电机、中框架稀土永磁直流力矩电机、传感器模块、内框架、中框架、外框架和电机控制模块，所述第一支座安装板与外部固定连接，齿轮减速机构设置在第一支座安装板和第二支座安装板上，外框架设置在第二支座安装板上，外框架驱动电机通过驱动齿轮减速机构进而驱动外框架进行方位角调节；中框架与外框架连接，中框架稀土永磁直流力矩电机用于驱动中框架进行俯仰角调节；内框架与中框架连接，内框架稀土永磁直流力矩电机用于驱动内框架进行方位角调节；传感器模块包括3组传感器，分别用于检测内框架、中框架、外框架的位置和转动速率，传感器模块与电机控制模块相连，外框架驱动电机、内框架稀土永磁直流力矩电机、中框架稀土永磁直流力矩电机均分别与电机控制模块相连，电机控制模块用于接收各个传感器信号并根据信号向电机发出控制信号；内框架内固定设置一个安装板，检测装置固定安装在安装板上。

2.根据权利要求1所述的框架式三自由度云台控制系统，其特征在于，所述外框架驱动电机为直流电机；所述齿轮减速机构包括第一减速齿轮和第二减速齿轮，第一减速齿轮和第二减速齿轮的传动比为65∶1-75∶1。..

3.根据权利要求1所述的框架式三自由度云台控制系统，其特征在于，所述第二支座安装板和外框架通过螺栓连接；外框架驱动电机设置在第二支座安装板上；

所述用于检测外框架位置和转动速率的位置传感器和速率传感器均固定设置在外框架中轴线与第一支座安装板的交点处。

4.根据权利要求1所述的框架式三自由度云台控制系统，其特征在于，所述用于检测中框架位置的位置传感器固定在外框架与中框架连接处的外框架外侧，用于检测中框架转动速率的速率传感芯片固定设置在位置传感器的表面，中框架稀土永磁直流力矩电机设置在外框架的另一侧，其中位置传感器与中框架稀土永磁直流力矩电机同轴安装。

5.根据权利要求1所述的框架式三自由度云台控制系统，其特征在于，所述用于检测内框架位置的位置传感器固定在中框架与内框架连接处中框架外侧，用于检测内框架转动速率的速率传感芯片固定设置在位置传感器的表面，内框架稀土永磁直流力矩电机设置在中框架的另一侧，其中位置传感器与内框架稀土永磁直流力矩电机同轴安装。

6.根据权利要求1所述的框架式三自由度云台控制系统，其特征在于，所述内框架、中框架和外框架均采用航空用碳纤维。

7.一种基于权利要求1所述框架式三自由度云台控制系统的控制方法，，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对方位和俯仰角度的调节：首先将待跟踪拍摄的目标相对惯性空间坐标系的三维坐标与检测装置当前相对于惯性坐标系的三维坐标进行比对，根据坐标差值再结合机构运动学分析，利用矩阵坐标变换得出检测装置转向目标位置所需的方位角和俯仰角度；

然后将上述方位角与俯仰角度信息经功率放大器放大后发送到外框架驱动电机和中框架稀土永磁直流力矩电机进行调节，外框架驱动电机根据方位角信息对方位进行调节，中框架稀土永磁直流力矩电机对俯仰角度进行调节；

上述调节完成后，再次将待跟踪拍摄目标的方位角度信息与当前的角度信息进行比较得出新的方位角差值，如果此方位角差值不为0，则将此方位角差值经功率放大器放大后发送到内框架稀土永磁直流力矩电机，内框架稀土永磁直流力矩电机对方位进行进一步调节；

在上述调节过程中，各电机一旦完成目标的位置信息差值调节，则此电机停止运动，待所有电机均停止动作，则调节完成；

(2)对速度的调节：根据目标运动情况、拍摄图像的质量要求、目标与当前检测装置三维位置信息，得出拍摄的最优时间和所需转过的方位角度和俯仰角度，进而得到最优运行速度，速度大小的调节采用PWM的占空比可调的调节方式。