基于慣性導(dǎo)航的自動云臺控制系統(tǒng)

石效維++陳澤

【摘 要】在基于慣性的導(dǎo)航方面，無人飛機上安裝攝像頭在拍攝地面上的固定對象時，操作人員需要對飛機本身的狀況進行正確位置的姿態(tài)、方向來改變當(dāng)時無人飛機的控制攝像頭的攝像機云臺。在利用當(dāng)時的慣性導(dǎo)航這個原理來獲取無人飛機的系統(tǒng)姿態(tài)特征信息，然后根據(jù)數(shù)據(jù)一系列的分析通過技術(shù)ARM處理自動云臺控制，使其穩(wěn)定。其目的都是為了實現(xiàn)系統(tǒng)的高速、精準(zhǔn)。也在自動云臺控制系統(tǒng)的慣性導(dǎo)航進行不斷改善。

【關(guān)鍵詞】慣性導(dǎo)航 ARM 自動云臺控制系統(tǒng)

1 制造原理和系統(tǒng)組成

1.1 制造原理

自動云臺控制系統(tǒng)主要是根據(jù)小型的無人駕駛直升機在拍攝地面上的固定物體時，會由于無人駕駛的原因出現(xiàn)了晃動，導(dǎo)致直升機的機身不穩(wěn)定，所以需要進行調(diào)試直升機的方位與直升機上攝像頭的角度，從而將拍攝的地面固定物體對準(zhǔn)攝像頭。一般情況下，這種進行的調(diào)試是在手動遙控下進行調(diào)整的。當(dāng)時提出的攝像頭對準(zhǔn)攝像物品的設(shè)計時，是利用了最基本的數(shù)據(jù)關(guān)于平面轉(zhuǎn)動的角度，加速了變化數(shù)據(jù)。其最終控制機身穩(wěn)定的并非數(shù)據(jù)或那些設(shè)計，而是在這一系列的鋪墊下，通過ARM系統(tǒng)的插入控制電機本身，來保持?jǐn)z像機的穩(wěn)定。

1.2 系統(tǒng)組成

慣性導(dǎo)航的自動云臺控制系統(tǒng)主要是根據(jù)ARM來進行操作完成。根據(jù)慣性導(dǎo)航必須將直升機的機身保持穩(wěn)定，在控制直升機的轉(zhuǎn)向時首先要將攝像頭系統(tǒng)本身的方向、姿態(tài)一系列的位置信息確定好。這個系統(tǒng)經(jīng)過采用的數(shù)據(jù)分析得到自身的位置信息后再次通過ARM系統(tǒng)產(chǎn)生的信號來控制直升機姿態(tài)位置，將其的位置保持不變，穩(wěn)定下來。

所以，在利用ARM這個系統(tǒng)來進行位置穩(wěn)定與控制的過程中，系統(tǒng)的組成主要是由數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)采集和電機驅(qū)動這三大部分組成。

2 云臺

2.1 云臺簡述與內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成

2.1.1 云臺簡述

攝像機云臺安裝在一個平臺上，這個平臺由攝像機所支撐。他們兩者連接著。在云臺發(fā)生運動的過程中，發(fā)生垂直、水平運動的同時，攝像機也根據(jù)云臺做出相應(yīng)的運動，大大提高了攝像機的應(yīng)用價值。云臺的垂直和水平運動的功能也發(fā)揮了作用。為了更加將攝像機運動的靈活性達到最高，根據(jù)云臺的運動功能、安裝方式、承載重量等進行了分類，自動云臺控制系統(tǒng)在應(yīng)用上得到發(fā)展。

2.1.2 云臺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成

云臺的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由電機組成，主要有兩個電機組成，一個電機負責(zé)上下方向的轉(zhuǎn)動，另一個負責(zé)左右方向的轉(zhuǎn)動。電機的轉(zhuǎn)動根據(jù)電壓伏力大小來產(chǎn)生不同效果的轉(zhuǎn)動。電機一般整體的工作電壓在交流電二十四伏、交流電二百二十伏，以及直流電二十四伏。一般在接到上下運動的電壓時，垂直電流轉(zhuǎn)動，在接到左右運動電壓時，水平電流轉(zhuǎn)動。

2.2 云臺性能指標(biāo)

