无人机任务载荷云台技术的研究

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1、学校代码：10406分类号：V243.5学号：090430111018南昌航空大学硕士学位论文（学位研究生）无人机任务载荷云台技术研究硕士研究生：李全忠导师：王琪教授申请学位级别：硕士学科、专业：控制工程所在单位：信息工程学院答辩日期：2012年6月授予学位单位：南昌航空大学ResearchonTechnologyofPan-TiltSystemofUAVMissionPayloadsADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnControlEngineeringbyLi

2、QuanZhongUndertheSupervisionofProf.WangQiSchoolofElectronicandInformationalEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaJune.2012摘要近年来，军用需求的刺激和民用推广一直在促使无人机市场不断增长。世界各国纷纷加大研究和开发的投入。当前，无人机的能力主要由各种类型的任务载荷决定；而任务载荷大多需要安装在云台上面以实现在水平和竖直方向进行转动，以使任务载荷充分发挥其功能。随着无人

3、机和各种任务载荷的发展，机载云台作为无人机系统的重要组成部分，直接影响无人机执行任务的能力。各国投入使用的无人机上的任务载荷一般都配备了专用的云台系统，而随着各种小型化和模块化的任务载荷的发展，设计一种通用的小型化云台系统非常有必要。本文设计了一种通用的云台系统，包括四大功能模块：云台的电机驱动及控制模块，遥控指令处理模块，航拍图像获取与传输模块，目标检测与跟踪模块。云台是以两个两相混合式步进电机作为执行机构，实现在水平和竖直方向的两自由度转动。电机驱动及控制模块是使用两个L298n和一个赛普拉斯公司生产的CY8C

4、27443-24PXI型号的PSoC作为电机的驱动和主控芯片来实现的。使用SPWM控制步进电机的电流矢量恒幅均匀旋转的方法，实现了步进电机的八细分驱动，提高了步进电机分辨率，改善了电机的运行性能，有效抑制了电机运行时的噪声和机械振动；并通过串口接收上位机发送的控制命令控制电机转动，保证了云台转动的稳定性和灵活的转动控制。其它几个功能模块是在三星公司的S3C6410型号的ARM11核心处理器上运行的linux2.6操作系统平台上实现。jRTPlib、Xvid、OpenCV等可移植到Linux系统上的开源函数库为各种功

5、能的的实现提供了强大的支持。ARM处理器连接一个120万象素的USB接口的摄像头以获取航拍图像，在小型无人机飞行的低空空间可以获得清晰的图像；并通过以太网接口的数据链系统使用流媒体技术将航拍视频或图片等传回地面站。地面站可以通过数据系统使用TCP数据报传输控制指令给指令处理模块进行解析与处理，实现对云台的控制。目标检测与跟踪模块主要根据摄像头获取的图像信息，使用了颜色模型、帧差法、光流法等多种目标跟踪算法对图像中感兴趣的目标进行长时间稳定的自动跟踪，并生成控制步进电机转动的命令由串口发送给PSoC，控制电机带动摄像

6、头转动，使目标一直处于摄像范围之中。使用此功能还可以实现无人机的自动导航与寻标着陆等。关键词：无人机，云台系统，步进电机，细分驱动，航拍，目标检测跟踪IAbstractRecentyears,thestimulationofmilitaryneedsandpromotionofcivilianusinghasbeentopromotethecontinuousgrowthoftheUAVmarket.Countriesaroundtheworldhaveincreasedinvestmentinresearchan

7、ddevelopmentofthisarea.Atpresent,theabilityofUAVismainlydecidedbyvarioustypesofmissionpayloads;Inordertofullyperformmissionpayloads’function,theymostlyneedtobeinstalledonPan-Tiltinordertoachieverotationinthehorizontalandverticaldirections.Withthedevelopmentoft

8、heUAVandkindsofmissionpayloads,asanimportantpartoftheUAVsystem,theairbornePan-TiltimpactstheabilityofUAVtoperformtasksdirectly.Missionpayloadsthathavebeenputintouseinallcountriesar