陀螺云台说明

单电机版陀螺稳定云台舵机控制器介绍
（V0.9 2010.03）
一、应用范围：
适用于航拍、车载、船载等运动环境下的小型影像设备的视轴 稳定，满足高级航拍玩家和初级航拍业务应用，主要针对质量1kg 以 下、焦距50mm 以下的小型摄影设备稳定应用；如果需要较大负载或 更高精度的稳定控制设备请联系我们另行解决。
三、云台及舵机要求：
3.1 云台要求：由于本稳定控制器配置为单轴反馈的方式，在 使用中需要避免各轴的耦合，尤其是常规的环形云台当俯仰轴发生90 度偏转后滚转轴就完全变成了航向轴，完全改变了稳定轴的特性，因 此最好不要使用这类云台从而避免这类情况的发生。推荐使用最内环 是俯仰轴的云台。
3.2 舵机要求：请尽量选用减速齿轮精度较高、传动顺滑的空 心杯电机驱动的舵机，有时候也叫无核马达舵机。因为云台的稳定过 程需要对电机作高速准确的调速控制，空心杯马达具有惯量小的特 点，比一般的铁心马达更加适合于这种应用。一般说来10kgcm 力矩 的舵机直接驱动时适合于稳定500g 左右的负载。
5.3 SW1用于调整陀螺仪稳定感度，感度过低造成稳定严重滞 后，感度过高容易引发振荡，如果产生较强的振动控制器会自动逐步 降低感度；
5.4 SW2用于调整舵机的运动范围，以电位器中立点为中心，电 位器可调整运动范围的左右角度；
5.5 为什么要关闭稳定模式？
有些摄影摄像镜头希望保留飞机摇摆的特点，此时可以关闭稳 定模式；飞行器起飞瞬间有过大的振动和偏移使得云台角度偏移，此 时可以关闭稳定模式。
4.3 J2为舵机电位器接口用于连接舵机电位器的三根线，中间 为滑动电位端，两侧引线的电极性可互换；
4.4 J3为电机驱动输出接口，连接舵机的电机两极引线，这两 根线可互换，电机上需要串接一只300uH/1A 左右的电感；
4.5 J4为电源输入接口，可使用5～10V 电源，最大电流2A；
4.6 J5为双路接收机信号接口，通道1（摇杆通道）用于控制云 台转动速度，通道2（开关通道）选择工作模式：稳定或定位模式；
二、技术特点：
2.1 驱动器的技术特点：
将低漂移陀螺传感器安装于云台负载侧直接检测摄影设备的运 动角速度，12位高速 ADC 采集陀螺传感器的反馈信号，经数据滤波后 进行高性能闭环控制算法处理，以双极性驱动方式推动高频率斩波的 MOS 管 H 桥驱动电机补偿运动，达到对摄影设备的稳定目的。
2.2 为什么要把陀螺传感器安装在负载一侧？
四、改造说明：
4.1 首先将舵机内的控制板拆下，最好使用吸锡器，注意千万 别损坏了电机焊脚和电位器！然后将300uH 左右的电感串接到电机 上，舵机内的改造如下图；
4.2 J1为陀螺传感器接口用于连接外部的传感器小板，陀螺小 板使用强力双面胶粘贴在负载一侧，小板平面的垂直轴为稳定敏感 轴，能够自动感知粘贴方向的镜像对换；
3.4 双电机消回差：
减速器的回差是恶化稳定效果的头号因素，有时需要使用双电 机差模驱动的方式消除回差，此时可选用“双子星”版本的双电机消 回差驱动板，相比单舵机驱动有较高的性能提升，同时可将驱动力矩 提高近两倍。这种方式一般推荐使用在俯仰轴的稳定应用上。
使用方法与单电机版的大致相同，详细介绍请见“‘双子星’ 双电机版陀螺稳定云台舵机控制器介绍”。
其中 J1、J4、J5在运付前已焊好，J2和 J3需要用户自行焊接改 造，为了测试的需要 J2和 J3已焊接上插针，用户可轻松将其焊掉； 由于软件的自适应功能，用户不需要严格确定舵机电位器和电机的电 气方向一致性。
五、使用说明：
5.1 打开接收机的电源和驱动板电源，也可使用接收机提供驱 动电源；
