攝像頭云臺設(shè)計報告

1、控制專題訓(xùn)練階段性報告攝像頭云臺設(shè)計學(xué)生姓名：2017 年 5 月 24 日摘要隨著社會的發(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)控中攝像機的一部分云臺， 也扮演著重要的角色。云臺是一種主要由兩個高精度電機組成的用于承載鏡頭的支架，其中一個電機負責(zé)控制云臺水平轉(zhuǎn)動，另一個電機用于控制云臺的垂直方向轉(zhuǎn)動，從而使攝像機鏡頭能夠在水平范圍內(nèi)，垂直180范圍內(nèi)實現(xiàn)兩個自由度的轉(zhuǎn)動。本文要設(shè)計的是立式攝像頭云臺，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計使攝像頭云臺能夠放置在平面上，可以實現(xiàn)水平方向和垂直方向各180的自由度轉(zhuǎn)動，體積較小便于存放， 使用兩個舵機分別控制云臺的水平轉(zhuǎn)動和垂直轉(zhuǎn)動，在上部的云臺上固

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，精度較低，為達到設(shè)計精度要求由單片機根據(jù) mpu9250反饋得到的角度數(shù)據(jù)對舵機的角度進行計算，使用PID 算法得到修正值進行修正。最終設(shè)計的攝像頭云臺的角度精度（以mpu9250反饋的當(dāng)前角度為標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前角度） 可達到 （大部分時間可達到以內(nèi)） ， 即當(dāng)云臺完成角度修正并穩(wěn)定后，角度與設(shè)定的偏轉(zhuǎn)角度相差總小于。 云臺從開始修正到角度偏差小于的時間不超過為2 秒（最長響應(yīng)時間）。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)置擺動的角度，同時可以看到當(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、計雖然采用了模擬舵機這種本身精度不高的電機，卻由PID算法對系統(tǒng)的精度做出了很大程度的彌補，穩(wěn)定角度誤差低于的精度已經(jīng)基本滿足云臺的設(shè)計目標(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；顯示屏模塊。一、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由兩個模擬舵機模塊、mpu9250模塊、攝像頭模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1、模擬舵機的論證與選擇方案一：使用模擬舵機和算法修正。模擬電機有其局限性，首先其最大轉(zhuǎn)速不快，能轉(zhuǎn)動60，同時經(jīng)過實測，舵機在本身轉(zhuǎn)動時，有可能會有一定的過沖，因為內(nèi)部控制系統(tǒng)，會自動往回修正一定距離，但是精

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

5、大空間，還需要合理擺放驅(qū)動器?？赡軙跈C械系統(tǒng)設(shè)計時花費更多的時間和精力，消耗大量時間。方案三：使用無刷電機。使用無刷電機轉(zhuǎn)動速度會比上述兩種電機都快，不過由于速度快，對于PID算法的要求也相應(yīng)提高，且無刷電機也需要使用電調(diào)才能使用單片機控制。 雖然其速度快，但是對于攝像頭云臺來說，過快的響應(yīng)速度意義并不是特別大。攝像頭云臺更看重精度，而無刷電機相對上述兩種電機來說對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)點在于靈活方便，體積較小，方便機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，價格經(jīng)濟，使用角度進行修正也可以達到很高的精度，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，對于角度的檢測和加速度的測定都有較高精度，且相對較為便宜，廣泛運用于各種需要角度，位移控制的控制系統(tǒng)中，但相對于mpu9250而言，少了三個方向的地磁角。方案二：mpu9250真塊。Mpu9250奠塊與mpu6050ft角度和加速度的測定上是一樣 的，但是mpu9250ft測定內(nèi)容上多了三個方向上的地磁偏角，可以使用算法利用地磁偏 角對原本測定的角度進行修正，相對于mpu6050#說，可達到的角度精度更高。綜合以上三種方案，方案二的優(yōu)點在于其測定的角度有地磁修正，相對于方案一而言，角度測定更準(zhǔn)確，選擇方案二。二、系統(tǒng)理論分析與計算1、可達到的最高角度精度的理論分析(

