攝像頭云臺(tái)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、控制專題訓(xùn)練階段性報(bào)告攝像頭云臺(tái)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：2017 年 5 月 24 日摘要隨著社會(huì)的發(fā)展，視頻監(jiān)控行業(yè)在IT 行業(yè)中逐漸占據(jù)一角，同樣作為視頻監(jiān)控中攝像機(jī)的一部分云臺(tái)， 也扮演著重要的角色。云臺(tái)是一種主要由兩個(gè)高精度電機(jī)組成的用于承載鏡頭的支架，其中一個(gè)電機(jī)負(fù)責(zé)控制云臺(tái)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)用于控制云臺(tái)的垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使攝像機(jī)鏡頭能夠在水平范圍內(nèi)，垂直180范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。本文要設(shè)計(jì)的是立式攝像頭云臺(tái)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使攝像頭云臺(tái)能夠放置在平面上，可以實(shí)現(xiàn)水平方向和垂直方向各180的自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，體積較小便于存放， 使用兩個(gè)舵機(jī)分別控制云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)，在上部的云臺(tái)上固

2、定用于反饋角度信息的mpu9250九軸陀螺儀和攝像頭。由于使用的是模擬舵機(jī)，精度較低，為達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求由單片機(jī)根據(jù) mpu9250反饋得到的角度數(shù)據(jù)對(duì)舵機(jī)的角度進(jìn)行計(jì)算，使用PID 算法得到修正值進(jìn)行修正。最終設(shè)計(jì)的攝像頭云臺(tái)的角度精度（以mpu9250反饋的當(dāng)前角度為標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前角度） 可達(dá)到 （大部分時(shí)間可達(dá)到以內(nèi)） ， 即當(dāng)云臺(tái)完成角度修正并穩(wěn)定后，角度與設(shè)定的偏轉(zhuǎn)角度相差總小于。 云臺(tái)從開始修正到角度偏差小于的時(shí)間不超過為2 秒（最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間）。操作和數(shù)據(jù)的顯示均在觸摸屏上完成，可直接在觸摸屏上設(shè)置擺動(dòng)的角度，同時(shí)可以看到當(dāng)前的角度與設(shè)置的目標(biāo)角度，以及看到回傳的攝像頭拍攝到的圖像。本設(shè)

3、計(jì)雖然采用了模擬舵機(jī)這種本身精度不高的電機(jī)，卻由PID算法對(duì)系統(tǒng)的精度做出了很大程度的彌補(bǔ)，穩(wěn)定角度誤差低于的精度已經(jīng)基本滿足云臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)并能適應(yīng)許多特殊情況的要求。關(guān)鍵詞：mpu9250陀螺儀；stm32f103vet6 ; ov7670攝像頭；模擬舵機(jī)；顯示屏模塊。一、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由兩個(gè)模擬舵機(jī)模塊、mpu9250模塊、攝像頭模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。1、模擬舵機(jī)的論證與選擇方案一：使用模擬舵機(jī)和算法修正。模擬電機(jī)有其局限性，首先其最大轉(zhuǎn)速不快，能轉(zhuǎn)動(dòng)60，同時(shí)經(jīng)過實(shí)測(cè)，舵機(jī)在本身轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有可能會(huì)有一定的過沖，因?yàn)閮?nèi)部控制系統(tǒng)，會(huì)自動(dòng)往回修正一定距離，但是精

