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1、分类号： UDC ： 工学硕士学位论文 密级： 编号： 相机稳定平台设计 硕士研究生：张兴旺 指导教师：谈振藩教授 学位级别：工学硕士 学科、专业：导航、制导与控制 所在单位：自动化学院 论文提交日期：2 0 0 9 年1 2 月 论文答辩日期：2 0 1 0 年3 月 学位授予单位：哈尔滨工程大学 C a n d i d a t e ：Z h a n gX i n g w a n g S u p e r v i s o r ：P r o f T a nZ h e n f a n A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r ：M a s t e r
2、o fE n g i n e e r i n g S p e c i a l i t y ：N a v i g a t i o n ，G u i d a n c ea n dC o n t r o l D a t eo fS u b m i s s i o n ：D e c e m b e r , 2 0 0 9 D a t eo f O r a lE x a m i n a t i o n ：M a r c h ，2 0 1 0 U n i v e r s i t y ：H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学
3、位论文授权使用声明 指导下，由 的引用已在 的内容外， 品成果。对 以明确方式 兴磁 弓只8I ! I 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2
4、 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 、I O? ，、 作者( 签字) ：方红数日王 导师( 签字) ：7 复彭盈蘑 日期： 0 口I o 年多月寥日幽乃年多月罗日 杂工作环境中的各项系统参数给系统稳定运行带来的影响，引入了P I D 控制 算法，实现了稳定平台的控制设计。 本文对相机稳定平台系统的工作原理进行了介绍，然后对系统总体方案 与系统结构进行了分析、仿真及设计。硬件F P G A 系统围绕A l t e r a 的C y c l o n e 系列F P G A 芯片展开，提出了以F P G A 为主控芯片的系统架构，并在此基础 搭建了F P G A 外
5、围电路。硬件处理器部分围绕内嵌软核处理器N i o sI I 展开， 添加了系统所需的S P I 模块、P W M 模块和U A R T 模块等。软件部分设计了 卡尔曼滤波、P I D 控制器和姿态解算等，进行了M a t l a b 仿真，最后在软硬件 设计的基础上对整个系统进行了调试，结果表明速度、精度和抗扰性达到系 统要求。 关键词：稳定平台；M E M S ；F P G A 嘶t hs m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ，h i g hr e l
6、 i a b i l i t y , e a s y - t o - d i g i t a lt e c h n o l o g y , e t s T h ep a p e rd e s i g nas e to fc o n t r o l l e rb a s e do n F P G Aa n dM E M S g y r o s c o p ea p p l i e df o rc a m e r as t a b l ep l a t f o r m C o n s i d e r i n gt h a t t h es y s t e mp a r a m e t e rw i
7、 l lb ec h a n g ei nt h eb a do p e r a t i n ge n v i r o n m e n t ，P I D c o n t r o la l g o l r i t h mh a sb e e nt a k e ni n t oa c c o u n t ，w h i c hh a v i n gr e a l i z e dt h ed e s i g no f c a m e r as t a b l ep l a t f o r m T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l
8、 ea n do v e r a l lp l a no ft h eo fc a m e r as t a b l e p l a t f o r m a n d n e x t l y i n t r o d u c e st h e a n a l y s i s ，s i m u l a t e r a n dd e s i g nf o r s t r u c t u r e H a r d w a r em a i n l yu s e st h eF P G Ac h i po fA l t e r a Sc y c l o n em o d e l s ，a n d b a s
9、 e do nt h i s ，b u i l d saF P G Aa u x i l i a r yc i r c u i t T h eh a r d w a r ep r o c e s s o rm a i n l y u s e st h ee m b e d d e ds o f t c o r ep r o c e s s o rN i o sI I T h e na d dt h es y s t e mr e q u i r e ds u c h a sS P I ，P W Ma n dU A R Tm o d u l e s T h ep a r to fs o f t
10、w a r ed e s i g n i n gaK a l m a nf i l t e r , P Dc o n t r o l l e ra n dt h ea t t i t u d es o l u t i o na n dM a t l a bs i m u l a t i o n A t1 a s tw h e n d e b u g g e dt h ew h o l es y s t e mo nt h eb a s i so fs o f t , r a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，t h e r e s u l t ss h o
11、 wt h a t t h i ss y s t e mh a sag o o dp e r f o r m a n c ei nt h ef i e l do fs p e e d ， a c c u r a c ya n da n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y K e yw o r d s ：S t a b l i z e dp l a t f o r m ；M E M S ；F P G A 哈尔滨工程大学硕七学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1M E M S 惯性器件的
12、发展1 1 2 2 稳定平台的发展3 1 3 论文的结构安排4 第2 章M E M S 陀螺及其信号处理“6 2 1M E M S 惯性传感器简介6 2 1 1M E M S 惯性传感器的分类”6 2 1 2M E M S 陀螺仪原理“7 2 1 3M E M S 陀螺仪A D I S16 3 5 0 简介8 2 2M E M S 陀螺误差分析lO 2 3M E M S 陀螺数据预处理及常值漂移补偿- 1 0 2 3 1 异常数据剔除1O 2 3 2 常值漂移和补偿1 2 2 4M E M S 陀螺随机漂移分析和滤波1 4 2 4 1 随机误差的A R M A 模型1 4 2 4 2K a l
13、 m a n 滤波器设计”1 5 2 4 2 1K a l m a n 滤波原理1 5 2 4 2 2 卡尔曼滤波的系统描述16 2 4 2 3 卡尔曼滤波器设计18 2 4 3 误差模型和滤波器性能的实验设计1 9 2 5M E M S 陀螺参数标定2 2 2 5 1 陀螺误差数学模型的确立2 2 2 5 2 标定方法设计2 3 2 5 3 标定实验结果分析2 6 2 6 系统坐标系及姿态解算2 7 2 6 1 坐标系选定2 7 2 6 2 姿态解算2 7 2 7 本章小结3 0 第3 章稳定平台系统建模与控制系统仿真3 1 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 3 1 舵机及其模型的建立3 1 3 1 1 稳定平台系统中的电动舵机3 1 3 1 2 舵机数学模型的建立3 2 3 2M E M S 陀螺模型的建立3 5 3 3 稳定平台系统模型3 6 3 4 稳定平台系统P I D 控制设计3 8 3 4 1P I D 简介3 8 3 4 2 平台中舵机的数字P I D 设计3 9 3 4 3 平台中的数字P I D 的参数选择原则”4 0 3 4 4 俯仰轴仿真4 0 3 4 5 俯仰轴整体仿真P I D 调节4 2 3 4 6 横滚轴仿真4 3
