[发明专利]一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法及控制器

说明书

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法。

背景技术

通过将摄像机搭载在无人机或者地面机器人上面，可以实现对特定目标的监视，检测环境中的危险信号。由于无人机飞行或者地面机器人的移动和晃动，必须将摄像机安装在云台上。云台控制器可以调整摄像头的位置，使其始终对准监控目标。常见的两自由度全方位云台，它既能够左右旋转又能够上下俯仰偏转。按照驱动机构的不同，云台可以分为交流型和直流型。舵机云台本质上是一种直流型云台，它采用舵机作为驱动机构，具有结构简单、质量轻巧、控制灵活等优点。只要知道监控目标点的位置信息，结合移动机器人本体的位置信息，就能够计算出摄像机光轴矢量始终指向目标点的期望方位角和俯仰角指令。通过舵机驱动，改变摄像头的方向，快速跟踪期望角度，使得监控目标点始终位于图像平面的中心区域。

近年来，许多先进控制方法被用在舵机云台的控制上面，其中包括PD控制、前馈补偿、最优控制方法等。动态面控制是一种新颖的控制技术，它设计过程简单，易于物理实现。在设计步骤中，每一步引入一个低通滤波器，克服反推控制方法存在的“微分爆炸”现象。并且，它不会有滑模控制方法的“抖颤”现象。

现有的舵机云台的控制方法，大多需要用到舵机云台的转动角速度。获取转动角速度的方法有两种，一种是通过对转动的角度直接进行差分，存在较大的误差，导致跟踪调节时间变大；另外一种是通过角速度计，这会引入外围电路，增大云台的体积和重量，降低了系统的可靠性。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，针对视频监控系统中的舵机云台，提出的不需要转动角速度测量的动态面控制方法，用于控制舵机云台快速精确地跟踪期望角度，在不需要转动角速度测量情况下，结合动态面控制技术和高增益观测器，实现舵机对期望角度的快速且精确跟踪。高增益观测器可以通过转动的角度信息，精确重构角速度信息，实现对转动角速度的软件测量。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种舵机云台的无速度反馈动态面控制方法，包括：

获取摄像装置的监控目标点和搭载舵机云台的无人机或者地面机器人在惯性系中的坐标信息，根据在惯性系中的坐标信息，得到摄像机指令值；

构建舵机模型，选取二阶传递函数表示舵机输入电压和输出转角的关系；

通过舵机输出的转动角度信息，利用高增益观测器重构角速度，实现对舵机转动角速度的软件测量；

根据摄像机指令值及利用高增益观测器测量的角速度信号，利用动态面控制方法计算得到控制器控制舵机的输入电压，继而控制舵机的转动速度，使摄像机跟踪指令值。

所述在惯性系中的坐标信息是通过室内的红外传感器或者室外GPS获取的。

所述得到摄像机指令值的过程为：

根据坐标信息，计算出摄像机指向目标点的光轴矢量坐标P_e；然后通过坐标变换计算出光轴矢量P_e在移动机器人本体坐标系的坐标为P_b；最后根据P_b的坐标，解算出摄像机方位角指令值ψ_c和俯仰角指令值θ_c。

舵机的期望跟踪角度x_1d；针对水平方向偏转的舵机x_1d＝ψ_c，若是俯仰方向的则有x_1d＝θ_c。

所述构建舵机模型是针对工作在线性区的舵机云台的执行机构舵机，选取二阶传递函数表示其输入电压和输出转角的关系，将二阶传递函数转化为状态空间表达式。

所述利用动态面控制方法计算得到控制舵机的输入电压，包括的步骤为：

设定摄像机方位角指令值与测量的摄像机方位角度相减得到误差S₁，将虚拟控制输入一阶低通滤波器得到输出；

高增益观测器测量的角速度信号和一阶低通滤波器的输出相减得到误差S₂，得到舵机控制输入电压。

所述利用动态面控制方法计算得到控制舵机的输入电压之后还包括控制参数的调整，包括：