遙控兩軸云臺小車控制系統(tǒng)硬件設計

任洋 尹宇芳 崔州平 陳應松 張慧潔

摘要：以機器人技術為背景，設計的一種遙控兩軸云臺小車控制系統(tǒng)。該硬件系統(tǒng)以STM32F427ET6單片機為核心，采用全球首例整合性6軸運動處理組件MPU6050（重力加速度陀螺儀）和HMC5983（地磁傳感器）來檢測兩軸（X，Y）云臺的加速度及角加速度，并通過反饋電路實現對云臺的控制。遙控方式采用最新研制的2.4 GHz射頻技術DESST（DJI Enhanced Spread Spectrum Technology）2.4 GHz ISM頻段遙控器無線通信技術，能使有效操控距離達1 000 m。移動方式采用麥克納姆輪這種新型的全方位移動方式來提高移動的靈活性和越野能力。

關鍵詞：兩軸云臺；全方位移動；重力加速度陀螺儀；地磁傳感器

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：2095-5383（2018）01-0017-03

云臺是一種光機電一體化設備，不僅可以用于運載攝像頭等裝置，還可以用于兩電機按照水平方向和俯仰方向（X，Y）旋轉的安裝控制平臺。兩軸云臺作為一種高精密設備應用十分廣泛[1]，比如全方位攝像頭、無人機云臺、焊接機器人等。為了適應工業(yè)環(huán)境多樣性與適用性的要求，本文設計一種可遙控兩軸云臺小車控制系統(tǒng)，將兩軸云臺安裝在全方位移動平臺上，使云臺的移動范圍縮小，靈活性增加，并且采用麥克納姆輪全方位運動方式，使兩軸云臺可以適用于狹小空間。

1 系統(tǒng)總體設計

遙控兩軸云臺小車控制系統(tǒng)硬件主要分為3大部分：云臺控制部分、底盤控制部分和數據測量部分。各部分獨立運行并通過總線方式進行通信，其原理框圖如圖1所示。

底盤部分由4個無刷電機經過減速箱減速后帶動麥克納姆輪轉動，從而實現前行、橫移、斜行、旋轉及其組合等運動。底盤電機采用RM3510減速電機，驅動模塊采用該電機配套驅動器（包含通信接口和CPU控制模塊，驅動電路）。該電機工作電壓24 V，轉矩0.020 2 N·m/A，轉速9 600 rad/min（該參數為不含減速箱的電機參數，減速箱減速比為19∶1）。驅動器與主控板的通信采用CAN（Controller Area Network， 控制器局域網絡）總線通信方式。為提高電機工作穩(wěn)定性和工作精度，底盤4個電機均有反饋電路，采用PID（比例（proportion）、積分（integral）、導數（derivative））控制方式。在此基礎上研發(fā)的小車靈活性高、工作環(huán)境廣、受地形約束小。移動控制方式由遙控器發(fā)出移動指令接收器接收后，由STM32芯片處理后對4個電機驅動器發(fā)送不同的控制信號，再由驅動器驅動電機轉動，并實時監(jiān)測電機當前轉速從而精確控制電機轉動。

云臺部分是由2個電機和相應的電機驅動器組成，分別控制云臺X軸、Y軸轉動。一般的電動云臺控制器有內置解碼器和外置解碼器兩種，外置是指將各種接線引出到云臺機械結構的外部，通過控制器給出相應的控制信號。相反內置解碼器是安裝在云臺內部，與云臺構成一體，通過串行通訊來控制云臺。為了滿足系統(tǒng)一體化的要求，系統(tǒng)采用內置解碼器的方式。通過對整合性6軸運動處理組件MPU6050（重力加速度陀螺儀）和HMC5983地磁傳感器反饋數據進行PID算法控制，以此達到更好的控制精度。控制過程為：主控利用陀螺儀與地磁傳感器移動過程中各軸的加速度以及角速度和輸入值進行PID計算得到電機轉動的PWM值，通過CAN通信給云臺電機驅動器指令，電機驅動器隨即驅動電機轉動，從而進一步控制電機轉動使云臺達到指定位置。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控單元

系統(tǒng)主控電路是由單片機最小系統(tǒng)電路組成（最小系統(tǒng)包括單片機復位電路[2]、時鐘信號發(fā)生電路）。單片機選用意法半導體公司的STM32F427ET6，該單片機是基于CortexTM-M4核心的高性能單片機，其工作頻率可達180 MHz，擁有256 KB SRAM（Static Random Access Memory， 靜態(tài)隨機存取存儲器）。

2.2 云臺數據測量單元

為實現云臺的高精度控制，系統(tǒng)硬件中必須存在數據采集電路。該數據采集電路主要由整合性6軸運動處理組件MPU6050（重力加速度陀螺儀）電路和HMC5983地磁傳感器電路構成。

