任洋 尹宇芳 崔州平 陳應(yīng)松 張慧潔

摘要：以機(jī)器人技術(shù)為背景，設(shè)計(jì)的一種遙控兩軸云臺(tái)小車(chē)控制系統(tǒng)。該硬件系統(tǒng)以STM32F427ET6單片機(jī)為核心，采用全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件MPU6050（重力加速度陀螺儀）和HMC5983（地磁傳感器）來(lái)檢測(cè)兩軸（X，Y）云臺(tái)的加速度及角加速度，并通過(guò)反饋電路實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)的控制。遙控方式采用最新研制的2.4 GHz射頻技術(shù)DESST（DJI Enhanced Spread Spectrum Technology）2.4 GHz ISM頻段遙控器無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，能使有效操控距離達(dá)1 000 m。移動(dòng)方式采用麥克納姆輪這種新型的全方位移動(dòng)方式來(lái)提高移動(dòng)的靈活性和越野能力。

關(guān)鍵詞：兩軸云臺(tái)；全方位移動(dòng)；重力加速度陀螺儀；地磁傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2095-5383（2018）01-0017-03

云臺(tái)是一種光機(jī)電一體化設(shè)備，不僅可以用于運(yùn)載攝像頭等裝置，還可以用于兩電機(jī)按照水平方向和俯仰方向（X，Y）旋轉(zhuǎn)的安裝控制平臺(tái)。兩軸云臺(tái)作為一種高精密設(shè)備應(yīng)用十分廣泛[1]，比如全方位攝像頭、無(wú)人機(jī)云臺(tái)、焊接機(jī)器人等。為了適應(yīng)工業(yè)環(huán)境多樣性與適用性的要求，本文設(shè)計(jì)一種可遙控兩軸云臺(tái)小車(chē)控制系統(tǒng)，將兩軸云臺(tái)安裝在全方位移動(dòng)平臺(tái)上，使云臺(tái)的移動(dòng)范圍縮小，靈活性增加，并且采用麥克納姆輪全方位運(yùn)動(dòng)方式，使兩軸云臺(tái)可以適用于狹小空間。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

遙控兩軸云臺(tái)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件主要分為3大部分：云臺(tái)控制部分、底盤(pán)控制部分和數(shù)據(jù)測(cè)量部分。各部分獨(dú)立運(yùn)行并通過(guò)總線(xiàn)方式進(jìn)行通信，其原理框圖如圖1所示。

底盤(pán)部分由4個(gè)無(wú)刷電機(jī)經(jīng)過(guò)減速箱減速后帶動(dòng)麥克納姆輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)。底盤(pán)電機(jī)采用RM3510減速電機(jī)，驅(qū)動(dòng)模塊采用該電機(jī)配套驅(qū)動(dòng)器（包含通信接口和CPU控制模塊，驅(qū)動(dòng)電路）。該電機(jī)工作電壓24 V，轉(zhuǎn)矩0.020 2 N·m/A，轉(zhuǎn)速9 600 rad/min（該參數(shù)為不含減速箱的電機(jī)參數(shù)，減速箱減速比為19∶1）。驅(qū)動(dòng)器與主控板的通信采用CAN（Controller Area Network， 控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線(xiàn)通信方式。為提高電機(jī)工作穩(wěn)定性和工作精度，底盤(pán)4個(gè)電機(jī)均有反饋電路，采用PID（比例（proportion）、積分（integral）、導(dǎo)數(shù)（derivative））控制方式。在此基礎(chǔ)上研發(fā)的小車(chē)靈活性高、工作環(huán)境廣、受地形約束小。移動(dòng)控制方式由遙控器發(fā)出移動(dòng)指令接收器接收后，由STM32芯片處理后對(duì)4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送不同的控制信號(hào)，再由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速?gòu)亩_控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

云臺(tái)部分是由2個(gè)電機(jī)和相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，分別控制云臺(tái)X軸、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。一般的電動(dòng)云臺(tái)控制器有內(nèi)置解碼器和外置解碼器兩種，外置是指將各種接線(xiàn)引出到云臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的外部，通過(guò)控制器給出相應(yīng)的控制信號(hào)。相反內(nèi)置解碼器是安裝在云臺(tái)內(nèi)部，與云臺(tái)構(gòu)成一體，通過(guò)串行通訊來(lái)控制云臺(tái)。為了滿(mǎn)足系統(tǒng)一體化的要求，系統(tǒng)采用內(nèi)置解碼器的方式。通過(guò)對(duì)整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件MPU6050（重力加速度陀螺儀）和HMC5983地磁傳感器反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行PID算法控制，以此達(dá)到更好的控制精度?？刂七^(guò)程為：主控利用陀螺儀與地磁傳感器移動(dòng)過(guò)程中各軸的加速度以及角速度和輸入值進(jìn)行PID計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的PWM值，通過(guò)CAN通信給云臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器指令，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器隨即驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而進(jìn)一步控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使云臺(tái)達(dá)到指定位置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控單元

系統(tǒng)主控電路是由單片機(jī)最小系統(tǒng)電路組成（最小系統(tǒng)包括單片機(jī)復(fù)位電路[2]、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路）。單片機(jī)選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F427ET6，該單片機(jī)是基于CortexTM-M4核心的高性能單片機(jī)，其工作頻率可達(dá)180 MHz，擁有256 KB SRAM（Static Random Access Memory， 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）。