7、1)使用的模擬電機是角度伺服電機，給一個的脈沖時轉(zhuǎn)動到0點，脈沖最大為，轉(zhuǎn)動到180。從到有2ms的中間值。(2)若使用stm32的定時器，將定時器的預(yù)分頻設(shè)置為72倍，原時鐘頻率是72MHz 則分頻之后變成72MHZ/72=1MHZ即每個時鐘周期是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)進行設(shè)置，設(shè)計可以達到要求的精度以內(nèi)。2、 PID 參數(shù)的計算（ 1）最終設(shè)計時，為了參數(shù)計算方便，將0到180的中間值分給了1000 的pwm值。即每個值之間相差。（若舵機的分值完全準(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;進行 pwmfi勺差值計算。即角度與目標(biāo)角度每相差一度，就會有kp的pwm修正。由于舵機的操作方式是固定pwm 占空比轉(zhuǎn)動固定角度，所以采用差值的形式對pwmfi進行計算，在每次計算結(jié)束后對pwm 值進行修正。pwm = pwm_differ +pwm;（ 2） 由上述計算量可知，若只有比例參數(shù)進行修正則應(yīng)有：pwm_differ = kp*Bias;Pwm_differ * 0 （每個pwm值代表舵機的 ,此值為估計值不準(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 作為補償，取。完成粗略的取值估計后，進行實際的測試，根據(jù)測試結(jié)果這樣的取值基本能滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求，響應(yīng)時間基本上在2 秒以內(nèi)，精度能達到以內(nèi)。后經(jīng)過測試和修正，kp 和 ki 分別修正為4 和 1，現(xiàn)行精度可達到以內(nèi)，響應(yīng)時間也基本在 2 秒以內(nèi)。三、電路與程序設(shè)計1、電路的設(shè)計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dc-dc模塊將電壓將為5V， 再使用一個芯片產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電壓，對兩部分電源都進行電容濾波進行穩(wěn)壓，從而完成對單片機系統(tǒng)，舵機等設(shè)備的供電。2、程序的設(shè)計（ 1）程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分實現(xiàn) mpu925激據(jù)讀取，ov7670的圖像顯示，舵機的控制，觸摸屏的觸控，各種控制信息的顯示以及PID 算法的運行。1） PID 算法的運行：程序快速的將當(dāng)前系統(tǒng)的角度值讀取回來，計算出差值Bias =angle- target_angle 。其中，angle為歐拉角中的滾動角roll和航向角1aw。然后將 差值的積分也一并計算出：Bias_integeral =

11、Bias_integeral + Bias; 根據(jù) PID 算法中的 PI 算法，使用這兩個量值就可以計算出修正值。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)動部分：配置時鐘，定時器，輸出pwm波控制脈沖大小，驅(qū)動 ov7670攝像頭正常工作并傳輸數(shù)據(jù)，驅(qū)動 mpu925”讀取相關(guān)的角度值數(shù)據(jù)。2、程序設(shè)計思路驅(qū)動配置完成之后。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，將舵機的角度修正值計算出來，冉將改修正值通過pwm波脈沖時間的形式發(fā)送給

12、舵機，使舵機的角度值改變，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 計算子程序流程圖四、測試方案與測試結(jié)果1、測試方案與論證（ 1）硬件測試：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，各部分正常運行。舵機轉(zhuǎn)動時，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)軟件仿真測試：經(jīng)過仿真，程序能夠正常運行，讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的相關(guān)計算 都正常。(3)硬件軟件聯(lián)調(diào)：上電之后，程序正常運行，mpu9250 ov7670, led顯示屏都正常運行并能傳回數(shù)據(jù)，舵機可以按照指定方向轉(zhuǎn)動。正

13、常輸入目標(biāo)角度，測定系統(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)角度的偏差以此計算 精度。論證：由于制作的是機械系統(tǒng)，若系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，運行指標(biāo)滿足題目要求，則 系統(tǒng)的測試2、測試條件與儀器測試條件：檢查多次，上電之后運行系統(tǒng)檢查系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和系統(tǒng)精度。測試儀器：數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。3、測試結(jié)果及分析(1)測試結(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實際值2）測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，可以看出最大的精度偏差為，經(jīng)過后續(xù)的粗測量精度偏差最大基本不會超過，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，基本不會出現(xiàn)不穩(wěn)定因素，可以有效的使用。綜上所述，本設(shè)計達到題目要求的角度偏移小于的目標(biāo)。五、參考文獻1 譚浩強 .C 語言程序設(shè)計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

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