四旋翼无人机航拍云台的控制系统设计

第３　３卷第５期　
２０１　６年１　０月　
沈阳航空航天大学学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　
Ｖ＿０１．３３　ＮＯ．５　

Ｏｃｔ．２　０　Ｉ　６　

文章编号：２０９５—１２４８（２０１６）０５—００５５—０６　
四旋翼无人机航拍云台的控制系统设计　

林峰，王晓晓，曲晓光　
（沈阳航空航天大学自动化学院，沈阳１１０１３６）　

摘要：四旋翼航拍云台是低空机载拍摄中稳定相机视轴的稳定平台，选取两轴云台为设计对象，对　
云台的控制系统进行设计研究。其中控制系统包括视轴框架传感器，云台主控制器，云台框架电　
机，云台框架四部分组成。通过闭环控制反馈传感器对云台电机检测的位置信号到主控制器中，　
主控制器处理信号并控制电机转矩，使云台电机隔离无人机的机体扰动，可靠稳定地完成航拍任　
务。改进了传统人工调节ＰＩＤ控制参数的繁琐方式，采用遗传算法来整定ＰＩＤ控制参数，并通过　
仿真验证了该方法整定的参数使控制系统无超调，响应速度快。　
关键词：控制系统；遗传算法；四旋翼无人机；航拍云台；ＰＩＤ　
中图分类号：ＴＰ２７４　文献标志码：Ａ　
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—１２４８．２０１６．０５．０１１　

Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｅｒｉａｌ　ｐａｎ－ｔｉｔｌｅ　ｏｆ　ｆｏｕｒ－ｒｏｔｏｒ　ＵＡＶ　
ＬＩＮ　Ｆｅｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｘｉａｏ，ＱＵ　Ｘｉａｏ—ｇｕａｎｇ　
（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１０１３６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｎ—ｔｉｔｌｅ　ｏｆ　ｆｏｕｒ—ｒｏｔｏｒ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｉｓ　ａ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ　ｃａｍｅｒａ　ｖｉｓｕａｌ　ａｘｉｓ　ｉｎ　ｌｏｗ—ａｌｔｉｔｕｄｅ　
ａｉｒｂｏｍｅ　ｓｈｏｏｔｉｎｇ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｗｏ—ａｘｉｓ　ｐａｎ—ｔｉｔｌｅ　ｗａｓ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｂｊｅｃｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　
ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈｅ　ｖｉｓｕａ１　ａｘｉｓ　ｆｌａｍｅ　ｓｅｎｓｏｒ，ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｂｏａｒｄ，　
ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｒａｍｅ　ｏｆ　ｐａｎ－ｔｉｔｌｅ．Ｔｏ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｔｈｅ　ａｅｒｉａｌ　ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ａｎｄ　ｓｔａｂｌｙ．ｔｈｅ　
ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｔｏ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　
ｍｏｔｏｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏ１　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｔｏｒｑｕｅ　ｓｏ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｏｆ　ｐａｎ．ｔｉｔｌｅ　ｉｓｏｌａｔｅｄ　ｔｈｅ　ＵＡＶ　ｂｏｄｙ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ．Ｉｎｓｔｅａｄ　
ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍａｎｕａｌ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ．ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｕｔｉｌｉｚｅｄ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｔｏ　ｓｅｔ　ｔｈｅ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．　
Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗａｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ　ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　
ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｌｅａｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆａｓｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｆｏｕｒ—ｒｏｔｏｒ　ＵＡＶ；ａｅｒｉａｌ　ｐａｎ—ｔｉｔｌｅ；ＰＩＤ　
近年来，随着自动控制技术、机械制造、无线　
传输等高新科技水平的不断提高，无人机技术逐　
渐进入了民用领域，单纯的无人机飞行没有实际　
的应用价值，但是无人机装载设备在恶劣的环境　
中进行实际任务的执行就显出了很高的价值。无　
人机（Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ａｅｒｉａｌ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＵＡＶ）低空遥感　

技术是当今国内外研究热点之一，航拍是低空遥　
感技术中的一种，使用相应的机载遥控设备实现　
空中拍摄、测绘、海洋监测、森林防火等应用，稳定　
的机载平台在其中发挥着重要作用。为获取高质　
量的低空遥感影像，机载测量设备（如照相机、摄　
像机等）必须固定在高度稳定的云台上¨－２］。　

