《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于AVR單片機(jī)的機(jī)載慣性穩(wěn)定云臺(tái)設(shè)計(jì)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
安鶴男,,陳 陽,張 軍,,潘嬌嬌
(深圳大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,,廣東 深圳518060)
摘要: 針對(duì)多旋翼無人機(jī)在航拍時(shí),,畫面會(huì)隨著巡航時(shí)俯仰、橫滾等飛行動(dòng)作而變得不穩(wěn)定的問題,設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)和MEMS陀螺儀的機(jī)載慣性穩(wěn)定云臺(tái),。該云臺(tái)利用經(jīng)卡爾曼濾波(Kalman Filtering)的陀螺儀輸出數(shù)據(jù)對(duì)飛機(jī)在三個(gè)軸向上的角速度變化進(jìn)行監(jiān)測和判斷,,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)對(duì)云臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)反向補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)使攝影機(jī)拍攝的畫面能夠時(shí)刻保持穩(wěn)定,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠,、性能良好,。
中圖分類號(hào): TP23
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.011

中文引用格式: 安鶴男,陳陽,,張軍,,等. 基于AVR單片機(jī)的機(jī)載慣性穩(wěn)定云臺(tái)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,,41(11):41-44.
英文引用格式: An Henan,,Chen Yang,Zhang Jun,,et al. Design of airborne inertial stabilization camera platform based on AVR microcontroller[J].Application of Electronic Technique,,2015,41(11):41-44.
Design of airborne inertial stabilization camera platform based on AVR microcontroller
An Henan,,Chen Yang,,Zhang Jun,Pan Jiaojiao
College of Electronic Science and Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060,,China
Abstract: Aiming at the shortcomings and deficiencies that existed in multirotor UAV aerial photography system, whose camera will be shaking if the UAV has to change the flight attitude, an airborne inertial stabilization camera platform based on AVR microcontroller and MEMS gyro is designed. The system uses Kalman filtered gyro output data to monitor and judge the change of angular velocity in the three axes of the UAV, drives the stepper motors to adjust the attitude of the camera platform, and finally achieve the system, so that the pictures captured by the camera upon the platform are stable all the time. The experimental results show that the system is stable, reliable and well-performanced.
Key words : microcontroller,;gyro;Kalman filtering,;inertial stabilization platform,;UAV;camera platform

 

0 引言

  近年來,,隨著自動(dòng)化技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,多旋翼無人機(jī)如雨后春筍般出現(xiàn),,并以航空攝影為核心,,在遙感測繪、地質(zhì)勘查,、反恐防暴,、抗災(zāi)救援、城市服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1],。

  在傳統(tǒng)的無人機(jī)航拍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,,攝像頭往往直接固定于無人機(jī)機(jī)身或安裝在一個(gè)僅能對(duì)攝像頭姿態(tài)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整的云臺(tái)上,。這類系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,,但卻具有較大的不足,。當(dāng)無人機(jī)在巡航過程中需要改變飛行姿態(tài)時(shí),攝像頭拍攝出來的畫面往往非常不穩(wěn)定,。

  為了解決這一問題,,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于AVR單片機(jī)和MEMS陀螺儀的無人機(jī)載三軸慣性穩(wěn)定云臺(tái)。該云臺(tái)能夠在無人機(jī)飛行姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)對(duì)攝像頭姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,,保證了拍攝畫面的穩(wěn)定,。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

  1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)


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  如圖1所示,,系統(tǒng)由一個(gè)中央控制單元和三個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元組成,。中央控制單元的主要功能是根據(jù)上位機(jī)的指令對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)度,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整,。三個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元分別在三個(gè)軸向上對(duì)經(jīng)卡爾曼濾波的陀螺儀輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,,在云臺(tái)姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),穩(wěn)定現(xiàn)有姿態(tài),。三個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元在系統(tǒng)進(jìn)入自穩(wěn)定狀態(tài)后同時(shí)開始工作,,協(xié)同運(yùn)行,提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性,。此外,,系統(tǒng)還在三個(gè)軸向上分別設(shè)置了一個(gè)行程限位開關(guān),用于云臺(tái)姿態(tài)的上電復(fù)位,。

