二自由度简易云台增稳控制系统设计(2)
Key words: Pan-Tilt gimbal system、attitude data、Arduino、servo
目次
1 绪论 1
1.1二自由度云台概述 1
1.2 研究目的和意义 1
1.3国内外现状 1
1.4 论文结构 3
1.5 本章小结 3
2 云台增稳控制系统概述 5
2．1 Arduino平台 5
2．2 IMU姿态测量元件 6
2.3 舵机 7
2.4 卡尔曼滤波 7
2.5 PID算法 8
2.6 常规主要增稳方式介绍 9
2.7 陀螺仪增稳云台 9
2.8本章小结 10
3 控制系统结构 11
3.1系统功能 11
3.2 系统模块化 11
3.3 本章小节 12
4 姿态数据的读取与滤波算法 13
4.1 Arduino单片机姿态数据读取 13
4.2 基于卡尔曼滤波算法的数据融合 14
4.3 本章小结 17
5 舵机控制 18
5.1 PWM信号控制 18
5.2 舵机控制程序 18
5.3 舵机的调试 19
5.4 本章小结 20
6 云台稳定控制 21
6.1 云台机械结构 21
6.2 控制方案 23
6.3 PID算法融合 23
6.4 云台稳定控制系统的实现 26
6.5 本章小结 28
总 结 29
致 谢 31
参考文献 32
1 绪论
1.1二自由度云台概述
云台的英文名称为Pan-Tilt（简称：PT），及是一种安装、固定摄像装置的支撑连接设备【1】。在目前主要用于摄像装置与支撑物的连接。在日常生活中主要用于安全监控、动态摄像或处于动态环境下需要保持稳定状态工作的设备或仪器,特别是运动图像或视频的拍摄。使用稳定云台可以使其捕捉的场合或环境，采集方式更加直接，方便，获得的信息内容更加丰富。本文所要阐述的是二自由度云台，简称2-DOF云台【2】。
1.2 研究目的和意义
随着计算机技术、网络技术、图像处理技术以及运动控制的发展。云台也逐渐被广泛的应用。特别在机器人，无人机和航拍领域应用。像机器人的视觉系统，无人机的拍摄系统，导弹的制导系统都有运用到云台的控制技术。如今随着人们对自动化，智能化要求的不断提高，对云台的要求也提高。
但是传统意义上的云台主要是运用于一些大型场所的监控系统。由于其体积较大，结构复杂，安装占用的空间大，内部的传动控制系统结构复杂等原因，并不适合在小型无人机航拍、机器人或一些小型运动设备上使用【2】。如今的云台研究和设计并非只是单单将传统意义上的云台，摄像装置和机器人（或无人机）三者之间简单的机械连接，而是涉及到许多相关学科的理论和技术，实际上是一项综合性的研究方向。正如美国PIONEER 3-AT移动项目主所说的：“Anyone can mount a camera on a robot”【3】。所以可以说现代如今的机器人科学研究上是很难离的开云台技术的支持。所以现代的云台系统是为了更好的搭载机器人（和无人机）的传感器，其设备即使在运动中也能完成数据的采集。
1.3国内外现状
1.4 论文结构
论文整体组织安排如下：
第一章“绪论”部分。阐述云台稳定控制的定义及重要性，介绍本课题研究目的和意义。