(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201510170010.4
(22)申请日 2015.04.10
H04N 5/21(2006.01)
H04N 5/14(2006.01)
(71)申请人浙江工业大学
地址310014 浙江省杭州市下城区朝晖六区
潮王路18号
申请人杭州晨安视讯数字技术有限公司
(72)发明人董辉 赖宏焕 王全强 黄胜
陈慧慧
(74)专利代理机构杭州斯可睿专利事务所有限
公司 33241
代理人
王利强
(54)发明名称
(57)摘要
一种基于陀螺仪的船载稳像控制方法，使用
同的俯仰轴上的数据αx 与ωy 进行对运算量以
及内存优化的卡尔曼数据融合滤波，进而获得云
台的精确俯仰角θpitch 以及俯仰角速度ωpitch ，云
台的翻滚角θroll 。采用求得的θpitch 输入改进的
PD 控制器中，得到控制云台的俯仰轴电机的输出
翻滚运动对稳像平台航向角的影响。通过控制方
位角补偿该影响，最后将计算得到的输出角速度
ωout 通过串行总线RS232传输到底层步进电机驱
动器中执行。本发明能对船载摄像系统的运动扰
动被补偿消除与抑制，从而达到抑制船载摄像时
图像晃动的目的。(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书3页 说明书7页 附图3页
(10)申请公布号CN 104811588 A (43)申请公布日2015.07.29
C N 104811588
A
1.一种基于陀螺仪的船载稳像控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1)使用具有俯仰轴与方位轴的基于步进电机的二自由度船载安防云台作为稳像平台；
2)利用加速度计和陀螺仪两种传感器分别获得云台的三轴加速度αx ，αy ，αz 及其三轴角速度ωx 、ωy 、ωz ；
3)将获得的这两种不同的俯仰轴上的数据αx 与ωy 进行对运算量以及内存优化的卡尔曼数据融合滤波，进而获得云台的精确俯仰角θpitch 以及俯仰角速度ωpitch ，同样的方式求得云台的翻滚角θrou ；
4)利用得到的俯仰角θpitch 输入改进的PD 控制器中，输出控制云台的俯仰轴电机的期望角速度值；
所述改进的PD 控制器中，PD 算法根据稳像云台的系统特点进行如下的改进步骤：error(k)＝θpitch -θtarget (6)
将式(6)得到的采样序号为k 时刻的偏差数据error(k)代入式(7)离散PD 控制器中得到控制量输出值u(k)
式中，error(k-1)是采样序号为k-1时刻的偏差数据；
控制器限幅输出：
当PD 控制器输出大于Max_U(k)时，系统输出Max_U(k)，同理当PD 控制器输出大于Min_U(k)时，系统输出Min_U(k)；
根据不同的error(k)对k p 参数作出改变，对k p 与error(k)建立基于指数函数的变化关系，实时改变系统的增益如下式(9)所示：
使用不完全微分的PD 算法，在原来的微分量u d (k)项中引入一阶低通滤波器，如式
(10)所示：
u d (k)＝k d (1-α)(error(k)-error(k-1))+αu d (k-1) (10)
同时结合了目标角改变微分消除算法对θtarget 改变时带来的微分量不代入计算，如式
(11)所示：
u d (k)＝u d (k)-k d *[θtarget (k)-θtarget (k-1)] (11)
5)解算稳像系统在非平衡状态下，船体出现翻滚运动对稳像平台航向角的影响，通过控制方位角补偿该影响；如式(14)所示：
式中，是k 时刻云台方位角，
为k-1时刻云台方位角，
θpitch (k)为k 时刻的俯仰角，θroll (k)为k 时刻的翻滚角，sin()为正弦运算，asin()为反正弦运算；
6)最后将计算结果传输到底层步进电机驱动器。
2.如权利要求1所述的一种基于陀螺仪的船载稳像控制方法，其特征在于：所述步骤
4)中，在PD 控制器的后级加上步进电机非线性加减速控制器；步进电机的功率、扭矩和转速是相关联的，具体关系为：
P ＝α-Torque*ω (12)
