论文总字数：19042字

目 录

摘要 3

ABSTRACT 4

1绪论 5

1.1研究背景及意义 5

1.2国内外研究现状 5

1.3稳定平台系统概述 5

1.4本文的结构安排 6

2 系统设计 8

2.1驱动单元的选择 8

2.2驱动电机与自由度的选取 8

2.3姿态检测模块的选择 8

3硬件选型 10

3.1硬件系统整体构架 10

3.2主控芯片 10

3.2.1主控芯片选型 10

3.3姿态模块中使用的敏感器件 11

3.3.1传感器选型 11

3.3.2陀螺仪特性 12

3.3.3加速度特性 13

3.3.4磁力计特性 14

3.4无刷电机部分 15

3.4.1驱动芯片选型 15

3.4.2无刷电机选型 15

4硬件实现 16

4.1主控芯片的硬件实现 16

4.2姿态检测硬件实现 20

4.3无刷电机驱动硬件电路 21

5稳定平台系统姿态解算算法设计 22

5.1算法核心原理 22

5.2传感器信号处理 23

5.2.1对于MPU9250芯片上加速度计信号的处理 23

5.2.2对于MPU9250芯片上陀螺仪信号的处理 23

5.2.3对于MPU9250芯片上磁力计信号的处理 24

5.3混合坐标系下的姿态解算 24

6软件实现 25

6.1整体结构 25

6.2片内倍频程序 26

6.3软件模拟IIC程序 26

6.4有关MPU9250的驱动程序 27

6.5反三角函数的解决 27

6.6卡尔曼滤波算法的实现 27

6.7电机驱动函数 27

6.8与上位机相关的TTL串口程序 28

7系统测试与分析 29

7.1系统调试环境 29

7.2系统静止时的调试结果 29

7.3系统受外力抖动时的调试结果 29

8总结和展望 30

参考文献 31

致谢 32

基于XS128的稳定平台设计

程思源

，China

ABSTRACT：The design of the stable platform is based on chip which named XS128.By Using MPU9250 as 9-axis MotionTracking part, DRV8131 Half-bridge as driving BLDC part and BLDC parts this design is run system in hardware. The flow of system is XS128 gets MPU9250 data and math angle of roll yaw and pitch after the wok of Kalman filter. Then use the angle to change PWM wave to adjust the BDLC. This design used the 3-axis BLDC mechanical structure design.

Keywords:XS128; stabilized platform; roll; pitch; yaw

1绪论

1.1研究背景及意义

稳定平台一直是一个在工业生产和军事产业的重要话题，但随着近年微电影，低成本影视作品的蓬勃发展以及普通民众对于自创作的需求逐步提高，而非专业/半专业拍摄设备的光学防抖又有其局限性，解决拍摄平台的抖动已经成为一个痛点。在这个背景下，低成本、轻便、低噪声的稳定拍摄平台有广泛的应用空间。

1.2国内外研究现状

自从上上个世纪末，摄影初步形成就有为了追随拍摄物而建立的拍摄轨道，到了上世纪30年代出现了固定摇臂，在50年代早期又出现了由McAlister公司创造的动力轨道车，这使得在各个电影录制场都充满了“螃蟹”的身影。在上世纪70年代，在电影创作领域已经向肩扛稳定器进行了大范围的尝试。这种被称作Steadicam的物体又解决了在移动拍摄时的灵活性、便利性。让它可以拍摄比固定轨道或摇臂时间更长的长镜头，更好的服务于外景环境，但实际上为了使用这种机械结构复杂且笨重的工具，使用人必须经过大量训练，而且其价格也不能被普通民众所接受。

在20世纪80年代中国开始了用于军事的光学稳定平台研究但到90年代初在产品上依旧处于空白期。但进入21世纪之后由于数字、模拟敏感器件的量产和微型化，以及单片机系统的发展，极大的激发了科研人员对于商业化稳定平台的热情。

近三年，国内开始兴起了针对Steadicam的技术革命，采用3轴陀螺仪和驱动电机的结构解决Steadicam过于笨重问题，但是最大的受众依旧是是专业拍摄，这场革命的主力也是与商业摄录有密切关系的人员。

但从2016年开始，国内的星云等厂家开始做出了相对成熟的电子陀螺稳定器用于民用拍摄。

1.3稳定平台系统概述

电子稳定平台广泛应用于各种环境之下，民用方面有独特的优势。稳定平台的任务是在平台的俯仰角、翻滚角、航向角等自由度发生抖动等不稳定情况时能够实时反馈给控制单元使平台始终相对稳定。

