一种用于四旋翼飞行器的航拍增稳云台的设计
摘要：文章描述了一种用于为航拍摄像头提供增稳技术的小型四旋翼飞行器的航拍云台。该云台使用碳纤维板为主体材料，并使用树莓派卡片式计算机作为云台控制器，通过三轴陀螺仪采集相机的姿态参数，经树莓派分析后，操控相应舵机进行姿态修正，以抵消飞行器变向过程中产生的机身倾斜，从而减轻并几乎消除航拍画面的抖动。
关键词：四旋翼；航拍云台
中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0082-01.
摘要：文章描述了一种用于为航拍摄像头提供增稳技术的小型四旋翼飞行器的航拍云台。该云台使用碳纤维板为主体材料，并使用树莓派卡片式计算机作为云台控制器，通过三轴陀螺仪采集相机的姿态参数，经树莓派分析后，操控相应舵机进行姿态修正，以抵消飞行器变向过程中产生的机身倾斜，从而减轻并几乎消除航拍画面的抖动。
关键词：四旋翼；航拍云台
中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0082-01.
1 研究内容与当前现状
最近几年，随着多旋翼飞行器技术的逐渐成熟，尤其是小型四旋翼飞行器价格的快速下降，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，使用四旋翼无人飞行器进行航拍摄影拥有安全性高、灵活度好、姿态稳定、成本低廉、审批简单、可达危险空域等无可比拟的优点。但四旋翼飞行器的飞行原理与传统的直升机不同，它具有 4 个垂直于机身平面的推进器，当需要前进、后退、翻滚时，飞行器必须通过倾斜机身，才能产生侧向分力[1]。如果摄像机直接安装在飞行器上，飞行器产生偏斜时，摄像机将随着飞行器产生偏斜，拍出的视频画面也是倾斜的，影响观看效果。因此使用四旋翼飞行器作为载具进行航拍时必须要加装增稳云台，当飞行器偏斜时，增稳云台使得摄像机还能保持水平位置，不影响拍摄画面。本文所设计的增稳云台系统可以抵消飞行器变向过程中产生的机身倾斜，降低空中因不稳定气流引起的画面抖动。
2 设计思路与技术路线
本文所设计的增稳云台系统分为机械结构设计与控制系统设计。系统的技术路线如图 1 所示，树莓派作为控制中心通过GY-85 九轴自由度 IMU 传感器获取相机的姿态参数，经过和预设值的比对，计算出所需的修正参数，将修正参数传入舵机控制板，控制舵机进行姿态修正。具体的设计如 2.1 节和 2.2 节所示。
2.1 机械结构设计
云台主体采用碳纤维板拼接而成。两个通过 15mm 支柱支撑的平行碳纤维板作为横滚舵机固定板，顶部插接一个转换板，可供连接四旋翼飞行器，下部通过 4 颗 M2 螺丝将横滚舵机固定。横滚舵机臂通过自攻螺丝与横滚臂板固定，横滚臂板与俯仰舵机固定板通过一对 L 型的连接板固定，俯仰舵机固定板末端用两颗 M2 螺丝固定俯仰舵机。俯仰舵机臂通过自攻螺丝与俯仰臂板固定，俯仰臂板通过 L 型连接板与相机固定板连接。相机固定板通过 M3 螺丝和辅助插接件固定在 L 型连接板上。 2.2 姿态测量模块云台采用 GY-85 九轴自由度 IMU 传感器模块作为云台实时姿态测量模块，此模块包含三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴磁场传感器，其中三轴陀螺仪使用ITG3205 芯片，三轴加速度传感器使用 ADXL345 芯片，三轴磁场传感器使用HMC5883L 芯片。本模块采用 3-5V 直流供电，实验中采用3.3V 直流供电，模块采用的是一个 IIC 协议所定义的简化后的通信接口协议，数据传输速率是标准模式 100kbps 或400kbps 速率，总线位格式是一个 8 位数据/地址传送和 1 位应答位。默认 7 位从机地址为 0x3C 的写入操作，或 0x3D 的读出操作。
2.3 姿态调整模块
云台采用一块 16 路舵机控制板进行舵机控制，本舵机控制板使用 I2C 接口，默认地址为 0x6F，支持 16 路 PWM 通道舵机控制信号输出，主控电路采用 3.3V直流供电，舵机供电采用 4.5-5.5V 直流供电，模块采用 3P 标准接口，同时采用 4 位可调地址（A0-A3），提供 2 位分辨率，可调 PWM 频率最高至1.6KHz，通讯协议采用 I2C 协议。
横滚舵机采用 Futaba S3003 模拟舵机，尺寸为 40.8*20.1*38mm，工作扭矩为 2.5-3kg/cm，反应转速为 0.16-0.2sec/60°。
俯仰舵机采用 GS-9025MG 模拟舵机，尺寸为 22*12*29mm，工作扭矩为 2.3-2.5kg/cm，反应转速为 0.10-0.11sec/60°。
通过树莓派处理姿态测量模块得到当前云台姿态，并结合姿态变化趋势分析得到姿态调整方案，将调整指令发至舵机控制板后，舵机控制板驱动云台上一对垂直组合放置的舵机进行姿态调整，最终使云台保持水平，保证相对良好的拍摄条件。
3 舵机控制方法详解
舵机控制板通过就收控制信号来控制电机旋转方向和旋转角度，电机通过齿轮组将传动输出至舵盘。舵机通过位置反馈电位计进行反馈，舵机的转动会带动电位计，电位计将电位信号反馈到控制电路，控制电路根据反馈信号判断舵机转动状态，并在到达目标位置时控制舵机停止转动。舵机采用周期脉宽调制 PWM 信号，脉宽会被设定在一个区间，所对应舵盘在一个角度内旋转，脉宽和舵盘旋转角度呈线性关系。当舵机每次接收到新的信号都会和舵机内的基准信号进行比较，从而判断应该旋转的方向和旋转量，进而控制电机进行旋转。
参考文献：
[1] 杨庆华,宋召青,时磊.四旋翼飞行器建模、控制与仿真[J].海军航空工程学院学报,2009(5)基金项目：由北京市教委“PXM2015_014224_000050 本科生培养-大学生科研训练（市级）”经费支持。