式中P 为步进电机功率，α为转换系数，Torque 是电机的扭矩，ω是电机转速；
当前允许最大加速度值与当前速度呈线性相关的关系：
PD 控制器的输出角速度结果经过与后级的步进电机加减速控制相比较，选择以后输出到步进电机上，
检验过程中系统对比PD 算法获得的速度与步进电机加减速控制算法计算得出的最大速度，并且始终选择两者的较小数值。
3.如权利要求1或2所述的一种基于陀螺仪的船载稳像控制方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的卡尔曼融合算法过程如下：
首先建立系统的状态方程:
上式中angle k 是k 时刻角度值，q_bias k 是陀螺仪的偏差，dt 是更新周期，gyro_m 是陀螺仪的过程噪声，w_angle 和w_gyro 分别是是加速度计与陀螺仪的测量噪声；
建立测量方程：
构造过程噪声矩阵：
构造测量噪声矩阵：[R_angle]
角度预测：
angle ＝angle-q_bias k *dt+gyro m *dt ＝angle+Rate*dt
方差预测：
角度误差更新：angle ＝incAngle-angle (2)
计算卡尔曼增益：
方差更新：
状态估计：
重复计算公式(1)～(5)直至到最优的结果。
一种基于陀螺仪的船载稳像控制方法
技术领域
[0001] 本发明应用于自稳定的摄像控制系统领域，涉及一种适用于基于惯性传感器陀螺仪的船载稳像系统的实时控制方法。
背景技术
[0002] 船载稳定摄像技术是稳像技术的一个衍生领域，涉及传感器数据采集、数据滤波融合、运动控制、电机驱动等多个相关的各类学科。
[0003] 随着近几年安防监控行业的迅速发展，摄像机不仅在道路，楼宇等固定平台上大量使用，而且广泛的应用于船只、汽车和飞行器等多种运动的载体中。与此同时，应用于这些不稳定载体的摄像机监控都存在一个问题：由于安装的载体存在摇晃，无法保证摄像机视角持续瞄准载体以外的监控目标，并且这个问题在船舰上尤为突出。正是因为船舰监控及安全存在的问题，民用、商用的船舰对装备具有自稳定功能的监控云台的需求越来越强烈。
[0004] 船舰上稳像技术实现一般有两种方式，其中一种是依靠将船载云台安装在额外添加的稳像平台上隔离船体运动干扰，以达到稳定摄像的效果。另外一种就是利用驱动摄像云台本身的电机以及对图像的处理消除船舰摇晃带来的图像摇晃问题。外加稳像平台的方式相对于直接控制云台电机的方式来说具有安装繁琐、体积庞大、增加成本等弊端。而通过处理图像来达到稳像目的的方式不适用于大角度摇晃的船舰上使用。并且处理方法复杂，对处理器要求很高，设备往往昂贵。一般采用电机运动补偿的控制处理方法太过简单，使用的稳像云台不是具有俯仰轴与方位轴的通用云台。扩展性较差。例如在授权公告号为CN203037261 U，发明名称是“一种小型陀螺仪稳像系统”的实用新型专利中，使用具有俯仰轴与翻滚轴的云台作为控制对象。并且处理方式过于简单，并没有对加速度计与陀螺仪的数据进行进一步处理，会导致精度不足。在步进电机控制方面，步进电机的运动方式是以步进角为最小运动单位θ
运行的，也就是说，系统具有一个高频的噪声，这对于控制器的微
u
分量u(D)是一个很强的干扰对造成系统的自激扰动。由于没有对步进电机加减速控制方式的优化，很容易造成步进电机的失步越步导致系统不稳定。
发明内容
[0005] 为了克服现有的船载摄像技术的安装复杂、通用性差、精度不足、稳定性不够以及成本过高的不足，本发明提供了一种基于陀螺仪的船载稳像控制方法，在保证稳像控制的精度和系统稳定性性的同时，又具有体积小、通用性好、低成本等特点。
[0006] 本发明解决上述技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0007] 一种基于陀螺仪的船载稳像控制方法，所述方法包括如下步骤：
[0008] 1)使用具有俯仰轴与方位轴的基于步进电机的二自由度船载安防云台作为稳像平台；
[0009] 2)利用加速度计和陀螺仪两种传感器分别获得云台的三轴加速度αx，αy，αz及
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