李曉林， 劉穎添， 徐志宇,3

(1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院， 廣東 深圳 518000； 3.計算機(jī)與信息技術(shù)國家級實驗教學(xué)示范中心(同濟(jì)大學(xué))，上海 200092)

0 引 言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和智能手機(jī)的普及，手機(jī)攝錄被越來越多人所喜愛。傳統(tǒng)的專業(yè)攝像機(jī)穩(wěn)定器(如斯坦尼康)不適用于小巧的手機(jī)。無人機(jī)搭設(shè)云臺相機(jī)的穩(wěn)定、清晰、流暢拍錄效果啟發(fā)，手持云臺將該技術(shù)移植于手機(jī)攝錄應(yīng)用，如大疆靈眸Osmo手機(jī)云臺，能大大改善拍攝畫面，但售價高達(dá)4 299元，與大眾消費能力不符。適用于手機(jī)攝錄應(yīng)用的增穩(wěn)云臺，應(yīng)當(dāng)具有輕便小巧、性價比高、易上手的特點，本設(shè)計致力于設(shè)計一款符合大眾消費傾向的手機(jī)攝錄增穩(wěn)云臺。

基于前人們對于STM32微控制器、PID算法、脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)等技術(shù)的研究[1-5]，本設(shè)計擬以STM32F4微控制器作為“控制核心”，以3D打印成型的支架作為“骨架”，以步進(jìn)電機(jī)直接調(diào)動“骨架”，從而適應(yīng)手機(jī)攝錄時的運動，主動減小抖動。

在本設(shè)計和目前市面上的手機(jī)攝錄云臺穩(wěn)定器都滿足了基本的防抖功能的前提下，本設(shè)計具有易組裝、性價比高、易于上手的特點。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

手持云臺穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括主控、驅(qū)動、檢測、供電、云臺-支架5個模塊。主控模塊以STM32F407ZGT6微控制器為核心，通過串口通信，接收外部的6軸運動處理傳感器MPU6050檢測的手機(jī)姿態(tài)信息，位置PID算法修正偏移角度，再以不同頻率的PWM波驅(qū)動2臺步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速。供電模塊為上述各模塊提供電源。云臺及支架采用3D打印一體成模，確保組裝簡單、價格適中。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[6]

2 機(jī)械設(shè)計

云臺-支架是承載整個系統(tǒng)的硬件平臺，如圖2所示。搭載1部手機(jī)、2臺步進(jìn)電機(jī)，俯仰電機(jī)與手機(jī)相連，橫滾電機(jī)在手機(jī)背后，且為減小負(fù)載力矩，俯仰電機(jī)軸中心線與手機(jī)軸線重合，橫滾電機(jī)軸中心線與手機(jī)中心重合。其機(jī)械設(shè)計應(yīng)滿足輕便小巧、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低廉等要求。

圖2 Solidworks軟件設(shè)計的手持云臺穩(wěn)定器機(jī)械結(jié)構(gòu)效果圖

(1) 力矩計算和電機(jī)選擇。步進(jìn)電機(jī)的選型[7-8]一般主要考慮靜扭矩、運轉(zhuǎn)速度2個因素。考慮到本文不使用減速箱且運轉(zhuǎn)速度不太低的情況，主要根據(jù)力矩選擇電機(jī)。

俯仰電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要由手機(jī)、支架和法蘭盤的重力產(chǎn)生，計算值為0.14 N·m。橫滾電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩還包括俯仰電機(jī)及其連接件的重力矩，計算值為0.33 N·m。經(jīng)挑選，找到一款靜力矩為0.36 N·m的步進(jìn)電機(jī)MG42S1，價格僅為相同靜力矩的直流無刷電機(jī)的2/3，因而本文使用該步進(jìn)電機(jī)。

