摄像云台自动平衡机构及控制电路设计（含全套CAD图纸）【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘要 摄像云台是目前运用非常广泛的一种摄像装置，是连接无人机与摄像头的关键装置，摄像云台的自动拍摄又是目前摄像云台研究的重点之一 1。本文主要设计的就是摄像云台自动平衡机构和控制电路设计。本文融合了机械原理、传感器检测技术、单片机控制原理等。在机械结构方面主要设计了主要零件、步进电机、轴、轴承、齿轮这几个方面。运用图软件加以配图说明。在控制电路设计方面主要设计了驱动模块、传感器模块、控制模块、 法和系统流程这几个方面。其中单片机又是控制电路设计部分的核心。机械部分和控制电路部分的结合完成了对 摄像云台的自动平衡控制。 关键词 摄像云台；机械结构；控制电路；单片机；自动平衡 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is of a is to of is of in of is of in of a AD In is a is of of to of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 目 录 摘要 . I . 绪论 . 1 像云台的研究背景 . 1 究摄像云台的目的 . 1 究摄像云台的意义 . 1 计要求 . 2 2 设计方案 . 3 2. 1 摄像云台总体方案 . 3 2. 1. 1 机械结构 方案的提出 . 3 2. 1. 2 机械结构 设计方案的 确定 . 4 2. 2 动力源总体设计方案 . 4 2. 2. 1 动力源 方案的 确定 . 4 2. 3 系统控制方案 . 5 2. 3. 1 控制电路核心的确定 . 5 2. 4 传感器方案 . 7 2. 4. 1 传感器 方案的 确定 . 7 3 机械结构设计 . 8 装图 . 8 要零件设计 . 8 3. 2. 1 连接件 . 8 3. 2. 2 齿轮套 . 9 3. 2. 3 轴瓦 . 10 3. 2. 4 齿扇 . 10 3. 2. 5 偏心轴套 . 11 3. 2. 6 支架 . 12 进电机的选用 . 12 1 传动系统等效转动惯量 . 13 2 负载转矩的计算 . 14 3 步进电机的选用 . 15 的设计 . 16 1 Z 方向轴的设计 . 16 2 X 方向轴的设计 . 17 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 承的选用 . 19 1 Z 方向轴承的选用 . 19 2 X 方向轴承的选用 . 21 轮的设计 . 22 4 控制电路设计 . 24 理图 . 24 动模块 . 24 感器模 块 . 25 制模块 . 26 作用 . 27 块 . 28 制器 . 28 制器计算 . 28 4. 6 系统流程及实例 . 29 结论 . 32 致谢 . 33 参考文献 . 34 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 1 绪论 像云台的研究背景 摄像云台是一种起运动补偿作用的机电设备，是航空航天、船舶、车辆等领域研究开发的关键性内容，各类形式的摄像云台被普遍的运用在飞行器、船舶、车辆等。摄像云台是一种安装在摄像类设备支架上的云台，它用于连接摄像机与摄像类 设备的支架 2。摄像云台根据需要可以在垂直方向和水平方向进行运动，摄像机会跟随云台的运动做相同的运动，这样就起到了通过控制摄像云台从而控制摄像头运动的目的。摄像云台带动摄像头运动的这种配合，可以在一定程度上使摄像头的监控范围变得更广，这样监控摄像就能起到更大的作用。摄像 云台有固定和电动两种云台，固定摄像云台常用于定点监控，就是安装在一个固定的区域，通过调整摄像头的角度来监视一个固定的范围，但是所能监视的范围并不太大。电动云台因为可安装在车辆、飞行器、船舶等载体上，所以它的监视范围非常大，且监视灵活效果好。 