基于MPU6050的电子机械稳定平台设计

JOURNAL OF HENAN UNIVERSITY OF ENGINEERINGVol. 29,No. 2Jun.2017

基于MPU6050的电子机械稳定平台设计

黄全振，张宁，林伟鹏，孙清原，陈素霞

(河南工程学院电气信息工程学院，河南郑州451191)

摘要:稳定平台具有隔离栽体扰动、实时保持动态姿态基准的特点，已在许多领域得到了广泛的应用.采用MPU6050姿 态传感器，设计了一个三自由度电子机械稳定跟踪平台.采用MPU6050监测平台的姿态变化，姿态控制器根据控制算法输出 控制信号，用来控制3个电机转向及转速，电机带动机械传动机构实现稳定平台在Z轴、F轴、Z轴3个自由度方向的移动，从 而实现稳定平台姿态基准的稳定.测试与仿真结果表明，稳定平台的控制效果良好，为航空专用精密稳定跟踪平台的开发提 供了重要参考.

关键词：稳定跟踪平台；姿态传感器;PID控制算法中图分类号:TP237

文献标志码:A

文章编号= 1674 -330X( 2017)02 -0046 -05

稳定跟踪平台以实时检测平台姿态和位置变化为手段，通过一系列电子机械传动机构精确保持动态姿 态基准，利用图像探测设备实现对移动目标的自动跟踪.由于它有效地隔离了载体本身的扰动，在航空侦 查、海底探测、精密设备的检测等领域得到了广泛的应用[1_3].

目前，稳定平台的姿态测量以陀螺仪为主，如文献[4]采用两个单轴陀螺和一个水平陀螺仪实现了航空相 机稳定平台系统的设计;文献[5]以电子机械三轴角速率陀螺、线加速度计和磁阻传感器为基础，设计了一套低 成本的低空遥感小型三轴陀螺稳定平台;文献[6 ]设计了一个两轴两框架结构的红外相机稳定平台并进行了模 态分析.稳定平台在实际应用场合中经常受到外界环境的干扰，系统性能下降，如何提高抗干扰能力成为稳定 平台精度的关键.许多学者将现代控制算法应用到稳定平台的控制中，如文献[7]为了解决非线性因素对稳定 平台控制系统性能的影响，提出了一'种自适应t吴糊-PID复合控制方法;文献[8]为了进一•步提尚光电稳定侦查 平台的抗干扰能力，提出了一种基于扰动频率自适应的自抗扰控制新方法.上述控制方法虽然有效提高了稳定 平台的抗干扰性能，但控制算法复杂、计算量大，很难在成本较低的单片机控制系统中实现.

稳定跟踪平台在航空拍摄、机载目标跟踪和海底声呐探测等领域的应用相当广泛，故采用MPU6050为 姿态传感元件、STM32单片机为主控芯片，设计一个三自由度电子稳定平台，该平台具有体积小、精度高、成 本低、自主稳定等特点.试验测试表明，稳定平台的转向角测量精度可达1°，俯仰角和横滚角可达〇.1°，机械 控制精度优于0.1°，快速响应时间小于20 ms.

1设计原理

由于图像采集技术的飞速发展，相机的防抖功能在不断完善，从

机械传动机构到图像的合成过程、从硬件的防抖到软件的防抖，均取 得了较大的进步.若将相机抖动机制分解成三维立体图（见图1 )，相 机拍摄质量干扰主要是由Z轴、y轴、Z轴方向位移偏差引起的.

稳定跟踪平台的构建思路类似于相机三维消抖结构，试图在俯仰

图1相机=维立体图1 eamem 3D

(Z轴）、横滚轴）和转向（Z轴）方向上运动，使平台上携带的设备在地理坐标系上保持稳定，以消除由平

收稿日期=2016-10-11

基金项目：国家自然科学基金（61403123 );河南省高校科技创新人才支持计划（17HASTIT020);河南省科技攻关项目（162102210099,

172102210205);河南省高等学校青年骨干教师培养计划（2016GGJS153)

作者简介:黄全振（1979 -),男，河南驻马店人，副教授，博士，主要从事先进智能控制方面的研究.

第2期黄全振，等：基于MPU6050的电子机械稳定平台设计

.47 •

台载机引起的相移.精确跟踪平台的稳定性取决干机械精准顺滑度、机构转向电机精度、运动姿态传感器灵 敏度和较好的反馈控制算法等.

设备

2稳定跟踪平台系统的设计

稳定平台的结构

稳定平台大致由载机底座、3个机构转动无刷电机、重

2.1

力加速度陀螺仪传感器MPU6050、摄像设备和相关驱动机构 组成，结构如图2所示.

安装作平台上的MPU6050姿态传感器感测平台的运 动，将载体姿态的变化实时地传送给控制器模块，控制器依

据控制算法输出控制償号，控制3个电机的转向及转速，电 机带动传动机构实现跟踪平台在Z轴、F轴、Z轴3个自由度 方向的移动，从而实现精确稳定平台的跟踪功能.2.2稳定跟踪平台控制系统

稳定跟踪平台控制系统包含控制器模块、姿态采集模 块、电机驱动模块、电机测速模块和电源转换模块，如图3 所示.

