基于STM32的云台稳定器设计
发布时间：2020-12-08 20:04
针对视频拍摄过程中容易出现不稳定的现象,提出以STM32为主控核心的防抖动云台的设计方案。文章介绍了以MPU9250为姿态传感器获取原始姿态角,利用卡尔曼滤波融合算法计算出稳定可靠的姿态角,当检测到姿态角发生偏移时,通过PID算法调节SPWM波,经DRV8313芯片放大后驱动三相无刷直流电机,将抖动消除,使云台保持稳定。通过理论仿真与实际测试,实现了能够搭载小型运动相机的云台稳定器。
【文章来源】：绥化学院学报. 2020年05期 第149-153页
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
所示，图中虚线为加速度正交角度，实线为陀螺仪积分角度，可以看到在该情况下，加速度直接计算的角度高频噪声严重，而陀螺仪计算的角度存在漂移现象，两者都无法直接使用
?粤街岬募铀俣茸稣?唬?玫浇?度波形如图9所示。图8原始角速度积分计算角度结果图图9加速度正交计算角度结果为使结果更直观，将两者进行叠加显示，其结果如图10所示，图中虚线为加速度正交角度，实线为陀螺仪积分角度，可以看到在该情况下，加速度直接计算的角度高频噪声严重，而陀螺仪计算的角度存在漂移现象，两者都无法直接使用。而采用卡尔曼滤波算法来进行滤波融合，其结果如图11所示，可以看到由算法进行融合后，能产生较为平滑的波形，能够很好消除角度偏移和抖动，达到解算较为稳定的姿态效果。图10直接计算角度叠加图图11卡尔曼滤波算法融合结果在实际调试中，给定不同的初始参数会导致融合结果的不一致，实际上真正解算出的角度会因为每个芯片的不同，得到的偏移值也有所不同，这里只能尽量保证其性能平稳，解析姿态不会大幅度漂移。本系统搭载三相无刷直流电机，选用DRV8313作为功率放大芯片，并对PID参数进行调节，当PID参数不合适的时候，云台无法平稳运行，经过测试，本平台P参数小于10时抖动严重，大于10时轻微抖动，而I参数影响不大，0.05-0.08都可以平稳运行，D参数随P参数的变化而不同，经过测试能够稳定运行的参数为P:10、I:0.08、D:5，在平稳运行时，通过记录滤波融合后随机抽查传出的横滚轴和俯仰轴角度数据如表1所示，从表中可以看出，角度的仅在±1°范围内抖动，云台总体运行比较平稳。表1横滚轴和俯仰轴角度数据次数12345横滚轴角度(°)0.62670.8773-0.6157-0.759920.5938俯仰轴角度(°)0.20630.23380.18980.8908-0.1678六、结语系统采用姿态传感器MPU9250采集云台的姿态，并通过卡尔漫滤波融合算法解析姿态，配合PID算法控制SPWM波?