2.2.1 云臺轉(zhuǎn)動速度

一個云臺質(zhì)量的好壞取決于云臺的轉(zhuǎn)動速度的快慢。在云臺的檔次選取上也是根據(jù)云臺的轉(zhuǎn)動速度來選取的。云臺的轉(zhuǎn)動方向分為水平和垂直兩種方向。但是由于制造過程中的實際監(jiān)控下，一般來說云臺的垂直轉(zhuǎn)速比水平轉(zhuǎn)速稍微低一些。

2.2.2 云臺的載重能力

云臺的載重量在云臺控制系統(tǒng)中也起了一定的作用，作為云臺選擇的一個方向，當(dāng)云臺的載重量比實際的載重量小時，不僅會使操作功能下降，而且云臺長時間的工作負荷導(dǎo)致云臺機能有所損壞。云臺都中心作為云臺載重量的最大負載能力點，一般云臺的載重能力的都是根據(jù)這個點作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

2.2.3 云臺的周圍環(huán)境

云臺的室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境有一定的差距，但是相對情況下云臺的環(huán)境還是相對穩(wěn)定的。但是云臺的室外環(huán)境在整個云臺環(huán)境中還是比較重要的一部分，因為在云臺系統(tǒng)實現(xiàn)的過程中，室外的環(huán)境受著潮濕和灰塵等自然因素的干擾。如果云臺的溫度不在云臺所控制的這個范圍內(nèi)可以通過人工的調(diào)試下進行溫度的改變，將其調(diào)整最佳溫度。室外云臺也受著潮濕灰塵的侵蝕，在實際的制造中，云臺的制作材料也盡量選取了一些防塵防水的材料，在根本上解決問題。

2.3 云臺控制系統(tǒng)

云臺控制系統(tǒng)設(shè)計主要是根據(jù)其本身的轉(zhuǎn)動，按照一定的要求作出相應(yīng)的動作。在滿足云臺的運動過程中的控制要求，云臺將系統(tǒng)轉(zhuǎn)動設(shè)置為自動與手動兩種方式。

3 云臺控制系統(tǒng)的系統(tǒng)實現(xiàn)

云臺系統(tǒng)的主要執(zhí)行機構(gòu)是步進電機，還要由鍵盤、PC、ULN2003A、單片機等硬件相互配合發(fā)生的系統(tǒng)實現(xiàn)。在系統(tǒng)實現(xiàn)的前提也需要系統(tǒng)與其上位機進行信息的交換以便系統(tǒng)實現(xiàn)。云臺分為兩種運行模式自動和手動，本次主要對自動云臺控制系統(tǒng)進行討論。在受上位機控制的同時，自動云臺控制系統(tǒng)需要電機驅(qū)動模塊、鍵盤模塊等構(gòu)成下，控制系統(tǒng)的總體控制思路有了一定的完善。

3.1 慣性導(dǎo)航的組成與分類

慣性導(dǎo)航一般情況下最基本結(jié)構(gòu)由計算機、慣性測量裝置、顯示器等組成。慣性測量裝置中有最基本的慣性導(dǎo)航組合：加速度計和陀螺儀。陀螺儀用來測量飛行器的轉(zhuǎn)動運動，加速計用來測量平移運動的加速度。從而根據(jù)顯示器所顯示出來的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)功能。

一般慣性導(dǎo)航是安裝在飛行器上的安裝裝置，在慣性導(dǎo)航組合在飛行器上的安裝方式來看，分為平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

3.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)缺點

有一定的獨立性。因為它在系統(tǒng)實現(xiàn)的過程中不依賴任何的外部信息，也不向外發(fā)出任何的信號，更不受在外界實現(xiàn)過程中所帶來的外界干擾。①適應(yīng)能力強。慣性系統(tǒng)不論時間地點都可以進行系統(tǒng)實現(xiàn)。②精準(zhǔn)度高。在提供位置、速度、方向及姿態(tài)的數(shù)據(jù)時精準(zhǔn)度高，也在實現(xiàn)過程中產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好。③造價高，效率低。慣性導(dǎo)航設(shè)備的價格比較昂貴，在工作過程中不能給出時間信息，長期的精準(zhǔn)度明顯下降。

4 結(jié)語

本文主要分析了云臺控制系統(tǒng)的具體實際情況與要求，提出了一些對于系統(tǒng)的實際的設(shè)計方案。在自動云臺控制系統(tǒng)的過程中加入慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在穩(wěn)定性方面加強了自動云臺控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將其自身優(yōu)點融入在自動云臺系統(tǒng)中，在云臺控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中更加完善。

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