云台之家-基于STM32的云台控制-技术论文

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

随着社会的快速发展，视频监控和拍照得到了越来越广泛的应用。目前在国内可知，拍照技术大部分都是利用手持摄像机来拍照，这样拍照有个缺点就是，摄像机不能随着的控制拍照方向和角度。因此，为了，解决这个问题。我们就把摄像机安装在云台上，利用无刷电机来控制其自由转动。由于自身行业领域中的丰富项目经验，赢得了更多的市场机会。云台控制拍摄应用于各种领域，比如应用于小区，学校，医院等楼宇监控。用在最大的地方是航模拍摄。

而目前市面上的传统的云台只重视功能的实现，忽略了云台的结构设计，大多数采用能耗高，便于实现的步进电机作为驱动源，对于太阳能和风能提供电源的的森林防火系统来说无疑是致命的，功耗的大小直接决定着云台的运行时间，而云台的运行时间是整片安全与否的最直接体现。

由上可知，既有强大的完善的功能，又可实现低功耗长时间可靠的云台控制系统才是最受好评的云台控制系统。

为了满足这种需求，本文硬件以STM32驱动无刷直流电机为基础，配合加速度计来设计一种基于STM32低功耗云台控制系统。

1.2 国内外云台研究发展现状

在国内，随着科技进步和社会的发展越来越多的云台摄像项目在各地域分布广泛，并且应用也非常的广泛。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，内置解码器就是安装在云台内部，这样看起来与云台是一体的，通过串行通讯来控制云台。为了满足摄像系统一体化的要求，渐渐采用了内置解码器的方式。

最初云台是固定不能转动的，主要是为了支撑和保护摄像头。安装过程中可以调节摄像头的水平和俯仰角度，达到合适位置后锁定调整结构就可以了。后来

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在云台内部安装了两个执行电机，发展可以水平、垂直方向转动的电动云台，可以通过发送控制信号来调节角度，并且扩大了摄像范围。

由于快速球型一体化设计，曾经一度领先云台的发展。但是随着智能云台的改进、更新，在技术方面已经可以和快速球型摄像机相媲美。由于云台外观结构的特殊性，使云台的性能在其他方面甚至超过了快速球型摄像机。

国内的云台最初也是从国外引进的，像美国的派尔高、日本的索尼等公司的云台产品。随着一体化摄像机的发展，国内也涌现出了一部分公司开发云台，如艾力克、明景等表现不俗。虽然在知名度上与外国品牌还有一定的差距，但是中国还是有了自己的品牌。随着市场需要的扩大，越来越多的的公司加入到云台技术的研究当中去，使得云台技术渐渐成熟，在高、中、低端设备各个档次的都有。 根据不同的场合，产生了不同的特殊功能的云台。如在室外，就要求能适应恶劣的室外环境，防水、防尘，低温的地域要求在很低的温度下设备依然运行正常，腐蚀性严重的地方要求能防腐蚀。在不同场合要求结构不同，随着摄像机云台的集成化、一体化、数字化、网络化，智能云台也发展起来了。不再满足于最初的仅仅控制转动方向和摄像头参数，向着智能化、人性化的方向，与摄像机取长补短，共同发展。

1.3 本文的主要工作和结构安排

第一章主要首先主要阐述了本文的研究背景和意义，阐述了云台摄像机系统的发展历程，并对国内外云台技术发展状况和未来的发展作了介绍。

第二章对系统的硬件组成部分进行阐述，首先对STM32微控制器的高性能、低功耗进行了阐述。其次阐明了直流电机的分类，最后详细介绍其工作原理。

第三章主要是直流电机的驱动，首先介绍了一款高电压、大电流驱动芯片L298N，该芯片可以同时驱动两台直流电机。其次阐述闭环控制理论及其PID控制算法。

第四章主要介绍的是如何利用加速度计进行倾角检测。其主要原理就是利用重力加速度在各轴上产生的分量，构建三角函数关系，然后通过求反三角函数计算出倾角。

第五章主要介绍了基于STM32低功耗云台控制系统的硬件设计电路，并对

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STM32最小系统做详细的说明，其次介绍了针对于电机驱动芯片L298N的电机驱动。

第六章主要针对基于STM32低功耗云台控制系统的软件设计方案，对于云台控制协议进行详细的讲解，针对第三章讲解的PID算法控制理论给出了电机转速控制的PID算法，最后详解基于STM32的PWM电机驱动。

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第2章 系统概述

2.1 STM32F103处理器

2.1.1 STM32 F107处理器概述

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。

图2-1 STM32F103

它具有如下特点： 1. 哈弗结构

2. Thumb-2指令以16位代码密度带来了32位的性能 3. 单周期乘法指令和硬件触发指令 4. 内置快速的中断控制器

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