CN111152931B - 一种小型三轴光电吊舱控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小型三轴光电吊舱控制系统，它包括电机、磁编、电机驱动、IMU模块、摄像装置、图像处理模块、主控单元以及电源模块；磁编用于检测对应电机的转子位置信息，转子位置信息通过对应电机驱动发送到主控单元；IMU模块用于检测惯性空间角速度和加速度，并将数据发送给主控单元进行姿态解算和姿态解耦处理，从而实现吊舱的三轴稳像控制；图像处理模块用于处理摄像装置获取的图像信息，主控单元根据不同工作模式再发送指令控制摄像装置；电源模块向系统各部分供电。本发明的主控单元将吊舱的工作模式控制、IMU模块和图像处理模块的数据采集、姿态解耦、稳像控制、跟踪控制、载荷控制等功能高度集成，方便维护，从而实现吊舱小型化和轻量化。

Description

一种小型三轴光电吊舱控制系统

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体来说，涉及一种挂载于无人机上的三轴光电吊舱控制系统。

背景技术

小型三轴光电吊舱挂载于固定翼或多旋翼无人机上，可以搭载高清可见光相机、红外测温相机、图像处理模块等光电载荷，具有航向、横滚和俯仰三个机械轴的三轴稳像功能，可实现在飞机飞行过程中相机清晰成像、目标稳定跟踪、目标测温等功能。由于在拍摄时无人机平台的振动、偏航、俯仰及横滚等因素，所拍摄的照片会产生模糊、扭曲及旋转等现象，严重影响拍摄效果。

现有的三轴吊舱稳定控制方法有的采用有刷电机，电刷与转子接触，增加了摩擦力，不利于稳定控制，同时可靠性降低；有的没有编码器，解算复杂，且控制精度难以提高；有的驱动器与电机分离设计，电机信号经线缆传输，其信号干扰增大，影响控制效果。然而小型三轴吊舱挂载上对飞机摇晃过程中稳定性能、目标跟踪、尺寸和重量有着严格要求，其控制系统要求实现高性能、小型化、高集成度设计，一般的方法很难满足。

发明内容

针对现有技术存在的小型三轴吊舱挂载稳定性能不足、目标跟踪效果差、集成度低的问题，本发明提供了一种挂载于无人机上的三轴光电吊舱控制系统，该控制系统能够提高挂载性能、吊舱稳像控制精度和跟踪控制精度。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种小型三轴光电吊舱控制系统，包括航向电机、横滚电机、俯仰电机、航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动、俯仰电机驱动、IMU模块、摄像装置、图像处理模块、主控单元以及电源模块；

所述航向磁编、横滚磁编和俯仰磁编分别用于检测对应航向电机、横滚电机和俯仰电机的转子位置信息，转子位置信息通过对应航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动发送到主控单元，所述主控单元根据不同工作模式得到航向电机、横滚电机、俯仰电机的电流控制量后发送到对应航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动，从而控制航向电机、横滚电机和俯仰电机工作；

所述IMU模块用于检测惯性空间角速度和加速度信息，并将惯性空间角速度和加速度信息发送给主控单元进行姿态解算和姿态解耦处理，从而实现吊舱的三轴稳像控制；

所述图像处理模块用于处理摄像装置获取的图像信息，并将处理数据发送给主控单元，主控单元根据不同工作模式发送指令控制图像处理模块和摄像装置；

所述电源模块用于对航向电机、横滚电机、俯仰电机、航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动、俯仰电机驱动、IMU模块、摄像装置、图像处理模块和主控单元统一供电。

采用上述技术方案的小型三轴光电吊舱控制系统，主控单元作为信息处理中心实现与摄像装置、图像处理模块、IMU模块以及吊舱外部接口的数据通信，能够实现吊舱工作模式切换控制、三个轴的电机控制、吊舱三轴稳像控制以及目标跟踪控制等。

进一步限定，所述航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动集成在一块驱动板上，且所述航向电机、横滚电机、俯仰电机和所述驱动板集成在一起形成驱动模块。上述限定提高了控制系统的集成度和抗干扰能力，航向电机、横滚电机、俯仰电机三个轴共用一个集成的驱动模块，有利于减小吊舱整体的尺寸和重量。

