[发明专利]无人艇双轴云台及其控制方法

权利要求书

1.一种无人艇双轴云台的控制方法，其中在无人艇上安装有电滑环，双轴云台固定在电滑环上，工业相机和/或激光雷达安装在双轴云台上，并且在双轴云台平面方向上，工业相机和/或激光雷达能够旋转360°以获取信息，并且在双轴云台俯仰方向上，工业相机和/或激光雷达能够旋转180°以获取信息，并且在双轴云台上安装有单片机，其特征在于，该方法包括：

由单片机与陀螺仪通信，以获取工业相机和/或激光雷达的俯仰轴和偏航轴的加速度；

由单片机与磁力计通信，以获取工业相机和/或激光雷达的俯仰轴和偏航轴的角速度；以及

由单片机主控单元使用IMU四元数姿态解算，得出工业相机和/或激光雷达的俯仰轴和偏航轴的角度。

2.如权利要求1所述的无人艇双轴云台的控制方法，其特征在于，还包括：

单片机为STM32单片机，陀螺仪为IMU6500，以及磁力计为IST8310。

3.如权利要求1所述的无人艇双轴云台的控制方法，其特征在于，还包括：

根据双轴云台的结构特性、俯仰轴电机负载、偏航轴电机负载、俯仰轴摩擦转矩、偏航轴摩擦转矩以及云台重心，建立双轴云台数学模型；以及

根据扰动特点，基于自抗扰控制器的双轴云台控制器进行俯仰轴和偏航轴控制。

4.如权利要求3所述的无人艇双轴云台的控制方法，其特征在于，双轴云台结构包括：

使用方形框架连接偏航轴电机和俯仰轴电机，整个方形框架随偏航轴运动，方形框架为左右对称；

偏航轴电机和俯仰轴电机的安装位置在方形框架内部，偏航轴电机同时与无人艇本体和双轴云台连接，俯仰轴电机通过连杆传动结构与双轴云台进行刚性连接，在双轴云台上放置工业相机的摄像头、微型机和激光雷达；以及

电滑环内嵌到偏航轴电机和俯仰轴电机的中心。

5.如权利要求4所述的无人艇双轴云台的控制方法，其特征在于，双轴云台的稳定过程包括：

当单片机主控单元向电机发送位置指令或云台晃动时，通过IMU检测双轴云台当时所处的空间状态；

获取单片机主控单元计算传感器传回值和位置指令的偏差，通过控制算法进行IMU四元数姿态解算，将电压或电流信号输出给电机调速驱动器，电机调速器内的电机驱动通过PWM驱动电机进行转动，以使云台到达所给定的位置；以及

当单片机主控单元未给出新的位置指令，云台稳定在一定空间位置，传感器时刻检测云台的位置和速度，进行微小调整。

6.如权利要求5所述的无人艇双轴云台的控制方法，其特征在于，无人艇双轴云台系统的姿态获取包括：

通过MPU6500和磁力计IST8310得到原始加速度值、角速度值和地磁方向；

通过SPI总线和I2C总线，将数据传输到单片机主控单元中，经过滤波和姿态解算，将解算得到的角度和电机控制频率作为三闭环位置闭环控制系统的给定；以及

无人艇双轴云台使用欧拉角进行姿态控制，使用陀螺仪计算欧拉角度值、加速度计和磁力计对欧拉角度值进行校正。

7.如权利要求6所述的无人艇双轴云台的控制方法，其特征在于，建立双轴云台数学模型包括：

使用电子换向器代替有刷直流电机的机械换向器，在不考虑换相的暂态过程时，假定在A,B,C三相中有A,B两相导通，两相的反电动势大小相等，方向相反；以及

对于无刷直流电机，当不需要考虑换向暂态时，使用直流电机的模型进行代替，在设计云台电机模型时，考虑直流电机的电枢电阻和电枢电感为无刷直流电机相电阻和相电感两倍关系。