本發明涉及云臺，更具體地，涉及用于云臺的控制方法、控制系統、云臺和搭載有云臺的無人飛行器。

背景技術：

無人飛行器上一般搭載有云臺，在云臺上設置有安裝部，用于安裝例如攝像設備等負載設備，可以實現飛行過程中的實時拍攝或其他所需操作。由于無人飛行器的姿態在飛行期間可能有所改變，云臺會控制安裝部姿態在橫滾、俯仰、或偏航軸方向做相應的調整，以確保負載設備的姿態穩定。

現有云臺大多使用陀螺儀和加速度融合姿態作為安裝部姿態的參考。安裝部的橫滾軸和俯仰軸使用重力加速度作為絕對參考，可以保證橫滾軸和俯仰軸兩個方向的姿態穩定，但在偏航軸方面并沒有絕對的姿態參考，因此在陀螺儀存在零偏或者產生溫漂等情況時，云臺在鎖定狀態下，其不能保證安裝部繞偏航軸靜止不轉，而是通常會向一個方向一直轉，產生漂移現象。

技術實現要素：

本發明的一個方面提供了一種用于云臺的控制方法，所述云臺包括用于安裝負載設備的安裝部，所述方法包括：使用磁傳感器確定所述安裝部繞偏航軸在一時間段內的第一偏轉角；使用慣性傳感器確定所述安裝部繞所述偏航軸在所述時間段內的第二偏轉角；基于所述第一偏轉角和第二偏轉角確定慣性傳感器的角度誤差；使用修正所述角度誤差后的慣性傳感器的測量數據，控制所述云臺的姿態。

本發明的另一個方面提供了一種用于云臺的控制系統，所述云臺包括：安裝部，用于安裝負載設備；磁傳感器；以及慣性傳感器，所述系統包括：第一偏轉角確定模塊；使用磁傳感器確定所述安裝部繞偏航軸在一時間段內的第一偏轉角；第二偏轉角確定模塊，使用慣性傳感器確定所述安裝部繞所述偏航軸在所述時間段內的第二偏轉角；角度誤差確定模塊，基于所述第一偏轉角和第二偏轉角確定慣性傳感器的角度誤差；以及控制模塊，使用修正所述角度誤差后的慣性傳感器的測量數據，控制所述云臺的姿態。

本發明的另一個方面提供了一種云臺，包括上述控制系統。

本發明的另一個方面提供了一種云臺，包括：安裝部，用于安裝負載設備；磁傳感器；慣性傳感器；以及控制器，用于：使用磁傳感器確定所述安裝部繞偏航軸在一時間段內的第一偏轉角；使用慣性傳感器確定所述安裝部繞所述偏航軸在所述時間段內的第二偏轉角；基于所述第一偏轉角和第二偏轉角確定慣性傳感器的角度誤差；以及使用修正所述角度誤差后的慣性傳感器的測量數據，控制所述云臺的姿態。

本發明的另一個方面提供了一種云臺，包括：安裝部，用于安裝負載設備；磁傳感器，設置在所述安裝部上或與所述安裝部設置在同一剛體上，用于感測所述安裝部繞偏航軸在一時間段內的第一偏轉角；慣性傳感器，用于感測所述安裝部繞偏航軸在該時間段內的第二偏轉角；以及控制器，與所述慣性傳感器和所述磁傳感器均電性連接，所述控制器基于所述第一偏轉角和所述第二偏轉角來確定慣性傳感器的角度誤差，并使用修正所述角度誤差后的慣性傳感器的測量數據，控制所述云臺的姿態。

本發明的另一個方面提供了一種無人飛行器，包括：機身；多個機臂，與所述機身連接，所述機臂用于承載旋翼組件；以及上述云臺，安裝在機身上。

附圖說明

為了更完整地理解本發明及其優勢，現在將參考結合附圖的以下描述，其中：

圖1示意性示出了根據本發明實施例的安裝有攝像設備的云臺示意圖。

圖2示意性示出了根據本發明實施例的云臺的結構框圖。

圖3a和3b示出了根據本發明實施例確定慣性傳感器角度誤差的原理。

圖4示意性示出了根據本發明實施例的云臺的結構框圖。

圖5示意性示出了根據本發明實施例的第一偏轉角確定模塊的結構框圖。

圖6示出了根據本發明實施例的無人飛行器的示意圖。

具體實施方式

根據結合附圖對本發明示例性實施例的以下詳細描述，本發明的其它方面、優勢和突出特征對于本領域技術人員將變得顯而易見。

在本發明中，術語“包括”和“含有”及其派生詞意為包括而非限制；術語“或”是包含性的，意為和/或。

在本說明書中，下述用于描述本發明原理的各種實施例只是說明，不應該以任何方式解釋為限制發明的范圍。參照附圖的下述描述用于幫助全面理解由權利要求及其等同物限定的本發明的示例性實施例。下述描述包括多種具體細節來幫助理解，但這些細節應認為僅僅是示例性的。因此，本領域普通技術人員應認識到，在不背離本發明的范圍和精神的情況下，可以對本文中描述的實施例進行多種改變和修改。此外，為了清楚和簡潔起見，省略了公知功能和結構的描述。此外，貫穿附圖，相同附圖標記用于相同或相似的功能和操作。