进一步限定，所述航向电机、横滚电机和俯仰电机采用永磁同步电机直接驱动。航向电机、横滚电机和俯仰电机采用永磁同步电机驱动，相比直流有刷电机，具有能量密度高、可靠性强、波动小以及摩擦阻力小的优点。

进一步限定，所述航向电机、横滚电机和俯仰电机三个轴通过地址区分，所述航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动分别对航向电机、横滚电机和俯仰电机进行FOC电流环控制，对外通过CAN/UART与主控单元通信。通过FOC电流环控制能够精准控制磁场大小和方向，使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。

进一步限定，所述吊舱的三轴稳像控制为控制航向电机和俯仰电机的速度实现闭环且保持吊舱横滚姿态角为0度。

进一步限定，所述图像处理模块还将获取的摄像信息进行压缩和编码，并对压缩和编码后的拍摄信息进行存储。

进一步限定，当工作模式为目标跟踪模式时，所述图像处理模块根据主控单元发出的指令锁定目标，再将目标脱靶量信息发送给主控单元，所述主控单元根据目标脱靶量信息控制吊舱运动，从而跟踪目标。

进一步限定，所述摄像装置包含可见光相机和红外相机中的一种或其组合。

进一步限定，所述主控单元设有RS232/RS422串口和S-BUS接口。该限定使得主控单元可以自由定制通讯协议进行控制或通过具有S-BUS接口的遥控器直接控制，控制方式方便灵活。

本发明相比现有技术，具有如下有益效果：

1、本发明将电机、磁编和电机驱动进行一体化设计，将驱动模块化设计，便于系统扩展和在同类产品中应用，提高系统集成度和稳定性。

2、主控单元将吊舱的工作模式控制、IMU模块和图像处理模块的数据采集、姿态解耦、稳像控制、跟踪控制、对外通讯、载荷控制等功能高度集成，降低了成本、方便维护，从而实现吊舱小型化和轻量化。

3、本发明的电机采用永磁同步电机直接驱动以及采用FOC电流环控制的方式，提高吊舱响应速度、刚性和力矩平稳性，从而提高吊舱稳像控制精度和跟踪控制精度。

附图说明

图1为本发明三轴光电吊舱控制系统的结构示意图；

图2为本发明的FOC电流环控制流程图；

图3为本发明的吊舱控制流程图；

图4为本发明三轴光电吊舱控制系统控制流程图。

图中标记说明：11-航向电机，12-横滚电机，13-俯仰电机，21-航向磁编，22-横滚磁编，23-俯仰磁编，31-航向电机驱动，32-横滚电机驱动，33-俯仰电机驱动，4-IMU模块，51-可见光相机，52-红外相机，6-图像处理模块，7-主控单元，8-电源模块。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

如图1所示，一种小型三轴光电吊舱控制系统，包括电机、磁编、电机驱动、IMU模块4、摄像装置、图像处理模块6、主控单元7和电源模块8。

电机包括提供航向、横滚、俯仰方向的航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13，磁编包括检测对应航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13的转子位置信息的的航向磁编21、横滚磁编22和俯仰磁编23，电机驱动包括对应航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13工作的航向电机驱动31、横滚电机驱动32和俯仰电机驱动33。

航向磁编21、横滚磁编22和俯仰磁编23将检测到的对应航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13的转子位置信息，转子位置信息通过对应航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13发送到主控单元7，接着主控单元7根据不同工作模式得到航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13的电流控制量后再发送回对应航向电机驱动31、横滚电机驱动32和俯仰电机驱动33，从而控制航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13转子的工作状态。

航向磁编21、横滚磁编22和俯仰磁编23，以及航向电机驱动31、横滚电机驱动32和俯仰电机驱动33集成在一块驱动板上，而航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13又与驱动板集成在一起形成驱动模块，这样可以提高控制系统的集成度和抗干扰能力，航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13的三个轴共用一个集成的驱动模块也有利于减小吊舱整体的尺寸和重量。

航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13采用永磁同步电机直接驱动，相比直流有刷电机，这种驱动方式具有能量密度高、可靠性强、波动小以及摩擦阻力小的优点。

将航向电机驱动31、横滚电机驱动32和俯仰电机驱动33集成为驱动模块后，航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13的三个轴通过地址区分，驱动模块实现永磁同步电机的FOC电流环控制，对外通过CAN/UART与主控单元7进行数据通信。

