遥控两轴云台小车控制系统硬件设计

任洋 尹宇芳 崔州平 陈应松 张慧洁

摘要：以机器人技术为背景，设计的一种遥控两轴云台小车控制系统。该硬件系统以STM32F427ET6单片机为核心，采用全球首例整合性6轴运动处理组件MPU6050（重力加速度陀螺仪）和HMC5983（地磁传感器）来检测两轴（X，Y）云台的加速度及角加速度，并通过反馈电路实现对云台的控制。遥控方式采用最新研制的2.4 GHz射频技术DESST（DJI Enhanced Spread Spectrum Technology）2.4 GHz ISM频段遥控器无线通信技术，能使有效操控距离达1 000 m。移动方式采用麦克纳姆轮这种新型的全方位移动方式来提高移动的灵活性和越野能力。

关键词：两轴云台；全方位移动；重力加速度陀螺仪；地磁传感器

中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：2095-5383（2018）01-0017-03

云台是一种光机电一体化设备，不仅可以用于运载摄像头等装置，还可以用于两电机按照水平方向和俯仰方向（X，Y）旋转的安装控制平台。两轴云台作为一种高精密设备应用十分广泛[1]，比如全方位摄像头、无人机云台、焊接机器人等。为了适应工业环境多样性与适用性的要求，本文设计一种可遥控两轴云台小车控制系统，将两轴云台安装在全方位移动平台上，使云台的移动范围缩小，灵活性增加，并且采用麦克纳姆轮全方位运动方式，使两轴云台可以适用于狭小空间。

1 系统总体设计

遥控两轴云台小车控制系统硬件主要分为3大部分：云台控制部分、底盘控制部分和数据测量部分。各部分独立运行并通过总线方式进行通信，其原理框图如图1所示。

底盘部分由4个无刷电机经过减速箱减速后带动麦克纳姆轮转动，从而实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动。底盘电机采用RM3510减速电机，驱动模块采用该电机配套驱动器（包含通信接口和CPU控制模块，驱动电路）。该电机工作电压24 V，转矩0.020 2 N·m/A，转速9 600 rad/min（该参数为不含减速箱的电机参数，减速箱减速比为19∶1）。驱动器与主控板的通信采用CAN（Controller Area Network， 控制器局域网络）总线通信方式。为提高电机工作稳定性和工作精度，底盘4个电机均有反馈电路，采用PID（比例（proportion）、积分（integral）、导数（derivative））控制方式。在此基础上研发的小车灵活性高、工作环境广、受地形约束小。移动控制方式由遥控器发出移动指令接收器接收后，由STM32芯片处理后对4个电机驱动器发送不同的控制信号，再由驱动器驱动电机转动，并实时监测电机当前转速从而精确控制电机转动。

云台部分是由2个电机和相应的电机驱动器组成，分别控制云台X轴、Y轴转动。一般的电动云台控制器有内置解码器和外置解码器两种，外置是指将各种接线引出到云台机械结构的外部，通过控制器给出相应的控制信号。相反内置解码器是安装在云台内部，与云台构成一体，通过串行通讯来控制云台。为了满足系统一体化的要求，系统采用内置解码器的方式。通过对整合性6轴运动处理组件MPU6050（重力加速度陀螺仪）和HMC5983地磁传感器反馈数据进行PID算法控制，以此达到更好的控制精度。控制过程为：主控利用陀螺仪与地磁传感器移动过程中各轴的加速度以及角速度和输入值进行PID计算得到电机转动的PWM值，通过CAN通信给云台电机驱动器指令，电机驱动器随即驱动电机转动，从而进一步控制电机转动使云台达到指定位置。

2 系统硬件设计

2.1 主控单元

系统主控电路是由单片机最小系统电路组成（最小系统包括单片机复位电路[2]、时钟信号发生电路）。单片机选用意法半导体公司的STM32F427ET6，该单片机是基于CortexTM-M4核心的高性能单片机，其工作频率可达180 MHz，拥有256 KB SRAM（Static Random Access Memory， 静态随机存取存储器）。

2.2 云台数据测量单元

为实现云台的高精度控制，系统硬件中必须存在数据采集电路。该数据采集电路主要由整合性6轴运动处理组件MPU6050（重力加速度陀螺仪）电路和HMC5983地磁传感器电路构成。