圖1示意性示出了根據本發明實施例的云臺1的示意圖。根據本發明的實施例，云臺1可以包括多個相連的軸臂。負載設備，例如攝像設備，設置在其中一個軸臂上。每個軸臂在相應電機的驅動下，帶動所述安裝部運動。例如，如圖1所示，該云臺1包括俯仰軸軸臂11、橫滾軸軸臂12、偏航軸軸臂13、俯仰軸電機14、橫滾軸電機15、偏航軸電機16、安裝部17、以及基座18。根據本發明的實施例，可以在云臺1的安裝部17上安裝攝像設備2。

如圖1所示，俯仰軸軸臂11、橫滾軸軸臂12、偏航軸軸臂13依次連接。安裝部17設置在俯仰軸軸臂11上。俯仰軸軸臂11可以在俯仰軸電機14的驅動下帶動安裝部17在俯仰方向上運動，橫滾軸軸臂12可以在橫滾軸電機15的驅動下帶動安裝部17在橫滾方向上運動，偏航軸軸臂13可以在偏航軸電機16的驅動下帶動安裝部17在偏航方向上運動。通過俯仰軸軸臂11、橫滾軸軸臂12、偏航軸軸臂13的轉動，可以補償云臺1的抖動，保證攝像設備2的穩定，拍出穩定的畫面。也可以通過俯仰軸軸臂11、橫滾軸軸臂12、偏航軸軸臂13的轉動來調節攝像設備2的姿態。

在安裝部17上可以設置慣性傳感器，所述慣性傳感器可以包括陀螺儀，以檢測安裝部17繞偏航軸的旋轉角度?？蛇x地，慣性傳感器也可以與安裝部17設置在同一剛體上。如背景技術部分所述，如果在偏航軸方向沒有絕對的姿態參考，則在陀螺儀例如由于零偏或者溫漂等情況而具有角度誤差時，云臺在鎖定狀態下，其不能保證安裝部繞偏航軸靜止不轉，而是通常會向一個方向一直轉，產生漂移現象。

當兩個空間位置相距較近時，可以認為地球表面的磁場強度在水平方向的分量的方向是相同的，因此，可以使用磁場強度的水平分量，對慣性傳感器的角度誤差，例如陀螺儀的角度誤差，進行校正。根據本發明的實施例，可以每隔一段時間進行一次校正，以消除慣性傳感器角度誤差造成的累積誤差。根據本發明的實施例，球表面的磁場強度可以是地磁場強度。

圖2示出了根據本發明實施例的云臺1的結構框圖。根據本發明的實施例，云臺1包括控制器20、磁傳感器30、和慣性傳感器40。磁傳感器30例如是電子指南針，設置在安裝部17上或與安裝部17設置在同一剛體上，例如可以與安裝部17一起設置在俯仰軸軸臂11上。所述慣性傳感器40至少包括一陀螺儀。慣性傳感器40設置在安裝部17上或與安裝部17設置在同一剛體上，例如可以與安裝部17一起設置在俯仰軸軸臂11上。本實施方式中，所述控制器20和所述慣性傳感器40一體設置。

根據本發明的實施例，控制器20例如可以包括處理器和存儲器。存儲器存儲有機器可讀指令，所述處理器執行所述指令，以執行根據本發明的各種操作。或者，也可以使用例如現場可編程門陣列(fpga)、可編程邏輯陣列(pla)、片上系統、基板上的系統、封裝上的系統、專用集成電路(asic)或可以以用于對電路進行集成或封裝的任何其他的合理方式等硬件或固件來實現控制器20，或以軟件、硬件以及固件三種實現方式的適當組合來實現控制器20。

根據本發明實施例，控制器20基于磁傳感器30獲得的第一磁場強度v1，確定安裝部17繞偏航軸在一時間段內的第一偏轉角，根據慣性傳感器40的陀螺儀確定所述安裝部17繞所述偏航軸在所述時間段內的第二偏轉角。然后，控制器20基于所述第一偏轉角和第二偏轉角之間的差異，確定所述陀螺儀的角度誤差，并使用修正所述角度誤差后的慣性傳感器40的測量數據，控制云臺1的姿態。