5.2 上电后保持静止（非常重要！），约两秒后云台摆动一个来 回，自动进入陀螺稳定状态，此时可通过通道1控制稳定轴的运动速 度；通道2可选择进入定位模式，陀螺稳定功能被屏蔽，此时依然可 以通过通道1摇杆控制舵机的运动速度；如果不使用通道2则默认工作 在稳定模式。
注意：云台的方位轴旋转时（譬如固定翼的盘旋、直升机的调 头或者云台的旋转），由于滚转轴和俯仰轴的传感器的敏感轴并不能 保证完全水平，就也会感应到一部分的方位轴旋转带来轴向偏移，此 时可以关闭稳定模式屏蔽耦合干扰。
如果要从技术原理上解决这个耦合问题需要使用多轴传感器进 行旋转矢量的处理，这个功能将在未来的“矢量版陀螺稳定控制系 统”中提供。
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3.3 减速配置：
由于目前的舵机一般的力矩都不大，常见的大力矩舵机输出为 10至20kgcm，如果摄影载荷1kg 再加上云台本身的结构重量，就显得 捉襟见肘了，而另一方面要提高稳定性能应当尽量使得输出力矩游刃 有余，所以此时可以考虑使用外部减速器。
减速器的选择原则是“无回差”，因为回差是恶化稳定效果的 头号因素，所以尽量不要使用齿轮减速（不可避免引入回差），而涡 轮蜗杆减速的比例太大难以满足动态需要，推荐使用同步带轮的减速 结构，减速比3至4倍为宜。
2.4 控制算法上有哪些优势？
对于舵机来说，同样的硬件状况下良好的算法能够达到很高的 定位精度，较差的算法就会振荡或者定位不准、不稳、不硬。同样要 实现稳定云台的高精度、高硬度、高速度稳定，算法的要求比舵机的 定位要求更要高出许多。本控制器采用先进算法，较常规 PID 算法具 有更高的刚度、更快捷的响应、更稳的顺滑性。
2.6 陀螺仪都有温漂，云台会不会有漂移？
陀螺传感器存在温度漂移，即便使用算法和其他措施尽量降低 温漂但他依然存在，会造成云台缓慢的朝某个方向旋转，本控制器使 用舵机电位器作为绝对角度的参考点，在实际使用中避免了温漂造成 的发散。如果需要舵机无限旋转那么就不再使用电位器，温漂就不能 得到抑制，此轴云台就会有极缓慢的漂移。
2.7 俯仰和滚转轴为什么会随着航向轴的转动而偏转？
由于本稳定控制器配置为单轴反馈的方式，具有灵活性高的特 点，但是在空中运动时，陀螺传感器的可能存在一定的偏角从而耦合 到其他轴的运动信息。特别是当航向轴作较大角度转动时，俯仰轴和 滚转轴的传感器的敏感轴如果没有绝对水平就会耦合到这个运动从 而造成本轴的偏转。为了解决这个问题提供了一个遥控器通道关闭稳 定功能，避免了航向旋转过程中的俯仰和滚转轴的偏转。
2.5 软件外围控制有哪些特点？
由于摄像稳定的应用各不相同、云台设计五花八门，稳定控制 器的改造必然面临很多差异，这其中包括电机旋转方向与电位器电气 方向和陀螺传感器电气方向的一致性问题，为了简化客户的改造工 作，专门设计了自适应检测过程，云台上电并完成初始化之后会自动 摆头，此时自动检测各种电气方向的一致性。 另外感度电位器如果 调的过低就会带来稳定滞后和精度过低，如果调的过高容易引发振 荡，软件中提供了振荡侦测和感度自动降低的功能避免飞行中的云台 振荡。
为了直接感知负载的运动，如果把陀螺传感器安装在运动基座 上然后通过电位器活着编码器实施补偿，存在太多的误差环节，难以 实现精度高、响应快的稳定效果。当然直接反馈方式的高精度稳定容 易带来振荡，这需要有优良的控制算法作为基础。
2.3 为什么要使用双极性高频率驱动？
双极性驱动是有刷直流电机特有的一种高性能驱动方式，尤其 适用于需要大调速比的精密控制应用中，云台稳定应用就属于这种需 要精密控制转速的场合，使用双极性驱动能够尽可能的提高运动控制 性能。