[发明专利]一种解决三轴稳定系统各轴均接近竖直面奇异问题的方法

说明书

本发明公开了一种解决三轴稳定系统各轴均接近竖直面奇异问题的方法，调控三轴的稳定，本发明的有益效果为：可确保三轴稳定系统各轴均接近竖直面时台体不出现抖动或翻倒问题，保证台体上所承载对象不受损伤，此外，奇异工作状态下，台体的方位和横滚仍能保持稳定，对于很多应用场合仍能得到可以接受的稳定效果。

技术领域

本发明属于拍摄领域，具体涉及一种解决三轴稳定系统各轴均接近竖直面奇异问题的方法。

背景技术

三轴稳定系统一般由台体、内环、外环和基座组成，台体与内环之间通过内环轴铰接；内环和外环之间通过内轴铰接；外环和基座之间通过外轴铰接，台体上安装用于测量台体相对大地倾角和方位的姿态传感器组合，台体轴、内轴和外轴上各安装一个电动机，台体轴、内轴和外轴上各安装一个轴角传感器。

三轴稳定系统台体轴和外轴重合时，台体相对大地的方位偏差角无法通过电机驱动进行纠正，且计算绕外轴方向偏差角时存在分母为0的问题，由于上述原因，三轴稳定系统在台体轴和外轴重合时不能正常工作，实际系统中台体轴和外轴接近平行时但不完全重合时台体会出现抖动甚至翻倒现象，即奇异问题。

对于无人机使用的三轴稳定系统不出现内轴和外轴近似重合的现象，因此始终能够正常工作。但是，对于手持式云台(三轴稳定系统)来说，用户运动的随意性很可能导致其出现内轴和外轴近似重合的现象。如果不能得到有效解决，很有可能导致云台台体上的摄像器材在台体翻倒过程中受到损伤。

发明内容

一种解决三轴稳定系统各轴均接近竖直面奇异问题的方法，相关定义如下：

台体轴角定义为内环绕y_F轴相对台体的转角，定义域为[-π,+π)；

内轴角定义为外环绕x_F轴相对内环的转角，定义域为[-π,+π)；

外轴角定义为手柄绕z_F轴相对外环的转角，定义域为[-π,+π)；

台体系p：固连于台体，y_p轴与y_F平行，云台各轴角均为0时x_F轴与x_p平行，x_p、y_p和z_p构成右手直角坐标系；

导航系n：x_n指向东、y_n指向北、z_n指向天；

方位角φ：导航系的y_n轴到台体系y_p轴在水平面投影的角，北偏东为正，定义域[0,2π)；

俯仰角θ：台体系y_p轴在水平面的投影到y_p的角，定义域[-π/2,+π/2]，y_p轴指向地面上方为正，否则为负；

横滚角γ：台体系绕y_p轴相对导航系n的转角，定义域[-π,+π)，极性符合右手定则；

水平系h：从导航系开始，绕导航系z_n轴负向转动方位角φ后到达的坐标系；

一种解决三轴稳定系统各轴均接近竖直面奇异问题的方法根据内轴和外轴是否接近重合，将系统分为正常状态和奇异两种工作状态，算法执行过程中，每个控制周期判断内轴上的轴角传感器测得的是否接近±90°：如果不接近±90°则判定系统处于正常状态；如果接近±90°则判定系统处于奇异状态，为避免轴角在判断边界附近时微小变化导致判断结果反复切换，在判断方法中加入迟滞环节；

系统处于正常工作状态时采用常规的三轴稳定控制方式，系统处于奇异状态时采用台体方位和横滚稳定、外轴锁定的控制方式，台体方位和横滚稳定、外轴锁定的控制方式可以实现奇异工作状态下，台体的方位和横滚保持稳定，台体的俯仰角随基座一起转动。