目前学校、办公场所、商场、工厂等各种场所都普遍安装了固定云台进行安全方面的监控，而电动云台更多的还是用于艰难环境里的监控拍摄。电动云台通过接受载体运动的信号，传递到控制器进行处理，然后将控制器的信号传递到垂直和水平方向的两个电机进行定位。所以控制器和电机的选择也是影响摄像云台工作特性的关键因素。 究摄像云台的目的 本设计是研究并设计能够自动平衡的摄像云台结构和电路控制过程，摄像云台的自动平衡可以补偿飞行器的偏转，使方向轴的轴线与水平面始终保持垂直的关系，从而保证摄像云台上的摄像机在空中飞行时拍摄的稳 定性。由于摄像机在拍摄时会受风力的影响，使摄像云台在水平方向的基准不断地发生改变，摄像目标容易被丢失，所以摄像机必须在稳定的摄像云台上，通过控制方位角及俯仰角来实现摄像云台始终保持水平状态。如何在运动的情况下保持摄像头的稳定。这就需要由垂直方向和水平方向的两个电机来控制摄像云台的偏转，电动机的精确地运行定位是靠接受来自控制器的信号。由传感器进行采集控制信号，并导入控制中心，由控制中心进行处理运算，经过处理后的信息传输到各个电机进行运作。这样实现一个精细的机电结构 3。 究摄像云台的意义 在飞行器上 安装自动平衡的摄像云台，是根据飞行器的性能需要提出的。这样的摄像云台具有机械结构简单、安装便利、动静态精度满足技术要求且成本低等特点，在未来的研究开发方面有很大的运用前景 3。 国内外目前对摄像云台的研究开发和使用都有相当成熟的技术和产品，这些产品被普遍的使用，在生产生活和安全方面带给人们极大的便利和保障。 文化教育、工农业生产、买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 交通运输管理、医疗卫生、水下作业、铁路现场、公安系统等国民经济的各个部门已经逐渐普及了图像通信与监控系统。由于具有形象直观安全可靠，效率高等一系列优点的图像通信与监控系统的普及， 它在我国现代化建设中，特别在通信现代化，管理现代化中无疑将会日益发挥重要作用。摄像云台现在各行各业中都被广泛使用，因为它可以代替人力去监控需要监控的区域，这对人力资源和安全保障都是极为有利的，尤其是远程监控，更是在日后是人们生产生活里面一个不可缺少的部分。现在市面上所使用的摄像云台，是运用了机电一体化的设计理念，具有高密封性、高集成度、安装便利等特点。 计要求 000000 80度。需要用计算机绘图，掌握机械结构设计和 单片机控制方面的知识。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 2 设计方案 像云台总体方案 械结构方案的提出 由于科技的进步和多样性，目前无人机使用的摄像云台多种多样，型号各异，大致分为一下几种。 图 2第一类摄像云台分别在垂直方面和水平方向各有一个轴并安装了一个电机进行方向上的控制。通过偏转角度来调整摄像头偏转的角度。见图 2 图 2第二类摄像云台利用一个电机对安装摄像头的支架进行控制，利用支架的偏转和旋转实现对摄像头的调整。见图 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 图 2第三类摄像云台在垂直方向上分为上轴和下轴，在下轴上安装步进电机进行方向控制，水平方向上也有一个轴通过电机控制方向。见图 2 械结构设计方案的确定 图 2描述的摄像云台是由两个轴进行传动，能够在水平方向上进行 360旋转，在垂直方向上只能进行 45的偏转，当遇到无人机大角度运动时云台偏转动作过大且不一定能够完整足够的角度偏转。 图 2描述的摄像云台是通过控制中间支架 进行偏转，可以进行全方位的偏转，但如果进行大角度偏转，云台动作过大，反应时间长，不灵敏。 图 2描述的摄像云台是通过控制垂直方向下轴和水平方向轴偏转，这样的运动反应及时且偏转灵敏。安装支架稳定，外壳保护性好。结构设计简单。 综上所述选择图 2描述的机械机构摄像云台。 力源方案总体设计方案 力源方案的确定 在机械产品的动力源方面，目前使用最多的就是伺服电机，混合式电机，和反应式步进电机。 