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1、 江 西 理 工 大 学本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：航空摄像机防抖平台云台设计学 院：电气工程与自动化学院专 业：自动化班 级：091 班学 生：方强学 号：37 号指导教师：王祖麟 职称：教授摘 要高质量的摄像需要的条件有摄像机的好坏、角度的选取、摄影师的水平和平台的稳定，这里提出一种能让摄像机保持稳定，使摄像机不会因为一些抖动而影响摄影质量的平台，就是高稳定防抖云台，平台采用的算法是 PID 经过改进后实现的，目标是提高初始调节速度、减小超调量和减小稳定后的纹波。经过实践操作，实现了这一个目标，很好的实现了调节相应速度快、稳定、调节过程平滑，不会出现自身产生的抖动，这些要求。关键
2、词：摄像；PID 算法；云台；高稳定ABSTRACKConditions required for high-quality imaging with the quality of the camera angle selection, the photographers level and stable platform presented here a way to get the camera to remain stable, so that the camera will not be affected because some jitter photographic quality
3、 platform is the high stability stabilization PTZ platform uses PID algorithm is realized through improved, the goal is to improve the initial adjust the speed and reduce overshoot and reduced stability after ripple. After a practical operation, to achieve this goal, to achieve a good adjustment cor
4、responding speed, stable, smooth adjustment process, the jitter will not self-generated, these requirements.Key words: camera shooting;PID;PZT;High stability目 录第 1 章 绪论 .11.1 本文背景和航拍云台技术发展现状 .11.2 课题来源及设计要求 .11.2.1 设备应适应的环境 .1第 2 章 航空摄像机防抖系统总体方案设计 .22.1 航空摄像机防抖系统概述 .22.2 航空摄像机防抖系统具体方案选择 .22.2.1 云台机械
5、架构及外形选择 .22.2.2 算法方案选择 .32.2.3 运动部件（电机）的选择 .4第 3 章 航空摄像机防抖系统组成及其硬件设计 .53.1 平衡传感器 .53.2 电机操控 .63.3 主控芯片及接口电路 .63.3.1 ARM 处理器的型号 .73.3.2 Cortex-M3 v7M 处理器 .83.3.3 STM32F103VET6 .83.3.4 STM32F103VET6 最小系统 .83.4 电机驱动单元设计 .123.5 数据采集 .123.5.1 DMA .133.6 数字显示电路设计 .133.6.1 LCD11264 .133.6.2 模块化设计 .143.6.3
6、IIC 通信协议 .15第 4 章 航空摄像机防抖系统控制策略及软件设计 .194.1 系统软件总体结构 .194.2 信号处理 .194.3 闭环控制算法设计 .204.3.1 PID 控制理论概述 .204.3.2 PID 算法的效果 .22第 5 章 工程实物制作 .235.1 硬件电路制作 .235.2 软件程序编程与调试 .235.2.1 ADS .245.2.2 IAR .245.2.3 RVMDK .24设计总结 .25附 录 A 电路图 .26附 录 B 部分程序清单 .28参考文献 .35外文资料 .36致 谢 .50江西理工大学 09 届本科生毕业设计（论文）0第 1 章
7、绪论1.1 本文背景和航拍云台技术发展现状国外较早地开始了这方面的研究，主要用于军事方面，也是由军事开始的，第一个云台是二战时德国用在导弹上面的，使当时的导弹具有很高的打击精度，后来得到很多国家的肯定，并且效仿，这项技术使导弹打击精度技术进入了一个新时代。与国外相比，国内对于云台的研究起步相对较晚。70 年代进口了外国的一个 76X 系列的云台，并且根据这个云台的原理进行模仿，并且将这项技术运用到了武器当中。后来到了 90 年代，陀螺仪技术的兴起，开始使用陀螺仪来增加稳定，并且取得了相当好的效果。整体来说，目前这项技术还是主要用于军工方面，民用很少，有的售价也高达百万级别，里面的技术还是属于国
8、家机密型。但是民间为了获取高质量的航拍效果，比如电视拍摄等艺术性航拍，用于建设规划、工程勘察，灾情勘察，抢险救灾等实用性航拍方面。像汶川地震时、雅安地震时的拍摄，广西等地区高山峻岭地方需要修路前的环境勘察。目前民用的高稳定中最稳定的属拥有 Body-Pan 专利的美国航拍系统，而我国，暂且没有高稳定航拍系统。所以民间对这方面的需求很强，这方面的研究是很有前景的。1.2 课题来源及设计要求本人在大学期间研究的方向就是电机控制类的，这个也是本人的兴趣爱好，并且在控制方面有一定的成就，基础还算是比较扎实。本课题源于市场的需求和个人的兴趣爱好。本系统的用途：用于航航空拍摄起相机防抖作用。设计要求采用嵌
9、入式 MCU 对平台的控制响应速度快，运动平滑，且能保持稳定。1.2.1 设备应适应的环境环境温度：-5C- +65C环境湿度：90 %供电电压：+5V江西理工大学 09 届本科生毕业设计（论文）1第 2 章 航空摄像机防抖系统总体方案设计2.1 航空摄像机防抖系统概述基于 cortex-M3 的航空摄像机防抖系统，利用改进后的 PID 算法控制，运动部分采用 360舵机，MCU 采用 cortex-M3 架构的 STM32F103VET6，传感器利用飞思卡尔的 MMA7361（加速度/角度传感器） ，将平台控制成响应速度快，并且调节运动相对平滑，没有顿挫感的高稳定防抖平台。2.2 航空摄像机
10、防抖系统具体方案选择2.2.1 云台机械架构及外形选择机械结构参数如表 2-1表 2-1 机械结构参数Error! Reference source not found.相机内框 圆框直径 153MM 相机安装位135MM 至 140MM 可调式 机台上下可调行程: 20MM 外圈宽度210MM 云台总高260mm 材料机构玻纤 钢轴 铝合金 云台拆分结构图如图 2-1图 2-1 云台拆分结构图江西理工大学 09 届本科生毕业设计（论文）2云台实物图如图 2-2图 2-2 云台实物图2.2.2 算法方案选择算法方案：1)开关量调节法2)固定增量调节法3)PID 类型算法调节法4)4.基于线性自
11、适应神经网络原理的改进算法算法分析：第 1 种方法：响应速度够快。无法做到运动平滑的要求，会使平台运动起来顿挫感很强烈第 2 种方法：运动平滑和响应速度只能取其中一种，另外一种就效果会很差第 3 种方法：运动平滑和响应速度都可以有，算法理解难度不会很高。第 4 种方法：网上搜索出来的，国际上面高性能云台都用的算法，但是数学理解难度很高，要求的环境很苛刻，很难得到满足，但是一旦成功，控制效果是上面 4 中方法中最好的。江西理工大学 09 届本科生毕业设计（论文）3选择结果：使用第 3 种方案，测试拍摄效果，最后有可能的话，学习第 4 种方法，挑战高端。2.2.3 运动部件（电机）的选择运动部件（电机方案）：1)180舵机2)直流电机3)360舵机4)步进电机电机分析：第 1 种电机：控制方便，可以直接计算并且定位需要旋转的角度，但是转动范围只有 180，对于机械结构里面的相机内框有一个大齿轮来说，舵机 180的转动范围太小了，完全不起作用。第 2 种电机：可连续正反转动，速度快，精度高，但是刹车不方便，当此电机工作在停止状态时，不方便，而此云台大部分时间是工作在停止状态。第 3 种电机：可连续正反转动，速度快，精度高，力矩大，而且此电机可以工
