0 引言

　　近年來(lái)，隨著自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，多旋翼無(wú)人機(jī)如雨后春筍般出現(xiàn)，并以航空攝影為核心，在遙感測(cè)繪、地質(zhì)勘查、反恐防暴、抗災(zāi)救援、城市服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1]。

　　在傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，攝像頭往往直接固定于無(wú)人機(jī)機(jī)身或安裝在一個(gè)僅能對(duì)攝像頭姿態(tài)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整的云臺(tái)上。這類系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但卻具有較大的不足。當(dāng)無(wú)人機(jī)在巡航過(guò)程中需要改變飛行姿態(tài)時(shí)，攝像頭拍攝出來(lái)的畫面往往非常不穩(wěn)定。

　　為了解決這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于AVR單片機(jī)和MEMS陀螺儀的無(wú)人機(jī)載三軸慣性穩(wěn)定云臺(tái)。該云臺(tái)能夠在無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)對(duì)攝像頭姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證了拍攝畫面的穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　如圖1所示，系統(tǒng)由一個(gè)中央控制單元和三個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元組成。中央控制單元的主要功能是根據(jù)上位機(jī)的指令對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)度，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整。三個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元分別在三個(gè)軸向上對(duì)經(jīng)卡爾曼濾波的陀螺儀輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在云臺(tái)姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，穩(wěn)定現(xiàn)有姿態(tài)。三個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元在系統(tǒng)進(jìn)入自穩(wěn)定狀態(tài)后同時(shí)開(kāi)始工作，協(xié)同運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。此外，系統(tǒng)還在三個(gè)軸向上分別設(shè)置了一個(gè)行程限位開(kāi)關(guān)，用于云臺(tái)姿態(tài)的上電復(fù)位。

　　本系統(tǒng)各控制單元均采用ATmega系列AVR單片機(jī)作為控制器。該系列單片機(jī)具有高效、穩(wěn)定、外圍電路簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)置10位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用。另外，本系統(tǒng)采用層次化、模塊化的設(shè)計(jì)架構(gòu)，有利于系統(tǒng)的測(cè)試及維護(hù)，可靠性與穩(wěn)定性好。

　　1.2 中央控制單元設(shè)計(jì)

　　在本系統(tǒng)中，中央控制單元基于Atmel公司的ATmega1280單片機(jī)開(kāi)發(fā)。如圖2所示，ATmega1280單片機(jī)具有4個(gè)異步串口。在本系統(tǒng)中，這4個(gè)異步串口分別連接上位機(jī)和3個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)控制單元，用于系統(tǒng)控制指令和狀態(tài)數(shù)據(jù)的雙向傳遞。

　　中央控制單元的主要功能是負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令，并根據(jù)指令對(duì)相應(yīng)軸向的運(yùn)動(dòng)控制單元發(fā)出二級(jí)指令，調(diào)度和控制各運(yùn)動(dòng)控制單元，使之能夠協(xié)調(diào)地完成云臺(tái)姿態(tài)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定保持以及手動(dòng)控制操作。此外，中央控制單元還負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并適時(shí)做出調(diào)整。

　　1.3 運(yùn)動(dòng)控制單元設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)設(shè)有3個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元，分別與云臺(tái)航向、俯仰和橫滾3個(gè)軸向上的陀螺儀和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相連，用于云臺(tái)的實(shí)時(shí)姿態(tài)調(diào)整。當(dāng)云臺(tái)在相應(yīng)軸向上發(fā)生姿態(tài)變化時(shí)，陀螺儀的輸出電壓也會(huì)跟隨著發(fā)生線性變化。運(yùn)動(dòng)控制單元檢測(cè)到這一變化后，向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)軸向上的步進(jìn)電機(jī)對(duì)云臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)反向補(bǔ)償，消除外界振動(dòng)或飛行姿態(tài)的變化對(duì)云臺(tái)產(chǎn)生的影響，使云臺(tái)保持穩(wěn)定。

　　3個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元的硬件結(jié)構(gòu)相同，都是由ATmega32單片機(jī)和外圍電路構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)控制單元的電路原理圖如圖3所示。

　　電源VCC的電壓為直流5 V；U1是ATmega32單片機(jī)，內(nèi)置10位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，量程為0~5 V，分辨率約4.88 mV；U2是Silicon Sensing公司的CRS03-02型MEMS陀螺儀，該陀螺儀能夠以電壓模擬量的方式輸出其安裝位置的軸角角速度，量程0~±100°/s，其輸出端直接與單片機(jī)U1的A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入引腳相連；J1和J3分別是運(yùn)動(dòng)控制單元與中央控制單元同步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的通信接口。

