航拍云台控制实施方案设计0108.docx

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航拍云台控制实施方案设计0108

方案设计报告

项目名称

航拍云台控制

指导老师

王续乔

完成人

1、设计概述

航拍云台是一种安装在飞行器支撑物上的工作平台，用于摄像机与飞行器之间的连接，航拍云台控制装置包括可变姿态支架和航拍云台的控制，以满足在不同姿态下的拍摄需求，本设计包括两方面的功能目标：

一是在飞机姿态不变的情况下，可以改变云台的姿态进行不同角度的拍摄；二是用支架姿态的变化模拟飞机姿态的变化，控制航拍云台的稳定。

因此一款具有高稳定度和操控性的航拍云台有着极高的实用性与商业前景。

主要指标：

1、一个自由度。

2、云台的最大转动角度：

垂直角度为40°

3、稳定精度最低为2°

4、云台载重：

最低1kg

5、系统带宽：

2Hz

6、稳态误差：

≤2°

2、设计方案

方案一：

图1方案一设计图

该方式主要采用电动的方式。

现如图1所示，使用铝型材来搭建云台整体的支架，该云台核心部分以一块亚克力板为基础，通过“L”型连接件，将摄像头，以及控制摄像头的电机等固定在亚克力板下方。

当用手去晃动亚克力板，亚克力板将会产生一定角度的倾斜，此时用下方的电机控制摄像机的角度，使摄像头的角度始终保持在一个恒定的角度。

在摄像头安装有角度传感器MPU6050，作为测量云台的倾斜角度，并将角度进行反馈，有了这个测角装置后，我们可以判断出云台为保持水平需要转动的角度，从而控制下方电机来控制摄像头使其保持稳定。

同时此设计还可以在亚克力板不动的情况下，利用下方电机直接控制摄像头进行不同角度的拍摄。

方案一可以实现云台一个自由度的拍摄，且云台的转动角度可在±180°内变化，云台的的平台和电机支架用的是6mm的亚克力板，可以满足云台最低载重大于1kg的要求。

用手去晃动亚克力板平台时，可以模拟飞机在一个自由度下的姿态变化,通过改变晃动的频率，可以验证系统能否在2Hz带宽内稳定工作，该结构满足设计指标的各项要求。

方案二：

图2方案二设计图

现如图2所示，先用亚克力板制作一个底座，然后用两根光杆将云台架起来，光杆和底座间用光杆固定座进行固定。

此时可以控制上方不动，控制云台进行不同角度拍摄；还可以用手将上方手动倾斜一个角度，然后用角度传感器通过检测角度变化，通过反馈，然后控制电机使摄像头的角度始终保持在一个恒定的角度。

此方案可以在光杆的侧面加上刻度，当用手进行手动倾斜时能大致知道倾斜的角度。

方案二中的云台为一个自由度，云台的最大旋转角度也满足要求，同样适合该航拍云台控制项目。

方案的比较，甄选：

方案二虽然具有实现简单，结构比较清晰，成本相对较低的优点，但为使平台倾斜需要将整个平板托起，演示效果不太好，所以我们决定采用方案一进行航拍云台的控制，方案一形象的模拟了飞机姿态，航拍云台更接近实际作用，同时方案一可以更简便快捷的改变云台倾角，同时也有更大的改进空间，在验收测试时有很大优势，所以方式一效果会更好。

3、项目初步分工及状态分析

项目组分工

我们小组项目分工采用子系统责任制，各成员按各自特长负责相应的子系统，分工相对平均合理且都能交叉协作，保证成员能进行充分的锻炼。

一级任务

二级任务

人员分工

云台及支架结构设计

平台设计

冯海洋、孙永潘

平台搭建

框架姿态控制系统

单片机控制

张乐、琚少奇

机械传动结构设计

云台姿态控制系统

单片机控制

孙永潘、陈诗超

角度传感器数据采集

后期完善工作

子系统调试

张乐、琚少奇、冯海洋、孙永潘、陈诗超

总系统联调

4、总计划进度及子系统计划进度安排方案

1.总计划进度：

总进度

任务安排

第一周到第五周

概念设计及方案讨论

第六周

初步方案设计

第七周

详细方案设计

第八周

详细方案的修改以及元器件的购买

第九周

进行航拍云台的整体框架的搭建

第十周到第十四周

在云台上安装调试单片机，角度传感器，摄像头，电机等

第十五周到第十七周

对云台进行整体的联调

第十八周后

编写项目报告，整理项目资料，打印成册。

项目名称：

航拍云台控制

2.子系统计划进度：

子系统名称

时间进度

整体系统框架

第十一周

角度传感器模块

第十二周

云台姿态控制系统

第十三周

5、主要元部件加工采购意向

1.单片机选型

AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,1个全双工串行通信口，2个读写口线。

同时S系列可以进行在线编程调试，但由于后期工作中打算用上位机来实时显示和控制云台的转动角度，需要两个串口同时工作，故AT89S52无法满足要求。

欲打算用具备AT89S52所有功能的并且有四个串口的arduinomega2560来完成该项目。

2.角度传感器

WDD35D4技术参数：

 电阻值：

1K、2K、3K、5K

 阻值公差：

±15%

 独立线性：

1%、0.5%、0.3%、0.2%、0.1%

 电气转角：

345°±2°

 额定功耗：

2W（@70℃）  

WDD35D4具有机械寿命长，分辨率高，转动顺滑，动态噪声小的优良性能。

、

MPU6050技术参数：

电压：

3V~6V

电流：

<10mA

体积：

15.24mmX15.24mmX2mm

量程：

加速度:

±16g，角速度:

±2000°/s。

分辨率：

加速度：

6.1e-5g，角速度:

7.6e-3°/s。

稳定性：

加速度：

0.001g，角速度0.02°/s。

姿态测量稳定度：

0.01°。

以上参数为MPU6050的技术参数，对比电位式角度传感器，它的线性度相对更好，精度更高，且属于惯性空间，能直接安装在云台上，使用起来更加方便，而且两者价格相差不是特别大，所以我们初步决定选用MPU6050，但是MPU6050直接读取时噪声大，需要进行滤波，最后我们决定选择MPU6050+卡尔曼滤波集成的模块。

3.电机和驱动的选型

云台要求反应迅速、稳定性高，步进电机在转动时会有些抖动，对整个系统造成不可消除的误差，不适合使用。

直流电机扭矩大，工作平稳，可实现云台迅速平稳运行。

所以我们选用直流电机。

直流电机的驱动有L298N和MOS管型的驱动器，MOS管比L298N更精准，功耗更低，该项目的精度要求在2°以内，精度要求较高，故选用MOS管驱动。

文档完成日期：

年月日

指导老师审查意见

专家组审查意见

项目组成员签名：