1、嵌入式機載攝影穩定平臺的設計摘要：為消除無人機或直升機飛行振動對航空攝影清晰度的影響，設計了安裝攝像機的機載攝影穩定平臺。該機載攝影穩定平臺采用了嵌入式控制技術多傳感器融合技術等。以微處理器at91rm9200和嵌入式操作系統c/os為核心設計了控制系統；以微機械陀螺加速度計和gps等傳感器組成航姿儀來測量穩定平臺的速度與姿態信息。該穩定平臺在實驗室的搖擺平臺上和無人飛機上分別進行了穩定測試，其姿態穩定精度達到0.4，隔離度達到38db，從而達到了高清晰度攝影的要求。同時，具有重量輕功耗小靈活度高等特點。關鍵詞：機載攝影；陀螺穩定平臺；嵌入式控制design of embedded stabi

2、lized platform for aerial photographyabstract：in order to eliminate the vibration effect of unmanned aerial vehicle or helicopter and to get high quality image, an aerial photography stabilized platform is designed. the stabilized platform is developed by means of embedded technology, multi-sensor f

3、usion technology and so on. the control system is designed based on at91rm9200 microcomputer and embedded /os- operating system. the attitude and heading reference system apparatus is mainly composed of an mems-gyro, an accelerometer and a gps (global positioning system). its aim is to measure the p

4、osition and velocity of the stabilized platform and send data to the control system. the platform was tested on the wobbling platform in laboratory and an unmanned aerial vehicle. test result indicates that the stabilized accuracy can achieve to 0.4 degree and the isolation can achieve to 38db, whic

5、h can satisfy the requirements of high definition aerial photography.key words：aerial photography; gyro-stabilized platform; embedded control1引言收稿日期：2008-09received date：2008-09在無人機或直升機上采用高清晰攝像機進行航空攝影時，由于飛機在飛行時會受到本機和氣流等多重影響，導致機體將無法保持平穩，這給機載相機的高精度拍攝帶來很大的困難。而機載攝影穩定平臺正是用于在航空攝影過程中對攝影機進行穩定控制以隔離直升機或無人機在飛行

6、中的振動。保持航空攝影時攝相機水平(俯仰和橫滾兩個方向)穩定以及航向角(方位方向)穩定以保證攝相機能夠清晰的攝影。近年來，隨著精密機械、微電子技術、數字信號處理技術、功率電子技術和伺服驅動技術的飛速發展，慣性穩定技術有了很大的發展。國外在在這方面的研究已經向小型化、數字化和集成化方向發展1。國內在這方面的研究起步相對較晚，很多直升機光電機載采用光電一體化技術實現，結構笨重、功耗大、不能適應多攝像機的攝影，特別是高清晰度攝像機。采用微機械陀螺和石英加速度計組成的航姿儀比采用撓性陀螺體積更小、功耗更低、壽命更長、抗沖擊能力更好、成本更低。實測結果完全可以滿足本系統的精度要求。而隨著嵌入式技術的發展

7、，人們對系統智能化、小型化的要求也越來越高。而基于arm結構的微處理器以其高性能、低功耗、低成本等方面的優勢被廣泛應用。本機載攝影穩定平臺采用了嵌入式控制技術，多傳感器融合技術、伺服控制技術等來實現。性能優于傳統的直升機機載穩定系統。2控制系統硬件結構機載攝影穩定平臺的工作原理為根據操控計算機通過無線遙控給出當前的鎖定姿態進行穩定，當圍繞平臺的某個支撐軸有外力干擾力矩時，慣性平臺偏離給定位置，通過航姿儀測定出穩定平臺的位置姿態信息和速度信息反饋給微控制器at91rm9200，通過控制算法解算得出機載攝影穩定平臺的方位軸、俯仰軸和橫滾軸當前的運動角速度和角位移，解算出實際的位置姿態，與鎖定姿態比

