无人机三轴转台控制系统设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1设计目的及意义

转台是一种复杂的集光机电一体化的设备，用来模拟导引头姿态角变化的装置。是惯性导航元件进行地面测试和仿真实验的主要设备之一。导引头被安装在三轴转台的内框中，由目标背景模拟器提供一定规律运动的动态目标背景图像，同时转台带动导引头按匀角速度、变角速度、低频小角度振荡等方式运动，以测试导引头的静态定位精度、动态响应速度、线速度及稳像能力等，从而可以通过数据，检验导引头或部件能否达到整体设计的性能指标^[1]。 转台按照性能指标的不同可分为测试转台和仿真转台。测试转台用于标定陀螺仪、加速度计或惯性导航系统，更加注重静态和稳态性能指标。仿真转台多用于飞行器的地面半实物仿真系统中，用于评价最新研制的飞行器性能，为飞行器性能的改善提供实验数据。

当前，三轴转台作为航空航天领域中进行仿真、测试的关键设备，在科学实验中起到至关重要的作用。因此，三轴转台性能的好坏直接关系到仿真测试实验的可靠性和可信度，是保证航空航天航海类产品的精度和性能的基础。

无人机是当今世界军用武器发展的热点。一般指的是无人驾驶，可自主推进，由无线电或者自身的程序控制，利用空气动力承载飞机而且可以重复使用的飞行器。无人机的飞速发展更推进了飞行仿真转台的研究，为配合无人机各种工作状态，对飞行转台的各方面要求也越来越高^[2][3]，为此进行了基于单片机的无人机三轴转台控制系统设计的研究。通过对无人机转台各方面性能要求的了解，结合实际研究情况，对其控制系统进行研究，最终通过对转台的测试与仿真，进行设计与改进，以达到理想的性能指标。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计基本目标

动作目标：为满足控制要求，云台转动设置手动方式和自动工作方式两种。

（1）手动工作方式。利用按钮对云台的每一步进行单独控制，例如，“向下”按钮，云台使摄像头向下；按“向右”按钮，云台使摄像头向右。

（2）连续工作方式。云台在原位时，按下“自动”按钮，云台自动连续的执行周期动作。当按下停止按钮式，云台保持当前状态，重新恢复后云台按停止前的动作继续进行工作。

精度目标:横滚：±180°，俯仰：±90°，航向：0—±360°

三轴转角位置精度:外框0.1°、中框0.1°;内框0.1°

频响:外框、中框大于4Hz;内框大于3Hz;

最大角速度:30°/s;

2.2毕业设计总体方案

2.2.1设计中的工程问题

无人机三轴转台控制系统的设计主要完成转台各个方位的自由转动，包括手动控制对固定方位进行转动和自动控制沿已设定方位进行转动^[11]。本课题设计实质属于嵌入式实现问题。设计硬件控制电路及程序代码，软硬件结合，通过PC机输入指令控制转台电机进行需求转动。

2.2.2该设计的优势

以单片机作为基础研究控制系统设计，有利于对于基层设计原理的把握，对于科学研究方便可行，不需要大量辅助部件，设计成本比较低，相比较而言设计简单易行，在无特殊要求及要求较低的情况下，该设计更经济，更安全。既可以完成所需设计任务，又切实可行，因而本次毕业设计考虑使用基于单片机的三轴转台设计系统设计^[12][13]。

2.2.3相关法律法规

a) 从事通用航空活动的应当具备通用航空经营许可证，例如通用航空中的空中拍照（即指在航空器上使用摄影机、摄像机、照相机等，为影视制作、新闻报道、比赛转播拍摄空中影像资料的飞行活动）。

b) 我国《侵权责任法》规定“民用航空器造成他人损害的，民用航空器的经营者应当承担侵权责任，但能够证明损害是因受害人故意造成的，不承担责任”。一旦发生损害，则应承担赔偿责任。这无疑对无人机的安全适航责任提出了非常高的要求。

c) 2013年国家测绘地理信息局办公室《关于街景影像地图采集制作活动有关政策问题的批复》明确“编制形成的实景地图。无人机基于其得天独厚的优势，在信息采集上能力超群，但也会涉及到个人或商业隐私问题。

无人机转台的主要功能就是放置摄像机，带动摄像机进行航拍，传递出所需的图像信息。所以在无人机航拍中一定要遵循相关的法律法规，不得侵犯他人隐私，若无人机在飞行的过程中对设施或人身造成损坏或伤害，转台带动的摄像机将对实时拍摄的内容传递到地面站，将为当时事故情况提供宝贵证据^[14][15]。

2.2.4方案选型

目前转台控制系统的硬件架构总体分为两类：基于嵌入式控制器的嵌入式系统和基于工控机总线扩展接口卡的硬件系统^[16]。基于工控机或数据采集卡的控制系统实现较复杂，成本高，辅助设计需求较多，应用于大型场合。对于基于嵌入式系统来设计，采用DSP芯片的设计虽然计算速度比单片机要快，但是也同样存在上述问题^[15][17]。对于科研初步研究，基于单片机的设计更有益于了解设计底层基础知识，设计较为简单，实现周期较短且经济成本低^[18]。

2.2.5方案总体构成

本次设计总体规划：

（1）设计单片机外围电路及步进电机驱动电路，驱动云台步进电机运行。

（2）使用键盘输入控制云台步进电机。

（3）PC使用RS485总线远距离控制云台步进电机。

（4）使用Keil uVision2编写软件，在Altium Designer6软件中完成仿真。

根据云台的结构和工作特点，其执行机构是步进电机，同时系统与上位机需要进行信息交换，本设计选用单片机系统来进行实现^[19][20]。

云台运行有自动运行和手动运行模式，同时受上位机控制，所以该系统由单片机控制模块、键盘模块、电机驱动模块、远程控制模块等构成。此系统的硬件由单片机、键盘、PC机、步进电机组成^[21]。本系统的总体设计思路：键盘或PC输入信息，单片机接收后对输入信息进行处理，然后发出控制信号驱动步进电机运转^[22][23]。

单片机控制模块是本设计的核心。它的工作包括处理键盘输入、响应PC串口中断、控制电机运行等。键盘模块完成的是控制信息的输入功能。电机驱动模块是本系统的执行机构，用于控制监控摄像机的运动。单片机产生步进电机工作所需脉冲信号，脉冲信号通过一级功率放大电路后再送给步进电机，这样实现电机的控制^[24][25]。远程控制模块是为了能够实现在微机操作室就能控制现场单片机，以控制步进电机。它是通过RS485总线实现的，PC将信息从串口发出，通过RS485总线将信息传送到现场的单片机，单片机通过处理得到PC控制指令，发出控制信息控制步进电机运行^[26]。

总体框图

图1 控制系统框图 图2 系统总体结构框图

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，论文期刊，翻译外文文献，明确设计内容，了解国内外对此控制系统的各种设计思路，分析比较，选择最合适的一种方案进一步研究分析，初步确立设计思路，完成开题报告。

第4－6周：理解确立方案的工作思路及原理，选择要使用的芯片及电路。

第7－8周：开始设计电路，绘制原理图。

第9－10周：调整修改电路，检查原理图的正确性。并完成实物制作。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 陈丽娟.三轴转台控制系统设计.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2010.06

[2] 乔敏娟.无人机飞行仿真转台控制系统研究.长春理工大学硕士学位论文.2014.03

[3] 邹仲贤.基于dsp的三轴转台控制系统设计.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2011.06

[4] 董宁.辐射表检定系统中三维转台控制系统设计.长春理工大学硕士学位论文. 2011.03