4、度也并不高。但是模擬舵機(jī)成本低，控制簡(jiǎn)單，控制時(shí)只需要調(diào)整一定的pwm波占空比就可以輕松控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，由于是角度伺服電機(jī)，最大只能轉(zhuǎn)動(dòng)180度，出現(xiàn)部分故障時(shí)危險(xiǎn)較小。盡管精度低，但是理論上只要使用 PID 算法進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，將參數(shù)測(cè)試合理，反饋的角度精確且速度較快，經(jīng)過調(diào)試也可以達(dá)到很高精度。方案二：使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)本身精度較高，控制時(shí)只需要按照預(yù)定的角度調(diào)整pwm波可以進(jìn)行指定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，若配合反饋的角度進(jìn)行控制應(yīng)該也很容易達(dá)到精度要求。但是步進(jìn)電機(jī)體積十分龐大，同時(shí)由于其本身的驅(qū)動(dòng)不能直接使用單片機(jī)而還需要使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器才能驅(qū)動(dòng)，同時(shí)使用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)不僅涉及云臺(tái)時(shí)需要預(yù)留很

5、大空間，還需要合理擺放驅(qū)動(dòng)器。可能會(huì)在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)花費(fèi)更多的時(shí)間和精力，消耗大量時(shí)間。方案三：使用無刷電機(jī)。使用無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度會(huì)比上述兩種電機(jī)都快，不過由于速度快，對(duì)于PID算法的要求也相應(yīng)提高，且無刷電機(jī)也需要使用電調(diào)才能使用單片機(jī)控制。 雖然其速度快，但是對(duì)于攝像頭云臺(tái)來說，過快的響應(yīng)速度意義并不是特別大。攝像頭云臺(tái)更看重精度，而無刷電機(jī)相對(duì)上述兩種電機(jī)來說對(duì)于高精度的角度控制略有難度。綜合以上三種方案，方案一的優(yōu)點(diǎn)在于靈活方便，體積較小，方便機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，使用角度進(jìn)行修正也可以達(dá)到很高的精度，選擇方案一。2、mpu9250奠塊的論證與選擇方案一：mpu6050真塊。Mpu

6、605Ch一款六軸陀螺儀，對(duì)于角度的檢測(cè)和加速度的測(cè)定都有較高精度，且相對(duì)較為便宜，廣泛運(yùn)用于各種需要角度，位移控制的控制系統(tǒng)中，但相對(duì)于mpu9250而言，少了三個(gè)方向的地磁角。方案二：mpu9250真塊。Mpu9250奠塊與mpu6050ft角度和加速度的測(cè)定上是一樣 的，但是mpu9250ft測(cè)定內(nèi)容上多了三個(gè)方向上的地磁偏角，可以使用算法利用地磁偏 角對(duì)原本測(cè)定的角度進(jìn)行修正，相對(duì)于mpu6050#說，可達(dá)到的角度精度更高。綜合以上三種方案，方案二的優(yōu)點(diǎn)在于其測(cè)定的角度有地磁修正，相對(duì)于方案一而言，角度測(cè)定更準(zhǔn)確，選擇方案二。二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1、可達(dá)到的最高角度精度的理論分析(

7、1)使用的模擬電機(jī)是角度伺服電機(jī)，給一個(gè)的脈沖時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)到0點(diǎn)，脈沖最大為，轉(zhuǎn)動(dòng)到180。從到有2ms的中間值。(2)若使用stm32的定時(shí)器，將定時(shí)器的預(yù)分頻設(shè)置為72倍，原時(shí)鐘頻率是72MHz 則分頻之后變成72MHZ/72=1MHZ即每個(gè)時(shí)鐘周期是1us,占2ms的2000分之1倍，也 就是說，經(jīng)過控制之后的最小分度值應(yīng)該是180/2000 = 。說明以現(xiàn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計(jì)可以達(dá)到要求的精度以內(nèi)。2、 PID 參數(shù)的計(jì)算（ 1）最終設(shè)計(jì)時(shí)，為了參數(shù)計(jì)算方便，將0到180的中間值分給了1000 的pwm值。即每個(gè)值之間相差。（若舵機(jī)的分值完全準(zhǔn)確）。PID算法使用了 PI算法，使 用公式：p

