[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

说明书

技术领域

本发明涉及监测设备研究领域，特别涉及一种框架式三自由度云台控制系统及其控制方法。

背景技术

目前，视频监控系统应用场合越来越多，尤其是在航空航拍、环境监测、公安、消防、救援以及民用方面等领域得到了广泛应用。为了使摄像头能够实时的根据需要进行多角度的调整，多自由度云台应运而生。多自由度云台是将带有CCD摄像机或红外探测仪等设备安装于云台上，将云台安装于载机上，其中云台上还设置有传感器，云台控制系统根据传感器信号对摄像机或红外探测仪的方位和俯仰位置进行控制。但是目前的多自由度云台精度不高，对于一些精度要求较高的领域，例如军事监测等领域尚无法实现精确测量。

目前，国内外也进行了大量研究，有的精度不高，有的实现采用的机械结构和控制系统较为复杂，体积大且笨重，不利于推广应用。因此，需要提供一种结构简单、实现方便、且成本低、精度高的多自由度云台控制系统和方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种框架式三自由度云台控制系统，该系统具有结构简单、精度高的优点。本发明还提供了一种基于上述框架式三自由度云台控制系统的控制方法，该方法具有控制精度高、实现方便的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种框架式三自由度云台控制系统，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。

优选的，所述外框架驱动电机为直流电机。

优选的，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。

优选的，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。安装方便，且结构较小。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，所述内框架、中框架和外框架均采用航空用碳纤维。航空用碳纤维的比重不到钢的1/4，材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为230～430Gpa亦高于钢。

一种基于上述框架式三自由度云台控制系统的控制方法，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；