伺服电机成本高、结构繁杂，启动转矩大，调速范围宽，需要进行维护但是维护不方便，会产生电磁干扰 ，对环境有一定的要求 4。 混合式电机特点：电转矩较大，步距角较小，运行的频率高，功耗低且具有自锁功能，但需要正负电脉冲进行供电，结构复杂，价格较高 5。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 反应式步进电动机的特点是结构简单和经久耐用，目前很多领域的机械动力源设计都是选择步进电动机。反应式步进电机的工作原理是变磁阻原理，所以反应式步进电机在很多地方又称为变磁阻步进电动机。反应式步进电机的特性是力矩 惯性比高、步进频率高、频率响应快；当步进电机不通电时转子仍可以自由转动；反应式步进电机的机械结构简单、使用寿命长，它在控制传动时能双向旋转，工 作中有适量阻尼、无失步区。但是反应式步进电机在不通电时无定位力矩，每步有都振荡和过冲 6。 综上诉述，根据比较决定驱动摄像机的动力源的选择为反应式步进电机。 统控制方案 制电路核心的确定 在系统控制电路中，控制核心的选择是一个重要的步骤。系统与摄像云台之间需要进行信息的交换。有单片机控制和 制两种方案可供选择。 的抗干扰能力很强，故障率很低，适用于设备的扩展，便于后期维护，开发周期短 7。相较于单片机来说， 的成本高，而且单 片机运用广泛，资料丰富，且满足各项设计要求。所以选择单片机作为控制电路的核心。 单片机有很多种类，常用的 列， 图 222 A T 8 9 C 5 2P 1 D / P 3 D / P 3 / P 3 / P 3 A L 2X T A L 1G N P/ O E / 片机 图 片机。 片机的特性是具有低电压，高性能。 位 单片机 ，单片机内含有 8k 可重复擦写的 256 片机采用的是 爱特梅尔公司 的高密度、难失性存储技术生产。片机兼容标准 指令系统 ，它里面内装有通用 8 位 中央处理器 和 。电子产品设计中 片机的使用率很高。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 图 2图 2 片机（ 片机作为一种 集成电路（ 用与科研开发和控制外围设备的。 片机一种具有分散作用（多任务）功能的 用 构，分别有 33、 35、 38 条指令（试单片机结构而定），属于精简指令集 9。 图 2片机 图 2 片机， 片机是在 1997 年由 爱特梅尔公司 研究开发出的增强型内置 精简指令集高速 8 位 单片机 。 片机的特性是高速度、高性能、低能耗。工业设备、家用电器、计算机领域等都普遍使用 10。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 单片机具有低价格、低功耗、可编程、工作稳定可靠等优点，得到使用人群的青睐。单片机是通过控制不同的程序来实现不同的功能应用，尤其是一些比较特殊的功能，其它器件并不能完成这些功能，有些想要完成这些特殊功能则需要花费更大的代价 11。 单片机的集成度高、总体结构体积小、性能稳定可靠。单片机对电路程序的控制能力强。单片机工作时需要的电压和功耗都比较低。单片机因为本身结构的特点，便于制作一些便携式的小电子产品。单片机在研究开发中易于扩展。相对于其他电路控制核心来说，单片机有用优异的性价比。 综上所述 3 个单片机都满足上述条件，但是 较于其他两个单片机来说性价比更高，设计更简单 。而且 片机所用的汇编语言是我们所学习的，并且能支持C 语言编程环境好用，网络资料丰富，保密性能好，抗干扰性好，价格低，烧录器价格低。所以选用 片机。 感器方案 感器的确定 传感器作为一个重要的元器件，在控制电路系统中起到采集信号、传递控制信号的作用 12。在本设计中，传感器需要采集飞行器偏转角度的信号，并把信号处理后传递给单片机。有两种传感器可供选择：倾角仪传感器和陀螺仪、加速度计传感器。