摄像头云台设计报告

控控制制专专题题训训练练阶阶段段性性报报告告 摄摄像像头头云云台台设设计计 学生姓名 学生姓名 20172017 年年 5 5 月月 2424 日日 精品文档 I欢迎下载I欢迎下载I欢迎下载 摘摘 要要 随着社会的发展 视频监控行业在 IT 行业中逐渐占据一角 同样作为视频 监控中摄像机的一部分 云台 也扮演着重要的角色 云台是一种主要由两 个高精度电机组成的用于承载镜头的支架 其中一个电机负责控制云台水平转 动 另一个电机用于控制云台的垂直方向转动 从而使摄像机镜头能够在水平 范围内 垂直 180 范围内实现两个自由度的转动 本文要设计的是立式摄像头云台 机械结构的设计使摄像头云台能够放置 在平面上 可以实现水平方向和垂直方向各 180 的自由度转动 体积较小便 于存放 使用两个舵机分别控制云台的水平转动和垂直转动 在上部的云台上 固定用于反馈角度信息的 mpu9250 九轴陀螺仪和摄像头 由于使用的是模拟舵 机 精度较低 为达到设计精度要求由单片机根据 mpu9250 反馈得到的角度数 据对舵机的角度进行计算 使用 PID 算法得到修正值进行修正 最终设计的摄像头云台的角度精度 以 mpu9250 反馈的当前角度为标准当 前角度 可达到 0 2 大部分时间可达到 0 1 以内 即当云台完成角度修 正并稳定后 角度与设定的偏转角度相差总小于 0 2 云台从开始修正到角 度偏差小于 0 2 的时间不超过为 2 秒 最长响应时间 操作和数据的显示均 在触摸屏上完成 可直接在触摸屏上设置摆动的角度 同时可以看到当前的角 度与设置的目标角度 以及看到回传的摄像头拍摄到的图像 本设计虽然采用了模拟舵机这种本身精度不高的电机 却由 PID 算法对系 统的精度做出了很大程度的弥补 稳定角度误差低于 0 2 的精度已经基本满 足云台的设计目标并能适应许多特殊情况的要求 关键词 mpu9250 陀螺仪 stm32f103vet6 ov7670 摄像头 模拟舵机 显 示屏模块 精品文档 II欢迎下载II欢迎下载II欢迎下载 目目 录录 一 系统方案 1 1 模拟舵机的论证与选择 1 2 mpu9250 模块的论证与选择 1 二 系统理论分析与计算 1 1 可达到的最高角度精度的理论分析 1 1 模拟舵机原理 1 2 stm32 定时器计算 1 2 PID 参数的计算 1 1 PID 原理分析和算法设计 1 2 PID 参数理论估计值计算 1 3 PID 参数的测试与修改 1 三 电路与程序设计 2 1 电路的设计 2 1 系统总体框图 2 2 PID 算法子系统框图 2 3 电源 3 2 程序的设计 3 1 程序功能描述与设计思路 3 2 程序流程图 3 四 测试方案与测试结果 3 1 测试方案与论证 3 2 测试条件与仪器 4 3 测试结果及分析 4 1 测试结果 数据 4 2 测试分析与结论 4 五 参考文献 4 附录 1 电路原理图 5 附录 2 源程序 6 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载 一 系统方案一 系统方案 本系统主要由两个模拟舵机模块 mpu9250 模块 摄像头模块 电源模块组成 下面分别论证这几个模块的选择 1 1 模拟舵机的论证与选择 模拟舵机的论证与选择 方案一 使用模拟舵机和算法修正 模拟电机有其局限性 首先其最大转速不快 0 17s 能转动 60 同时经过实测 舵机在本身转动时 有可能会有一定的过冲 因 为内部控制系统 会自动往回修正一定距离 但是精度也并不高 但是模拟舵机成本 低 控制简单 控制时只需要调整一定的 pwm 波占空比就可以轻松控制转动的角度 由于是角度伺服电机 最大只能转动 180 度 出现部分故障时危险较小 尽管精度低 但是理论上只要使用 PID 算法进行合理的设计 将参数测试合理 反馈的角度精确且 速度较快 经过调试也可以达到很高精度 方案二 使用步进电机 步进电机本身精度较高 控制时只需要按照预定的角度 调整 pwm 波可以进行指定角度的转动 若配合反馈的角度进行控制应该也很容易达到 精度要求 但是步进电机体积十分庞大 同时由于其本身的驱动不能直接使用单片机 而还需要使用步进电机驱动器才能驱动 同时使用两个步进电机不仅涉及云台时需要 预留很大空间 还需要合理摆放驱动器 可能会在机械系统设计时花费更多的时间和 精力 消耗大量时间 方案三 使用无刷电机 使用无刷电机转动速度会比上述两种电机都快 不过由 于速度快 对于 PID 算法的要求也相应提高 且无刷电机也需要使用电调才能使用单 片机控制 虽然其速度快 但是对于摄像头云台来说 过快的响应速度意义并不是特 别大 摄像头云台更看重精度 