基于RK3399+PID的手持稳定云台的设计与实现

手持稳定云台的主要作用是将外界环境因数引起的相机姿态变化进行隔离。如因操作者运动造成的机体震动、风阻力矩等，为了确保工作中相机的视轴始终保持期望的姿态不动。云台相机要拍摄出高质量的影像最重要的就是保证相机的视轴相对目标保持稳定。因此在相机拍摄的过程中要求设备始终保持水平、匀速运动并且还要保持设备姿态的稳定。
本文采用了瑞芯微 RK3399 作为手持稳定云台控制系统的控制芯片，本文设计了云
台的机械结构且对云台进行了运动学分析、应用姿态融合算法最后对云台控制系统硬件
和软件进行设计。本文的主要内容为：
首先，根据常见的稳定云台多采用单姿态传感器且安放在目标载体上或者云台基座上。本设计针对手持稳定云台系统的结构和特点，采用双惯性传感器的安装方案，一个安装在载体相机上，另一个安装在与框架相连的电机上。同时介绍了稳定云台工作原理并进行了运动学分析。
然后，选用了三个无刷直流电机驱动云台，根据已知无刷直流电机的数学模型得出稳定云台俯仰框架控制模型。对常规 PID 控制方法和模糊自适应 PID 控制方法进行对比，通过分析比较最终选用了模糊自适应 PID 控制方法对云台控制系统进行仿真，并且在加入扰动输入下的仿真结果较常规 PID 控制方法具有更好的快。速性和稳定性。同时将经典卡尔曼滤波方法用于控制系统，对经典卡尔曼滤波算法在本设计上的应用MATLAB 进行仿真验证。
最后，对手持稳定云台系统硬件控制系统和软件控制系统进行设计设计了RK3399 外围电路板并介绍了无刷直流电机驱动原理和反电动势的零位检测方法；对手持稳定云台俯仰轴、横滚轴、方位轴工作条件下的姿态进行了实验验证。

系统整体结构概述
稳定云台系统主要由云台实体、控制器、传感器模块、电机驱动模块，同时系统还
有电源模块等辅助模块。稳定云台控制系统的核心就是云台控制芯片[51]。传感器模块主要目的是检测载体相机和云台基座的姿态数据并将数据实时传送给云台控制器。然后控制器将姿态传感器测量到的原始数据通过融合计算得到载体相机实际姿态角，最后控制器根据载体相机和云台基座的实际姿态和期望姿态的差值去驱动无刷直流电机动作使其载体相机达到期望姿态目标值。以下图 5.1 是云台控制板硬件设计图。

 本设计选用的控制芯片为瑞芯微公司的 RK3399 芯片。云台控制板有两部分构成，
分别为核心板和外围板。系统使用的核心板是瑞芯微公司集成好的板子，而外围板是自