  本系統(tǒng)各控制單元均采用ATmega系列AVR單片機(jī)作為控制器,。該系列單片機(jī)具有高效、穩(wěn)定,、外圍電路簡單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn),,內(nèi)置10位高精度A/D轉(zhuǎn)換器,,非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用。另外,,本系統(tǒng)采用層次化,、模塊化的設(shè)計(jì)架構(gòu),有利于系統(tǒng)的測試及維護(hù),,可靠性與穩(wěn)定性好,。

  1.2 中央控制單元設(shè)計(jì)


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  在本系統(tǒng)中,中央控制單元基于Atmel公司的ATmega1280單片機(jī)開發(fā),。如圖2所示,,ATmega1280單片機(jī)具有4個(gè)異步串口,。在本系統(tǒng)中,這4個(gè)異步串口分別連接上位機(jī)和3個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)控制單元,,用于系統(tǒng)控制指令和狀態(tài)數(shù)據(jù)的雙向傳遞,。

  中央控制單元的主要功能是負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)來的指令,并根據(jù)指令對(duì)相應(yīng)軸向的運(yùn)動(dòng)控制單元發(fā)出二級(jí)指令,,調(diào)度和控制各運(yùn)動(dòng)控制單元,,使之能夠協(xié)調(diào)地完成云臺(tái)姿態(tài)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定保持以及手動(dòng)控制操作。此外,,中央控制單元還負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并適時(shí)做出調(diào)整,。

  1.3 運(yùn)動(dòng)控制單元設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)設(shè)有3個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元,分別與云臺(tái)航向,、俯仰和橫滾3個(gè)軸向上的陀螺儀和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相連,,用于云臺(tái)的實(shí)時(shí)姿態(tài)調(diào)整。當(dāng)云臺(tái)在相應(yīng)軸向上發(fā)生姿態(tài)變化時(shí),,陀螺儀的輸出電壓也會(huì)跟隨著發(fā)生線性變化,。運(yùn)動(dòng)控制單元檢測到這一變化后,向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)脈沖,,驅(qū)動(dòng)相應(yīng)軸向上的步進(jìn)電機(jī)對(duì)云臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)反向補(bǔ)償,,消除外界振動(dòng)或飛行姿態(tài)的變化對(duì)云臺(tái)產(chǎn)生的影響,使云臺(tái)保持穩(wěn)定,。

  3個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元的硬件結(jié)構(gòu)相同,,都是由ATmega32單片機(jī)和外圍電路構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)控制單元的電路原理圖如圖3所示,。

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  電源VCC的電壓為直流5 V,;U1是ATmega32單片機(jī),內(nèi)置10位高精度A/D轉(zhuǎn)換器,,量程為0~5 V,,分辨率約4.88 mV;U2是Silicon Sensing公司的CRS03-02型MEMS陀螺儀,,該陀螺儀能夠以電壓模擬量的方式輸出其安裝位置的軸角角速度,,量程0~±100°/s,其輸出端直接與單片機(jī)U1的A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入引腳相連,;J1和J3分別是運(yùn)動(dòng)控制單元與中央控制單元同步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的通信接口,。

  此外,運(yùn)動(dòng)控制單元還設(shè)置了一個(gè)行程限位開關(guān)S1與U1單片機(jī)的中斷0引腳連接,。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí),,運(yùn)動(dòng)控制單元會(huì)將U1中斷0引腳置高電平并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),讓云臺(tái)平面以較低的角速度向有限位開關(guān)的一側(cè)運(yùn)動(dòng),。當(dāng)云臺(tái)觸碰到限位開關(guān)后,,U1中斷0引腳與地接通,,U1的低電平中斷被觸發(fā)。由于云臺(tái)平面在各軸向上的最大旋轉(zhuǎn)角度在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后就是一個(gè)固定的參數(shù),,因此,,運(yùn)動(dòng)控制單元接著驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),將云臺(tái)平面旋轉(zhuǎn)到中間的平衡位置,,完成云臺(tái)姿態(tài)的上電復(fù)位,。