圖3a和3b示出了根據本發明實施例確定慣性傳感器角度誤差的原理。如圖3a所示，假設第一坐標系是以安裝部17為參照物的直角坐標系xyz。為了下面描述的方便，假設直角坐標系xyz的初始朝向為x軸指向正北方向，y軸指向正東方向，z軸指向地面，但是本發明不限于此。由于無人飛行器飛行過程中姿態改變，安裝部17的姿態隨之改變，第一坐標系xyz的三個坐標軸方向也相應改變。如圖3a所示，第一坐標系xyz的三個坐標軸均偏離了其初始方向?？梢岳斫猓m然圖3a所示的例子是第一坐標系xyz的三個坐標軸均偏離了其初始方向，但是根據本發明的實施例，可以只有兩個坐標軸偏離其初始方向。例如，當安裝部17只做橫滾、俯仰或繞偏航軸旋轉三者之一的運動時，第一坐標系xyz可以只有兩個坐標軸偏離其初始方向。

如圖3b所示，磁傳感器30測量得到第一磁場強度v1，該第一磁場強度v1是以第一坐標系xyz下的三個彼此正交的分量表示的，即[xyz]。

引入第二坐標系，該第二坐標系是直角坐標系uvw，其uv平面是水平面，且該第二坐標系uvw繞偏航軸的旋轉狀態與所述第一坐標系相同。例如，第二坐標系uvw與第一坐標系xyz同步地繞偏航軸旋轉，但其uv平面始終保持水平。

控制器20將第一磁場強度v1轉換為第二坐標系uvw下的第二磁場強度v2，該第二磁場強度v2的大小和方向與v1是相同的，不同之處在于v2是以第二坐標系uvw下的三個彼此正交的分量表示的，即[uvw]。

可以如下確定v2的值。假定第二坐標系uvw的uv平面繞u軸轉動φ角度，繞v軸轉動θ角度后，得到第一坐標系xyz，則：

其中：

根據本發明的實施例，可以通過云臺上安裝的加速度傳感器獲取角度θ和φ。

然后，控制器20可以計算第二磁場強度v2在水平面上的投影v2’與第二坐標系uvw的u軸或v軸之間的夾角。例如，如圖3所示，可以得到投影v2’與v軸之間的夾角：

經過一段時間之后，磁傳感器30再次測量第一磁場強度v1，控制器20根據再次測量得到的第一磁場強度v1計算相應的ψ，兩個ψ之間的差值即為這段時間安裝部17繞偏航軸的旋轉角度，將該旋轉角度作為第一偏轉角。

另一方面，控制器20可以使用慣性傳感器40的陀螺儀確定所述安裝部17繞所述偏航軸在所述時間段內的第二偏轉角。

理論上，第一偏轉角和第二偏轉角應當是相同的，然而，實際上，當慣性傳感器40存在零偏或者產生溫漂時，使用慣性傳感器40得到的第二偏轉角會不同于第一偏轉角。根據本發明的實施例，控制器20可以按照時間順序獲得多個第一偏轉角和第二偏轉角對，對所述第一偏轉角和第二偏轉角之差進行低通濾波，即可得到慣性傳感器40的角度誤差，即陀螺儀的角度誤差。

根據本發明的實施例，控制器20可以使用修正所述角度誤差后的慣性傳感器40的測量數據，控制所述云臺的姿態。例如，控制器20可以將第二偏轉角減去所述角度誤差，得到修正的第二偏轉角，并使用修正的第二偏轉角，控制安裝部17繞偏航軸的偏轉。

圖4示出了根據本發明實施例的云臺1的結構框圖。根據本發明的實施例，云臺1包括磁傳感器30、慣性傳感器40、和控制系統50。磁傳感器30設置在安裝部17上或與安裝部17設置在同一剛體上，例如可以與安裝部17一起設置在俯仰軸軸臂11上。慣性傳感器40包括至少一個陀螺儀。慣性傳感器40設置在安裝部17上或與安裝部17設置在同一剛體上，例如可以與安裝部17一起設置在俯仰軸軸臂11上。

根據本發明的實施例，控制系統50包括第一偏轉角確定模塊51、第二偏轉角確定模塊52、角度誤差確定模塊53、以及控制模塊54。

第一偏轉角確定模塊52基于磁傳感器30獲得的第一磁場強度v1，確定所述安裝部17繞偏航軸在一時間段內的第一偏轉角。第二偏轉角確定模塊52使用慣性傳感器40確定所述安裝部17繞所述偏航軸在所述時間段內的第二偏轉角。角度誤差確定模塊53基于所述第一偏轉角和第二偏轉角之間的差異，確定慣性傳感器40的角度誤差?？刂颇K54使用修正所述角度誤差后的慣性傳感器40的測量數據，控制所述云臺的姿態。

