摄像头云台设计报告

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1、控制专题训练阶段性报告摄像头云台设计学生：2017 年5月24日摘要随着社会的发展，视频监控行业在 IT 行业中逐渐占据一角，同样作为视频 监控中摄像机的一部分云台，也扮演着重要的角色。云台是一种主要由两个 高精度电机组成的用于承载镜头的支架，其中一个电机负责控制云台水平转动， 另一个电机用于控制云台的垂直方向转动，从而使摄像机镜头能够在水平围，垂 直 180围实现两个自由度的转动。本文要设计的是立式摄像头云台，机械结构的设计使摄像头云台能够放置在 平面上，可以实现水平方向和垂直方向各 180的自由度转动，体积较小便于存放， 使用两个舵机分别控制云台的水平转动和垂直转动，在上部的云台上固定用于

2、反 馈角度信息的 mpu9250 九轴陀螺仪和摄像头。由于使用的是模拟舵机，精度较 低，为达到设计精度要求由单片机根据 mpu9250 反馈得到的角度数据对舵机的 角度进行计算，使用PID算法得到修正值进行修正。最终设计的摄像头云台的角度精度（以 mpu9250 反馈的当前角度为标准当 前角度）可达到 0.2（大部分时间可达到 0.1以），即当云台完成角度修正并稳定 后，角度与设定的偏转角度相差总小于0.2。云台从开始修正到角度偏差小于0.2 的时间不超过为 2 秒（最长响应时间）。操作和数据的显示均在触摸屏上完成， 可直接在触摸屏上设置摆动的角度，同时可以看到当前的角度与设置的目标角 度，以

3、及看到回传的摄像头拍摄到的图像。本设计虽然采用了模拟舵机这种本身精度不高的电机，却由PID算法对系统 的精度做出了很大程度的弥补，稳定角度误差低于 0.2的精度已经基本满足云台 的设计目标并能适应许多特殊情况的要求。关键词：mpu9250陀螺仪；stm32f103vet6； ov7670摄像头；模拟舵机；显示屏模块。目录一、系统方案11、模拟舵机的论证与选择12、mpu9250 模块的论证与选择 2二、系统理论分析与计算21、可达到的最高角度精度的理论分析2（1）模拟舵机原理2（2）stm32 定时器计算错误!未定义书签。2、PID 参数的计算2（1）PID 原理分析和算法设计2（2）PID

4、参数理论估计值计算3（3）PID 参数的测试与修改3三、电路与程序设计31、电路的设计3（1）系统总体框图3（2）PID 算法子系统框图5（3）电源52、程序的设计6 （1）程序功能描述与设计思路6 （2）程序流程图6四、测试方案与测试结果81、测试方案与论证82、测试条件与仪器93、测试结果及分析9（1）测试结果（数据）9（2）测试分析与结论9五、参考文献 10附录 1：电路原理图11附录 2：源程序12一、系统方案本系统主要由两个模拟舵机模块、mpu9250模块、摄像头模块、电源模块组成， 下面分别论证这几个模块的选择。1、模拟舵机的论证与选择方案一：使用模拟舵机和算法修正。模拟电机有其局

5、限性，首先其最大转速不快0.17s能转动60, 同时经过实测，舵机在本身转动时，有可能会有一定的过冲，因为部 控制系统，会自动往回修正一定距离，但是精度也并不高。但是模拟舵机成本低，控制 简单，控制时只需要调整一定的 pwm 波占空比就可以轻松控制转动的角度，由于是角 度伺服电机，最大只能转动 1 80度，出现部分故障时危险较小。尽管精度低，但是理论 上只要使用PID算法进行合理的设计，将参数测试合理，反馈的角度精确且速度较快， 经过调试也可以达到很高精度。方案二：使用步进电机。步进电机本身精度较高，控制时只需要按照预定的角度 调整 pwm 波可以进行指定角度的转动，若配合反馈的角度进行控制应

6、该也很容易达到 精度要求。但是步进电机体积十分庞大，同时由于其本身的驱动不能直接使用单片机而 还需要使用步进电机驱动器才能驱动，同时使用两个步进电机不仅涉及云台时需要预留 很大空间，还需要合理摆放驱动器。可能会在机械系统设计时花费更多的时间和精力， 消耗大量时间。方案三：使用无刷电机。使用无刷电机转动速度会比上述两种电机都快，不过由 于速度快，对于PID算法的要求也相应提高，且无刷电机也需要使用电调才能使用单片 机控制。虽然其速度快，但是对于摄像头云台来说，过快的响应速度意义并不是特别大。 摄像头云台更看重精度，而无刷电机相对上述两种电机来说对于高精度的角度控制略有 难度。综合以上三种方案，方

7、案一的优点在于灵活方便，体积较小，方便机械结构的设 计，价格经济，使用角度进行修正也可以达到很高的精度，选择方案一。2、mpu9250 模块的论证与选择方案一：mpu6050模块。Mpu6050是一款六轴陀螺仪，对于角度的检测和加速度 的测定都有较高精度，且相对较为便宜，广泛运用于各种需要角度，位移控制的控制系 统中，但相对于mpu9250而言，少了三个方向的地磁角。方案二：mpu9250模块。Mpu9250模块与mpu6050在角度和加速度的测定上是一 样的，但是mpu9250在测定容上多了三个方向上的地磁偏角，可以使用算法利用地磁偏 角对原本测定的角度进行修正，相对于 mpu6050来说，