收稿日期：２０１５—１２—２２　
作者简介：林峰（１９６３一），男，辽宁沈阳人，教授，主要研究方向：控制理论与控制工程，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｆｓｈｅｎｙａｎｇ１６３＠１６３．ｃｏｍ。　
５６　沈阳航空航天大学学报　第３３卷　
高度稳定的云台隔离无人机姿态的干扰、框　
架间的耦合，降低机械振动、电机的反电动势的误　差干扰，确保无人机机载相机视轴的稳定。无人　机机载相机能否正常拍摄出高质量的低空遥感影　像，关键是相机的视轴相对地面保持稳定。因此，　在相机拍摄的过程中，要求无人机始终保持水平、　匀速地飞行，并且还要保持无人机姿态的稳定。　当无人机匀速稳定地飞行时，机载相机视轴能够　均匀地扫描地面，从而能够获得高质量、无失真的　低空遥感图像。　航拍云台系统是小型无人机搭载框架平台进　行低空对地观测的稳定平台设备系统，采用高分　辨率的数码相机作为拍摄装置，保证机载云台框　架的稳定性以确保航拍相机能够获得高质量的航　拍影像。本文主要针对两轴航拍云台进行稳定控　制系统的设计，包括系统器件的选型，航拍硬件框　架的系统搭建，对速率稳定控制模型进行ＰＩＤ控　制参数的整定等　Ｊ。　在总结前人设计的云台控制系统的设计中发　现市场上大部分航拍云台采用人工试凑法调节　ＰＩＤ参数的方式来进行稳定云台的控制，方法繁　琐粗糙，针对这个缺点本文采用改进遗传算法对　ＰＩＤ参数进行寻优，并将改进算法调整的控制参　数写入到云台主控制板ＢｒｕＧｉ中，并对云台主控　制板的软件进行了改进。　１航拍云台系统总体设计　本文设计的航拍稳定云台安装在小型四旋翼　无人机上，机体飞行稳定，所以采用成本较低的两　轴云台，云台控制轴采用无刷直流电机，包括滚转　轴和俯仰轴。云台主控制板采用德版开源的　ＢｒｕＧｉ　Ｖ３．０，云台姿态传感器选用ＭＰＵ６０５０三轴　加速度计和三轴陀螺仪，负载相机选用ＧｏＰｒｏ运　动相机。高稳定性航拍无刷云台是指能够达到像　素级稳定效果的采用微型无刷电机、检测框架轴　角度的传感器（ＭＰＵ６０５０）、主控制器（集成了电　机的驱动模块）组合成的稳定平台。本文方案实　现的是机载ＧｏＰｒｏ运动相机的两轴无刷直流框　架平台，包含云台总重２８３ｇ。　为了达到高稳定效果，采用闭环控制方式和　集成了高精度三轴陀螺仪和加速度器的　ＭＰＵ６０５０传感器的ＩＭＵ模块，该模块用Ｉ２Ｃ进　行读写传感器数据操作，可以根据被控对象的情　况选择陀螺仪的量程和灵敏度，量程越大灵敏度　
越低。本课题选择一２５０￣／ｓ～＋２５０￣／ｓ的量程，灵　
敏度为１３１ＬＳＢ／。／ｓ，ＬＳＢ的意思是最小有效位，为　
数字输出方式下使用；选用加速度计量程为一８　ｇ一　
＋８　ｇ，灵敏度为４０９６ＬＳＢ／ｇ，即为０．２４４１４ｍｖ／ｇ。　
选择好确定电机轴角度的传感器模块后需要　

一
个能对电机换相精确控制的主控制器，主控制　
板采用德版开源的ＢｒｕＧｉ　Ｖ３．０；对于高稳定性云　
台，根据ＭＰＵ６０５０对角速度的反馈，需要给电机　
施加指定的恒定力矩，因此恒力矩的控制非常关　
键。在无刷控制方式中，我们通常采用ＳＰＷＭ　
（正弦电压矢量调制）技术，根据传感器确定的位　
置，对电机施加对应的换相信号，以保持指定的恒　
定力矩。　
在每个控制周期中，ＩＭＵ模块要将陀螺的角　
速度和加速度计的信息传送到控制器，每个驱动　
器也要将当前的电机位置传送到控制器（用于各　
轴角度计算、投影），控制器也要将每个驱动器要　
达到的目标转动力矩发送到各个驱动器。因此对　
于整个云台控制系统来说，主控制器对各个控制　
参数处理的方式就显得尤为重要。根据相机稳定　
平台功能画出系统设计图如图１所示。　

