CN103792957B - 一种轻型二自由度相机稳定平台装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻型二自由度相机稳定平台装置，该稳定平台基座框架(4)与飞行器相连，横滚框架(1)与俯仰框架(2)分别绕X轴与Y轴旋转；稳定平台采用以速度环为内环、位置环为外环的双环路校正。电子水平仪采集到的水平面倾角数据、光栅编码器(5)所测得的角度信息、微机械（MEMS）惯性测量组件所测得角速率信息，通过通信接口电路传输给DSP模块，由DSP输出PWM波形，通过电机驱动功放板转换成电压信号，驱动两个伺服电机，对平台的姿态进行实时调整，以保持被稳定对象的稳定。该平台具有稳定性好，精度高，体积小，调节范围宽的特点，适用于航拍。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻型二自由度相机稳定平台装置，属于惯性导航与制导技术领域。
背景技术
航空拍摄能够清晰的表现地理形态，除了作为摄影艺术之外，也被运用于军事、交通建设、水利工程、生态研究、城市规划等方面。但是在飞行摄影时飞机会受到本机和气流的影响，机体无法保持稳定，给机载相机对指定区域高精度拍摄带来困难。高性能的相机稳定平台能有效地抑制空中各种干扰对相机的影响，可以降低对航拍飞机的要求，减少拍摄对于天气等多种环境因素的依赖，保证在机体俯仰横滚等情况下都能高质量的拍摄，提高拍摄效果和后期处理的质量。
国际上使用的稳定平台有德国LEICA公司的PAV30陀螺稳定平台和Z/IImaging公司的T-AS陀螺稳定平台，其俯仰和横滚方向的精度约为正负5°，可以满足基本航拍需要，但价格比较昂贵。日本的TLS（Three-linescanner）系统，它安装在一个高精度的稳定平台上，其相对稳定精度可以达到象元级，获取的影像可直接使用，无需几何纠正，但是要研制达到角秒量级的姿态测量仪器，有相当的难度，且价格比较昂贵。
目前应用的航拍稳定平台多是通过电子设备检测摄像机或照相机的姿态变化，控制舵机反向补偿来实现摄像机或照相机的稳定。由于电子设备都存在滞后性，导致这些电子稳定平台响应时间长，舵机调整慢，很难消除高频率震动对图像质量的影响。其他的一些机械稳定平台，由于采用简单的机械结构，灵活性不高，不能消除由于低频晃动或机体倾斜造成的影响，因此也很难拍摄出高质量的图像，无法满足专业需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能绕X、Y轴进行任意复合运动的轻型二自由度相机稳定平台装置，该装置具有响应快，精度高，转动灵活等优点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种轻型二自由度相机稳定平台装置，包括结构部分、平台框架驱动部分、测量采集部分和控制部分；结构部分包括横滚框架(1)、俯仰框架(2)、基座框架(4)、联轴器(9)、轴承(10)和箱体外罩(7)；平台框架驱动部分包括两个直流伺服电机和电机驱动功放板，电机驱动功放板驱动电机转动，继而用于驱动横滚框架(1)、俯仰框架(2)转动；测量部分包括惯性测量组件、电子水平仪和两个光栅编码器(5)；电子水平仪用来初始水平调平，光栅编码器(5)提供框架转动的角度位置信息，MEMS惯性测量组件提供框架转动的角速率信息；控制部分主要由控制电路模块组成，包括DSP模块、通信接口模块；接口模块用于测量采集部分各传感器和控制部分DSP模块的通信，电子水平仪通过RS232接口与DSP进行通讯，惯性测量组件通过SPI接口与DSP进行通讯，光栅编码器(5)通过ENDAT2.0接口与DSP进行通讯。
