云台摄像头的速度控制方法和装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种云台摄像头的速度控制装置，包括：指令接收单元，用于接收驱动云台摄像头运转的转动指令；位移计算单元，用于根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离；速度查询单元，用于根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取电机转动速度；驱动控制单元，用于将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。采用本发明，可以通过较低的成本较大程度地消除云台摄像头抖动。
【专利说明】
云台摄像头的速度控制方法和装置
技术领域
[0001] 本发明设及摄像头传动技术，更具体地，设及云台摄像头的速度控制方法和装置。
【背景技术】
[0002] 云台摄像头设置有转动电机，电机在驱动摄像头转动时，需要摄像头在预定时间 转动至预定位置，因此摄像头需要W最高速转动至预定位置。现有技术中，电机直接驱动摄 像头W额定的最高速转动，因而摄像头拍摄的画面会产生抖动，从而影响了拍摄质量。
[0003] 现有的防抖技术主要有自然防抖技术，比如:调高感光度来提高快口速度;光学防 抖技术，比如:利用特殊的镜头或者电荷禪合元件(Charge Coupled Device，CCD)的结构， 可W通过运些防抖技术降低摄像头在使用过程中由于抖动造成的影响等。但是，运些防抖 技术对硬件要求过高，且主要适用于手机、相机在拍摄过程中的手抖问题，并不适用于云台 摄像头通过电机运转的应用场景。
【发明内容】
[0004] 鉴于上述问题，本发明提供一种云台摄像头的速度控制方法和装置，能够通过较 低的成本较大程度地消除云台摄像头的抖动。
[0005] 本发明实施例中提供了一种云台摄像头的速度控制方法，包括：
[0006] 接收驱动ZST台摄像头担转的转动指令；
[0007] 根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距 离；
[000引根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取电机转动速度；
[0009] 将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台 摄像头转动到所述目标位置。
[0010] 优选地，根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取速度变换列 表的步骤中，所述速度与加速度模型，包括：
[0011]
[0012] 其中，W为控制模型的自然频率，Z为参考输入值，V为电机转动速度，a为加速度，扫 为加速度的一阶导数。
[0013] 优选地，查询预先存储的速度与加速度模型之后，获取电机转动速度之前，还包 括：
[0014] 利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿。
[0015] 优选地，利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿 的步骤中，所述扰动观测模型，包括：
[0016] GD(S) =k0/s+l
[0017]其中，GD(S)为比例积分环节，D为实时检测的补偿误差，kO为补偿系数。
[0018]优选地，接收驱动云台摄像头运转的转动指令的步骤之前，包括：
[0019] 通过手持终端发送所述转动指令。
[0020] 优选地，通过手持终端发送所述转动指令，还包括：
[0021] 通过手持终端编辑第一转动指令，该指令包括摄像头水平转动角度和水平转动方 向。
[0022] 优选地，接收驱动云台摄像头运转的转动指令的步骤之前，还包括：
[0023] 通过手持终端编辑第二转动指令，该指令包括摄像头垂直转动角度和垂直转动方 向。
[0024] 优选地，接收驱动云台摄像头运转的转动指令的步骤之前，还包括：
[0025] 通过手持终端编辑第=转动指令，该指令包括云台的移动距离和移动方向。
[0026] 优选地，将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动 所述云台摄像头转动到所述目标位置的步骤中，所述电机控制端，包括:直流力矩电机伺服 系统。
[0027] 优选地，所述直流力矩电机伺服系统的动态方程，包括：
[0028] u = iR+L ? di/dt+Kev;
[0029] M=iKm；
[0030] 1 =扣巧0;
[0031] 其中，u，i，M，J，v，0，Ke、KmW及TO分别为输入电压、线圈电流、电机输出力矩、转动 惯量、电机转动速度、角加速度、反电动势常数、转矩常数和负载力矩。
[0032] 相应地，本发明实施例提供了一种云台摄像头的速度控制装置，包括：
[0033] 指令接收单元，用于接收驱动云台摄像头运转的转动指令；
[0034] 位移计算单元，用于根据所述转动指今，计算所述云台摄像头从当前位置到目标 位置之间的位移距离；
[0035] 速度查询单元，用于根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取 电机转动速度；
[0036] 驱动控制单元，用于将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控 制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。
[0037] 优选地，所述位移计算单元中，所述速度与加速度模型，包括：
[00；3 引
[0039] 其中，W为控制模型的自然频率，Z为参考输入值，V为电机转动速度，a为加速度，扫 为加速度的一阶导数。
[0040] 优选地，所述位移计算单元，还包括：
[0041] 补偿计算单元，用于利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进 行扰动补偿。
[0042] 优选地，所述补偿计算单元中，所述扰动观测模型，包括：
[0043] GD(S) =k0/s+l
[0044] 其中，GD(S)为比例积分环节，D为实时检测的补偿误差，kO为补偿系数。
[0045] 优选地，包括:指令发送单元，用于通过手持终端发送所述转动指令。