而无刷电机相对上述两种电机来说对于高精度的角度 控制略有难度 综合以上三种方案 方案一的优点在于灵活方便 体积较小 方便机械结构的设 计 价格经济 使用角度进行修正也可以达到很高的精度 选择方案一 2 2 mpu9250mpu9250 模块的论证与选择模块的论证与选择 方案一 mpu6050 模块 Mpu6050 是一款六轴陀螺仪 对于角度的检测和加速度 的测定都有较高精度 且相对较为便宜 广泛运用于各种需要角度 位移控制的控制 系统中 但相对于 mpu9250 而言 少了三个方向的地磁角 方案二 mpu9250 模块 Mpu9250 模块与 mpu6050 在角度和加速度的测定上是一 样的 但是 mpu9250 在测定内容上多了三个方向上的地磁偏角 可以使用算法利用地 磁偏角对原本测定的角度进行修正 相对于 mpu6050 来说 可达到的角度精度更高 综合以上三种方案 方案二的优点在于其测定的角度有地磁修正 相对于方案一 而言 角度测定更准确 选择方案二 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载 二 系统理论分析与计算二 系统理论分析与计算 1 1 可达到的最高角度精度的理论分析可达到的最高角度精度的理论分析 1 使用的模拟电机是角度伺服电机 给一个 0 5ms 的脉冲时转动到 0 点 脉冲最大为 2 5ms 转动到 180 从 0 5ms 到 1 5ms 有 2ms 的中间值 2 若使用 stm32 的定时器 将定时器的预分频设置为 72 倍 原时钟频率是 72MHZ 则分频之后变成 72MHZ 72 1MHZ 即每个时钟周期是 1us 占 2ms 的 2000 分之 1 倍 也就是说 经过控制之后的最小分度值应该是 180 2000 0 09 说明以现行 参数进行设置 设计可以达到要求的 0 5 精度以内 2 2 PIDPID 参数的计算参数的计算 1 最终设计时 为了参数计算方便 将 0 到 180 的中间值分给了 1000 的 pwm 值 即每个值之间相差 0 18 若舵机的分值完全准确 PID 算法使用了 PI 算法 使用公式 pwm differ kp Bias ki angle integral roll 进行 pwm 的差值计 算 即角度与目标角度每相差一度 就会有 kp 的 pwm 修正 由于舵机的操作方式是固 定 pwm 占空比转动固定角度 所以采用差值的形式对 pwm 值进行计算 在每次计算结 束后对 pwm 值进行修正 pwm pwm differ pwm 2 由上述计算量可知 若只有比例参数进行修正则应有 pwm differ kp Bias Pwm differ 0 18 每个 pwm 值代表舵机的 0 18 此值为估计值不准确 Bias 解方程组得 kp 5 56 3 由于采用的是 PI 控制 为了避免过大的过冲 kp 取比 5 56 小一些的值 程序中取 5 ki 作为补偿 取 0 5 完成粗略的取值估计后 进行实际的测试 根据测 试结果这样的取值基本能满足系统设计的要求 响应时间基本上在 2 秒以内 精度能 达到 0 3 以内 后经过测试和修正 kp 和 ki 分别修正为 4 和 1 现行精度可达到 0 2 以内 响应时间也基本在 2 秒以内 三 电路与程序设计三 电路与程序设计 1 1 电路的设计 电路的设计 1 1 系统总体框图 系统总体框图 系统总体框图如图 1 所示 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 图 1 系统总体框图 2 2 PIDPID 算法控制子系统框图算法控制子系统框图 MPU9250传输角 度数据给单片机 计算出当前角度 与目标值的差 值 根据算法算 出补偿的差值 将差值加入当前的 输出值中 改变 pwm波脉冲的时长 并发送 舵机根据脉冲时长 进行姿态修正 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载 图 2 PID 算法控制子系统框图 3 3 电源 电源 电源由航模电池供电 由变压部分 滤波部分 稳压部分组成 为整个系统提供 5V 和 3 3V 电压 确保电路的正常稳定工作 航模电池的电压约为 11 1V 使用一个 dc dc 模块将电压将为 5V 再使用一个 asm1117 3 3V 芯片产生一个稳定的 3 3V 电压 对两部分电源都进行电容滤波进行稳压 从而完成对单片机系统 舵机等设备的供电 2 2 程序的设计 程序的设计 1 1 程序功能描述与设计思路 程序功能描述与设计思路 1 程序功能描述 根据题目要求软件部分实现 mpu9250 数据读取 ov7670 