2.2.1 STM32 控制器

本系统采用STM32F103RCT6单片机为主控芯片，它的 内核是ARM 32位的C〇rteXTM-M3,敁商工作频率为72 MHz，工作电压为2.0 ~3. 6 V,具有256 K字节的闪存程序存储 器，可利用外置的纽扣电池实现掉电数据的保存，支持JTAG

和SWD调试，含有6个可产生PWM波的定时器，其中的定时器1和定时器8为髙级定时器

控制器接口电路如图4所示，在PD0和 PD1连接8 MHz的外部晶振，由于电机为f湘 直流无刷电机，控制器针对每一个电机需要连 接6个端口，如滚动电机接口为YawA，YawB，YawC，YawASVYawBMj YawGN，3 个电机测速接 R 分别为 VPitch，VYaw，VRoll.

具体控制过程如下：STM32控制器实时接 收MPU6050测得的姿态信息，同时进行解析运 算，通过控制算法输出PWM控制信号，通过电 机驱动调整平台姿态，同时把电机转速反馈给 控制器，进一步修出信号，最终实现跟踪平 台的稳定.

2.2.2姿态采集模块

姿态采集模块以MPU6050为核心元件，它 集成了 3轴MEMS陀螺仪和3轴MEMS加速度 计，自带数字运动处理功能，减少了 MCU复杂的 融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等负荷，可以直接从DMP寄存器中读出处理结果，具有

图4 STM32控制器接口电路

Fig. 4 Interface circuit of STM32 controller

3.3V|-26

'J7_

图2

Fig. 2

稳定平台的结构

The structure diagram of stable platform

图3

Fig. 3

稳定平台控制系统总体框图

The overall block diagram of stabilized

platform control system

55 5S

BOOT1

Aux3YawAN

HtchBN PitchCN

^59 Ya^BN

PA10

PA11PA12

PA13/JTMS/SWDIO

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PA14/JrCK?SWCLKPA15/JTEH

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PD2

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PC10

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PC13-TAMTCR-RTC

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n

I4-OSC32.PC15-<；-09C32jd

VRol 1

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OTVC2F103RCT6

400 kHz 快速模式的 I2C 接口，角速度全格感测为-250° ~250°/s，-500。~500VS，- 1 000。~ 1 000°/s，

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河南工程学院学报（自然科学版)

2017 年

-2 000° ~2 000°/s,其三维检测轴及旋转方向如图5所示*

MPU6050姿态采集电路如图6所示,芯片检测到的3个轴向的姿态信息通过I2C串口传递给控制器.

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图5 MPU6050三维检测轴及旋转方向

Fig. 5

Three-dimensional detection

Fig. 6

CMDCND

图6 MPU6050电路

Schematic circuit diagram of MPU6050

of axis and the direction of rotation

2.2.3电机驱动模块

由于系统机构的特殊性，3个轴向旋转电机均选用空心轴无刷直流电机，考虑到I轴的仰视电机在平台 最底端,需要相对较大的力矩，所以X轴向电机选 用2804型号的无刷直流电机，其他两个选用2212 型号的电机.电机驱动模块均选用SI4599型号芯 片，由于电机均为sf目电机，针:对一个电机的#相 分别使用3个SI4599型号芯片进行驱动.为了驱 动3个无刷电机，共需要9个SI4599芯片，以Z轴 俯视电机的A相驱动电路如图7所示.

当PitchA为高电平、PitchAN为低电平时，PitchAout输.出I2 V的高电平；当PitchA为低电平、

PitchAN为高电平时，PitchAout输出0 V的低电平.通过芯片SI4599的转换，0 ~ 3 V的方波转换为0 ~ 12 V 的方波，实现了驱动能力的增强.2.2.4电机测速模块

为了实现跟踪平台的闭环控制，在电机转动机构上安装小型磁钢，采用型号为A3144的霍尔传感器感 应磁钢的转动信息，实现电机转速的监测*由于霍尔传感器输出的彳以）为II弦信号，需要通过LM393电压比 较器整形为方波丨具体电路如图8所示.

图7 Z轴俯视电机的A相驱动电路

Fig. 7 A phase driver circuit of Z-axis overlook motor

2.2.5电源供电模块

为保证跟踪平台的精确稳定性，对控制系统供电电源的质量要求较高.因此，针对供电电源进行稳压处 理，系统电源模块采用3S电池12 V供电，经过78D33转换3. 3 V为控制电路供电，另一路经过IRF9328为 电机驱动电路提供12 V的电源，稳压电路如图9所滅.

图8霍尔测速原理

Fig. 9

图9电源整定模块

Fig. 8 Hall speed principle diagramThe principle diagram of power setting module

第2期黄全振，等:基于MPU6050的电子机械稳定平台设计• 49 •

3

基于PID算法的稳定跟踪平台

跟踪稳定控制平台采用PID算法进行跟踪控制，

控制原理如图10所示.

