基于Arduino与Labview的无人飞行器航拍云台系统的设计

发布时间：2017-10-09 16:17

  本文关键词：基于Arduino与Labview的无人飞行器航拍云台系统的设计

  更多相关文章： 无人飞行器 航拍云台 姿态解算 滤波算法 工作方式

【摘要】：无人机是通过机载计算机程控或者地面站系统远程通信控制的不载人飞行器。使用无人机进行航空拍摄具有起飞降落场地限制小、遥感平台易于转场、拍摄影像清晰等突出优势,因此在国家生态环境保护、矿产资源勘探、海洋环境检测、农作物长势检测与估产、城市规划、国防事业、影视制造等领域得到广泛应用。在实现上述功能的过程中,航拍云台作为无人机航拍系统重要组成部分,其灵活性和智能性必然会影响整个系统的实现效果。通过调整航拍云台姿态,可以扩大航空拍摄景物的范围,航拍云台的稳定性和精准性将会影响所拍摄画面的质量。本设计创新思路将整个航空拍摄过程由飞行器控制人员和航拍云台控制人员协作完成,既能保证飞行器拍摄过程的安全性,又能使拍摄画面更加细致、拍摄更加灵活。本文的主要研究内容与成果如下:(1)分析了云台系统所涉及的相关技术。包括:脉冲宽度调制技术、舵机构成与驱动原理、卡尔曼滤波与互补滤波原理、陀螺仪与加速度计原理、四元数、SSL安全证书等技术。(2)介绍航拍云台系统的模块组成。首先介绍了整个航拍系统的工作原理,然后对各模块进行选型。其中主控模块采用的是开源的开发板Arduino UNO R3,姿态测量模块为9轴运动处理传感器-MPU6050,云台架构为三轴,还有云台驱动模块以及图像采集模块。(3)云台系统的硬件程序设计。首先对MPU6050数据进行采集,通过四元数与欧拉角的转换关系,对云台姿态信息进行解算;然后分别加入卡尔曼滤波和互补滤波算法进行比较,选取其中效果最好的算法作为最终方案;最后根据地面站控制指令选择控制模式,并结合云台姿态数据对舵机模块进行驱动。(4)地面站监视与控制系统的设计。软件开发环境采用的是LabVIEW2014,设计板块主要有:航拍视频采集与存储模块、传感器数据采集模块、云台姿态显示和Web发布模块等。本文所设计的航拍云台系统,实现了航拍云台的多种工作方式:云台跟随模式、平衡保持模式、主动控制模式,增强了航拍云台拍摄景物时的灵活性;而地面站上位机程序的设计,可以将云台姿态数据和航拍视频进行远程采集与显示,提高了信息的时效性。
【关键词】：无人飞行器 航拍云台 姿态解算 滤波算法 工作方式
【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.2 航拍飞行器研究现状10-12
• 1.3 本文主要研究内容12-14
• 第2章 云台系统涉及的相关技术14-21
• 2.1 脉冲宽度调制技术14
• 2.2 舵机构成与驱动原理14-15
• 2.3 卡尔曼滤波器原理15-16
• 2.4 互补滤波器原理16-17
• 2.5 陀螺仪与加速度计原理17-18
• 2.6 四元数微分方程式18-19
• 2.7 SSL安全证书19-21
• 第3章 云台系统的工作原理及硬件选型21-26
• 3.1 航拍系统的整体工作原理21-22
• 3.2 云台控制器Arduino UNO R322
• 3.3 云台驱动模块22-23
• 3.4 MPU6050模块23-24
• 3.5 航拍摄像模块24
• 3.6 地面接收站24-25
• 3.7 本章小结25-26
• 第4章 航拍云台系统的设计26-43
• 4.1 硬件设计部分26-27
• 4.1.1 Arduino与舵机的硬件连接26
• 4.1.2 Arduino与MPU6050的连接26-27
• 4.2 软件设计部分27-41
• 4.2.1 Arduino IDE简介27-28
• 4.2.2 MPU6050姿态解算以及算法实现28-31
• 4.2.3 卡尔曼滤波算法31-34
• 4.2.4 互补滤波算法34-36
• 4.2.5 Servo驱动函数介绍及初始化36-37
• 4.2.6 云台控制系统总体程序设计37-41
• 4.3 本章小结41-43
• 第5章 地面站监视与控制系统的设计43-54
• 5.1 LabVIEW简介与应用43
• 5.2 航拍视频采集与存储43-47
• 5.2.1 LabVIEW视频采集模块介绍43-45
• 5.2.2 LabVIEW视频采集与存储程序设计45-47
• 5.3 云台姿态数据采集、显示、发布47-53
• 5.3.1 LabVIEW云台姿态数据采集程序设计47-48
• 5.3.2 3D姿态监视与控制界面的设计48-50
• 5.3.3 云台姿态数据网络发布50-52
• 5.3.4 LabVIEW Web服务器安全机制52-53
• 5.4 本章小结53-54
• 第6章 系统测试与分析54-61
• 6.1 系统测试54-60
• 6.1.1 Kalman滤波与互补滤波测试54-57
• 6.1.2 云台主动控制模式测试57-58
• 6.1.3 Web发布功能测试58-60
• 6.2 本章小结60-61
• 第7章 结论与展望61-63
• 参考文献63-65
• 致谢65

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘京丹;;监控摄像云台解码板的维护与实现[J];企业技术开发;2012年13期

2 周肇基;;云台公园佳景览胜[J];花木盆景(花卉园艺);2008年10期

3 刘瑞;蒋蓁;雷小光;;小型机载云台结构设计和分析[J];机电工程;2010年02期

4 章霞;郝静如;李天剑;吴启焱;;管道检测机器人自动云台机电系统[J];北京机械工业学院学报;2007年03期

5 张苗苗;罗均;李磊;李恒宇;;基于仿生学的跟踪机械云台研究[J];机械工程师;2011年06期

6 郭建民;自制快速云台 轻松拍摄全景照[J];照相机;2003年09期

7 宋寅,杨香豹;让先行成为一种动能——云台山公交车服务探析[J];运输经理世界;2005年08期

8 朱苗全;自制双云台支架的改进[J];照相机;2004年08期

9 张毓栋;张磐;;云台选购全攻略[J];照相机;2008年03期

10 王敏;;云台山游记[J];陕西水利;2011年02期

中国重要会议论文全文数据库 前2条

1 梁浚;;云台设计[A];’2001天津信息技术、电子、仪器仪表学术会议论文集[C];2001年

2 梁任重;;花城明珠 友邦纪念——记云台花园建设[A];中国公园协会2009年论文集[C];2009年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 记者 王小萍;50亿元将投向云台山[N];河南日报;2010年

2 云南省档案馆 李艳;缪云台的成就与精神(下)[N];云南日报;2012年

3 记者 李耀华 通讯员 朱晓波 林建萍;环前云台山大道主体月底贯通[N];连云港日报;2014年

4 维萱　吴生锋;我市与韩国海云台区“牵手”[N];扬州日报;2007年

5 记者 刘静邋实习生 欧阳少伟 通讯员 刘微伟 刘星;云台花园成“奥运科普园”[N];南方日报;2008年

6 柴选;不可复制的云台山神话和可资借鉴的云台山经验[N];中国摄影报;2011年

7 记者 张寅 杨红川;云台两地签约22个项目[N];云南日报;2013年

8 通讯员 朱述亮 记者 刘伟;市领导检查文明创建工作[N];连云港日报;2008年

9 经报记者 彭波;云台再“连线”[N];云南经济日报;2013年

10 记者 朱丹 黄U喆，

本文编号：1001186