的图像显示 舵机的控制 触摸屏的触控 各种控制信息的显示以及 PID 算法的运行 1 PID 算法的运行 程序快速的将当前系统的角度值读取回来 计算出差值 Bias angle target angle 其中 angle 为欧拉角中的滚动角 roll 和航向角 yaw 然后 将差值的积分也一并计算出 Bias integeral Bias integeral Bias 根据 PID 算 法中的 PI 算法 使用这两个量值就可以计算出修正值 2 触摸屏部分 用触摸屏显示当前角度值 目标角度值 输出脉冲大小 显示摄 像头模块拍摄到的图像信息 同时设置触控按钮 可以通过触控改变目标角度值的大 小 3 基本驱动部分 配置时钟 定时器 输出 pwm 波控制脉冲大小 驱动 ov7670 摄像头正常工作并传输数据 驱动 mpu9250 并读取相关的角度值数据 2 程序设计思路 驱动配置完成之后 程序通过 mpu9250 将当前系统的角度值读取回来 根据 PID 算法中的 PI 算法 将舵机的角度修正值计算出来 再将改修正值通过 pwm 波脉冲时间 的形式发送给舵机 使舵机的角度值改变 使系统的角度按照预设位置高精度变化 从而完成系统的角度控制 2 2 程序流程图 程序流程图 1 主程序流程图 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 初始化所有 外部设备和 单片机 读取摄像头图 像数据 读取mpu9250 传回角度值 检测触摸屏并 更改目标角度 值 计算pwm补偿 值并提供给舵 机 将所有信息发 送给LCD显示屏 显示 2 PID 计算子程序流程图 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载 根据当前角 度和目标角 度计算出差 值和积分 根据系数计算 补偿值 补偿值限幅 将补偿值加到 当前值并限幅 将计算值赋给 定时器 改变 脉冲时长 四 测试方案与测试结果四 测试方案与测试结果 1 1 测试方案与论证 测试方案与论证 1 硬件测试 检查硬件电路图 stm32 电路板和相关走线连接没有问题 打开 电源之后 各部分正常运行 舵机转动时 用数字示波器检查 5V 电源和 3 3V 电源 无较大纹波 稳压及滤波电路正常工作 2 软件仿真测试 经过仿真 程序能够正常运行 读取数据 数据的相关计算 都正常 3 硬件软件联调 上电之后 程序正常运行 mpu9250 ov7670 lcd 显示屏 都正常运行并能传回数据 舵机可以按照指定方向转动 正常输入目标角度 测定系 统的稳定性和精度 每次改变目标角度 10 查看最终的稳定值与目标角度的偏差以 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 此计算精度 论证 由于制作的是机械系统 若系统能够稳定运行 运行指标满足题目要求 则系统的测试 2 2 测试条件与仪器 测试条件与仪器 测试条件 检查多次 上电之后运行系统检查系统的运行稳定性和系统精度 测试仪器 数字示波器 数字万用表 指针式万用表 3 3 测试结果及分析 测试结果及分析 1 1 测试结果 测试结果 数据数据 每次改变目标值查看稳定之后的角度值 单位 目标值 10 20 30 40 50 60 70 130 实际值 10 012 6 19 984 6 29 953 6 40 095 4 50 016 9 60 031 4 69 899 4 129 98 6 2 2 测试分析与结论 测试分析与结论 根据上述测试数据 可以看出最大的精度偏差为 0 1006 经过后续的粗测量精度 偏差最大基本不会超过 0 1 由此可以得出以下结论 1 系统的精度可满足角度偏差不超过 0 2 的精度 2 系统的稳定性非常高 基本不会出现不稳定因素 可以有效的使用 综上所述 本设计达到题目要求的角度偏移小于 0 5 的目标 五 参考文献五 参考文献 1 谭浩强 C 语言程序设计 M 北京 清华大学出版社 2012 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载 附录附录 1 1 电路原理图 电路原理图 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 附录附录 2 2 源程序 源程序 intint main void main void u8u8 t 0 t 0 u16u16 lastpos 5 2 lastpos 5 2 floatfloat pitch roll yaw pitch roll yaw shortshort aacx aacy aacz