应用研究
基于四旋翼飞行器
的航拍增稳云台系统的控制算法
袁博陈昕高铭
(北京信息科技大学计算机学院北京100101)
数事其本与成用
摘要：由于多旋翼飞行器尚岛新兴技术,故针对飞行器周边配套系统的研究非常少。而多资累飞行器航拍又是大势所意所以对用于四资翼飞行器的航拍增稳云台系统研究频县价值。本文介绍了一种基于四资翼飞行器的航拍云台增稳系统的算法设计。通过使用该设计程序，可以控制由三轴陀媒仪、微电脑处理器和能机组成闭环控制回路，实现四旋翼无人飞行器的航检云台增稳，增强无人机航拍函面的稳定性,提高拍摄质量。
关键词Linux树等派无人机陀媒仪增稳云台航拍中图分类号:V249
文献标识码:A
四旋翼飞行器又称四轴飞行器，是一种具有四个旋翼轴的旋翼航空器，
近年来，随着多旋翼飞行器技术的逐渐进步，其在航拍领域的优势日渐明显。相对于古老的载人直升机航拍，使用遥控多旋翼航空摄影拥有安全性好、成本低廉、审批简单、可达危险空域等无可比拟的优点。而四旋翼飞行器，凭借其超高的性价比，成为了航拍的最佳载具
与传统的固定翼飞机，直升机飞行原理不同，多旋翼飞行器具有多个于机身面垂直的动力输出轴，带动多个旋翼，产生垂直于机身平面的升力。当需要前进、后退、翻滚时，飞机会通过倾斜机身，产生侧向分力。因此使用四轴飞行器作为载具进行航拍时必须要使用云台系统。
增稳云台系统可以减轻多旋翼飞行器无法避免的多轴共振效应，有效降低因空中不稳定气流引起的画面抖动，抵消飞行器变向过程中产生的机身倾斜。因为多旋翼飞行器尚属新兴技术，故针对飞行器周边配套系统的研究非常少。面多靛翼飞行器航拍又是大势所趋，所以对用于四靛翼飞行器的航拍增稳云台系统研究额具价值。
1总体控制系统设计
本文设计的增稳控制云台使用树莓派作为微电脑处理器，GY-85九轴IMU传感器模块实时获取云台姿态，SG909g能机，碳纤维板切割成的机械结构等等组成，
树莓派主要用作从九轴IMU传感器处实时获取云台当前姿态信息、加速度倾角信息和电子罗盘信息，通过当前姿态信息可以得到实时云台相对水平位置倾斜角度，通过计算得出修正方案，辅助九轴IMU传感器获取到加速度倾角信息和电子罗盘信息，再通过能机控制板控制两路互相垂直能机进行姿态调整，使云台保持水平。 2云台增稳控制原理
树莓派通过九轴IMU传感器获取三轴陀螺仪信息，分析得出云台当前姿态位置，并同时计算得出应补偿调整角度方案，通过阶梯调整方案，对不同的变化角度采用不同调整速度补偿，保证云台最快达到水平状态。树莓派也通过分析从九轴IMU传感器处得到的加速度倾角信息和电子罗盘信息，获得实时云台姿态加速度信息，提前预判云台姿态可能发生的变化，并同时进行合适的补偿，保证云台实时的水平，通过加速度信息和电子罗盘信息的辅助，大大提高云台姿态调整的效率，通过获取姿态变化前加速度和电子罗盘信息，能在实际云台姿态变化前就进行预补偿，保证了补偿的实时性和准确性，弥补了通过获取在云台姿态发生变化后才变化的陀螺仅
信息再进行补偿的延迟，更加保证的整个增稳系统的稳定。 3通信接口设计
文章编号:1007-9416(2016)01-0116-01
GY_85九轴IMU模块内置ITG3205三轴陀螺仪传感器， ADXL345三轴加速度倾角传感器和HMC5883L电子罗盘三个模块。数字输出数据为16位二进制补码格式，GY-85模块可通过I2C数字接口访间，其中树莓派1号针脚接GY_85的3.3V针脚，树莓派 GPIO02(SDA1I2C)针脚接GY_85的SDA针脚，树莓派GPIO03(SCL1，I2C)针脚接GY_85的SCL针脚，树莓派Ground接GY_85的 GND,其余的VCC_IN,MLDRDY，A_INT1,G_INT在本设计中用不到，不接即可，GY_85模块总线格式为8位数据/地址传送和1位地址位。模块默认从0x3D进行读操作，从0x3C进行写操作。由于通信速度限制，当使用400kHz的12C时，输出数据速率最大不能超过 800Hz，同时，最大输出数据速率与I2C通信速度呈比例线性变化。当超出最大或最小范围进行输出数据时，可能会对加速度数据产生丢失影响和多余噪声。当同一I2C总线连接其余器件时，I2C需要外接上拉电阻RP。
4程序控制实现
4.1传感器数据获取
调用i2clibraries库中的ITG3205，ADXL345，HMC5883L这三种传感器接口，其中ITG3205是三轴陀螺仪传感器，ADXL345是三轴加速度倾角传感器，HMC5883L是电子罗盘。这三个传感器的启动文件中需加入"print(+**，file=open("/home/temp/
W，))’，同时调整获取数据间隔时间为
Gyroscope.txt"
0.001s，保证传感器获取数据的频率，之后再通过"nohupDy thon3***.Dy&"命今依次在后台无输出的运行三个传感器。这时云台的姿态数据.加速度数据，电子罗盘数据就被以1kHz的频率写人临时文件夹中，方便后续树莓派处理。
4.2数据分析与增稳控制
通过多次测量，得到能机在较水平位置的控制值，以此值作为标准零点位置值，再通过多次测量得到能机控制板输人电压与能机实际转角关系，因不同能机控制板搭配不同能机情况较多，需通过实际计算。再从上述传感器保存的云台当前姿态信息文件中读到当前云台姿态信息、加速度信息和电子罗盘信息数据，这些数据即为偏移水平位置程度数据，再计算出补偿数据通过能机控制板控制能机旋转保证云台水平即可。由偏移角度不同也许考虑不同转速进行
补偿。 5结语
本文通过对基于四旋翼无人机航拍云台增稳的研究，提出一种低成本、高效率的增稳方案，通过使用GY_85九轴传感器模块和用作微电脑处理器的树毒派再加上用于控制能机的能机控制板，保证了系统运行的稳定性和准确性，组成一个完整的增稳闭环，基本实现航拍云台的水平增稳，为后续的航拍操作提供基础。
收移日期：2015-11-09
0
作者简介：袁博(1994—),男，汉旗，山西大同人,本科在读，研究方向：通信工程；陈断(1965—),男，汉族，江西南昌人,博士,教授，研究方向：计算机
网络系统性能评价与安全，数据挖掘与大数据分新技术；高铭(1995一),男，汉族，河北元民人,本科在读，研究方向：移动应用开发,无人飞行器技术，嵌入式开发
16