图1-1 姿态角示意图

对于本设计种的电控稳定系统首先要建立描述平台现在状态的数学模型，该模型的主要描述了根据敏感器件在连续时间范围里的信号变化推算载体在欧式几何范围里的俯仰角、翻滚角、航向角等自由度的变化。陀螺仪的应用一直是这个部分的瓶颈，其发展史是稳定平台高效开发的历史前提。最早出现的转子陀螺开创了平台系统时代，以后出现了光学陀螺（激光陀螺和光纤陀螺）划时代的让传感器部件进入了小型化和客商化的历史阶段，从而稳定系统又一次更新自我；现在微型陀螺仪器件充斥市场，这得益于微电子系统的革命性发展。对于不同的稳定偏平台有不同的敏感器件选择，但是陀螺仪是不可或缺的重要组成部分，但是陀螺仪所测得到的是角加速度量，要把测值转化到数学模型中的角度数据，需要从起始量不断累加，所以如果使用单一的陀螺仪作为核心敏感器件则需要器件的有很高的精确度和线性特性，还必须适应较宽的温度范围，这样的芯片成本将非常巨大。所以为了节约成本，需要不具有累加误差的测量值来中和陀螺仪的测量数据，选用加速度计和地磁传感器对累积误差进行校正和补偿从而得到较好的的性能表现，在转子陀螺发展阶段，整体系统一样是建立在机械惯性元件的基础之上，有非常昂贵的造价、不光笨重而且要求使用人必须经过专业训练，还不能做到长时间运行。但是由于伺服电机的出现，机械臂的驱动方式发生了革命，使精度和成本变得有商用的价值。现今云台系统大多使用直流电机后者减速电机驱动，但是对于实时稳定的精度和速度要求仍旧有所欠缺。直到2015年以后，空心轴无刷直流电机的出现使得云台稳定系统有更加紧凑的结构和使用空间。

1.4本文的结构安排

稳定平台的信息采集部分是是通过敏感器件来收集物理信号并转化为电信号，以此来推算平台姿态的状态解算部分。由于不同类型的敏感器件在输出中带有过敏（陀螺仪）、滞后（加速度计）、干扰（磁力计）噪声的姿态信息，所以稳定平台系统算法需要对9轴传感器的测量信息进行集中处理，即软件滤波。初步滤波之后，由于9轴传感器包含的3种传感器的特性不同如响应速度，累计误差，干扰抗性，所以对于这三类不同的器件回传的解算后融合或者融合后解算，或者同时进行带补充参数的间接解算（卡尔曼滤波与四元数系统同时使用的情况），从而提高测量的可信度和动态响应能力。本文研究基于XS128的稳定平台系统，同时适用于手持平台与无人机云台的姿态控制。通过对比分析当前市场上可以采购到的各类微传感器设备，选取了具体的硬件型号并设计了硬件原理图，针对传感器本身的电力学特性使用了有针对性的初阶滤波模型，然后重点设计了姿态解算与数据融合同步进行的高效函数，实现了三种不同类型的传感器的数据同步使用；然后通过实验，调试平台自由度驱动模块，通过对PWM波形的控制实时将姿态信息反馈到驱动芯片以此使平台动态稳定。各个模块实验的实验数据和最终成品能够使得平台独立稳定工作。

本文结构内容安排如下：

第一章为绪论，通过介绍稳定平台的发展历史和电控稳定平台的应用前景，进而对系统中的各种大纲性问题进行了系统的介绍，重点介绍了其中对于姿态检测的各个类型的敏感器器件，同时简要概括了本文的结构安排。

第二章介绍了搭建稳定平台在宏观模型上的选择，将系统从宏观的角度分解分析，概括了对于每一个部分的选择问题，实际上将概念上的设计与现实电气环境建立了联系，并且论证了实现的可行性。

第三章主要对电控系统部分有关系统核心参数的重要硬件的选型问题进行了深入分析，首先介绍了主控芯片的选择，之后对于姿态信号采集传感器的选型结果进行了较为详细描述，以及电机驱动芯片的选择以及控制电机的选择，同时说明了选型的合理性。

第四章讲解了稳定平台的硬件搭建过程，落实了在前文所述的电控系统上的要求以及具体的硬件环境

第五章说明了便携稳定平台的关键算法——卡尔曼滤波参与的多方式协同滤波的数据融合算法解算。解释了数据使用的逻辑关系，并且选择了主要的核心传感器。

第六章根据流程图叙述了主控芯片具体的软件结构流程，并对于每个独立的小程序进行了解剖，对于核心算法没有涉及到的细节上的问题进行了解决。

第七章对于本设计的一些基本性能指标进行了测定。

第八章对本设计进行了总结与展望。

2 系统设计

稳定平台由有效载荷区，多自由度机械驱动单元，姿态检测模块和驱动电路组成。并通过内建程序减少使用者对于学习使用的时间投入。用自由度驱动划分有以下三种主流形式：①通过机械臂的多足稳定平台②通过线缆桥悬挂的稳定平台③通过电机直接驱动的稳定平台；在实际使用中有2、3、4和多自由度的选择。而在电源供电方面通常有24V/220V交流电供电的也有直流供电的情况。在姿态检测模块中又分成了以下多种形式①单三轴陀螺仪②单三轴加速度计③加速度计与陀螺仪混合④加速度计、陀螺仪与磁力计混合⑤电机内相位检测与加速度计、陀螺仪混合等形式

