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专利号: 2020102572937
申请人: 青岛联合创智科技有限公司
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基线可变的双目云台的控制方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤一,获取双目云台所在机体的姿态;

步骤二,进行图像对比获取目标点的像素偏移量,从而得到双目云台在俯仰和水平旋转方向的绝对调整角度;

步骤三,正逆运动学解算获取双目云台的调整量;

步骤四,建立关于基线的系统运动方程;

步骤五,通过模糊自适应PID控制驱动双目云台调整姿态;

步骤三具体方法如下:

(1)对世界坐标系的坐标xw,yw,zw进行变换,得到机体坐标系的坐标xd,yd,zd;

变换的公式如下:

其中,

机体坐标系为直角坐标系,Zd轴作为机体横滚轴,表征机体的横滚运动;Xd轴作为机体俯仰轴,表征机体的俯仰运动;Yd轴作为机体航向轴,表征机体的水平旋转运动;Rd为世界坐标系到机体坐标系的旋转矩阵,td表示世界坐标系到机体坐标系的平移,txd,tyd,tzd分别代表机体坐标系原点相对于世界坐标系原点在xw,yw,zw方向上的平移量, βd,θd表示机体的航向角,俯仰角和横滚角,由安装在机体上的位移传感器获得;

(2)对机体坐标系的坐标xd,yd,zd进行变换,得到相机坐标系的坐标xc,yc,zc;

变换的公式如下:

其中,

Rc为机体坐标系到相机坐标系旋转矩阵,tc表示机体坐标系到相机坐标系的平移,txc,tyc,tzc分别代表相机坐标系原点相对于机体坐标系原点在xd,yd,zd方向上的平移量,由双目云台在机体上的相对安装位置获得; βc,θc分别表示相机的航向角,俯仰角和横滚角,通过角度传感器获得;此处因为双目云台不能进行翻转,所以相对于机体的翻滚角θc=0;

(3)对相机坐标系的坐标xc,yc,zc进行变换,得到图像物理坐标系的坐标x,y;

变换的公式如下:

其中,zc为目标到相机的垂直距离,f为相机焦距;

(4)对图像物理坐标系的坐标x,y进行变换,得到图像像素坐标系的坐标u,v,从而得到世界坐标系的坐标xw,yw,zw到图像像素坐标系的坐标u,v的正运动学变换公式;

变换的公式如下:

其中,

dx,dy分别为图像像素点在图像物理坐标系x,y轴上的物理尺寸,γ为相机的扭曲因子;

将公式(8)(9)(10)(11)整合,得到从世界坐标系的坐标xw,yw,zw到图像像素坐标系的坐标u,v的正运动学变换公式:(5)对正运动学变换公式两端取逆,得到图像像素坐标系的坐标u,v到世界坐标系的坐标xw,yw,zw的逆运动学变换公式;

具体如下:

对公式(12)两端取逆,得到从图像像素坐标系的坐标u,v到世界坐标系的坐标xw,yw,zw的逆运动学变公式:

(6)将目标点的像素位置与画幅中心点间像素位置的像素差(Δu,Δv)和双目云台分别在俯仰和水平旋转方向的绝对调整角度Δβ和 代入逆运动学变换公式,得到双目云台的相对俯仰角和航向角的角度改变量分别为β′c, 从而使目标回到相机画幅中心,完成追踪;

具体如下:

将目标点的像素位置与画幅中心点间像素位置的像素差(Δu,Δv)和公式(6),(7)所得到的绝对调整角度 Δβ分别代入公式(13)中,可得方程组通过对方程组(14)求解,得出矩阵从而得到当相机像素坐标系的平移量为Δu,Δv时,对应双目云台的相对航向角和俯仰角的角度改变量为 β′c,可以使目标回到相机画幅的中心,完成追踪。

2.根据权利要求1所述的一种基线可变的双目云台的控制方法,其特征在于,步骤一具体方法如下:

(1)双目云台安装在可移动的机体上,通过传感器获取机体当前的姿态四元数Q=[q i T

j k],四元数由一个实数q和三个虚数i、j、k组成,三个虚数分别表征绕三个轴的旋转;

(2)根据机体的姿态四元数获取机体的旋转矩阵将旋转矩阵Rd表示为

(3)根据旋转矩阵获取当前机体的欧拉角Ω,得到被控姿态;

机体当前状态的欧拉角为 为机体航向角,βd为机体俯仰角,αd为机体横滚角;

3.根据权利要求2所述的一种基线可变的双目云台的控制方法,其特征在于,步骤二具体方法如下:

通过目标识别算法识别出目标在相机图像中的像素位置,并对该目标点的像素位置变化进行监控,当目标点处于相机追踪框内时,不产生双目云台运动指令;当目标点超出相机追踪框时,根据目标点的像素位置与画幅中心点间像素位置的像素差(Δu,Δv),得到双目云台分别在俯仰和水平旋转方向的绝对调整角度Δβ和其中,f为相机的焦距。

4.根据权利要求1所述的一种基线可变的双目云台的控制方法,其特征在于,步骤四建立系统运动方程如下:

其中,M1+mL是双目云台进行水平转动的转动惯量,m为单个相机的质量,L为双目云台基线的长度,M1为去掉相机后双目云台的水平转动惯量,M2是双目云台和相机进行俯仰运动的转动惯量;C1,C2分别为双目云台改变航向和俯仰时的等效阻尼,Q1,Q2分别为双目云台改变航向和俯仰的等效弹性系数; βc分别为双目云台航向角和俯仰角, 分别为双目云台航向角速度和俯仰角速度, 分别为双目云台航向角加速度和俯仰角加速度;T1,T2分别为驱动双目云台进行改变航向和俯仰的两个输入力矩。

5.根据权利要求4所述的一种基线可变的双目云台的控制方法,其特征在于,步骤五的具体方法如下:

(1)将计算得到的双目云台的相对航向角和俯仰角的角度改变量,和通过传感器获得的双目云台在航向角和俯仰角的实际改变量进行比较,得出两者之间的差值,并求得差值随时间的变化率;

(2)将差值和差值变化率输入模糊自适应参数PID控制器,该控制器对输入量进行模糊化处理,查询模糊矩阵表进行参数调整,然后对输出量进行去模糊处理,在双目云台基线长度改变时,产生对电机转动的最佳控制量;

(3)最佳控制量通过驱动器放大和转化生成驱动信号,从而驱动电机转动,使双目云台到达预定的航向角和俯仰角。

6.根据权利要求5所述的一种基线可变的双目云台的控制方法,其特征在于,电机转动的最佳控制量D(t)的计算公式如下:其中,Kp为比例系数,Ki为积分系数,Kd为微分系数;

在模糊自适应PID控制过程中动态调整Kp,Ki,Kd的值,在双目云台基线的长度L改变时,产生对电机转动的最佳控制量D(t)。