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相机稳定平台设计

张兴旺  
【摘要】: 双轴陀螺稳定平台是惯性导航系统的重要研究领域之一,本文设计的相机稳定平台是作为无人飞机航拍外挂的稳定平台,目的在于消除飞机姿态变化和机身抖动对航拍质量的影响,以获得清晰完整的图像。目前常见的此类平台,类似军用吊舱结构,多为挠性陀螺、力矩电机和控制部分组成,系统挠性陀螺抗冲击能力有限,加之精度和性价比不甚理想,有待改进,而且系统中模拟电路部分实现起来体积大、成本高、故障频繁,正是基于这些考虑,本文对相机稳定平台提出了一种基于FPGA、MEMS陀螺和舵机的两轴相机稳定平台。 本文针对相机稳定平台系统的结构和特点,以及MEMS陀螺体积小、质量轻、功耗低、成本低、可靠性高、易于实现数字化等优点,给出了以FPGA为控制核心,以MEMS陀螺为传感器的系统设计。同时考虑到稳定平台在复杂工作环境中的各项系统参数给系统稳定运行带来的影响,引入了PID控制算法,实现了稳定平台的控制设计。 本文对相机稳定平台系统的工作原理进行了介绍,然后对系统总体方案与系统结构进行了分析、仿真及设计。硬件FPGA系统围绕Altera的Cyclone系列FPGA芯片展开,提出了以FPGA为主控芯片的系统架构,并在此基础搭建了FPGA外围电路。硬件处理器部分围绕内嵌软核处理器NiosⅡ展开,添加了系统所需的SPI模块、PWM模块和UART模块等。软件部分设计了卡尔曼滤波、PID控制器和姿态解算等,进行了Matlab仿真,最后在软硬件设计的基础上对整个系统进行了调试,结果表明速度、精度和抗扰性达到系统要求。


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