圖5示意性示出了根據本發明實施例的第一偏轉角確定模塊51的結構框圖。根據本發明的實施例，第一偏轉角確定模塊51可以包括轉換單元511、投影單元512、和確定單元513。

轉換單元511將第一磁場強度v1從第一坐標系轉換到第二坐標系下，得到第二磁場強度v2。投影單元512確定第二磁場強度v2在水平面上的投影。確定單元513根據所述投影確定第一偏轉角。轉換、投影和確定第一偏轉角的方式如上文參考圖3所述，這里不再重復。

根據本發明的實施例，第一偏轉角確定模塊51和第二偏轉角確定模塊52按照時間順序獲得多個第一偏轉角和第二偏轉角對。角度誤差確定模塊53對所述第一偏轉角和第二偏轉角之差進行低通濾波，得到所述慣性傳感器40的角度誤差，即陀螺儀的角度誤差。

控制模塊54可以使用修正所述角度誤差后的慣性傳感器40的測量數據，控制所述云臺的姿態。例如，控制模塊54可以用所述角度誤差修正第二偏轉角，得到修正的第二偏轉角，使用修正的第二偏轉角，控制安裝部17繞偏航軸的偏轉。

圖6示出了根據本發明實施例的無人飛行器6的示意圖。如圖6所示，無人飛行器6包括：機身61和多個機臂62，與機身61連接，以及承載旋翼組件63。無人飛行器還包括上文描述的云臺1，安裝在機身61上。

根據本發明的實施例，一種計算機軟件包括機器可讀指令，所述指令在被處理器執行時，使得處理器執行如上參考圖2、圖3a和3b所描述的操作。

根據本發明的實施例，一種非易失性存儲介質，包括機器可讀指令，所述指令在被處理器執行時，使得處理器執行如上所述的方法。

通過使用磁場方向對慣性傳感器角度誤差進行修正，可以有效地抑制安裝部繞偏航軸的漂移，提高云臺的穩定性能。

根據本發明各實施例的上述方法、裝置、單元和/或模塊可以通過有計算能力的電子設備執行包含計算機指令的軟件來實現。該系統可以包括存儲設備，以實現上文所描述的各種存儲。所述有計算能力的電子設備可以包含通用處理器、數字信號處理器、專用處理器、可重新配置處理器等能夠執行計算機指令的裝置，但不限于此。執行這樣的指令使得電子設備被配置為執行根據本發明的上述各項操作。上述各設備和/或模塊可以在一個電子設備中實現，也可以在不同電子設備中實現。這些軟件可以存儲在計算機可讀存儲介質中。計算機可讀存儲介質存儲一個或多個程序(軟件模塊)，所述一個或多個程序包括指令，當電子設備中的一個或多個處理器執行所述指令時，所述指令使得電子設備執行本發明的方法。

這些軟件可以存儲為易失性存儲器或非易失性存儲裝置的形式(比如類似rom等存儲設備)，不論是可擦除的還是可重寫的，或者存儲為存儲器的形式(例如ram、存儲器芯片、設備或集成電路)，或者被存儲在光可讀介質或磁可讀介質上(比如，cd、dvd、磁盤或磁帶等等)。應該意識到，存儲設備和存儲介質是適于存儲一個或多個程序的機器可讀存儲裝置的實施例，所述一個程序或多個程序包括指令，當所述指令被執行時，實現本發明的實施例。實施例提供程序和存儲這種程序的機器可讀存儲裝置，所述程序包括用于實現本發明的任何一項權利要求所述的裝置或方法的代碼。此外，可以經由任何介質(比如，經由有線連接或無線連接攜帶的通信信號)來電傳遞這些程序，多個實施例適當地包括這些程序。

根據本發明各實施例的方法、裝置、單元和/或模塊還可以使用例如現場可編程門陣列(fpga)、可編程邏輯陣列(pla)、片上系統、基板上的系統、封裝上的系統、專用集成電路(asic)或可以以用于對電路進行集成或封裝的任何其他的合理方式等硬件或固件來實現，或以軟件、硬件以及固件三種實現方式的適當組合來實現。該系統可以包括存儲設備，以實現上文所描述的存儲。在以這些方式實現時，所使用的軟件、硬件和/或固件被編程或設計為執行根據本發明的相應上述方法、步驟和/或功能。本領域技術人員可以根據實際需要來適當地將這些系統和模塊中的一個或多個，或其中的一部分或多個部分使用不同的上述實現方式來實現。這些實現方式均落入本發明的保護范圍。

盡管已經參照本發明的特定示例性實施例示出并描述了本發明，但是本領域技術人員應該理解，在不背離所附權利要求及其等同物限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以對本發明進行形式和細節上的多種改變。因此，本發明的范圍不應該限于上述實施例，而是應該不僅由所附權利要求來進行確定，還由所附權利要求的等同物來進行限定。