[发明专利]一种仿颈椎式云台机构及其电机控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种云台机构，更特别地说，是指一种基于视觉的仿颈椎式云台机构及其电机控制方法。

背景技术

云台是安装、固定摄像机的支撑设备，它分为固定云台和电动云台两种。固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。

在周边环境比较复杂的场合，为了使摄像头能实时、灵活地跟踪目标物，需要云台机构具有多自由度协同运动的能力。CCD摄像机或红外探测仪等安装于多自由度云台机构上，云台上配有传感器来向控制系统实时反馈云台机构当前的角度以及位置。

目前，国内外针对云台的机构以及控制方法也进行了大量研究。运动方式以二自由度居多，运动较为单一，显然已经不能满足日益复杂的监测环境对于多自由度的要求；有的方案为实现多自由度运动而采用较为繁杂的机械结构和控制系统，体积大且笨重，控制精度不高；除此之外，由于视觉的采样速度一般较慢，因此视觉处理造成的延迟会带来跟踪时的动态滞后问题，增大了跟踪误差。

发明内容

为了解决云台机构存在的因运动抖动导致的成像不稳定、因自由度有限造成的视野范围较小、或因单纯追求多自由度而使得云台自身笨重等缺陷，本发明设计了一种仿颈椎式云台机构。本发明的仿颈椎式云台机构绕Y轴进行旋转，沿Y轴进行升降，绕X轴进行俯仰，绕角度调节轴微旋，从而实现仿人体颈椎部的运动方式。本发明的仿颈椎式云台机构采用三段分体的结构设计，垂直升降组件与水平旋转组件之间通过螺钉固定，水平旋转组件与角度调节组件通过联轴器固定。垂直升降组件用于支撑水平旋转组件与角度调节组件，垂直升降组件在丝杠的带动下，降低了抖动导致的成像不稳定因素。

本发明设计的一种仿颈椎式云台机构的电机控制方法，通过PID算法控制四个直流电机运动，实现云台仿人体颈椎部的运动。采用本发明的电机控制方法机构运动稳定、控制精度高，解决了动态跟踪时的动作滞后问题。

本发明设计的一种仿颈椎式云台机构，该云台结构是仿照人在跟踪观测目标时产生的四个典型动作而设计的：通过下蹲或者垫脚来观察高低不同的目标(垂直升降运动)、扭转脖子来左右寻找目标(水平旋转运动)、低头和抬头(俯仰旋转运动)、眼球小范围摆动(左右微调运动)。该云台结构包括垂直升降组件、水平旋转组件和角度调节组件；所述的垂直升降外罩与外部固定连接作为运动基准，垂直升降外罩与丝杠滑块为的活动固连，垂直升降外罩上端与B底座固连，垂直升降组件中的滚珠丝杠机构由直流步进电机驱动，以实现整个机构垂直升降方向的自由度。

水平旋转组件中的齿轮减速机构安装于A底座与B底座之间，该齿轮减速机构中的主动齿轮由A直流伺服电机直接驱动，从动齿轮与垂直传动轴通过键相连，垂直传动轴上端与水平旋转架固定连接，A直流伺服电机以此来驱动水平旋转自由度的运动。

角度调节组件中的俯仰旋转框通过滚珠轴承安装在水平旋转架上，一端安装B直流伺服电机来驱动整个俯仰动作；所述的左右微调架通过滚珠轴承安装在俯仰旋转框中，一端安装C直流伺服电机来驱动整个左右微调动作；所述传感器模块包含3个光电编码器，与对应的直流电机分别同轴安装，用于检测水平旋转架、俯仰旋转架和角度调节架的驱动电机的位置以及转动角速度。传感器模块与电机驱动控制器通过数据线连接，4个直流电机通过电线与电机驱动控制器相连，电机驱动控制器接收传感器模块的反馈信号并向对应的电机发送驱动控制信号。

本发明云台机构的优点在于：

①云台机构为三段结构设计，装配简单，结构紧凑，运动灵活、三段结构设计合理、重量较轻。

②云台机构的绕Y轴旋转运动和在Y轴的微角度调节、以及绕X轴的转动，使得两个摄像头视野范围较大，运动灵活平稳，成像效果稳定，能够解决抖动带来的摄像头成像不稳定的问题。

③云台机构采用PID处理器控制电机运动，解决了跟踪时的动态滞后问题且跟踪误差较小，大大提高了跟踪精度。

附图说明

图1是本发明的仿颈椎式云台机构的结构图。

图1A是本发明的仿颈椎式云台机构另一视角的结构图。

图1B是本发明的仿颈椎式云台机构再一视角的结构图。

图1C是本发明的仿颈椎式云台机构的分解图。

图2是本发明的仿颈椎式云台机构的垂直升降组件的结构图。

图3是本发明的仿颈椎式云台机构的水平旋转组件的结构图。