8、wm_differ = kp*Bias + ki * angle_integral_roll;進(jìn)行 pwmfi勺差值計(jì)算。即角度與目標(biāo)角度每相差一度，就會(huì)有kp的pwm修正。由于舵機(jī)的操作方式是固定pwm 占空比轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度，所以采用差值的形式對(duì)pwmfi進(jìn)行計(jì)算，在每次計(jì)算結(jié)束后對(duì)pwm 值進(jìn)行修正。pwm = pwm_differ +pwm;（ 2） 由上述計(jì)算量可知，若只有比例參數(shù)進(jìn)行修正則應(yīng)有：pwm_differ = kp*Bias;Pwm_differ * 0 （每個(gè)pwm值代表舵機(jī)的 ,此值為估計(jì)值不準(zhǔn)確）=Bias 。解方程組得：kp = 。（ 3）由于采用的是PI 控制，為了

9、避免過大的過沖，kp 取比小一些的值，程序中取 5， ki 作為補(bǔ)償，取。完成粗略的取值估計(jì)后，進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果這樣的取值基本能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，響應(yīng)時(shí)間基本上在2 秒以內(nèi)，精度能達(dá)到以內(nèi)。后經(jīng)過測(cè)試和修正，kp 和 ki 分別修正為4 和 1，現(xiàn)行精度可達(dá)到以內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間也基本在 2 秒以內(nèi)。三、電路與程序設(shè)計(jì)1、電路的設(shè)計(jì)1）系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示，圖 1 系統(tǒng)總體框圖2） PID 算法控制子系統(tǒng)框圖圖2PID算法控制子系統(tǒng)框圖3）電源電源由航模電池供電，由變壓部分，濾波部分，穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供5V和電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。航模電池的電壓約為，使

10、用一個(gè)dc-dc模塊將電壓將為5V， 再使用一個(gè)芯片產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電壓，對(duì)兩部分電源都進(jìn)行電容濾波進(jìn)行穩(wěn)壓，從而完成對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)，舵機(jī)等設(shè)備的供電。2、程序的設(shè)計(jì)（ 1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分實(shí)現(xiàn) mpu925激據(jù)讀取，ov7670的圖像顯示，舵機(jī)的控制，觸摸屏的觸控，各種控制信息的顯示以及PID 算法的運(yùn)行。1） PID 算法的運(yùn)行：程序快速的將當(dāng)前系統(tǒng)的角度值讀取回來，計(jì)算出差值Bias =angle- target_angle 。其中，angle為歐拉角中的滾動(dòng)角roll和航向角1aw。然后將 差值的積分也一并計(jì)算出：Bias_integeral =

11、Bias_integeral + Bias; 根據(jù) PID 算法中的 PI 算法，使用這兩個(gè)量值就可以計(jì)算出修正值。2）觸摸屏部分：用觸摸屏顯示當(dāng)前角度值，目標(biāo)角度值，輸出脈沖大小，顯示攝像頭模塊拍攝到的圖像信息，同時(shí)設(shè)置觸控按鈕，可以通過觸控改變目標(biāo)角度值的大小。3）基本驅(qū)動(dòng)部分：配置時(shí)鐘，定時(shí)器，輸出pwm波控制脈沖大小，驅(qū)動(dòng) ov7670攝像頭正常工作并傳輸數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng) mpu925”讀取相關(guān)的角度值數(shù)據(jù)。2、程序設(shè)計(jì)思路驅(qū)動(dòng)配置完成之后。程序通過mpu9250將當(dāng)前系統(tǒng)的角度值讀取回來，根據(jù) PID算法中的PI算法，將舵機(jī)的角度修正值計(jì)算出來，冉將改修正值通過pwm波脈沖時(shí)間的形式發(fā)送給