  1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)


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  本云臺(tái)系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊基于Toshiba公司的TA8435H步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片開發(fā)。圖4是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖,,供電電壓VDD為直流24 V,,VCC為直流5 V。

  圖中M1是兩相步進(jìn)電機(jī),,整步的步距角為1.8°,;U1是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TA8435H,細(xì)分設(shè)置為1/8,,這使得步進(jìn)電機(jī)每步的步距角縮小至0.225°,,大大增加了系統(tǒng)的運(yùn)行精度和穩(wěn)定性。

  圖中J1是模塊與運(yùn)動(dòng)控制單元連接的數(shù)據(jù)接口,,其中引腳2為步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制引腳,,當(dāng)該引腳的輸入為低電平時(shí),步進(jìn)電機(jī)按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng),,當(dāng)輸入為高電平時(shí),,步進(jìn)電機(jī)按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng);引腳3為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制引腳,,向該引腳每輸入一個(gè)上升沿,,步進(jìn)電機(jī)能夠向指定方向轉(zhuǎn)動(dòng)0.225°,通過改變輸入信號(hào)中每兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間間隔,,即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  2.1 中央控制單元軟件設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)中央控制單元的主要功能是完成上位機(jī)指令的判別與傳遞以及系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)控制單元的綜合調(diào)度,軟件工作流程如圖5所示,。

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  2.2 運(yùn)動(dòng)控制單元云臺(tái)姿態(tài)自穩(wěn)定算法設(shè)計(jì)

  2.2.1 卡爾曼濾波

  當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制單元收到來自上位機(jī)的自穩(wěn)定指令并進(jìn)入慣性穩(wěn)定狀態(tài)后就開始不斷對(duì)陀螺儀輸出的模擬量進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換,,將陀螺儀輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并進(jìn)行讀取和處理。

  由于陀螺輸出的原始數(shù)據(jù)中包含一系列干擾和噪聲,,因而需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,降低這些干擾和噪聲,。本系統(tǒng)選用卡爾曼濾波算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理,。

  卡爾曼濾波是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程和測量方程,通過觀測數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)自身狀態(tài)進(jìn)行估計(jì),,使估計(jì)的均方誤差達(dá)到最小的濾波算法[2],。

  設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:

  Xk=Ak,,k-1 Xk-1+Bk,k-1 Wk(1)

  測量方程為:

  Yk=Ck Xk+Vk(2)

  其中,,Xk為k時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)向量,;Ak,k-1為k到(k-1)時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,;Bk,,k-1為k到(k-1)時(shí)刻的過程噪聲驅(qū)動(dòng)矩陣;Yk為k時(shí)刻系統(tǒng)的輸出向量,;Ck為測量矩陣,;Wk和Vk分別為過程噪聲和測量噪聲,并且被假設(shè)為高斯白噪聲[2-3]和隨機(jī)數(shù)噪聲[4],。

  根據(jù)狀態(tài)方程和測量方程,,有卡爾曼濾波的五個(gè)遞推公式:

  狀態(tài)一步預(yù)測:

  15.png

  其中,yk是k時(shí)刻卡爾曼濾波前的數(shù)據(jù),。根據(jù)上述5個(gè)方程,,只要給定初值X0和P0,即可根據(jù)k時(shí)刻的觀測值Yk計(jì)算出k時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)k,。為達(dá)到最佳效果,,選取[2]:

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  2.2.2 云臺(tái)姿態(tài)自穩(wěn)定算法設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)進(jìn)入自穩(wěn)定狀態(tài)后,3個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)控制單元同時(shí)對(duì)云臺(tái)在各自軸向上的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)姿態(tài)保持,。各軸向的運(yùn)動(dòng)控制單元軟件工作流程如圖6所示,。

006.jpg

3 系統(tǒng)測試及分析

  3.1 卡爾曼濾波性能測試及分析

  為了驗(yàn)證2.2.1節(jié)所述卡爾曼濾波算法的有效性,以運(yùn)動(dòng)控制單元中的MEMS陀螺儀在平衡狀態(tài)下的輸出量作為卡爾曼濾波器的輸入,,其處理結(jié)果及濾波前后對(duì)比如圖7所示,。濾波前后的數(shù)據(jù)特征對(duì)比如表1所示。