8、較。分別作為位置環和速度環的控制依據，通過pid分別調節方位速度環、方位位置環、俯仰速度環、俯仰位置環，橫滾速度環和橫滾位置環的pid參數，總共需要調整18個pid的參數，根據偏差計算出伺服機構控制電機運轉方向和大小，對系統的航向、水平、俯仰、橫滾和方位進行修正和補償控制，以讓平臺穩定在給定的位置。如圖1所示機載攝影穩定平臺主要由航姿儀、上位機、微控制器、平臺伺服機構等組成。由于系統中涉及較大的數據運算處理，故采用atmel推出的高性能的arm9處理器at91rm9200為微控制器。其中航姿儀作為測量單元被安裝在穩定平臺上，可以實時測量機載攝影穩定平臺的姿態信息以及平臺的俯仰、方位和橫滾的速度

9、。at91rm9200通過rs422實時接收到航姿儀所采集的數據信息，分別對方位、俯仰和橫滾三個電機進行控制，電機驅動相應的執行機構從而實現機載平臺的穩定控制。圖1控制系統原理圖fig.1 block diagram of the control system principle2.1航姿儀（測量單元）由于飛行環境復雜、單一傳感器由于獲取的信息有限，通常會存在不確定性以及偶然的錯誤或缺失，而影響整個系統的穩定性和精度，所以作為航空攝影穩定平臺的測量單元，航姿儀是將gps、三個微機械陀螺儀及三個加速度計多個傳感器結合起來進行使用，它們各自產生的信息進行綜合，以便獲得合適的位姿信息。但是傳感器在長

10、時間的工作過程中將不可避免地存在漂移誤差影響，這些元件誤差將直接導致導航系統定位誤差增大，動態定位精度降低，因此為了充分發揮傳感器的性能，提高系統的精度。需要對其誤差進行補償。卡爾曼濾波算法是一種遞推形式的狀態和參數估計方法，它以測量誤差為依據，進行估計和校正，不斷逼近狀態或參數真實值。因此，可以利用其融臺多個傳感器的測量值，以獲得穩定平臺的位置及航向角估計值。陀螺測得的載體角速度信息和加速度計測得的載體加速度信息由數據采集器進行模/數轉換后通過dsp進行數據解算處理后，再通過rs422發送給微控制器(at91rm9200)。其主要由gps接受模塊、慣性測量模塊、信號調理電路、dsp+fpga

11、處理模塊、電源模塊等組成，其控制電路結構圖如圖2所示。圖2航姿儀結構圖fig.2 structure diagram of the attitude and headingreference system2.2主控制器at91rm9200及其外圍電路at91rm9200是atmel公司推出的一款用于工業控制的arm9處理器,它基于arm920t內核, 工作在180 mhz頻率下的運算速度可高達200mips。at91rm9200集成了豐富的外圍及標準接口單元，其中有高速片上sram和低延遲的外部總線接口(ebi)、高級中斷控制器(aic)、外圍數據控制器(pdc)、電源管理控制器(pmc)、u

12、sb2.0接口、以太網10/100 baset mac控制器等，這些接口極大地擴展了外部器件的種類。at91rm9200內部只有16k的sram,遠遠不能滿足應用程序的要求，所以需要擴展外部sdram及flash。2.3伺服機構控制本系統需要實現方位、俯仰和橫滾三個方向的穩定。故由橫滾伺服系統、俯仰伺服系統以及方位伺服系統夠成，它們的結構基本相同，彼此相互獨立。在系統中采用了三個直流伺服電機。at91rm9200 有六個相同定時/計數器(tc), 可用其中的三個tc產生3路獨立pwm信號（占空比50%），另三個tc作為計數器使用，分別去計三路獨立pwm信號脈沖的個數。通過調整pwm的頻率可以控

13、制電機的速度。而脈沖的個數可以控制電機的轉角。其電路接口相對簡單。3平臺軟件設計3.1嵌入式實時操作系統目前商用的嵌入式操作系統產品很多，它們相對比較成熟，并且提供了強大的開發和調試工具，但開發成本昂貴且大部分不提供源代碼，并不適合小型系統的開發。而c/os-相對于其它操作系統它不僅提供一個內核，具有公開源代碼、可移植性、可固化、可裁減、支持多任務、具有可確定性等特點，比較適合中小型嵌入式系統的應用開發?？紤]到c/os-的這些特點，本系統采用c/os-操作系統。c/os-的移植過程比較簡單。它在arm7處理器上的移植相當成熟。在at91rm9200上的移植與arm7處理器上的移植類似，由于篇幅