永磁同步电机FOC电流环控制算法如图2所示，通过AD采集电机两相电流后，经计 算得到静止的三相电流

、

、

，经过Clarke变换得到静止的两相正交电流

、

，通过 Park变换后得到两相电流

、

，

、

随磁场旋转。FOC电流环控制中

，

来自主控 单元7给定控制量，

、

分别进行电流环闭环控制得到电压控制量

、

，经过Park逆变换 得到

、

，再经过SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制） 得到三相桥PWM控制量，从而实现永磁同步电机的矢量控制。

通过FOC电流环控制能够精准控制磁场大小和方向，使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。

IMU（Inertial Measurement Unit）模块4包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计用于检测吊舱载荷独立三轴的加速度，而陀螺检测吊舱载荷相对于导航坐标系的角速度，IMU模块4将检测到的吊舱载荷惯性空间角速度和加速度信息发送给主控单元7进行姿态解算，得到吊舱姿态角（包括航向、横滚和俯仰姿态角）数据，然后结合吊舱三个轴的位置信息对IMU模块4检测的惯性空间角速度信息进行坐标解耦计算，最终得到吊舱三个轴的惯性空间角速度。

具体如图3所示，主控单元7对地理空间航向速度控制量

、俯仰速度控制量

进 行解耦处理，得到转轴惯性空间航向速度控制量

、俯仰速度控制量

及吊舱姿态角数 据，吊舱横滚姿态角保持0度以保证图像不出现旋转，对各转动轴空间角速度进行闭环控制 （即稳定环），得到各个轴的电机电流控制量，通过CAN/UART发送到驱动模块，驱动模块中实 现FOC电流环控制，使航向电机11、横滚电机12和俯仰电机13反向运动以消除惯性空间的运 动，从而实现吊舱载荷在惯性空间中的稳定，实现三轴稳像控制。

摄像装置用于对目标进行拍摄从而获得图像或者视频等信息，摄像装置可以是可见光相机51和红外相机52中的一种或其组合，本实施中同时采用可见光相机51和红外相机52。

如图4所示，在稳定模式中，控制量来自摇杆或者给定控制；目标跟踪模式下，控制 量来自跟踪闭环控制，图像处理模块6处理摄像装置拍摄的图像或者视频信息后，再根据主 控单元7发出的指令锁定需要被跟踪的目标，再将目标脱靶量信息发送给主控单元7，主控 单元7根据目标脱靶量信息控制吊舱运动，实现图像跟踪闭环，得到航向速度控制量

和 俯仰速度控制量

，后面控制流程与图3中相同，从而将目标锁定保持在图像或者视频中 心。

上述目标脱靶量信息包括目标在航向和俯仰两个方向距离图像中心的像素值。

图像处理模块6还将获取的摄像信息进行压缩和编码，并将压缩和编码后的拍摄信息进行存储。

电源模块8用于对航向电机11、横滚电机12、俯仰电机13、航向磁编21、横滚磁编22、俯仰磁编23、航向电机驱动31、横滚电机驱动32、俯仰电机驱动33、IMU模块4、摄像装置、图像处理模块6和主控单元7统一供电。

电源模块8对外可以采用统一的供电接口，而由于吊舱内不同载荷的供电要求不同，电源模块8需要根据系统内各载荷供电需求进行统一调配。

主控单元7设有RS232/RS422串口和S-BUS接口，这样主控单元7可以自由定制通讯协议进行控制或通过具有S-BUS接口的遥控器直接控制，控制方式方便灵活。

以上对本发明提供的一种小型三轴光电吊舱控制系统进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种小型三轴光电吊舱控制系统，其特征在于，包括航向电机、横滚电机、俯仰电机、航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动、俯仰电机驱动、IMU模块、摄像装置、图像处理模块、主控单元以及电源模块；

所述航向磁编、横滚磁编和俯仰磁编分别用于检测对应航向电机、横滚电机和俯仰电机的转子位置信息，转子位置信息通过对应航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动发送到主控单元，所述主控单元根据不同工作模式得到航向电机、横滚电机、俯仰电机的电流控制量后发送到对应航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动，从而控制航向电机、横滚电机和俯仰电机工作；

