基于STM32的消旋控制系統的設計

王曉銀 蔣鋒

摘 要：為了消除飛行器機體旋轉對其上所帶相機姿態的耦合影響，實現對目標圖像的消旋控制，設計了一款以STM32微控制器為核心的光電穩定伺服控制系統。該系統利用高精度角速度陀螺儀，實時采集機體旋轉參數，利用參數自適應模糊PID控制器調節PID參數，通過閉環控制消除機體旋轉對相機姿態的耦合影響。實踐結果表明，本設計各項參數及指標均符合實際工作需要。

關鍵詞：STM32；伺服控制；陀螺儀；模糊PID

中圖分類號：TN914 文獻標識碼：A

Abstract： In order to eliminate the coupling effect of the aircraft body rotation on the camera attitude of the aircraft，an optoelectronic stabilized servo control system with STM32 is designed.The system used high-precision angular velocity gyroscope，collection the body rotation parameters in real time.Parameter adaptive fuzzy PID control algorithm is adopted to adjust PID parameters.Using closed loop control to eliminate the body rotation coupling effect of camera position.The practical results show that the parameters and indexes of this design are in line with the actual work needs.

Keyword： STM32；servo control；gyroscope；fuzzy PID

光電穩定伺服控制系統是跟蹤、偵查、定位、導航等應用領域的關鍵組成部分，由于光電平臺框架在跟蹤中的運動，使得穩定的圖像疊加了額外的旋轉，給后續的CCD圖像處理帶來影響甚至妨礙，所以對CCD圖像旋轉的補償控制技術即CCD圖像消旋控制技術成為關鍵。為保證載體旋轉條件下跟蹤設備的空間相對穩定和視軸精度指向跟蹤目標，提出了消旋控制方案[1]。

設計了隔離機體旋轉的消旋平臺控制系統。該系統通過測量機體旋轉的運動參數，控制消旋平臺及相機反向旋轉，從而使相機姿態保持穩定。文中對平臺的穩定控制理論進行了深入的研究與驗證，通過測試該系統的各項參數都能達到工作要求。

1 系統總體結構

由于飛行器測試的成本高昂，實際測試中采用了模擬機體旋轉的平臺及配套人機交互軟件，通過軟件預設角速度時間曲線，模擬飛行器在不同飛行階段的旋轉姿態，從而檢驗消旋控制系統的消旋效果。圖1為消旋平臺、模擬旋轉平臺和人機交互軟件組成的系統結構圖。

設計中上位機通過人機交互軟件經RS232串口向模擬平臺控制板發布指令，使模擬平臺按照預設的或隨機的角速度值旋轉。模擬平臺由直流有刷電機驅動，使整個消旋平臺與之同軸旋轉。消旋平臺中執行消旋的電機為一力矩電機，其轉子與 CCD 像機和陀螺儀直接軸連，陀螺儀作為消旋控制系統中的測角速度元件，與CCD相機同軸旋轉，檢測CCD相機旋轉的角速度。消旋平臺上的電源、信號線路都經過導電環引出，以避免線體絞扭。

2 消旋控制系統硬件設計方案

消旋控制系統的硬件設計主要包括角速率陀螺儀前端信號采集單元，功率放大單元，力矩電機驅動單元及微控制器單元。其硬件結構框圖如圖2所示。

角速率陀螺儀檢測相機旋轉的角速度，其輸出兩路模擬信號，一路為角速度測量值，一路為其內置的溫度傳感器的溫漂信號（用以修正不同溫度下零點電位電壓值）。微控制器通過其上的AD轉換器采集陀螺儀的兩路輸出信號，經運算處理后控制力矩電機旋轉以抵消模擬旋轉平臺帶來的運動耦合。

1.1 主控制器模塊選擇

設計中主控制器選用了低功耗，高集成度的STM32F103RBT6芯片，該芯片采用了ARM公司的Cortex-3內核，時鐘頻率最大可達72 MHz[2-3]。同時還內置有3個12位AD轉換器，11個16位定時器，其中2個16位6通道的高級控制定時器可產生多達6路PWM輸出，正好滿足設計需要。

1.2 角速度傳感器的選擇

角速度陀螺儀選用國產CS-ARS-06系列，該型陀螺儀體積小、重量輕、精度高，其分辨率低于0.009°/s。在實際使用中控制目標是使相機的旋轉速度趨于零，所以選擇陀螺儀的量程為±20°/s。陀螺儀信號采集后經過跟隨器隔離放大后送至STM32處理器的AD轉換接口中。電路如圖3所示。

1.3 電機驅動電路的設計

電機驅動采用ST公司生產的L298芯片，該芯片內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，其最高工作電壓可達46 V，瞬間峰值電流可達3 A，持續工作電流為2 A。在工作過程中首先將單片機輸出的PWM波形通過HEF4093變為兩路反相的PWM波（IN1，IN2）接入L298的輸入端，然后將L298的兩組H橋并聯使用，這樣可以使電機驅動電流達到3.5 A。電機驅動電路如圖4所示。