见图 22 图 2 角仪 图 2螺仪 倾角仪是测量载体相对于水平面的倾角变化，采集到数据后传递到单片机进行控制。但是相对于陀螺仪、加速度传感器来说，它的数据采集精度并不高。陀螺仪、加速度计传感器之间互相配合可以对载体偏移角度进行精确的测量。综上所述，本设计采用陀螺仪、加速度传感器。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 3 机械结构设计 装图 摄像云台的机械结构部分由支架、步进电机、轴、轴承、齿轮、摄像头、螺钉、螺母等小零件组成。摄像云台的支架是通过连接件连接在外部半球 体的上半部分外壳上，使内外部结构更加牢固稳定。支架的内侧和外侧各安装一个步进电机，分别控制 X、 Z 轴的偏转，从而带动摄像头的偏转，实现平衡。步进电机通过开槽沉头螺钉和六角薄螺母安装在支架上，这样的安装更加稳定和牢固。步进电机通过小齿轮带动 X、 Z 轴大齿轮进行旋转，从而使 X、 Z 轴进行偏转。见图 3 图 3要零件设计 接件 连接件位于总装图 7 和 41 的位置，连接件的结构见图 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 图 3接件 连接件是用于连接机械结构中两个部分的重要零件。连接件在所设计的摄像云台机械结构中起到的作用是通过螺钉和螺母连接 Z 方向上轴和 Z 方向下轴。连接件的尺寸、公差、粗糙度如图所示。连接件上 8 个小孔之用于螺钉和螺母的连接，中间大孔是用于 Z 方向轴的安放。由于连接件中轴需要转动，所以它的粗糙度较低，精度要求较高。连接件是用 45号钢加工而成，满足零件的标准化设计，属于回转体结构。 轮套 齿轮套位于总装图 11 的位置，齿轮套的结构见图 3 图 3轮套 齿轮套是典型的齿轮类零件，与齿轮配合精度较高。齿轮套的工作表面为齿轮面。齿买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 轮套在所设计的摄像云台机械结构中与齿轮配合，传递动力 ，改变轴的运动速度和方向。齿轮套的基本尺寸、公差、粗糙度如图所示。由于齿轮套主要用于保护轴承和齿轮，所以粗糙度较高，精度较低。齿轮套是用 45 号钢材料加工而成，满足零件标注化设计，属于回转体结构。 瓦 轴瓦位于总装图 20 的位置，轴瓦的结构见图 3 图 3瓦 轴瓦是滑动轴承中重要的零件， 是滑动轴承和轴颈接触的 关键 部分 ，轴瓦 的结构设计的合理性对轴承性能有很大的影响。轴承在所设计的摄像云台机械结构中起到的作用是给送润滑剂并散热。轴瓦的尺寸、公差、粗糙度如图所示 。中间大孔用于安装 孔用于螺钉和螺母的连接。由于轴瓦是用于保护轴的零件，所以它的粗糙度高，精度较低。轴瓦是用聚四氟乙烯材料加工而成，满足零件的标准化设计，属于非金属整体式轴瓦。 扇 齿扇位于总装图 25 的位置，齿扇的结构见图 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 图 3扇 齿扇是齿轮的一种特殊形式，或是齿轮的一部分。齿扇在所设计的摄像云台机械结构中与齿轮构成传动副，带动 扇的尺寸、公差、粗糙度如图所示。中间大孔用于安放轴，小孔用于螺钉和螺母的连接。由于齿扇是传动件，所以它的粗糙度低，精度要求高 。齿扇是用金 45 号钢材料加工而成，满足零件的标准化设计。 心轴套 偏心轴套位于总装图 32的位置，偏心轴套的结构见图 3 图 3买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 为了降低成本和减小加工难度，经常在轴承孔出采用偏心轴套。壳体的孔加工完成后与偏心轴套相对位置就确定了。偏心轴套在所设计的摄像云台机械结构中调节了齿轮间的侧隙，消除了偏差。偏心轴套 的尺寸、公差、粗糙度如图所示。由于偏心轴套中轴需要传动，所以它的粗糙度低，精度高。偏心轴套是用 45 号钢材料加工而成，满足零件的标准化设计。 架 支架位于总装图 15、 21 的位置。