  從圖7可以直觀地看出,,卡爾曼濾波對(duì)陀螺輸出數(shù)據(jù)的作用明顯,。濾波前,陀螺輸出信號(hào)中含有較多白噪聲,,濾波后,,這部分白噪聲被很大程度地削弱了且均值保持不變,濾波前后數(shù)據(jù)特征對(duì)比見表1,。這說明本文2.2.1節(jié)所述的卡爾曼濾波算法對(duì)消除MEMS陀螺輸出信號(hào)中的噪聲有效,。

  3.2 云臺(tái)姿態(tài)自穩(wěn)定算法性能測試及分析

  本文2.2.2節(jié)提出了無人機(jī)載云臺(tái)姿態(tài)的自穩(wěn)定算法。為了驗(yàn)證這一算法的實(shí)際性能,,云臺(tái)上安裝了一個(gè)3軸角速度傳感器,,當(dāng)云臺(tái)處于慣性穩(wěn)定的狀態(tài)下,在云臺(tái)的3個(gè)軸向上同時(shí)以0~±100°/s范圍內(nèi)的任意角速度對(duì)云臺(tái)基座進(jìn)行變速晃動(dòng),。每次實(shí)驗(yàn)持續(xù)1分鐘,,每隔5 s記錄一次云臺(tái)穩(wěn)定平面在3個(gè)軸向上的角速度值,,以判斷云臺(tái)平面在自穩(wěn)定狀態(tài)下的精度和誤差,實(shí)驗(yàn)共重復(fù)20次,。

  根據(jù)20次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,,方位軸角速度均值為0.025 °/s,方差均值為0.001 6,,俯仰軸角速度均值為0.013 °/s,,方差均值為0.000 8,橫滾軸角速度均值為0.016 °/s,,方差均值為0.001 0,。

  以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,云臺(tái)在慣性穩(wěn)定狀態(tài)下能夠較好地保持云臺(tái)姿態(tài),。云臺(tái)角速度樣本方差較表1所示靜止?fàn)顟B(tài)下的角速度方差略大,,可能的原因是步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中,步與步之間產(chǎn)生了輕微的機(jī)械振動(dòng),。

4 結(jié)論

  本文所提出的基于ATmega單片機(jī)的無人機(jī)載三軸慣性穩(wěn)定云臺(tái)系統(tǒng),,能夠有效地在每軸向0~±100 °/s的角速度變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在飛行過程中云臺(tái)的姿態(tài)保持,確保了無人機(jī)在進(jìn)行航空拍攝時(shí)畫面的穩(wěn)定,。

  與其他機(jī)載慣性穩(wěn)定云臺(tái)相比,,本系統(tǒng)具有3個(gè)彼此獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制單元,并且由中央控制單元統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度和管理,,而其他機(jī)載慣性穩(wěn)定云臺(tái)系統(tǒng)往往只有一個(gè)負(fù)責(zé)云臺(tái)姿態(tài)自穩(wěn)定的處理芯片,。

  當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入慣性自穩(wěn)定狀態(tài)后,一般的機(jī)載慣性穩(wěn)定云臺(tái)系統(tǒng)往往只能以時(shí)間片輪詢的方式來實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸向姿態(tài)穩(wěn)定功能的同時(shí)進(jìn)行運(yùn)行,,實(shí)時(shí)性和可靠性較低,;本系統(tǒng)具有3個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制單元,能夠?qū)?個(gè)軸向的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)并行處理,,有效地縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,,提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

  另外,,相較于其他一些基于FPGA等類型嵌入式處理器開發(fā)的慣性平臺(tái)[5],,本系統(tǒng)在成本上具有較大優(yōu)勢。經(jīng)過大量驗(yàn)證,,本系統(tǒng)穩(wěn)定,、可靠、精度高,,具有較高的應(yīng)用價(jià)值,。

參考文獻(xiàn)

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