2.2 云臺(tái)數(shù)據(jù)測(cè)量單元

為實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的高精度控制，系統(tǒng)硬件中必須存在數(shù)據(jù)采集電路。該數(shù)據(jù)采集電路主要由整合性6軸運(yùn)動(dòng)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(gòu)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(yùn)動(dòng)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(shí)間軸之差的問(wèn)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(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶(hù)可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為±250、±500、±1 000、±2 000（°）/s，加速度計(jì)可測(cè)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(shè)定給予的影響與感測(cè)器的飄移。MPU-6050的陀螺儀和加速度計(jì)分別采用3個(gè)16位ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量從而供stm32芯片進(jìn)行讀取[4]。驅(qū)動(dòng)方式采用IC接口，時(shí)鐘引腳的SCL連接至STM32F427ET6的PB8接口，數(shù)據(jù)中斷引腳鏈接到PB10，為了增加驅(qū)動(dòng)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(pán)HMC5983[5]是一個(gè)溫度補(bǔ)償?shù)娜S集成電路羅盤(pán)，常用于測(cè)量磁場(chǎng)。該傳感器用于檢測(cè)云臺(tái)的當(dāng)前方向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。由于陀螺儀在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象和累計(jì)誤差，所以在使用MPU6050陀螺儀的時(shí)候需要使用地磁傳感器對(duì)陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和校準(zhǔn)以此來(lái)提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而進(jìn)一步提高云臺(tái)的控制精度。

2.3 云臺(tái)控制電路

云臺(tái)部分的電機(jī)采用大疆公司RM6623控制電機(jī)，具有精度高，響應(yīng)快，扭矩大等特點(diǎn)。電機(jī)的額定電流為0.3 A，額定功率7.2 W，空載轉(zhuǎn)速450 rad/min，堵轉(zhuǎn)扭矩0.70 N·m，堵轉(zhuǎn)電流3 A。扭矩足夠一些小型機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行。如需帶動(dòng)較大設(shè)備運(yùn)行可以外加減速箱，或換用大功率電機(jī)。該電機(jī)的角度控制精度為±0.01°，精度已經(jīng)滿(mǎn)足使用要求。云臺(tái)電機(jī)的位置傳感器采用磁電傳感器（霍爾元件），用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過(guò)內(nèi)部芯片處理后輸出數(shù)字量，在本系統(tǒng)中該數(shù)據(jù)用于限制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)板與主控單元采用CAN總線(xiàn)通信方式，該總線(xiàn)由CAN-H和CAN-L構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)雙向通信，主控通過(guò)CAN通信給電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。陀螺儀和地磁傳感器將角速度、角度參數(shù)反饋給主板用于雙環(huán)控制云臺(tái)電機(jī)，提高電機(jī)的運(yùn)行精度與穩(wěn)定精度，角速度作為外環(huán)反饋參數(shù)，角度作為內(nèi)環(huán)反饋參數(shù)。云臺(tái)電機(jī)控制電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。底盤(pán)電機(jī)的控制方式和通信方式與云臺(tái)電機(jī)的控制、通信方式基本相同，其中只采用了霍爾元件一個(gè)閉環(huán)控制。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)首先解決電源供給問(wèn)題，底盤(pán)電機(jī)額定電壓24 V，堵轉(zhuǎn)電流10 A。由于轉(zhuǎn)速控制，底盤(pán)電機(jī)正常工作電流0～0.9 A。云臺(tái)電機(jī)額定電壓為24 V，堵轉(zhuǎn)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(jī)均不會(huì)達(dá)到最大功率工作。整套控制系統(tǒng)最大功率不會(huì)超過(guò)100 W。電機(jī)的磁電傳感器的工作電壓為5 V，CAN通信芯片、慣性測(cè)量單元、STM32F427ET6等的工作電壓為3.3 V。整車(chē)的供電由24 V航模鋰電池供給，容量為4 500 mAh，如需延長(zhǎng)工作時(shí)間則需更換大容量電池。

首先由LM2596S降壓轉(zhuǎn)化芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化，從而輸出5 V電壓，輸出電流最高可達(dá)2 A，滿(mǎn)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(dòng)，使主控芯片和慣性測(cè)量單元元件工作穩(wěn)定所有的供電輸出端口均設(shè)計(jì)有LC無(wú)源濾波電路，采用5025B 20MM 68UH的電感和220 μF的電容組成，達(dá)到較好的濾波效果。24/5 V電壓轉(zhuǎn)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(gè)部件之間的通信問(wèn)題，首先4個(gè)底盤(pán)電機(jī)與2個(gè)云臺(tái)電機(jī)均采用CAN總線(xiàn)通信方式，采用MAX3051EKA芯片，電路圖如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以32單片機(jī)為主控單元，通過(guò)遙控實(shí)現(xiàn)小車(chē)的全方向位移與兩軸云臺(tái)的遙控。試驗(yàn)證明：該系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行并達(dá)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(xiàn)象。當(dāng)云臺(tái)上的安裝設(shè)備過(guò)重或是云臺(tái)重心沒(méi)在電機(jī)中心軸上時(shí)，云臺(tái)電機(jī)的輸出扭矩增大，會(huì)有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃文娟.基于PLC的兩軸云臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)， 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(shè)計(jì)[J]. 成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 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(jì)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(pán)芯片簡(jiǎn)介[Z].2014.