支架的结构见图 3 图 3架 支架是用于安装轴、轴承、步进电机等零件，且通过 Z 方向上轴带动摄像云台进行水平方向整体转动。支架的尺寸、公差、粗糙度如图所示。支架上的小孔都用于安装各个零件时使用的螺钉和螺母的连接，支架顶部大孔用于安放 Z 方向下轴，支架左右两侧大孔用于安放 X 方向轴。支架不需要太高的精度，所以它的粗糙度较高。支架是用 45 号钢材料加工而成，满足零件的标准化设计。 进电机的选用 步进电机 作为机械结构中的动力源，它需要满足各项技术要求。步进电机中的 步距角b 必须要 满 足机械结构 系统 中，对 脉冲当量的 基本技术 要求 。步进电机的机械结构必须要买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 满足 摄像云台 最大静转矩的要求 。步进电机的 启动频率与启动转矩、运行频率与工作运行转矩 也是十分重要的，这项要求 必须 达到 所选 步进 电机 型号所对应的启动矩频特性和工作矩频特性 13。 动系统等效转动惯量 在整个摄像云台的机械结构中，轴、轴承等圆柱形零件都具有转动惯量，对这些零件本身的回转轴的转动惯量 124 2 式（ 在计算公式中，圆柱体的直径用 柱体的长度用 传动件与电机轴间也具有的转动惯量，他们的转动惯量用 的计算公式见式（ 2 2 式（ 在计算公式中，电机轴到传动件 的传动比用 i 来表示， i=3。 齿轮 412431 100 1 1 4 2 齿轮 412442 100 5 9 2 齿轮 42431 100 0 1 2 1 4 J 2 齿轮 42442 100 0 1 2 J 2 44421 100 6 3 1 2 2 44421 100 6 3 1 2 2 步进电机轴上的总转动惯量 J： 2 综上所述，圆柱体的转动惯量 设计可能选用的步进电机的转动惯量 ，可忽略， 所以： 4100 6 J 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 4100 6 J 2 载转矩的计算 根据摄像云台的运动规律可知，摄像云台的升速规律可近似地认为是直线规律升速（实际升速是按指数规律），假定 0 /s 。 （ 1）角速度 角加速度 的计算表达式见式（ t 21 由上述可知，步进 电机在水平方向转速为 60 360 /s；步进电机在垂直方向的转速为 30 180 /s，故： Z X （ 2）惯性力转矩 步进电机惯性力转矩的计算表达式见式（ 性 式（ 44 性 44 性 （ 3）重力转矩 由于 以它的重力转矩为： 0由于摄像机垂直于 X 轴方向，它本身的重量为 540g，因为支架上还有其他附件的重量，所以取 m=700g,偏心距 e=10以 0 2 重力 传动效率 传动效率 的大小取决于齿轮的传动效率和轴承的传动效率，忽略摩擦阻力，其他机械结构部分的传动件的摩擦按传动效率考虑，取 轴承齿轮 ， 。 故摄像云台整体的传动效率 为 ： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 轴承齿轮 负载转矩 M 重力惯性 重力惯性 进电机的选用 当摄像 云台正常工作时，各部分的运动部件需要的最大静转矩为： a x 当摄像云台正常工作时，步进电机需要的最大静转矩： 电机 0 0 0 7 M 电机 在正常工作时，脉冲当量 /脉冲，步进电机在水平方向的最高工作运行速度360 /s，所以它最高工作运行频率为 720m a xm a x ZZ z 。 根据步进电机的步距角大小和上述的计算得出的结果，选择 45为反应式步进电机，见图 3 图 35应式步进电机 0 7 M 电机 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 在正常工作时，脉冲当量 /脉冲，步进电机在水平方向的最高工 作速度180 /s，所以它的最高工作频率 3 6 0m a xm a x ZZ z 。 根据步进电机的步距角大小和上述的计算得出的结果，选择 36为反应式步进电