　　此外，運(yùn)動(dòng)控制單元還設(shè)置了一個(gè)行程限位開(kāi)關(guān)S1與U1單片機(jī)的中斷0引腳連接。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制單元會(huì)將U1中斷0引腳置高電平并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，讓云臺(tái)平面以較低的角速度向有限位開(kāi)關(guān)的一側(cè)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)云臺(tái)觸碰到限位開(kāi)關(guān)后，U1中斷0引腳與地接通，U1的低電平中斷被觸發(fā)。由于云臺(tái)平面在各軸向上的最大旋轉(zhuǎn)角度在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后就是一個(gè)固定的參數(shù)，因此，運(yùn)動(dòng)控制單元接著驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，將云臺(tái)平面旋轉(zhuǎn)到中間的平衡位置，完成云臺(tái)姿態(tài)的上電復(fù)位。

　　1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

　　本云臺(tái)系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊基于Toshiba公司的TA8435H步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片開(kāi)發(fā)。圖4是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖，供電電壓VDD為直流24 V，VCC為直流5 V。

　　圖中M1是兩相步進(jìn)電機(jī)，整步的步距角為1.8°；U1是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TA8435H，細(xì)分設(shè)置為1/8，這使得步進(jìn)電機(jī)每步的步距角縮小至0.225°，大大增加了系統(tǒng)的運(yùn)行精度和穩(wěn)定性。

　　圖中J1是模塊與運(yùn)動(dòng)控制單元連接的數(shù)據(jù)接口，其中引腳2為步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制引腳，當(dāng)該引腳的輸入為低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)；引腳3為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制引腳，向該引腳每輸入一個(gè)上升沿，步進(jìn)電機(jī)能夠向指定方向轉(zhuǎn)動(dòng)0.225°，通過(guò)改變輸入信號(hào)中每?jī)蓚€(gè)上升沿之間的時(shí)間間隔，即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 中央控制單元軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中央控制單元的主要功能是完成上位機(jī)指令的判別與傳遞以及系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)控制單元的綜合調(diào)度，軟件工作流程如圖5所示。

　　2.2 運(yùn)動(dòng)控制單元云臺(tái)姿態(tài)自穩(wěn)定算法設(shè)計(jì)

　　2.2.1 卡爾曼濾波

　　當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制單元收到來(lái)自上位機(jī)的自穩(wěn)定指令并進(jìn)入慣性穩(wěn)定狀態(tài)后就開(kāi)始不斷對(duì)陀螺儀輸出的模擬量進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，將陀螺儀輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并進(jìn)行讀取和處理。

　　由于陀螺輸出的原始數(shù)據(jù)中包含一系列干擾和噪聲，因而需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，降低這些干擾和噪聲。本系統(tǒng)選用卡爾曼濾波算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。

　　卡爾曼濾波是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程和測(cè)量方程，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)自身狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，使估計(jì)的均方誤差達(dá)到最小的濾波算法[2]。

　　設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

　　Xk=Ak，k-1 Xk-1+Bk，k-1 Wk(1)

　　測(cè)量方程為：

　　Yk=Ck Xk+Vk(2)

　　其中，Xk為k時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)向量；Ak，k-1為k到(k-1)時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Bk，k-1為k到(k-1)時(shí)刻的過(guò)程噪聲驅(qū)動(dòng)矩陣；Yk為k時(shí)刻系統(tǒng)的輸出向量；Ck為測(cè)量矩陣；Wk和Vk分別為過(guò)程噪聲和測(cè)量噪聲，并且被假設(shè)為高斯白噪聲[2-3]和隨機(jī)數(shù)噪聲[4]。

　　根據(jù)狀態(tài)方程和測(cè)量方程，有卡爾曼濾波的五個(gè)遞推公式：

　　狀態(tài)一步預(yù)測(cè)：

　　其中，yk是k時(shí)刻卡爾曼濾波前的數(shù)據(jù)。根據(jù)上述5個(gè)方程，只要給定初值X0和P0，即可根據(jù)k時(shí)刻的觀測(cè)值Yk計(jì)算出k時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)k。為達(dá)到最佳效果，選取[2]：

　　2.2.2 云臺(tái)姿態(tài)自穩(wěn)定算法設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)進(jìn)入自穩(wěn)定狀態(tài)后，3個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)控制單元同時(shí)對(duì)云臺(tái)在各自軸向上的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)姿態(tài)保持。各軸向的運(yùn)動(dòng)控制單元軟件工作流程如圖6所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

　　3.1 卡爾曼濾波性能測(cè)試及分析

　　為了驗(yàn)證2.2.1節(jié)所述卡爾曼濾波算法的有效性，以運(yùn)動(dòng)控制單元中的MEMS陀螺儀在平衡狀態(tài)下的輸出量作為卡爾曼濾波器的輸入，其處理結(jié)果及濾波前后對(duì)比如圖7所示。濾波前后的數(shù)據(jù)特征對(duì)比如表1所示。