电子水平仪安装在横滚框架(1)的底部，当启动时，可测量出横滚框架(1)垂直方向与重力方向的夹角，分解到X轴方向和Y轴方向两个角度，根据这两个角度调节横滚框架(1)和俯仰框架(2)，确定初始的水平面。
两个光栅编码器(5)分别安装在横滚框架(1)和俯仰框架(2)的转轴上，测量横滚框架(1)和俯仰框架(2)的角度位置信息；MEMS惯性测量组件安装在横滚框架(1)的底部，可输出三路陀螺信息，三路加表信息，三路磁传感器信息，主要用于测量横滚框架(1)相对当地地理坐标系的横滚和俯仰方向的角速率信息。
横滚框架(1)、俯仰框架(2)和基座由内而外分布，三个框架的平面几何中心重合；俯仰框架(2)通过俯仰转轴(11)，沿Y轴安装在基座框架(4)上，绕Y轴旋转；横滚框架(1)通过横滚转轴(6)，沿X轴安装在俯仰框架(2)上，绕Y轴旋转；横滚框架(1)和俯仰框架(2)跟踪当地地理水平；控制部分DSP模块根据两个光栅编码器(5)所提供角度信息和MEMS惯性测量组件输出的角速率信息，通过以位置环为外环、速度环为内环的双环PID控制，产生相应的PWM信号，通过电机驱动功放板，驱动两个直流伺服电机，最终直流电机带动横滚框架(1)和俯仰框架(2)进行顺时针或逆时针以可变的速率进行转动从而实现跟踪当地地理水平面的目的。
附图说明
图1为稳定平台组成框图及其连接关系；
图2为稳定平台工作原理图；
图3为稳定平台三围装配图；
图4为稳定平台三围装配图；
图5为稳定平台工作流程图；
具体实施方式
如图1所示，本发明包括结构部分、驱动部分、测量采集部分和控制部分；结构部分包括基座框架(4)、横滚框架(1)、俯仰框架(2)；驱动部分包括两个直流伺服电机和电机驱动功放板；测量采集部分包括电子水平仪、两个光栅编码器(5)、一个MEMS惯性测量组件器件；控制部分包括DSP模块、通信接口模块。
如图2所示，本发明测量传感器所采集的数据，通过控制模块接口电路传送至DSP模块，经由DSP模块产生的PWM波输入至电机驱动功放板，驱动两个直流无刷力矩电机转动，最终实现稳定平台框架的转动；电子水平仪采集的数据通过RS232接口传送至DSP模块，MEMS惯性测量组件采集的数据通过SPI接口传送至DSP模块，光栅编码器(5)采集的数据通过ENDAT接口传送至DSP模块。
如图2所示，本发明在控制方式上采用双环路从属控制:①外环为位置环即跟踪回路，反馈测量单元为光栅编码器(5)；②内环为速率环，即稳定回路，反馈测量单元为MEMS惯性测量组件。
如图3和图4所示，本发明控制电路的主电路板集中安装在电路箱(8)内，电路箱(8)通过紧固螺钉安装在横滚框架(1)上，MEMS惯性测量组件和电子水平仪通过惯性测量组件支架和电子水平仪支架安装在横滚框架(1)底部。
如图3和图4所示，横滚框架(1)、俯仰框架(2)、基座框架(4)由内向外分布，且几何中心重合于一点，横滚框架(1)和俯仰框架(2)回转轴线正交于一点；横滚框架(1)沿X轴方向通过横滚轴6安装在俯仰框架(2)上，绕X轴旋转；俯仰框架(2)沿Y轴方向通过俯仰转轴(11)安装在基座框架(4)上，绕Y轴旋转；横滚框架(1)和俯仰框架(2)跟踪当地地理水平。
如图3和图4所示，所述横滚框架驱动电机(3)通过电机位置调整螺钉安装在俯仰框架(2)上，横滚轴上编码器(5)通过编码器位置调整螺钉安装在俯仰框架(2)与横滚框架驱动电机(3)相对称位置，电机旋转轴与横滚轴6之间通过联轴器(9)联接；所述俯仰框架驱动电机(3)通过电机位置调整螺钉安装在基座框架(4)上，俯仰轴上编码器(5)通过编码器位置调整螺钉安装在与俯仰框架驱动电机(3)同侧的基座框架(4)上，电机轴与俯仰转轴(11)通过联轴器(9)联接。
