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手持无刷三轴稳定器的全角度
玩过无人机和无刷电机,再转云台的第一印象就是: 手持云台就是无刷电机+姿态解算+姿态控制;刚好就是无人机姿态控制和无刷电机的集合体。 再入坑三轴稳定器就会发现:无刷电机+姿态控制只是完成了云台的最基本的控制,一不小心云台就会乱串乱动。哈哈哈! 于是尝试这解决这一些列的问题,于是进入到全角度控制: 姿态解算的全角度 欧拉角有全角度吗?很显然欧拉角没有办法识别全角度,但是四元素可以表示全角度。三个电机的霍尔传感器,磁编码器可以表示全角度,陀螺仪积分可以表示全角度。既然这么多条件都可以表示全角度,那全角度控制就不是问题啦。 四元素表示全角度 细心研究姿态解算的伙伴可以发现:四元素在机子旋转到每一个方位的时候,Q1 Q2 Q3 Q4都会有不同的数值,这些不同的数值组合就可以表示全角度。 1、欧拉角由余弦向量表示 2、余弦向量可以表示全角度 所以想要做全角度就需要了解余弦向量的原理。 陀螺仪直接积分 陀螺仪直接积分就是很好的一个表示全角度的方法,唯一的缺点就是陀螺仪积分会产生漂移。所以怎样跟余弦向量组合一起又是一个学问了。 三轴共轴的坑 跑完了全角度的坑,接下来简单介绍下共轴的坑。以大疆灵眸三为例:假如挂手机那个电机是电机1,中间电机是电机2,手柄那里那个电机是电机3.(此处没有图片,只能自行脑补了)。当电机2转角足够大时,电机1的控制旋转方向刚好跟电机3的重合,这个就是共轴,所以共轴时三轴就变成了两轴,而且稳定性控制直接下降,处理的不好会导致电机乱动。 目前解决的办法就是电机二偏离重心角过大时实现自动跟随功能,防止角度过大而与电机3控制方向重合。 三轴全角度控制的象限 为了更好的分析在某些角度的时候出现的电机乱动现象。我把三轴云台分成几个部分。以开机回中时各个电机的角度为0°。则电机1分为: 1、电机1角度在[-45°,45°] 2、电机1角度在[45°,135°] 3、电机1角度在[135°,180°]和[-180°,-135°] 4、电机1角度在[-135°,-45°] 电机2也分为这四种状态 1、电机1角度在[-45°,45°] 2、电机1角度在[45°,135°] 3、电机1角度在[135°,180°]和[-180°,-135°] 4、电机1角度在[-135°,-45°] 欧拉角pitch也分为四种状态 1、pitch角度在[-45°,45°] 2、pitch角度在[45°,135°] 3、pitch角度在[135°,180°]和[-180°,-135°] 4、pitch角度在[-135°,-45°] 然后分完这些状态之后,需要解决的问题就是在某种状态下的共轴跟随,打杆处理、跟随模式的跟随。虽然有些状态这些处理是一样的,但是为了清晰明了,我还是分了这么多的状态,要不下次自己再看程序,都不知道自己到底写了个啥。 陀螺仪角速度转换到各个电机的角速度 若云台是正交的结构,那么电机角度都回到零度的时候,相对应的陀螺仪的XYZ轴可以跟电机123对应,但是当电机角度不是0°的时候,这个一一对应关系将被打破,所以先要做坐标变换。变换细节就要自己去摸索了,这里暂时不介绍。毕竟这个跟结构有关系。 欧拉角对应电机外环角度 欧拉角对应电机外环角度也需要做变换,并且在电机从小角度切换到大角度时怎么能顺畅的切换,这个我也是碰了很久的坑: 1、若单纯的使用sin cos变换的话就会出现角度不是0°时某一个轴动的时候会引起其他轴联动 2、根据电机切换到角度判断欧拉角与电机的对应关系时需要注意航向角可不为0,切换过去时需要以0°角切换 3、共轴、跟随时也需要切换 总之也都碰了很久的坑。 电机存在限位 目前市面上的手持云台,一般电机都带有限位,当电机达到限位时又需要做什么样子的处理呢; 1、电机1达到限位,需要切换横竖屏 2、电机2达到限位: 电机2达到限位时基本达到共轴的条件,这时需要做共轴处理。 3、电机3达到限位: 电机1、2角度均为零度 俯仰轴属于大角度(大疆的有做处理,其他牌子暂时未发现处理的)。 |
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