　　從圖7可以直觀地看出，卡爾曼濾波對(duì)陀螺輸出數(shù)據(jù)的作用明顯。濾波前，陀螺輸出信號(hào)中含有較多白噪聲，濾波后，這部分白噪聲被很大程度地削弱了且均值保持不變，濾波前后數(shù)據(jù)特征對(duì)比見(jiàn)表1。這說(shuō)明本文2.2.1節(jié)所述的卡爾曼濾波算法對(duì)消除MEMS陀螺輸出信號(hào)中的噪聲有效。

　　3.2 云臺(tái)姿態(tài)自穩(wěn)定算法性能測(cè)試及分析

　　本文2.2.2節(jié)提出了無(wú)人機(jī)載云臺(tái)姿態(tài)的自穩(wěn)定算法。為了驗(yàn)證這一算法的實(shí)際性能，云臺(tái)上安裝了一個(gè)3軸角速度傳感器，當(dāng)云臺(tái)處于慣性穩(wěn)定的狀態(tài)下，在云臺(tái)的3個(gè)軸向上同時(shí)以0~±100°/s范圍內(nèi)的任意角速度對(duì)云臺(tái)基座進(jìn)行變速晃動(dòng)。每次實(shí)驗(yàn)持續(xù)1分鐘，每隔5 s記錄一次云臺(tái)穩(wěn)定平面在3個(gè)軸向上的角速度值，以判斷云臺(tái)平面在自穩(wěn)定狀態(tài)下的精度和誤差，實(shí)驗(yàn)共重復(fù)20次。

　　根據(jù)20次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，方位軸角速度均值為0.025 °/s，方差均值為0.001 6，俯仰軸角速度均值為0.013 °/s，方差均值為0.000 8，橫滾軸角速度均值為0.016 °/s，方差均值為0.001 0。

　　以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，云臺(tái)在慣性穩(wěn)定狀態(tài)下能夠較好地保持云臺(tái)姿態(tài)。云臺(tái)角速度樣本方差較表1所示靜止?fàn)顟B(tài)下的角速度方差略大，可能的原因是步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，步與步之間產(chǎn)生了輕微的機(jī)械振動(dòng)。

4 結(jié)論

　　本文所提出的基于ATmega單片機(jī)的無(wú)人機(jī)載三軸慣性穩(wěn)定云臺(tái)系統(tǒng)，能夠有效地在每軸向0~±100 °/s的角速度變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中云臺(tái)的姿態(tài)保持，確保了無(wú)人機(jī)在進(jìn)行航空拍攝時(shí)畫面的穩(wěn)定。

　　與其他機(jī)載慣性穩(wěn)定云臺(tái)相比，本系統(tǒng)具有3個(gè)彼此獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制單元，并且由中央控制單元統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度和管理，而其他機(jī)載慣性穩(wěn)定云臺(tái)系統(tǒng)往往只有一個(gè)負(fù)責(zé)云臺(tái)姿態(tài)自穩(wěn)定的處理芯片。

　　當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入慣性自穩(wěn)定狀態(tài)后，一般的機(jī)載慣性穩(wěn)定云臺(tái)系統(tǒng)往往只能以時(shí)間片輪詢的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸向姿態(tài)穩(wěn)定功能的同時(shí)進(jìn)行運(yùn)行，實(shí)時(shí)性和可靠性較低；本系統(tǒng)具有3個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制單元，能夠?qū)?個(gè)軸向的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)并行處理，有效地縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

　　另外，相較于其他一些基于FPGA等類型嵌入式處理器開(kāi)發(fā)的慣性平臺(tái)[5]，本系統(tǒng)在成本上具有較大優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)大量驗(yàn)證，本系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、精度高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 辛哲奎，方勇純，張雪波.小型無(wú)人機(jī)地面目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)機(jī)載云臺(tái)自適應(yīng)跟蹤控制[J].控制理論與應(yīng)用，2010，27(8)：1001-1006.

　　[2] 楊慶輝，杜紅英，陳雄，等.微機(jī)電陀螺隨機(jī)漂移建模與卡爾曼濾波[J].計(jì)算機(jī)仿真，2015，32(3)：68-72.

　　[3] 王正生，仇雅芳，王琳，等.卡爾曼濾波算法在單站無(wú)源定位中的應(yīng)用[J].艦船電子對(duì)抗，2014，37(5)：27-30.

　　[4] 關(guān)吉.卡爾曼濾波器的MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)[J].東南傳播，2014(6)：178-180.

　　[5] 高迎彬，胡昌華，何華鋒，等.基于FPGA的慣性平臺(tái)嵌入式調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2011，34(6)：60-63.