U(0为控制器的输出（即为电机驱动信号），e(〇 为控制器的输人，它跟踪给定值r(0与稳定平台姿态 传感器检测信号;X(0的偏差，即

e(t')二图10基于PID算法的稳定跟踪平台

Fig. 10

The principle diagram of power setting module

r(t') - y(t') . (1)

PID的控制量u(〇是由e(〇的比例（P)、积分（I)、微分（D)通过一系列的线性组合而成，即

u(t) = KP\\e(t) +

L

其传递函数为

C(s) \" E^1 ih

+ T^l] ,

df 」

(2)

) \" Kpll +T~S + Td^

5 ⑶

式中:为比例系数;为积分时间常数;K为微分时间常数.

4仿真分析与实验验证

控制系统分别针对X轴、r轴、Z轴采用PID闭环控制算法，PID控制参数选择的原则为系统能迅速、准

确、稳定地跟踪平台的姿态变化，利用Ziegler-Nichok方法确定A',7^7^的初始值.由于针对Z轴、y轴、Z 轴的控制算法类似，故只阐述针对平台X轴(俯仰角）的控制仿真过程.设定稳定俯仰角为1°，采样时间设置 为1 ms,经过不断调整，最终选定[P=3.1，7>0.23, 7^=0.08.为了测试系统的抗干扰能力，在第800个 采样时间加人一个随机干扰信号，仿真测试如图11和图12所示.

图11无干扰状态下的PID控制系统

Fig. 11

The PID control system without interference

图12有干扰状态下的PID控制系统

Fig. 12

The PID control system with interference

图ii为在无干扰状态下的仿真结果.当姿态发生偏离时，系

统只需要〇. 3 s就趋于稳定.根据有干扰状态下的仿真结果（见 图12)可知，系统处于稳定状态时，突然出现一个外界扰动信号， 系能够统很快恢复稳定.由此可见，控制系统的抗干扰能力强.依据上述硬件及软件设计，搭建了电子稳定跟踪平台，如 图13所示.经过实物测试，稳定平台系统转向角轴）的修正量 为0° ~360°、横滚角（r轴）和俯仰角（Z轴）的修正量为± 45°; 转向角的测量精度为1°，俯仰角和横滚角为〇. 1°，机械控制精度 优于0.1°，快速响应时间小于10 ms.

Fig. 13

图13电子稳定平台

Photos of electronic stability platform

• 50 •

河南工程学院学报（自然科学版)2017 年

5结语

以STM32微处理器为核心，设计了一个电子机械稳定跟踪平台，针对系统构架、各重要模块的硬件和软

件设计进行了详细的阐述，给出了 PID姿态控制算法.然后，通过软件仿真及试验测试，验证了本设计的可行 性，为专用航空精密稳定跟踪平台的开发提供了重要的参考.

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Design of electron-mechanism stable platform based on MPU6050

HUANG Quanzhen, ZHANG Ning, LIN Weipeng, SUN Qingyuan,CHEN Suxia

(School of Electrical Information Engineering, Henan University of Engineering 7 Zhengzhou 451191, China )

Abstract：The stable platform has been widely used in many fields with the characteristics of isolation carrier perturbation, and keeps the dynamic attitude standard from time to time. In this paper, a 3-DOF electro-mechanical stability tracking platform has been designed by the MPU-6050 attitude sensor. Using the attitude change of the MPU-6050 monitor platform, the attitude controller outputs the control signals according to the control algorithm, which is used to control the three motors turning and rotating speed. The motor drives the mechanical transmission mechanism to realize the stable platform in the X , Y and axis. In order to achieve stable stability of the platform. The simulation and experimental results show that the control effect of the stable platform is good, which provides an important reference value for the development of precise and stable tracking platform for aviation.

Z

Keywords ： stabilization and tracking platform ；attitude sensor； PID control algorithm

(上接第45页）

Distribution network fault identification method based

on BP neural network

MEI Yang^XU Daxin2

(1. College of Electrical Information Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China ；2. School of Electronic Information Engineering, Sias International University, Zhengzhou 451100, China)

Abstract ： The feeder fault location method with fast and high tolerance characteristics plays an important role in enhancing the au­

tomation level of distribution network. With the wide application of terminal equipment for power distribution automation system, indi­rect positioning method based on information equipment over current fault section is simple and convenient and has become a hot spot of research in this field, the algorithm is mainly divided into two categories ： unified matrix algorithm and swarm intelligence algorithm. U­nified matrix algorithm for fault tolerant ability is poor, swarm intelligence methods in logical modeling of bottleneck problems existed during the optimization goal. Based on BP neural network model of distribution network fault location method using the characteristics of the FTU realize fault location, the principle is simple, easy implementation, and has multiple fault location. The simulation results prove the effectiveness of the proposed method.

Keywords ： distribution network ； fault location ； BP neural network