2.1驱动单元的选择

• 1. 机械臂的主流是液压和油压驱动；用于军事化场景以及高负载场景。
  2. 线缆桥悬挂的平台作用在大环境的监控系统场景居多
  3. 通过电机直接驱动的平台是最好适用于便携化和轻量化场景的设计

所以云台稳定平台大多数使用的是第三种形式即通过电机直接驱动，并且使用步进电机或直流力矩电机控制，承重力大；功耗大；体积大。也有使用无刷电机控制的微型控制云台。所以本设计使用第三种形式的驱动方式。

2.2驱动电机与自由度的选取

本设计的目标是轻便稳定平台即为微型云台设计，有效载荷设计在能够通过15V以下航模驱动电流的条件以下。所以选用了对于驱动力要求低的直流无刷电机。对于拍摄稳定而言有5个不容忽视的自由度，而其中最重要的是以下3个自由度：横滚角、俯仰角和航向角。所以为了经济实用性选取横滚角、俯仰角作为主要自由度，航向角为参考自由度。

2.3姿态检测模块的选择

不同敏感器件其本身的特点是明显的互补的：

• 1. 陀螺仪顾名思义是一种利用高速旋转物体具有的特性制作的仪器。最原始的陀螺仪是在不受外力的影响下通过高速旋转的物体的旋转轴来维持方向，但是，根据角动量守恒的原理后来这种笨重的结构在电学上的到了改变。这就造成了在传统物理学上陀螺仪的应通常用于维持方向而基于其原理制成的电子陀螺仪的主要应用是是获得角加速度信号，从而推算被测物体单位时间里的角度变化量。但是由于电子陀螺仪的测量是离散时间信号，而计算角度时又要理想为连续时间信号，所以不可避免的会有误差，这种问题被称为陀螺仪的零点漂移问题。
  2. 加速度计与电子陀螺仪类似的测得到一个有关时间的线性加速度值，加速度计最常见的电信号输出是通过编码数字输出。加速度计在姿态检测中的应用是通过其能够在地球引力范围里稳定的测量当时的重力加速度在各个轴上的分加速度信息，所以又被称为重力计。但是由于动态环境下，除了重力以外，平台收到外力所用产生的新的干扰线性加速度对测量结果有深刻的影响，具体表现在加速度计的输出值所描述的系统状态经过初次滤波后会滞后于实际的状态。加速度计由于重力方向的单一性，所以只能测量到俯仰角与横滚角信息。
  3. 磁力计的原理和传统罗盘类似，是利用磁场强度来指导航向的航向角测量工具。不同的是传统罗盘使用的是磁针来感应磁场，而磁力计使用的是磁阻传感器感应到地磁信息并通过电流信号来描述航向，同时也有一些磁力计可以直接输出数字信号。所以利用体积更小，重量更轻的磁力计是自动控制系统中常用的测量工具。具有数字信号输出磁力计通常有单平面测量版本，或者三维立体的测量版本。其中平面测量版本只能可靠的水平的测量地磁信息，而三维立体罗盘可以在任何角度（除了欧式几何中的万向节死锁位置）可靠测量地磁信息。这种带有倾角补偿模块的三维立体罗盘，成本比平面罗盘的相对要高一些。

对于上文提到的几种组合方式进行分析可以得出以下结论：

1. 单三轴陀螺仪：低成本；对3个自由度都有响应；响应迅速；但有零飘问题
2. 单三轴加速度计：低成本；只对横滚角与俯仰角有响应；但响应速度慢
3. 加速度计与陀螺仪混合：成本较高：横滚角与俯仰角的响应可信度好；但航向角不可靠
4. 加速度计、陀螺仪与磁力计混合：成本与③中的情况相近；3个自由度都可靠
5. 电机内相位检测与各种敏感器件混合：设计难度大；精度提高有限

因为本设计选取了3个自由度来设计，所以直接排除了②单三轴陀螺仪的设计，为了控制设计时间排除了⑤电机内相位与敏感器件混合的设计；为了保证3个自由度都有很好的精度和响应速度，所以选用了④加速度计、陀螺仪与磁力计混合的设计方案。

3硬件选型

3.1硬件系统整体构架

硬件系统主要是XS128主控板为核心，配合9轴敏感器件、电机驱动电路、无刷直流电机和部分外设电路搭建而成。

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