图１云台总控制系统原理图　
２云台各组成部分选型　
２．１云台框架结构　
相机稳定平台由机械框架和无刷直流电机组　
成，框架结构由碳纤板、减震球、铝柱、铝金属臂组　
成，直流无刷电机采用ＴＬ６８Ａ００微型机。两轴云　
台框架轴包括俯仰轴和滚转轴，如图２所示。　
无人机的负载重量是无人机能持久航拍续航　
的关键因素，所以本文选取了重量轻、稳固性好的　
碳纤板基座和铝柱框架为云台的基座框架，并且　
加入了四个轻型橡胶减震球作为避震结构。　
第５期　林峰，等：四旋翼无人机航拍云台的控制系统设计　５７　
相机稳定平台｝｛１机械框架和尤刷直流电机组　成，　架结构『｝】碳纤板、减震球、铝柱、　金属臂组　成、、保证　行器　高速　行中仍能精准地保证机　载　饥稳定，其巾滚转轴角度范　为一４５。～４５。，　俯仰轴角度范围为一１３５。～９０。。　图２五台框架图　２．２　ＴＬ６８Ａ００直流无刷电机　直流电机其＿彳『非常优秀的线性机械特性、较　宽ｎ勺凋速范　、较人的　动转矩、简　的控制电路　等优点，Ｋ期以来一…　泛应用住各种　动装置　币¨们服系统　流电动机的电刷和换向器　』＝１ｊ成为阻碍它发腱的障碍。兀删电机利川电子换　取代了机械『乜刷和机械换向器，使这种电动　机　仪保留ｒ　Ａ流电动机的优点，　ｌＩ．ｊＩ有交流　｝Ｕ动机的结构简　、运行叮靠、维护办便等特　－＿。　小文选取了微　尢刷电饥来控制　的稳定电机　片如图３所爪　、　图３　ＴＬ６８Ａ００无刷直流电机　２．３云台控制器ＢｒｕＧｉ　Ｖ３．０　本文采用德版　源ＢｒｕＧｉ　Ｖ３．０主挎制板，如　４所爪　、２０１３年德同Ｍａｒｔｉｎｅｚ刚队发　Ｂｉ・ｕｓｈｌｅｓｓ　Ｇｉｍｂａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｖ３云台捐沸４器板，并　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｆｏｒｇｅ网站公布了基于Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥ的　台控制器代码；到２０１５年软件ｔＺ纶　新到ｒ　ＢｒｕＧｉ一０４８。陔控制板集成了ＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ的　ＡＶＲ　８位微控制器，选垌了Ｌ６２３４　流＿尤刷电机　动，并能支持实时　线调节控制参数。Ｂｒｕｓｈ—　ｌｅｓｓ　Ｇｉｍｂａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｖ３硬件＝仨要包折毛控　岂：片　Ｍｅｇａ３２８Ｐ—Ａｕ，兀刷　流电机　动芯片Ｌ６２３４，　ＵＳＢ转ＵＡＲＴ芯片ＦＦ２３２，多路　关芯片，保险　
丝等。　
…上一节　电机的选取叫‘　，该　ｌＵ饥的　
驱动控制电流为０．５Ａ，需要选择合适的　动控制　
芯片　、德版开源ＢｒｕＧｉ　Ｖ３．０主控制板，集成的　
Ｌ６２４３Ｄ直流无刷　动控制芯片是集成１厂　动模　
块和控制模块的芯片，能够满足微型血流几刷电　
机的驱动和控制婴求，采用增强犁Ｎ沟道ＭＯＳ—　
ＦＥＴ个桥驱动，满足选择的该二相直流尤刷直流　
电机的驱动要求；８何的微控制器的运算迷　能　
够满足选用的控制算法的运算复杂度；该尤刷　
台主　板配有实时调参的｝二位机软件，能够按照　
电机选型选择电机的极数，有一定的灵活　，所以　
小义采用德版丌源ＢｒｕＧｉ　Ｖ３．０主控制极　

图４　Ｂｕｒｕｓｈｌｅｓｓ　Ｇｉｍｂａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌｅｒ　Ｖ３实物图　
２．４云台传感器ＭＰＵ６０５０　
传感器ＭＰＵ６０５０集成在ＩＭＵ板ｆ　，人部分　
ＩＭＵ板都有‘　’干¨‘ｙ’力‘向的箭头指，ｊ：，力　便使　
用安装，也可以根据　ＭＰＵ６０５０的嵛仃器表　
来没　传感器的方向。陔传感器集成Ｊ，｛４１ｔｔＤＮ速　
度汁干¨三轴陀螺仪，通过Ｉ２Ｃ总线与主　制器进　
行通　，陔传感器芯片及方向设置指爪嗣Ｉ集成的　
ＩＭＵ板如图５所示　、陔传感器集成ｊ　Ｉ　精度采　
样率的３轴陀螺仪干¨３￣ｌＩＤｌｌ速度计，１６　ｆ、ＩＪ＝的数据　
输ｆＩ｛精度，相当于０．００６。／ｓ的角速度分辨率，良　
的陀螺带宽配　、低通滤波，能够　主　板程序　
Ｌ｝１　Ｉ：ＤＩＩ入自己的低通滤波模块，有很好的通Ｊｆ１性，　
通过Ｉ２Ｃ总线与主控制器进行通　，很好地满足　
了ｆＵ机控制的精度要求，所以本文选择陔模块进　
行检测数据。　
２．５　ＲＣ接收机与遥控器　
台通过接收机发送的角度指令米控制，通　
过Ｉ　化饥米ｉ殳定控制模式，通过设定选择摇杆速　
率　或者位嚣模　改变云台的控制力‘Ｊ＝　遥控　
器采川人地飞７通道遥控机，频率　为２．４～