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于改进卡尔曼滤波的姿态解算算法[J]. 王晓初,李宾,刘玉县,郭帅良,范耀华. 科学技术与工程. 2019(24)
[2]姿态检测及模糊PID算法的自平衡小车[J]. 刘成涛,李显鹏. 单片机与嵌入式系统应用. 2019(07)
[3]基于DSP无刷直流电动机控制系统设计[J]. 宋连庆,袁世博,韩兴会. 计算机与数字工程. 2018(03)
[4]基于PID+Kalman的姿态角算法研究[J]. 刘春,傅丽娟,谢皓,邓传远. 仪表技术与传感器. 2018(02)
[5]四阶龙格—库塔法的原理及其应用[J]. 冯建强,孙诗一. 数学学习与研究. 2017(17)
[6]MPU9250传感器的姿态检测与数据融合[J]. 刘春阳,徐军领,程洪涛,王东方,薛玉君. 河南科技大学学报(自然科学版). 2015(04)
[7]基于Kalman滤波算法的姿态传感器信号融合技术研究[J]. 陈航科,张东升,盛晓超,王凯. 传感器与微系统. 2013(12)
[8]基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量[J]. 冯智勇,曾瀚,张力,赵亦欣,黄伟. 西南师范大学学报(自然科学版). 2011(04)
本文编号：2905610
【文章来源】：绥化学院学报. 2020年05期 第149-153页
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
所示，图中虚线为加速度正交角度，实线为陀螺仪积分角度，可以看到在该情况下，加速度直接计算的角度高频噪声严重，而陀螺仪计算的角度存在漂移现象，两者都无法直接使用
?粤街岬募铀俣茸稣?唬?玫浇?度波形如图9所示。图8原始角速度积分计算角度结果图图9加速度正交计算角度结果为使结果更直观，将两者进行叠加显示，其结果如图10所示，图中虚线为加速度正交角度，实线为陀螺仪积分角度，可以看到在该情况下，加速度直接计算的角度高频噪声严重，而陀螺仪计算的角度存在漂移现象，两者都无法直接使用。而采用卡尔曼滤波算法来进行滤波融合，其结果如图11所示，可以看到由算法进行融合后，能产生较为平滑的波形，能够很好消除角度偏移和抖动，达到解算较为稳定的姿态效果。图10直接计算角度叠加图图11卡尔曼滤波算法融合结果在实际调试中，给定不同的初始参数会导致融合结果的不一致，实际上真正解算出的角度会因为每个芯片的不同，得到的偏移值也有所不同，这里只能尽量保证其性能平稳，解析姿态不会大幅度漂移。本系统搭载三相无刷直流电机，选用DRV8313作为功率放大芯片，并对PID参数进行调节，当PID参数不合适的时候，云台无法平稳运行，经过测试，本平台P参数小于10时抖动严重，大于10时轻微抖动，而I参数影响不大，0.05-0.08都可以平稳运行，D参数随P参数的变化而不同，经过测试能够稳定运行的参数为P:10、I:0.08、D:5，在平稳运行时，通过记录滤波融合后随机抽查传出的横滚轴和俯仰轴角度数据如表1所示，从表中可以看出，角度的仅在±1°范围内抖动，云台总体运行比较平稳。表1横滚轴和俯仰轴角度数据次数12345横滚轴角度(°)0.62670.8773-0.6157-0.759920.5938俯仰轴角度(°)0.20630.23380.18980.8908-0.1678六、结语系统采用姿态传感器MPU9250采集云台的姿态，并通过卡尔漫滤波融合算法解析姿态，配合PID算法控制SPWM波?
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于改进卡尔曼滤波的姿态解算算法[J]. 王晓初,李宾,刘玉县,郭帅良,范耀华. 科学技术与工程. 2019(24)
[2]姿态检测及模糊PID算法的自平衡小车[J]. 刘成涛,李显鹏. 单片机与嵌入式系统应用. 2019(07)
[3]基于DSP无刷直流电动机控制系统设计[J]. 宋连庆,袁世博,韩兴会. 计算机与数字工程. 2018(03)
[4]基于PID+Kalman的姿态角算法研究[J]. 刘春,傅丽娟,谢皓,邓传远. 仪表技术与传感器. 2018(02)
[5]四阶龙格—库塔法的原理及其应用[J]. 冯建强,孙诗一. 数学学习与研究. 2017(17)
[6]MPU9250传感器的姿态检测与数据融合[J]. 刘春阳,徐军领,程洪涛,王东方,薛玉君. 河南科技大学学报(自然科学版). 2015(04)
[7]基于Kalman滤波算法的姿态传感器信号融合技术研究[J]. 陈航科,张东升,盛晓超,王凯. 传感器与微系统. 2013(12)
[8]基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量[J]. 冯智勇,曾瀚,张力,赵亦欣,黄伟. 西南师范大学学报(自然科学版). 2011(04)
本文编号：2905610
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