[0046] 优选地，还包括:与所述指令发送单元相连的第一指令编辑单元，用于通过手持终 端编辑第一转动指令，该指令包括摄像头水平转动角度和水平转动方向。
[0047] 优选地，还包括:与所述指令发送单元相连的第二指令编辑单元，用于通过手持终 端编辑第二转动指令，该指令包括摄像头垂直转动角度和垂直转动方向。
[0048] 优选地，还包括:与所述指令发送单元相连的第=指令编辑单元，用于通过手持终 端编辑第=转动指令，该指令包括云台的移动距离和移动方向。
[0049] 优选地，所述驱动控制单元中，所述电机控制端，包括:直流力矩电机伺服系统。
[0050] 优选地，所述直流力矩电机伺服系统的动态方程，包括：
[0051] u = iR+L ? di/dt+Kev;
[0化2] M=iKm；
[0化3] 1 =扣巧0;
[0054] 其中，11，1，1，1，乂，0，1(6、1(111^及1'〇分别为输入电压、线圈电流、电机输出力矩、转动 惯量、电机转动速度、角加速度、反电动势常数、转矩常数和负载力矩。
[0055] 相对于现有技术，本发明提供的方案，在接收驱动云台摄像头运转的转动指令之 后，云台摄像头并非按照现有技术当中W额定的最高速度启动电机到达预设的目标位置， 而是先根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离。 根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度列表。将查询获得的速度和/或加速度发 送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。电机按照指定 的加速度运转，加速度在所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的过程中从小到大， 再从大到小，使得电机的运转速度呈缓慢变化，消除摄像头因电机转动而产生的抖动现象。
[0056] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，运些将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0057] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根据运些附图获得其他的附 图。
[0058] 图1为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的流程图；
[0059] 图2为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的第一实施例示意图；
[0060] 图3为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的第二实施例示意图；
[0061] 图4为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的扰动观测模型示意图；
[0062] 图5为本发明一种云台摄像头的速度控制装置的示意图；
[0063] 图6为本发明一种云台摄像头的速度控制装置的实施例示意图。
【具体实施方式】
[0064] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的 附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0065] 在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照 特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，运些操作可W不按照其在本文中出现的顺 序来执行或并行执行，操作的序号如1〇1、1〇2等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号 本身不代表任何的执行顺序。另外，运些流程可W包括更多或更少的操作，并且运些操作可 W按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的"第一"、"第二"等描述，是用于区分不 同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定"第一"和"第二"是不同的类型。
[0066] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明保护的范围。
[0067] 图1为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的流程图，包括：
[0068] SlOl:接收驱动云台摄像头运转的转动指令；
[0069] S102:根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位 移距离；
[0070] S103:根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取电机转动速 度；
[0071] S104:将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所 述云台摄像头转动到所述目标位置。
[0072] 在接收驱动云台摄像头运转的转动指令之后，云台摄像头并非按照现有技术当中 W额定的最高速度启动电机到达预设的目标位置，而是先根据所述转动指令，计算所述云 台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离。根据所述位移距离，查询预先存储的速 度与加速度列表。将查询获得的电机转动的速度和/或加速度发送给云台摄像头的电机控 制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。电机按照指定的加速度运转，加速度在所 述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的过程中从小到大，再从大到小，使得电机的运 转速度呈缓慢变化，消除摄像头因电机转动而产生的抖动现象。
