摄像头云台设计报告

1、摄像头云台设计学生姓名：2017年5月24日摘 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

2、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°（大部分时间可达到°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°。云台从开始修正到角度偏差小于°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

3、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°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。目 录一、系统方案11、模拟舵机的论证与选择12、mpu9250模块的论证与选择1二、系统理论分析与计算11、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12、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

4、修改1三、电路与程序设计21、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32、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31、测试方案与论证32、测试条件与仪器43、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、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

5、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

6、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

7、高的精度，选择方案一。2、mpu9250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

8、定更准确，选择方案二。二、系统理论分析与计算1、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°点，脉冲最大为2.5ms，转动到180°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°°精度以内。2、PID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p

9、wm值。即每个°（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°°，此值为估计值不准确

10、） = Bias。解方程组得：kp =。（3）由于采用的是°°以内，响应时间也基本在2秒以内。三、电路与程序设计1、电路的设计（1）系统总体框图系统总体框图如图1所示，图1系统总体框图（2）PID算法控制子系统框图图2PID算法控制子系统框图（3）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、程序的设计（1）程序功能描述与设计思

11、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

12、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）程序流程图1、主程序流程图2、PID计算子程序流程图四、测试方案与测试结果1、测试方案与论证（1）硬件测试：检查硬件电路图

13、，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、测试条件与仪器测

14、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、测试结果及分析（1）测试结果(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（2）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°，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°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

15、述，本设计达到题目°的目标。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附录1：电路原理图附录2：源程序int main(void)u8 t=0; u16 lastpos52; float pitch,roll,yaw; short aacx,aacy,aacz; short gyrox,gyroy,gyroz; short mx,my,mz;u8 error;u16 pwm_yaw,pwm_roll; u8 lightmode=1,saturation=2,brightness=2,contrast=2;u8 effect=2; u16 i,j; u32

16、color=0;float t_yaw,t_roll;delay_init(); NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); uart_init(115200); LCD_Init(); TIM4_PWM_Init(4999,143); SCCB_Init();POINT_COLOR=RED; LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"Mini STM32");LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"TOUCH TEST");LCD_ShowString(6

17、0,90,200,16,16,"ATOMALIENTEK");LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2014/3/11");draw_button(); printf("Usart is ok now!%drn",OV7670_Init(); OV7670_Light_Mode(lightmode); OV7670_Color_Saturation(saturation); OV7670_Brightness(brightness); OV7670_Contrast(contrast); OV7670_Sp

18、ecial_Effects(effect); TIM6_Int_Init(10000,7199); /tp_dev.init(); EXTI8_Init(); OV7670_Window_Set(12,176,240,320); OV7670_CS=0; printf("tp_init %drn",TP_Init();t_yaw = 0;t_roll = 0;while(mpu_dmp_init() delay_ms(200);/LED0=!LED0; while(1) camera_refresh();if(mpu_mpl_get_data(&pitch,&

19、;roll,&yaw)=0)error=MPU_Get_Accelerometer(&aacx,&aacy,&aacz);error=MPU_Get_Gyroscope(&gyrox,&gyroy,&gyroz); error=MPU_Get_Magnetometer(&mx,&my,&mz);printf("pitch:%f roll:%f yaw:%f n",pitch,roll,yaw);tp_dev.scan(0);if(tp_dev.sta)&(1)if(tp_dev.x0&l

20、t;lcddev.width&&tp_dev.y0<lcddev.height)if(tp_dev.y0>400)if(tp_dev.y0<533)if(tp_dev.x0<240)t_yaw= t_yaw+10;if(tp_dev.x0>240)t_roll= t_roll+10; else if(tp_dev.y0<666)if(tp_dev.x0<240)t_yaw= t_yaw-10;if(tp_dev.x0>240)t_roll= t_roll-10;if(t_yaw>180)t_yaw = 180;if(t_ya

21、w <-180)t_yaw =-180;if(t_roll>180)t_roll = 180;if(t_roll<-180)t_roll = -180;LCD_Showangle(yaw, roll, pitch,t_yaw,t_roll);LCD_Showpwm(pwm_yaw,pwm_roll); pwm_set(yaw,t_yaw,roll,t_roll,&pwm_yaw,&pwm_roll); u16 compute_pwm_roll(float angle,float target_angle,u16 pwm)static float angle_integral_roll=0;int pwm_differ;float kp,ki;float Bias;kp = 4;ki = 1;Bias = angle -target_an