3 系統的軟件設計

3.1 微控制器軟件設計

該系統的軟件設計主要包括系統初始化，定時器控制PWM輸出模塊，AD轉換模塊，PID控制模塊等。整個系統的主流程圖如圖5所示。

3.2 模糊PID控制

3.2.1 PID控制簡介

消旋控制系統采用閉環控制，其中直流電機控制選用了PID算法。PID控制器是一種基于誤差的控制方法，他根據系統誤差，將電機的轉速與系統反饋值相比較，利用比例、積分、微分值計算出控制量對系統進行調節，使系統達到穩定。

在PID控制中參數的設定是決定系統控制好壞的關鍵因素。實際工程中對PID參數的確定一般通過結合前人的經驗和實驗數據，通過“試湊法”[4]來確定。參數中的Kp用來調節系統的響應速度，而過大的Kp會使系統產生震蕩，穩定性變壞。Ki越大系統的穩態誤差消除的越快，但又會使系統產生較大的超調。Kd的增大可提高系統的響應速度，加強系統的穩定性但又會使系統的擾動抑制能力減弱[5]。所以在設計過程中對參數的調節往往要花費大量時間，加之三個參數相互制約無法判斷系統性能是否達到最優。此外，在工作環境發生變化時，需要根據情況，再次調整參數，大大降低了系統的設計效率。基于此，設計中采用了對PID參數自整定的模糊PID控制器。

3.2.2 模糊PID控制器算法原理

傳統PID控制器PID參數固定不變，控制調速的實時性較差，而消旋控制為非線性系統，控制要求高，系統的控制輸出需要實時響應。模糊控制器以專家經驗和人工控制規則為基礎組織模糊決策表[6]，控制量的大小由查詢決策表確定，能夠根據系統實際情況進行自適應調整，解決了參數固定問題，使系統的自適應能力大大提高。模糊PID控制原理圖如圖6所示。

3.2.3 模糊PID控制算法規則表

模糊控制器中輸入變量為系統反饋值與給定的速度值形成的偏差e與偏差變化率ec。輸出變量為比例、積分、微分的修正值*kp、*ki、*kd。 對變量進行模糊化處理，得到模糊子集為：NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。設計中輸入變量選用三角函數作為隸屬函數，輸出變量選用高斯函數作為隸屬函數。根據比例、積分、微分參數對系統輸出特性的影響及其之間的相互作用，結合實際經驗建立控制規則表，如表1所示。

系統運行過程中，通過實時檢測偏差e和偏差變化率ec，將其量化到相應的論域，再到控制表中查找Kp、Ki、Kd的響應修正值，完成PID參數的在線調整，使系統達到穩定輸出。模糊PID算法流程圖如圖7所示。

4 系統測試與驗證

將兩種PID控制器應用到消旋控制系統中，對比兩種控制方式，調節模擬旋轉器旋轉速度為0 - 3 200 r/min。對比兩組速度響應曲線，采用常規PID算法具有較大的超調量，系統達到穩定的時間相對較長，采用模糊PID算法，在受到外界干擾時，系統的響應速度更快，能自適應調節，具有較強的魯棒性。速度響應對比曲線如圖8所示。

5 結 論

設計了基于STM32的航空消旋控制系統，該系統通過測量機體旋轉的運動參數，控制消旋平臺及相機反向旋轉，從而使相機姿態保持穩定。針對電機系統控制精度低，實時性不足等問題，采用了參數自適應調整的模糊PID控制，提高了系統的穩定性。通過測量該系統控制精度能夠滿足實際工作需要。

參考文獻

[1] 蔣鋒，李變俠，曹建中.基于MSP430的圖像消旋模擬系統設計[J].微計算機信息，2010：26（3-2）：86—87.

[2] 唐躍林，鄭徐豪，吳德操，等.一種基于ARM處理器STM32的手持式智能化自動扶梯同步率測試儀的研制[J].國外電子測量技術，2013：36（10）：67—71.

[3] 榮少巍.基于STM32的實收實發超聲波檢測系統研究[J].國外電子測量技術，2014：33（9）：54—58.

[4] 袁帥，汪明，韓穎，等.基于ARM的模糊PID直流電機控制系統[J].計算機系統應用，2015：24（4）：58—63.

[5] 黃平，王英，江先志，等，基于STM32的直流電機模糊PID調速系統研究[J].機電工程，2017：34（4）：380—385.

[6] 夏長亮，郭培建，史婷娜，等，基于模糊遺傳算法的無刷直流電機自適應控制[J].中國電機工程學報，2005，25（11）：129—133.