14、的限制,本文不具體介紹c/os-在at91rm9200上的移植過程。c/os-要求用戶提供一個周期性的10100次/s時鐘源,來實現時間的延時和超時功能3。at91rm9200內有個period interal timer(pit)，它是一個十六位的減法計數器，使用它很容易給c/os-提供10100次/s時鐘節拍。pit計數器產生時鐘節拍為100次/s的程序代如下。void ucos_tickinit()volatile int status;at91f_aic_configureit(at91c_base_aic,at91c_id_sys,1,0, os_cpu_irq_isr ); / 配

15、置 pit 中斷 at91f_aic_enableit(at91c_base_aic,at91c_id_sys);/ pit產生中斷使能 at91c_base_st-st_idr = at91c_st_pits;status = at91c_base_st-st_sr;at91c_base_st-st_pimr = 327;/ 給初值為/os產生100 hz的系統時鐘 at91c_base_st-st_ier = at91c_st_pits; 3.2應用程序用戶的應用程序位于系統最上層，在操作系統c/os-的管理下，系統的工作被劃分為若干任務，用戶按照任務來“模塊化”地編寫處理程序。每個處理程

16、序都包含一個循環執行的程序段。基于c/os的應用系統工作時，由初始化模塊、定時中斷模塊、通訊模塊組成、初始化模塊在執行時間上優先于其他模塊，而其它模塊工作于系統正常控制狀態，各自完成獨立的功能，它們之間的信息交換只采用少量的數據耦合，相互之間為并行關系，正常運行時構成一個簡單的多任務系統。定時中斷模塊完成系統主要的控制、檢測；通訊模塊完成數據信息交換，系統開始工作是首先初始化cpu；接著進行操作系統初始化，主要完成任務控制塊（tcb）初始化、tcb優先級表初始化、空任務的創建等；然后開始創建新任務；最后調用osstart（）函數啟動多任務調度。應用程序主流程圖如3所示。首先設定攝影目標，啟動a

17、t91rm9200的定時器2，以30 ms為一個控制周期，然后判斷當前gps是否有效，無效進入位置環控制，有效，則判斷當前姿態誤差范圍決定是否進入速度環或位置環控制。圖3程序流程圖fig.3 flowchart of the program4測試利用自行編制的上位機測試軟件，在實驗室的三軸搖擺臺上對機載穩定平臺進行了性能測試，實驗條件為：搖擺臺方位的幅度為/15，頻率為0.5 hz，俯仰 /20，橫滾/10，目標穩定俯仰角度36.5安裝一個高精度慣導作為測量單元，其輸出的數據所測出的俯仰姿態角度如圖4所示：其橫軸為時間軸單位為30 ms，縱軸為俯仰角度（）。由于顯示的原因，圖4只截取了 4 m

18、in的數據。其姿態穩定精度0.4，隔離度能到達38db。滿足設計要求。同時在無人飛機上對其進行了現場試驗，如圖5所示。結果滿足機載高清晰度攝影的要求。由于微機械陀螺存在的漂移，采用gps信號對航姿儀進行誤差補償，當gps長時間無效時，航姿儀測量姿態發生漂移，降低了航姿儀的精度，就會影響到控制精度，而在機載攝影時，基本不會出現長時間收不到gps的情況。圖4三軸搖擺仿真臺上實驗實際結果fig.4 test result of the three-axis wobbling platform圖5實物圖fig.5 test photo of the unmanned aerial vehicle5結論

19、本文詳細介紹了機載攝影穩定平臺的軟硬件設計，利用微機械陀螺、加速度計和gps等組成航姿儀實時測得穩定平臺的速度和姿態，通過閉環控制實現相機的自穩定，其姿態不會隨時間而漂移。在實驗室和無人飛機上都進行了嚴格的測試，性能滿足要求。與其他的穩定平臺相比較具有以下的特點：1)重量輕，只有12 kg左右，遠低于一般的航空攝影平臺。2)功耗低，可以采用蓄電池供電（12 v）。3)可以靈活地更換不同的攝像機，甚至高清晰攝像機。能成功地應用于航空高清晰攝影。參考文獻1 李文魁,王俊璞,金志華,等. 直升機機載光電吊艙的發展現狀與對策j. 中國慣性技術學, 2004,12(5):75-79.li w k, wa

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