如图3和图4所示，所述箱体外罩(7)通过外罩位置调整螺钉安装在基座框架(4)底部。
如图5所示，本发明的工作流程为系统开启后首先根据电子水平仪所测得的数据确定基准平面，然后DSP模块根据光栅编码器(5)测得角度信息作为位置环校正反馈量测值、根据惯性测量组件器件测得角速率信息作为速度环校正反馈量测值，经过PID控制输出两路PWM波形，通过电机驱动功放板，驱动两个直流伺服电机，调节横滚框架(1)和俯仰框架(2)，使横滚框架(1)和俯仰框架(2)跟踪当地地理水平。
Claims (4)
1.一种轻型二自由度相机稳定平台装置，包括结构部分、驱动部分、测量采集部分及控制部分，其中，
所述结构部分包括横滚框架(1)、俯仰框架(2)、基座框架(4)、横滚转轴(6)、俯仰转轴(11)、联轴器(9)、轴承(10)和箱体外罩(7)；
所述驱动部分包括横滚框架驱动电机、俯仰框架驱动电机以及电机驱动功放板；
所述测量采集部分包括电子水平仪、MEMS惯性测量组件以及两个光栅编码器(5)；
所述控制部分包括控制电路模块、DSP模块和通信接口模块，其中所述通信接口模块由接口电路组成，用于测量采集部分各传感器和控制部分DSP模块的通信，接口电路包括RS232接口、SPI接口电路、ENDAT2.0接口电路；
所述横滚框架(1)、俯仰框架(2)、基座框架(4)由内向外分布，且几何中心重合于一点，横滚框架(1)和俯仰框架(2)回转轴线正交于一点；
所述横滚框架(1)沿X轴方向通过横滚转轴(6)安装在俯仰框架(2)上，绕X轴旋转；
所述俯仰框架(2)沿Y轴方向通过俯仰转轴(11)安装在基座框架(4)上，绕Y轴旋转；
所述横滚框架(1)和俯仰框架(2)跟踪当地地理的水平面。
2.根据权利要求1所述的一种轻型二自由度相机稳定平台装置，其特征在于：
所述横滚框架驱动电机通过电机位置调整螺钉安装在俯仰框架(2)上，横滚转轴(6)上的光栅编码器(5)通过编码器位置调整螺钉安装在俯仰框架(2)与横滚框架驱动电机相对称位置处，横滚框架驱动电机旋转轴与横滚转轴(6)之间通过联轴器(9)联接；
所述俯仰框架驱动电机通过电机位置调整螺钉安装在基座框架(4)上，俯仰转轴(11)上的光栅编码器(5)通过编码器位置调整螺钉安装在与俯仰框架驱动电机同侧的基座框架(4)上，俯仰框架驱动电机旋转轴与俯仰转轴(11)通过联轴器(9)联接；
所述MEMS惯性测量组件的敏感轴分别平行于横滚框架(1)和俯仰框架(2)的轴线X轴和Y轴；
所述MEMS惯性测量组件通过支架安装在横滚框架(1)底部的电路箱(8)中，所述箱体外罩(7)通过外罩位置调整螺钉安装在基座框架(4)底部；
所述控制部分的控制电路模块、DSP模块以及通信接口模块集中封装在电路箱(8)内，安装于横滚框架(1)底部。
3.根据权利要求1所述的一种轻型二自由度相机稳定平台装置，其特征在于：所述横滚框架(1)、俯仰框架(2)、基座框架(4)、横滚转轴(6)、俯仰转轴(11)和箱体外罩(7)均采用硬铝合金材料制作。
4.根据权利要求2所述的一种轻型二自由度相机稳定平台装置，其特征在于：所述平台装置在控制方式上采用双环路从属控制：①外环为位置环，即跟踪回路，反馈测量单元为光栅编码器(5)，反馈测量值为光栅编码器(5)所测得的横滚框架和俯仰框架转动的角度；②内环为速率环，即稳定回路，反馈测量单元为MEMS惯性测量组件，反馈测量值为MEMS惯性测量组件所测得的横滚框架和俯仰框架转动的角速率。
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