2.2.1 重力加速度陀螺仪电路

MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了封装空间。MPU-6050的敏感度为131 LSB/（°/s），为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250、±500、±1 000、±2 000（°）/s，加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g[3]。MPU-6050移除了加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。MPU-6050的陀螺仪和加速度计分别采用3个16位ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量从而供stm32芯片进行读取[4]。驱动方式采用IC接口，时钟引脚的SCL连接至STM32F427ET6的PB8接口，数据中断引脚链接到PB10，为了增加驱动能力，引脚上增加了10 kΩ的上拉电阻。电路图如图2所示。

2.2.2 地磁传感器电路

霍尼韦尔三轴电子罗盘HMC5983[5]是一个温度补偿的三轴集成电路罗盘，常用于测量磁场。该传感器用于检测云台的当前方向和转动角度。由于陀螺仪在运行中会产生漂移现象和累计误差，所以在使用MPU6050陀螺仪的时候需要使用地磁传感器对陀螺仪数据进行比对和校准以此来提高数据的准确性，从而进一步提高云台的控制精度。

2.3 云台控制电路

云台部分的电機采用大疆公司RM6623控制电机，具有精度高，响应快，扭矩大等特点。电机的额定电流为0.3 A，额定功率7.2 W，空载转速450 rad/min，堵转扭矩0.70 N·m，堵转电流3 A。扭矩足够一些小型机械设备正常运行。如需带动较大设备运行可以外加减速箱，或换用大功率电机。该电机的角度控制精度为±0.01°，精度已经满足使用要求。云台电机的位置传感器采用磁电传感器（霍尔元件），用于检测电机转动角度，通过内部芯片处理后输出数字量，在本系统中该数据用于限制电机转动角度。电机的驱动板与主控单元采用CAN总线通信方式，该总线由CAN-H和CAN-L构成，可实现双向通信，主控通过CAN通信给电机驱动控制信号。陀螺仪和地磁传感器将角速度、角度参数反馈给主板用于双环控制云台电机，提高电机的运行精度与稳定精度，角速度作为外环反馈参数，角度作为内环反馈参数。云台电机控制电路结构图如图3所示。底盘电机的控制方式和通信方式与云台电机的控制、通信方式基本相同，其中只采用了霍尔元件一个闭环控制。

3 系统实现

系统实现首先解决电源供给问题，底盘电机额定电压24 V，堵转电流10 A。由于转速控制，底盘电机正常工作电流0～0.9 A。云台电机额定电压为24 V，堵转电流为6 A，正常工作电流0～0.3 A。由于软件控制方式上采用的限速控制方式，所以所有电机均不会达到最大功率工作。整套控制系统最大功率不会超过100 W。电机的磁电传感器的工作电压为5 V，CAN通信芯片、惯性测量单元、STM32F427ET6等的工作电压为3.3 V。整车的供电由24 V航模鋰电池供给，容量为4 500 mAh，如需延长工作时间则需更换大容量电池。

首先由LM2596S降压转化芯片进行电压转化，从而输出5 V电压，输出电流最高可达2 A，满足通信芯片工作要求，再由ASM1117-3.3正向低压降稳压器其固定输出3.3 V，最大输出电流1.2 A。为了降低电压波动，使主控芯片和惯性测量单元元件工作稳定所有的供电输出端口均设计有LC无源滤波电路，采用5025B 20MM 68UH的电感和220 μF的电容组成，达到较好的滤波效果。24/5 V电压转换电路如图4所示。其余3.3 V输出电路与该电路使用方法相同。

其次解决各个部件之间的通信问题，首先4个底盘电机与2个云台电机均采用CAN总线通信方式，采用MAX3051EKA芯片，电路图如图5所示。

4 结语

本设计以32单片机为主控单元，通过遥控实现小车的全方向位移与两轴云台的遥控。试验证明：该系统能够正常运行并达到控制要求精度，但重力加速度陀螺仪仍然有轻微的漂移现象。当云台上的安装设备过重或是云台重心没在电机中心轴上时，云台电机的输出扭矩增大，会有明显的发热现象，需要进一步改进。

参考文献：

[1]黄文娟.基于PLC的两轴云台控制系统的设计与实现[D].厦门：厦门大学， 2015.

[2]梁亚峰， 王青春， 胡登纯. 面向物流终端的包裹分拣装置控制系统的设计[J]. 成都工业学院学报， 2016， 19（2）：42-45.

[3]InvenSense . MPU-6000 and MPU-6050 product specification revision 3.4.[EB/OL].[2013-08-19].

[4]NIE Y.陀螺仪加速计MPU6050[EB/OL].[2017-04-22].http：//www.crazepony.com/wiki/mpu6050.html.

[5]上海丙寅电子有限公司.HMC5983三轴电子罗盘芯片简介[Z].2014.