(2) 3D打印。本文要求云臺穩(wěn)定器輕便小巧， 因此采用3D打印技術(shù)并運用新材料——Somos低黏度光敏樹脂材料[9-10]，其密度為1 g/cm3，是鋁的1/3，相比于普通的精鋼零件或鋁件，使手持云臺輕便許多。本文3D打印采用的是光固化成型，它具有成型過程自動化程度高、精度高等特點[11]。

3 電路設(shè)計

(1) 控制器模塊?？刂破髂K是本電路設(shè)計的“心臟”，首先應(yīng)保證“心臟”正常工作，為單片機(jī)工作和軟件下載與仿真提供必要的條件，即圍繞微處理器——性能優(yōu)越的STM32F407ZGT6建立其最小系統(tǒng)，包括復(fù)位電路、晶振、SWD下載接口。

(2) 電源模塊。本設(shè)計中外接電池提供12 V直流電源。其次，電壓供給對象：①步進(jìn)電機(jī)額定電壓12 V 最大電流為1.68 A(相)；②傳感器等需3.3 V供電；③主控STM32需3.3 V供電，但對電源紋波敏感，需與②隔離供電；④由于②、③的芯片均需5 V供電，因而還需要產(chǎn)生5 V。各電源芯片使用情況見表1。

表1 電源芯片使用情況

(3) 傳感模塊。選用MPU6050作為姿態(tài)傳感器， STM32通過I2C總線協(xié)議可以讀取3維姿態(tài)數(shù)據(jù)。I2C串行通信協(xié)議由串行數(shù)據(jù)線(SDA)、串行時鐘線(SCL)組成。再加上串口通信必需的接收、發(fā)送端，串口通信部分需留出4個I/O端口。

(4) 驅(qū)動隔離模塊。在PWM隔離電路，本設(shè)計中主控STM32F407以控制PWM波頻率的方式控制步進(jìn)電機(jī)。但是考慮到電流倒灌事故以及共地干擾的影響[12]，所以在從單片機(jī)的I/O口到電機(jī)驅(qū)動之間需要加光電隔離K_TLP113，保持電流的單向性，保護(hù)主控部分。

(5) 擴(kuò)展接口。硬件平臺除以上重要模塊外，本設(shè)計，還留出了OLED接口、CAN2接口、光電隔離的輸入輸出口等。

圖3為本設(shè)計中所有模塊的電路原理圖；圖4為樣機(jī)電路板。

圖3 主控硬件平臺原理圖

圖4 硬件平臺實物圖

4 軟件設(shè)計

(1) 控制方案設(shè)計。該云臺在空間上是由兩個互相垂直的橫滾軸和俯仰軸組成，當(dāng)云臺工作時受到外界環(huán)境影響產(chǎn)生震動或角度偏移時，安裝在云臺上的姿態(tài)檢測元件將感知對應(yīng)軸的角度偏差，并通過姿態(tài)解算反饋主控控制電機(jī)對偏移角度進(jìn)行修正。系統(tǒng)主控制器采用STM32F407，姿態(tài)檢測單元慣性傳感器采用MPU6050，云臺執(zhí)行元件采用步進(jìn)電機(jī)[13]。

圖5為控制流程圖，主要控制流程為：①對陀螺儀及加速度計(MPU6050)數(shù)據(jù)的解算；②慣性傳感器用過串口與主控芯片(STM32)的通信；③主控開啟串口接收中斷實時監(jiān)控角度變化，反饋主控運算控制發(fā)電機(jī)的PID調(diào)節(jié)算法；④根據(jù)PID運算輸出PWM信號對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)頻控速完成手機(jī)平臺的位置閉環(huán)控制。

圖5 控制流程圖

(2) PID算法。PID控制是一種綜合偏差量的比例、積分、微分，給出控制量的反饋控制算法。其離散型的位置式可表為：

(1)

式中：uk為第k時刻控制器的輸出值；KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數(shù)；ek為第k時刻輸入的偏差。