[0073] 图2为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的第一实施例示意图。其中，阴影部 分的面积表示步骤S102计算的位移距离，根据该位移距离W及预先存储的速度与加速度模 型，绘制电机转动速度随时间变化的曲线。如图2所示，加速度在所述云台摄像头从当前位 置到目标位置之间的过程中从小到大，再从大到小，使得电机的运转速度呈缓慢变化，消除 摄像头因电机转动而产生的抖动现象。
[0074] 图3为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的第二实施例示意图。与图2不同， 图3的实施例转动的距离较小，速度并没有加速到电机额定的最高速度便开始减速。同样， 图3的实施例也是先根据步骤S102计算的位移距离，即阴影面积。再根据阴影面积W及速度 与加速度模型绘制电机转动速度的变化曲线，最后，将查询获得的电机转动的速度和/或加 速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。
[0075] 从时域控制角度来说，传统的运动控制器的设计着眼于如何尽快达到目标位置， 而对于系统所受到的扰动，则是W被动的反馈方式进行抑制。运样设计出来的控制方法往 往较为复杂，而且动态响应存在超调，不能很好地抑制系统所受到的外界扰动，从而难W使 运动控制系统不同方面的性能同时达到高指标要求。比如在云台摄像头当中，电机的运动 受到外界扰动而使摄像头产生抖动，影响拍摄质量。
[0076] 为了减小外界扰动对系统造成的影响，国内外的伺服技术将速度反馈引入到控制 系统设计中。然而，在运些应用了速度/加速度信号的控制方法中，速度/加速度多单纯地被 用于抑制扰动，而且其实现方式为简单的速度/加速度反馈，运样做实际上相当于增大了系 统的等效惯量。也就是说，运种方法一方面提高了系统抗扰动性，另一方面却降低了系统的 响应速度，而补偿响应速度的方法是提高增益，但提高增益既降低了系统的稳定性，又放大 了速度/加速度环之外的扰动。所W，本发明提出了速度与加速度模型，包括：
[0077]
[007引其中，W为控制模型的自然频率，Z为参考输入值，V为电机转动速度，a为加速度，注 为加速度的一阶导数。W的数值由程序设定，通过对参数W的调节，可W改变模型的带宽。只 要不超过电机的响应带宽，并满足抑制噪声的需要，可W尽可能增大W，W提高系统的响应 速度。
[0079] 上述速度与加速度模型在没有任何外界扰动及被控对象模型误差的理想情况下 可W满足我们的需求，降低电机因扰动而致使摄像头抖动的问题。但要实现速度与加速度 模型所确定的期望运动方式，首先需要对外界扰动及模型误差所组成的等价扰动进行精确 补偿。本发明的云台摄像头的速度控制方法，查询预先存储的速度与加速度模型之后，获取 电机转动速度之前，还包括：
[0080] 利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿。
[0081] 通过加速度信号来构造扰动观测器的一个显著的优点是该观测器所设及的各变 量之间都是线性关系，几乎不需要微积分环节，因此能够实现扰动观测的快速性与准确性。
[0082] 图4为本发明一种云台摄像头的速度控制方法的扰动观测模型示意图.在图4所示 系统中，T作为补偿器的输出，能够对外界扰动Td予W补偿，而D为实时观测的补偿误差。为 了实现T对Td迅速而精确的补偿，由D通过一个比例积分环节GD(S)对T进行矫正。故此，扰动 观测模型GD(S),包括：
[0083] Gd(S) =ko/s+l
[0084] 其中，Gd(S)为比例积分环节，D为实时检测的补偿误差，ko为补偿系数。扰动观测模 型GD(S)的积分环节用于保证扰动补偿的稳态误差为零，其增益系数由ko调试而定。
[0085] 将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台 摄像头转动到所述目标位置的步骤中，所述电机控制端，包括:直流力矩电机伺服系统。
[0086] 在其中一个实施例当中，所述直流力矩电机伺服系统的动态方程，包括：
[0087] u = iR+L ? diMt+KeV;
[008引 M=iKm;
[0089] M = J 白巧 0;
[0090] 其中，11，1，1，1，乂，目，1(6、1(。^及1'〇分别为输入电压、线圈电流、电机输出力矩、转动 惯量、电机转动速度、角加速度、反电动势常数、转矩常数和负载力矩。
[0091] 在其中一个实施例当中，接收驱动云台摄像头运转的转动指令的步骤Sioi之前， 包括:通过手持终端发送所述转动指令。所述手持终端包括手机，Ipad，移动电脑等终端设 备。通过上述手持终端可选择编辑的转动指令可W包括第一转动指令、第二转动指令和第 =转动指令，分别控制第一电机，第二电机和第=电机。其中，第一电机负责控制摄像头在 水平方向上（向左或向右）的转动，W便摄像头拍摄四周画面。第二电机负责控制摄像头在 垂直方向上（向上或向下）的转动，W便摄像头拍摄仰视和俯视画面。第一电机和第二电机 的相互配合，可W拍摄全景画面。另外，第=电机负责搭载摄像头的云台的移动，W便于实 现摄像头的巡航。
[0092] 故此，通过手持终端编辑第一转动指令，该指令包括摄像头水平转动角度和水平 转动方向。通过手持终端编辑第二转动指令，该指令包括摄像头垂直转动角度和垂直转动 方向。通过手持终端编辑第=转动指令，该指令包括云台的移动距离和移动方向。
[0093] 相应地，图5为本发明一种云台摄像头的速度控制装置的示意图，包括：
[0094] 指令接收单元，用于接收驱动云台摄像头运转的转动指令；
[0095] 位移计算单元，用于根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标 位置之间的位移距离；
[0096] 速度查询单元，用于根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度列表；
[0097] 驱动控制单元，用于将查询获得的速度和/或加速度发送给云台摄像头的电机控 制端，该电机控制端驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。
[0098] 在其中一个实施例当中，所述位移计算单元中，所述速度与加速度模型，包括：
[0099]
[0100] 其中，W为控制模型的自然频率，Z为参考输入值，V为电机转动速度，a为加速度，曰 为加速度的一阶导数。
[0101] 在其中一个实施例当中，所述位移计算单元，还包括：