2.2.1 重力加速度陀螺儀電路

MPU-6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了封裝空間。MPU-6050的敏感度為131 LSB/（°/s），為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為±250、±500、±1 000、±2 000（°）/s，加速度計可測范圍為±2，±4，±8，±16g[3]。MPU-6050移除了加速器與陀螺儀軸間敏感度，降低設定給予的影響與感測器的飄移。MPU-6050的陀螺儀和加速度計分別采用3個16位ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量從而供stm32芯片進行讀取[4]。驅動方式采用IC接口，時鐘引腳的SCL連接至STM32F427ET6的PB8接口，數據中斷引腳鏈接到PB10，為了增加驅動能力，引腳上增加了10 kΩ的上拉電阻。電路圖如圖2所示。

2.2.2 地磁傳感器電路

霍尼韋爾三軸電子羅盤HMC5983[5]是一個溫度補償的三軸集成電路羅盤，常用于測量磁場。該傳感器用于檢測云臺的當前方向和轉動角度。由于陀螺儀在運行中會產生漂移現象和累計誤差，所以在使用MPU6050陀螺儀的時候需要使用地磁傳感器對陀螺儀數據進行比對和校準以此來提高數據的準確性，從而進一步提高云臺的控制精度。

2.3 云臺控制電路

云臺部分的電機采用大疆公司RM6623控制電機，具有精度高，響應快，扭矩大等特點。電機的額定電流為0.3 A，額定功率7.2 W，空載轉速450 rad/min，堵轉扭矩0.70 N·m，堵轉電流3 A。扭矩足夠一些小型機械設備正常運行。如需帶動較大設備運行可以外加減速箱，或換用大功率電機。該電機的角度控制精度為±0.01°，精度已經滿足使用要求。云臺電機的位置傳感器采用磁電傳感器（霍爾元件），用于檢測電機轉動角度，通過內部芯片處理后輸出數字量，在本系統(tǒng)中該數據用于限制電機轉動角度。電機的驅動板與主控單元采用CAN總線通信方式，該總線由CAN-H和CAN-L構成，可實現雙向通信，主控通過CAN通信給電機驅動控制信號。陀螺儀和地磁傳感器將角速度、角度參數反饋給主板用于雙環(huán)控制云臺電機，提高電機的運行精度與穩(wěn)定精度，角速度作為外環(huán)反饋參數，角度作為內環(huán)反饋參數。云臺電機控制電路結構圖如圖3所示。底盤電機的控制方式和通信方式與云臺電機的控制、通信方式基本相同，其中只采用了霍爾元件一個閉環(huán)控制。

3 系統(tǒng)實現

系統(tǒng)實現首先解決電源供給問題，底盤電機額定電壓24 V，堵轉電流10 A。由于轉速控制，底盤電機正常工作電流0～0.9 A。云臺電機額定電壓為24 V，堵轉電流為6 A，正常工作電流0～0.3 A。由于軟件控制方式上采用的限速控制方式，所以所有電機均不會達到最大功率工作。整套控制系統(tǒng)最大功率不會超過100 W。電機的磁電傳感器的工作電壓為5 V，CAN通信芯片、慣性測量單元、STM32F427ET6等的工作電壓為3.3 V。整車的供電由24 V航模鋰電池供給，容量為4 500 mAh，如需延長工作時間則需更換大容量電池。

首先由LM2596S降壓轉化芯片進行電壓轉化，從而輸出5 V電壓，輸出電流最高可達2 A，滿足通信芯片工作要求，再由ASM1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓器其固定輸出3.3 V，最大輸出電流1.2 A。為了降低電壓波動，使主控芯片和慣性測量單元元件工作穩(wěn)定所有的供電輸出端口均設計有LC無源濾波電路，采用5025B 20MM 68UH的電感和220 μF的電容組成，達到較好的濾波效果。24/5 V電壓轉換電路如圖4所示。其余3.3 V輸出電路與該電路使用方法相同。

其次解決各個部件之間的通信問題，首先4個底盤電機與2個云臺電機均采用CAN總線通信方式，采用MAX3051EKA芯片，電路圖如圖5所示。

4 結語

本設計以32單片機為主控單元，通過遙控實現小車的全方向位移與兩軸云臺的遙控。試驗證明：該系統(tǒng)能夠正常運行并達到控制要求精度，但重力加速度陀螺儀仍然有輕微的漂移現象。當云臺上的安裝設備過重或是云臺重心沒在電機中心軸上時，云臺電機的輸出扭矩增大，會有明顯的發(fā)熱現象，需要進一步改進。

參考文獻：

[1]黃文娟.基于PLC的兩軸云臺控制系統(tǒng)的設計與實現[D].廈門：廈門大學， 2015.

[2]梁亞峰， 王青春， 胡登純. 面向物流終端的包裹分揀裝置控制系統(tǒng)的設計[J]. 成都工業(yè)學院學報， 2016， 19（2）：42-45.

[3]InvenSense . MPU-6000 and MPU-6050 product specification revision 3.4.[EB/OL].[2013-08-19].

[4]NIE Y.陀螺儀加速計MPU6050[EB/OL].[2017-04-22].http：//www.crazepony.com/wiki/mpu6050.html.

[5]上海丙寅電子有限公司.HMC5983三軸電子羅盤芯片簡介[Z].2014.