aacx aacy aacz shortshort gyrox gyroy gyroz gyrox gyroy gyroz shortshort mx my mz mx my mz u8u8 error error u16u16 pwm yaw pwm roll pwm yaw pwm roll u8u8 lightmode 1 saturation 2 brightness 2 contrast 2 lightmode 1 saturation 2 brightness 2 contrast 2 u8u8 effect 2 effect 2 u16u16 i j i j u32u32 color 0 color 0 floatfloat t yaw t roll t yaw t roll delay init delay init NVIC PriorityGroupConfig NVIC PriorityGroup 2 NVIC PriorityGroupConfig NVIC PriorityGroup 2 uart init 115200 uart init 115200 LCD Init LCD Init TIM4 PWM Init 4999 143 TIM4 PWM Init 4999 143 SCCB Init SCCB Init POINT COLOR RED POINT COLOR RED LCD ShowString 60 50 200 16 16 MiniLCD ShowString 60 50 200 16 16 Mini STM32 STM32 LCD ShowString 60 70 200 16 16 TOUCHLCD ShowString 60 70 200 16 16 TOUCH TEST TEST LCD ShowString 60 90 200 16 16 ATOM ALIENTEK LCD ShowString 60 90 200 16 16 ATOM ALIENTEK LCD ShowString 60 110 200 16 16 2014 3 11 LCD ShowString 60 110 200 16 16 2014 3 11 draw button draw button printf Usartprintf Usart isis okok now d r n OV7670 Init now d r n OV7670 Init OV7670 Light Mode lightmode OV7670 Light Mode lightmode OV7670 Color Saturation saturation OV7670 Color Saturation saturation OV7670 Brightness brightness OV7670 Brightness brightness OV7670 Contrast contrast OV7670 Contrast contrast OV7670 Special Effects effect OV7670 Special Effects effect TIM6 Int Init 10000 7199 TIM6 Int Init 10000 7199 tp dev init tp dev init EXTI8 Init EXTI8 Init OV7670 Window Set 12 176 240 320 OV7670 Window Set 12 176 240 320 OV7670 CS 0 OV7670 CS 0 printf tp initprintf tp init d r n TP Init d r n TP Init t yawt yaw 0 0 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载 t rollt roll 0 0 while mpu dmp init while mpu dmp init delay ms 200 delay ms 200 LED0 LED0 LED0 LED0 while 1 while 1 camera refresh camera refresh if mpu mpl get data error MPU Get Accelerometer error MPU Get Gyroscope error MPU Get Gyroscope error MPU Get Magnetometer error MPU Get Magnetometer printf pitch fprintf pitch f roll f