[0102] 补偿计算单元，用于利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进 行扰动补偿。
[0103] 所述补偿计算单元中，所述扰动观测模型，包括：
[0104] GD(S) =k0/s+l
[0105] 其中，GD(S)为比例积分环节，D为实时检测的补偿误差，kO为补偿系数。
[0106] 图6为本发明一种云台摄像头的速度控制装置的实施例示意图，包括：
[0107] 指令发送单元，用于通过手持终端发送所述转动指令。
[010引如图6所示，还包括：
[0109] 与所述指令发送单元相连的第一指令编辑单元，用于通过手持终端编辑第一转动 指令，该指令包括摄像头水平转动角度和水平转动方向。
[0110] 如图6所示，还包括：
[0111] 与所述指令发送单元相连的第二指令编辑单元，用于通过手持终端编辑第二转动 指令，该指令包括摄像头垂直转动角度和垂直转动方向。
[0112] 如图6所示，还包括：
[0113] 与所述指令发送单元相连的第=指令编辑单元，用于通过手持终端编辑第=转动 指今，该指今包括云台的移动距离和移动方向。
[0114] 在其中一个实施例当中，所述驱动控制单元中，所述电机控制端，包括:直流力矩 电机伺服系统。
[0115] 所述直流力矩电机伺服系统的动态方程，包括：
[0116] u = iR+L ? di/化+Kev;
[0117] M=iKm；
[011引 1 =扣巧0;
[0119]其中，11，1，1，1，乂，0，1(6、1(111^及1'〇分别为输入电压、线圈电流、电机输出力矩、转动 惯量、电机转动速度、角加速度、反电动势常数、转矩常数和负载力矩。
[0120]所属领域的技术人员可W清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统， 装置和单元的具体工作过程，可W参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再寶述。
[0121 ] W上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干变形和改进，运些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应W所附权利要求为准。
【主权项】
1. 一种云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，包括： 接收驱动Ζ5Γ台摄像头运转的转动指令； 根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置之间的位移距离； 根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取电机转动速度； 将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制端，驱动所述云台摄像 头转动到所述目标位置。2. 根据权利要求1所述的云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，根据所述位移距 离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取速度变换列表的步骤中，所述速度与加速度模 型，包括：其中，W为控制模型的自然频率，Z为参考输入值，v为电机转动速度，a为加速度，&为加 速度的一阶导数。3. 根据权利要求1所述的云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，查询预先存储的速 度与加速度模型之后，获取电机转动速度之前，还包括： 利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿。4. 根据权利要求3所述的云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，利用加速度构造扰 动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰动补偿的步骤中，所述扰动观测模型，包括： GD(s) = kO/s+l 其中，GD(s)为比例积分环节，D为实时检测的补偿误差，kO为补偿系数。5. 根据权利要求1所述的云台摄像头的速度控制方法，其特征在于，接收驱动云台摄像 头运转的转动指令的步骤之前，包括： 通过手持终端发送所述转动指令。6. -种云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，包括： 指令接收单元，用于接收驱动云台摄像头运转的转动指令； 位移计算单元，用于根据所述转动指令，计算所述云台摄像头从当前位置到目标位置 之间的位移距离； 速度查询单元，用于根据所述位移距离，查询预先存储的速度与加速度模型，获取电机 转动速度； 驱动控制单元，用于将查询获得的所述电机转动速度发送给云台摄像头的电机控制 端，驱动所述云台摄像头转动到所述目标位置。7. 根据权利要求6所述的云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，所述位移计算单元 中，所述速度与加速度模型，包括：其中，w为控制模型的自然频率，Z为参考输入值，v为电机转动速度，a为加速度，3为加 速度的一阶导数。8. 根据权利要求6所述的云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，所述位移计算单 元，还包括： 补偿计算单元，用于利用加速度构造扰动观测模型，对待输出的电机转动速度进行扰 动补偿。9. 根据权利要求8所述的云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，所述补偿计算单元 中，所述扰动观测模型，包括： GD(s) = kO/s+l 其中，GD(s)为比例积分环节，D为实时检测的补偿误差，kO为补偿系数。10. 根据权利要求6所述的云台摄像头的速度控制装置，其特征在于，包括： 指令发送单元，用于通过手持终端发送所述转动指令。
【文档编号】G05D13/52GK105955328SQ201610366004
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】熊道云
【申请人】北京奇虎科技有限公司, 奇智软件（北京）有限公司