12、舵機(jī)，使舵機(jī)的角度值改變，使系統(tǒng)的角度按照預(yù)設(shè)位置高精度變化，從 而完成系統(tǒng)的角度控制。（ 2）程序流程圖1、主程序流程圖2） PID 計(jì)算子程序流程圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、測(cè)試方案與論證（ 1）硬件測(cè)試：檢查硬件電路圖，stm32 電路板和相關(guān)走線連接沒有問題。打開電源之后，各部分正常運(yùn)行。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，用數(shù)字示波器檢查5V電源和電源，無較大紋波，穩(wěn)壓及濾波電路正常工作。(2)軟件仿真測(cè)試：經(jīng)過仿真，程序能夠正常運(yùn)行，讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的相關(guān)計(jì)算 都正常。(3)硬件軟件聯(lián)調(diào)：上電之后，程序正常運(yùn)行，mpu9250 ov7670, led顯示屏都正常運(yùn)行并能傳回?cái)?shù)據(jù)，舵機(jī)可以按照指定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。正

13、常輸入目標(biāo)角度，測(cè)定系統(tǒng)的 穩(wěn)定性和精度。每次改變目標(biāo)角度10 ,查看最終的穩(wěn)定值與目標(biāo)角度的偏差以此計(jì)算 精度。論證：由于制作的是機(jī)械系統(tǒng)，若系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行指標(biāo)滿足題目要求，則 系統(tǒng)的測(cè)試2、測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，上電之后運(yùn)行系統(tǒng)檢查系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和系統(tǒng)精度。測(cè)試儀器：數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。3、測(cè)試結(jié)果及分析(1)測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))每次改變目標(biāo)值查看穩(wěn)定之后的角度值：(單位/ )目標(biāo)值10203004050060700130實(shí)際值2）測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看出最大的精度偏差為，經(jīng)過后續(xù)的粗測(cè)量精度偏差最大基本不會(huì)超過，由此可以得出以下結(jié)論：1

14、、系統(tǒng)的精度可滿足角度偏差不超過的精度。2、系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常高，基本不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定因素，可以有效的使用。綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到題目要求的角度偏移小于的目標(biāo)。五、參考文獻(xiàn)1 譚浩強(qiáng) .C 語言程序設(shè)計(jì)M. 北京 : 清華大學(xué)出版社,2012附錄 1：電路原理圖附錄 2：源程序int main(void)u8 t=0;u16 lastpos52;float pitch,roll,yaw;short aacx,aacy,aacz;short gyrox,gyroy,gyroz;short mx,my,mz;u8 error;u16 pwm_yaw,pwm_roll;u8 lightmode=1,sat

15、uration=2,brightness=2,contrast=2;u8 effect=2;u16 i,j;u32 color=0;float t_yaw,t_roll;delay_init();NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);uart_init(115200);LCD_Init();TIM4_PWM_Init(4999,143);SCCB_Init() ;POINT_COLOR=RED;LCD_ShowString(60,50,200,16,16,Mini STM32);LCD_ShowString(60,70,200,16,16

16、,TOUCH TEST);LCD_ShowString(60,90,200,16,16,ATOMALIENTEK);LCD_ShowString(60,110,200,16,16,2014/3/11);draw_button();printf(Usart is ok now!%drn,OV7670_Init();OV7670_Light_Mode(lightmode);OV7670_Color_Saturation(saturation);OV7670_Brightness(brightness);OV7670_Contrast(contrast);OV7670_Special_Effects

17、(effect);TIM6_Int_Init(10000,7199);/();EXTI8_Init();OV7670_Window_Set(12,176,240,320);OV7670_CS=0;printf(tp_init %drn,TP_Init();t_yaw = 0;t_roll = 0;while(mpu_dmp_init()delay_ms(200);/LED0=!LED0;while(1)camera_refresh();if(mpu_mpl_get_data(&pitch,&roll,&yaw)=0)error=MPU_Get_Accelerometer(&aacx,&aacy,&aacz);error=MPU_Get_Gyroscope(&gyrox,&gyroy,&gyroz);error=MPU_Get_Magnetometer(&mx,&my,&mz);(0); printf(pitch:%f roll:%f yaw:%f n,pitch,roll,yaw);if(&(1)if0&04