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控制部分总结1. 飞机位置姿态数据（横滚，航向，俯仰，航高，航速等等均要考虑）的采集现阶段飞机位置姿态数据的采集大都使用陀螺仪，它在航空摄影中应用广泛，且使用起来较为方便，我们先来简要介绍下陀螺仪，陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪，但直到现在，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。稳定性：当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的稳定性。进动性：当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。陀螺仪种类很多，传统的机械式陀螺、精密光纤陀螺和激光陀螺等已经在航空、航天或其它军事领域得到了广泛地应用。然而，这些陀螺仪由于成本太高和体积太大而不适合应用于消费电子中。微机械陀螺仪由于内部无需集成旋转部件，而是通过一个由硅制成的振动的微机械部件来检测角速度，因此微机械陀螺仪非常容易小型化和批量生产，具有成本低和体积小等特点。近年来，微机械陀螺仪在很多应用中受到密切地关注，例如，陀螺仪配合微机械加速度传感器用于惯性导航、在数码相机中用于稳定图像、用于电脑的无线惯性鼠标等等。传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。但是微机械陀螺仪的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事。微机械陀螺仪利用科里奥利力旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。下面是导出科里奥利力的方法。有力学知识的读者应该不难理解。（小字部分）在空间设立动态坐标系。用以下方程计算加速度可以得到三项，分别来自径向加速、科里奥利加速度和向心加速度。动态坐标系 公式推导 科里奥利力如果物体在圆盘上没有径向运动，科里奥利力就不会产生。因此，在MEMS陀螺仪的设计上，这个物体被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡，与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化，并有可能使物体在横向作微小震荡，相位正好与驱动力差90度。MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动（有点象加速度计中的自测试模式），横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化（就象加速度计测量加速度）。因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。下面我们来介绍一款微机械陀螺仪ADXRS450（小字部分）ADXRS450 是一款角速率传感器（陀螺仪），主要用于工业、医疗、仪器仪表、稳定和其它高性能应用。它采用先进的差分四路传感器设计，可抑制线性加速度的影响，能够在极其恶劣的冲击和振动环境中工作。ADXRS450 能够检测高达300/s 的角速率。角速率数据以16 位字的形式提供，作为32 位SPI 消息的一部分（SPI通信协议）。ADXRS450 提供16 引脚空腔塑封SOIC (SOIC_CAV ) 和SMT 兼容垂直贴装(LC C_V ) 两种封装，能够在3.3 V 至5 V 的宽电压范围内和 40C 至+105C 的温度范围内工作。ADXRS450 陀螺仪使用内部EEPROM 存储器来存储温度校准信息。校准信息在工厂测试期间编码到器件中。校准数据用于执行整个温度范围内的失调、增益和自测校正。由于该信息存储于内部，因此客户无需执行系统级温度校准。使用SOIC_CAV 封装时，ADXRS450 可用于检测z 轴（偏航）角速率；而垂直贴装封装(LCC_V) 允许器件检测同一PCB 上的俯仰和滚动角速率。下面是两种封装的常用电路：2.三维控制云台设计云台简介：云台是一种安装在摄像机支撑物上的工作台，用于摄像机与支撑物的联结。云台的种类很多，按照运动功能可以分为水平云台和全方位（全向）云台，按照工作电压可以分为交流定速云台和直流高变速云台，按照承载重量可以分为轻载云台、中载云台和重载云台。具体设计：由于工程项目的需要我们选用全方位云台，对全方位云台而言，它内部含有两个电机，分别负责云台的上下和左右各方向的转动。其工作电压的不同也决定了该云台的整体工作电压，一般有交流 24V、交流220V及直流12V。当接到上、下动作电压时，垂直电机转动，经减速箱带动垂直传动轮盘转动；当接到左、右动作电压时，水平电机转动并经减速箱带动云台底部的水平齿轮盘转动。需要说明的是云台都有水平、垂直的限位拴，云台分别由两个微动开关实现限位功能。当转动角度达到预先设定的限位时，微动开关动作切断电源，云台停止转动。限位装置可以位于云台外部，调整过程简单，也可以位于云台内部，通过外设的调整机构进行调整，调整过程相对复杂。但外置限位装置的云台密封性不如内置限位装置的云台。以上为大体的设计思路。下面来详细说下。云台设计中电机十分重要，选用是否正确将直接影响电动云台的性能。全方位电动云台需要两个不同方位的旋转自由度，所以都具有两个相互独立的传动机构。电动云台的传动机构主要是由蜗轮、蜗杆和齿轮组合而成，根据电机转速，确定总传动比，然后依据传动装置的总体布置，将传动比合理地分配到各级传动中去。合理分配传动比是设计传动机构的一个重要环节，它将直接影响到传动装置的外形尺寸、重量、润滑条件和减速齿轮的中心距等。各级传动比分配的一般原则是:使各级传动的承载能力接近相等;使减速机构能获得最小的外形尺寸、重量;使传动零件的圆周速度降低。另外，选用微型变速箱的齿轮传动，也可以减小体积、提高效率、减小噪声。（减速箱可以考虑）确定电动云台的最大负载，然后选用合适的电机。尽可能选用低压电机。由于全方位电动云台是由垂直和水平两部分独立的传动机构组的，而垂直方向的传动机构是主要承载机构，所以在设计时是以垂直方向的传动机构作为主要承载机构来设计，而水平方向的传动机构只受水平磨擦转矩和电缆拖带等所产生的转矩影响。根据设计经验，水平方向所选用的电机功率一般为垂直方向的一半。（云台的最大负载尚不确定）电机大体可分为交流电机、直流电机、和步进电机。在这三种电机中，步进电机最适合数字控制。本设计中以基于FPGA的CPU作为数字控制器件，因此在本系统中毫无疑问的选择了步进电机。下面简要说下步进电机。（小字部分）步进电机是数字控制电机，它将电脉冲信号转变成角位移，实质上是一种数字/角度转换器。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。步进电机的转子为多级分布，转子上嵌有多相星型连接的控制绕组，由专门电源输入脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大；混合式步进是混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由输入脉冲的频率决定。3.云台控制方案选择和实现控制总系统选择基于FPGA的CPU（系统板自行设计）FPGA简介：FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（161RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储