稳定模式中，控制量来自摇杆或者给定控制；目标跟踪模式下，控制量来自跟踪闭环控制，图像处理模块处理摄像装置拍摄的图像或者视频信息后，再根据主控单元发出的指令锁定需要被跟踪的目标，再将目标脱靶量信息发送给主控单元，主控单元根据目标脱靶量信息控制吊舱运动，实现图像跟踪闭环，得到航向速度控制量V_ey和俯仰速度控制量V_ep；

所述图像处理模块用于处理摄像装置获取的图像信息，并将处理数据发送给主控单元，主控单元根据不同工作模式发送指令控制图像处理模块和摄像装置；

所述IMU模块用于检测惯性空间角速度和加速度信息，并将惯性空间角速度和加速度信息发送给主控单元进行姿态解算和姿态解耦处理；所述IMU模块包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计用于检测吊舱载荷独立三轴的加速度，陀螺用于检测吊舱载荷相对于导航坐标系的角速度；IMU模块将检测到的吊舱载荷惯性空间角速度和加速度信息发送给主控单元进行姿态解算，得到吊舱航向姿态角、横滚姿态角和俯仰姿态角数据，然后结合吊舱三个轴的位置信息对IMU模块检测的惯性空间角速度信息进行坐标解耦计算，最终得到吊舱三个轴的惯性空间角速度，从而实现吊舱的三轴稳像控制；

主控单元对地理空间航向速度控制量V_ey、俯仰速度控制量V_ep进行解耦处理，得到转轴惯性空间航向速度控制量V_ey、俯仰速度控制量V_ep及吊舱姿态角数据，对各转动轴空间角速度进行闭环控制，得到各个轴的电机电流控制量，通过CAN/UART发送到驱动模块实现FOC电流环控制，使航向电机、横滚电机和俯仰电机反向运动以消除惯性空间的运动，从而实现三轴稳像控制；

FOC电流环控制通过AD采集电机两相电流后，经计算得到静止的三相电流i_a、i_b、i_c，经过Clarke变换得到静止的两相正交电流i_α、i_β，通过Park变换后得到两相电流i_q、i_d，i_q、i_d随磁场旋转，FOC电流环i_q、i_d分别进行电流环闭环控制得到电压控制量v_q、v_d，经过Park逆变换，得到v_α、v_β，再经过空间矢量脉宽调制得到三相桥PWM控制量，从而实现永磁同步电机的矢量控制；

所述电源模块用于对航向电机、横滚电机、俯仰电机、航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动、俯仰电机驱动、IMU模块、摄像装置、图像处理模块和主控单元统一供电。

2.根据权利要求1所述的一种小型三轴光电吊舱控制系统，其特征在于：所述航向磁编、横滚磁编、俯仰磁编、航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动集成在一块驱动板上，且所述航向电机、横滚电机、俯仰电机和所述驱动板集成在一起形成驱动模块。

3.根据权利要求2所述的一种小型三轴光电吊舱控制系统，其特征在于，所述航向电机、横滚电机和俯仰电机采用永磁同步电机直接驱动。

4.根据权利要求3所述的一种小型三轴光电吊舱控制系统，其特征在于，所述航向电机、横滚电机和俯仰电机三个轴通过地址区分，所述航向电机驱动、横滚电机驱动和俯仰电机驱动分别对航向电机、横滚电机和俯仰电机进行FOC电流环控制，对外通过CAN/UART与主控单元通信。

5.根据权利要求1所述的一种小型三轴光电吊舱控制系统，其特征在于，所述吊舱的三轴稳像控制为控制航向电机和俯仰电机的速度实现闭环且保持吊舱横滚姿态角为0度。

6.根据权利要求1所述的一种小型三轴光电吊舱控制系统，其特征在于，所述图像处理模块还将获取的摄像信息进行压缩和编码，并对压缩和编码后的拍摄信息进行存储。

7.根据权利要求1或6所述的一种小型三轴光电吊舱控制系统，其特征在于，当工作模式为目标跟踪模式时，所述图像处理模块根据主控单元发出的指令锁定目标，再将目标脱靶量信息发送给主控单元，所述主控单元根据目标脱靶量信息控制吊舱运动，从而跟踪目标。

8.根据权利要求1所述的一种小型三轴光电吊舱控制系统，其特征在于，所述摄像装置包含可见光相机和红外相机中的一种或其组合。

9.根据权利要求1所述的一种小型三轴光电吊舱控制系统，其特征在于，所述主控单元设有RS232/RS422串口和S-BUS接口。

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