8、可达到的角度精度更高。综合以上三种方案，方案二的优点在于其测定的角度有地磁修正，相对于方案一 而言，角度测定更准确，选择方案二。1、可达到的最高角度精度的理论分析(1) 使用的模拟电机是角度伺服电机，给一个0.5ms的脉冲时转动到0点，脉冲 最大为2.5ms，转动到180。从0.5ms到1.5ms有2ms的中间值。(2) 若使用stm32的定时器，将定时器的预分频设置为72倍，原时钟频率是 72MHZ,则分频之后变成72MHZ/72=1MHZ，即每个时钟周期是1us，占2ms的2000分 之1倍，也就是说，经过控制之后的最小分度值应该是180/2000 = 0.09 o说明以现行 参数进行设置

9、，设计可以达到要求的 0.5精度以。2、PID 参数的计算(1) 最终设计时，为了参数计算方便，将0到180的中间值分给了 1000的pwm 值。即每个值之间相差0.18(若舵机的分值完全准确)。PID算法使用了 PI算法，使用 公式：pwm_differ = kp*Bias + ki * angle_integral_roll;进行 pwm 的差值计算。即角度与目标 角度每相差一度，就会有 kp 的 pwm 修正。由于舵机的操作方式是固定 pwm 占空比转 动固定角度，所以采用差值的形式对pwm值进行计算，在每次计算结束后对pwm值进 行修正。pwm = pwm_differ +pwm;(2

10、) 由上述计算量可知，若只有比例参数进行修正则应有：pwm_differ = kp*Bias; Pwm_differ * 0.18 (每个pwm值代表舵机的0.18, 此值为估计值不准确)=Bias。解方程组得：kp = 5.56。(3) 由于采用的是PI控制，为了避免过大的过冲，kp比5.56小一些的值，程 序中 5, ki作为补偿，取0.5。完成粗略的取值估计后，进行实际的测试，根据测试结 果这样的取值基本能满足系统设计的要求，响应时间基本上在2秒以，精度能达到0.3 以。后经过测试和修正，kp和ki分别修正为4和1,现行精度可达到0.2。以，响应时间 也基本在 2秒以。三、电路与程序设计

11、(1)系统总体框图系统总体框图如图1 所示图 1 系统总体框图(2) PID算法控制子系统框图图 2PID 算法控制子系统框图(3) 电源 电源由航模电池供电，由变压部分，滤波部分，稳压部分组成。为整个系统提供5V和3.3V电压，确保电路的正常稳定工作。航模电池的电压约为11.1V,使用一个dc-dc 模块将电压将为5V,再使用一个asm1117-3.3V芯片产生一个稳定的3.3 V电压，对两部 分电源都进行电容滤波进行稳压，从而完成对单片机系统，舵机等设备的供电。2、程序的设计（1）程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分实现mpu9250数据读取，OV7670的图像显示，

12、舵机的控制， 触摸屏的触控，各种控制信息的显示以及PID算法的运行。1 ） PID算法的运行：程序快速的将当前系统的角度值读取回来，计算出差值Bias= angle- target_angle。其中，angle为欧拉角中的滚动角roll和航向角yaw。然后将差值的 积分也一并计算出：Bias_integeral = Bias_integeral + Bias;根据PID算法中的PI算法，使用 这两个量值就可以计算出修正值。2）触摸屏部分：用触摸屏显示当前角度值，目标角度值，输出脉冲大小，显示摄 像头模块拍摄到的图像信息，同时设置触控按钮，可以通过触控改变目标角度值的大小。3）基本驱动部分：配置

13、时钟，定时器，输出 pwm 波控制脉冲大小，驱动 ov7670 摄像头正常工作并传输数据，驱动mpu9250并读取相关的角度值数据。2、程序设计思路驱动配置完成之后。程序通过 mpu9250 将当前系统的角度值读取回来，根据 PID 算法中的PI算法，将舵机的角度修正值计算出来，再将改修正值通过pwm波脉冲时间 的形式发送给舵机，使舵机的角度值改变，使系统的角度按照预设位置高精度变化，从 而完成系统的角度控制。（2）程序流程图1、主程序流程图初始化所有 外部设备和 单片机读取摄像头图 像数据计算pwm补偿 值并提供给舵 机将所有信息发 送给LCD显示屏、显示,检测触摸屏并 更改目标角度 值读取

14、 mpu9250 传回角度值2、PID 计算子程序流程图将补偿值加到 当前值并限幅根据系数计算 补偿值根据当前角 度和目标角 度计算出差 值和积分将计算值赋给 定时器，改变 脉冲时长补偿值限幅四、测试方案与测试结果1、测试方案与论证(1) 硬件测试：检查硬件电路图，stm32电路板和相关走线连接没有问题。打开 电源之后，各部分正常运行。舵机转动时，用数字示波器检查5V电源和3.3 V电源，无 较大纹波，稳压及滤波电路正常工作。2)软件仿真测试：经过仿真，程序能够正常运行，读取数据，数据的相关计算都正常。(3) 硬件软件联调：上电之后，程序正常运行，mpu9250, ov7670,lcd显示屏都

15、 正常运行并能传回数据，舵机可以按照指定方向转动。正常输入目标角度，测定系统的 稳定性和精度。每次改变目标角度 10，查看最终的稳定值与目标角度的偏差以此计算 精度。论证：由于制作的是机械系统，若系统能够稳定运行，运行指标满足题目要求，则 系统的测试2、测试条件与仪器测试条件：检查多次，上电之后运行系统检查系统的运行稳定性和系统精度 测试仪器：数字示波器，数字万用表，指针式万用表。3、测试结果及分析(1)测试结果(数据)每次改变目标值查看稳定之后的角度值：(单位/)目标值10203040506070130实际值10.012619.984629.953640.095450.016960.031469.8994129.986(2)测试分析与结论根据上述测试数据，可以看出最大的精度