為避免云臺的電機(jī)在目標(biāo)位置附近頻繁動作導(dǎo)致的系統(tǒng)振蕩，進(jìn)一步用帶死區(qū)的PID控制[14]，其控制算式為：

(2)

式中：uk為第k時刻控制器的輸出值；B是已設(shè)置好的死區(qū)。當(dāng)正負(fù)偏差位于死區(qū)內(nèi)時，控制量保持原值；當(dāng)正負(fù)偏差超出死區(qū)限度時，經(jīng)PID運算后輸出控制量。

(3) 控制程序設(shè)計。PID算法是本軟件設(shè)計的核心。除此之外，總體控制程序設(shè)計還包括主控對MPU6050數(shù)據(jù)的獲取與處理、主控對步進(jìn)電機(jī)的調(diào)頻控速兩模塊?？刂葡到y(tǒng)方案實現(xiàn)的流程為：①STM32的串口、定時器、相關(guān)I/O口等外設(shè)初始化；②等待串口中斷接收MPU6050的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)，在中斷服務(wù)函數(shù)中解算角度數(shù)據(jù)；③將該數(shù)據(jù)和角度目標(biāo)值作為PID運算函數(shù)的入口參數(shù)進(jìn)行運算，對PID運算結(jié)果進(jìn)行頻率限幅，線性化處理；④通過Motor_Direction()和Motor_TIM3_PWM_Set()兩個函數(shù)共同實現(xiàn)對云臺步進(jìn)電機(jī)的控制(本文通過控制pitch軸電機(jī)和roll軸電機(jī)[15]使得手機(jī)平臺在外部干擾下保持水平穩(wěn)定)，使云臺實現(xiàn)增穩(wěn)。

5 性能測試

在完成PCB板焊接、電路搭建、機(jī)械組裝后，需測試手持云臺穩(wěn)定器的效果。在確認(rèn)電路平臺正常工作后，首先對兩電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。

由圖6可得偏航角自由振蕩，這表明機(jī)械結(jié)構(gòu)在劇烈抖動，而橫滾角和俯仰的角度變化都能保持在±5°之內(nèi)，調(diào)試效果顯著。且通過調(diào)試效果發(fā)現(xiàn)，兩軸角度之間沒有不理想的耦合影響。

電機(jī)性能正常，最后進(jìn)行整體性能測試，測試結(jié)果表明，云臺能實現(xiàn)當(dāng)人為較大幅度旋轉(zhuǎn)手柄角度時，手機(jī)仍能保持較為平穩(wěn)的拍攝效果。

圖6 上位機(jī)顯示俯仰軸與橫滾軸動態(tài)情況(角度-時間)

圖7(a)為手機(jī)在最初水平位置保持姿態(tài)，手機(jī)屏幕與水平面垂直，并正對拍攝者。圖7(b)為當(dāng)手持云臺轉(zhuǎn)過任意的一個角度，手機(jī)仍能保持最初的姿態(tài)，仍與水平面垂直，且正對拍攝者，因而以四自由度做到了俯仰和橫滾兩方向上的姿態(tài)穩(wěn)定。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種輕便小巧、性價比高、易上手的手持云臺穩(wěn)定器，相比于市面上的三軸手持云臺穩(wěn)定器，在確保防抖性能的同時，節(jié)省了一個方向的電機(jī)等材料。機(jī)械設(shè)計中，選用了性價比高的步進(jìn)電機(jī)，零件3D打印一體成模使得穩(wěn)定器輕便、組裝簡單；電路設(shè)計上，選用合理的芯片，電源模塊、光耦隔離等保證了微處理器、傳感器的正常有效運行；軟件上，編寫了一套基于STM32的PID控制程序，使云臺能在一定的允許范圍內(nèi)過濾抖動，保持手機(jī)在三維空間中位置、姿態(tài)不變。從而實現(xiàn)了手機(jī)平穩(wěn)攝錄。